高层建筑地基基础概念设计

高层建筑地基基础概念设计（高层建筑基础设计的内在潜力）孟凡向一、复合地基与复合桩基的概念与区别墩、桩、复合地基中桩的区别复合桩基复合地基柔垫层桩基墩扩底墩扩底桩（夯扩、爆扩、挤扩、预留石后压浆、钻扩等方法）二、地基处理、桩基技术的发展与创新1、地基处理技术的发展排水固结：堆载预压、真空预压、真空联合堆载预压、电渗法、降水固结法。强夯：柱锤冲扩、孔内强夯、强夯置换。水泥土：深层搅拌、双向搅拌法、高压喷射、夯实水泥土桩、喷射搅拌、压力灌浆法（渗入性灌浆、压密性灌浆、劈裂性灌浆）。置换与密实：垫层、抛石挤淤、砂石桩置换、强夯置换、石灰桩、爆破挤密、土桩灰土桩挤密、夯实水泥土桩、孔内夯扩。加筋土垫层：土工织物、土工格栅、土工格室、金属板条。刚性桩复合地基：CFG桩、低标号素砼桩、预制钢筋砼静压桩、预应力管桩、无砂砼小桩。冷热处理：冻结、烧结。2、复合地基技术的创新●异性桩复合地基技术CFG桩+灰土桩水泥土桩+振动碎石桩碎石桩+压浆形成无砂砼小桩组合桩异性桩复合地基1灰土桩CFGPHCCFG异性桩复合地基2实散组合桩复合载体夯扩桩●长短桩复合地基技术长桩控制沉降、短桩控制承载力依基础刚度、荷载分布决定长短桩结合形式依应力场分布决定长短桩布置范围复合地基承载力试验与检测、沉降计算方面带来新的课题长短桩复合地基示意图垫层加筋与桩网复合地基技术水平排水板+振动碾压竖向排、降水+强夯●多种地基处理方法的联合运用技术●垫层加筋复合地基技术水平向加筋+竖向增强体复合地基调整桩土应力比、使桩承担更多的荷载减少水平向路基变形或减少工后沉降量改善了柔性基础条件下的刚性、半刚性桩复合地基的应用条件可采用疏桩理论按沉降控制设计。水平加筋与竖向增强体复合地基●小桩技术小桩技术实现了系列化和理论化，很多新技术措施使小桩能更好地应用于复杂的建筑结构、土质和环境中。主要有：（1）对小桩进行二次灌浆；（2）对桩间土进行补强；（3）预加荷载；（4）变节技术的应用。●瑞典1983年成功研制一种扩底小桩，解决重荷载基础的地基处理问题。●马来西亚1987年推出了造价低、施工快、沉桩简易的预制静压小桩。●南非1985年成功地运用小桩处理了湿陷性土层中，房屋基础的托换工程。●1971年McQuire通过对木桩的埋藏试验,确认经正常防腐处理的木桩使用年限可达100年。●澳大利亚小木桩被用于膨胀土中作为住宅基础。●新加坡小木桩用于软粘土地基以建造街坊式单层工业厂房。●新西兰使用小直径软木桩取代混凝土桩和硬木桩作为房屋基础。已有建筑物帽梁喷射混凝土开挖面小桩网状小桩群图承受水平荷载的小桩群为“有筋土墙”“有筋土墙”的计算可模拟钢筋混凝土梁的计算。有下列三种情况：（1）完全不考虑小桩与土体间的粘结；（2）考虑小桩与土体之间完全粘结；（3）考虑小桩与土体之间部分粘接。纵断面原有建筑物横断面开挖线1234小桩在基坑、托换工程中的应用已有建筑物可能滑动面理想块体地面开挖面网状群桩外部稳定验算图●后处理复合地基技术▪后处理技术概念图1路基先处理后填土图2先部分填方后处理后填土图3全填方后处理复合土层一复合土层二加宽路基先处理桩后处理桩原道路路基施工桩长部分位于填土内，利用桩土间的摩擦力形成锚固段，可阻止地基土变形时桩向上的“刺入”，和使后部分填土荷载通过该段桩侧摩阻力或桩顶设置的桩帽向桩身的转移，有效地调整和增加桩土应力比。▪后处理技术机理①在被加固场地先填土形成附加应力后用碎石桩置换，对碎石桩体及桩周土体进行渗入式灌浆、二次压密注浆，使桩周土体受到压密灌浆处理，形成较高强度的无砂砼小桩竖向增强体。②后处理技术具有堆载预压、快速排水、排气固结、固化、竖向置换增强等综合作用机理。“刚性基础条件”，大大改善了“柔性基础条件”下复合地基工作性状。③具有固结沉降快、工后沉降变形小、稳定时间短的特点。●无砂砼小桩后处理技术水水边坡500mm大砂层高填方路堤淤泥土层硬粘土层mm正方形布桩复合地基平面及剖面设计布置图100200300400500600700(d)8006004002000-200-400-600-800-1000（-）位移（mm）（+）荷载（cm）X05Sb17(W)Sb15(E)Sb16(中)P(cm)某工程软弱路基位移—沉降变形过程曲线●注浆碎石桩后处理技术▪原理基本同无砂砼小桩▪桩径大于350～400mm▪有时需设计垫层和桩帽●加劲水泥土桩复合地基后处理技术在已施工的水泥土桩中设置劲性材料形成刚度较大的刚性桩体，充分发挥水泥土桩与土间较大的摩阻潜力和桩端承载力。桩侧阻力与桩身的变形模量桩体刚度、桩土界面状态和接触面积及围压有关。加筋水泥土组合桩●静压小桩(管桩)复合地基后处理技术静压预制砼小桩、预应力管桩复合地基引入了桩土相互作用理论，充分发挥桩间土承载力和提高单桩承载力，有较好的控制复合地基变形的能力，具有较好的经济性。具有较好的承载力保证和质量稳定性，作为环保型（无振动、噪音及粉尘污染）复合地基，具有发展前景。CFG桩、后插钢筋笼CFG桩复合地基后处理技术PHC桩后处理技术第二次压桩面第三次压桩面原路堤第一次压桩面CFG桩后处理技术第一次压桩面第二次打桩面第三次打桩面原路堤3、桩基技术理论的发展与创新•变节技术•变节技术与扩底技术的联合运用•组合桩技术•桩侧、桩底注浆技术•变节技术、扩底技术与后注浆技术的联合运用•预制、现浇预应力砼管桩技术•后处理技术后处理桩（逆筑法）技术●桩端条件、埋深、土性对桩侧阻力的影响◆桩侧阻力的强化效应和退化效应强化效应极限侧阻力在桩端附近得到加强的形象◆桩侧阻力与桩入土深度有关•“94—94”规范有预制桩的修正系数•对长钻孔灌注桩具有同样的概念◆与土的剪缩、剪胀有关◆与胶结体损伤程度有关郑州黄河公路大桥试桩桩周摩阻力－桩深关系曲线1801601401201008060402000.51.01.52.0h=4mh=59mh=53mh=43mh=24mh=19mh=12m郑州黄河公路大桥试桩桩周摩阻力－荷载关系曲线荷载(MN)桩周摩阻力(kPa)开封黄河公路大桥试桩桩周摩阻力－桩深关系曲线1801601401201008060402005101520h=42mh=3mh=21mh=26mh=60mh=10mh=54m开封黄河公路大桥试桩桩周摩阻力－荷载关系曲线荷载（ＭＮ）桩周摩阻力(kPa)东明黄河公路大桥桩周摩阻力－桩深关系曲线18016014012010080604020021020h=40.8mh=52.4mh=30.4mh=20.4m东明黄河公路大桥桩周摩阻力－荷载关系曲线荷载（ＭＮ）桩周摩阻力(kPa)46812141618h=9.4m桩侧阻力API规程Toolan等（1990）理想曲线典型现场曲线最小值深度10m国外几种桩侧阻力的取值方法◆挤密作用与径向应力共同作用理论IIIIIIIVPMeyerhof桩基础破坏模式◆成拱作用理论成拱作用模式0～5倍桩径桩与土滑动距离P上覆土约束区由于成拱作用应力集中成拱作用影响区成拱区塑变区压缩区虚底、实底桩侧阻力分布的比较Paf1F1F2f2f2F2F1f1Pa桩端土层试验条件极限承载力(kN)平均极限侧阻力(kPa)极限端阻力(kPa)桩长11.75m（直径0.8m）微风化岩石空底38401300实底84201557650桩长25.0m（直径0.8m）密实细砂空底4520720实底542080781不同端阻条件下桩载荷试验结果比较退化效应同标高处桩侧阻力随桩入土深度增加而减小的现象qs1qs2qs1qs2桩侧阻力退化效应示意图●变刚度调平设计理论•均匀布桩导致碟形沉降•均匀布桩导致筏板整体弯矩和冲切力增大•箱筏承台变形性桩因变刚度调平而改善变刚度调平设计原理三、复合地基、沉降控制复合桩基理论与技术前沿1、理论的发展与创新●（1）复合地基中的桩土相互作用理论●（2）复合地基“桩”的上刺入与变形预测理论●（3）桩土共同作用理论与复合桩基技术●（4）上部结构、地下结构与地基基础相互作用理论●（5）数值模拟与可视化技术●（6）动态设计与信息化施工技术●（7）变刚度调平设计、塑性支承桩理论与技术●（8）高层建筑沉降变形预测与控制理论复合地基中的桩土相互作用桩的环向应力图kafs最大应力点位置变化z●由于垫层的存在，桩土发生了相互作用，土的压缩和侧向压力的增加(夹持作用)提高了桩的侧摩阻力。●桩的存在提高了桩间土在桩的“有侧限”作用下的承载力。●可对复合地基承载力应力复合式计算公式进行修正。单桩承载力R值应乘以1个大于1的系数。,,(1)spksppRfmmfA式中，ξ=1.2~1.6；ψ=1~1.2桩的上刺入与负摩阻力问题理论研究和现场实测结果表明，“柔性基础”与刚性基础下桩体复合地基的工作性状有很大差别。在上部荷载作用下，桩周土体下凹，桩顶刺入褥垫层较多，桩侧产生负摩阻断且负摩阻力深度较大，在某一深度存在正负摩阻力转换的“中性点”。●上刺入量和中性点位置的确定自由单桩与‘桩’的比较Q自由单桩侧阻力分布l0l-l0Q΄ps复合地基中桩侧阻力复合地基中，单桩在集中荷载Q作用下，考虑桩的负摩阻力（假定为三角形分布），其最大轴力maxpQNA对于桩周基土，中性点以上土的压缩变形为10sspSlEpspAqdlAQN210max中性点以下桩压缩变形为010222llAEqdlAqRSppspp复合地基桩下刺入变形为010322llEqdlRSss柔性基础复合地基变形计算模型θl0l-l0∆S3θ∆S1∆S2PzP0中性点位置的确定令其中为桩承载力发挥系数，根据复合地基桩中性点处上下轴力相等关系，确定中性点的位置。即QR20102sppsqlldAqqdlR令，解上式得中性点位置为：0213slRdqsssqqq210nnARfnPskn0不仿定义为桩土应力比特征值，或特征桩土应力比●“柔性基础”条件下复合地基变形计算柔性基础大间距桩复合地基桩土分算传统模式Pzθ¦θl复合地基变形示意图下卧土层变形计算深度S1S2S3复合地基复合土层变形示意图S1S2S3下卧土层计算深度△S2△S1△S3垫层的压缩变形S1一般很小，可忽略复合土层的变形S2桩顶刺入垫层的刺入变形△S1桩身压缩变形△S2桩刺入下卧土层的刺入变形△S32123SSSS复合土层下卧层变形S3S3由Pz按分层总和法按规范方法计算∆S3θ∆S1∆S2P0柔性基础“复合地基法”计算新建模型忽略桩身压缩量，上刺入量10sspSlE●考虑桩身压缩量，上刺入量计算00101222lAElqdRlEpSppsss△S1也可采用倒置式方法，由“柔性基础”与碎石土（垫层）组成的“人工地基”作为桩顶部的地基，采用弹性力学方法求解hEARhESSps1中性点以下桩压缩变形为01032llEqdlRSss复合地基桩下刺入变形为010222llAEqdlAqRSppspp●下卧土层附加应力计算采用“中性点”平面以下扩散方法∆S3θ∆S1∆S2P0设复合地基中性点位置处压力P，复合地基基底附加应力为：002tanzpBPllB桩土共同作用理论与复合桩基技术•当地基土承载力满足荷载要求时，用桩控制地基变形，此时可按单桩极限承载力设计复合桩基•当地基土承载力不满足荷载要求，多余荷载由桩基承担，此时应按疏桩理论设计复合桩基•桩与土共同承担上部结构荷载桩承台下土极限承载力的提高有利考虑复合桩基•欠固结土、静压桩引起超孔隙水压力的粘性土地基不适合使用复合桩基上部结构、地下结构与地基基础共同作用理论•竖向荷载下的共同作用•水平荷载下的共同作用•地震荷载作用下的共同作用上部结构、地下结构与地基基础相互作用理论θ◆支护结构影响基底以下土附加应力及变形提高上部结构稳定性、增强抗倾覆和抗滑移能力以差异沉降控制为目的的变刚度设计理论、塑性支承桩技术桩基的变刚度设计1桩基的变刚度设计2桩基的变刚度设计