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浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大表盘基础中的作用研究 沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 摘要 在大底盘结构的桩筏基础中设置沉降后浇带既可以释放相当部 分沉降差产生的不利影响，又可以满足建筑功能的要求，目前已被越 来越多的工程应用。本文对沉降后浇带的设置方式及效果作了一定程 度上量化的研究。 本文假定了桩基沉降与荷载线性相关，用简化的桩土分析方法 对桩筏基础分析，并采用荷载的变化来模拟后浇带封闭前后桩筏沉降 和内力的变化。采用上述的分析假定可以相当程度上反映真实情况， 同时在工程实际应用更为方便、直观。 采用上述的分析方法，本文主要针对工程中最关注的后浇带设 置位置及后浇带的封闭时间作了计算分析，归纳了随设置位置及封闭 时间变化，沉降后浇带作用的变化规律，提出确定后浇带设置位置及 后浇带的封闭时间的建议，对今后工程应用提供了理论依据。 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 r e s e a r c ho nt h er o l e so fp o s t - p o u r i n gb a n di nap i l e - r a f t 1 0 u n d a t l o n 1 a b s t r a c t i nm o r ea n dm o r ep r o j e c t s ，p o s t - p o u t i n gb a n d sa r es e t t e di na p i l e - r a f tf o u n d a t i o nt os e p a r a t a t es e v e r a lt o w e rb u i l d i n g sb u i l to nab i g p o d i u mc o n s t r u c t i o n t h i sm e t h o di sa b l et or e l e a s et h eh a r m f u le f f e c t c a u s e db yt h ed i f f e r e n c ei ns e t t l e m e n ti nac o n s i d e r a b l e d e g r e e ， m e a n w h i l e ，i tc a nm e e tt h ed e m a n d so fu s i n gf u n c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c to f p o s t - p o u r i n gb a n d sa n dd e s i g nm e t h o dw e r es t u d i e d i nt h i sp a p e r , s e t t l e m e n ta n dl o a dw e r ea s s u m e dl i n e a rc o r r e l a t i o n ，a s i m p l i f i e dp i l e s o i l r a f ta n a l y s i sm e t h o dw a su s e d t h e s ec a nr e f l e c tt h e r e a ls i t u a t i o nt oag r e a t e ro rl e s s e re x t e n t ，c a na l s ob eu s e di nd e s i g n s i m p l ya n dc o n v e n i e n t l y b a s e do nt h ea b o v et h e o r ya n dm e t h o d ，t h ep i l e - r a f tf o u n d a t i o no fa t y p i c a lb i gp o d i u mc o n s t r u c t i o nw a ss t u d i e dw h e nt h ep o s t - p o u r i n gb a n d w a ss e t t e di nd i f f e r e n tp l a c e s ，a n dw a ss e a l e du pa td i f f e r e n tt i m e t h e l a wo ft h ev a r y i n ge f f e c tw a sa n n o u n c e d t h e s el a w sp r o v i d et h e o r yb a s i s f o rf u r t h e ru s i n g 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大廒盘基础中的作用研究 第一章概论 1 1 桩筏基础在大底盘结构中的应用及存在的问题 1 1 1 桩筏基础在高层建筑中的应用 近年来，随着经济实力的增强，高层建筑在我国得到了很快的发展，目前， 高层建筑的数量和高度已经成为衡量城市经济繁荣的重要标准。这类建筑因为存 在建筑面积大、功能多、立面造型复杂、竖向荷载大而集中、底层荷载分布很不 均匀等特点给基础设计带来一定的困难。 在高层建筑鳞次栉比的沿海地区，地基土中有深厚的软粘土，在浅层土中往 往没有一个好的持力层。因此，软土地区高层建筑常常需要采用桩基础，即通过 桩将上部建筑物的荷载传递给基础下各层土直至深层的硬质土或基岩上。采用桩 基础的高层建筑，它的桩、桩项承台、地下室底板、底板之间的基础梁以及地下 室的墙体共同形成整体作用的桩筏基础或桩箱基础。桩筏基础或桩箱基础具有整 体性好、竖向承载能力高、基础沉降小、调节不均匀沉降能力强等优点，同时可 以承受风荷载或地震荷载引起的巨大水平力，抗倾覆能力强，目前，桩筏基础已 成为沿海地区高层建筑主要采用的基础形式。图1 - 1 - 1 所示为一常见带裙房高层 建筑桩筏基础的示意图。 低压绾i t + i t 性土层 图i 1 1带裙房高层建筑桩筏基础示意 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大威盘基础中的作用研究 1 1 2 桩筏基础研究现状 对桩筏基础工作性状的研究开始于上世纪5 0 年代，科学工作者在大量的理 论分析、模型试验、现场测试的基础上，提出了许多分析和设计方法。桩筏基础 的设计及计算需要解决的问题是： 1 筏基下土可以承担上部结构荷载的条件； 2 筏基下土分承担上部结构荷载的比例及其规律； 3 筏基下桩分承担上部结构荷载的比例及其规律； 4 筏基的内力分析方法。 p o u l o s 对已有的单桩和群桩分析和设计方法作了分类和评价，按照 p o u l o s 的分类，桩的分析设计方法分成三个大类：第一类是基于经验而非土力 学原理的方法，通过简单的现场和室内试验与桩的性状建立相关关系，比如根据 c p t 、s p t 试验和桩的承载力建立关系，桩的沉降根据桩距的经验关系计算或者 按照受压杆件计算；第二类是根据简单的理论或者图表，变形采用线弹性模型或 者采用非线弹性模型，稳定采用刚塑性模型分析。比如有效应力法。，弹性理论 法3 1 ，边界元法4 1 等；第三类是基于应力路径的的现场试验，变形采用线弹性模 型、简单非线性等模型，稳定采用刚塑性模型，比如有限元法1 ，非线性边界元 法旧，非线性荷载传递法7 3 等。随着高层建筑在我国的广泛兴建和发展，国内各 学工作者同样对桩筏基础开展了深入的研究，并取得了较大的成果，达到了较高 的水平8 1 。在我国研究较多的分析和设计方法主要有：半解析半数值方法9 渤， 沉降控制设计方法1 0 ，1 ，地基刚度的人为调整与优化设计【1 2 】。 目前桩筏基础的研究计算方法已经有很多种，可以说任何理论与经验计算方 法都是围绕着前面问题而研究的，最为合理的理论假定是“上部结构一承台一桩 三者共同作用分析。共同作用分析法的核心是结构的整体分析，计算各部分的内 力与变形。其基本假定是： 1 ) 整个体系符合静力平衡条件： 2 ) 上部结构与基础之间、基础与桩基之间的连接部位的变形协调。 浙江大学项士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 根据共同作用理论，上部结构、基础、桩基之间相互影响、相互制约，其程 度由三者的刚度决定。8 0 年代以来，国内很多学者在这一方面作了深入的理论 和实践研究。张问清m 1 提出扩大子结构法计算高层结构刚度，张国霞3 朝、何颐 华矧、叶于政剜等相继对高层建筑与地基基础间共同作用作了理论研究。1 9 8 5 年董建国等首次对共同作用在高层建筑地基基础中的应用作了尝试。董建国等3 0 3 对共同作用原理在高层建筑地基基础设计中的应用提出了建议，杨敏3 1 3 蜘5 3 3 对 上部结构与桩筏基础共同作用作了深入的理论和实验研究。刘金砺u 钏等分析了 桩土变形模型进行变刚度调平设计。黄绍铭、裴捷等瞄副作了减少沉降桩的与其 在多层建筑中的应用以及疏桩工程的设计研究。郑刚u 引对多高层建筑广义桩土 相互作用理论与设计方法进行了研究。陈云敏、陈仁朋等。从工程设计的需要 出发，研究开发了可以计算任意形状的筏板基础的桩筏共同作用的分析软件。 但共同作用理论分析方法应用于实际工程较为困难引，主要原因有：首先， 上部结构、筏基及桩三部分各自存在多种计算模型；其次，共同作用中，上部结 构的贡献u 驯不容忽视。但上部结构的刚度是逐渐形成的，且与施工的方式和进 度密切相关，所以即便是完全相同的上部结构，由于施工措施不同其刚度的形成 即不同。因此在计算中很难准确地引入与实际的情况完全相符的刚度；最后，筏 基或桩与土的共同作用尚无较好的符合实际的计算模型。正如钱力航在文献【8 】 中所指出的那样：“上部结构，基础与地基共同作用问题，以往的研究工作，侧 重于数值方法的研究，尚未进入工程实用阶段”。 1 1 3 在大底盘结构中应用桩筏基础存在的问题 高层建筑的新发展又对桩筏基础的设计提出了新的要求。由于建筑功能的需 要，现在的高层公共建筑一般带有多层的裙房，而目前常见的高层住宅群，往往 浙江大学硕士学位论文 沉降后浇带在高层建筑大藏盘基础中的作用研究 设计成多幢独立的高层建筑由一个大底盘地下室相连的一个整体。这类建筑结构 体系，由于在底盘上下能创造一个较为宽松的商业或共享空间，能建设较大的地 下停车库，从而满足投资者多功能的使用要求，并能获得占地面积小、容积率高 等显著的经济效应，因而这一类建筑已经成为近期建筑开发的主流。但层数的差 异，导致了裙房和主楼之间、塔楼和全地下室之间的柱底轴力存在很大的差距， 甚至一些仅有地下室的柱，因地下水的浮托力作用，出现上拔力。较大的柱底轴 力差异势必产生较大的差异沉降，即相邻柱基础沉降值之间的差异。这种差异沉 降将在整个建筑中产生很大的次应力，因而如何解决不均匀沉降造成的影响成为 大底盘结构基础设计的关键问题。 基础沉降的理论计算是桩筏基础设计的一个重要环节，然而桩筏基础沉降的 准确计算较为复杂。桩筏基础沉降的方式可分为两大类： 半经验实体深基础法； 从单桩出发考虑群桩作用的弹性理论法； 具体计算方法主要有以下几种： 方法( 1 ) ：不考虑荷载沿桩身扩散，基底位于桩尖平面的实体深基础法。 方法( 2 ) ：考虑荷载沿桩身按驴4 ( 妒为桩入土深度范围内各土层的内摩擦 角深度加权平均值) 扩散，基底位于桩尖平面的实体深基础法。 由于考虑压力扩散，需根据扩大后的受荷面积，用单向压缩分层 总和法计算桩尖平面下土层的压缩。压缩层下限取为附加压力等 于土的自重应力的2 0 处。 方法( 3 ) ：考虑荷载沿桩身扩散，基底位于桩尖平面的实体深基础法。由于 方法( 1 ) 未考虑桩侧的扩散作用，虽然计算比较方便，但很多 工程实践证明，采用此方法计算出的沉降大于实测沉降值，本方 法在方法( 1 ) 的基础上提出了一种深度修正的概念，引入深度 修正系数。该方法必须建立在大量具有不同桩尖入土深度的桩基 工程统计资料基础上，并结合具体的地基土层条件取得深度修正 系数。 方法( 4 ) ：弹性理论法，该法是从单桩出发考虑群桩作用，是建立在单向 压缩分层总和法基础上的一种沉降估算法，其基本假定如下： 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大成盘基础中的作用研究 1 ) 不考虑承台的刚度，认为各桩承受相等的竖向荷载； 2 ) 单桩的竖向承载力分别由桩端土及桩侧土提供，其中桩端反力 按集中力考虑，桩侧阻力沿深度呈近似呈现线性变化； 3 ) 桩端反力和桩侧阻力的分配比例近似地按目前工程中经常应 用的划分极限荷载时极限端承力和极限侧阻力的方法进行，并 认为在计算群桩沉降时该比例保持不变。也可以从桩身与桩周 土变形协调原理解出。 4 ) 计算单桩荷载作用下地基应力时，可将桩顶上的总荷载p 表示 为，p = p p + p s ，其中p p 为桩端反力，数值为a p ；p s 为桩侧 阻力，数值为( 1 一a ) p ；口即桩端反力占单桩的竖向承载力的 比例。不考虑由于桩的存在对地基土产生的加筋、遮拦效应； 5 ) 按单向压缩分层总和法计算出群桩下沉量； 6 ) 压缩层下限取为附加压力等于土的自重应力的2 0 处。 在这些假定的基础上，分别以明德林给出的均质半空间作用单位 竖向荷载时的位移解或应力解出发，又形成了不同的分析方法。 例如刘金砺提出的单桩和群桩分析的弹性理论一有限压缩层混合 修正模型瞄刮即属于该法。 方法( 5 ) ：建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 综合考虑了上述两大类算法 的优缺点，提出了等效作用分层总和法。该法适用于桩中心距小 于或等于6 倍桩径的桩基，计算的方式仍保留适于手算的分层总 和法，并通过系数的引入来逼近更符合实际的m i n d l i n 解。 方法( 6 ) ：董建国、赵宏锡等根据桩筏基础受力机理和外荷载大小，采用不 同的计算模式，又提出了简易理论法啪。当群桩外周的总剪力t 大于等于上部荷载及其覆土重之和p 时，桩土形成复合地基，桩 长范围内土体压缩量可以用桩本身压缩量代替，桩基沉降即由桩 身压缩量与桩端土压缩量之和。压缩层深度取为一倍承台宽度； 当p t 时采用实体墩基法，桩端平面附加应力取为外荷载和实体 墩重量和减去t 后产生的附加应力。 浙江大学项士学位论文沉降后浇带在高层建筑大表盘基础中的作用研究 方法( 7 ) 杨敏等从弹性理论出发，并考虑桩筏基础的实测结果推导了半经 验办理论的沉降计算方法。 随着高层建筑体量的不断增加，筏板基础形式也更加复杂，设计人员往往借 助一些软件来计算沉降。国内主要的桩筏基础分析软件都根据上述两大类分析方 式提供了多种沉降的计算方法。如建科院的p k p m 配套桩基础和筏板基础设计软 件j c c a d ，对桩筏基础沉降的计算除了规范方法外还提供以称为“单桩及群桩刚 度实用计算方法为基础”的计算方法。这是一种基于p o u l o s 沉降比理论的计算 方法，其中沉降比定义为群桩的平均沉降和单桩在群桩各桩平均荷载下的沉降比 值。计算时先根据地质资料或实测的q _ s 曲线计算出单桩刚度，再引入p o u l o s 理论中的桩相互影响系数计算出单桩在群桩各桩平均荷载下的沉降值，最后用沉 降比法求出群桩沉降。同济大学杨敏主持的桩基沉降计算软件s c p f 除提供国家 规范、上海规范推荐方法外，还提供了简易理论法。 虽然计算桩筏沉降的方法和手段已有多种，但由于计算模型与实际相差较 大、计算假定较多、深层岩土的计算参数很难取得以及土层本身具有的非线性， 成层性，各向异性等众多因素的影响使得计算出的沉降与实际值往往存在一定的 差距，很多实测数据表明实测沉降值一般只有理论计算值的5 0 7 0 左右。另 外，建立在不同理论基础上的各算法，其计算结果也会有较大差距。因此在实际 的工程设计中，桩筏基础沉降的计算一直是令设计人员困惑的问题。 于是在大多数工程设计中经验成份很多u ”，在对底板、基础梁内力与配筋 计算时，设计人员常常采用最粗糙的倒楼盖法。在对上部结构分析时，假定基础 绝对刚性，将墙柱作为上部结构的固定支座；在对基础法办分析时，又将上部结 构的墙柱作为基础的固定支座。即，首先假定桩顶反力分布均匀，并将传递上部 荷载的框架柱及剪力墙看作基础的支座，只考虑由底板的恒载、活载、地下水浮 力等荷载作用，并不考虑因各承台间因差异沉降产生的附加弯矩，这样的简化计 算将会使基础梁及底板的设计偏于不安全。 如以下面工程为例，如果不考虑因各承台间因差异沉降产生的附加弯矩，即 认为其基础梁的配筋控制工况即由恒载、和地下水浮力的共同作用产生，将会出 现配筋不足，进而导致建筑物开裂，甚至破坏。 假定某带裙房高层建筑筏板的简单计算模型如下图： 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大成盘基础中的作用研究 图1 1 2 计算模型筏板结构布置图 柱z ：主楼框架柱 柱q ：裙房框架柱 j l l ：1 0 0 0 x1 2 0 0 j l 2 ：5 0 0 x 1 2 0 0 筏梗厚度为4 0 0 m m 主楼柱网为6 m x 9 r n ，群房柱网为6 m x 9 i n ，主楼与裙房柱距为9 m ： 基础筏板厚度为4 0 0 m m ，连接主楼与裙房间的基础梁尺寸为5 0 0 x 1 0 0 0 m m 。 根据现行的建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 ) 的规定，如果与 主楼相邻的柱间发生上述的差异沉降，其允许值可达0 0 0 2 x 9 0 0 0 = 18 r a m 。据此 推算，在满足规范对地基变形的要求的前提下，基础梁中可能出现的最大支座弯 矩为( 仅考虑基础梁的刚度，忽略上部建筑、底板的刚度) ： m = 丁6 e i a 一6 x 3 x 1 0 4 x l 1 2 x 5 0 0 x 1 2 0 0 3x 18 1 0 0 0 0 2 x 1 0 “= 2 3 3 2 8 m 如果只考虑恒载、和地下水浮力作用的工况，当地下水浮力q 浮= 4 0 耐，q 恒= 1 0 k n m 2 ，该工况的计算简图和弯矩图如下： 浙江大学硕士学位论文 沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 9 0 k n m ， 9 0 k n m9 0 k n m ，锄?觚胍佻。佻。 、 9 o8 0 0 0 ，一- 、 、一， 图1 1 3 只考虑恒载地下水浮力时基础梁弯矩图 根据上图计算出的梁底最大弯矩5 6 8k n m ，即上述工程在主楼与裙房不采 取任何措施减小差异沉降的前提下，底板、基础梁中因差异沉降产生的附加应力 是常规设计( 即不考虑桩筏竖向变形) 的数倍，分布形式和最大值发生的位置亦 不同，且当差异沉降接近规范规定的限值时，附加弯矩的值很大。如果仅由此弯 矩图计算配筋，显然不合理。因此，在基础梁及底板的设计中不能忽略因差异沉 降而产生的附加应力。 同时，由于共同作用的结果，差异沉降不仅加大了主楼裙房筏板的整体弯曲， 还会使上部结构的框架柱，尤其是底层柱产生较大的次应力。根据文献 2 8 1 的研 究：“共同作用框架柱的轴力变化较少，在1 2 左右，而弯矩变化很大，可 相差很多倍。 对此现行的结构设计规范里有明确的规定，例如文献【3 8 】第1 2 1 8 条有如下 规定：高层建筑的基础与其相连的裙房基础，需通过计算确定是否设置沉降缝， 当不设沉降缝时，应采取有效措施减少差异沉降及其影响。 要解决差异沉降，首先要减小各部分各自的总沉降量。设计中，为减小总沉 降量，往往选择压缩性较低的基岩或砾石层作为带有多层的裙房的高层建筑或建 立在同一大底盘的高层建筑桩端持力层，对于砾石层更辅以如桩底后注浆等措 施，以减小由桩端土产生的沉降。 其次，采用一些结构措施或施工手段来减小差异沉降。传统的解决方法是采 用永久沉降缝，即在荷载差异较大的分界位置，设置一道通缝，使荷载差异较大 的几部分自基础至顶板完全断开。在同一部分中，由于荷载相近，又采用了相同 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 的基础形式，因而不均匀沉降小；相邻的部分因各自完全独立，在荷载的作用下 将各自沉降，从而避免了在相连的基础间产生较大的差异沉降。采用沉降缝固然 可以解决沉降差，但它存在以下问题： 1 ) 由于竖向传力的需要，沉降缝两侧需设置双柱或双墙，经济性较差； 2 ) 由于相邻基础附加应力的叠加，靠近主楼一侧的裙房基础往往会因主楼 基础的下拽作用而产生不能忽略的沉斛1 5 1 ； 3 ) 地下连通部分及屋顶上接缝的防水问题很难处理； 4 ) 同时破坏了建筑空间的完整性和建筑功能的连续性，并给立面的处理带 来一定的难度。 由于上述的一些问题，现在沉降缝在大底盘建筑中应用较少。 另一种方法是通过加大基础的刚度，来减小不均匀沉降。在上部结构刚度和 地基条件不变的情况下，筏厚增加可使差异沉降减小，但与此同时，基础的最大 弯距将随其刚度的增大而大幅增大。根据宰金珉【1 6 】的研究，弯距随其刚度的变 化大致呈线性，因此加大基础的刚度，确实可以减小不均匀沉降，但基础的钢筋 和混凝土用量也将大幅增加，同样存在经济性的问题。此外，根据王诤【5 4 1 的研 究，当筏板刚度比大于0 0 7 5 时，继续增大板厚对降低不均匀沉降效果不大。 而目前常见的是在主楼和裙房之间设置沉降后浇带，这一方法较成功的解决 了这一问题。 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大廒盘基础中的作用研究 1 2沉降后浇带应用的现状 通常，后浇带被认为是一种解决施工过程中混凝土结构因水化热等引起的体 积变化和温度应力的方法，用来解决沉降差的后浇带被称为沉降后浇带。大底盘 建筑的沉降后浇带设置在裙房与主楼的连接跨中，类似于沉降缝，沉降后浇带须 在自顶板至基础的同一位置设置，宽度一般为8 0 0 m m - l o o o m m 。施工期，后浇 带穿过的梁板的混凝土是断开的，但钢筋在后浇带部位是连续的。施工至一定阶 段后，再在后浇带位置浇筑微膨胀混凝土，使两侧建筑物连成一体。沉降后浇带 两侧的建筑物，在后浇带封闭前是各自变形的，也各自自由沉降。因此，如果在 主楼和裙房间设置后浇带，等主楼结构项板浇筑后，再封闭后浇带。那么，在施 工期，主楼可以自由沉降，当主楼结构施工完成时，主楼的沉降已先行完成了相 当部分，此时再将主楼和裙房连起来，主楼和裙房间的差异沉降应当减小。图 1 2 1 所示为一大底盘建筑沉降后浇带的设置示意。 低压缩性土层 图1 2 1 沉降后浇带的设置示意 性土层 在现行的建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 第8 4 1 5 条有如下说 明：“当高层建筑与相连的裙房之间不设沉降缝时，宜在裙房一侧设置后浇带。” 由此可以看出，采用沉降后浇带替代沉降缝来解决主楼和裙房间的差异沉降已经 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 有了规范依据。 在理论界，沉降后浇带的作用和效果已得到普遍认可。在文献【1 3 l p 有- o t 的陈述：“目前解决主楼与裙房不均匀沉降问题的办法多采用后浇带的施工方案， 即在主楼与其扩大部分的筏板部位设置宽i m 的后浇带。筏板钢筋在后浇带部位 是连续的，施工期间主楼可以自由沉降，待施工完毕后再浇筑微膨胀混凝土，是 主楼与其扩大部分连成整体。，文献【1 9 】中亦有如下文字的说明：“在主楼和裙房 之间设后浇带，主楼施工期间可自由沉降，待主楼结构施工完毕后再浇混凝土， 使余下的不均匀沉降可以忽略或可按经验处理。 工程中常用的沉降后浇带的节点如下图： 锕坳4 叫1 ； 一缀泥囊土( 内掺1 4 知e ) 。 乃 l 【i 一。一。厂 一。 。 丁飞：一俐一：么盔 一c 撕混凝心 n p j - qn “ 次予小肛、 塞缝油蕾 ，。l 。| 吻贴式止蚓幽 ， 3 0 0 后浇带宽 ，3 0 0 图1 2 2 后浇带示意图 配筋同板中主筋 目前，沉降后浇带替代沉降缝的工程实例也比比皆是。杭州某住宅小区，总 建筑面积为8 0 0 0 0 m z ，共有1 8 2 5 层的独立住宅6 幢，由一面积约为3 0 0 0 0 m z 的地下车库连成整体。采用钻孔灌注桩，桩端持力层为圆砾层，桩端采用后注浆 技术处理，桩身直径为0 6 、0 7 m 。在正常水位的情况下，住宅下部的桩为承压 桩，而纯地下车库部分的桩为抗拔桩。由于建筑功能的要求，住宅与纯地下车库 部分不能设沉降缝。为减小受力性质不同的两部分之间差异沉降对地下室的影 响，采用了沉降后浇带替代沉降缝，沿住宅一周设置。待主楼结构施工完成沉降 稳定后，再将后浇带填实。 厦门国际贸易综合大厦是一栋多功能现代化商务综合大厦，主楼地下室2 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 层、地上4 2 层、塔楼3 层，共4 7 层，框筒结构，地面以上高约1 6 0 m 。裙楼地 下2 层、地上6 层，为框架结构，高2 3 4 m ，框架结构。采用人工挖孔扩底灌注 桩，桩端持力层为强风化夹不等厚度的中风化花岗岩层，桩身直径为1 5 、2 4 m ， 考虑到主、裙楼两者的基础埋深相同，又都为桩基，沉降差异量较小，故主裙楼 之间采用沉降后浇带替代沉降缝，且后浇带内钢筋不断开，待主楼结构施工接近 完成时，建筑物的沉降基本稳定，再用掺复合膨胀剂的c 4 0 混凝土填实，连为 整体。 苏旭霖通过对设置了沉降后浇带的上海中商大厦基础进行理论计算及实测 沉降分析t z 6 l 后得出了如下结论：类似的超高层建筑与大底盘裙房间不设结构沉 降缝而适当布置后浇带，有利于减小和调整主楼和裙房之间的差异沉降，以有利 于调节裙房相应构件因差异沉降而产生的不利内力。沈励操等通过对数幢带裙房 高层建筑的沉降观测分析1 5 5 j 认为：在施工阶段设置沉降后浇带可释放约7 0 的 差异沉降。 由于沉降后浇带替代沉降缝给建筑设计和使用带来了很大的便利，采用该措 施的实际工程愈来愈多。但即便有了众多的工程实例和理论的支持，对沉降后浇 带在调节差异沉降作用的大小及其工作特性方面，一直处于定性的阶段，尚无量 化的分析成果。因此，工程设计人员在设计中仅仅从概念设计的角度来理解设置 后浇带的必要性，往往不能较深入地计算分析，尤其是在选择后浇带设置位置及 封闭时间时，一般都是优先满足建筑功能及结构构件的布置的需要，而不能拿出 计算数据来论证后浇带设置位置对筏板内力的影响，进而给出更合理的方案。正 是由于存在这样的现状，研究沉降后浇带对桩筏基础的影响就很有必要。 浙江大学硕士学住论文 沉降后浇带在高层建筑大肩r 溘基础中的作用研究 1 3本文研究的主要内容 本文从分析设计单位普遍认同的可以采用沉降后浇带替代沉降缝的工程的 前提条件出发，分析了该前提条件的实质，在此基础上，提出了一种极为简便的 分析计算方法。通过对一些算例的分析计算，得出设置了沉降后浇带的桩筏基础 工作性状的一些规律，并针对常规工程设计中对忽视差异沉降的影响提出了自己 的看法。 为了解设置后浇带对桩筏基础的工作性状的影响，对差异沉降的调节程度， 本文将主要分几方面的展开研究： 1 分析沉降后浇带适用的前提条件，通过模拟实际施工的加载过程，提出 一种简便的计算分析方法； 2 建立一个计算模型，采用上述的简便方法对该模型作有限元分析，考察 主楼在不同加载阶段封闭后浇带，基础内力、桩顶反力、筏板挠度数值的 变化，总结出后浇带封闭时间与筏板中附加应力的关系； 3 比较后浇带设置的不同位置对筏基内力、桩顶反力的影响，得出后浇带 的设置的位置对筏板中附加应力的影响的程度及规律； 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 第二章采用简化桩土共同作用分析方法 2 1 概述 在大多数工程设计中，对底板、基础梁内力与配筋计算时，设计人员常常采 用最粗糙的倒楼盖法。规范j g j 6 9 9 规定：当地基比较均匀、上部结构刚度较 好，且柱荷载及柱间距的变化不超过2 0 时，筏形基础可仅考虑局部弯曲作用， 按倒楼盖法进行计算。倒楼盖法计算筏形基础从力学概念上讲是不准确的，其缺 点是完全不能考虑基础的整体作用，也无法计算挠曲变形，更无法考虑桩土的共 同作用对筏基内力及变形的影响。 对于大底盘结构，主楼部分的上部刚度与裙房部分的刚度、主楼柱的柱底轴 力与裙房柱的柱底轴力，往往存在数倍甚至数十倍的差异，因此不能忽略整体弯 曲的作用，并不符合采用倒楼盖法计算的条件。但整体弯曲应力的计算方法在规 范中没有作出明确的规定，计算比较困难。 随着我国现代化建设的发展，国内外的交流日益增多，中外文化互相渗透， 建筑师的思想更加开放和活跃，高层建筑的平面设计更加丰富新奇，与之相适应 的桩筏基础平面形状趋于复杂；同时随着建筑层数的不断加高，筏板的厚度也不 断增加，变厚度筏板及梁式筏板的应用，简化的薄板理论也不能准确地反映筏板 的变形和受力性能。因而简单地采用倒楼盖法来分析这一类桩筏基础将产生很大 的误差。 本文在对类似结构的筏板基础设计时，采用简化桩土共同作用的分析方法 u “，该法引入桩土共同作用理论，实现了桩筏基础的整体分析。 浙江大学项士学位论文沉降后浇带在高层建筑大成盘基础中的作用研究 2 2 考虑桩土共同作用的简化分析方法 沉降后浇带总是设置在裙房的范围内，而裙房的上部结构的刚度一般较小， 为避免有限元计算的工作量过大，对桩筏基础沉降及内力的计算采用了一种简化 桩土共同作用的分析方法n ，忽略上部结构的刚度，如图2 3 1 。在此基础上将 桩土筏共同作用简化为图2 2 2 所示的分析模式。 f 地面，illlllilil 筏板 k 1 6 筏板 r 桩 1 氐医缩性土层 图2 2 1 桩土筏共同作用示意图 f l ，lilllll llli ， 筏板i k 1 6 图2 2 2桩土筏共同作用简化分析模式 对筏板进行有限兀离散将得出以f 的筏板的平衡方程： ( 【k 】+ 曲) 6 ) = f 式中： 【k 】一筏板节点的刚度矩阵，包括水平和竖向刚度； 【k 卜桩的刚度矩阵，是一个对角阵，对角线上的元素即是每根桩的刚度， 其形式如下： 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 【k 】= 式中k i 是群桩中单桩的刚度。 6 一筏板节点的位移向量； f ) 筏板的荷载向量。 筏板的分析按以下的步骤进行：首先，确定桩端位置下卧层的沉降；其次， 根据下卧层的沉降和单桩的p s 曲线获得群桩中单桩的p s 曲线，并将单桩的刚 度凝聚到筏板上；最后对筏板作有限元分析从而最终取得筏板的内力及桩顶的沉 降。 2 2 1 下卧层沉降计算 桩筏基础桩端下卧层沉降采用等代实体墩基按分层总和法计算。弹性理论法 计算地基沉降是基于b o u s s i n e s q 的位移解，其基本假定为地基是均质的、各向 同性的、线弹性的半无限体；此外还假定基础整个底面和地基一直保持接触。需 要指出的是b o u s s i n e s q 是研究荷载作用于地表的情形，因此可以近似用来研究 荷载作用面埋置深度较浅的情况。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 i n e s q 解为基础的等代实体墩基法更符合实 际，即当荷载作用位置埋置深度较大时( 如深基础) ，则应采用m i n d l i n 的位移 解进行弹性理论法沉降计算。但由于m i n d l i n 解及其计算方法复杂，难以得到普 遍的推广应用，而等代实体墩基法却因其计算方法的简单性，直观性，一直以来 被广泛用于工程设计。因此，根据建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 的精神， 在m i n d li n 解与等代实体墩基法建立关系，沉降计算时仍采用简便的等代实体墩 基法，通过引入沉降经验系数来反映m i n d l i n 解与等代实体墩基法的相关关系， 最后，采用分层总和法计算桩基的沉降。 计算过程包括下卧层附加应力的计算、沉降经验系数的计算和总沉降的确 浙江大学项士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 定。 ( 1 ) 下卧层附加应力计算 根据建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 的规定，对于桩中心距小于或等 于6 倍桩径的桩基，其最终沉降量计算可采用等效作用分层总和法。等效作用面 位于桩端平面，等效作用面积为桩承台投影面积，等效作用附加应力近似取承台 底平均附加应力。等效作用面以下的应力分布采用b o u s s i n e s q 解，条形荷载、 矩形荷载、圆形荷载等面线荷载采用b o u s s i n e s q 解积分得到。具体计算如下： 3 pz 3 吒2 五i( 2 1 ) 式中以下卧层附加应力； p - 作用在原点的竖向力； r - 计算点至原点的距离，r _ x 2 + y 2 + z 2 ； x 、y 、z 计算点坐标。 ( 2 ) 沉降经验系数确定 由于桩位的复杂性和基础板的多样性，按分层总和法计算得到的下卧层沉降 要进行修正。桩基内任意点的最终沉降按下式计算 s = y - 虬s ( 2 - 2 ) 式中，s 桩基的最终沉降 s 按分层总和法计算出的桩基沉降量 y 桩基沉降计算的经验系数 阢桩基等效沉降系数 y 的确定可采用两种方法 a 若当地有可靠的经验时，根据经验值确定。 b 若无当地经验时，按规范4 1 3 第5 3 1 0 条确定如下： a ) 非软土地区和软土地区桩端有良好持力层时沙取1 ； b ) 软土地区且桩端无良好持力层时，当桩长1 2 5 m 时，取沙= 1 7 ；桩长 浙江大学硕士学位论文 沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 i 2 5 m 时，y 取( 5 9 1 2 0 ) ( 7 1 1 0 0 ) 。 桩基等效沉降系数儿定义为：弹性半空间中刚性承台群桩基础按m i n d l i n 解计算沉降量呖与刚性承台下等代实体墩基法按b o u s s i n e s q 解计算沉降量 之比，即： y 。= 其中，畅是根据群桩基础的不同距径比s a d = 2 、3 、4 ，夙舀桩长径比1 d = 5 , 1 0 、j 5 砌及总桩数从1 6 0 0 根的不同长宽比布桩方式求解而得；呖是根据 相应尺寸的等代实体墩基，由b o u s s i n e s q 解求得。 根据不同桩数计算结果给出的y p 经回归分析求得以下的简单表达式( 其回 归相关系数均大于0 9 9 8 ) ： 虬= c o - t 。币丽n b - 1 ( 2 3 ) = 扛瓦瓦( 2 - 4 ) 式中： 矩形布桩时短边布桩数。当嘞计算值小于1 时， 取= l 。 c o ，c 1 ，c 2 、根据群桩不同距径比( 桩中心距与桩径之比) d ，长径l 匕l d 及基础长宽度l c 皿确定。 2 2 2 群桩中的单桩p - s 曲线 群桩中单桩刚度分析是桩筏基础沉降分析的关键性步骤。群桩中单桩刚度分 析的关键问题是如何考虑下卧层变形对单桩刚度的影响。本文采用刚度修正法分 析单桩刚度。 为说明方便起见，定义如下符号： 浙江大学项士学位论文沉降后浇带在高层建筑大成盘基础中的作用研究 尸作用在基础板上的总荷载 最第k 根桩的桩顶反力 最第k 根桩桩顶沉降 戳第后根桩桩端沉降( 下卧层沉降) 七第k 根桩桩身压缩量 p k 1 & 丁最 图2 2 2 1 单桩变形不葸 k 七群桩中第七根桩的单桩刚度 总桩数 群桩中第k 根桩的刚度k 七可以定义为 耻妥 ， 群桩中单桩的沉降表示为= 群- 1 - 七( 如图3 1 所示) ，由于单桩沉降主要 由桩身压缩引起，a 膏可以近似地根据单桩的p - s 曲线得到，即当最已知时，由 单桩的p - s 曲线可求出a 七( 最) 。但要注意的是，戳不是由最唯一确定的，而 是由群桩中各桩引起的。实测及计算结果表明，绝大部分桩的桩项反力均在平均 桩反力歹：! 附近，因此在计算桩的刚度瓯时不妨假定： 最：一p：p一(2-6) 把上式代入t 公式可得， 甄= 面瓦p 砥n 丽 ( 2 7 ) 根据前面的分析，当对桩端支承在坚硬的土层，如基岩或为采用后注浆技术 处理的砾石层的建筑物，桩身压缩与桩端沉降与建筑物荷载线性相关，由( 2 7 ) 式可知，桩的刚度k 七建筑物荷载亦线性相关，那么，由此刚度计算出的筏板的 变形、应力也可以线性叠加。 浙江大学硕士学位论文 沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 2 2 3 筏板的有限元分析 目前常用的各种板的有限元分析方法一般采用薄板理论呦1 ，即忽略了板 的横向剪切效应，分析时有以下基本假定： 1 忽略板厚度的微小变化，即ez = o ： 2 变形前的中面法线，变形后仍是弹性曲面的法线； 3 薄板弯曲时，中面为中性面，薄板中面内的各点没有平行于中面 的位移； 4 挤压应力引起的形变忽略不计。 但目前虽建筑层数的不断增加，筏板也不断也地加厚，有的已超过3 m ，上 海金贸大厦的底板到达了4 m ，仍采用薄板理论来分析将产生较大的误差。 r e i s s e n e r ( 1 9 4 4 ，1 9 4 6 ) 提了一个所谓的厚板理论瞳，r e i s s e n e r 假定板内应 力0x ，0y ，tx y 沿沿z 轴呈线性分布，并用一个位移w 及两个转角0x ，0y 三个未知量来表达板的位移。m i n d l i n ( 1 9 5 1 ) 用假设位移场的方法导出了与 r e i s s e n e r 理论偏微分方程一致的方程，为厚板理论推导出了一个较为简便的方 法。 厚板理论采用了与薄板理论不同的假定，它考虑了板中因tz y 、tz x 引起 的剪小剪切效应，因此，变形前垂直于中面的法线变形后不一定再垂直于中面， 因此较薄板理论更严密。 本文桩筏基础分析时对于筏板的有限元分析，采用了1 6 节点实体退化等参 元蚴对任意形状变厚度板进行分析，并引入了由r e i s s e n e r 理论。在单元计算 时考虑了板的横向剪切效应，是厚薄板通用的等参单元。 根据虚功原理可得单元刚度矩阵为， 【k 】= 【b 】7 【d 】【b 】l ，阿髟班蟛( 2 - 1 2 ) 式中，l ，i 为j a c o b i 行列式，【例为弹性系数矩阵。对于各向同性材料， d n - i 表示 为， 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大威盘基础中的作用研究 【d 】= 对于三维弹性理论， d 4 4 d l l = 以，= 面e 丽( 1 f - u 丽) d 1 2 - 小志 ，e 叱2 丽丽 e 为杨氏模量，泊松比。上述单元具有4 8 个自由度。 ( 2 - 1 3 ) 根据r e i s s e n e r 板理论的假定，口：“o - x ，仃： 仃y ，因此仃：产生的变形 可以忽略不计。同时考虑到板的面内没有荷载的作用，引入这一假定后单元的实 际自由度降为2 4 个，这样得到的即是三维退化实体等参元。 2 2 4 设置沉降后浇带的桩筏基础的分析过程 通过以上的分析，认为对这一类桩筏基础计算分析时可以采用以下的假定： 1 认为沉降与荷载之间线性相关； 2 后浇带封闭时由前期荷载产生的沉降已完成； 3 采用简化的桩土分析方法对桩筏基础分析； 4 采用荷载的变化来模拟后浇带封闭前后桩筏沉降和内力的变化，具体计算 过程如下： 1 ) 首先建立主楼的计算模型，计算出主体结构在结构构件的自重( 跟 据前面的实例，该值取为总荷载的7 0 左右) 作用下基础沉降和 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 筏板的内力，作为在后浇带封闭前的工况。 2 ) 其次，建立主体结构与裙房相连的计算模型，并计算在余下部分 荷载作用下基础沉降和筏板的内力，作为后浇带封闭后的工况。 3 ) 最后，将两次计算的结果线性叠加即作为最终算结果。 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 2 3 采用倒楼盖法与简化桩土共同作用法的结果比较 倒楼盖的计算方法斯一种已沿用很久的简化方法，因其简便易行，是设计人 员普遍采用的一种计算方法。该方法将上部结构视为绝对刚性，地基变形时，各 柱只能均匀下沉；对于多跨连续时，则将柱支座视为基础梁的不动铰支座，即基 础梁犹如倒置的连续梁，不产生整体弯曲，仅考虑作用在底板上的恒载、地下水 浮力级人防等效静荷载等荷载所产生的局部弯盐，并以此作为基础梁设计的依 据。实际的结构物的刚度变化很大，一般高层的剪力墙结构刚度较大，接近于绝 对刚性，其他的结构形式，在计算时仅考虑局部弯曲，忽略整体弯曲，其计算结 果与考虑桩土共同作用，将有很大的差别。 以上一章图1 1 2 所示计算模型为例，采用倒楼盖的算法如下： 恒载、和地下水浮力作用的工况，当地下水浮力q 浮_ - 4 0 跳n z ，q 恒= 1 0 k n m z ， 该工况的计算简图和弯矩图如下： 、 9 0 k n m9 0 k n l m9 0 k n m 觚臁j 念t1 念t。锄p 6 0舢 ，、 图2 3 1 只考虑恒载地下水浮力时基础梁弯矩图 根据上图计算可以看出：采用倒楼盖法，不考虑筏板的整体弯曲，计算出的 梁底最大弯矩为5 6 8k n m 。 采用简化桩土共同作用法来计算上述算例： 浙江大学硕士学位论文沉降后浇带在高层建筑大底盘基础中的作用研究 图2 3 2q ：9 0 0 0 x 4 + 5 0 0 x 6 筏板挠度等高线图 图2 3 3q = 9 0 0 0 x 4 + 5 0 0 x 6m x 等高线图 ， 6 0 0 00 0 0 06 0 0 06 0 0 0 犁 、 一r 一一 5 0 ，压缩波速 v p = 2 5 21 m s 。 采用大直径钻孔桩，桩长约2 7 m ，桩端持力层为7 层中风化、强风化混合 花岗岩，单桩竖向承载力标准值4 5 0 0 k n 。该工程1 9 9 6 年1 0 月开始施工桩基， 1 9 9 8 年底主体结顶，