地基基础工程的概念设计（中科院） .pdf

建筑地基基础工程的概念设计和实例分建筑地基基础工程的概念设计和实例分 析及岩土工程新技术的介绍析及岩土工程新技术的介绍 （北京北京） 刘金波博士 （中国建筑科学研究院地基基础研究所） 电话13601056621 前言前言 1、从事工程设计施工的体会 2、讲课的方法 从基本概念出发，将一些工程实例和基本 概念结合讲解，从这些工程实例中体会概 念。具体讲课采用提纲结合简图进行分析 讲解。 3、讲课希望达到的效果 （1）帮助利用基本概念指导复杂工程问题 处理； （2）增强创新意识和民族自信心； （3）和大家进行交流。 一、地基基础概念设计一、地基基础概念设计 （一）地基基础设计的目的 地基基础设计的根本目的是满足建筑物对 承载力和变形的要求。 地基基础设计包含三个步骤： 1、概念设计； 2、具体计算； 3、计算数据的分析和利用。 （二） 地基基础概念设计 1、何为地基基础工程的概念设计 所谓地基基础的概念设计就是将力学概念、 土力学概念、岩土性质的基本概念、地质 演化的科学规律、地下水的渗流概念、各 种施工工艺的特点、各种结构体系的特点、 岩土与结构的共同作用、当地的经验等综 合应用到地基基础工程方案的确定中，称 为概念设计。 举例魏公村支护、泰安某工程、北京胡家 楼工程、淄博基坑支护、济南某人工挖孔 桩。 概念设计分为 （1）整体方案的概念； （2）施工工艺的概念； （3）经济的概念； （4）环保的概念。介绍1、4。 （三）进行概念设计的必要性（三）进行概念设计的必要性 1、地基岩土种类多样工程特性不同； 国标建筑地基基础设计规范将地基岩 土分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性 土和人工填土等几大类，又补充了几类特 殊土如淤泥、红粘土、膨胀土、湿陷性土。 每一类土成因、工程特性差异很大。 2、影响土力学性质的因素很多； 1）受自身结构和应力史的影响； 2）受含水量的影响； 3）受时间的影响； 4）受加荷 速率的影响（首钢曹妃店、降 水）； 5）受施工工艺的影响（挤土桩、钻孔桩）； 3、地基基础工程设计中的两个重要指标 承载力和变形的确定计算存在很多不定因 素，理论还需完善。 4、上部结构形式多样，各有特点（各种结构体系） 5、规范不可能解决所有问题，且在不断的完善提 高（如后浇带、桩的选型布置、桩基的沉降计算 存在的问题）。一些规范之间存在着不协调，不 完善。 6、岩土工程领域目前已进入技术、设备竞争、创 新的时代，施工工艺的好坏判断依赖基本概念 （如灌注桩成孔可分为 沉管成孔、钻入成孔、冲击成孔、抓掘成孔、 螺旋成孔、人工挖孔；规范列出的地基处理方法有近20种）； 7、目前设计中过分依赖程序；（考题） 8、过细的分工要求有整体概念（易出现问题）。 （四）具体计算 根据简化的数学模型采用手算或计算程序对地基 基础工程的具体问题进行计算。 具体计算必须与概念设计的思想结合起来才能发 挥作用，注意如下： 1、设计者在应用公式或计算软件时，应对软件和 数学模型的适用条件有正确的理解，了解这些假 定条件与工程实际的符合程度；（如文克尔 （e.winker）模型假定地基土上任一点处变形与该 点承受的压力成正比，与其它点无关，实际地基 是一连续介质，表面任一点的变形量不仅取决于 直接作用在该点的荷载，而且与整个地面荷载有 关，因此严格符合文克尔模型的地基是不存在） 2、了解计算方法的局限性和可能产生的偏 差，避免盲目套用犯概念性的错误（复合 地基和桩基的沉降计算） 。 （五）计算数据的分析和利用 计算的数据要符合基本力学规律和类似的 工程经验。（济阳某工程)。 （一）荷载的基本概念 地基基础工程设计中的荷载绝大部分都 是承受上部结构荷载，根据建筑结构荷 载规范上部结构荷载分为三类： 1、永久荷载，如结构自重、土压力等； 2、可变荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、 风、雪荷载等。 3、偶然荷载，如：爆炸力、撞击力等。 二、地基基础工程设计中的一些概念二、地基基础工程设计中的一些概念 岩土工程设计中采用的荷载以上部结构荷 载组合值的形式出现分为三种： 1、基本组合，用于基础的弯、剪、冲和地 基的滑移、倾覆或稳定； 2、标准组合，用于确定基础底面积、桩数； 3、准永久组合，用于计算建筑物的沉降、 差异沉降、倾斜。 天津某工程桩基 4、对于抗浮计算，只采用永久荷载，不考 虑可变荷载的影响。 (二）地基基础设计中的一些基本概念 1、土的组成 土是固体颗粒、液态水和气体组成的多孔介质。 2、土变形的时效性 和一般建筑材料相比，土的变形具有两个特点， 一是大变形，二是变形的时效性。 土变形的时效性主要指土体的变形和时间有关。 在外力作用下，颗粒趋向新的而稳定的位置移 动，土体因而产生变形。对于两相体系的饱和土， 当颗粒骨架变形、孔隙减小时其中多余的孔隙水 被挤出。对于三相体系非饱和土，孔隙间的气体 首先被压缩，随后则是多余的气体和孔隙水被挤 出。 由于固体骨架与孔隙水之间的摩擦，使得孔隙水 和气体的排出受到阻碍，从而使变形延迟。故土 的应力变化与变形均是时间的函数。（工程中的 表现粘性土、砂土，地基规范给出不同土沉降完 成情况） 3、软土的工程性质 （1）天然含水量高，孔隙比大（压缩性高，变形 大）； （2）透水性低（采用挤土桩时要特别注意）； （3）压缩性高； （4）抗剪强度低； （5）具流变性。包括蠕变特性、流动特性应力松 弛特性和长期强度特性。 4、液化土基本概念及在桩基设计对应的设计概念； 5、湿陷性黄土的基本概念； 主要表现在浸水后产生附加沉降（扩大桩的概念、 国贸三期试验、天津某工程试验）。 6、回填土的基本概念(工程例子涉县、江苏、天 津某水库)； 7、坡地、岸边（施工工艺、桩配筋）； 8、岩石（特别注意软岩、遇水易软化的强风化岩、 全风化岩，桩基规范的体现） 9、地下水的影响； （1）上层滞水； （2）潜水； （3）承压水； （4）地下水对工程的影响（地面下沉、 建筑物 上浮、基坑破坏，北京某工程）。 10、地基承载力； 影响地基承载力的因素很多，包括； （1）土质、土层的埋藏顺序； （2）基础底面的的形状、大小； （3）基础埋深； （4）地下水位情况； （4）时间因素（加层） 11、地基变形； （1）地基变形包括的内容； （2）目前的计算方法及存在的问题。 12、复合地基的基本概念 一般认为复合地基是指天然地基在地基处理过程 中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基 中设置加强体，加固区是由天然地基土或被改良 的天然地基土和加强体两部分组成的人工地基。 复合地基分为： （1）竖向增强体复合地基； （2）水平增强体复合地基。 复合地基最新发展（多桩型、加筋）。 强调复合地基的基本概念，对于欠固结土、膨胀 土、湿陷性黄土、可液化土等应特别注意（杭州 某工程）。 13、桩基础的基本概念 桩的基本概念：利用桩身远大于土的刚度 将上部结构的荷载传至桩周和桩端岩土中， 桩和与其相联接的承台构成桩基础。 桩的类型很多，各有特点和应用范围 举例。 14、复合地基和复合 桩基的概念 （1）复合地基承载力 （2）复合桩基承载力 （3）复合桩基的应用 条件。 （4）宝洁公司工程 实例 cakca sk p a spk afrr fm a r mf += +=)1 ( （三）施工工艺的概念 目前岩土工程施工工艺较多，且在不断发展完善， 介绍各施工工艺特别需要注意的问题，设计中应 有足够的重视： 1、泥浆护壁钻孔灌注桩（泥浆问题、旋挖钻机、 发展方向）； 2、长螺旋压灌桩（工艺介绍，优缺点）； 3、预应力管桩（优缺点）； 4、夯扩桩（优缺点、适用范围）； 5、水泥土桩（有效桩长、施工易出现的问题）； 6、cfg桩。 7、桩基选型的一些概念探讨、桩基选型的一些概念探讨 （1 1）凡嵌岩桩必为端承桩）凡嵌岩桩必为端承桩 导致嵌岩深度加大，工期延长， 造 价提高(例题) （2）将挤土桩一沉管灌注用于高层建筑（规范编将挤土桩一沉管灌注用于高层建筑（规范编 制中对沉管桩的争议）制中对沉管桩的争议） 由于挤土效应造成断桩、缩颈、上浮，事故频 发且严重，如：某会展中心全部桩报废；云南某 大厦筏板开裂，不得不加固处理。 （3 3） 预制桩质量稳定性高于灌注桩预制桩质量稳定性高于灌注桩 优于沉管灌注桩是肯定的，注意三点 沉桩挤土效应； 无法穿透硬夹层，桩长受限制； 单桩承载力可调范围小，难于实现 变刚度调平设计 （4 4） 人工挖孔桩质量可靠人工挖孔桩质量可靠 地下水位以上人工挖孔桩可实现彻底清孔、直观 检查持力层，且无断桩缩颈现象。 隐患： 边挖孔边抽水，细颗粒流失，地面下沉，乃 至整体脱落 临近新灌注混凝土桩抽水，带走水泥，造成离析； 在流动性淤泥中挖孔，引起淤泥侧向流动， 导致土体失稳滑移，将桩体推歪、推断。（东平工程， 天津工程） （四）经济的概念 考虑经济概念时应综合考虑以下几方面； 1、地基处理的费用； 2、对应的基础费用； 3、工期的影响； 4、后浇带、降水的影响（长清大厦、威海 某降水工程）。 三、概念设计在工程中的具体体现三、概念设计在工程中的具体体现 1、桩的施工工艺的正确判断； 1）提出的原因，新工艺很多； 2）承载力是由土提供的，施工工艺如何对提高土 的性质有利； 3）举例（大直径桩承载力、乌克兰工程、喀麦隆、 临沂汽车站）； 2、墙下布桩基础底板厚度问题； 3、主裙楼联体问题； 1）后浇带的基本概念（前后变化、浇注时间、）； 2）裙楼抗浮问题及最优设计（最优采用配重、尽 可能采用短桩）； 3）裙楼对主楼的影响问题（偏心，注意计算方法， 偏移方向）； 4）裙楼和主楼连接注意问题（试验结果、潍坊某 工程处理、底板连接）； 5）主裙楼采用不同基础形式问题（济南某工程）； 6）抗浮桩设计问题（目前存在的问题，北辰大 厦、一中心、）； 5、嵌岩桩概念（嵌岩桩的必要性）； 6、基础变形的基本概念； 1）地基变形特征分为沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。 2）变形的计算（基本概念）； 3）变形和基础底板的关系； 4）不同的结构体系控制变形的指标； 5）变形和承载力之间的关系（鸟巢工程，其它上海、天 津工程）； 6) 持力层分布对变形的影响（问题的提出原因，深厚持力 层）； 7、 控制变形的方法 （1）减小附加压力（嘉汇）； （2）增加加强体的长度，是最有效的方法之一（北京胡 家楼、昆仑饭店、万豪世纪中心）； （3）采用变刚度调平设计。 8、桩的水平承载力问题 桩土承台体系在扣除土的水平抗力之后， 按水平变形40mm取值，两桩带承台固接体 系的水平极限承载力为5400kn，其中单桩 水平极限承载力为2700kn。这与hp3-hp4 自由单桩的水平静载试验结果（单桩水平 极限荷载为1700kn ）相比，单桩水平极限 荷载提高了59%。 9 9、 变刚度调平设计变刚度调平设计 基本概念：考虑上部结构形式、荷载和地层分布基本概念：考虑上部结构形式、荷载和地层分布 及相互作用效应，通过调整桩径、桩长、桩距等及相互作用效应，通过调整桩径、桩长、桩距等 改变桩土刚度分布，使建筑物沉降趋于均匀、承改变桩土刚度分布，使建筑物沉降趋于均匀、承 台内力降低的设计原则称为变刚度调平设计。台内力降低的设计原则称为变刚度调平设计。 变刚度调平设计的原因及实质。变刚度调平设计的原因及实质。 （1 1） 天然地基箱形基础变形特征天然地基箱形基础变形特征 图1 北京中信国际大厦箱基沉降等值线（s单位：cm） 高104m,框筒结构，双层箱基高11.8m；smax=12.5 cm; smax=0.004l。 （2） 桩筏基础的变形特征 图2 南银大厦桩筏基础沉降等值线（建成一年，s单位：cm） 高113m，框筒结构，400phc桩，l=11m,均匀布桩，筏板厚 2.5m,建成一年smax=0.002l。 （3） 碟形沉降和马鞍形反力分布的负面效应 （1 1）碟形沉降）碟形沉降 引起承台、上部结构的次内力引起承台、上部结构的次内力 （2 2）马鞍形反力分布）马鞍形反力分布 导致基础的整体弯矩、冲切力、剪力增大导致基础的整体弯矩、冲切力、剪力增大 以图以图1 1北京中信国际大厦为例，整体弯矩较均布反力增加北京中信国际大厦为例，整体弯矩较均布反力增加 16.2%16.2%；对于图；对于图3 3所示桩筏基础，整体弯矩较均布反力将增所示桩筏基础，整体弯矩较均布反力将增 加加50%50%以上。以上。 （4）变刚度调平设计 图4 均匀布桩与变刚度调平布桩 的变形与反力示意 图5 变刚度布桩模式 （1 1）局部增强）局部增强 如图如图4 4- -（a a） （2 2）桩基变刚度）桩基变刚度 如图如图4 4- -（b b）(c)(d)(c)(d) 增强核心筒区，弱化外围，局部平衡增强核心筒区，弱化外围，局部平衡 （3 3）主裙连体变刚度）主裙连体变刚度 增强主体，弱化裙房增强主体，弱化裙房 （4 4）上部结构）上部结构基础基础地基（桩土）共同工作分析，地基（桩土）共同工作分析， 深深 化、细化概念设计，计算沉降、承台内力与配筋。化、细化概念设计，计算沉降、承台内力与配筋。 （5）试验验证 粉质粘土地基，粉质粘土地基，2020层框筒结构层框筒结构1/101/10现场模型试验现场模型试验 图6 等桩长与变桩长模型试验 表1 桩顶反力（f=3250kn） （6） 变刚度调平概念设计优点 1）减小核心筒冲切力，降低承台整体弯矩 2）优化承台设计，降低造价 3）减小差异变形，降低上部结构刚度次应力， 提高耐久性 4）合理发挥桩土共同作用 四、岩土工程新技术介绍 （一）灌注桩后注浆 1、为什么灌注桩应采用后注浆进行处理 2、灌注桩后注浆工艺简介 3、科学研究和对比试验结果 4、技术经济效益和应用工程情况 5、灌注桩后注浆优点 1 1、为什么灌注桩应采用后注浆进行处理 灌注桩具有适用于不同地层条件，桩径桩长变幅大， 无噪声振动等优点，随着高层建筑的大量兴建，已 发展为建筑工程的主导桩型， 也是铁路、公路、城 市立交桥基的传统桩型 。但灌注桩有其自身的缺陷， 如桩底沉渣、桩侧泥皮等这些因素影响桩的承载力 发挥和稳定。 针对灌注桩的上述一些缺陷，中国建筑科学研究 院地基基础研究所于90年代初先后研究开发了泥浆 护壁灌注桩桩底、 桩侧后注浆专利技术。 该技术现已应用于北京、上海、天津、武汉、 福州、汕头、厦门、宜春、杭州、济南、廊坊 等地的几百项高层建筑的桩基工程,技术、经济 效益显著。 灌注桩后注浆技术通过了国家科委组织的技术 鉴定; 被建设部授予重点科技推广项目和国家级工法; 获国家发明专利，专利号zl9416598.1和多项 实用新型专利. 2、灌注桩后注浆工艺简介、灌注桩后注浆工艺简介 桩底注浆阀安装桩底注浆阀安装 注浆阀设置完毕的钢筋笼注浆阀设置完毕的钢筋笼 3、科学研究和对比试验结果 （1）承载力增强机理承载力增强机理 固化效应：沉渣和泥皮被固固化效应：沉渣和泥皮被固 化；伴随扩底和扩径效应化；伴随扩底和扩径效应 充填胶结效应：粗粒土充填胶结效应：粗粒土（卵卵 砾砾、粗中砂粗中砂）因渗入注浆被因渗入注浆被 胶结胶结 加筋效应：细粒土加筋效应：细粒土( (粘性土粘性土、 粉土粉土、粉细砂粉细砂) )因劈裂注浆因劈裂注浆 形成加筋复合土形成加筋复合土 桩底注浆不仅增强端阻，而桩底注浆不仅增强端阻，而 且使桩底以上且使桩底以上 101020m20m侧阻侧阻 增强增强 桩侧注浆不仅增强侧阻，而桩侧注浆不仅增强侧阻，而 且起封堵作用，提高桩底注且起封堵作用，提高桩底注 浆效果浆效果 （a）卵砾、粗中砂（b）粘性土、粉土、粉细砂 图1 后压浆对桩端阻、侧阻的增强机理 （2）桩侧摩阻力和端阻力压浆前后的变化）桩侧摩阻力和端阻力压浆前后的变化 （a）桩底压浆与非压浆桩(b) 桩底压浆与非压浆桩(c) 桩侧桩底压浆与非压浆桩 （天津）（上海）（上海） 图2 软土地区细粒土后压浆桩侧阻、端阻增强特征 （a）桩底压浆 （北京）（b）桩底、桩侧复式压浆（北京） 图3 粗粒土中后压浆桩侧阻、端阻增强特征 （3）单桩承载力 荷载沉降性状 改善，陡降型 缓变型 图4软土地区（天津）试桩qs 单桩承载力 荷载沉降性状 改善，陡降型 缓变型 图 5粗粒土持力层（北京）试桩 qs 4 4、后注浆的技术、经济效益和应用工程情况、后注浆的技术、经济效益和应用工程情况 对126项灌注桩后注浆工程的单桩对比(普通 与经后注浆处理的)静载试验数据统计分析表 明，后注浆桩承载力增幅为40100%，由此 可减少桩数或减小桩径、桩长。对于大型单 项工程，其经济效益可达千万元，由于工程 量减小，工期也相应缩短；由于桩底土得到 加固，建筑物沉降相应减小约30%。 天津国际航运大厦 smax=39.7mm, s/l=0.2 工程应用与经济效益工程应用与经济效益 第4勘察孔土层剖面图 地面标高深度 时间（天数，从第1次观测开始） 工程应用与经济效益工程应用与经济效益 灌注桩后注浆技术简介灌注桩后注浆技术简介 项目名称项目名称：国家体育场(鸟巢) 工程简介：工程简介：拟建国家体育场作为北京2008年第29届 奥运会的主体育场，将承担开、闭幕式和田径比 赛等奥运会的主要赛事。其“鸟巢”方案的建筑 结构造型也将成为北京市的重要标志性建筑。 工程应用与经济效益 本工程总建筑面积约25万m2，奥运会比赛 时将设观众座席10万个，其中临时座席2万 个（赛后拆除）。国家体育场不但能满足 2008年奥运会的要求，而且因设计有可关闭 屋顶，还可以满足今后可能举行的各种体 育或非体育大型群众活动。 本工程屋盖巨型钢桁架结构均由环形布置在看台外部的24 根组合柱支撑，组合柱柱间距约35m。每根组合柱承担的 竖向荷载设计值达40000kn50000kn，承受水平荷载设计 值达20000kn，采用桩基。本工程内部看台区共设3层梯级 升高的座席层，看台内部地上16层。看台区由一系列辐 射状布置的框架柱列支撑，柱底竖向荷载设计值约为 4000kn20000kn，采用桩基。外围平台（裙房和纯地下 室部分）单柱荷载一般为10000kn，边柱跨度较小的部位 为4000kn。 本工程设计使用年限为1