刚度可控式桩筏基础汇报剖析

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1、刚度可控式桩筏基础刚度可控式桩筏基础 周 峰 13913844622 Nanjing University of Technology nutzhoufeng 目 录 o 常规桩筏基础面临的挑战 o 刚度可控式桩筏基础的工作机理 o 刚度可控式桩筏基础的应用领域 o 刚度可控式桩筏基础的设计方法 o 变形调节装置工作特点及发展前景 o 刚度可控式桩筏基础的桩顶构造 o 刚度可控式桩筏基础的工程实践 常规桩筏基础面临的挑战 端承型桩筏基础无法充分发挥地基土承载力端承型桩筏基础无法充分发挥地基土承载力 复杂地质条件较难建设高（超高）层建筑复杂地质条件较难建设高（超高）层建筑 大底盘建筑的变刚度调平

2、设计大底盘建筑的变刚度调平设计 建筑物废旧桩基础的综合利用建筑物废旧桩基础的综合利用 常规桩筏基础面临的挑战 常规桩筏基础桩-筏直接刚性连接，整体 刚度由筏板和桩基决定。桩与桩以及桩与 土之间的刚度无法有效调节与控制。 我们提出在桩、筏之间设置专门的变形 调节装置来调整、优化桩筏的支承刚度， 称之为刚度可控式桩筏基础。 如需调节桩筏刚度，则筏板 刚度可通过筏厚调整，但往往造 价较高；桩基支承刚度则可通过 改变桩长、桩径以及桩距等方法 来调整，但不同桩径、不同桩长 的布桩方式受上部结构形式和地 质条件的影响较大，应用范围受 到相当大的限制。 刚度可控式桩筏基础工作机理 刚度可控式桩筏基础和 常规

3、桩筏基础的差异表现在 前者桩基的支承刚度可通过 变形调节装置来调整，而变 形调节装置的支承刚度则可 按需人为设定。应该指出的 是，刚度可控式桩筏基础的 上述工作特性，使其工程应 用范围得到了极大的拓展。 刚度可控式桩筏基础应用领域 端承型桩基为主的桩土共同作用 正常情况下，桩土的支承刚度存在数量级上的差异， 因此要实现桩土共同作用，则必须要保证桩土的变形协调 。对于软土地区的摩擦桩基础，可通过人为使桩顶荷载接 近或达到其极限承载力而发生向下“刺入”的方式，来协调 桩土的变形差（所谓“塑性支承桩”）。但是对于非软土地 区的端承桩（摩擦端承桩），由于桩无法向下“刺入”（或“ 刺入”量很小），如不采

4、取一定的措施，桩土变形往往无法 协调，共同作用亦无法实现。这时比软土地区更有利用价 值的良好天然地基弃之不用，极为可惜。 刚度可控式桩筏基础应用领域 端承型桩基为主的桩土共同作用 为了解决非软土地区端承型桩基础较难实现桩土共同 作用的问题，我们最先将刚度可控式桩筏基础形式进行了 工程试点应用，取得了良好的经济效益和社会效益。刚度 可控式桩筏基础在桩顶与筏板之间设置变形调节装置，使 桩基的支承刚度与地基土支承刚度相匹配，在保证桩土变 形协调的同时，桩基始终发挥作用并和地基土同步承担上 部结构荷载。虽然均是考虑桩土共同作用，充分发挥地基 土承载潜力，常规意义的沉降控制复合桩基与刚度可控式 桩筏基础

5、的作用机理有显著差异。 刚度可控式桩筏基础应用领域 端承型桩基为主的桩土共同作用 （a）常规复合桩基 （b）刚度可控式桩筏基础 刚度可控式桩筏基础应用领域 变刚度调平设计 差异沉降是导致基础内力和上部结构 次应力增大、板厚与配筋增加的根源所在 。因此保证建筑物筏板的差异沉降接近或 等于零，是建筑物基础乃至上部结构保持 最优状态的根本。对地基与桩基构成的支 承体的支承刚度进行可控、合理的调整才 是差异沉降控制设计最有效的方法。刚度 可控式桩筏基础，通过变形调节装置来对 整个基础的支承刚度分布按需要进行较精 确的人为调控，达到建筑物零差异沉降的 目标，另外变形调节装置不受任何地质条 件和上部结构形

6、式的束缚，具有广泛的适 应性。 刚度可控式桩筏基础应用领域 老桩的再生利用 桩基被大量使用，建筑物拆除时，由于土 体固结作用，遗留在地基中完好的老桩和新桩 支承刚度相差悬殊，很难再利用，常规做法将 其截断后砂石回填，不仅浪费而且给新桩的施 工带来巨大的困难。随着社会的进一步发展， 这个问题将越来越普遍也越来越严重。如果通 过在桩端设置变形调节装置，协调新旧桩的变 形，实现新旧桩的共同作用，则完全可能解决 上述问题。因此刚度可控式桩筏基础不仅可以 解决建筑物老桩给新桩施工带来的困难，而且 通过对老桩的利用还可以取得良好的经济效益 。 特殊地质条件下的桩筏基础 刚度可控式桩筏基础应用领域 花岗岩残

7、积土地区的典型地质条件就是 土中经常会残留大小不一、数量众多且随机 分布的未风化孤石，即使桩数较少，桩基施 工仍需穿越孤石，不仅非常困难，而且耗时 耗力。而对于采用变形调节装置桩筏基础来 说，设置的变形调节装置能协调不同支承条 件下的桩土变形（不同受力性能的桩基共存 ），故桩基施工过程中如遇孤石，则直接将 桩支承于孤石之上，如不遇孤石则桩长按设 计要求正常成桩，这样即使地质条件再复杂 也便于桩基施工。除了花岗岩残积土中残留 孤石的情况外，地基支承刚度分布不均匀的 土岩组合地基均可应用设置变形调节装置的 桩筏基础形式。 刚度可控式桩筏基础设计方法 ：地基土分担荷载的比例系数 ：桩基础分担荷载的比

8、例系数 端承型桩基桩土共同作用 老桩的再生利用 特殊地质条件下的桩筏基础 不考虑地基土 桩、土支承 刚度匹配 变形调节装置简介 变形调节装置是指用于调 节物体支承接触点之间位移或 接触刚度的特殊装置。该装置 可置于建筑物筏板（基础底面 ）与桩顶（其它可靠支承面） 之间。变形调节装置工作期间 ，作为调节桩基支承刚度和支 承结构物的主要部件，必须具 有“大吨位”和“大变形”的 特性。 变形调节装置的串、并联组合 变形调节装置简介 目前已经研制成功的有被动式调节装置和主动式调节 装置。被动式支承刚度在设计使用前根据相应计算参数设 定，使用过程中无法改变，一定程度上依赖于设计计算的 准确性；主动式调节

9、装置支承刚度在使用过程中可根据需 要随时调整，在建筑物的施工与使用过程中，对基础的支 承刚度能真正地做到动态化智能调整，使其始终保持最优 状态。 目前被动式调节装置已经较广泛的工程应用，主动式 调节装置在实验室中获得成功，尚未进行工程实践。 被动式调节装置 变形调节装置简介 试验前 试验后 试验曲线近似呈现线弹性 主动式调节装置 试验系统、装置及材料 变形调节装置简介 支承刚度的主动调节 刚度可控式桩筏基础桩顶构造 刚度可控式桩筏基础桩顶构造 12 34 日期项目名称面积（m2 ） 高度（m）地质条件经济效益 2003厦门嘉益大厦5万95复杂，有孤石1500万 2005厦门蓝湾国际20万100

10、复杂，有孤石2400万 2009厦门当代天境4万125复杂，有孤石1000万 2010厦门七星公馆6万120复杂，有孤石1200万 2011海尚国际（北）20万145地基承载力高2500万 2011贵阳富源同坐6万86土岩组合地基4000万 2013龙岩禹州城上城20万85-100岩溶地区300万 2013厦门和昌中心15万120-145地基承载力高300万 2013厦门创冠国际中心5万140复杂，有孤石100万 2013海尚国际（南）20万145地基承载力高2000万 2014厦门软件园三期10万100地基承载力高400万 刚度可控式桩筏基础工程实践 刚度可控式桩筏基础工程实践 截至目前，可

11、控刚度桩筏基础已经应用于近200万平米的 高层与超高层建筑，建筑物的最大高度155m，总节约造价 过亿元，平均节约工期40%以上。可控刚度桩筏基础的首 个试点工程（嘉益大厦）、研制的桩端变形调节装置和设 计理论于2008年、2009年及2011年分别经过龚晓南院士、 孙钧院士以及周福霖院士为组长的专家组鉴定，均认为研 究成果达到国际领先水平。技术成果获厦门市科技进步一 等奖、江西省 发明专利二等奖和福建省科技进步二等奖。 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 建筑由两幢对称布置的30层住宅组成。下部 通过两层地下室和三层裙房连成整体，0.00以 上建筑物设缝断开。建筑物总高度94m，地下室 埋

12、深10.5m。总建筑面积10万平方。 同时实现桩土共同作 用、特殊地质条件及 变刚度调平三个目标 项目交付10年 特殊 地质 情况 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 天然地基承载力基本满足要求，但沉降偏大，并且厦门地 区尚没有天然地基上建30层高层建筑的先例，风险较大。 几种方法确定地基承载力的比较 嘉益大厦 刚度可控式桩筏基础工程实践 n非嵌岩桩承载力特征值为1910kN；嵌岩桩承载力特征值为4800kN； n桩径1200mm、桩长10m的人工挖孔桩65根； n建筑物的沉降估计为25cm； n建筑物总安全度恒满足规范要求； n桩顶变形调节器刚度按160kN/mm 设置，总调节量按23cm

13、6cm预留 。 嘉益大厦 刚度可控式桩筏基础工程实践 刚度可控式桩筏基础工程实践 刚度可控式桩筏基础工程实践 建筑物沉降随时间的变化曲线 嘉益大厦 2003.11 沉降等值线图 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 2004.11 沉降等值线图 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 2005.11 沉降等值线图 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 2006.11 沉降等值线图 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 刚度可控式桩筏基础工程实践 调节器变形随时间的变化曲线 嘉益大厦 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 刚度可控式桩筏基础工程实践 建筑物实测土压力随时间的变化曲线 嘉益大厦 刚度

14、可控式桩筏基础工程实践 桩顶反力随时间的变化曲线 嘉益大厦 桩土分担比随时间的变化曲线 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 经济效益分析 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 n 刚度可控式桩筏基础首个大型工程实例及其相应的大规模现场测试 对比分析与研究表明，设计理论与方法是科学、合理的。 n 通过实施以天然地基为主，辅以桩顶沉降可按需发生的土与桩共同 协调承载的端承桩复合桩基设计概念，得以实现在孤石丛生的困难地 质条件下建造30层高层建筑的目标，取得了较好的经济效益。 n 以减少差异沉降控制为目标，通过调节器的设置和合理布桩，实现 了底板厚度、配筋的优化。特别是设置合理分布的桩顶调节器后，

15、建 筑物差异沉降接近于零。 刚度可控式桩筏基础工程实践 嘉益大厦 刚度可控式桩筏基础工程实践 蓝湾国际 建筑由五幢30层高层住宅 组成，全场范围设两层地下室 ，并通过地下室连成整体。 建筑物总高度98m，地下室 埋深11m。总建筑面积20万平方 。 项目交付6年 同时实现桩土共同作 用、特殊地质条件及 变刚度调平三个目标 刚度可控式桩筏基础工程实践 当代天境 项目交付3年 建筑由A、B两幢高层商用、住 宅组成，其中A幢高120m，B幢高 100m。全场范围设两层地下室，并 通过地下室连成整体。总建筑面积 4万平米。同时实现桩土共同作 用、特殊地质条件及 变刚度调平三个目标 新景七星公馆位于思明

16、区七 星路与体育路交叉口西北侧，该 地块位于厦门岛内滨北板块，南 接北靠狐尾山-仙岳山，俯瞰员 筜湖，繁华与静谧共享。总建筑 面积100060新景七星公馆项目 规划为四栋住宅，其中1#楼为32 层高层住宅，高度为99.5米；2# 楼为37层住宅，高度将达115米 ；3#楼的高度为118.1米，共有 38层；5#楼高度为99.5米，层高 为32层；4#楼是一栋4层的九班 幼儿园。 七星公馆 项目实施2年 同时实现桩土共同作 用、特殊地质条件及 变刚度调平三个目标 刚度可控式桩筏基础工程实践 刚度可控式桩筏基础工程实践 海尚国际 4幢交付、4幢施工 金都海尚国际地处厦门环东海域滨海 新城核心位置，位于滨海西大道东侧、滨 海旅游路西侧，北眺美人山，南临大海。 项目由8幢1