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

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

（深圳）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、了解计计算方法法的局限限性和可可能产生生的偏差差，避免免盲目套套用犯概概念性的的错误（（复合地地基和桩桩基的沉沉降计算算）。。（五）计计算数据据的分析析和利用用计算的数数据要符符合基本本力学规规律和类类似的工工程经验验。（济济阳某工工程)。（一）荷荷载的基基本概念念地基基础础工程设设计中的的荷载绝绝大部分分都是承承受上部部结构荷荷载，根根据《建筑结构构荷载规规范》上部结构构荷载分分为三类类：1、永久荷荷载，如如结构自自重、土土压力等等；2、可变荷荷载，如如楼面活活荷载、、屋面活活荷载、、风、雪雪荷载等等。3、偶然荷荷载，如如：爆炸炸力、撞撞击力等等。二、地基基基础工工程设计计中的一一些概念念岩土工程程设计中中采用的的荷载以以上部结结构荷载载组合值值的形式式出现分分为三种种：1、基本组组合，用用于基础础的弯、、剪、冲冲和地基基的滑移移、倾覆覆或稳定定；2、标准组组合，用用于确定定基础底底面积、、桩数；；3、准永久久组合，，用于计计算建筑筑物的沉沉降、差差异沉降降、倾斜斜。天津某工工程桩基基4、对于抗抗浮计算算，只采采用永久久荷载，，不考虑虑可变荷荷载的影影响。(二）地基基基础设设计中的的一些基基本概念念1、土的组组成土是固体体颗粒、、液态水水和气体体组成的的多孔介介质。2、土变形形的时效效性和一般建建筑材料料相比，，土的变变形具有有两个特特点，一一是大变变形，二二是变形形的时效效性。土变形的的时效性性主要指指土体的的变形和和时间有有关。在外力作作用下，，颗粒趋趋向新的的而稳定定的位置置移动，，土体因因而产生生变形。。对于两两相体系系的饱和和土，当当颗粒骨骨架变形形、孔隙隙减小时时其中多多余的孔孔隙水被被挤出。。对于三三相体系系非饱和和土，孔孔隙间的的气体首首先被压压缩，随随后则是是多余的的气体和和孔隙水水被挤出出。由于固体体骨架与与孔隙水水之间的的摩擦，，使得孔孔隙水和气体的排排出受到到阻碍，，从而使使变形延延迟。故故土的应应力变化化与变形形均是时时间的函函数。（（工程中中的表现现粘性土土、砂土土，地基基规范给给出不同同土沉降降完成情情况）3、软土的的工程性性质（1）天然含含水量高高，孔隙隙比大（（压缩性性高，变变形大））；（2）透水性性低（采采用挤土土桩时要要特别注注意）；；（3）压缩性性高；（4）抗剪强强度低；；（5）具流变变性。包包括蠕变变特性、、流动特特性应力力松弛特特性和长长期强度度特性。。4、液化土土基本概概念及在在桩基设设计对应应的设计计概念；；5、湿陷性性黄土的的基本概概念；主要表现现在浸水水后产生生附加沉沉降（扩扩大桩的的概念、、国贸三三期试验验、天津津某工程程试验））。6、回填土土的基本本概念(工程例子子涉县、、江苏、、天津某某水库)；7、坡地、、岸边（（施工工工艺、桩桩配筋））；8、岩石（（特别注注意软岩岩、遇水水易软化化的强风风化岩、、全风化化岩，桩桩基规范范的体现现）9、地下水水的影响响；（1）上层滞滞水；（2）潜水；；（3）承压水水；（4）地下水水对工程程的影响响（地面面下沉、、建筑筑物上浮浮、基坑坑破坏，，北京某某工程））。10、地基承承载力；；影响地基基承载力力的因素素很多，，包括；；（1）土质、、土层的的埋藏顺顺序；（2）基础底底面的的的形状、、大小；；（3）基础埋埋深；（4）地下水水位情况况；（4）时间因因素（加加层）11、地基变变形；（1）地基变变形包括括的内容容；（2）目前的的计算方方法及存存在的问问题。12、复合地基的的基本概念一般认为复合合地基是指天天然地基在地地基处理过程程中部分土体体得到增强，，或被置换，，或在天然地地基中设置加加强体，加固固区是由天然地基土或或被改良的天天然地基土和加强体两部部分组成的人人工地基。复合地基分为为：（1）竖向增强体体复合地基；；（2）水平增强体体复合地基。。复合地基最新新发展（多桩桩型、加筋））。强调复合地基基的基本概念念，对于欠固固结土、膨胀胀土、湿陷性性黄土、可液液化土等应特特别注意（杭杭州某工程））。13、桩基础的基基本概念桩的基本概念念：利用桩身身远大于土的的刚度

将上上部结构的荷荷载传至桩周周和桩端岩土中，

桩和与其其相联接的承承台构成桩基基础。

桩的的类型很多，，各有特点和和应用范围举举例。14、复合地基和和复合桩基的概念（1）复合地基承承载力（2）复合桩基承承载力（3）复合桩基的的应用条件。（4）宝洁公司工工程实例（三）施工工工艺的概念目前岩土工程程施工工艺较较多，且在不不断发展完善善，介绍各施施工工艺特别别需要注意的的问题，设计计中应有足够够的重视：1、泥浆护壁钻钻孔灌注桩（（泥浆问题、、旋挖钻机、、发展方向））；2、长螺旋压灌灌桩（工艺介介绍，优缺点点）；3、预应力管桩桩（优缺点））；4、夯扩桩（优优缺点、适用用范围）；5、水泥土桩（（有效桩长、、施工易出现现的问题）；；6、CFG桩。7、桩基选型的的一些概念探探讨（1）凡嵌岩桩必必为端承桩导致嵌岩深度度加大，工期期延长，造造价价提高(例题)（2）将挤土桩一沉沉管灌注用于于高层建筑（（规范编制中中对沉管桩的的争议）由于挤土效应应造成断桩、、缩颈、上浮浮，事故频发发且严重，如如：某会展中中心全部桩报报废；云南某某大厦筏筏板开裂，不不得不加固处处理……。（3）预制桩质质量稳定性高高于灌注桩优于沉管灌注注桩是肯定的的，注意三点点■沉桩挤土效应应；■无法穿透硬夹夹层，桩长受受限制；■单桩承载力可可调范围小，，难于实现变变刚度调平设设计（4）人工挖孔孔桩质量可靠靠地下水位以上上人工挖孔桩桩可实现彻底底清孔、直观观

检查持力力层，且无断断桩缩颈现象象。隐隐患：■边挖孔边抽水水，细颗粒流流失，地面下下沉，乃至至整体脱落■临近新灌注混混凝土桩抽水水，带走水泥泥，造成离析析；■在流动性淤泥泥中挖孔，引引起淤泥侧向向流动，导导致土体失失稳滑移，将将桩体推歪、、推断。（东东平工程，天天津工程）（四）经济的的概念考虑经济概念念时应综合考考虑以下几方方面；1、地基处理的的费用；2、对应的基础础费用；3、工期的影响响；4、后浇带、降降水的影响（（长清大厦、、威海某降水水工程）。三、概念设计计在工程中的的具体体现1、桩的施工工工艺的正确判判断；1）提出的原因因，新工艺很很多；2）承载力是由由土提供的，，施工工艺如如何对提高土土的性质有利利；3）举例（大直直径桩承载力力、乌克兰工工程、喀麦隆隆、临沂汽车车站）；2、墙下布桩基基础底板厚度度问题；3、主裙楼联体体问题；1）后浇带的基基本概念（前前后变化、浇浇注时间、））；2）裙楼抗浮问问题及最优设设计（最优采采用配重、尽尽可能采用短短桩）；3）裙楼对主楼楼的影响问题题（偏心，注注意计算方法法，偏移方向向）；4）裙楼和主楼楼连接注意问问题（试验结结果、潍坊某某工程处理、、底板连接））；5）主裙楼采用用不同基础形形式问题（济济南某工程））；6）抗浮桩设计计问题（目前前存在的问题题，北辰大厦厦、一中心、、）；5、嵌岩桩概念念（嵌岩桩的的必要性）；；6、基础变形的的基本概念；；1）地基变形特特征分为沉降降量、沉降差差、倾斜、局局部倾斜。2）变形的计算算（基本概念念）；3）变形和基础础底板的关系系；4）不同的结构构体系控制变变形的指标；；5）变形和承载载力之间的关关系（鸟巢工工程，其它上上海、天津工工程）；6)持力层分布对对变形的影响响（问题的提提出原因，深深厚持力层））；7、控制变形形的方法（1）减小附加压压力（嘉汇））；（2）增加加强体体的长度，是是最有效的方方法之一（北北京胡家楼、、昆仑饭店、、万豪世纪中中心）；（3）采用变刚度度调平设计。。8、桩的水平承承载力问题桩土承台体系系在扣除土的的水平抗力之之后，按水平平变形40mm取值，两桩带带承台固接体体系的水平极极限承载力为为5400kN，其中单桩水水平极限承载载力为2700kN。这与HP3-HP4自由单桩的水水平静载试验验结果（单桩桩水平极限荷荷载为1700kN）相比，单桩桩水平极限荷荷载提高了59%。9、变刚度调调平设计基本概念：考考虑上部结构构形式、荷载载和地层分布布及相互作用用效应，通过过调整桩径、、桩长、桩距距等改变桩土土刚度分布，，使建筑物沉沉降趋于均匀匀、承台内力力降低的设计计原则称为变变刚度调平设设计。变刚度调平设设计的原因及及实质。（1）天然地基基箱形基础变变形特征图1北京中信国际际大厦箱基沉沉降等值线（（s单位：cm）高104m,框筒结构，，双层箱基基高11.8m；Smax=12.5cm;△Smax=0.004L。（2）桩筏基础的的变形特征征图2南银大厦桩桩筏基础沉沉降等值线线（建成一一年，s单位：cm）高113m，框筒结构，，φ400PHC桩，L=11m,均匀布桩，，筏板厚2.5m,建成一年△Smax=0.002L。（3）碟形沉降和和马鞍形反反力分布的的负面效应应（1）碟形沉降降引起承台、、上部结构构的次内力力（2）马鞍形反反力分布导致基础的的整体弯矩矩、冲切力力、剪力增增大以以图1北京中信国国际大厦为为例，整体体弯矩较均均布反力增增加16.2%；对于图3所示桩筏基基础，整体体弯矩较均均布反力将将增加50%以上。（4）变刚度调平平设计图4均匀布桩与与变刚度调调平布桩的变形与反反力示意图5变刚度布桩桩模式（1）局部增强强如图4-（a）（2）桩基变刚度度如图4-（b）(c)(d)增强核心筒筒区，弱化化外围，局局部平衡（3）主裙连体体变刚度增强主体，，弱化裙房房（4）上部结构构—基础—地基（桩土土）共同工工作分析，，深化、细细化概念设设计，计算算沉降、承承台内力与与配筋。（5）试验验证粉质粘土地地基，20层框筒结构构1/10现场模型试试验图6等桩长与变变桩长模型型试验表1桩顶反力（（F=3250KN）（6）变刚度度调平概念念设计优点点1）减小核心心筒冲切力力，降低承承台整体弯弯矩2）优化承台台设计，降降低造价3）减小差异异变形，降降低上部结结构刚度次次应力，提提高耐久性性4）合理发挥挥桩土共同同作用四、岩土工工程新技术术介绍（一）灌注注桩后注浆浆1、为什么灌灌注桩应采采用后注浆浆进行处理理2、灌注桩后后注浆工艺艺简介3、科学研究究和对比试试验结果4、技术经济济效益和应应用工程情情况5、灌注桩后后注浆优点点1、为什么灌注注桩应采用用后注浆进进行处理灌注桩具有有适用于不不同地层条条件，桩径径桩长变幅幅大，无无噪声振动动等优点，，随着高层层建筑的大大量兴建，，已发展为为建筑工程程的主导桩桩型，也也是铁路、、公路、城城市立交桥桥基的传统统桩型。。但灌注桩桩有其自身身的缺陷，，如桩底沉沉渣、桩侧侧泥皮等这这些因素影影响桩的承承载力发挥挥和稳定。。针对灌注桩桩的上述一一些缺陷，，中国建筑筑科学研究究院地基基基础研究所所于90年代初先后后研究开发发了泥浆护护壁灌注桩桩桩底、桩桩侧后注注浆专利技技术。该技术现已已应用于北北京、上海海、天津、、武汉、福福州、汕头头、厦门、、宜春、杭杭州、济南南、廊坊等等地的几百百项高层建建筑的桩基基工程,技术、经济济效益显著著。灌注桩后注注浆技术通通过了国家家科委组织织的技术鉴鉴定;被建设部授授予重点科科技推广项项目和国家家级工法;获国家发明明专利，专专利号ZL9416598.1和多项实用用新型专利利.2、灌注桩后后注浆工艺艺简介桩底注浆阀阀安装注浆阀设置置完毕的钢钢筋笼3、科学研究究和对比试试验结果（1）．承载力增强强机理●固化效应：：沉渣和泥泥皮被固化化；伴随扩扩底和扩径径效应●充填胶结效效应：粗粒粒土（卵砾砾、粗中砂砂）因渗入入注浆被胶胶结●加筋效应：：细粒土(粘性土、粉粉土、粉细细砂)因劈裂注浆浆形成加筋筋复合土●桩底注浆不不仅增强端端阻，而且且使桩底以以上10～20m侧阻增强●桩侧注浆不不仅增强侧侧阻，而且且起封堵作作用，提高高桩底注浆浆效果（a）卵砾、粗中中砂（（b）粘性土、粉粉土、粉细细砂图1后压浆对桩桩端阻、侧侧阻的增强强机理（2）桩侧摩阻阻力和端阻阻力压浆前前后的变化化（a）桩底压浆与与非压浆桩桩(b)桩底压浆与与非压浆桩桩(c)桩侧桩底压压浆与非压压浆桩（天津）（（上海海）（（上海））图2软土地区细细粒土后压压浆桩侧阻阻、端阻增增强特征（a）桩底压浆（（北京））（（b）桩底、桩侧侧复式压浆浆（北京））图3粗粒土中后后压浆桩侧侧阻、端阻阻增强特征征（3）单桩承载载力●荷载—沉降性状改改善，陡降降型→缓变型图4软土地区（（天津）试试桩Q—S单桩承载力力●荷载—沉降性状改改善，陡降降型→缓变型图5粗粒土持力力层（北京京）试桩Q－S4、后注浆的的技术、经经济效益和和应用工程程情况对126项灌注桩后后注浆工程程的单桩对对比(普通与经后后注浆处理理的)静载试验数数据统计分分析表明，，后注浆桩桩承载力增增幅为40～100%，由此可减减少桩数或或减小桩径径、桩长。。对于大型型单项工程程，其经济济效益可达达千万元，，由于工程程量减小，，工期也相相应缩短；；由于桩底底土得到加加固，建筑筑物沉降相相应减小约约30%。天津国际航航运大厦Smax=39.7mm,ΔS/L=0.2‰工程应用与与经济效益益第4勘察孔土层层剖面图地面标高深深度时间（天数数，从第1次观测开始始）工程应用与与经济效益益灌注桩后注注浆技术简简介项目名称：国家体育育场(鸟巢)工程简介：：拟建国家体体育场作为为北京2008年第29届奥运会的的主体育场场，将承担担开、闭幕幕式和田径径比赛等奥奥运会的主主要赛事。。其“鸟巢巢”方案的的建筑结构构造型也将将成为北京京市的重要要标志性建建筑。工程应用与与经济效益益本工程总建建筑面积约约25万m2，奥运会比比赛时将设设观众座席席10万个，其中中临时座席席2万个（赛后后拆除）。。国家体育育场不但能能满足2008年奥运会的的要求，而而且因设计计有可关闭闭屋顶，还还可以满足足今后可能能举行的各各种体育或或非体育大大型群众活活动。本工程屋盖盖巨型钢桁桁架结构均均由环形布布置在看台台外部的24根组合柱支支撑，组合合柱柱间距距约35m。每根组合合柱承担的的竖向荷载载设计值达达40000kN～50000kN，承受水平平荷载设计计值达20000kN，采用桩基基。本工程程内部看台台区共设3层梯级升高高的座席层层，看台内内部地上1～6层。看台区区由一系列列辐射状布布置的框架架柱列支撑撑，柱底竖竖向荷载设设计值约为为4000kN～20000kN，采用桩基基。外围平平台（裙房房和纯地下下室部分））单柱荷载载一般为10000kN，边柱跨度度较小的部部位为4000kN。本工程设计计使用年限限为100年，建筑结结构安全等等级为一级级；工程地地基基础设设计等级为为甲级；基基础设计等等级为一级级；建筑抗抗震设防类类别为一类类；结构设设计基准期期为50年。结构对对差异沉降降敏感。本工程桩基基采用钻孔孔灌注桩，，为了提高高桩基的承承载力和降降低桩基沉沉降，采用用后压浆技技术。桩径径为800mm和1000mm，桩端持力力层为⑨层卵石、园园砾层，桩桩端进入持持力层不小小于1m，桩长约31～36m。本工程由瑞瑞士赫尔佐佐格－德梅梅隆建筑设设计公司（（HERZOG&DEMEURON，Switzerland）、奥雅纳纳工程顾问问公司（ARUPSPORT，U.K）和中国建建筑设计研研究院（ChinaArchitectureDesign&ResearchGroup）联合设计计。北京市市勘察设计计研究院进进行勘察，，试桩和锚锚桩由北京京城建集团团有限责任任公司施工工，建研地地基基础公公司进行后后压浆施工工，北京帕帕克国际咨咨询工程公公司进行监监理。工程地质概概况根据据北北京京市市勘勘察察设设计计研研究究院院提提供供的的《国家家体体育育场场岩岩土土工工程程勘勘察察报报告告》(2003技208)，本本工工程程场场地地的的土土层层划划分分为为人人工工堆堆积积层层和和第第四四纪纪沉沉积积层层两两大大类类：：1、人人工工堆堆积积层层粉质质粘粘土土填填土土粘粘质质粉粉土土填填土土地地面面标标高高：：44.33～46.59（局局部部51.28）0.90～4.80（局局部部厚厚7.50）房渣渣土土第四四纪纪沉沉积积层层2、粘质质粉粉土土、、粉粉质质粘粘土土40.56～44.841.40～6.501砂质质粉粉土土2粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土3、粉质质粘粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土37.01～40.392.70～9.001粘质质粉粉土土、、砂砂质质粉粉土土2粉砂砂、、砂砂质质粉粉土土。。4、细砂砂、、粉粉砂砂31.11～35.151.40～8.701粉质质粘粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土2砂质质粉粉土土、、粘粘质质粉粉土土3圆砾砾。。5、粉质质粘粘土土、、粘粘质质粉粉土土26.06～32.174.60～13.101粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土2砂质质粉粉土土3细砂砂、、粉粉砂砂。。6、粉质质粘粘土土、、粘粘质质粉粉土土17.63～23.040.30～6.301粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土2砂质质粉粉土土3细砂砂、、粉粉砂砂7、细砂砂、、中中砂砂14.62～20.43最大大厚厚度度10.20m（该该大大层层在在场场区区东东北北部部缺缺失失））1圆砾砾2粘质质粉粉土土、、砂砂质质粉粉土土3粉质质粘粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土。。8、粉质质粘粘土土、、粘粘质质粉粉土土9.08～16.220.30～7.901粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土2粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土3粉质质粘粘土土、、粘粘质质粉粉土土。。9、卵石石、、圆圆砾砾4.98～11.247.60～11.601细砂砂、、中中砂砂2粉质质粘粘土土、、粘粘质质粉粉土土3粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土。。10、粉质质粘粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土-8.07～0.70最大大厚厚度度5.90m（该该大大层层在在场场区区西西南南、、西西北北部部缺缺失失））1粘土土、、重重粉粉质质粘粘土土2粘质质粉粉土土、、砂砂质质粉粉土土国家家体体育育场场施施工工现现场场图图片片国家家体体育育场场压压浆浆桩桩和和非非压压浆浆桩桩对对比比上图图可可以以看看出出，，在在承承受受桩桩顶顶荷荷载载时时经经后后压压浆浆处处理理后后的的桩桩侧侧荷荷载载增增长长较较大大。。说说明明通通过过侧侧压压浆浆使使得得桩桩侧侧阻阻力力增增大大，，桩桩侧侧分分担担荷荷载载比比例例增增大大，，桩桩端端分分担担比比例例减减小小。。由由于于桩桩较较长长，，极极限限承承载载力力受受桩桩身身材材料料强强度度控控制制，，桩桩端端承承载载能能力力未未能能充充分分发发挥挥。。灌注注桩桩后后压压浆浆技技术术简简介介项目目名名称称：首都都机机场场3号航站站楼楼工程程简简介介：：基础础桩桩采采用用灌灌注注桩桩后后注注浆浆技技术术，，桩桩长长缩缩短短28m，桩基基造造价价节节约约34%（约约7800万元元））。。工程程应应用用与与经经