张乃瑞桩基工程差异沉降分析方法简介

1、 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。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。设计的关键。 规范提供的沉降分析方法不能满足设计要求；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；用方法确定桩土荷载分配； 迫切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

2、能反映上部结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。证的桩基沉降分析方法，满足高层或高低层建筑设计需要。qb434002085158038003800760030400380038003800380038003800380038007600760076007600qb19qb1622002200220080022008002200qb21qb20qb15qb18qb17qb14qb1

3、3(标杆长4米)qb12(标杆长6米)qb10qb5qb6qb2qb4qb9qb8qb3qb7qb1qb11d6m6d3m3m1d1 钢筋混凝土钻孔灌注桩钢筋混凝土钻孔灌注桩 ) 3.08（6桩）或桩）或4.35（3桩）桩）砂质粉土、粘质粉土砂质粉土、粘质粉土 2.70m2.70m粘质粉土粘质粉土 1.20m1.20m粉土、砂质粉土粉土、砂质粉土 1.00m1.00m粉质粘土粉质粘土 2.20m2.20m粘质粉土粘质粉土 1.20m1.20m 园园 砾砾 3.70m3.70m粉质粘土、粘质粉土粉质粘土、粘质粉土 1.10m1.10m粘质粉土粘质粉土 0.60m0.60m es = 8.0 mp

4、aes = 8.0 mpaes =12.5 mpaes =12.5 mpaes = 4.5 mpaes = 4.5 mpaes =16.3 mpaes =16.3 mpaes =12.5 mpaes =12.5 mpaes = 7.5 mpaes = 7.5 mpaes =13.0 mpaes =13.0 mpa基底下厚度基底下厚度 常规距径比时，分担比为常规距径比时，分担比为24%25%， 距径比加大到距径比加大到4.35，分担比为分担比为35%38%。证明在碎石。证明在碎石类土作为桩端持力层的中长桩，也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。能利用承台底土的承载作用。资资

5、料料单桩与群桩不同，由于群桩的单桩与群桩不同，由于群桩的“增增强效应强效应”，使，使群桩端阻比单桩大群桩端阻比单桩大。 端阻比与距径比有关端阻比与距径比有关，距径比越小，距径比越小，群桩的群桩的“增强效应增强效应”越明显，越明显， 端端阻比越大。阻比越大。 证明支承在碎石类土上的证明支承在碎石类土上的中长桩为端承摩擦桩中长桩为端承摩擦桩m1d6“倒梯形倒梯形”分布分布“正梯形正梯形”分布分布桩身压缩与桩顶荷载关系曲线桩身压缩与桩顶荷载关系曲线桩身桩身 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，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

6、大，必故桩与土间的沉降差越来越大，必产生刺入变形产生刺入变形。对于刚性桩说来，。对于刚性桩说来，刺入刺入变形是承台底土分担荷载的条件变形是承台底土分担荷载的条件。承台底土=桩顶桩端桩端面土m3m6v 与天然地基相似，呈与天然地基相似，呈“马鞍马鞍”形分布，外缘大中间小。形分布，外缘大中间小。v 随荷载加大，反力向内部转移。随荷载加大，反力向内部转移。v 桩的存在影响局部，桩距小分布曲线不如桩距大的光滑。桩的存在影响局部，桩距小分布曲线不如桩距大的光滑。1.1. 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，可充分发挥挥桩间土的承载作用，沉降

7、分析应考虑承台底土反力的影响。桩间土的承载作用，沉降分析应考虑承台底土反力的影响。2.2. 桩端处存在刺入变形，在分析方法中应考虑桩端刺入变形。桩端处存在刺入变形，在分析方法中应考虑桩端刺入变形。3.3. 群桩侧阻力沿桩身分布与单桩不同，呈正群桩侧阻力沿桩身分布与单桩不同，呈正梯形分布趋势，证明梯形分布趋势，证明采采用用geddesgeddes积分公式是可行的。积分公式是可行的。4.4. 承台底反力基本上呈承台底反力基本上呈“马鞍马鞍”形分布，只是在桩周附近出现局部形分布，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。异常，可按天然地基的方法计算反力，再作局部修正。5.

8、5.5.5.5.5. 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。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。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。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。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。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。6.6.6.6.6.6. 获得群桩对周围土的影响范围约为获得群桩对周围土的影响范围约为获得群桩对周围土的影响范围约为获得群桩对周围土的影响范围约为获得群桩对周围土的影响范围约为获得群桩对周围土的影响范围约为1.2bc1.2bc1.2bc1.2bc1.2b

9、c1.2bc，造成的竖向位移不大。，造成的竖向位移不大。，造成的竖向位移不大。，造成的竖向位移不大。，造成的竖向位移不大。，造成的竖向位移不大。7.7.7.7.7.7. 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。桩的变形特点。桩的变形特点。桩的变形特点。桩的变形特点。桩的变形特点。 采用基础

10、（承台）采用基础（承台）桩桩土土共同作用共同作用方法；方法； 两种节点两种节点类型（土节点、桩节点），适应桩基与天然地基共同分析的需要；类型（土节点、桩节点），适应桩基与天然地基共同分析的需要； 基础采用基础采用梁板有限元法梁板有限元法建立基础刚度矩阵建立基础刚度矩阵； 地基采用以地基采用以弹性理论弹性理论为基础的为基础的分层总和法分层总和法： 采用采用geddes积分式和积分式和bussinesq 积分式计算地基应力；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；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，一个桩节点代表一个群桩，桩土体系

11、采用桩土体系采用考虑考虑桩端刺入变形的桩端刺入变形的per per 模型模型，并求，并求解分担解分担 比和桩阻力分配系数；比和桩阻力分配系数； 刺入变形刺入变形参数按参数按统计公式计算确定；统计公式计算确定； 拟合施工过程拟合施工过程分阶段分阶段计算，并采用计算，并采用非耦合逐次逼近法非耦合逐次逼近法求解节点位移和其他的阶段结果，最后求解节点位移和其他的阶段结果，最后 各阶段累加。各阶段累加。考虑因素：考虑因素： 荷载不均荷载不均 桩间与桩端土层分布桩间与桩端土层分布 桩、土及承台共同工作桩、土及承台共同工作 承台底土荷载分担作用承台底土荷载分担作用 刺入变形刺入变形 基础刚度变化基础刚度变化

12、 桩基与天然地基传力不同桩基与天然地基传力不同 桩距与桩长变化桩距与桩长变化 施工因素施工因素 nb= np+ns na=nb+nw nq nc 板元（矩形、三角形）板元（矩形、三角形）+ 梁元梁元12.np.np+ns.桩基部分桩基部分天然地基部分天然地基部分外荷部分外荷部分nw.12np+1.桩节点桩节点 i土节点土节点 j rifirjfj基础（承台）基础（承台）桩土体系或天然地基桩土体系或天然地基 pj1. i nzj单桩台单桩台 i 荷载：荷载： pi =p / nzj = pc+ pt承台底：承台底：pc= per pi桩桩 顶：顶：pt = pus + pb =（1- -per）

13、 pi桩桩 侧：侧：pus = pu + ps桩桩 端：端：pb= ptpus=pu+pspu= ptps=(1- - ) ptptpbpusps pukpsa12puspbpcpi 当当pb pbcr 时才产生刺入变形，时才产生刺入变形，k、b是刺入变形参数。是刺入变形参数。 pbcr k、b是通过是通过2020根有桩端阻力测试的单桩静载荷试验资料分析获得的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。经验式确定。 pbcr k、b与桩端和桩侧土压缩模量比与桩端和桩侧土压缩模量比 （eb/es ）、桩端虚土厚度与直径桩端虚土厚度与直径 比（比（ t/d）、桩长径比、桩长径比 （

14、l/d）、桩周填土厚度与桩长比、桩周填土厚度与桩长比（tt/l）有关。有关。刺入变形公式刺入变形公式b1tokpce1s)p(p1)p(pp/ pcebcrbbcrbbbcrce 临界端阻力与端阻力比例系数p bp b c rp b =p b c r + k so bs o（临界端阻力）求求 求求 以上阶段反力作为计算反力以上阶段反力作为计算反力假设反力假设反力形成基础刚度矩阵形成基础刚度矩阵k求极限端阻力求极限端阻力输入数据输入数据求求求求形成位移系数矩阵形成位移系数矩阵解方程得节点位移解方程得节点位移求基础内力和反力求基础内力和反力重新假设反力重新假设反力终止终止输出输出将各阶段计算结果累

15、加将各阶段计算结果累加有否下有否下阶段？阶段？输出本阶段计算结果输出本阶段计算结果反力比较反力比较节点类型节点类型注注: 1. 沉降栏中白色数字为计算值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（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。，个别工程尚未稳定即终止观测，其实测沉降为红色数字。计算实测工程名称与部位工程名称与部位实测平实测平均沉降均沉降(cm)计算平均沉降计算平均沉降(cm)计算与实测沉降比计算与实测沉降比桩规桩规上规上规高规高规本文方法本文方法 桩规

16、桩规上规上规高规高规本文方法本文方法 发展大厦写字楼发展大厦写字楼4.5510.1317.471.624.772.23.80.41.0昆仑饭店高层昆仑饭店高层6.689.8516.171.626.921.52.40.21.0北京保信高层北京保信高层3.058.3512.832.103.282.74.20.71.1盛福大厦高层盛福大厦高层2.8912.1220.003.183.034.26.91.11.0燕山大酒店西高层燕山大酒店西高层2.055.368.401.292.362.64.10.61.2各工程桩基部分用不同方法计算沉降的结果比较表各工程桩基部分用不同方法计算沉降的结果比较表l ”上规

17、“ 上海市标准“地基基础设计规范（dbj08-89）l ”高规“ 国家行业规范高层建筑岩土工程勘察规范（jgj72-90）l ”桩规“ 国家行业规范建筑桩基技术规范（jgj94-94） 注：计算平均沉降（cm） “上规上规” “桩规桩规” 本文方法本文方法 “高规高规” “桩规桩规”和和“上规上规” 实测值实测值 (比为比为1.54.2和和2.46.9) “高规高规” 实测（比为实测（比为0.21.1) 本法略大于实测（比为本法略大于实测（比为1.01.2）202030405020计算沉降等沉线实测沉降等沉线一、发展大厦一、发展大厦504030201050403020计算沉降等沉线计算沉降等沉

18、线实测沉降等沉线实测沉降等沉线 404060408060406040608040604060202025.0020.0025.0035.0030.0025.0040.0015.0010.0020.0030.0025.0035.0040.00计算沉降等沉线计算沉降等沉线实测沉降等沉线（未稳）实测沉降等沉线（未稳）40353025353025204020254030201030302010101525252525202025515101520253030353540205101015 10152025303530252015105计算沉降等沉线计算沉降等沉线实测沉降等沉线实测沉降等沉线152525

19、35540152515251555153525352515352520.0020.0010.0015.0015.0010.0015.0015.0020.0020.0025.0015.0025.0015.0020.0025.00计算沉降等沉线计算沉降等沉线实测沉降等沉线实测沉降等沉线 高层高层桩基桩基 （预制桩）（预制桩） 实测沉降：实测沉降：1.362.60cm 计算沉降计算沉降: 2.142.70cm 裙房裙房天然地基天然地基 实测沉降：实测沉降：1.152.19cm 计算沉降计算沉降: 1.392.75cm202020201515151520202020151525252020252520

20、2015151515202040.0040.0045.0055.0050.0060.0045.0045.0045.0035.0035.00计算沉降等沉线计算沉降等沉线实测沉降等沉线实测沉降等沉线 15号公寓号公寓4040454535353535404045454545部分部分16号公寓号公寓计算沉降等沉线计算沉降等沉线实测沉降等沉线实测沉降等沉线 层层 数数: 16: 16层层 桩基类型：桩基类型： 钻孔灌注桩（钻孔灌注桩（d=400 d=400 mm,l=10 ,l=10 m，条形承台，中粗砂，条形承台，中粗砂) ) 沉沉 降降: : 计算值计算值 1.581.582.46 2.46 cm;

21、 ; 实测值实测值 2.142.143.19 3.19 cm 1818202022222424232322222323222220202222242422222424202020202020222220202.502.002.001.502.502.002.003.002.503.003.50计算沉降等沉线计算沉降等沉线实测沉降等沉线实测沉降等沉线 层层 数数: 4层层 桩基类型：桩基类型： 钻孔灌注桩（钻孔灌注桩（d=400 mm，l=9.35 m，条形承台，粉细砂，条形承台，粉细砂) 沉沉 降降: 计算值计算值1.293.68 cm；实测值；实测值1.132.00 cm1.51.51.51

22、.52.02.01.51.53.03.03.53.52.52.52.02.02.02.02.52.53.03.02.52.52.02.02.52.53.03.02.02.01.51.51.51.5计算沉降等沉线计算沉降等沉线实测沉降等沉线实测沉降等沉线2020303020201010101020202020303035354040252530302020151525251515202010102020*工程工程名称名称单桩极限单桩极限承载力承载力(kn)端恻模端恻模量比量比eb/es距径比距径比sa/d长径比长径比l/d侧阻平均侧阻平均分配系数分配系数土平均土平均分担比分担比per平均桩端平均

23、桩端阻力系数阻力系数平均桩间平均桩间土压缩比土压缩比单桩桩顶反力单桩桩顶反力平均值平均值 (kn)安全系数安全系数发展大厦发展大厦20003.444.2300.30.370.290.467192.8昆仑饭店昆仑饭店25002.363.325300.40.240.180.417773.2北京保信北京保信70001.763.613140.40.470.290.3222131.6盛福大厦盛福大厦85002.554.812140.30.560.270.5336382.34燕山大酒店燕山大酒店12003.593.314190.40.200.220.360.320.413245032.43.7外交公寓外交

24、公寓8002.072.820220.40.220.280.202533.2国管局住宅国管局住宅11001.782.2250.40.090.140.774882.3中医医学院中医医学院6403.112.8230.40.110.350.652342.7情况综合情况综合 8008500 1.763.59 2.24.812300.30.4 0.090.56 0.140.36 0.200.772.331.6 距径比越大，承台底土荷载分担比越大。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。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

25、潜力。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端阻力系数随模量比变化分担比随距径比变化分担比随距径比变化拉大拉大 桩距桩距sa/d=4.02常规常规sa/d=3.08国家管理局沉降与桩数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

26、桩基础设计提供了手段，故异沉降的问题，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 具有良好的具有良好的社会效益社会效益。 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，获得明显的可以大大节约资金，获得明显的经济效益。经济效益。 v 16层 面积20m30m 直径400mm 长度10m 钻孔灌注桩41%u 距径比由距径比由3加大到加大到4, 可减少桩数约可减少桩数约 .1.1.由于由于psfiapsfia方法是一种桩方法是一种桩土土基础（承台）共同作用的

27、分析方法，并采用基础（承台）共同作用的分析方法，并采用per-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、低层采用前后荷载