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1、西安地区高层建筑桩基沉降计算钟龙辉(机械工业部勘察研究院 西安市 710043)提要 该文对西安地区高层建筑桩基的沉降计算进行了论述, 并对计算结果与实测资料作了对比分析和评价, 得出的结论具有实用价值。关键词 沉降计算 桩基 承载力PILE FOUNDATION SETTLEMENT COMPUTATION OF HIGH RISEBUILDINGS IN XIcAN DISTRICTZhong Longhui( Institute of Geotechnic Investigation, Ministry of Machinery Industry)Abstract The paperma
2、kes discussion on the pile foundation settlement computation of high rise buildings in xican distsict1Also, it makes comparison analysis and assessment for the computation result and field measurement data1 The conclusionsobtained possess practical meaning1Keywords settlement computation; pile found
3、ation; bearing capacity作者简介: 钟龙辉, 男, 74 岁, 教授级高级工程师( 享受政府特殊津贴) , 从事岩土工程勘察专业。1 前言桩基沉降计算是一个较为复杂的问题,不仅要考虑桩端和桩侧的土质影响, 还要考虑桩的入土深度、 桩的长径比、 桩距、 桩数和桩型等诸多因素, 因而远比天然地基上的基础沉降计算更为复杂。历来研究人员提出了各种理论计算方法, 但所得结果都与实际工程相差很大, 直到目前尚无一个各方满意的解答。国家行业标准5建筑桩基技术规范6JGJ94- 94推荐采用等效作用分层总和法, 利用沉降计算经验系数 7 和等效沉降系数 7e来修正沉降计算值与实测值之间的
4、差异。但我国地域辽阔, 各地区情况差异很大, 全国统一适用的修正系数很难得出, 因而规范允许各地区在有成熟的经验数据时, 可以建立和采用本地区适用的沉降计算经验系数, 这样就能弥补国家规范不能各地兼顾的缺点。2 西安地区的桩基承载类型和沉降情况西安地区高层建筑桩基多为预制桩和钻孔灌注桩两大类型。从其承载性能来看, 大部分地区土层巨厚, 在深度 30 50m 范围内 没有用作端承桩的坚硬持力层, 因此多属摩擦桩类型。但在本市北郊和西郊部分古河道地段, 在 15 20m 以下深度存在大厚度的密实砂层( 北部该砂层厚度达 10m 以上) , 可以 充分利用其作端承桩持力层, 这种桩属摩擦端承桩型。至
5、于钻孔灌注桩, 无论桩端置于粘性土层上或置于密实砂层上, 其所发挥的 作用都是摩擦桩型的作用, 因为钻孔成桩时,不仅破坏了桩底密实砂层结构, 且桩底会存在一 定厚度沉 渣, 有 的沉渣厚 度甚至在100mm 以上, 因而起不了端承桩的作用, 其沉 降量会受沉渣的影响而增大很多。这是难以用计算方法反映出来的。现就置于两种不同承载土层上的预制桩 基的沉降观测实测资料来探讨西安地区桩基92001年第 3 期 勘 察 科 学 技 术 沉降计算的方法。211 以桩侧摩擦阻力为主要支承力的摩擦桩陕西省水利厅高层住宅楼位于西安市兴 庆路北段, 楼高 21 层, 为三叉型建筑物, 基础面积约 580m2, 基
6、底总荷重 288400kN, 基础埋深为 ? 0100 以下- 510m。场地土层分布如下: 深度 10m 以上和 15 20m 间为黄土, 主 要属饱和黄土, 土质较软弱, 具高压缩性, 地基承载力为 70 140kPa。10 15m 和 2030m 间分布 2 层古土壤, 其承载力标准值 fk= 150 170kPa, 30m 以下直到 46m 深度均为 粉质粘土, 该土层较为密实, 压缩性低, 可用作桩 尖持力 层。地基 承载 力 fk= 230240kPa。由于基底持力层为软弱饱和黄土, 地基 承载力低, 土层压缩性高, 天然地基满足不了建筑物上部荷载和地基变形的要求, 因而采用014
7、m 014m 28m 的钢筋混凝土预制桩基, 由 2节长14m 的桩用硫磺胶泥锚接而成, 用静压沉桩法将桩尖压至天然地面以下约33m 深度的密实粉质粘土内。共设置 206 套桩, 单桩承载力设计值采用 1400kN。经 4 根 桩载荷试验测试结果, 当加荷到 1400kN 时,桩顶沉降量分别为 81208、 81230、 91950 和10115mm。按静力触探曲线计算, 90% 的荷载由桩侧摩阻力支承, 端阻仅占 10% 左右, 因此应属典型摩擦型桩。自建筑物基础开始施工直到封顶后的一年半时间内进行了系统的沉降观测, 由沉降 曲线 推算 出 建 筑物 的 最终 沉 降 量 s =30135m
8、m( 见图 1) 。为总结高层建筑桩基的沉降规律, 我们还根据国家行业标准5建筑桩基技术规范6 JGJ94) 94( 以下简称/ 桩规0) 推荐的等效作用分层总和法进行建筑物沉降计算, 以便与沉降观测结果对比。/ 桩规0推荐的沉降计算公式如下:图 1 陕西省水利厅高层住宅沉降观测曲线s =7 # 7e# P0Eni= 1ZiAi- Z( i- 1)A( i- 1) Esi( 1) 式中 7 ) ) 桩基沉降计算经验系数, 当无当地可靠经验时可按第 513110 条确定;7e) 桩 基 等 效 沉 降 系 数, 按 第51318 条确定。 地基沉降计算深度按应力比法确定, 且Zn处的附加应力Rz
9、与自重应力 Rc之比为 Rz= 012Rc。但天津地区的计算深度确定为一倍基础宽度。本工程按该方法计算结果 s= 11719mm, 是实测沉降量的319 倍。作者又按国家行业标准5高层建筑岩土工程勘察规程6JGJ72- 90( 以下简称/ 高规0) 推荐的考虑了三向应力作用和大基础整体刚度大的特点, 采用基底总压力( 按桩长范围内内摩擦角的 1P 4计算应力扩散至桩底的承台 面积上的压力) 和综合变形模量 E0, 利用弹性理论计算沉降量的公式进行计算, 该公式如下:s =PbG E0Eni = 1( D1- D( i- 1)( 2)式中的 E0为综合变形模量, 是通过土的综合压缩模量, 按 E
10、0= AEs换算得到; 其中 A是根据大基础建筑的实测沉降观测结果反算得到的 E0与 Es间的比例系数, 可由10 勘 察 科 学 技 术 2001年第 3 期/ 高规0表 61216- 4 查得。其余符号意义见/ 高规0。本建筑按该方法计算结果 s= 3716mm,与实测沉降量相比稍大些, 但仅为按/ 桩规0方法计算量的 32% 。因此其计算结果比/ 桩规0更接近实际。212 以端承力为主的摩擦端承桩西安市北郊经济开发区位于渭河南岸级阶地上, 在深度 18 20m 以下普遍分布一层大厚度的密实砂层( 大部分地段厚达 10m左右) 。山海丹大厦就位于该开发区的南部,其土层分布如下: 深度 6
11、7m 以上为湿陷性 黄土, 一般具非自重 级湿陷性, 且为中等偏高压缩性, 承载力 fk= 150kPa。7 15m 为非湿陷性黄土和饱和黄土, 压缩性中等, 但承载力较低, fk= 120 140kPa。15 18m 深度为古土壤层, 土质稍好, fk= 150kPa, 古土壤下部有一层密实的粉土, 具低压缩性和较高的承载力, 但其分布不稳定, 难以有效利用。1812 2910m 为大厚度的砂层, 上部 4m 为粉细砂, 中密, 标贯 N= 40 击; 下部 6m 为细中砂, 密实, N= 6015 击, fk= 300kPa。深度 29 55m 为粉质粘土, 土质密实且属低压缩性土, fk
12、= 250 300kPa 。山海丹大厦 21 层, 地面以上高 80m, 根据上述土层条件, 经多次反复论证认为, 无论是从技术上和经济上、 以及施工方便和建设周期长短等方面考虑采用 014m 014m 12m的钢筋混凝土预制桩, 将桩尖置于深度 20m 左右的密实砂层内, 均属最为有利的上选方案。经过计算桩的端承力负担整个竖向荷载的60% 以上, 因此该桩基应属以端承力为主的摩擦端承桩, 与前述以摩擦力为主的摩擦型桩有明显差别。该大厦自基础开始施工至 21 层封顶后,又经一年多时间进行了 23次沉降观测, 实测最终沉降量 s= 21133mm, 与前述支承在粘性土地基上的摩擦型桩相比, 其沉
13、降量约小1P 3( 沉降观测曲线见图 2) 。图 2 山海丹大厦沉降观测曲线按/ 桩规0推荐的等效分层总和法计算, 其沉降量 s= 10814mm,是实测沉降量的5倍。而按/ 高 规0 方法 计算, 沉 降量 等于 2116mm, 与实测结果 21133mm 相差甚微, 但都只有按/ 桩规0计算结果的 20%。以上两个例子说明, 西安地区的桩基, 无 论是摩擦桩, 抑或是摩擦端承桩, 其实际沉降量都很小。而按/ 桩规0推荐的等效分层总和法计算, 其结果将比实际沉降量大 4 5 倍。/ 桩规0方法偏大的原因就在于调整计算结果 的沉降计算经验系数 7 的取值上, / 桩规0因需要照顾全国广大地区的
14、不同情况, 且为安全计, 7 的取值等于或大于 1, 规范条文已说 明当有成熟的地区经验时, 可按地区经验取值。目前已有天津地区提出自己的桩基沉降计算简化公式, 改/ 桩规0的沉降计算经验系7 为桩基深度修正系数 7l, 其计算式如下:s =7e# 7l#5 8#P0Bc Esi( 3)式中 7e) 桩基等效沉降系数;7l) ) 桩基深度修正系数, 其值当桩入土深度 L = 14、 20、 28、 38、50、 64、 80m 时,7l分 别 为111、 018、 016、 0145、 0135、 0130、 0125;Bc) ) 承台宽度。上海规范亦乘以类似天津的深度折减系112001年第
15、3 期 勘 察 科 学 技 术 数, 当 L 20、 30、 40、 50m 时, 经验系数 7m=1110、 0190、 0160、 0150。这两个沿海软土地区的桩基沉降计算均需乘一个深度折系数, 表 明/ 桩规0方法的经验系数需要根据地区经验确定, 西安地区的沉降观测实例表明, 该系数的调整幅度比天津、 上海更大。 从西安地区所作大量桩基载荷试验资料可知, 当作用在桩上的竖向工作荷载水平不 高, 例如只有极限荷载的一半时( QuP 2) , 桩顶沉降量通常很小, 一般小于 8mm。以摩擦力为主的桩基而言, 此时的桩顶沉降量大部分 是由桩体的本身弹性压缩和桩侧土的摩擦压缩产生的。上海曾作过
16、 2 根长桩荷载试验,在桩体和桩底都埋设了应变元件。当竖向荷 载加到 2800kN 时( 相当于 016Qu) , 实测桩顶沉降量 5116 和 5112mm, 而桩端的沉降量和应力都等于零。继续加荷到 3200kN 时, 桩顶 沉降量为 6132 和 6167mm, 桩端沉降量仅为012 和 0151mm, 桩端应力为 36 和 7kN。西安 地区对 27m 长的桩测试结果同样说明了这个问题, 当桩顶荷载达到正常工作荷载时, 传到桩端的应力还不到桩顶 1% 。 上述试验资料说明桩在传力过程将绝大部分荷载分散在桩侧土上, 虽然对桩端以下的土仍有一定影响, 但与直接在桩端作用的 荷载影响小得多。目前在桩基计算公式中是将等效作用荷载面设定在桩端平面处, 等效面即为承台投影面积, 并基于桩基自重应力 忽略不计的设定, 等效作用的附加应力, 即相当于计算天然地基基底的附加
