高层建筑桩箱(筏)基础结构设计理论与实际研究(案例分析、附图).ppt
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1、高层建筑桩箱(筏)基础设计理论与实践研究,第一章绪 论第二章高层建筑超长桩箱基础与地基的共同作 用测试研究第三章桩土共同作用及沉降分析第四章 高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易 理论法第五章高层建筑桩箱(筏)基础沉降机理分析第六章带裙房高层建筑基础整体设计的研究第七章高层建筑桩箱(筏)基础的变形控制设计 理论第八章结论与展望,高层建筑桩箱(筏)基础设计:通常是通过增加桩数来提高群桩的承载力使之能承担建筑物的荷载;很少考虑需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在规定的范围内。高层建筑桩箱(筏)基础设计理论与实践研究目的是:最终能使设计人员可利用高层建筑与桩箱(筏)基础共同作 用的设计理论进行优化设
2、计。2.提出方法解决考虑需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在规定的范围内的问题。,第一章 绪 论,高层建筑桩箱(筏)基础 高层建筑桩基础大部分为桩箱基础和桩筏基础。通过增加桩数来提高群桩的承载力使之能承担建筑物的荷载的设计方法称为强度设计方法。1.强度设计方法认为建筑物的荷载全部由桩承担,桩间土的承载力是不考虑的。2.共同作用设计方法认为高层建筑物的荷载是由桩和桩间土的承载力共同承担。,强度设计方法群桩中单桩竖向承载力校核1.轴心竖向力作用下:2.偏心竖向力作用下:,强度设计方法设计的高层建筑桩基础,国内最高建筑物为上海88层金茂大厦,主楼高420.5m,地下3 层,埋深19.2m,主楼底板尺
3、寸64 m64 m,厚4m,裙房底板面积14950 m2,厚 0.5m。主楼采用914.420的钢管桩,桩长65m,入土深度83m,共429根。裙房采用609.614的钢管桩,桩长33m,入土深度47m,共632根。,正在建造的国内最高建筑物在上海,为121层上海中心大厦。主楼结构高580m,塔冠最高点达632 m,主楼底板为直径121 m,厚6m的圆形钢筋混凝土板,埋深31.4 m,局部埋深34.4m。采用直径为1 m的钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩长55.6 m,入土深度87m,共955根。也是用强度设计方法设计的高层建筑桩基础。,1.进行高层建筑带桩基础与地基共同作用现场实测研究的目的:1)为
4、实际的工程设计提供依据;2)它是理论分析正确性的判断和检验标准。,第二章 高层建筑超长桩箱基础与 地基的共同作用测试研究,图2-1 建筑透视图,图2-3 公寓平面及量测元件布置,2.地基反力及 荷载分担,图2-2 建筑剖面示意图,图2-4 I-I剖面地基反力的分布及随层数增加的变化,图2-6 桩与箱基的荷载分担,说明:常规设计的超长桩箱基础的桩间土从施工一开始就 分担上部荷载,这是高层建筑群桩基础的工作机理。,1)桩间土在箱形基础混凝土一浇灌,就存在地基反力了。现场实测并未观察到群桩基础先承担上部荷载,而桩间土一点荷载也未承担的情况,这是桩箱(筏)基础的工作机理。这是和带承台单桩的试验结果不同
5、的,带承台单桩的试验结果认为:上部荷载先由单桩承担,承台下的土体的地基反力为零,当单桩荷载达到单桩极限承载力时,单桩承担荷载保持不变,承台下的土体才开始承担上部荷载。高层建筑变形控制设计理论应以群桩基础的工作机理来探讨。2)本例箱基底板分担11.1%的上部荷载。,(a)底板上排钢筋应力,(b)底板下排钢筋应力图2-8 钢筋应力与时间的变化图,3.箱基底板钢筋 应力1)实测箱基底板钢筋应力远小于钢筋的允许应力。底板上排钢筋应1处最大钢筋拉应力29.35MPa,底板下排钢筋(应5)处测得最大钢筋拉应力为11.44MPa。桩对准剪力墙布置的设计使箱基底板厚度减薄至60cm是合理安全可靠的。这种设计方
6、法与同类的满堂式桩设计方法比较,每幢公寓可节省约15万元投资。2)箱基底板钢筋应力随温度变化的规律。钢筋应力并未按荷载的增加而增加,而呈现正弦形规律的变化,最大底板钢筋拉应力往往在1-3月份出现,最小底板钢筋拉应力往往在7-9月份出现。,图2-10 大气温度、下排钢筋处温度以及它们之间的温差随时间的变化图,图2-11 上排钢筋处温度随时间的变化图,图2-12 钢筋应力计的频率与温度的关系,3)底板钢筋应力呈现出正弦形规律的变化,这是建筑物整体结构温差应力的结果。,4.桩箱基础底板钢筋应力 的机理分析1)桩箱基础的底板弯矩按局部弯曲计算;2)桩箱基础底板钢筋应力的机理分析:计算桩箱基础底板钢筋应
7、力,计算单元是变化,实测表明,计算单元变化的结论是正确的。3)群桩刚度对箱形基础的底板钢筋应力分布是有 影 响的。,图2-13 应1,应5及应9处的上下排钢筋应力随时间的变化,(a)(b)(c)(d)图2-14 高层建筑桩箱基础的箱基底板计算单元变化图,图2-15 箱基底板上下排钢筋应力沿-剖面的分布图,5.超长桩箱基础 的变形 1)沉降很小(29.3mm,实测推算 的最终沉降为36.8mm。);2)超长桩箱基础的整体横向倾 斜和纵向弯曲。整体横向倾斜:0.25(视作 均匀下 沉);纵向弯曲:-0.386-0.29(与纯箱基差不多)。,图2-17 平均沉降随时间变化的理论值与实测值的比较,图2
8、-16 沉降随时间(层数)变化的关系,第二章 小结1桩对准剪力墙的轴线布置的设计方法是合理可行的。2常规设计的超长桩箱基础的桩间土从施工一开始就分担上部荷载,这是高层建筑群桩基础的工作机理。3.在进行高层建筑桩箱基础底板设计中,桩箱基础整体弯矩可以不计,桩箱基础的底板弯矩按局部弯曲计算。4.高层建筑群桩基础对箱形基础的刚度是有影响的。超长桩箱基础可视为绝对刚性的。5由于高层建筑物的温差引起的箱基底板钢筋应力的变化不容忽视。,第三章 桩土共同作用及沉降分析1.弹性理论法。这是以明特林(Mindlin)解为基础的一种桩基础沉降计算方法。在具体应用中分为两类:位移解;应力解:盖特斯(Geddes)。
9、弹性理论法计算参数不易确定。2.简易理论法。该法是由笔者在1989年提出的桩箱(筏)基础最终沉降计算方法。土中应力用布西奈斯克解或明特林(Mindlin)解。简易理论法简单,能够手算,计算参数易确定,计算结果不需用沉降计算经验系数修正。3.实体深基础法。这个方法是国内在1989年前规范推荐的方法,该法简单,方便,能够手算,计算结果需用沉降计算经验系数修正。沉降计算经验系数改变后,这个方法仍在上海市地基基础设计规范(DGJ08-11-1999)中存在。此法不能计算沉降与桩数的关系。土中应力用布西奈斯克解。4.剪切位移法。这个方法国内很少用于实际。,高层建筑桩箱(筏)基础的共同作用的理论分析结果:
10、,1、适当减少桩数,建筑物的沉降增加很少(图b),底板弯矩平缓增加(图c),且桩间土分担上部荷载的比例增加(图d)。2、常规设计的桩箱(筏)基础的角桩,边桩,内部桩反力之比为3.59:2.71:1;极限设计(群桩的平均荷载等于单桩的极限承载力)的桩箱(筏)基础的角桩,边桩,内部桩反力之比为1.39:1.20:1。3、常规设计的桩箱(筏)基础底板的钢筋应力均很小,在30MPa以内(图2-8),(表b)。,4、桩越长,建筑物的沉降就越小,但当长细比达到某值时,减小沉降的作用就不明显了(图f)。5、合理布置桩位,高层建筑桩箱基础采用轴线桩及高层建筑桩筏基础采用柱对桩方案可大大减薄底板厚度;桩布置外密
11、内疏是为了充分利用内部桩的承载力,桩布置外疏内密是为了减小底板的弯矩。,图b 桩间距与沉降的关系,图c 筏中最大弯矩与桩间距的关系,图d 桩分担系数 与桩间距s 的关系,表b 实测的底板钢筋应力,图f 桩长L与沉降S的关系,高层建筑桩箱(筏)基础与地基共同作用的理论和实践研究表明:加大桩间距,减少桩数,充分利用桩间土的承载力是可行的。由此建立共同作用设计方法。该设计方法的核心是认为高层建筑桩箱(筏)基础能否正常安全工作,主要是:(1)让建筑物的实际沉降小于允许沉降;(2)让桩的承载力与桩间土的承载力之和控制在一定的范围内;(3)要求桩群中的基桩平均荷载不超过单桩的极限承载力。,下面例子说明桩间
12、土的承载力是客观存在的:上海属软土地基,其地基承载力也有80kPa。高层建筑一般均有较大的埋深,实践证明:当地下室埋深在5.5m左右,不采用桩基础仍可造12层高层建筑,沉降量仍在20cm以内。当建筑物的荷载等于挖去土重时,即处于所谓的自重应力阶段,建筑物仅有2mm以内的绝对沉降量(图g)。,图g 卸载(深基坑开挖)与变形的关系,另外,上海兰生大酒店,26层高层建筑,地下室埋深7.6m,总压力为360 kPa,而筏基持力层承载力358kPa之多,但是这幢建筑物却设置了230根桩长为53m的609.6mm12mm的超长钢管桩。此例可见,常规设计的高层建筑桩箱(筏)基础把这么大的筏基持力层承载力全部
13、忽略了。常规设计没有考虑桩间土承载力这个宝贵的自然资源。,高层建筑桩箱(筏)基础的共同作用设计方法是在高层建筑桩箱(筏)基础常规设计方法和高层建筑桩箱(筏)基础与地基共同作用时桩间土从施工一开始就分担上部荷载的事实而发展起来的。如何充分利用桩间土的承载力,减少桩数,合适布置桩距和长短是高层建筑桩箱(筏)基础共同作用设计方法的主要内容。,第四章 高层建筑桩箱(筏)基础 沉降计算的简易理论法,4-1.概述4-2.基本原理:通过对桩箱(筏)基础受力环境的比较,分析它们的变形机理,给出两种桩箱(筏)基础沉降计算的分析模式:1)P T 的分析模式;2)P T 的分析模式;P 总荷载;T 总抗剪力。,P
14、T:,图4-4 P T 情况,P T:,图4-6 P T 情况,T 的计算:,4-3.简易理论法的单桩分析,1)短桩,2)长桩,3)超长桩,通过单桩的各种桩长的简易理论法分析与实测比较,可得如下结论:沉降计算的简易理论法可以计算单桩的各种桩长的沉降。单桩的简易理论法可以给出理论的单桩刚度:kp=Q/S(4-18)10m以内的短桩,单桩的简易理论法计算沉降,在计算桩长范围内土层的压缩量时采用沿桩长压力分布为矩形分布的假定,桩长范围内土层的压缩量可以忽略;对于20-30m的长桩,实测的Q-S 曲线均在沿桩长压力分布为三角形分布和沿桩长压力分布为矩形分布理论Q-S 曲线之间,说明20-30m的长桩的
15、沉降量,桩的压缩量开始占到一定的比例,因此,不能忽略桩间土的压缩量。而45m以上的超长桩,在计算桩长范围内土层的压缩量时宜采用沿桩长压力分布为三角形分布的假定,且超长桩的沉降量主要是桩的压缩量。单桩的简易理论法给出荷载与沉降(Q-S)的非线性关系,短桩和长桩还给出理论的单桩极限承载力值。,4-4.简易理论法的群桩分析1)在上海,表4-18 温州地区12幢高层建筑沉降计算值与实测值的比较,注:简易理论法预估最终沉降;实测沉降位竣工时的沉降。,2)在外地,4-5.不同应力计算方法对桩箱(筏)基础沉降计算的比较,附加应力用布西奈斯克解计算,计算沉降最大;用明特林解计算时,泊松比大,计算沉降大。,第四
16、章 小结1高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易理论法可以计算各种桩长(7.5m-60m)的最终沉降;此法简单、方便,且可以手算;计算参数容易确定;计算结果均不需使用桩基沉降修正系数;考虑了桩间土分层的影响;能反映建筑物荷载与沉降的非线性关系;计算沉降量与实测推算值相当接近,并在外地获得成功。2用简易理论法的基本原理可以进行单桩分析,能获得单桩的理论的单桩刚度;给出荷载与沉降(Q-S)的非线性关系;短桩和长桩还给出理论的单桩极限承载力值。3高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易理论法不管桩的长度为多少,用布西奈斯克解计算的沉降大,用明特林解计算的沉降较小;超长桩情况,明特林解计算的沉降值更接近于实
17、测推算值,对于短桩和中长桩情况,布西奈斯克解计算的沉降更接近于实测推算值,且明特林解计算的沉降误差较大;高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算用布西奈斯克解是可行的。,第五章 高层建筑桩箱(筏)基础沉降机理分析,(5-1),1.前言桩数变化必须满足下式:,式中:Pu 桩的极限承载力;Pb 桩材料的强度极限荷载:np 设计最少桩数。,2.桩箱(筏)基础的沉降机理分析和优化设计,1)高层建筑桩箱(筏)基础的荷载沉降曲线2)高层建筑桩箱(筏)基础的桩数与沉降的关系3)高层建筑桩箱(筏)基础桩长与建筑物沉降的关系 4)下卧层压缩模量的影响 5)箱(筏)基础宽度B对建筑物沉降的影响6)箱(筏)基础面积变化对建筑
18、物沉降的影响7)桩径变化对建筑物沉降的影响,图5-1 8m短桩的p-S 曲线,图5-3 桩数与建筑物沉降的理论关系,图5-2 54.6 m超长桩的p-S曲线,图5-7 建筑物基础的平面面积变化对沉降的影响,图5-5 例4-2情况的下卧层模量变化与沉降 的关系,图5-4 例4-2情况桩长与沉降的关系,(a)桩径变化对单桩承载力的影响,(b)桩径变化对建筑物沉降的影响(A)8m短方桩情况(B)52.3m超长圆桩情况 图5-8 建筑物桩基础的桩径变化对单桩承载力和建筑物沉降的影响,例5-1 某地某两幢办公大楼均为25层高层建筑,上部结构采用框架剪力墙结构。1#楼平面面积为:27m24m,2#楼平面面
19、积为:37m21m。两幢大楼共用同一个筏板基础,筏板基础平面面积为1692m2。采用桩筏基础,筏板厚2m,埋深5m。桩选用0.45m0.45m28.0m预制钢筋混凝土方桩。1#楼桩数256根,2#楼桩数248根。场地的地质资料见表5-3。桩基持力层为7-1层。,图5-9 两幢办公大楼的共用桩筏基础平面图及各测点实测沉降值,3.实例分析,这两幢办公大楼1995年底结构封顶,至1999年1月5日沉降观测的最大沉降达305.4mm,最大沉降速率为0.177mm/天,最大倾斜为4.20。在软土地区,高层建筑桩筏基础一般来说沉降是小的,差异沉降也较小,通常系均匀下沉,一般不会有较大的倾斜,但是,当绝对沉
20、降很大时,则差异沉降也将增加。因此在实际设计中,合理的沉降计算方法和合理的计算模式及计算参数的选用是至关重要的,它可以得到高层建筑的安全建造,否则建造的高层建筑将会出现不符合规范的结果,并形成长期不能完工和使用,造成很大的经济损失。为此有必要对这两幢办公大楼进行沉降分析,以了解可能的不合理的原因。,1)沉降计算 沉降计算时,合适的桩筏基础平面面积选择的重要性;沉降计算时,合适的压缩模量选择的重要性。2)实测研究3)桩基础施工情况4)设计建议,表5-4 桩端持力层下各土层的压缩模量的选择,表5-5 桩筏基础平面面积变化对建筑物沉降的影响,图5-10 桩筏基础平面面积与计算沉降的关系,1)沉降计算
21、,表5-6 两种计算方法及两种模量取值的最终沉降计算值,图5-11 1#楼的沉降与时间的关系,2)实测研究,图5-12 2#楼的沉降与时间的关系,3)桩基础施工情况 本工程的桩采用预制钢筋混凝土方桩,桩断面为桩选用0.45m0.45m,桩长为28.0m,系两节桩,采用焊接连接。设计桩尖进入7-1土层。用压桩法进行施工。压桩从1993年12月开始,到1994年6月完成504根的压桩任务,其中有141根桩未压到设计标高而截短0.5m-1.5m。1#楼截桩61根,占总桩数的23.8%;2#楼截桩80根,占总桩数的32.2%。截桩数的比例是够大的。从前面分析可知:桩长对建筑物的沉降是有较大影响的,这么
22、多的截桩将使建筑物的沉降增大。,4)设计建议 这两幢建筑物由于合用一个整体基础,建筑物的沉降将大增,但若事先能知道基础面积增大会使建筑物的沉降增大,那就会采取合理的措施使建筑物的沉降控制在规范规定的允许沉降以内,下面探讨这两幢建筑物使其的沉降控制在规范规定的允许沉降以内的办法。,图5-13 例5-1建筑物的桩长与沉降的关系曲线,5-3 本章小结1.高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算简易理论法可以分析高层建筑箱(筏)基础的总压力p和沉降S的关系,桩数与沉降的关系;桩长变化与建筑物沉降的关系;下卧层压缩模量对沉降的影响;箱(筏)基础宽度B对建筑物沉降的影响;建筑物平面面积对沉降的影响以及桩截面变化对沉
23、降的影响。2.通过对这些影响因素的分析研究,对高层建筑桩箱(筏)基础的工作机理有了深入的了解,可以自由地进行最优设计,使高层建筑桩箱(筏)基础的基础设计做到既合理安全又经济,达到优化设计的目的。3.通过一实例分析可知,两幢建筑物合用一整体基础,应以整体基础的平面面积计算沉降,桩端下土层的压缩模量应采用自重应力至自重应力加附加应力对应的压缩模量。同时指出,太大的沉降量会使建筑物容易倾斜。桩的长度对建筑物的沉降量影响明显,桩的压入应以桩尖标高为准,不能用桩压不下去为理由不压到桩尖标高。,第六章 带裙房高层建筑基础 整体设计的研究,6-1.带裙房高层建筑与地基基础的共同作用分析6-2.带裙房高层建筑
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