《桩基础的抗震设计》PPT课件.ppt
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1、建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范JGJ94-2008JGJ94-2008常用桩型及有关疑难常用桩型及有关疑难 解析解析2010.042010.042010.042010.04 目录目录 一、人工挖孔嵌岩桩一、人工挖孔嵌岩桩 1 1、概述、概述 2 2、竖向受压承载力性状、竖向受压承载力性状 3 3、工程桩检测、工程桩检测 4 4、某工程案例解析、某工程案例解析 二、预应力混凝土管桩二、预应力混凝土管桩 三、后注浆灌注桩三、后注浆灌注桩 四、地下水与抗浮设计四、地下水与抗浮设计 五、两类共同作用与变刚度调平设计五、两类共同作用与变刚度调平设计 六、桩基础的抗震设计(液化土中的桩基设计)六、桩基础
2、的抗震设计(液化土中的桩基设计)七、常见问题释疑七、常见问题释疑1、抗浮设计应注意的问题、抗浮设计应注意的问题(1)抗浮设防水位如何取值比较合理?基础工程设计时当地下水位较高时,应进行抗浮验算。近年来由于对抗浮水位的确定不合理以及抗浮桩设计不合理而导致的建筑物上浮事故已有多起,造成极大的经济损失;此外抗浮水位设置过高,对工程造价有重大影响,因此合理确定抗浮水位是个重要的问题。抗浮设防水位是岩土工程师综合建筑基础埋置深度、场地岩土工程条件、地下水类型及赋存状态、含水层分布、区域性气候资料、地下水补给排泄条件等等,提出的合理化建议。需要明确的是,在有渗流时,地下水的水头宜通过渗流计算进行分析评价;
3、对节理不发育的岩体宜通过实测数据确定,有确切经验时可根据经验确定。有工程师认为将历年最高水位作为抗浮设防水位是安全的,并不竟然。徐州某地下水泵房建于山腰基岩上,山顶人工湖面距水泵房基底高差大于7m,勘察期间未见地下水,工程师未按抗浮设计。建成后局部浮起,造成泵房整体倾斜。究其原因是因为施工爆破基岩,造成基岩裂隙,形成贯通的地下水,对基底产生巨大压力。对于此类工程在施工中发现地下水,即应砌筑水井以观测水位,并以稳定水位作为抗浮设防水位。四、地下水与抗浮设计四、地下水与抗浮设计(2)抗浮水头压力的确定 当前抗浮设计,习惯将水头压力直接作用于基础底板作为抗浮设计水位,这是不合理的。为使抗浮设计更经济
4、,应区别对待水头压力。当基础埋置在分布稳定且连续的含水层土中时,基础底板承受水头高度为h的水浮力(图(a);当埋置在非饱和隔水层中,且采取措施保障地基土工作期间始终处于不饱和状态,则认为基础底板不受上层水的浮力作用(图(b);若隔水层饱和则应考虑浮力作用,但宜计入渗流作用,对水浮力进行折减(图(c),折减水头应由有经验的勘察单位确定。(a)置于透水层中()置于透水层中(b)置于非饱和隔水层中()置于非饱和隔水层中(c)置于饱和隔水层中)置于饱和隔水层中 基底土质不同对抗浮设防水位的影响基底土质不同对抗浮设防水位的影响(3)几种抗浮措施 降低抗浮水位:结构用无梁楼板;用机械停车替代两层地下车库。
5、增加配重:素填土,素混凝土,钢渣混凝土 其中素填土具有良好的经济效益。抗拔桩:小直径短桩,后注浆长桩,扩底桩抗浮锚杆:用于基岩较浅场地。工程中应根据实际情况选择其中一种或两种组合的抗浮方案。不要拘泥于一种方式。通常一个经济合理的抗浮方案均是采取多项措施的结果。(4)抗浮的安全度问题!长久以来抗浮的安全度并未得到足够重视,常常引发工程事故。首先,荷载分项系数以前取0.9,现在取1.0,导致荷载项没有安全储备。再者,结构自重取值偏大,某些地下车库工程每层结构自重取13kN/m2,实际上,结构自重仅有梁板及面层,往往达不到。抗浮水位一般取值比勘察时期水位高12m,但当丰水期水位达到地面时,水浮力往往
6、大于结构自重。需要指出的是:用配重抗浮的设计,其安全系数仅为1.0。采用抗浮桩或者抗浮锚杆的,安全系数为2.0。这是工程师要重点重视的。此外,基底土层的隔水性相当关键。如果基底土层为非隔水层(如粗砂等),那么实际水头浮力则与静水压力相当,同时用配重抗浮,那么安全系数仅为1.0。如果没有其他措施,一旦丰水期使得地下水上升,可能使得建筑物上浮。(5)抗拔桩(锚杆)布置应注意的问题!抗浮桩的设计关键在于布桩。抗浮桩的设计关键在于布桩。工程实践中,根据单桩抗拔承载力特征值与浮力超重部分相平衡的原则。设荷载标准值换算的均布荷载为40kN/m2,水浮力90 kN/m2,那么布桩所需抵抗的浮力为50 kN/
7、m2,由此可能出现图(a)、(b)两种布桩模式。在假定基础筏板刚度极大的情况下,桩顶反力均匀分布,这两种方式并无不妥之处。通常筏板厚度在设计时并不是根据刚度来确定板厚,基础筏板刚度并不足以调整桩顶作用的均匀分布。虽然按桩顶承担均匀的拉力来设计,但用于筏板受到极大的浮力上拱,使得靠近柱的基桩分担的浮力较小,而远离柱的基桩分担的浮力偏大。(b b)均布于筏板下)均布于筏板下(a a)集中于柱下)集中于柱下抗浮桩布桩模式抗浮桩布桩模式 筏板刚度愈小,这种不均匀分布的趋势则更为剧烈;极端的,当筏板抗弯刚度为0时,可以发现柱以外的基桩所平衡的水浮力并不是计算的50 kN/m2,而是90 kN/m2。工程
8、实践中已经发现因为不合理布桩设计导致的工程事故。某些工程采用预应力管桩抗浮,少数基桩远离柱布置,那么这些基桩则率先破坏,从而余下的基桩被各个击破,导致抗浮桩设计失败。因此应避免采取(b)方案,而应尽量将桩布置在柱下、基础梁下。(6)抗浮锚杆可否当作支座?当抗浮锚杆具备足够刚度时,可当作弹性支座;弹性刚度宜由抗拉试验确定。可极大减小基础梁板配筋。(7)主裙相连的建筑物,裙房采用桩基础抗浮时,应用短桩。五、两类的共同作用的基本概念五、两类的共同作用的基本概念(一)竖向荷载作用的的共同作用(第一类共同作用)竖向荷载作用下建筑结构中的参与共同作用有三个要件:上部结构、筏形承台和桩土体系。其中上部结构靠
9、整体抗弯刚度参与工作,筏形承台靠自身截面抗弯刚度参与工作,桩土体系靠桩-土相互作用提供的竖向支撑刚度参与工作,三者共同作用,协调变形。第一类共同作用示意(1)框架结构整体抗弯刚度(a)梁弯曲变形引起的节点转动)梁弯曲变形引起的节点转动(b)梁弯曲变形引起的层间转动)梁弯曲变形引起的层间转动(c)柱弯曲变形引起的层间转动)柱弯曲变形引起的层间转动(2)钢筋混凝土剪力墙结构整体抗弯刚度引用上述框架结构整体抗弯刚度计算方法,因墙肢线刚度较连梁大的多,故可忽略墙肢弯曲变形引起的节点转动和跨间转动,仅计算连梁弯曲引起的跨间转动,(3)基础结构(筏板)整体抗弯刚度均匀布桩或天然地基时,中心沉降是角点的3.
10、03.7倍。刚度则是1/3.03.7(4)桩土体系竖向支撑刚度(5)整体抗弯刚度比较1)从计算结果可以看出,厚1.5m的筏形承台,其整体抗弯能力是一层单跨框架的70倍;2)厚1.5m的筏形承台,其整体抗弯能力与二层单跨剪力墙相当;3)当筏形承台跨数更多时,其等效整体抗弯刚度将随计算长度的约三次方幂趋势降低;4)剪力墙结构整体抗弯刚度极大,抵抗差异变形的能力极强。建筑物名称建筑物名称层层数数/基基础础埋深埋深(mm)建筑面建筑面积积(mm)高度高度(mm)平均沉降平均沉降(mmmm)基基础挠础挠度(万度(万分之一)分之一)上海康上海康乐乐路工房路工房12/6.512/6.567.58x11.65
11、67.58x11.6536.636.61191193.563.56上海上海华华盛路工房盛路工房12/5.6512/5.6555.8x12.555.8x12.537.037.01781781.01.0上海北站旅上海北站旅馆馆8/3.158/3.1522x16.422x16.427.027.042421.231.23上海国上海国际妇际妇幼保健院幼保健院7/2.47/2.455x4355x4329.0529.052892892.782.78江江苏浏苏浏河冷河冷库库5/4.85/4.850 x3650 x3626.126.11201200.690.69北京外交公寓北京外交公寓16/7.2016/7.2
12、036x1636x1654.7454.7449490.120.12北京中医医院北京中医医院9/5.359/5.3586x12.686x12.634.234.21717北京前三北京前三门门604604工程工程10/10/11110.600.60交通部水交通部水规规院住宅院住宅9/4.209/4.2063x12.963x12.927.427.422220.800.80保定冷保定冷库库5/3.015/3.0155x4355x4333.033.047470.370.37水平力作用下的共同作用拟静力m法手工计算复杂,过程冗长,作者根据规范附录C编制程序,需要明确的是,附录C中是将承台(地下室)-侧壁土桩
13、桩侧土作为整体分析的。(二)水平荷载下的共同作用(第二类共同作用)基桩水平受荷模型弹性地基梁模型令令(1)基桩水平受荷模型水平变形系数可用级数展开求解,求解过程略。(2)两个重要参数:M(MN/m4):地基土的水平抗力系数的比例系数。(1/m):桩的水平变形系数。(0.50.7)弹性桩基桩弯矩和剪力及桩顶位移(3)刚性桩、半刚性桩、弹性桩刚性桩:2.5/h半刚性桩:4.0/h2.5/弹性桩:h4.0/演示程序使用。演示程序使用。变刚度调平设计实例(条文说明)1 1 建筑概况建筑概况(1 1)建筑平面图建筑平面图 该办公楼由地上该办公楼由地上3636层、地下七层层、地下七层与周围地下七层与周围地
14、下七层车库连成一体,车库连成一体,基础埋深基础埋深26m26m。框。框架架核心筒结构。核心筒结构。(2 2 2 2)建筑立面图建筑立面图建筑立面图建筑立面图图图图图2 2 2 2 建筑平面图建筑平面图建筑平面图建筑平面图地上地上3636层,顶部层,顶部1010层。层。主体高度主体高度156m156m。(3 3 3 3)场地地层特点场地地层特点场地地层特点场地地层特点图图图图3 3 3 3 场场地地地地地地地地层层柱状土柱状土柱状土柱状土 第第层为卵石、圆层为卵石、圆砾、第砾、第层为细层为细中砂,是桩基础良中砂,是桩基础良好持力层。好持力层。2 2 概念设计概念设计2.1 2.1 基桩设计基桩设
15、计 采用后注浆灌注桩桩筏基础,设计桩径采用后注浆灌注桩桩筏基础,设计桩径1000mm1000mm。按强化核心筒桩基的。按强化核心筒桩基的支承刚度、支承刚度、相对弱化外围框架柱桩基支承刚度相对弱化外围框架柱桩基支承刚度的总体思路,的总体思路,核心筒采用常规核心筒采用常规桩基桩基,桩长,桩长25m25m,外围框架采用复合桩基外围框架采用复合桩基,桩长,桩长15m15m。核心筒桩端持力层选为。核心筒桩端持力层选为第第层细中砂,单桩承载力特征值层细中砂,单桩承载力特征值Ra=9500kNRa=9500kN,桩距,桩距Sa=3dSa=3d;外围边框架柱外围边框架柱采用复合桩基础,荷载由桩土共同承担采用复
16、合桩基础,荷载由桩土共同承担,单桩承载力特征值,单桩承载力特征值Ra=7000kNRa=7000kN。2.2 2.2 2.2 2.2 承台结构形式承台结构形式承台结构形式承台结构形式 由于变刚度调平布桩起到减小承台筏板整体弯距的作用,板厚可减少。由于变刚度调平布桩起到减小承台筏板整体弯距的作用,板厚可减少。核心核心筒承台采用平板式筒承台采用平板式,厚度,厚度 h1=2200mm h1=2200mm,外围框架采用梁板式筏形承台外围框架采用梁板式筏形承台,梁,梁截面截面 bb x hb=2000mm x 2200mm bb x hb=2000mm x 2200mm,板厚板厚h2=1600mm,h2
17、=1600mm,与主体相连与主体相连裙房(含裙房(含地下室)采用天然地基地下室)采用天然地基,梁板式片筏基础。,梁板式片筏基础。3 3 基桩布置基桩布置 图图图图4 4 4 4 桩桩基基基基础础及承台布置及承台布置及承台布置及承台布置图图 二种分析模式的比较二种分析模式的比较 此外,现为广大工程师所熟悉的SETWE软件,引入了地下室侧壁土体的水平抗力系数的比例系数m,来考虑结构物与土体的共同作用;程序在“地下室”参数对话框中提供了侧壁回填土的m值的输入接口。需要明确的是,这里是将结构地下室侧壁土作为整体分析的,与规范附录C的区别见下图。二者的共同点是均利用了岩土工程中的重要参数m来考虑的承台侧
18、壁土对水平地震作用的分担效果。六、桩基础抗震设计六、桩基础抗震设计 桩基础结构破坏、地基土失效以及桩基整体失稳,常常引起上部结构的整体性破坏;地震引发桩基沉降、倾斜、桩基结构轻度受损,将影响正常使用和使用寿命。因此桩基础的抗震,应从建筑物整体抗震的角度出发,确定相应的抗震设计原则,采取相应的抗震构造措施,进行相应的抗震计算,以达到抗震设防目标。从1976年唐山地震建筑震害的调查结果表明,桩基建筑与其他基础形式的建筑物相比,前者震害明显较后者为轻。换言之,桩基对于降低上部结构的地震反应起到明显作用。桩基础自身的震害也较浅埋的独立基础、条基为轻。但是从我国和其他多地震国家特别是1995年日本阪神地
19、震震害调查分析表明,桩基的震害仍然不少。桩基震害与地质条件特点密切关联,上部结构形式与荷载特点、桩基抗震设计的合理性也是重要的影响因素。就地质因素而言,大体可以分别按非液化土和液化土两大类土中的桩基进行阐述和分析。(一)震害特征(一)震害特征1、非液化土中桩基的震害(1)软土中桩基的震陷设置于深厚软土中且桩端未进入良好持力层的基桩,地震时因软土触变桩侧阻力降低,桩端发生刺入式破坏,桩基发生突陷。如1975年墨西哥城地震时一座16层高的桩基大厦产生34m的震陷。该建筑打入火山灰沉积软土层,土的压缩性和含水量极高,桩侧、桩端持力层相近,从而导致在地震作用下引起外部荷载增加、基桩抗力降低的双重不利因
20、素下发生突陷。我国1976年唐山地震,发生过望海楼软土地基上34层住宅筏形基础的1050cm的震陷。主要是由于该住宅区场地软土地基容许承载力为3040kPa,而实际采用57kPa进行设计,形成地基土较大的塑性区,震前沉降达2585cm,倾斜最大达19.8%,地震时在静荷载与地震作用力共同作用下,引起塑性区进一步开展,土体震陷。1976年唐山地震时,天津市桩基建筑震陷量一般不超过1cm,其主要原因是天津软土层性质相对较好,桩端进入较好持力层所致。(2)软硬土层交界面处基桩的破坏 唐山地震中,采煤井多在810m处开裂。经调查在该地区,地层上下均为砂层,811m间有一层粉质粘土层,据华北勘察院资料,
21、砂的波速实测为330525m/s,粉质粘土的波速实测为245293m/s,二者相差较大,在地面运动过程中,会对井筒产生反复作用,致使井筒局部开裂。如图,为新泻地震中开挖调查的基桩破坏之一。该承台埋深约1.7m,桩长约11m,桩端持力层在中密的砂层上,在距承台下3m左右的松散砂层中夹着一层稍密砂,距承台下8m左右的稍密砂层中夹着一侧松散砂,震害表明,在这些N值突变的地方,基桩发生了弯剪破坏。基桩桩身破坏基桩桩身破坏 根据基桩在分层土体中地震响应的初步研究,在土层水平刚度突变处,桩身弯、剪应力加大,因此在这些部位应加强箍筋和纵筋的配置。日本阪神地震后集中对施工中的基桩震害进行调查,结果发现,那些还
22、没有施工承台的基桩,其桩身也有震害,如图,显然,桩身的裂缝是由于土层位移所致,与上部结构惯性力无关。尚未施工承台的桩身破坏尚未施工承台的桩身破坏(3)桩顶破坏桩顶与承台连接形式一般为桩顶嵌入承台深度510cm,桩顶钢筋锚入承台35倍钢筋直径,这种连接呈非理想嵌固状态。在水平地震作用下,桩顶承载力水平剪力和固端弯矩,弯剪应力集中,首先在连接处形成塑性铰。对于荷载大重心高埋深较浅的桩基,桩顶受循环作用的压、拔、弯、剪应力,导致出现桩顶混凝土压碎、钢筋压曲、钢筋拉脱、剪损等破坏形式,如图左2为灌注桩,右2为管桩。(4)承台震害1995年阪神地震之前,世界各国对承台的震害调查资料相当缺乏,人们对承台在
23、地震下的工作性状也了解甚少;阪神地震后,对承台震害做了专门调查和研究,发现承台在地震下也能破坏,下面介绍两例。实例1:柱下多桩承台的震害该工程为住宅楼,钢混凝土组合结构,无地下室,PC桩基础,桩长不明,桩径600mm,承台埋深2.25m,地上11层,1987年竣工。本次调查其中的A、B两栋。基础平面图基础平面图 场地土层柱状图场地土层柱状图 BX1与与BY1轴相交处承台破坏详图轴相交处承台破坏详图 BY1轴承台拉梁破坏详图轴承台拉梁破坏详图 实例2:单柱单桩承台与连梁的震害该工程为住宅楼,钢筋混凝土框架结构,无地下室,钢筋混凝土灌注桩基础,桩长不明,桩径1200mm1400 mm,承台埋深2.
24、2m,地上8层,1979年竣工。基础平面图基础平面图 基础立面图基础立面图 2、液化土中桩基的震害(1)液化而无侧扩情况下的震害 1)日本新瀉地震,采用短桩基础的多层公寓楼,因地基土液化而整体倾覆失稳,房屋倾斜达80(a)。2)震后数小时至一、二天后,带有超静水孔压的液化土冲破覆盖层,形成喷水冒砂现象,潜存于液化土中的能量释放后,土颗粒开始沉淀,出现土体再固结,对基桩产生负摩阻力形成下拉荷载,桩基由低承台演变为高承台,桩基的竖向承载力和水平承载力均大幅降低,桩基出现整体下沉(b)。(a)(b)3)同一桩基中悬置于液化土中的短桩失效引发偏沉导致长桩折断 下图所示天津散装糖库桩基,柱下4桩独立桩基
25、一侧的桩长为18m,另一侧桩长为9m、12m,液化土层深度下界为15m。液化后,导致悬置于液化土层中的9m、12m桩承载力失效而偏沉,进入稳定土层的18m长桩负荷加大且承受偏心弯矩而折断。由此可见,桩端进入液化土层以下稳定土层足够深度是必要的,更应避免同一基础下部分桩悬置于液化土层中。4)液化土层中桩基的地面单侧堆载 左图所示天津钢厂柱基地面,单侧堆载导致液化土产生侧向推挤而致桩身折断。5)液化而无侧向扩展地基土中的基桩,由于侧向土体约束衰弱,完全靠桩身抵抗地震作用,因此桩顶受压破坏严重。(a)PC桩纵筋筋压屈屈 (b)PHC桩头压碎碎3、液化侧扩地基上桩基的震害液化且有侧向扩展的情况,不仅导
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