高层建筑桩筏基础【浅谈高层建筑桩筏基础承载机理与沉降控制设计】

来源:工程科技 发布时间:2019-05-12 05:53:59 点击:

  摘要:桩筏基础具有整体性好、竖向承载力高、基础沉降小、调节不均匀沉降能力强的特点,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,现已成为软土地基高层建筑的一种主要基础形式。采用桩筏基础,目的就是提高建筑物地基承载力和控制建筑物沉降。本文介绍了高层建筑桩筏基础承载机理,分析了桩筏基础沉降计算方法,探讨了沉降控制桩筏基础设计。
  关键词: 桩筏基础;高层建筑;沉降控制
  
  1引言
  
  世界各国已进入现代城市化阶段。共同的问题是城市人口膨胀,住房困难、用地紧张、环境污染和交通堵塞等。高层建筑随着世界城市化的普及、社会生产力的提高、科学技术的进步和人们物质生活的需要而蓬勃发展,这不仅缓解了上述问题,而且开创了整个建筑业的新纪元。在人类必然走向地上和地下空间的同时,现代化城市化必然进入了高层建筑阶段。
  然而,当高层建筑筏形基础下天然地基承载力或沉降变形不能满足设计要求时,采用筏底加桩的组合基础使上部结构荷载在平面上扩散和向深层传递,从而有效地提高基础承载能力并减少沉降。因而桩筏基础己发展为高层建筑的主要基础型式。
  
  2高层建筑桩筏基础承载机理
  
  桩筏基础应用的初期正是基于桩筏共同承载的理念。然而,桩筏基础的承载性状毕竟不同于单桩与筏板的简单叠加,它是高层建筑上部结构-桩筏基础-地基土这个共同作用的十分复杂的力学系统中的一部分。人们从基础工程的重要性考虑,在相当长的时期内,对于桩筏基础的承载能力只考虑基桩的承载作用,而忽略筏板的分担荷载,筏板厚度由满足冲切和受弯确定,从而使桩筏基础的设计既相当保守,又十分模糊。因此研究桩筏承载机理,不但有助于对客观事物的认识,更在于可以优化基础设计。
  由于上部结构是逐层形成的,即使在同一层混凝土的浇筑过程中也不是一次性浇筑完毕的,这说明上部荷载的形成是逐步的,而且混凝土的凝结硬化也需要一个过程,即就是上部结构的刚度的形成也是逐步的。通过模型试验和现场试验发现,桩筏基础在上部结构荷载和刚度逐步逐级的形成过程中桩土共同作用的过程简化为三个阶段:
  第一阶段(线性段),平均单桩荷载Q小于单桩极限承载力 Q u。当荷载较小,平均各桩桩顶的荷载小于单桩极限承载力时,承台底面的基底反力很小,而且随着时间增长还有减少趋势。桩身的弹性模量远大于地基土的变形模量,并且对于摩擦桩和端承作用较小的端承摩擦桩,桩充分发挥承载力所需要的变形远大于基底土作为天然地基时所需要的变形。因此可以近似的认为,在第一阶段,荷载全部由桩承担。
  第二阶段(临界段),Q趋近或达到 Q u。在第二阶段,总荷载不断增加至等于各桩极限承载力之和时,即当各桩Q趋近 Q u时,桩端已开始贯入土中或萌发贯入的趋势,桩再不能多承受荷载,进一步增加的荷载主要靠基底土承担,达到了转折点。
  第三阶段(非线性阶段),Q保持 Q u不变,即 Q = Qu。 各桩Q全达到 Qu ,桩能承担的荷载 Q p保持不变,桩端发生一定的贯入沉降,约等于桩间土的压缩量,同时桩端下土体更多地受到压缩而发生变形,只有在第三阶段,承台下的土体才真正参加了共同承担上部荷载的作用。如继续加载,则桩筏基础进入以天然地基为主的承载状态,基底土反力增加很快,反力分布形式与刚性板底反力相近。达到这一阶段,桩-土分担荷载的比例是明确的,在这一阶段末,桩土共同作用的极限承载力不小于全部桩的极限承载力加上承台下全部土的极限承载力之和。
  
  3桩筏基础沉降计算方法
  
  作为高层建筑桩筏基础设计的控制要求之一,沉降计算的合理性尤为重要,目前桩筏基础沉降计算方法包括有限单元法,简易理论法,半经验半理论法,经验法等。
  1、有限单元法
  高层建筑桩筏基础与地基共同作用条件下,以有限单元法求桩筏基础位移从方法上讲与其他结构有限元分析相比并无特别之处,但由于计算涉及高层建筑上部结构、筏基、桩土地基等不同部份,各部份之间的接触条件、单元形式、介质材料类型、初始状况各不相同。尤其是桩土、筏土之间几何尺寸的差异及介质力学特征的突变使单元划分较密、计算节点较多,整体刚度矩阵的阶数很高,有限元解题规模十分浩大。为使有限元分析更为有效,可以利用各部分结构的特点分别进行简化。有限单元法求解桩筏基础沉降关键在于弹性力学中迭加原理对于筏底群桩的有效性,因为上述桩土体系的位移荷载关系基于单桩特性和简单迭加。
  2、简易理论法
  简易理论法视桩与桩间土为整体,如同复合地基,故称为复合地基模式。此法未计及桩径,桩的平面分布对基础沉降的影响,同时对桩端下地基最终沉降计算仍然有赖于实际经验。
  3、半经验半理论法
  此法基于建筑物总荷载由桩群与筏底地基土共同承担,桩筏基础视为刚性体,刚性群桩沉降由 Poulos, H.G.和 Davis, E.H.公式确定[14];桩筏基础沉降与群桩沉降相同,建筑物基础竣工时的沉降可根据地区经验的修正系数对计算沉降 S 修正获得。据此可得半经验半理论公式。但此公式也不能反映桩长、桩的平面布置方式对基础沉降的影响。
  
  4沉降控制桩筏基础设计
  
  沉降控制复合桩基是为了充分利用地基土的承载力作用,采用大间距布桩的原则,使群桩中的单桩达到或接近极限承载力,此时单桩的非线性工作状态在其中起着决定性的作用,并且按桩筏基础整体平均沉降量来确定桩数的一种桩筏基础的设计新方法。它是现代上部结构与地基基础共同作用理论在桩基优化设计中的应用。通常情况下采用沉降控制来确定的群桩桩数是常规设计方法桩数的 30%左右,实践表明已取得了良好的经济效益。
  4.1筏板下地基土与桩分担外荷载的基本假定
  若作用在筏板底面的荷载长期效应组合值Q大于各单桩极限承载力 Pu 之和时,桩分担相当于各单桩极限承载力之和的荷载,筏板下地基土分担余下的荷载。此时群桩极限承载力 Qp = nPu,则筏板底地基土承担荷载 Qs= Q―Qp,式中n为桩数;定义筏板分担比为η,则:η=Qs /Q。
  4.2沉降控制桩基础沉降计算
  可利用现行的沉降计算商业化软件,如上海同济大学启明星软件等,或规范规定的沉降计算方法。建议采用作者在第三章提出的“考虑土体非线性修正分层总和法”来计算桩筏基础的沉降。该方法不仅考虑了土层的非线性成层分布特点,还考虑了地基土中水平向应力对沉降的影响,同时兼顾了桩长、桩径、桩间距等因素。是一种可靠而准确地桩筏基础沉降方法。
  4.3沉降控制桩筏基础桩数的确定
  沉降控制桩筏基础的桩数是在上述各沉降计算方法的基础上,计算出若干不同桩数情况下桩筏基础的沉降量,求得桩数与沉降量的关系,然后根据建筑物设计容许沉降量确定合适的桩数。简化的计算仅计算三种不同桩数(按常规设计确定的桩数,上述所需桩数的1/3,桩数为0)布桩时的沉降量,并按线性变化假定求得近似的桩数与沉降关系。桩数确定后,再计算基础沉降,确保桩筏基础沉降量S 不大于建筑物容许沉降量 Sa满足下式:
  S≤Sa
  总体安全度大于2和总沉降不小于容许沉降的双重控制。由此定义ψ=fA/Q,f为天然地基承载力设计值;A为承台底总面积;Q为上部结构竖向力设计值F,基础自重设计值与基础上覆土重G 设计值之和。
  4.4基于桩筏刚度的筏板厚度的确定
  为了克服传统方法确定筏板厚度的弊端,根据大量的上部结构-筏-桩-土共同作用的计算分析和已建建筑物的统计资料,提出了确定筏板厚度的较适宜的方法:
  1) 在上部结构和桩的布置基本确定之后,根据已有的经验初选厚度;
  2) 采用合理的实用简化方法,或者采用考虑筏-桩-土共同作用的电算程序,甚至采用考虑上部结构-筏-桩-土共同作用的电算程序,进行计算分析。以初步确定筏板的内力;
  3) 在上述基础上,对筏板进行抗弯、抗剪、抗冲切经验及考虑配筋构造的合理性。并对筏板的厚度作调整,直到要求趋于合理为止。
  
  参考文献:
  [1] 龚晓南,陈明中。桩筏基础设计方案优化若干问题。2001
  [2] 尚守平等:桩箱(筏)形基础与地基土共同作用分析.土木工程学报,2000
  [3] 刘利民等 桩基工程的理论进展与工程实践 中国建材工业出版社 2002

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