张乃瑞-桩基工程差异沉降分析方法简介.ppt

,桩基工程差异沉降分析方法简介,（上海研讨会）,北京市勘察设计研究院张乃瑞2003.12.,介绍提纲,一、PSFIA方法研制背景二、现场足尺静载荷试验的主要结论三、PSFIA方法的要点四、工程分析检验五、结束语,高层越来越高，高低层荷载差异越来越大，为了减小差异沉降，高层采用桩基，低层采用天然地基；由于高层基础面积大、荷载重、影响深度大，当桩端以下有相对软弱下卧层时，仍有可能产生较大的沉降，低层常为超补偿基础，沉降较小，高低层可能产生较大差异沉降；高层一般采用框架剪力墙结构或框筒结构，造成荷载分布不均，需要调节布桩的密度或采用不同桩长来满足承载力和改善差异沉降；虽然认识到采用梳桩理论进行桩基础设计可以充分调动桩与承台底土的承载能力，从而达到减少桩数、节约投资的目的，但是由于无法准确估算沉降和差异沉降，影响在北京地区的普遍推广。,PSFIA方法研制背景,北京地区建筑现状,对于此类建筑规范要求采用共同作用分析方法进行设计和验算变形。变形与差异变形问题更加突出，成了高层建筑或高低层建筑地基基础设计的关键。,PSFIA方法研制背景,提供荷载相差悬殊、持力层土质不均、桩长度不一、疏密不均情况下的沉降分布，检验持力层选取和布桩方案的合理性；估算采用不同地基方案的高低层建筑沉降和差异沉降，验证高低层建筑所采用方案的可行性；在变形控制的前提下，充分利用桩与桩间土承载能力，实现变形控制设计；,沉降分析要解决的问题,规范提供的沉降分析方法不能满足设计要求；需要以控制沉降进行桩基设计时，规范只是原则规定应按地区经验根据共同作用方法确定桩土荷载分配；迫切需要寻求一种符合北京地区工程地质条件和用桩特点，既能反映上部结构、承台、土、桩共同作用以及桩土荷载传递与变形特性，又经过工程实测验证的桩基沉降分析方法，满足高层或高低层建筑设计需要。,足尺试验平面布置,占地面积约600m2试验数量2组（单+3桩群+6桩群）共6个桩类型钢筋混凝土钻孔灌注桩桩径400mm桩长10m（L/d=25)桩数20根（试桩12）距径比3.08（6桩）或4.35（3桩）承台直径底径3.40m、上径1.20m、高1.40m埋深1.30m锚桩数8根（多支盘桩）,测试项目承台底土反力、钢筋应力和应变、桩顶荷载、桩间土变形、群桩与锚桩周围土变形、承台顶位移测试元件和标点共240个应力计144个应变仪30个压力盒26个荷载传感器10个深标点12个浅标点18个（位移传感器、千分表）,试验现场,承台底埋设测试元件,承台底土荷载分担比,各试验荷载分担比值,常规距径比时，分担比为24%25%，距径比加大到4.35，分担比为35%38%。证明在碎石类土作为桩端持力层的中长桩，也能利用承台底土的承载作用。,分担比与总荷载关系,随荷载增加到一定值后，增加不明显距径比大距径比小摩檫端承摩檫,一般变化范围10%70%上海地区12%26%(L/d25,S/d=3.16.6),资料,端阻力比随荷载变化,单桩与群桩不同，由于群桩的“增强效应”，使群桩端阻比单桩大。端阻比与距径比有关，距径比越小，群桩的“增强效应”越明显，端阻比越大。,桩端阻比,端阻力比值,证明支承在碎石类土上的中长桩为端承摩擦桩,单桩与群桩的侧阻力分布不同：单桩侧组由上向下发挥，上部增加比下部快；群桩由于“群桩效应”和承台对浅部侧阻的“削弱效应”，使桩的下部增长比上部快。群桩的侧阻分布可近似看作正梯形分布。均匀分布的侧组比约为20%60%（即=0.20.6）。,桩侧阻力沿桩身分布,M1,D6,单桩“倒梯形”分布,群桩“正梯形”分布,桩身压缩与桩顶荷载关系曲线,桩身压缩与荷载呈线形关系弹性变形桩身压缩量都不大(1.3mm3mm)可忽略不计,桩身压缩,不同深度桩间土变形随荷载变化曲线,桩间土竖向变形,D3、D6,由于桩端平面处的桩间土无竖向位移，桩端下沉随荷载增加而加大，故桩与土间的沉降差越来越大，必产生刺入变形。对于刚性桩说来，刺入变形是承台底土分担荷载的条件。,M3,M6,与天然地基相似，呈“马鞍”形分布，外缘大中间小。随荷载加大，反力向内部转移。桩的存在影响局部，桩距小分布曲线不如桩距大的光滑。,承台底土反力分布,试验与测试的主要结论,证明碎石类土上群桩承台底土分担荷载也不可忽视，可充分发挥桩间土的承载作用，沉降分析应考虑承台底土反力的影响。桩端处存在刺入变形，在分析方法中应考虑桩端刺入变形。群桩侧阻力沿桩身分布与单桩不同，呈正梯形分布趋势，证明采用Geddes积分公式是可行的。承台底反力基本上呈“马鞍”形分布，只是在桩周附近出现局部异常，可按天然地基的方法计算反力，再作局部修正。为碎石类土上群桩的承载力设计提供了群桩效应系数参考值。获得群桩对周围土的影响范围约为1.2Bc，造成的竖向位移不大。桩间土压缩比例比软土地区大，是支承在粗颗粒土的端承摩擦群桩的变形特点。,PSFIA方法要点,采用基础（承台）桩土共同作用方法；两种节点类型（土节点、桩节点），适应桩基与天然地基共同分析的需要；基础采用梁板有限元法建立基础刚度矩阵；地基采用以弹性理论为基础的分层总和法：采用Geddes积分式和Bussinesq积分式计算地基应力；考虑节点之间相互影响以及桩与承台土荷载分担作用；一个桩节点代表一个群桩，桩土体系采用考虑桩端刺入变形的Per模型，并求解分担比和桩阻力分配系数；刺入变形参数按统计公式计算确定；拟合施工过程分阶段计算，并采用非耦合逐次逼近法求解节点位移和其他的阶段结果，最后各阶段累加。,考虑因素：荷载不均桩间与桩端土层分布桩、土及承台共同工作承台底土荷载分担作用刺入变形基础刚度变化桩基与天然地基传力不同桩距与桩长变化施工因素,PSFIA方法计算简图与基本方程,基础平面与计算节点布置示意图,计算节点Nb=Np+Ns加荷点Na=Nb+Nw地层分区Nq地基分层Nc基础单元板元（矩形、三角形）+梁元,基础（有限元）K=F-R地基（弹性理论、桩土体系Per模型、刺入变形、两种节点相互影响、分层总和法）R=Kss地基与基础基本方程（共同作用原理）(K+Ks)=F,基本方程,1、同节点内各单桩台荷载相同，荷载传递特性相同。2、分担比与阻力分配系数只与本点承台与桩的几何尺寸、土层、荷载有关。3、单桩台绝对刚性，承台与土体不脱开，承台底面处桩或土任意点的沉降相等。4、单桩荷载由单承台底土反力、桩侧阻力和端阻力共同承担，侧阻力为梯形分布。5、桩顶沉降由桩身压缩、桩端以下土的沉降以及桩端刺入变形组成。6、承台底土和桩端以下土的沉降用分层总和法计算，分别用Bus.和Ged.式计算应力。,桩土体系Per模型示意图,j节点群桩,单桩台i,侧阻力分布,单桩台桩,承台两点S1=S2,Pus=Pu+PsPu=PtPs=(1-)Pt,Per模型用来确定各桩节点承台土分担比和桩端阻力分配系数,主要假设,桩数,桩端刺入变形,桩端阻力与刺入变形关系,当PbPbcr时才产生刺入变形，K、b是刺入变形参数。PbcrK、b是通过20根有桩端阻力测试的单桩静载荷试验资料分析获得的经验式确定。PbcrK、b与桩端和桩侧土压缩模量比（Eb/Es）、桩端虚土厚度与直径比（t/d）、桩长径比（L/d）、桩周填土厚度与桩长比（tt/L）有关。,刺入变形公式,Ce临界端阻力与端阻力比例系数,PSFIA方法程序流程图,输入数据,FORTRAN语言1个主程序+43个子程序非耦合逐次逼近法分阶段计算,桩基工程主要情况,建筑数量9个建筑性质公寓、住宅、饭店以及综合性公共建筑6个高低层3个单体建筑地基单桩基：3个桩+天然：5个天然：1个基础箱筏、条形或独立基础（承台）层数高层为1432层低或多层46层上部结构高层剪力墙或框架剪力墙结构低层框架结构个别多层混合结构基底埋深2.2m16.8m。平均荷载高层：359kPa534kPa低层：83kPa283kPa左右后浇施工缝高低层建筑之间一般都设有后浇施工缝，结构到顶方于浇注,桩类型予应力管桩予制桩钻孔灌注桩后压浆钻孔桩桩端持力层砂或卵石层,建筑物概况,桩径2801000mm桩长4.814.0m距径比2.234.77长径比1230,桩基情况,PSFIA法计算与实测沉降比较,注:1.沉降栏中白色数字为计算值,黄色或红色数字为终止实测值.2.终止沉降观测时已满足稳定条件（1mm/100d)，个别工程尚未稳定即终止观测，其实测沉降为红色数字。,计算,实测,PSFIA法计算与实测比较,天然地基部分,桩基部分,PSFIA法与其他常规简化方法比较,各工程桩基部分用不同方法计算沉降的结果比较表,计算平均沉降（cm）,各种方法计算与实测沉降比较图,“上规”“桩规”本文方法“高规”“桩规”和“上规”实测值(比为1.54.2和2.46.9)“高规”实测（比为0.21.1)本法略大于实测（比为1.01.2）,工程实测与计算沉降分布,一、发展大厦,写字楼（2022层）,裙房（2层）,50,40,30,20,10,50,40,30,20,工程实测与计算沉降分布,高层（26层）,裙房（2层）,二、昆仑饭店,40,40,60,40,80,60,40,60,40,60,80,40,60,40,60,20,20,工程实测与计算沉降分布,三、北京中保信,高层（2232层),4层裙房或纯地下,40,35,30,25,35,30,25,20,40,20,25,40,30,20,10,30,30,20,10,10,15,25,25,25,25,20,工程实测与计算沉降分布,四、盛福大厦,高层（25层）,纯地下,15,25,25,35,5,40,15,25,15,25,15,5,5,15,35,25,35,25,15,35,25,五、燕山大酒店,高层桩基（预制桩）实测沉降：1.362.60cm计算沉降:2.142.70cm裙房天然地基实测沉降：1.152.19cm计算沉降:1.392.75cm,工程实测与计算沉降分布,20,20,15,15,20,20,15,25,20,25,20,15,15,20,西高层（17层）,东高层（17层）,裙房（2层）,工程实测与计算沉降分布,15号公寓14层桩基（预制桩）沉降：计算3.164.97cm实测3.244.96cm16号公寓14层天然地基,六、外交公寓,15号公寓,40,45,35,35,40,45,45,部分16号公寓,七、国家管理局住宅,层数:16层桩基类型：钻孔灌注桩（d=400mm,L=10m，条形承台，中粗砂)沉降:计算值1.582.46cm;实测值2.143.19cm,工程实测与计算沉降分布,18,20,22,24,23,22,23,22,20,22,24,22,24,20,20,20,22,20,八、中国医学院住宅,层数:4层桩基类型：钻孔灌注桩（d=400mm，L=9.35m，条形承台，粉细砂)沉降:计算值1.293.68cm；实测值1.132.00cm,工程实测与计算沉降分布,1.5,1.5,2.0,1.5,3.0,3.5,2.5,2.0,2.0,2.5,3.0,2.5,2.0,2.5,3.0,2.0,1.5,1.5,工程实测与计算沉降分布,九、电力部电网调控中心,高层（2327层),20,30,20,10,10,20,20,30,35,40,25,30,20,15,低层（6层),25,15,低层（6层),20,10,20,*,各工程分担比、端阻系数、桩间土压缩比及桩顶荷载,距径比越大，承台底土荷载分担比越大。桩端与桩侧土模量比越大，端阻力分配系数越大。不少工程桩的承载力安全系数很大，还有潜力。,端阻力系数随模量比变化,分担比随距径比变化,沉降与桩数关系曲线,国家管理局沉降与桩数曲线,PSFIA方法能较好地估算桩基工程沉降，尤其是部分采用桩基、部分采用天然地基高低层建筑的沉降分布，解决了原来桩基沉降量估算与实际出入很大、又无法估计高低层差异沉降的问题，为现代建筑物地基与基础方案的合理选择及桩基础设计提供了手段，故具有良好的社会效益。PSFIA方法为北京和与北京同类地质条件地区实现桩基的变形控制设计提供条件，这样可以大大节约资金，获得明显的经济效益。,16层面积20m30m直径400mm长度10m钻孔灌注桩,41%,距径比由3加大到4,可减少桩数约.,结束语,由于PSFIA方法是一种桩土基础（承台）共同作用的分析方法，并采用Per-桩土体系的计算模型和分层总和法，考虑了承台刚度、承台底土分担荷载、桩端产生刺入变形、群桩效应等诸多因素对沉降的影响，所以能够很好反映荷载不均、地层多变、基础或承台刚度变化、桩间距不一、桩长和持力层不同等情况下桩基工程的沉降分布。另外，通过设置两种节点和根据施工后浇缝浇注前后荷载与基础刚度的变化情况分阶段计算，来分析高层采用桩基、低层采用天然地基时建筑沉降分布，以获得高低层差异沉降情况。所以该方法可以适应现代高层和高低层建筑桩基设计的需要。用一个桩节点代表其周围的一群桩，避免了一桩一节点地分析计算，可大大减少计算工作量，是一种简便实用的桩基沉降分析方法，符合工程快速分析的要求。PSFIA方法是针对北京地区的工程地质条件和常用桩的类型，以典型场地内的足尺群桩试验与大量单桩试验