桩箱筏基础讲学

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1、高层建筑桩箱（筏）基础设计理论与实践研究董 建 国第一章 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：1. 最终能使设计人员可利用高层建筑与桩

2、箱(筏)基础共同作用的设计理论进行优化设计。 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

3、楼高420.5m，地 下3 层, 埋深19.2m，主楼底板尺寸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。

4、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

5、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。

6、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

7、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)1）沉降很小（29.3mm, 实测 推算 2) 的最终沉降为36.8mm。 ）； 3)2） 超长桩箱基础的整体横 向倾 4) 斜和纵向弯曲。 5) 6)

8、 整体横向倾斜：0.25 7) (视作 均匀下 沉 )； 8) 纵向弯曲：-0.386 - 0.29 9) （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2-16 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

9、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）。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

10、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: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

11、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。

12、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

13、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

14、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 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) 10

15、m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序号工程名称桩入土深 度（m）简易理论法 （mm