桩基变刚度调平设计在实际工程中的应用

来源:用户上传      作者: 王 真

　　摘要:本文根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)中关于桩基础的变刚度调平设计的新增内容,概述了变刚度调平设计的基本概念和原理,总结归纳了变刚度调平计算的基本过程,并举例说明了其在实际工程中的应用。
　　
　　关键词:变刚度调平;桩基;强化指数
　　
　　中图分类号:TU222
　　文献标识码:B
　　文章编号:1008-0422(2010)08-0189-02
　　
　　1概述
　　在传统的桩筏基础设计中,通常采用以下设计方式:
　　1.1基桩的总承载力不小于总荷载,桩群形心与荷载重心重合或接近;
　　1.2桩的布置大体均匀,有的还主张在角部和边部适当加密;
　　1.3沉降量和整体倾斜满足规范要求;
　　1.4筏板厚度在满足抗冲切的前提下随建筑物层数和高度成正比增大,或为增加刚度而采用箱形承台;
　　常规设计计算方法只考虑静力平衡条件,而没有考虑上部结构、筏板、桩土的共同作用。而实际情况中,群桩效应将导致桩的支承刚度由外向内递减;对于框剪、框筒结构,荷载集度是内大外小,而其上部结构的刚度对变形的制约能力相对较弱。若采用传统设计方法,则碟形差异沉降较明显,易引起开裂,影响正常使用的要求。而采用变刚度调平设计理论调整桩基布置,使得基底反力分布模式与上部结构的荷载分布一致,可减小筏板内力,实现差异沉降、承台(基础)内力和资源消耗的最小化。
　　
　　2基本概念
　　变刚度调平设计是通过调整基桩的竖向支承刚度分布,使桩基沉降趋于均匀,基础或承台内力和上部结构次应力显著降低的设计方法,新版《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)中第3.1.8条对桩基础的变刚度调平设计进行了如下规定:
　　2.1对于主群楼连体建筑,当高层主体采用桩基时,裙房(含纯地下室)的地基或桩基刚度宜相对弱化,可采用天然地基、复合地基、疏桩或短桩基础;
　　2.2对于框架―核心筒结构高层建筑桩基,应强化核心筒区域桩基刚度(如适当增加桩长、桩径、桩数、采用后注浆等措施),相对弱化核心筒外围桩基刚度(采用复合桩基,视地层条件减小桩长);
　　2.3对于框架―核心筒结构高层建筑天然地基承载力满足要求的情况下,宜于核心筒区域局部设置增强刚度、减小沉降的摩擦型桩;
　　2.4对于大体量筒仓、储罐的摩擦型桩基,宜按内强外弱原则布桩;
　　2.5对上述按变刚度调平设计的桩基,宜进行上部结构―承台―桩―土共同作用分析。
　　变刚度调平设计能有效地减小桩基础的差异沉降,其基本思路是以调整桩土支承刚度分布为主线,根据荷载、地质特征和上部结构布局,考虑相互作用效应,采取增强与弱化结合,减沉与增沉结合,实现差异沉降、承台(基础)内力和资源消耗的最小化。变刚度调平设计有局部增强、变桩距、变桩径、局部增加桩长这几种模式,实际应用中以局部增加桩长这种方式最为有效(特别是摩擦型桩),具体应用如下:
　　1)在建筑物中间部分较按承载力计算的结果增加桩数,使中间局部区域桩的受荷水平低于平均值,来降低中部桩的受荷水平;框架―核心筒结构的外围区实施少布桩、布较短桩,发挥承台承载作用;
　　2)还可通过调整桩长、桩径、布桩方式的方式实现变刚度调平设计。
　　核心筒和外框柱的基桩宜按集团式布置于核心筒和柱下,以减小承台内力和减小各部分的相邻影响。荷载高集度区的核心筒,桩数多,桩距小,不考虑承台分担荷载效应。对于非软土地基,外框区应按复合桩基设计,既充分发挥承台分担荷载效应,减少用桩量,又可减低内外差异沉降。当存在两个以上桩端持力层时,宜加大核心筒桩长,减小外框区桩长,形成内外桩基应力场竖向错位,以减小相互影响,降低差异沉降。
　　在进行桩筏基础设计时,当原有桩的单桩竖向反力不是远远大于1.2Ra时,可以通过适当调整桩筏部分的基床反力系数k值,以达到相应增加地基土所承担的反力,但又不超过地基土的承载力,从而降低桩端反力,达到使其单桩反力值小于单桩承载力的目的,而不必通过增加桩来实现。
　　
　　3变刚度调平的基本原理:
　　高层建筑地基(桩土)作为上部结构―基础―地基(桩土)体系中的组成部分,其沉降受三者共同的制约。共同作用的总体平衡方程为:
　　([K]st + [K]F + [K]s(p,s)){u} = {F}st + {F}F
　　式中:[K]st ―― 凝聚于基础(承台)顶面的上部结构刚度矩阵;
　　[K]F――凝聚于基础(承台)底面的基础结构刚度矩阵;
　　[K]s(p,s)――凝聚于基底的地基土(桩土)支承刚度矩阵;
　　{u}――基础(承台)底节点位移向量;
　　{F}st、{F}F――分别为凝聚于基底的上部结构、基础(承台)荷载向量;
　　上式中,仅加大基础刚度[K]F,对于非坚硬地基且荷载大而不均的情况效果并不明显。通过调整桩土支承刚度[K]s(p,s),使沉降趋于均匀,这是优化高层建筑地基基础设计、减少乃至消除差异沉降的有效、可行又经济的途径。
　　考虑桩土的相互作用效应,强化核心区,弱化外框区,支承刚度的调整宜采用强化指数进行控制。核心区强化指数宜为1.05~1.30,外框为二排柱者应大于一排柱,满堂布桩者应大于柱下和筒下布桩,内外桩长相同者应大于桩长不同、桩底竖向错位、水平间距较大的布局。外框区的弱化指数宜为0.95~0.85,外框区的弱化指数根据核心区强化指数越大,相应的弱化指数越小的关系确定。在全筏总承载力特征值与总荷载标准值平衡的条件下,控制核心区强化指数,外框区的弱化指数随之实现。
　　核心区强化指数ξs为核心区抗力比λRc与荷载比λFc之比:
　　ξs=λRc/λFc
　　λRc为核心区的承载力特征值和全筏基的承载力特征值之比;λFc为核心区的荷载标准值和全筏荷载标准值之比。
　　按变刚度调平原则优化布桩,各分区自身实现抗力与荷载平衡,促使承台所受冲切力、剪切力和整体弯距降至最小,因而承台厚度可相应减小。承台配筋,在实施变刚度调平布桩时,可按局部弯矩计算确定。
　　对于框筒结构宜进行上部结构―承台―桩土共同作用计算分析,据此确定沉降分布、桩土反力分布和承台内力。当计算差异沉降未达到最佳目标时,应重新调整布桩直至满意为止。
　　
　　4实际应用
　　某工程,主体建筑为高度110m的单塔,结构体系由高层主楼、局部裙房及地下室几部分组成。其中高层主体部分地上为29层,主体总高度111.3m,结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙结构,裙房部分为三层,与主体连为一体。地下室部分为二层,每层层高为5.3m,采用桩筏基础。为满足建筑专业使用功能要求,主体与裙房之间连为一体,鉴于地下室设缝会给防水带来较大困难,因此地下室部分均连为一体,通过设置施工后浇带及采用膨胀混凝土等方式减小混凝土的收缩应力,实现地下室不设伸缩缝。
　　该场地地貌单元属第四系冲积～海积平原,场地桩基设计条件如表1。
　　本工程所有桩基均采用钻孔灌注桩,主楼下的灌注桩桩径为800mm,并采用桩底后注浆技术,桩端持力层为第⑨2粉砂层,主楼剪力墙下单桩竖向抗压承载力特征值为6000KN,桩长50m,主楼外围框架下单桩竖向抗压承载力特征值为5000KN,桩长45m;裙房下为普通钻孔灌注桩,桩径为600mm,桩端持力层为第⑨2粉砂层,单桩竖向抗压承载力特征值为2200KN,桩长37m。
　　设计过程采用PKPM基础有限元分析程序JCCAD进行整体桩筏计算,以减小沉降差异和基础筏板内力为目标进行变刚度调平设计,针对不同柱墙底部轴力分别调整布桩形式,适当增加剪力墙下桩基数量,相对弱化外围桩基刚度;主体下方桩基采用桩底后注浆方案而裙房桩基未作注浆处理,并且在裙房柱底布桩过程注意控制布桩数量,进一步弱化裙房部分的桩基刚度;同时在裙房与主楼相邻部位采用设置施工后浇带及适当增加局部筏板配筋的措施,更为有效的减小高低层桩基沉降差对结构的不利影响。基础桩基布置图详图1,基础底板沉降图详图2。
　　 5结论和建议
　　5.1框架―核心筒结构的核心筒部位,框架―剪力墙结构的电梯井、楼梯间等剪力墙相对集中的部位,剪力墙、砌体结构、框架结构的伸缩缝部位、桩端持力层变化较大的部位、主裙房连体建筑物的主楼部位,都可适当采用变刚度调平的原则进行调整。
　　5.2基的基桩选型和桩端持力层确定,应有利于应用后注浆增强技术,应确保单桩承载力具有较大的调整空间。基桩宜集中布于柱、墙下,以降低承台内力,最大限度发挥承台底地基土分担荷载作用,减小柱下桩基与核心筒桩基的相互作用。
　　5.3变刚度调平设计可取得明显的经济效益:变刚度调平布桩,实现墙柱荷载与桩土抗力局部平衡,消除马鞍形反力分布,促使承台冲剪弯内力大幅减小,承台材耗相应降低20%~40%;刚度弱化区采用复合桩基或天然地基,发挥承台分担作用,从而减少用桩量20%~30%;对于符合前述主裙连体建筑可不设置沉降后浇带的情况,不设沉降后浇带可节约材耗人工,缩短工期。
　　
　　
　　参考文献:
　　[1]建筑桩基技术规范.JGJ94-2008.中国建筑工业出版社,2008-8.
　　[2]刘金波.建筑桩基技术规范理解与应用.中国建筑工业出版社, 2008-09-01.
　　[3]08版-JCCAD用户手册及技术条件.

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