桩伴侣简介及其作用机理初探-第三届岩土成都

1、Xue JiangweiTaiwan University of Technology薛江炜薛江炜太原理工大学土木太原理工大学土木系系太原市建设管理委员会太原市建设管理委员桩伴侣桩伴侣简介及其作用机理初探简介及其作用机理初探第一部分：与桩伴侣相似的技术1.1 薄壁筒桩（土箍） 带桩伴侣的桩可以视作是外径较小而长度较长的“桩”与内外径较大而长度较短的“薄壁筒桩”（桩伴侣，箍）的结合。 显然，“薄壁筒桩”具有独立承担全部水平、垂直荷载的能力。桩伴侣不仅是构造，而且是受力体。第一部分：与桩伴侣类似的技术1.2 长短桩 桩伴侣是闭合闭合的环形“箍”；而对于长短桩复合地基来说，

2、短桩可以视作是长桩的开开口口的“箍”。 应用长短桩时，将短桩直接与基础底板接触，而在长桩的顶部铺设垫层，就是“止沉止沉”的设计理念。第一部分：与桩伴侣类似的技术1.3 桩帽（承台） 将桩伴侣与桩之间的土、垫层或净空全部以混凝土等刚性材料填充，成为桩帽的形式。 设置桩帽（承台）的主要目的是减小桩对基础底板的冲切，以及收集荷载。根据河海大学何良德、雷金波等人对带帽刚性桩复合地基的研究，桩帽下面的土体沉降较小，承载能力得不到充分发挥。第一部分：与桩伴侣类似的技术1.4 刚性桩复合地基的核心褥垫层 褥垫层桩向上刺入复合地基 减沉桩桩向下刺入复合桩基 岩土论坛来自同济大学地下建筑与工程系的geofem建

3、立了三维数值模型，对褥垫层和桩伴侣进行了比较。 桩伴侣的数值分析与讨论http:/ 岩土论坛入口：http:/ 第一部分：与桩伴侣类似的技术1.5 其他，共同特点是留下了土的发挥作用空间，太极精神，以柔克刚。 桩顶预留净空天津大学郑刚教授 桩端位移调节南京工业大学宰金珉 纵向预应变桩南京工业大学梅国雄 基础桩的防震构造日本东京海老根第二部分：桩伴侣的数值分析与讨论岩土论坛来自同济大学地下建筑与工程系的geofem建立了三维数值模型，对褥垫层和桩伴侣进行了比较。桩伴侣的数值分析与讨论http:/ 模型的基本条件：考虑桩伴侣外径1.5m，厚度25cm，高度30cm，为C30混凝土（弹性）。 桩为直

4、径500，长度18m。土体c=2kpa，phi=30deg。桩端地基承载力1000kpa，桩侧壁与土摩擦系数0.6 筏板为与桩伴侣等直径50cm厚C30混凝土板。模拟过程为0T开始不断加载，直至土体破坏。未考虑桩伴侣的模型同上，仅将桩伴侣的材料改为土体材料即可。桩伴侣+桩+圆形承载板 第二部分：桩伴侣的数值分析与讨论未采用桩伴侣：载荷板中心点 荷载-位移曲线NODE- 13 TIME Displacement-Z0 01 -1.64E-173 -0.003947545 -0.01002777 -0.02308619 -0.042038511 -0.0686061从上图中可得，计算不收敛对应的荷

5、载为:800*（11-1）/20=400kPa,曲线拐点对应的荷载为:800*（6-1）/20=200kPa,带桩伴侣的计算结果 NODE- 13TIME Displacement-Z0 01 -1.43E-173 -0.003860165 -0.009590967 -0.0213569 -0.037342711 -0.057039713 -0.0808715 -0.110466,从上图中可得，计算不收敛对应的荷载为:800*（15-1）/20=560kPa,曲线拐点不明确，可根据地基基础规范规定的承载板位移/承载板直径的百分比确定荷载。第二部分：桩伴侣的数值分析与讨论Geofem的结论： 1

6、、就目前的前提与假设条件，带桩伴侣的极限极限承载力承载力（以计算不收敛作为准则）较普通桩基高。 2、但就加载曲线的斜率（桩基的刚度来说），当荷载同为800*（7-1）/20=240kPa的条件下，使用桩伴侣与未使用桩伴侣对应的竖向位移均为2cm左右，差别很小（2.13cm/2.30cm）。而对应560kp的沉降量已经是大于10cm了，对于变形控制要求的建筑物可能适用性上有问题。第二部分：桩伴侣的数值分析与讨论 天津大学郑刚教授等人曾进行了两个将桩顶设置为向上凸的曲面、桩顶以上设置 200mm厚的褥垫层的单桩复合地基载荷试验，同时对比进行了无褥垫层的单桩复合地基载荷试验。试验桩体为直径420mm

7、、桩长12 m的沉管灌注桩，载荷板尺寸为2 mX 2 m。得到复合地基试验的p-s曲线见图。上凸形桩顶试验 上凸形桩顶试验P-S曲线 思考：全是桩头惹的祸第二部分：桩伴侣的数值分析与讨论 试验结果表明，桩起的作用很小，以s/b：0.01(即 s=20 mm)确定的复合地基承载力特征值分别仅为85 kPa和95 kPa，注意到单桩极限承载力在 800-900 kN，而现场天然地基承载力：90 kPa，说明桩的承载力几乎没有发挥。为此，取消垫层，对该二根桩重新进行复合地基载荷试验，按s/b：0.01确定的复合地基承载力特征值均大于158.75 kPa(158.75 kPa为试验最大加载值，此时对应

8、的沉降 10mm)。与前者相比，显然二者差距极大。针对这一试验结果，对该工程提出了全面检查桩头剔凿是否平整的建议。（注：带垫层与取消垫层对应的所标符号似乎反了） 阎明礼教授在讲座中，也曾多次提到对于CFG桩，要求平整桩头时桩顶与土面必须在同一个平面，否则会影响复合地基试验的结果。大量的工程实践和试验仍表明：采用静载荷试验确定的刚性桩复合地基的承载力具有极大的离散性，对于复合桩基、半刚性复合地基等采用复合地基静载荷承载力试验的地基处理工程，这一问题同样存在。为此，郑刚多次呼吁复合地基载荷试验的标准化问题。思考：全是桩头惹的祸 在Geofem所作的数值分析中，仅仅一个30厘米高的桩伴侣就使得荷载-

9、位移曲线产生了很大的改变。第三部分：人为创造时间-沉降量曲线由此，我们想到在桩头上做文章桩数沉降量曲线地基处理要省钱，沉降量大是绕不过的坎！类似的，还可以得到桩长沉降量曲线 止沉！最好的用桩之道 减沉，无法避免后期沉降大，影响使用。时间T沉降量S基础施工结构 施工验收装修入住 使用102030405060708090占总沉降的百分比%人为创造曲线典型桩基曲线反应建设项目全寿命期的时间-沉降量曲线 第三部分：人为创造时间-沉降量曲线止沉就是施工阶段沉降大，使用阶段沉降小，核心是：用上部结构荷载压实土体。第三部分：人为创造时间-沉降量曲线 桩与土共存时，地基土作用发挥，有“向上刺入”与“向下刺入”

10、两种选择。所有的荷载，最终都是由地基土承担的，而刚性桩只是起了一个传递媒介的作用。 对于桩基础来说，由于桩比土的刚度大得多，在刚性桩的长度范围内，相当于一个刚体与土弹簧的并联，上部荷载几乎完全通过刚性桩传递到桩端的持力层及其下卧层上，刚性桩会向下刺入桩端的持力层，或者引起持力层及其下卧层的压缩变形，于是形成向上的反力，通过刚性桩传递到上部的基础底板（承台），形成一组力的平衡。 “向下刺入”，叫做“减沉”，是指土的承载力大致够了但沉降大，于是少打一些桩来减小沉降量，同时桩端的地基土塑性发挥较多，产生“向下刺入”。“向下刺入”的沉降曲线不容易收敛，施工加载初期沉降小，而后期的沉降会持续很长的时间，

11、影响正常使用。 第三部分：人为创造时间-沉降量曲线 在铺设褥垫层复合地基或“带伴侣的桩”的情况下，能够发生桩的“向上刺入”，即桩的下沉量小于土的下沉量，让上层地基土先受力并扩散，由基础底板（承台）的 “面” 荷载与上部荷载平衡，随着荷载的增大，达到一定沉降值后，不足部分再通过刚性桩将荷载传递到桩端持力层，持力层的反力通过刚性桩对基础底板（承台）形成较大的“点”荷载与上部荷载平衡，迅速“止沉”； “止沉”理论的“向上刺入”则保证了作为控制沉降和承载力最后一道防线的桩端持力层的相对稳定，俗话说“家有余粮，心中不慌”，桩是“顶梁柱”、“王牌”，轻易不出手，先把地基土的承压能力发挥到极致，沉降量可以达

12、到0.5-1米，这就是所谓的“静夯”，利用上部结构的重量来使地基土密实，承载力提高，同时由于上层地基土的密实，也加大了桩周围的约束力，桩的承载力也能得到提高，直到上层地基土足够密实、沉降量足够大的时候，再让桩隆重登场，迅速“止沉”。带伴侣的桩(预留空间小)带伴侣的桩(预留空间大)QS预压阶段CABD第三部分：人为创造时间-沉降量曲线带伴侣的桩理论承载力-沉降量曲线 第三部分：人为创造时间-沉降量曲线承载力-沉降量曲线对比图较大的沉降有助于提高地基的可靠度第四部分：桩伴侣能否抵抗不均匀沉降？ 用沉降量换承载力，这就叫地基处理的以柔克刚，太极功夫。 硬撑其实是没有好处的。想想看，高山下面的地基土一

13、定是足够密实的，在高山隆起的过程中其颗粒都靠得越来越近，扛着吧，谁也别想走； 因为害怕不均匀沉降，害怕上部结构施工质量差、刚度低，害怕搞上部结构设计、施工的推卸责任，规范规定了最大容许沉降，为了满足规范这一违背自然法则的错误的规定，只好靠一根根硬梆梆、傻乎乎的粗棍子（桩）在那儿撑着，导致高楼下面的地基土得不到密实、出力的机会，脱离基础底板形成负摩擦力还算好的，遇到地下柔情的水还不跟着走，跳槽、私奔谁能拦得住？（负摩阻力）不均匀沉降提供检验建筑实体质量缺陷的外部荷载 第四部分：桩伴侣能否抵抗不均匀沉降？ 当前，结构造价占整个建筑造价的比例已经相当低，而装修、各种设备的造价通常超过了结构和地基处理

14、、基坑支护的总和。纵然是“大震不倒、中震可修”，将来的修复成本比起现在的节省来说也得不偿失，而且50年的建筑设计寿命事实上也不经济，建议建设部组织多支研究机构从总体拥有成本的角度来作出一个更科学的建筑设计寿命，在全国范围内普遍提高建筑结构的抗震设防等级。 现行规范对于不同抗震设防等级的结构采用同一个沉降控制标准是不合理的，而应当制定所对应的“抵抗不均匀沉降的段位”。对于抗震设防烈度高的地区，采用抵抗不均匀沉降高的段位，地基处理的标准可以适当降低，使其产生较大的沉降量，以便能够得到检验结构整体性的较大不均匀沉降值。当发生了相应段位的不均匀沉降时，如果结构的变形、裂缝超出了容许的范围，就说明存在质

15、量隐患，然后进行会诊，具体分析是搞建筑的原因，还是结构设计的原因，还是施工偷工减料，还是规范的原因等等。不均匀沉降提供了检验建筑实体质量缺陷的外部荷载，通过实体质量检验可以提早发现各类工程隐患。浅基础整体剪切破坏 目前关于浅基础地基力的理论，都是在整体剪切破坏条件下得到的。太沙基承载力理论重要的假定：基底与土之间摩擦力阻止了在基底处剪切位移的发生，因此，直接在基底下的土不发生破坏而处于弹性平衡状态弹性核（白白浪费了土的承载能力）。（其实就是把土挤出地面来） 关键在于采用深基础避免整体剪切破坏，同时采用止沉的构造措施使冲剪沉降收敛第四部分：桩伴侣能否抵抗不均匀沉降？浅基础局部剪切破坏冲剪破坏 浅

16、基础受力时不仅基底土要变形，且其侧面要隆起，造成浅基础地基承载力较低。 而桩（深）基础比浅基础更不容易（注意：不是不会）发生把土挤出的整体剪切破坏。第四部分：桩伴侣能否抵抗不均匀沉降？冲剪破坏刺入破坏深基础桩（深）基础两侧土很难隆起，主要是桩端土压缩。 小问题：铺设褥垫层的复合地基如何破坏呢？第四部分：桩伴侣能否抵抗不均匀沉降？桩伴侣=均沉环1、上层土先于土中桩（下层土）受力，可以把桩理解为当地基发生不均匀沉降后的补强加固措施。2、桩伴侣提供了抵抗地基倾斜的扭矩。特别提示：与桩伴侣配合的混凝土桩不需要配置钢筋，因为桩处于“带箍的桩”的中性区第四部分：桩伴侣能否抵抗不均匀沉降？桩伴侣的价值在于：

17、1、变形大而不破坏，承载力能保证；2、沉降大而早完成，建成后沉降小；3、总量大而局部小，确保沉降均匀；4、地基处理节省下来的银子用于加强上部结构，造九度、十度抗震设防的房子；第五部分：桩伴侣的施工与设计1m （1）不设褥垫层:大型机械开挖，至距离桩顶1米，人工或者小型机械围绕桩、距离桩一定距离开挖沟槽1-1.5米（即为桩伴侣的高度），现浇或放置桩伴侣，打垫层、作防水，铺设底板。 将来按照“止沉”理论进行设计时，要求上部地基土充分沉降，地基容许承载力不应考虑安全系数K，即土的承载力至少可提高到目前规范规定的K倍（还应该更多）； 桩伴侣对桩间土的约束作用（三向应力状态）、桩顶部位的“扩大头”对极限

18、承载能力的贡献、以及静压密实作用等等，桩伴侣能使地基土的承载力提高到上部天然地基土的若干倍，达到同等土质的桩端土承载力。一、突破现有规范的提高量第五部分：桩伴侣的施工与设计问题：桩伴侣能使土的承载力提高多少？第五部分：桩伴侣的施工与设计0.5-1m （2）局部褥垫层:采用大型机械开挖至距离桩顶0.5至1米，然后在桩头周围人工开挖一个环形坑，整平桩头至设计标高，放置相应高度的预制桩伴侣，以毛砂或碎石填充坑内空隙。也可填充柔性垫层预留桩顶沉降空间。 各种“强夯”、“夯实”、“预压”等等是写入规范的地基处理方法，都是预先使原有的上部一定范围的地基土密实，包括 “堆载预压”；采用桩伴侣时，当沉降较小时

19、，桩发挥的作用也很小，此时，上部荷载相当于“堆载”，可以按照目前规范关于“堆载预压”的理论来确定“预压”后地基土的承载力。 同样，“堆载预压”期间的沉降不用于计算所谓规范“容许沉降”总沉降量。二、灵活运用规范的提高量问题：桩伴侣能使土的承载力提高多少？第五部分：桩伴侣的施工与设计第五部分：桩伴侣的施工与设计0.1m （3）满铺褥垫层:在缺乏工程实践的情况下，为了与现行规范和常规做法衔接，对于采用刚性桩的复合地基，可在平整桩头以后将桩伴侣摆放到桩头的周围，然后铺设褥垫层，由于桩伴侣可以减小垫层流动性以及桩向上刺入对基础底板造成的冲切，褥垫层的厚度可以薄很多，单桩承载力越高、桩间距越大则越显著。第

20、五部分：桩伴侣的施工与设计 对于刚性桩复合地基，桩伴侣比褥垫层的构造措施更合理，更可靠，如果采用现行的复合地基设计规范，可将桩间土发挥系数取上限0.95 ，甚至取1.0，或者略大于1。 对于原来直接与基础底板（承台）刚结的桩基础，采用桩伴侣后，可以完全按照复合地基进行计算，桩间土发挥系数取上限。三、遵守现有规范的提高量问题：桩伴侣能使土的承载力提高多少？第六部分：什么时候不由得想到桩伴侣？ 对于检测出来的三、四类桩，通过放置或增加桩伴侣的尺寸、体积、对缺陷桩进行补救的方法，可能易于被接受而得到应用。 如果在一些缺陷桩的桩头放置桩伴侣进行静载荷试验，再与其它完整桩的试验数据进行对比，会得到有益的

21、结论。一、发现缺陷桩的时候不由得想到桩伴侣！ 比较笼统的说法。主要自然原因是地质资料与现场实际有很大的出入，比如：静载荷试验不能满足设计要求了，施工遇到困难导致桩的实际长度无法达到设计要求等等； 以及人为原因比如业主要增加层高了，或者改变用途了，等等。二、发生各种异常的时候千万别忘了桩伴侣！第六部分：什么时候不由得想到桩伴侣？ 关键是能少打桩，给业主省钱。无论是承揽设计、施工、监理、检测等业务，还是搞科学研究特别是走出国门，进行国际工程总承包的时候，出售知识产权。三、承揽各种业务的时候第六部分：什么时候不由得想到桩伴侣？桩伴侣就是金刚钻！ 混凝土桩强度不足、桩头压碎的时候；桩忘了放钢筋的时候；

22、在淤泥当中施工的时候；采用单桩承载力较大的桩做复合地基的时候，比如复合载体夯扩桩、螺杆桩、预应力管桩等（减小底板冲切、减小桩头应力集中）第七部分：桩伴侣还能怎么用？（1）桩伴侣与基础非均匀布桩设计方法(即调平刚度）的配合，更好地实现基础底板均匀沉降。（2）通过设置桩伴侣，配合粉煤灰等活性发挥较慢的垫层等措施来加速主楼施工前期的沉降量、减小使用后期沉降量，并采取措施调整裙楼的沉降，取消主楼与群楼之间的施工后浇带。（3）将桩与桩伴侣视作一个整体的带箍的桩，通过对标准规格带箍的桩的单桩静载荷试验，来推定地基承载力值，建立一种费用低廉、干扰因素少、试验误差小、标准化的复合地基静载荷试验标准。桩伴侣的主

23、要研究方向桩伴侣的主要研究方向相夫桩伴侣对“带箍的桩”承载力的贡献，例如减小混凝土桩的横截面、混凝土标号、配筋量等；教子调动基础上部土的作用，以沉降换承载力，促进土“茁壮成长”，承载力有显著提高；主内分担桩头的水平荷载，减少应力集中，例如侧重于对桩伴侣抵抗地震、减震的研究等；尽孝为承台（底板）加“肋”，增加基础底板的刚度，减小“独生”桩的冲切力，以及桩伴侣对抵抗不均匀沉降的贡献等。与薛江炜的交流方式：与薛江炜的交流方式：手机真：351-5625683QQ：493591358各大岩土论坛，推荐Z 桩端土承载力标准值随着桩的入土深度增加而增大,如某种具有相同土力学指标的粘性土： 上部承载力 100kpa 5米 800-1000kpa 10米 1400-1600kpa 15