桩基工程差异沉降分析方法讲座.pptx
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1、高层越来越高，高低层荷载差异越来越大，为了减小差异沉降，高层采用桩基，低层采用天然地基；由于高层基础面积大、荷载重、影响深度大，当桩端以下有相对软弱下卧层时，仍有可能产生较大的沉降，低层常为超补偿基础，沉降较小，高低层可能产生较大差异沉降；高层一般采用框架剪力墙结构或框筒结构，造成荷载分布不均，需要调节布桩的密度或采用不同桩长来满足承载力和改善差异沉降；虽然认识到采用梳桩理论进行桩基础设计可以充分调动桩与承台底土的承载能力，从而达到减少桩数、节约投资的目的，但是由于无法准确估算沉降和差异沉降，影响在北京地区的普遍推广。PSFIAPSFIA方法研制背景方法研制背景北京地区建筑现状北京地区建筑现状
2、北京地区建筑现状北京地区建筑现状 对于此类建筑规范要求采用共同作用分析方法进行设计和验算变形。变形与差异变形问题更加突出，成了高层建筑或高低层建筑地基基础 设计的关键。第1页/共37页PSFIAPSFIA方法研制背景方法研制背景提供荷载相差悬殊、持力层土质不均、桩长度不一、疏密不均情况下的沉降分布，提供荷载相差悬殊、持力层土质不均、桩长度不一、疏密不均情况下的沉降分布，提供荷载相差悬殊、持力层土质不均、桩长度不一、疏密不均情况下的沉降分布，提供荷载相差悬殊、持力层土质不均、桩长度不一、疏密不均情况下的沉降分布，检验持力层选取和布桩方案的合理性；检验持力层选取和布桩方案的合理性；检验持力层选取和
3、布桩方案的合理性；检验持力层选取和布桩方案的合理性；uu估算采用不同地基方案的高低层建筑沉降和差异沉降，验证高低层建筑所采用方估算采用不同地基方案的高低层建筑沉降和差异沉降，验证高低层建筑所采用方估算采用不同地基方案的高低层建筑沉降和差异沉降，验证高低层建筑所采用方估算采用不同地基方案的高低层建筑沉降和差异沉降，验证高低层建筑所采用方案的可行性；案的可行性；案的可行性；案的可行性；uu在变形控制的前提下，充分利用桩与桩间土承载能力，实现变形控制设计在变形控制的前提下，充分利用桩与桩间土承载能力，实现变形控制设计在变形控制的前提下，充分利用桩与桩间土承载能力，实现变形控制设计在变形控制的前提下，
4、充分利用桩与桩间土承载能力，实现变形控制设计；沉降分析要解决的问题沉降分析要解决的问题 规范提供的沉降分析方法不能满足设计要求；需要以控制沉降进行桩基设计时，规范只是原则规定应按地区经验根据共同作 用方法确定桩土荷载分配；迫切需要寻求一种符合北京地区工程地质条件和用桩特点，既能反映上部结 构、承台、土、桩共同作用以及桩土荷载传递与变形特性，又经过工程实测验 证的桩基沉降分析方法，满足高层或高低层建筑设计需要。第2页/共37页足尺试验平面布置足尺试验平面布置深标点深标点浅标点浅标点锚桩标点锚桩标点D6M6D3M3M1D1 占地面积占地面积 约约 600 m600 m600 m600 m2 2 2
5、 2 试验数量试验数量 2 2 2 2组（单组（单 +3+3+3+3桩群桩群 +6+6+6+6桩群桩群 ）共）共 6 6 6 6个个桩桩 类类 型型 钢筋混凝土钻孔灌注桩桩桩 径径 400 mm400 mm桩桩 长长 10 m10 m（L/d=25L/d=25)桩桩 数数 2020根（试桩根（试桩1212）距距 径径 比比 3.08（6桩）或4.35（3桩）承台直径承台直径 底径底径3.40 m 3.40 m 3.40 m 3.40 m、上径、上径1.20 m1.20 m1.20 m1.20 m、高高1.40 m1.40 m1.40 m1.40 m 埋深埋深 1.301.301.301.30
6、m m m m锚锚 桩桩 数数 8 8 8 8根（多支盘桩）根（多支盘桩）测试项目测试项目 承台底土反力、钢筋应力和应变、桩顶荷承台底土反力、钢筋应力和应变、桩顶荷 载、桩间土变形、群桩与载、桩间土变形、群桩与 锚桩周围土变锚桩周围土变 形、承台顶位移形、承台顶位移测试元件和标点测试元件和标点 共共 240 240 个个 应力计应力计 144144个个 应变仪应变仪 3030个个 压力盒压力盒 2626个个 荷载荷载传感器传感器 1010个个 深深标点标点 1212个个 浅标点浅标点 1818个个 （位移传感器（位移传感器 、千分表千分表 ）第3页/共37页试验场地地层剖面试验场地地层剖面试验
7、场地地层剖面试验场地地层剖面单单 桩桩群群 桩桩砂质粉土、粘质粉土 2.70m2.70m粘质粉土 1.20m1.20m粉土、砂质粉土 1.00m1.00m粉质粘土 2.20m2.20m粘质粉土 1.20m1.20m 园 砾 3.70m3.70m粉质粘土、粘质粉土 1.10m1.10m粘质粉土 0.60m0.60m Es=8.0 MPaEs=8.0 MPaEs=12.5 MPaEs=12.5 MPaEs=4.5 MPaEs=4.5 MPaEs=16.3 MPaEs=16.3 MPaEs=12.5 MPaEs=12.5 MPaEs=7.5 MPaEs=7.5 MPaEs=13.0 MPaEs=13
8、.0 MPa基底下厚度草草 笼笼深标点深标点第4页/共37页试验现场试验现场试验现场试验现场第5页/共37页承台底埋设测试元件承台底埋设测试元件承台底埋设测试元件承台底埋设测试元件第6页/共37页 试试试试 验验验验 编编编编 号号号号 M3 M3 D3 D3 M6 M6D6D6等效距径比等效距径比等效距径比等效距径比 4.354.353.083.08分担比（分担比（分担比（分担比（%）414241423538353826272627 24252425承台底土荷载分担比承台底土荷载分担比承台底土荷载分担比承台底土荷载分担比各试验荷载分担比值各试验荷载分担比值 常规距径比时，分担比为24%25%
9、，距径比加大到4.35，分担比为35%38%。证明在碎石类土作为桩端持力层的中长桩，也能利用承台底土的承载作用。分担比与总荷载关系分担比与总荷载关系|随荷载增加到一定值后，增加不明显随荷载增加到一定值后，增加不明显|距径比大距径比大 距径比小距径比小|摩檫摩檫 端承摩檫端承摩檫 l l 一般变化范围一般变化范围 10%70%10%70%l l 上上 海海 地地 区区 12%26%12%26%(L/d25,S/d=3.16.6)(L/d25,S/d=3.16.6)资 料第7页/共37页端阻力比随荷载变化端阻力比随荷载变化单桩与群桩不同，由于群桩的单桩与群桩不同，由于群桩的“增增强效应强效应”，使
10、，使群桩端阻比单桩大群桩端阻比单桩大。端阻比与距径比有关端阻比与距径比有关，距径比越小，距径比越小，群桩的群桩的“增强效应增强效应”越明显，越明显，端端阻比越大。阻比越大。桩桩桩桩 端端端端 阻阻阻阻 比比比比摩擦桩摩擦桩摩擦桩摩擦桩端承摩擦桩端承摩擦桩端承摩擦桩端承摩擦桩单桩单桩单桩单桩常规桩距群桩（常规桩距群桩（常规桩距群桩（常规桩距群桩（Sa/d=3.08)Sa/d=3.08)最大最大最大最大最大最大最大最大工作荷载工作荷载工作荷载工作荷载端阻力端阻力端阻力端阻力比比比比 值值值值证明支承在碎石类土上的证明支承在碎石类土上的中长桩为端承摩擦桩中长桩为端承摩擦桩第8页/共37页单桩与群桩的
11、侧阻力分布不同单桩与群桩的侧阻力分布不同单桩与群桩的侧阻力分布不同单桩与群桩的侧阻力分布不同：单桩侧组由上向下发挥，上部增加比下部快；群：单桩侧组由上向下发挥，上部增加比下部快；群：单桩侧组由上向下发挥，上部增加比下部快；群：单桩侧组由上向下发挥，上部增加比下部快；群桩由于桩由于桩由于桩由于“群桩效应群桩效应群桩效应群桩效应”和承台对浅部侧阻的和承台对浅部侧阻的和承台对浅部侧阻的和承台对浅部侧阻的“削弱效应削弱效应削弱效应削弱效应”，使桩的下部增长比上部，使桩的下部增长比上部，使桩的下部增长比上部，使桩的下部增长比上部快。快。快。快。群桩的侧阻分布可近似看作群桩的侧阻分布可近似看作群桩的侧阻分
12、布可近似看作群桩的侧阻分布可近似看作正梯形分布正梯形分布正梯形分布正梯形分布。均匀分布的均匀分布的均匀分布的均匀分布的侧组比约为侧组比约为侧组比约为侧组比约为20%20%20%20%60%60%60%60%（即（即（即（即=0.20.6=0.20.6）。桩侧阻力桩侧阻力沿桩身分布沿桩身分布M1D6单桩单桩“倒梯形”分布群桩群桩“正梯形”分布第9页/共37页桩身压缩与桩顶荷载关系曲线桩身桩身压缩与荷载呈线形关系压缩与荷载呈线形关系压缩与荷载呈线形关系压缩与荷载呈线形关系 弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形桩身压缩量都不大桩身压缩量都不大桩身压缩量都不大桩身压缩量都不大(1.3mm(1.3mm(1.
13、3mm(1.3mm 3mm)3mm)3mm)3mm)可忽略不计可忽略不计可忽略不计可忽略不计桩桩桩桩 身身身身 压压压压 缩缩缩缩第10页/共37页不同深度桩间土变形随荷载变化曲线不同深度桩间土变形随荷载变化曲线桩间土竖向变形桩间土竖向变形桩间土竖向变形桩间土竖向变形D3D3、D6D6 由于桩端平面处的桩间土无竖向位移，桩端下沉随荷载增加而加大，故桩与土间的沉降差越来越大，必产生刺入变形。对于刚性桩说来，刺入变形是承台底土分担荷载的条件。M6M6、D6D6承台底土=桩顶桩端桩端面土第11页/共37页M3M6v 与天然地基相似，呈“马鞍”形分布，外缘大中间小。v 随荷载加大，反力向内部转移。v
14、桩的存在影响局部，桩距小分布曲线不如桩距大的光滑。承台底土反力分布承台底土反力分布承台底土反力分布承台底土反力分布第12页/共37页试验与测试的主要结论试验与测试的主要结论试验与测试的主要结论试验与测试的主要结论1.1.证明碎石类土上群桩承台底土分担荷载也不可忽视，可充分发证明碎石类土上群桩承台底土分担荷载也不可忽视，可充分发挥挥桩间土的承载作用，沉降分析应考虑承台底土反力的影响。桩间土的承载作用，沉降分析应考虑承台底土反力的影响。2.2.桩端处存在刺入变形，在分析方法中应考虑桩端刺入变形。桩端处存在刺入变形，在分析方法中应考虑桩端刺入变形。3.3.群桩侧阻力沿桩身分布与单桩不同，呈正群桩侧阻
15、力沿桩身分布与单桩不同，呈正梯形分布趋势，证明梯形分布趋势，证明采采用用GeddesGeddes积分公式是可行的。积分公式是可行的。4.4.承台底反力基本上呈承台底反力基本上呈“马鞍马鞍”形分布，只是在桩周附近出现局部形分布，只是在桩周附近出现局部异常，可按天然地基的方法计算反力，再作局部修正。异常，可按天然地基的方法计算反力，再作局部修正。5.5.为碎石类土上群桩的承载力设计提供了群桩效应系数参考值。为碎石类土上群桩的承载力设计提供了群桩效应系数参考值。6.6.获得群桩对周围土的影响范围约为获得群桩对周围土的影响范围约为1.2Bc1.2Bc，造成的竖向位移不大。，造成的竖向位移不大。7.7.
16、桩间土压缩比例比软土地区大，是支承在粗颗粒土的端承摩擦群桩间土压缩比例比软土地区大，是支承在粗颗粒土的端承摩擦群桩的变形特点。桩的变形特点。第13页/共37页PSFIAPSFIAPSFIAPSFIA方法要点方法要点方法要点方法要点 采用基础（承台）桩土共同作用方法；两种节点类型（土节点、桩节点），适应桩基与天然地基共同分析的需要；基础采用梁板有限元法建立基础刚度矩阵；地基采用以弹性理论为基础的分层总和法：采用Geddes积分式和Bussinesq 积分式计算地基应力；考虑节点之间相互影响以及桩与承台土荷载分担作用；一个桩节点代表一个群桩，桩土体系采用考虑桩端刺入变形的Per Per 模型，并求
17、解分担 比和桩阻力分配系数；刺入变形参数按统计公式计算确定；拟合施工过程分阶段计算，并采用非耦合逐次逼近法求解节点位移和其他的阶段结果，最后 各阶段累加。考虑因素：荷载不均 桩间与桩端土层分布 桩、土及承台共同工作 承台底土荷载分担作用 刺入变形 基础刚度变化 桩基与天然地基传力不同 桩距与桩长变化 施工因素第14页/共37页PSFIAPSFIAPSFIAPSFIA方法计算简图与基本方程方法计算简图与基本方程方法计算简图与基本方程方法计算简图与基本方程基础平面与计算节点布置示意图基础平面与计算节点布置示意图计算节点计算节点 Nb=Np+Ns加加 荷荷 点点 Na=Nb+Nw地层分区地层分区 N
18、q地基分层地基分层 Nc 基础单元基础单元 板元（矩形、三角形）+梁元基基 础础 （有限元）（有限元）K K =F -R=F -R 地地 基基 （弹性理论、桩土体系（弹性理论、桩土体系 Per Per 模型、刺模型、刺 入变形、两种节点相互影响、入变形、两种节点相互影响、分层总和法）分层总和法）R =K R =K s s s s 地基与基础基本方程地基与基础基本方程（共同作用原理）（共同作用原理）(K +K(K +K s s)=F =F 12.Np.Np+Ns.桩基部分天然地基部分外荷部分Nw.12Np+1.桩节点 i土节点 j RiFiRjFj基础（承台）桩土体系或天然地基基本方程基本方程第
19、15页/共37页 1 1、同节点内各单桩台、同节点内各单桩台荷载相同，荷载相同，荷载传递特性相同荷载传递特性相同 。2 2、分担比与阻力分配系数、分担比与阻力分配系数只与本点只与本点承台与桩的几何尺寸、土层、荷载承台与桩的几何尺寸、土层、荷载有关有关。3 3、单桩台绝对刚性，承台与土体不脱开，承台底面处桩或土、单桩台绝对刚性，承台与土体不脱开，承台底面处桩或土任意点的沉降相等任意点的沉降相等。4 4、单桩荷载由单承台底土、单桩荷载由单承台底土反力、桩侧阻力和端阻力反力、桩侧阻力和端阻力共同承担，侧阻力为共同承担，侧阻力为 梯形分布梯形分布。5 5、桩顶沉降由桩身压缩、桩端以下土的沉降以及桩端桩
20、顶沉降由桩身压缩、桩端以下土的沉降以及桩端刺入变形刺入变形组成。组成。6 6、承台底土和桩端以下土的沉降用、承台底土和桩端以下土的沉降用分层总和法分层总和法计算，分别用计算，分别用 Bus.Bus.和和 Ged.Ged.式计算应力。式计算应力。桩土体系桩土体系 PerPerPerPer 模型示意图模型示意图j j 节点群桩节点群桩单桩台单桩台 i i侧阻力分布侧阻力分布单桩台桩单桩台桩承台两点承台两点S S1 1=S=S2 2 Pj1.i NZj单桩台 i 荷载：Pi =P/NZj =Pc+Pt承台底：Pc=Per Pi桩 顶：Pt=Pus+Pb =（1-Per）Pi桩 侧：Pus=Pu+Ps
21、桩 端：Pb=PtPus=Pu+PsPu=PtPs=(1-)PtPtPbPusPs Pu Per Per 模型用来确模型用来确定各桩节点定各桩节点承台土分担承台土分担比和桩端阻比和桩端阻力分配系数力分配系数主要假设主要假设桩桩数数KpSa12PusPbPcPi第16页/共37页桩端刺入变形桩端刺入变形 桩端阻力与刺入变形关系桩端阻力与刺入变形关系 当Pb Pbcr 时才产生刺入变形，K、b是刺入变形参数。Pbcr K、b是通过2020根有桩端阻力测试的单桩静载荷试验资料分析获得的 经验式确定。Pbcr K、b与桩端和桩侧土压缩模量比（Eb/Es）、桩端虚土厚度与直径 比（t/d）、桩长径比（L
22、/d）、桩周填土厚度与桩长比（tt/L）有关。刺入变形公式Ce 临界端阻力与端阻力比例系数P bP b c rP b=P b c r+k So bS o（临界端阻力）第17页/共37页桩基工程主要情况桩基工程主要情况建筑数量建筑数量 9 9 9 9个个建筑性质建筑性质 公寓、住宅、饭店以及综合性公共建筑公寓、住宅、饭店以及综合性公共建筑 6 6 6 6个高低层个高低层 3 3 3 3个单体建筑个单体建筑地地 基基 单桩基：单桩基：3 3 3 3个个 桩桩+天然：天然：5 5 5 5个个 天然：天然：1 1 1 1个个基基 础础 箱筏、条形或独立基础（承台）箱筏、条形或独立基础（承台）层层 数数
23、 高层为高层为14141414 32323232层层 低或多层低或多层4 4 4 4 6 6 6 6层层上部结构上部结构 高层剪力墙或框架剪力墙结构高层剪力墙或框架剪力墙结构 低层框架结构低层框架结构 个别多层混合结构个别多层混合结构基底埋深基底埋深 2.2m2.2m2.2m2.2m 16.8m16.8m16.8m16.8m。平均荷载平均荷载 高层：高层：359kPa359kPa359kPa359kPa 534kPa 534kPa 534kPa 534kPa 低层：低层：83 kPa 83 kPa 83 kPa 83 kPa 283 kPa283 kPa283 kPa283 kPa左右左右后浇
24、施工缝后浇施工缝 高低层建筑之间一般都设有后浇施工缝，结构到顶方于浇注高低层建筑之间一般都设有后浇施工缝，结构到顶方于浇注 桩桩 类类 型型 予应力管桩予应力管桩 予制桩予制桩 钻孔灌注桩钻孔灌注桩 后压浆钻孔桩后压浆钻孔桩桩端持力层桩端持力层 砂或卵石层砂或卵石层建筑物概况建筑物概况桩桩 径径 280 280 280 280 1000mm1000mm1000mm1000mm桩桩 长长 4.8 4.8 4.8 4.8 14.0m14.0m14.0m14.0m距径比距径比 2.23 2.23 2.23 2.23 4.774.774.774.77长径比长径比 12 12 12 12 3030303
25、0桩基情况桩基情况第19页/共37页PSFIAPSFIA法计算与实测沉降比较法计算与实测沉降比较工程名工程名工程名工程名地基类型地基类型地基类型地基类型终止观测终止观测终止观测终止观测稳定状况稳定状况稳定状况稳定状况 (mm/100d)(mm/100d)高层沉降（高层沉降（高层沉降（高层沉降（cm)cm)裙房和地下部分沉降（裙房和地下部分沉降（裙房和地下部分沉降（裙房和地下部分沉降（cm)cm)平均平均平均平均最大最大最大最大最小最小最小最小平均平均平均平均最大最大最大最大最小最小最小最小发展大厦发展大厦发展大厦发展大厦桩桩桩桩天然天然天然天然0.860.864.774.774.554.555
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