张乃瑞--桩基工程差异沉降分析方法简介.ppt

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1、,桩基工程差异沉降分析方法简介,（上海研讨会）,北京市勘察设计研究院 张乃瑞 2003.12.,介绍提纲,一、 PSFIA方法研制背景 二、 现场足尺静载荷试验的主要结论 三、 PSFIA方法的要点 四、 工程分析检验 五、 结 束 语,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；

2、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。,PSFIA方法研制背景,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。,PSFIA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，检验持力层选取和布桩方案的合理性； 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； 在变形控制的前提下，充分利用桩与桩

3、间土承载能力，实现变形控制设计；,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。,足尺试验平面布置,占地面积 约 600 m2 试验数量 2组（单 + 3桩群 + 6桩群 ）共 6个 桩 类 型 钢筋混凝土钻孔灌注桩 桩 径 400 mm 桩 长 10 m（L/d= 25 ) 桩 数 20根（试

4、桩12） 距 径 比 3.08（6桩）或4.35（3桩） 承台直径 底径3.40 m 、上径1.20 m、高1.40 m 埋深 1.30 m 锚 桩 数 8根（多支盘桩）,测试项目 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 锚桩周围土变 形、承台顶位移 测试元件和标点 共 240 个 应力计 144个 应变仪 30个 压力盒 26个 荷载传感器 10个 深标点 12个 浅标点 18个 （位移传感器 、 千分表 ）,试验现场,承台底埋设测试元件,承台底土荷载分担比,各试验荷载分担比值,常规距径比时，分担比为24%25%， 距径比加大到4.35，分担比为35%38%。证明在碎石

5、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,随荷载增加到一定值后，增加不明显 距径比大 距径比小 摩檫 端承摩檫,一般变化范围 10%70% 上 海 地 区 12%26% (L/d25,S/d=3.16.6),资 料,端阻力比随荷载变化,单桩与群桩不同，由于群桩的“增强效应”，使群桩端阻比单桩大。 端阻比与距径比有关，距径比越小，群桩的“增强效应”越明显， 端阻比越大。,桩 端 阻 比,端阻力 比 值,证明支承在碎石类土上的中长桩为端承摩擦桩,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；群桩由于“群桩效应”和承台对浅部侧阻的“削弱效应”

6、，使桩的下部增长比上部快。 群桩的侧阻分布可近似看作正梯形分布。 均匀分布的侧组比约为20%60% （即=0.20.6）。,桩侧阻力沿桩身分布,M1,D6,单桩 “倒梯形”分布,群桩 “正梯形”分布,桩身压缩与桩顶荷载关系曲线,桩身压缩与荷载呈线形关系 弹性变形 桩身压缩量都不大(1.3mm3mm) 可忽略不计,桩 身 压 缩,不同深度桩间土变形随荷载变化曲线,桩间土竖向变形,D3、D6,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。,M3,M6,与天然地基相似，呈“马鞍”形分布，外缘大

7、中间小。 随荷载加大，反力向内部转移。 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,试验与测试的主要结论,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。 桩端处存在刺入变形，在分析方法中应考虑桩端刺入变形。 群桩侧阻力沿桩身分布与单桩不同，呈正梯形分布趋势，证明采用Geddes积分公式是可行的。 承台底反力基本上呈“马鞍”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。 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。 获得群桩对周围土的影响范围约为1.2Bc，造成的竖向

8、位移不大。 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。,PSFIA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 模型，并求解分担 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

9、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,PSFIA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,计算节点 Nb= Np+Ns 加 荷 点 Na=Nb+Nw 地层分区 Nq 地基分层 Nc 基础单元 板元（矩形、三角形）+ 梁元,基 础 （有限元） K = F - R 地 基 （弹性理论、桩土体系 Per 模型、刺 入变形、两种节点相互影响、 分层总和法） R = K s s 地基与基础基本方程（共同作用原理） ( K + K s )

10、 = F ,基本方程,1、同节点内各单桩台荷载相同， 荷载传递特性相同 。 2、分担比与阻力分配系数只与本点承台与桩的几何尺寸、土层、荷载有关。 3、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。 4、单桩荷载由单承台底土反力、桩侧阻力和端阻力共同承担，侧阻力为 梯形分布。 5、桩顶沉降由桩身压缩、桩端以下土的沉降以及桩端刺入变形组成。 6、承台底土和桩端以下土的沉降用分层总和法计算，分别用 Bus.和 Ged.式计算应力。,桩土体系 Per 模型示意图,j 节点群桩,单桩台 i,侧阻力分布,单桩台桩,承台两点 S1=S2,Pus=Pu+Ps Pu= Pt Ps=(1-

11、- ) Pt,Per 模型用来确定各桩节点承台土分担比和桩端阻力分配系数,主要假设,桩数,桩端刺入变形,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20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/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,PSFIA方法程序流程图,输入数据,FORTRAN 语言 1个主程序 + 43 个子程序 非耦合逐次逼近法 分阶段计算

12、,桩基工程主要情况,建筑数量 9个 建筑性质 公寓、住宅、饭店以及综合性公共建筑 6个高低层 3个单体建筑 地 基 单桩基：3个 桩+天然：5个 天然：1个 基 础 箱筏、条形或独立基础（承台） 层 数 高层为1432层 低或多层46层 上部结构 高层剪力墙或框架剪力墙结构 低层框架结构 个别多层混合结构 基底埋深 2.2m16.8m。 平均荷载 高层：359kPa534kPa 低层：83 kPa 283 kPa左右 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,桩 类 型 予应力管桩 予制桩 钻孔灌注桩 后压浆钻孔桩 桩端持力层 砂或卵石层,建筑物概况,桩 径 280 1

13、000mm 桩 长 4.8 14.0m 距径比 2.23 4.77 长径比 12 30,桩基情况,PSFIA法计算与实测沉降比较,注: 1. 沉降栏中白色数字为计算值,黄色或红色数字为终止实测值. 2. 终止沉降观测时已满足稳定条件（1mm/100d)，个别工程尚未稳定即终止观测，其实测沉降为红色数字。,计算,实测,PSFIA法计算与实测比较,天然地基部分,桩 基 部 分,PSFIA法与其他常规简化方法比较,各工程桩基部分用不同方法计算沉降的结果比较表,计算平均沉降（cm）,各种方法计算与实测 沉降比较图,“上规” “桩规” 本文方法 “高规” “桩规”和“上规” 实测值 (比为1.54.2和

14、2.46.9) “高规” 实测（比为0.21.1) 本法略大于实测（比为1.01.2）,工程实测与计算沉降分布,一、发展大厦,写字楼 （2022层）,裙房 （2层）,50,40,30,20,10,50,40,30,20,工程实测与计算沉降分布,高层 （26层）,裙房 （2层）,二、昆仑饭店,40,40,60,40,80,60,40,60,40,60,80,40,60,40,60,20,20,工程实测与计算沉降分布,三、北京中保信,高层 （2232层),4层裙房 或纯地下,40,35,30,25,35,30,25,20,40,20,25,40,30,20,10,30,30,20,10,10,15

15、,25,25,25,25,20,工程实测与计算沉降分布,四、盛福大厦,高层 （25层）,纯地下,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,高层桩基 （预制桩） 实测沉降：1.362.60cm 计算沉降: 2.142.70cm 裙房天然地基 实测沉降：1.152.19cm 计算沉降: 1.392.75cm,工程实测与计算沉降分布,20,20,15,15,20,20,15,25,20,25,20,15,15,20,西高层 （17层）,东高层 （17层）,裙房 （2层）,工程实测与计算沉降分布,15号公寓

16、14层 桩基（预制桩） 沉 降：计算 3.164.97cm 实测 3.244.96cm 16号公寓 14层 天然地基,六、外交公寓,15号公寓,40,45,35,35,40,45,45,部分16号公寓,七、国家管理局住宅,层 数: 16层 桩基类型： 钻孔灌注桩（d=400 mm,L=10 m，条形承台，中粗砂) 沉 降: 计算值 1.582.46 cm; 实测值 2.143.19 cm,工程实测与计算沉降分布,18,20,22,24,23,22,23,22,20,22,24,22,24,20,20,20,22,20,八、中国医学院住宅,层 数: 4层 桩基类型： 钻孔灌注桩（d=400 mm

17、，L=9.35 m，条形承台，粉细砂) 沉 降: 计算值1.293.68 cm；实测值1.132.00 cm,工程实测与计算沉降分布,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,工程实测与计算沉降分布,九、电力部电网调控中心,高层 （2327层),20,30,20,10,10,20,20,30,35,40,25,30,20,15,低层 （6层),25,15,低层 （6层),20,10,20,*,各工程分担比、端阻系数、桩间土压缩比及桩顶荷载,距径比越大，承台底土荷载分担比越大。 桩端与桩侧土模量

18、比越大，端阻力分配系数越大。 不少工程桩的承载力安全系数很大，还有潜力。,端阻力系数随模量比变化,分担比随距径比变化,沉降与桩数关系曲线,国家管理局沉降与桩数曲线,PSFIA方法能较好地估算桩基工程沉降，尤其是部分采用桩基、部分采用天然地基高低 层建筑的沉降分布，解决了原来桩基沉降量估算与实际出入很大、又无法估计高低层差 异沉降的问题，为现代建筑物地基与基础方案的合理选择及桩基础设计提供了手段，故 具有良好的社会效益。 PSFIA方法为北京和与北京同类地质条件地区实现桩基的变形控制设计提供条件，这样 可以大大节约资金，获得明显的经济效益。,16层 面积20m30m 直径400mm 长度10m

19、钻孔灌注桩,41%,距径比由3加大到4, 可减少桩数约 .,结 束 语,由于PSFIA方法是一种桩土基础（承台）共同作用的分析方法，并采用Per-桩土体系的计算模型和分层总和法，考虑了承台刚度、承台底土分担荷载、桩端产生刺入变形、群桩效应等诸多因素对沉降的影响，所以能够很好反映荷载不均、地层多变、基础或承台刚度变化、桩间距不一、桩长和持力层不同等情况下桩基工程的沉降分布。另外，通过设置两种节点和根据施工后浇缝浇注前后荷载与基础刚度的变化情况分阶段计算，来分析高层采用桩基、低层采用天然地基时建筑沉降分布，以获得高低层差异沉降情况。所以该方法可以适应现代高层和高低层建筑桩基设计的需要。 用一个桩节

20、点代表其周围的一群桩，避免了一桩一节点地分析计算，可大大减少计算工作量，是一种简便实用的桩基沉降分析方法，符合工程快速分析的要求。 PSFIA方法是针对北京地区的工程地质条件和常用桩的类型，以典型场地内的足尺群桩试验与大量单桩试验的测试资料为依据，根据测试所获得的规律确定计算假设和模型，并获得刺入变形参数的经验公式和经验修正系数，故而该方法包含了大量的地区经验。,结 束 语,通过具有实测沉降资料的9个工程验算表明，采用PSFIA方法进行沉降分析能获得与实测接近沉降量和沉降分布趋势，因此具有一定的可靠性，其结果可以作为桩基工程设计的依据。 由于PSFIA是建立在考虑承台底土承担部分荷载的基础上的沉降分析方法，可获得不同距径比时的较切实际的沉降情况，为推动北京地区实现桩基的变形控制设计提供手段，在适当加大沉降的情况下，减少工程用桩，以获得较好的经济效益。,北京市勘察设计研究院 2002.12.,谢谢!,