張乃瑞--樁基工程差異沉降分析方法簡介.ppt

,樁基工程差異沉降分析方法簡介,（上海研討會）,北京市勘察設計研究院 張乃瑞 2003.12.,介紹提綱,一、 PSFIA方法研制背景 二、 現(xiàn)場足尺靜載荷試驗的主要結論 三、 PSFIA方法的要點 四、 工程分析檢驗 五、 結 束 語,高層越來越高，高低層荷載差異越來越大，為了減小差異沉降，高層采用樁基，低層采用天然地基； 由于高層基礎面積大、荷載重、影響深度大，當樁端以下有相對軟弱下臥層時，仍有可能產(chǎn)生較大的沉降，低層常為超補償基礎，沉降較小，高低層可能產(chǎn)生較大差異沉降； 高層一般采用框架剪力墻結構或框筒結構，造成荷載分布不均，需要調(diào)節(jié)布樁的密度或采用不同樁長來滿足承載力和改善差異沉降； 雖然認識到采用梳樁理論進行樁基礎設計可以充分調(diào)動樁與承臺底土的承載能力，從而達到減少樁數(shù)、節(jié)約投資的目的，但是由于無法準確估算沉降和差異沉降，影響在北京地區(qū)的普遍推廣。,PSFIA方法研制背景,北京地區(qū)建筑現(xiàn)狀,對于此類建筑規(guī)范要求采用共同作用分析方法進行設計和驗算變形。 變形與差異變形問題更加突出，成了高層建筑或高低層建筑地基基礎 設計的關鍵。,PSFIA方法研制背景,提供荷載相差懸殊、持力層土質(zhì)不均、樁長度不一、疏密不均情況下的沉降分布，檢驗持力層選取和布樁方案的合理性； 估算采用不同地基方案的高低層建筑沉降和差異沉降，驗證高低層建筑所采用方案的可行性； 在變形控制的前提下，充分利用樁與樁間土承載能力，實現(xiàn)變形控制設計；,沉降分析要解決的問題,規(guī)范提供的沉降分析方法不能滿足設計要求； 需要以控制沉降進行樁基設計時，規(guī)范只是原則規(guī)定應按地區(qū)經(jīng)驗根據(jù)共同作 用方法確定樁土荷載分配； 迫切需要尋求一種符合北京地區(qū)工程地質(zhì)條件和用樁特點，既能反映上部結 構、承臺、土、樁共同作用以及樁土荷載傳遞與變形特性，又經(jīng)過工程實測驗 證的樁基沉降分析方法，滿足高層或高低層建筑設計需要。,足尺試驗平面布置,占地面積 約 600 m2 試驗數(shù)量 2組（單 + 3樁群 + 6樁群 ）共 6個 樁 類 型 鋼筋混凝土鉆孔灌注樁 樁 徑 400 mm 樁 長 10 m（L/d= 25 ) 樁 數(shù) 20根（試樁12） 距 徑 比 3.08（6樁）或4.35（3樁） 承臺直徑 底徑3.40 m 、上徑1.20 m、高1.40 m 埋深 1.30 m 錨 樁 數(shù) 8根（多支盤樁）,測試項目 承臺底土反力、鋼筋應力和應變、樁頂荷 載、樁間土變形、群樁與 錨樁周圍土變 形、承臺頂位移 測試元件和標點 共 240 個 應力計 144個 應變儀 30個 壓力盒 26個 荷載傳感器 10個 深標點 12個 淺標點 18個 （位移傳感器 、 千分表 ）,試驗現(xiàn)場,承臺底埋設測試元件,承臺底土荷載分擔比,各試驗荷載分擔比值,常規(guī)距徑比時，分擔比為24%25%， 距徑比加大到4.35，分擔比為35%38%。證明在碎石類土作為樁端持力層的中長樁，也能利用承臺底土的承載作用。,分擔比與總荷載關系,隨荷載增加到一定值后，增加不明顯 距徑比大 距徑比小 摩檫 端承摩檫,一般變化范圍 10%70% 上 海 地 區(qū) 12%26% (L/d25,S/d=3.16.6),資 料,端阻力比隨荷載變化,單樁與群樁不同，由于群樁的“增強效應”，使群樁端阻比單樁大。 端阻比與距徑比有關，距徑比越小，群樁的“增強效應”越明顯， 端阻比越大。,樁 端 阻 比,端阻力 比 值,證明支承在碎石類土上的中長樁為端承摩擦樁,單樁與群樁的側阻力分布不同：單樁側組由上向下發(fā)揮，上部增加比下部快；群樁由于“群樁效應”和承臺對淺部側阻的“削弱效應”，使樁的下部增長比上部快。 群樁的側阻分布可近似看作正梯形分布。 均勻分布的側組比約為20%60% （即=0.20.6）。,樁側阻力沿樁身分布,M1,D6,單樁 “倒梯形”分布,群樁 “正梯形”分布,樁身壓縮與樁頂荷載關系曲線,樁身壓縮與荷載呈線形關系 彈性變形 樁身壓縮量都不大(1.3mm3mm) 可忽略不計,樁 身 壓 縮,不同深度樁間土變形隨荷載變化曲線,樁間土豎向變形,D3、D6,由于樁端平面處的樁間土無豎向位移，樁端下沉隨荷載增加而加大，故樁與土間的沉降差越來越大，必產(chǎn)生刺入變形。對于剛性樁說來，刺入變形是承臺底土分擔荷載的條件。,M3,M6,與天然地基相似，呈“馬鞍”形分布，外緣大中間小。 隨荷載加大，反力向內(nèi)部轉移。 樁的存在影響局部，樁距小分布曲線不如樁距大的光滑。,承臺底土反力分布,試驗與測試的主要結論,證明碎石類土上群樁承臺底土分擔荷載也不可忽視，可充分發(fā)揮樁間土的承載作用，沉降分析應考慮承臺底土反力的影響。 樁端處存在刺入變形，在分析方法中應考慮樁端刺入變形。 群樁側阻力沿樁身分布與單樁不同，呈正梯形分布趨勢，證明采用Geddes積分公式是可行的。 承臺底反力基本上呈“馬鞍”形分布，只是在樁周附近出現(xiàn)局部異常，可按天然地基的方法計算反力，再作局部修正。 為碎石類土上群樁的承載力設計提供了群樁效應系數(shù)參考值。 獲得群樁對周圍土的影響范圍約為1.2Bc，造成的豎向位移不大。 樁間土壓縮比例比軟土地區(qū)大，是支承在粗顆粒土的端承摩擦群樁的變形特點。,PSFIA方法要點,采用基礎（承臺）樁土共同作用方法； 兩種節(jié)點類型（土節(jié)點、樁節(jié)點），適應樁基與天然地基共同分析的需要； 基礎采用梁板有限元法建立基礎剛度矩陣； 地基采用以彈性理論為基礎的分層總和法： 采用Geddes積分式和Bussinesq 積分式計算地基應力； 考慮節(jié)點之間相互影響以及樁與承臺土荷載分擔作用； 一個樁節(jié)點代表一個群樁，樁土體系采用考慮樁端刺入變形的Per 模型，并求解分擔 比和樁阻力分配系數(shù)； 刺入變形參數(shù)按統(tǒng)計公式計算確定； 擬合施工過程分階段計算，并采用非耦合逐次逼近法求解節(jié)點位移和其他的階段結果，最后 各階段累加。,考慮因素： 荷載不均 樁間與樁端土層分布 樁、土及承臺共同工作 承臺底土荷載分擔作用 刺入變形 基礎剛度變化 樁基與天然地基傳力不同 樁距與樁長變化 施工因素,PSFIA方法計算簡圖與基本方程,基礎平面與計算節(jié)點布置示意圖,計算節(jié)點 Nb= Np+Ns 加 荷 點 Na=Nb+Nw 地層分區(qū) Nq 地基分層 Nc 基礎單元 板元（矩形、三角形）+ 梁元,基 礎 （有限元） K = F - R 地 基 （彈性理論、樁土體系 Per 模型、刺 入變形、兩種節(jié)點相互影響、 分層總和法） R = K s s 地基與基礎基本方程（共同作用原理） ( K + K s ) = F ,基本方程,1、同節(jié)點內(nèi)各單樁臺荷載相同， 荷載傳遞特性相同 。 2、分擔比與阻力分配系數(shù)只與本點承臺與樁的幾何尺寸、土層、荷載有關。 3、單樁臺絕對剛性，承臺與土體不脫開，承臺底面處樁或土任意點的沉降相等。 4、單樁荷載由單承臺底土反力、樁側阻力和端阻力共同承擔，側阻力為 梯形分布。 5、樁頂沉降由樁身壓縮、樁端以下土的沉降以及樁端刺入變形組成。 6、承臺底土和樁端以下土的沉降用分層總和法計算，分別用 Bus.和 Ged.式計算應力。,樁土體系 Per 模型示意圖,j 節(jié)點群樁,單樁臺 i,側阻力分布,單樁臺樁,承臺兩點 S1=S2,Pus=Pu+Ps Pu= Pt Ps=(1- - ) Pt,Per 模型用來確定各樁節(jié)點承臺土分擔比和樁端阻力分配系數(shù),主要假設,樁數(shù),樁端刺入變形,樁端阻力與刺入變形關系,當Pb Pbcr 時才產(chǎn)生刺入變形，K、b是刺入變形參數(shù)。 Pbcr K、b是通過20根有樁端阻力測試的單樁靜載荷試驗資料分析獲得的 經(jīng)驗式確定。 Pbcr K、b與樁端和樁側土壓縮模量比 （Eb/Es ）、樁端虛土厚度與直徑 比（ t/d）、樁長徑比 （L/d）、樁周填土厚度與樁長比（tt/L）有關。,刺入變形公式,Ce 臨界端阻力與端阻力比例系數(shù),PSFIA方法程序流程圖,輸入數(shù)據(jù),FORTRAN 語言 1個主程序 + 43 個子程序 非耦合逐次逼近法 分階段計算,樁基工程主要情況,建筑數(shù)量 9個 建筑性質(zhì) 公寓、住宅、飯店以及綜合性公共建筑 6個高低層 3個單體建筑 地 基 單樁基：3個 樁+天然：5個 天然：1個 基 礎 箱筏、條形或獨立基礎（承臺） 層 數(shù) 高層為1432層 低或多層46層 上部結構 高層剪力墻或框架剪力墻結構 低層框架結構 個別多層混合結構 基底埋深 2.2m16.8m。 平均荷載 高層：359kPa534kPa 低層：83 kPa 283 kPa左右 后澆施工縫 高低層建筑之間一般都設有后澆施工縫，結構到頂方于澆注,樁 類 型 予應力管樁 予制樁 鉆孔灌注樁 后壓漿鉆孔樁 樁端持力層 砂或卵石層,建筑物概況,樁 徑 280 1000mm 樁 長 4.8 14.0m 距徑比 2.23 4.77 長徑比 12 30,樁基情況,PSFIA法計算與實測沉降比較,注: 1. 沉降欄中白色數(shù)字為計算值,黃色或紅色數(shù)字為終止實測值. 2. 終止沉降觀測時已滿足穩(wěn)定條件（1mm/100d)，個別工程尚未穩(wěn)定即終止觀測，其實測沉降為紅色數(shù)字。,計算,實測,PSFIA法計算與實測比較,天然地基部分,樁 基 部 分,PSFIA法與其他常規(guī)簡化方法比較,各工程樁基部分用不同方法計算沉降的結果比較表,計算平均沉降（cm）,各種方法計算與實測 沉降比較圖,“上規(guī)” “樁規(guī)” 本文方法 “高規(guī)” “樁規(guī)”和“上規(guī)” 實測值 (比為1.54.2和2.46.9) “高規(guī)” 實測（比為0.21.1) 本法略大于實測（比為1.01.2）,工程實測與計算沉降分布,一、發(fā)展大廈,寫字樓 （2022層）,裙房 （2層）,50,40,30,20,10,50,40,30,20,工程實測與計算沉降分布,高層 （26層）,裙房 （2層）,二、昆侖飯店,40,40,60,40,80,60,40,60,40,60,80,40,60,40,60,20,20,工程實測與計算沉降分布,三、北京中保信,高層 （2232層),4層裙房 或純地下,40,35,30,25,35,30,25,20,40,20,25,40,30,20,10,30,30,20,10,10,15,25,25,25,25,20,工程實測與計算沉降分布,四、盛福大廈,高層 （25層）,純地下,15,25,25,35,5,40,15,25,15,25,15,5,5,15,35,25,35,25,15,35,25,五、燕山大酒店,高層樁基 （預制樁） 實測沉降：1.362.60cm 計算沉降: 2.142.70cm 裙房天然地基 實測沉降：1.152.19cm 計算沉降: 1.392.75cm,工程實測與計算沉降分布,20,20,15,15,20,20,15,25,20,25,20,15,15,20,西高層 （17層）,東高層 （17層）,裙房 （2層）,工程實測與計算沉降分布,15號公寓 14層 樁基（預制樁） 沉 降：計算 3.164.97cm 實測 3.244.96cm 16號公寓 14層 天然地基,六、外交公寓,15號公寓,40,45,35,35,40,45,45,部分16號公寓,七、國家管理局住宅,層 數(shù): 16層 樁基類型： 鉆孔灌注樁（d=400 mm,L=10 m，條形承臺，中粗砂) 沉 降: 計算值 1.582.46 cm; 實測值 2.143.19 cm,工程實測與計算沉降分布,18,20,22,24,23,22,23,22,20,22,24,22,24,20,20,20,22,20,八、中國醫(yī)學院住宅,層 數(shù): 4層 樁基類型： 鉆孔灌注樁（d=400 mm，L=9.35 m，條形承臺，粉細砂) 沉 降: 計算值1.293.68 cm；實測值1.132.00 cm,工程實測與計算沉降分布,1.5,1.5,2.0,1.5,3.0,3.5,2.5,2.0,2.0,2.5,3.0,2.5,2.0,2.5,3.0,2.0,1.5,1.5,工程實測與計算沉降分布,九、電力部電網(wǎng)調(diào)控中心,高層 （2327層),20,30,20,10,10,20,20,30,35,40,25,30,20,15,低層 （6層),25,15,低層 （6層),20,10,20,*,各工程分擔比、端阻系數(shù)、樁間土壓縮比及樁頂荷載,距徑比越大，承臺底土荷載分擔比越大。 樁端與樁側土模量比越大，端阻力分配系數(shù)越大。 不少工程樁的承載力安全系數(shù)很大，還有潛力。,端阻力系數(shù)隨模量比變化,分擔比隨距徑比變化,沉降與樁數(shù)關系曲線,國家管理局沉降與樁數(shù)曲線,PSFIA方法能較好地估算樁基工程沉降，尤其是部分采用樁基、部分采用天然地基高低 層建筑的沉降分布，解決了原來樁基沉降量估算與實際出入很大、又無法估計高低層差 異沉降的問題，為現(xiàn)代建筑物地基與基礎方案的合理選擇及樁基礎設計提供了手段，故 具有良好的社會效益。 PSFIA方法為北京和與北京同類地質(zhì)條件地區(qū)實現(xiàn)樁基的變形控制設計提供條件，這樣 可以大大節(jié)約資金，獲得明顯的經(jīng)濟效益。,16層 面積20m30m 直徑400mm 長度10m 鉆孔灌注樁,41%,距徑比由3加大到4, 可減少樁數(shù)約 .,結 束 語,由于PSFIA方法是一種樁土基礎（承臺）共同作用的分析方法，并采用Per-樁土體系的計算模型和分層總和法，考慮了承臺剛