硕士论文-“云南省保安培训中心”桩筏基础设计.pdf

邢塑蝴 天毕夫蓼 工程硕士学位论文 - 隅爿j 啊i 】i j m h _ a l j j 躅_ d 嘲旺辩爿j 曲- 疆n 】l 领域： 建筑与土木工程 作者姓名： 朱志强 指导教师： 郑刚教授 企业导师： 邓光前高工 - r 是b l - 当z 羹产卜瞪- 白 2 0 0 4 年6 月 中文摘要 本文介绍了工程设计时，桩筏基础设计中单桩、群桩的承载力计算以及沉降 计算的一些常用方法，重点讨论了群桩沉降的计算模型及其受力原理，以及它与 上部结构之间的相互影响，并且对工程设计中常见的以沉降作为控制和以承载力 作为控制的布桩方式作了一定程度的分析。在实际工程”云南省保安培训中心”基 础设计中，将几种承载力和沉降的计算方法用于其上，并总体桩布置时考虑了桩 布置对筏板内力的影响，增加了核心筒下桩的数量，以减少基础对上部结构的影 响，并与工程完成后实际沉降测量结果作了比较。最后对桩筏基础设计中的优化 问题谈了一些体会。 关键词：桩筏基础沉降控制承载力控制 a b s t r a c t s o m eu s u a lm e t h o d so f p i l e r a f tf o u n d a t i o ni nt h ep r o j e c td e s i g ns u c ha sb e a r i n g c a p a c i t yo fs i n g l ep i l e ，g r o u pp i l e sa n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n i t r ei n t r o d u c e di nt h i s t h e s i s t h em o d e lo f s e t t l e m e n to f g r o u pp r i e s i t sw e i g h t e dp r i n c i p l e ，t h ei n t e r a c t i o n o f u p p e rc o n s t r u c t i o na r ed i s c u s s e de m p h a s i s l y , a n da l s ot h e n o r m a l s e t t l e m e n t - c o n t r o l ，c a p a c i t y c o n t r o lo f p i l e a s s i g n m e n t sa r ea n a l y s e di ns o m ea s p e c t i nt h en e x tc h a p t e rt h em e t h o d sm e n t i o n e da b o v ea r eu s e di nt h er e a lp r o j e c to f “p u b l i cs e c u r i t yt r a i n i n gc e n t e ri ny u nn a np r o v i n c e ”，f o rt h ei n t e m a le f f e c t so f r a f t i nt h ep i l e a s s i g n m e n t , t h en u m b e ro f p i l e su n d e rt h ec o r et u b eh a sb e e ni n c r e a s e dt o d e c r e a s et h ee f f e c t st ou p p e rs t r u c t u r e a tt h ee n do f t h i sp r o j e c t ，t h eo p t i m i z e d m e t h o d sa r eb r o u g h to u ti nt h i sa r t i c l ea f t e rc o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h e a c t u a lm e a s u r i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：p i l e r a f tf o u n d a t i o n s e t t l e m e n t c o n t r o l c a p a c i t y - c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 芝艟、 签字日期：牛年8 月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 善艺阮 导师签名： 签字日期： z o 。年年g 月s 日 签字日期：日 第一章桩筏基础设计理论 1 1 桩基的作用 第一章桩筏基础设计理论 高层建筑的主要特征是层数多、高度高、重量大，这样不仅造成竖向荷载大 而集中，而且风荷载和地震荷载引起的倾覆力矩也成倍增长，因此要求基础和地 基提供更高的竖直与水平承载力，同时使沉降和倾斜控制在允许的范围内，并保 证建筑物在风荷载与地震荷载下具有足够的稳定性。桩是深入土层的柱型构件， 桩与连接桩顶的承台组成深基础，将上部结构的荷载，通过较弱的地层传到深部 较坚硬的，压缩性小的土层或岩层，它是通过作用于桩端的地层阻力和桩侧土层 的摩阻力来支承轴向荷载，依靠桩侧土层的侧向阻力支承水平荷载，因此，对于 土质软弱层较厚的地基，桩基是一种成熟，安全可靠的基础形式。 1 2 桩承载力计算 桩顶竖向荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力承受，以剪力形式传递给桩周土体的 荷载最终也将扩散分布于桩端持力层。持力层受桩端荷载和桩侧荷载而压缩( 含 部分剪切变形) ，桩基因此产生沉降。而由多桩构成的群桩，由于承台与桩顶同 步沉降，承台底面的土必然受到压缩从而产生土反力，该土反力也分担一部分的 荷载，因此，由群桩构成的承载力实际上由三部分组成：各基桩的桩侧力，桩端 阻力和承台竖向阻力。但群桩的承台一桩群土的相互影响和共同作用，群桩的 承载力并不等干各单桩的侧阻力、端阻力、承台下地基土承载力之和，群桩的工 作性状的破坏特征也与单桩承载力之不同，所以，在进行设计时，不仅要清楚单 桩的性状和承载力的变化规律、还需考虑群桩基础的群桩效应。 1 2 1 单桩竖向承载力计算 1 2 1 1 由桩身强度确定的单桩竖向承载力 高层建筑的单桩使用荷载较高，特别是常采用端承桩或超长桩，以致桩身自 身的强度往往成为单桩竖向承载力的控制因素，因此，在高层建筑桩基设计中确 定单桩竖向承载力时不仅要考虑土对桩的支承能力，而且必须考察桩身强度所能 提供的承载能力。 桩是一种细长杆件，通常处干轴心受压状态，但其工作条件与一般压杆不同， 第一章桩筏基础设计理论 桩身处干具有一定强度与刚度的介质之中，既非完全自由状态，又非完全约束状 态，变形比较复杂。实践证明，一般情况下桩周土的侧向约束是以阻止桩的侧向 变形与失稳，可不考虑纵向弯曲问题，但若桩周土为可液化土构成的软土( 地基 承载力低于3 0 心a ) 时，侧向约束可能丧失或极其微弱，因此必须计入桩的纵向 弯曲的影响，因此，设计时，需分这两种情况进行计算。 考虑桩身纵向弯曲的计算：纵向弯曲的影响以一稳定系数v 反映，v 是桩的 长径比( l c d ) 的函数，桩的计算长度三c 可根据桩底支承条件和桩顶嵌周情况 来计算，计算方法可参见建筑桩基技术规范j g j 9 4 9 4 中5 5 _ 3 ，5 5 4 所作的 规定。【1 】 1 ，2 1 2 按土的强度与变形确定的单桩竖向承载力 当桩身强度足够时，单桩承载力取决于土对桩的支承能力，这种支承能力主 要包括两方面：一是土的强度决定的最大支承力；二是土的变形性质决定的保证 桩不发生过大沉降的最大支承力。确定土对桩的支承力的方面有很多，但现今运 用较广泛且技术较成熟的是以下几种：【2 1 1 、静载荷试验法： 由于桩的静载荷试验是在工程现场对足尺桩进行的，桩的类型、尺寸、入土 深度、施工方法、地质条件和荷载性质等都最大限度地接近于实际的情况。因此， 单桩竖向极限承载力的确定就其可靠性而言，仍是最高的，因此建筑桩基技术 规范j g j 9 4 - 9 4 ，( 以后称桩基规范) 中5 2 4 1 明确规定“一级建筑桩基应采用 现场静荷试验，并结合静力触探，标准入等原位测试方法综合确定。” 根据桩基规范，采用静载荷试验法确定指的竖向承载力设计体公式为： r = 纵y 。 ( 公式1 - 1 ) 其中g f 一单桩竖向极限承载力标准值 一桩侧阻端阻综合阻抗力分项系数 2 、规范经验参数法 单桩极限承载力由总极限侧阻力和总极限端阻力组成，采用如下表达式： q t 庐q 矿g 严口。q 。l , j + 磊彳，q 肚 ( 公式1 - 2 ) 其中： q 。广峰桩极限竖向承载力标准值； 旦、g f 一分别为单村点极限摩阻力和总极限端阻力标准值； u 一桩身横截面周长； 厶一桩穿过第1 层土的厚度； q 础厂桩周第1 层土的极限摩阻力标准值； 2 第一章桩筏基础设计理论 一矿一桩端支承面积： 口。f 一桩底土的极限端阻力标准值； 口，、。一桩侧摩阻力和桩端阻力的修正系数，对于不同的桩型有不同含义。 l 三i 上公式中g 础，和日肚是桩承载力基本参数，与土的物理状态指标( 液性指 数l l 和密度e 等) 之间具有相关关系，适用干各种桩型的各类土的承载力指标 目晰和q p k ，是通过大量试桩资料统计分析得出，因而称经验参数，因此上式亦称 经验公式，依照各种桩型的承载力特性，可把它们归纳为四类，经验公式亦相应 采用相应的表达式，具体见桩基规范5 2 乱5 2 1 2 。 3 、静力触探法 1 9 7 5 年以来，各地对静力触探确定单桩极限承载力进行了广泛研究，积累 了丰富的静力触探与单桩竖向静载试验的对比资料。关于单桥探头静力触探确定 单桩竖向承载力的统计分析，桩基规范主要以全国十省两市的试桩结果为依据。 1 ) 极限侧阻力标准值口曲的确定 采用单桥探头静力触探的比贯入阻力资料估算各土层的极限桩侧阻力值时， 需依据勘察资料，考虑土层的埋藏深度、排列次序及性质等，因此，规范对于 q 畦的确定考虑了浅层土，粘性土、粉土、砂类土四种情形。 ( 1 ) 浅土层( 土层埋深小于6 m ) 地表一定范围内的土层，由于上覆压力较小，侧阻力也较低。锤击引起桩水 平震动使桩身与浅土层局部脱离，土越硬，桩土局部脱离持续越久，土越软， 桩土脱离随时间逐渐消失而趋闭合。浅土层的侧阻力值趋于某个定值，而与土 质情况的关系不大。 ( 2 ) 粘性土 由于土层的排列次序不同，粘性土的极限桩侧阻力的发挥变化较大，如位 于粉土、砂土层之上的粘性土当桩被打入土中时，桩身混凝土表面会粘附一层 含水量相对较低而抗剪强度较高的泥皮，这层泥皮紧紧附于桩身，使得桩变形 时剪切面不在桩身与土的接触面上，打桩扰动恢复后的泥皮强度大致上与桩极 限侧阻力相同。而对于下卧于粉土、砂土层下的粘性土，当桩身穿越粉土、砂 土层肘，将夹带粉土、砂土一起沉入下卧的粘性层。这时，桩身及其夹带的 泥皮与周围的粘性土层之间将夹带一层粉土、砂土层，侧阻力值因此而有所降 低。 2 ) 极限端阻力标准值的确定 用静力触探资料估算桩端阻力值一般不采用桩端全断面处对应的比贯入阻 力p s 值作为桩的端阻力估算值。这是因为探头的临界深度值远小于桩的临界深 度值，因此，在土层变化处，尺寸效应使得两者有较大出入。由于桩端阻力发挥 第一章桩筏基础设计理论 与多种因素有关，如持力层土类及其结构、密度、埋藏深度、厚度、持力层上下 土层的排列次序，桩端进入持力层深度与桩径的比值等有关，用静力触探资料估 计桩动端阻力值一般通过确定桩端以上一定范围内土层厚度d ，平均比比贯入阻 力值与桩端以下一定影响深度( d 2 ) 范围内的平均贯入阻力值综合确定。 桩端位于匀质砂土( 或均匀的硬塑粘性土) 中，桩端距上覆( 或下卧) 软土 层均有相当距离，影响桩端阻力的主要因素是砂土的类别、密实度及其埋深，其 他因素的影响不明显。当桩端进入砂土( 或硬塑粘性) 层不深，桩端阻力一般 不高，原因是上覆软粘性土( 或松砂) 层的存在会影响端阻力的发挥，因此，对 软、硬土层分界面附近的桩端阻力的估算，桩端比贯入阻力应乘折减系数，具体 公式可参见规范5 2 6 、5 2 7 式。 4 、动测法 动测法系指桩的动力测试法，它是通过测定桩对所施加的动力作用的响应来 分析桩的工作性状的一类方法的总称，与确定单桩承载力的其它试验方法相比， 动测法具有快速、直接、简便、价廉等突出优点，因此，近十多年来可得到广泛 应用和迅速发展。 从桩的承载力机理出发，可以按桩土体系在动力作用下应变的大小明确为大 应变和小应变两大类。大应变动测法系指具有足够激振能量，足以使桩土之间发 生相对位移，桩产生永久贯入度的动测法、小应变动测法则指激振能量较小，只 能激发桩土体系( 甚至只有局部) 某种弹性变形，而不能引起桩土相对位移的动 测法。 桩的极限承载力标志着桩周土达到塑性破坏状态，只有大应变动测法能使桩 产生一定的塑性沉降( 不可恢复贯入度) ，因此所测得的土阻力才能反映土的极 限阻力，而小应变动测法则具能测得桩土体系的某些弹性特征值，但土的弹性变 形与其强度之间并没有确定的关系。因此，小应变动测法不能实测得到桩的极限 承载力，特别是对直径和长度较大的桩。所以小应变动测法目前还不很成熟，仍 在探索阶段。国内外规范都明确确定它只能同于检验桩身质量( 完整性) 。 凯司法计算单桩极限承力的基本公式见下： r 厅) = 1 z 删+ 删】+ 1 2 v ( t o - b v ( t z ) z ( 公式1 - 3 ) 式中：r 以j 一总的土阻力 f 以j 一分表示在时刻f 传到桩顶附近的锺击力和桩身速度。 z _ 桩身材料的阻抗，是从电工学中引用过来的名词，z 爿易彳c e p 、爿厂 桩身弹性模量和截面积。 c 一应力波速 矿一应力波从桩顶传到桩底并返回到测点的时刻，即垆f ，+ 2 l c 4 第一章桩筏基础设计理论 t t 一应力波传致电测点的某一时刻，习惯上取应力波( 或速度波) 达到第 一峰值的时刻。 一测点以下的桩长 1 。2 。2 群桩竖向承载力计算 1 2 2 1 群桩基础荷载传递 群桩基础受竖向苟载后，承台、桩群、土形成一个相互作用，共同工作体系， 其变形和承载力，向受相互作用的影响和制约，因此，它的荷载传递式比单桩复 杂得多，主要有以下几个特点：【3 】 1 、荷载传递模式不统一 高层建筑桩基通常为低承台式，承台在地基土上浇筑，因此在建造初期，荷 载经由桩体和承台底面两条路径传给地基土；在长期荷载下的传递路径则与多种 因素有关，诸如桩周土的压缩性，持力层的刚度，应力历史以及荷载水平等，或 者保持原来的传递路径，或者可仅由桩传递。当桩顶( 承台) 下沉量小于承台底 面土的下沉量( 例如由于打桩的超孔隙水压力消散土体固结，桩周为欠固结土地 下水位下降、自重湿陷性黄土浸水下沉等) 时，土与承台脱开，荷载将全部由桩 传给地基土；如果提高设计荷载，迫使桩产生足够的刺入变形，即使桩周土比较 软弱，仍可便承台底面保持与土接触并传递荷载。但是，对于端承桩基础来说， 由于持力层刚硬，桩不可能发生刺入变形，桩顶沉降仅为桩身与持力层的弹性压 缩，其数值远小于桩间土得以发挥承载作用所需的压缩量，故地基不能与承台保 持紧密接触，荷载将全部通过桩传递。同时，由于持力层实际上不可压缩( 微小 的弹性压缩也是“瞬时”完成的) ，即不存在沉降问题，这意谓着端承桩之间的 相互影响已失去意义，因经，端承桩群中各桩的荷载传递和工作性状基本上与单 桩相同，群桩的承载力由单桩承载力叠加，而沉降则等同于单桩。所以，以下关 于群桩效应的讨论向指非端承桩。 2 、地基土的应力状态 群桩基础的地基包括桩间土桩群外一定范围内的土体及桩端以下对桩基承 载力和变形有影响的土体。群桩地基中的应力包含三部分：自重应力，附加应力 和旋工应力。 施工应力指挤土桩沉桩过程引起的挤压应力和超静水孔压，挤压应力将随着 土体的松驰而消失，孔隙水压力会随着固结过程而消散。施工应力是暂时的，但 它对群桩的工作性状都有一定的影响；孔压的消散使有效应力增大，从而使桩的 承载力增长，但桩间土周结下沉又使承台底面脱空，并对桩产生负摩阻力。 第一章桩筏基础设计理论 “一应力波传致电测点的某一时刻，习惯上取应力波( 或速度波) 达到第 一峰值的时刻。 d 一测点以下的桩长 1 2 2 群桩竖向承载力计算 1 2 2 1 群桩基础荷载传递 群桩基础受竖向荷载后，承台、桩群、土形成一个相互作用，共同工作体系， 其变形和承载力，向受相互作用的影响和制约，因此，它的荷载传递式比单桩复 杂得多，主要有以下几个特点：“ 1 、荷载传递模式不统一 高层建筑桩基通常为低承台式，承台在地基土上浇筑，因此在建造初期，荷 载经由桩体和承台底面两条路径传给地基土；在长期荷载下的传递路径则与多种 因素有关，诸如桩周土的压缩性，持力层的刚度，应力历史以及荷载水平等，或 者保持原来的传递路径，或者可仪由桩传递。当桩顶( 承台) 下沉量小于承台底 面土的下沉量( 例如由于打桩的超孔隙水压力消散土体固结，桩周为欠固结土地 下水位f 降、自重湿陷性黄土浸水下沉等) 时，土与承台脱开，荷载将全部由桩 传给地基土：如果提高设计荷载，迫使桩产生足够的刺八变形，即使桩周土比较 软弱，仍可便承台底面保持与土接触并传递荷载。但是，对于端承桩基础来说， 由于持力层刚硬，桩不可能发生刺八变形，桩顶沉降仅为桩身与持力层的弹性压 缩，其数值远小于桩问土得以发挥承载作用所需的压缩量，故地基不能与承台保 持紧密接触，荷载将全部通过桩传递。同时，由于持力层实际上不可压缩( 微小 的弹性压缩也是“瞬时”完成的) ，即不存在沉降问题，这意谓着端承桩之间的 相互影响已失去意义，因经，端承桩群中各桩的荷载传递和工作性状基本上与单 桩相同，群桩的承载力由单桩承载力叠加，而沉降则等同于单桩。所以，以下关 于群桩效应的讨论向指非端承桩。 2 、地基土的应力状态 群桩基础的地基包括桩间土桩群外定范围内的土体及桩端以下对桩基承 载力和变形有影响的土体。群桩地基中的应力包含三部分：自重应力，附加应力 和施工应力。 施工应力指挤土桩沉桩过程引起的挤压应力和超静水孔压，挤压应力将随着 土体的松驰而消失，孔隙水压力会随着固结过程而消散。施工应力是暂时的，但 它对群桩的工作性状都有一定的影响；孔压的消散使有效应力增大，从而使桩的 承载力增长，但桩问土周结下沉又使承台底面脱空，并对桩产生负摩阻力。 承载力增长，但桩间土周结下沉又使承台底面脱空，并对桩产生负摩阻力。 第一章桩筏基础设计理论 附加应力来自承台底面接触压力和桩侧摩阻力以及桩底压力，在常规桩距 ( 3 一d ) 下，应力互相叠加，从而使桩周土和桩底土中的应力都大大超过单桩， 其影响深度和压缩层厚度均成倍乃至十几倍地增加，从而使群桩承载力降低，沉 降加剧。 群桩的地基应力有以下特点： ( 1 ) 群桩桩端平面的应力可分为两部分；桩间区域的应力系由桩侧摩阻 力的影响叠加而来，在桩长、桩距不变的条件下，其值随桩数增加而增大；桩底 应力应在上述桩间应力上再叠加一项单桩的桩底应力。 ( 2 ) 群桩的影响深度大超过单桩，桩群的平面尺寸越大，影响深度亦越 大，而且应力随着深度而收敛得越慢。 ( 3 ) 桩间土的应力情况比较复杂。单桩的周围有轻微的附加拉应力；桩 数不很多的桩群在桩间土的上部和中部仍存在一些附加拉应力，但比土自重应力 小得多，故实际上不会造成土体的拉应力状态，大群桩的桩间土中则不再出现拉 应力了。 ( 4 ) 桩群的影响宽度亦大大超过单桩，而且桩数越多，扩散角口也越大， 即影响宽度也越大。 ( 5 ) 桩群的影响深度随桩数增加而增加 3 、桩身摩阻力与桩端阻力的分配 由于应力迭加的影响，群桩桩端平面的竖向应力比单桩的要增加很多，故群 桩中每根桩的单桩端阻力也较单桩增大。此外，由于摩阻力的自0 弱，使得群桩中 端阻力占桩顶总荷载的比例亦高于单桩，桩越短，这种情况越显著。 1 2 2 2 群桩竖向承载力计算 1 、由群桩受力特点可看出，群桩的工作性状取决于承台和群桩的几何尺 度与材料性质，以及一定范围内桩问与桩底土的分布与物理特性，所以，群桩的 竖向承载力实际上包含了两种意义。首先，是指将群桩和一定范围内的土体看为 整体时所能承受的竖向总荷载；当桩下存在软弱下卧层时应校核其强度；群桩中 各桩均应正常工作，即对单桩承载力进行校核。其次，是指其所产生的沉量应小 于允许的沉降量。所以对于它的承载力计算。有以下几种方法： 2 ( 1 ) 单桩承载力的简单累加法： 这是最简单的计算方法，这是将单桩承载力之和视为群桩的承载力，但仅 适用于端承桩和符合如下条件的摩擦桩： 桩数n 5 0 之后，该比率则变为随荷载增大呈减 第一章桩筏基础设计理论 少的趋势。 ( 3 ) 尽管群桩沉降的形成和发展与单桩不同，但若采用简单的土体理想化 模型，并假定群桩对土位移的加强效应可略去不计，则可以把单桩的分析扩展到 群桩。 ( 4 ) 粘性土中群桩的沉降包括弹性沉降和固结沉降；非粘性土中群桩的沉 降只有弹性沉降( 瞬时沉降) 。 1 3 2 计算方法 在桩基工程中，群桩基础沉降计算始终是一个难题，特别是高层建筑群桩 基础沉降计算更是如此，传统理论的简单结果与工程实际相关较大，所使用的经 验修正系数变化范围太大，因此，这一问题一直困扰工程界，而r r 业的飞速发 展，为这一问题的解决提供了坚实的技术基础。目前有关沉降计算的发展方向是 逐步明确桩长，桩间距、桩数、布置方式等在沉降中发挥的作用，为接变形设计 奠定基础。 1 3 2 1 关于群桩的沉降计算要有五大类方法：一j 等代墩基法；弹性理论法；等效作用分层总和法；原位测试结算法，简化和 经验方法 1 、等代墩基法 等代墩基法是群桩沉降计算的一种简化方法。该计算模式将承台周边范围 内的群桩和桩间土一起假想为天然地基上的实体深基础，并假定等代墩范围内的 桩间土不产生压缩变形，按扩展基础的沉降计算方法估算群桩的沉降。 为了消除上述假定对沉降估算结果的影响，人们在计算模式上采取了许多 措施来修正估算值，这结措施是： 1 ) 、变动假想实体基础底面的位置，以考虑桩间土的压缩变形。p e c k 等建 议将等代墩基底面置于桩端平面三。以上高度处，厶取桩长的1 3 ( 桩位于均匀粘 土层中时) 或进入持力层深度的1 3 ( 桩穿过软弱土层进入坚硬持力层时) 。但此 建议涉及的影响因素过于单一，等代墩基底面位置不仅与土层剖面有关，还同土 层软硬、桩距大小、桩的长短、荷载水平、成桩工艺等因素有关。所以有文章建 议，在常用桩距条件下( s a = 3 - - 4 5 b ) 若桩端持力层为较硬的粘性土、砂土，则假 想墩基底面与桩端地面一致；若桩端持力层与桩身范围土层的性质差异不大，则 视桩距大小可取l c = ( 1 4 1 3 ) l ( 桩距较大者取高值) ；当承台底部为较硬土层 时，应扣除上部硬土层厚度厶后按下部桩身长度确定厶江。= ( 1 4 1 3 j 江- l 1 4 第一章桩筏基础设计理论 对打入式桩，厶宜取低值；对于荷载水平较高的群桩，桩土相对位移较大，假想 墩基底面应适当提高。 2 ) 、为了考虑群桩外围剪应力的扩散作用，从群桩桩顶外围按应力扩散角a 向下扩散，增大假想墩基底砸面积。在我国桩基工程实践中，桩侧应力扩散角一 般取萨f ，f 为等代墩基侧面土层内摩擦角的加权平均值。国外a 大都取3 0 。； t o m l i n s o n 计算图式则是从群桩桩项外围按水平与竖向1 ：4 向下扩散。 3 ) 、提出和发展了地基土中附加应力计算的系列方法和模式。地基中附 加应力可近似按b o u s s i n e s q 解计算，但工程实践表明，用b o u s s i n e s q 解做群桩沉 降分析得出的结果偏大；为了提高计算精度，地基中附加应力宣按m i n d l i n 解确 定；而w e s t e r g a r d 公式可以考虑地基土的成层性和各向异性。 桩基计算式确定后，可按分层总和法计算群桩沉降。 当桩距较大( 6 反d 为桩径) 时，桩间土压缩量较大，按等代墩基法计算 群桩沉降与实际不符。 当桩很长时，可能出现上部荷载与承台及覆土重之和q 小于或等于群桩外 围总剪力r 的情况，此时等代墩基法的假定不合理，董建国、赵锡宏对等代墩基 法进行了修正，提出了计算群桩沉降的简易理论去，通过与实测值的比较表明， 该法计算的沉降与实测值是相符的。 2 、弹性理论法： 弹性理论法群桩沉降分析的主要依据是m i n d l i n 解，而m i n d l i n 解给出的是 场质弹性半空间内作用单位竖向荷载时的位移和应力解。因此，群桩沉降计算就 分别以位移基本解式应力基本解为基础的应力法。此外，在这两种方法的基础上 还发展了一种简化弹性理论位移法，该法以位移解为基本解，但采用应力法中关 干桩侧摩阻力为线性分布的假定，在位移基本解中舍去高阶无穷小量，该方法的 核心是桩土体系柔度矩阵，然后根据桩土体系的静口平衡主程，可获得考虑桩 土相互作用的群桩沉降计算结果。 3 、有限单元法： 用有限单元法分析群桩面常把问题简化为平面应变问题成轴对称问题，两 种问题中都把筏和土划分成有限单元，可以方便地研究土和筏的非线性行为。该 方法还能考虑土的固结，能够计算沉降与时间的关系以及由此而引起的桩顶荷载 重分布。 准有限元虽然受到计算参数难以确定因素的限制，但近几年在群桩沉降分 析中仍得到较广泛的应用。 4 、原位测试结算法 一些研究者建议用静力触探或标贯试验结果来推算推算桩基的总沉降量， 第一章桩筏基础设计理论 这些方法均属于经验方法的范畴，利用原位测试地基土的变形性质，然后用经验 公式近似估算群桩的沉降，各种原位测试估算法都有各自不同的适用条件。 5 、群桩差异沉降的估算 导致群桩差异沉降的因素很多，主要有：荷载的相差悬殊、桩基软土厚度 的不同、较大水平或偏心荷载的作用、桩端持力层不同、施工工期和邻桩的影响 等等。 计算群桩差异沉降是一个非常复杂的问题，要比计算平均沉降困难得多， 目前，在有关桩基沉降计算的文献中，很少见到关于估算群桩差异沉降方法的报 道。从理论上讲，要计算群桩的差异沉降，可先分别计算桩基中各桩的沉降量， 然后对比其间的差值，但鉴于单桩沉降计算方法的缺陷，这种方法很难考虑施工 工期、邻桩影响和群桩效应等因素。有限单元渚有限差分法作为数值计算方法， 为群桩差异沉降的计算提供了强有力的工具，尤其是大量大型商业软件的开发为 有限单元法的应用创造了良好的条件。但运用有限单元法计算群桩的差异沉降计 算工作量很大，费用较高，要将其应用于实际工程仍有许多工作要做。 值得指出的是，上述群桩沉降计算方法均是在桩间距较小的情况下提出的， 即是针对常规桩基础而言是可行的，对于桩间距较大的复合桩基并不合适。 1 3 1 2 桩基规范法 桩基规范中关于桩基沉降计算采用等效作用的分层总和法，具体可参见桩 基规范5 3 5 条“j 。 群桩基础的变形与荷载、桩长、桩距，桩数排列及各土层的物理力学性质 有关，近几年来越来越多的工程实测证明了应用m i n d l i n 解计算群桩沉降较以 b o u s s v n e s g 解为基础的等代墩基法更符否实测沉降，但由于m i n d l i n 解及其计算 方法的复杂性一直难以得到普遍推广应用。等代墩法由于计算简单而在工程上具 有实用价值。规范将m i n d l i n 解与等代墩基布氏解之间建立关系，有用等效作用 分层总和法计算桩基沉降。计算时保留了等代墩基法简便的优点，同时引入等效 沉降系数以反映m i n d l i n 解与什氏解的相互关系，最后以设计人员所熟悉的分层 总和法计算桩基沉降，称其为等效分层总和法。 1 0 】 等效作用分层总和法为了简化计算分析，将等效作用荷载面规定为桩端平 面，等效面积即为桩承台投影面积，并于基桩自重所产生的附加应力较小，可忽 略不计，因此，等效作用面的附加应力即相当于计算天然地基时承台桩底面的附 加应力。桩端平面下的应力分布采用布氏解，这样，在桩基沉降计算时，除了 桩基等效沉降计算系数外，其余计算与天然地基的计算完全一致。 1 6 第一章桩筏基础设计理论 1 3 1 3 复合桩基的沉降计算【7 1 1 1 1 、桩土分担荷载的确定 在计算复合桩基沉降时，按外荷载小于或大于桩基中各单桩极限承载力总 和分别计算： 1 ) 当外荷载小于桩基中各单桩极限承载力之和时 假定所有外荷载均由桩承担，忽略承台的分担作用，并由此确定单桩桩顶 受力。从g e d d e s 基于m i n d l i n 公式推导得出的单桩荷载在地基中产生的附加应 力系数公式出发，考虑群桩在土体中产生的附加应力叠加，求得地基中竖向附加 应力后，再按分层总和法计算。 2 ) 当外荷载超过桩基中各单桩极限承载力之和时 假定所有桩达到极限承载力，余下的上部结构荷载由桩间土承担，桩基承 担荷载产生的沉降仍可按上述方法计算确定，桩间土分担荷载引起的沉降可按天 然地基浅基础沉降计算方法进行。 郑刚在多层建筑广义桩土相互作用理论与设计方法研究中提到，就目 前的研究水平而言，还没有足够多的实测成果能证明当外荷载超过承台下各单桩 极限承载力总和时，桩会达到极限承载力。简单地以外荷载是否超过桩极限承载 力总和来判断桩是否发挥至极限状态是缺乏足够依据的。 黄绍铭等在减少沉降桩基础的设计与初步实践一文中建议首先按桩间 距等于或大于6 倍桩径，得出总桩数i 1 ，然后按下式计算土分担的荷载份额及基 底压力： p - g - n o q “ ( 公式1 1 1 ) 此法实质上是认为：不管单桩承载力和天然地基承载力大小，只要桩距等于 或大于6 倍桩径，桩就能达到极限承载力，并据此计算沉降。 2 、沉降计算的原则与简化 为保证安全，宰金珉提出偏于保守的沉降的计算原则与简化方法如下：1 2 1 ) 特大桩距的小群桩 独立柱下复合桩基可能属于这种情况。因为桩间土压缩量占9 5 以上， 且主要发生在承台下l 3 深度范围内( 三为承台长度) 。根据单桩桩周应力图， 桩周摩阻力在此范围内引起的应力很小，而桩端阻力引起的则是很小的拉应力。 因此，该范围内发生的沉降可以为主要是由承台底附加压力引起的，可按分层总 和计算。 2 ) 较大桩距的中、小群桩和大桩距的中大群桩 1 7 第一章桩筏基础设计理论 在部分复合桩基属于这种情况，桩间土压缩量岛占7 0 。o - - - 9 0 ，桩端下土压 缩量占1 0 3 0 。故沉降为两者之和： s = s i + s 2 t 公式1 - 1 2 ) 沉降s 的计算有两种方法： ( 1 ) 附加应力迭加用分层总和法计算 因为分别单独计算岛和岛目前尚有困难，工程实际中可分别计算桩身摩阻 力和桩端阻力产生的附加应力场，并与基底附加压力产生的附加应力场迭加，再 用分层总和法直接计算s 。 ( 2 ) 刚性承台摩擦桩基沉降的简化估算 将承台视为刚性，总沉降s 视为分别由匦和9 引起的沉降q 0 和q 尸之和： 胆函+ o p ( 公式l 一1 3 ) 其中，曲为桩间土承担荷载g 引起的沉降，可按弹性半空间上刚性板沉降 公式估算，品为桩承担荷载岛引起的沉降，可按刚性高承台群桩沉降的理论解 估算。 3 ) 常规桩距的中、小群桩和较大桩距以下的大群桩 常规桩距( 2 5 3 5 d ) 的群桩一般不属于复合桩基；较大桩距( 和5 d ) 的大 群桩有可能按复合桩基来设计，其沉降以桩端以下土层压缩为主。因此，可以将 桩基视为实体基础，按桩基沉降的常规计算方法进行计算。采用复合桩基的建筑 物沉降量虽比采用天然地基时小得多，但比采用纯桩基时明显增大，故必须满足 不超过容许沉降量嘲的要求。在许多情况下，桩数及其布置系由沉降量来控制， 这就需要进行更精细的沉降分析。 第二章云南省保安培训中心基础设计 第二章云南省保安培训中心桩筏基础设计 2 1 工程概况 2 1 1 工程简介 本工程位于昆明市西部梁家河，人民西路北侧，铁路建设总公司与国防中心 之间，由建筑总高9 9 7 m ，主楼2 8 层，裙房8 层，二层地下室。其中1 7 层为商 场，8 层为休闲活动中心，9 1 3 层为办公，其于为培训中心的酒店。总建筑面积 约3 6 万元一，首层尺寸为4 1 9 m x 4 6 8 m ，塔楼尺寸为3 1 2 m x 3 1 2 m ，该建筑 采用框架剪力墙结构形式，平面见图2 1 、图2 2 、图2 3 ，地下室埋深8 4 m ( 未 含底板厚) ，地下一层为车库，地下二层为人防地下室，按5 级考虑，有较多剪 力墙，布置见图2 4 ，刚度较大，基础整体性较强。 2 1 2 工程地质 2 1 2 1 地基土条件： 本工程拟建场地地处昆明盆地北侧，地形平坦，见图2 5 ，地表标高为 1 8 8 8 9 2 2 m 1 8 8 9 1 8 m ，地质结构复杂：顶部为人工填土，上部由第四纪洪积、湖 沼积成因的粘性土，粉土组成，下部为湖沼成因的粘性土与粉土，粉砂互层等。 地层水平方向分布较稳定，层次繁多，较土层较多，有起伏，有尖灭，场地在 7 1 5 0 m ，深度范围内无坚硬岩石、碎石类土及强度很好的砂类土层，即无良好的 桩尖持力层存在，各土层分布见下图2 6 、图2 7 、图2 - 8 。 各地基层的容体承载力标准值五，压缩摸量五白。，桩的极限侧阻力标准值 q , i k 及桩的极限端阻力标准值口，见表2 1 及表2 2 。 1 9 第二章云南省保安培训中心基础设计 计一一 e 1 4 一 图2 1 一层平面图 臣旺 0 ：一兰；二! 窖? 箬筹二= j ；二二鞘。4 一矿一百一百r 下r 一r 1 一 葡可e i 。i ：一；j i ：f 。阡习1 f r 一 ；“一1 ：刊1 l 【j ，i 。 = ! 。+ 。一一上一+ ，一卜；一；+ 一一h 。 ；一一f 一弯一一扩z 一毒一一扩一古喝 匝旧喽赠婆n-z匝 盎魁褪郴辱导器磐栽账瓤怔情料瓣 第二章云南省保安培训中心基础设计 b f 4 园0 拦啦繁蚓 萋 厂 拳恻 户糊 删旷 门 二 i 。毡 hf 。 r t 厂 r - 丁 l 蓥 _ t 一 t - _ r r 蓥 r _ t t t l 胖t i 一t m 三j 7 司：$ 一 _ _ 鬈 n 几| 门h 国 几r 1 罄 、 靠 ；艄 g 撑、 几几| 喜 r - ” 2 l n 一 二_ 一 墨兰p t “ ；。 豇二p i 一 蓥 r1 1f 11 一 目 卜” n 薯 h f | 几1 几 目 r r 摹 门日4 e p o 。一 心 i _ _ 一目f _ 一卜 z j 蚰i几 l 。l l ? ：i j i 举i = 唧”i 一一二”j