張乃瑞樁基工程差異沉降分析方法簡介

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1、 對于此類建筑規范要求采用共同作用分析方法進行設計和驗算變形。對于此類建筑規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。設計的關鍵。規范提供的沉降分析方法不能滿足設計要求；規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，規范只是原則規定應按地區經驗根據共同作需要以控制沉降進行樁基設計時，規范只是原則規定應按地區經驗根據共同作 用方法確定樁土荷載分配；用方法確定樁土荷載分配；迫切迫切需要尋求一種符合北京地區工程地質條件和用樁特點，既能反映上

2、部結需要尋求一種符合北京地區工程地質條件和用樁特點，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，又經過工程實測驗構、承臺、土、樁共同作用以及樁土荷載傳遞與變形特性，又經過工程實測驗 證的樁基沉降分析方法，滿足高層或高低層建筑設計需要。證的樁基沉降分析方法，滿足高層或高低層建筑設計需要。QB434002085158038003800760030400380038003800380038003800380038007600760076007600QB19QB1622002200220080022008002200QB21QB20QB15QB18QB17QB14QB13(標桿

3、長4米)QB12(標桿長6米)QB10QB5QB6QB2QB4QB9QB8QB3QB7QB1QB11D6M6D3M3M1D1 鋼筋混凝土鉆孔灌注樁鋼筋混凝土鉆孔灌注樁)3.08（6樁）或樁）或4.35（3樁）樁）砂質粉土、粘質粉土砂質粉土、粘質粉土 2.70m2.70m粘質粉土粘質粉土 1.20m1.20m粉土、砂質粉土粉土、砂質粉土 1.00m1.00m粉質粘土粉質粘土 2.20m2.20m粘質粉土粘質粉土 1.20m1.20m 園園 礫礫 3.70m3.70m粉質粘土、粘質粉土粉質粘土、粘質粉土 1.10m1.10m粘質粉土粘質粉土 0.60m0.60m Es=8.0 MPaEs=8.0

4、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=13.0 MPa基底下厚度基底下厚度 常規距徑比時，分擔比為常規距徑比時，分擔比為24%25%，距徑比加大到距徑比加大到4.35，分擔比為分擔比為35%38%。證明在碎石。證明在碎石類土作為樁端持力層的中長樁，也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。能利用承臺底土的承載作用。資資 料料單樁與群樁不同，由于群樁的單樁與群樁不同，由于群樁

5、的“增增強效應強效應”，使，使群樁端阻比單樁大群樁端阻比單樁大。端阻比與距徑比有關端阻比與距徑比有關，距徑比越小，距徑比越小，群樁的群樁的“增強效應增強效應”越明顯，越明顯，端端阻比越大。阻比越大。證明支承在碎石類土上的證明支承在碎石類土上的中長樁為端承摩擦樁中長樁為端承摩擦樁M1D6“倒梯形倒梯形”分布分布“正梯形正梯形”分布分布樁身壓縮與樁頂荷載關系曲線樁身壓縮與樁頂荷載關系曲線樁身樁身 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，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，必故樁與土間的沉降差越來越大，必產生刺入變形產生刺入變形

6、。對于剛性樁說來，。對于剛性樁說來，刺入刺入變形是承臺底土分擔荷載的條件變形是承臺底土分擔荷載的條件。承臺底土=樁頂樁端樁端面土M3M6v 與天然地基相似，呈與天然地基相似，呈“馬鞍馬鞍”形分布，外緣大中間小。形分布，外緣大中間小。v 隨荷載加大，反力向內部轉移。隨荷載加大，反力向內部轉移。v 樁的存在影響局部，樁距小分布曲線不如樁距大的光滑。樁的存在影響局部，樁距小分布曲線不如樁距大的光滑。1.1.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，可充分發揮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。樁間土的承載作用，沉降分析應考慮

7、承臺底土反力的影響。2.2.樁端處存在刺入變形，在分析方法中應考慮樁端刺入變形。樁端處存在刺入變形，在分析方法中應考慮樁端刺入變形。3.3.群樁側阻力沿樁身分布與單樁不同，呈正群樁側阻力沿樁身分布與單樁不同，呈正梯形分布趨勢，證明梯形分布趨勢，證明采采用用GeddesGeddes積分公式是可行的。積分公式是可行的。4.4.承臺底反力基本上呈承臺底反力基本上呈“馬鞍馬鞍”形分布，只是在樁周附近出現局部形分布，只是在樁周附近出現局部異常，可按天然地基的方法計算反力，再作局部修正。異常，可按天然地基的方法計算反力，再作局部修正。5.5.5.5.5.5.為碎石類土上群樁的承載力設計提供了群樁效應系數參

8、考值。為碎石類土上群樁的承載力設計提供了群樁效應系數參考值。為碎石類土上群樁的承載力設計提供了群樁效應系數參考值。為碎石類土上群樁的承載力設計提供了群樁效應系數參考值。為碎石類土上群樁的承載力設計提供了群樁效應系數參考值。為碎石類土上群樁的承載力設計提供了群樁效應系數參考值。6.6.6.6.6.6.獲得群樁對周圍土的影響范圍約為獲得群樁對周圍土的影響范圍約為獲得群樁對周圍土的影響范圍約為獲得群樁對周圍土的影響范圍約為獲得群樁對周圍土的影響范圍約為獲得群樁對周圍土的影響范圍約為1.2Bc1.2Bc1.2Bc1.2Bc1.2Bc1.2Bc，造成的豎向位移不大。，造成的豎向位移不大。，造成的豎向位移

9、不大。，造成的豎向位移不大。，造成的豎向位移不大。，造成的豎向位移不大。7.7.7.7.7.7.樁間土壓縮比例比軟土地區大，是支承在粗顆粒土的端承摩擦群樁間土壓縮比例比軟土地區大，是支承在粗顆粒土的端承摩擦群樁間土壓縮比例比軟土地區大，是支承在粗顆粒土的端承摩擦群樁間土壓縮比例比軟土地區大，是支承在粗顆粒土的端承摩擦群樁間土壓縮比例比軟土地區大，是支承在粗顆粒土的端承摩擦群樁間土壓縮比例比軟土地區大，是支承在粗顆粒土的端承摩擦群樁的變形特點。樁的變形特點。樁的變形特點。樁的變形特點。樁的變形特點。樁的變形特點。采用基礎（承臺）采用基礎（承臺）樁樁土土共同作用共同作用方法；方法；兩種節點兩種節點

10、類型（土節點、樁節點），適應樁基與天然地基共同分析的需要；類型（土節點、樁節點），適應樁基與天然地基共同分析的需要；基礎采用基礎采用梁板有限元法梁板有限元法建立基礎剛度矩陣建立基礎剛度矩陣；地基采用以地基采用以彈性理論彈性理論為基礎的為基礎的分層總和法分層總和法：采用采用Geddes積分式和積分式和Bussinesq 積分式計算地基應力；積分式計算地基應力；考慮節點之間相互影響以及樁與承臺土荷載分擔作用；考慮節點之間相互影響以及樁與承臺土荷載分擔作用；一個樁節點代表一個群樁，一個樁節點代表一個群樁，樁土體系采用樁土體系采用考慮考慮樁端刺入變形的樁端刺入變形的Per Per 模型模型，并求，并求

11、解分擔解分擔 比和樁阻力分配系數；比和樁阻力分配系數；刺入變形刺入變形參數按參數按統計公式計算確定；統計公式計算確定；擬合施工過程擬合施工過程分階段分階段計算，并采用計算，并采用非耦合逐次逼近法非耦合逐次逼近法求解節點位移和其他的階段結果，最后求解節點位移和其他的階段結果，最后 各階段累加。各階段累加?？紤]因素：考慮因素：荷載不均荷載不均 樁間與樁端土層分布樁間與樁端土層分布 樁、土及承臺共同工作樁、土及承臺共同工作 承臺底土荷載分擔作用承臺底土荷載分擔作用 刺入變形刺入變形 基礎剛度變化基礎剛度變化 樁基與天然地基傳力不同樁基與天然地基傳力不同 樁距與樁長變化樁距與樁長變化 施工因素施工因素

12、 Nb=Np+Ns Na=Nb+Nw Nq Nc 板元（矩形、三角形）板元（矩形、三角形）+梁元梁元12.Np.Np+Ns.樁基部分樁基部分天然地基部分天然地基部分外荷部分外荷部分Nw.12Np+1.樁節點樁節點 i土節點土節點 j RiFiRjFj基礎（承臺）基礎（承臺）樁土體系或天然地基樁土體系或天然地基 Pj1.i NZj單樁臺單樁臺 i 荷載：荷載：Pi =P/NZj =Pc+Pt承臺底：承臺底：Pc=Per Pi樁樁 頂：頂：Pt=Pus+Pb =（1-Per）Pi樁樁 側：側：Pus=Pu+Ps樁樁 端：端：Pb=PtPus=Pu+PsPu=PtPs=(1-)PtPtPbPusPs

13、 PuKpSa12PusPbPcPi 當當Pb Pbcr 時才產生刺入變形，時才產生刺入變形，K、b是刺入變形參數。是刺入變形參數。Pbcr K、b是通過是通過2020根有樁端阻力測試的單樁靜載荷試驗資料分析獲得的根有樁端阻力測試的單樁靜載荷試驗資料分析獲得的 經驗式確定。經驗式確定。Pbcr K、b與樁端和樁側土壓縮模量比與樁端和樁側土壓縮模量比（Eb/Es）、樁端虛土厚度與直徑樁端虛土厚度與直徑 比（比（t/d）、樁長徑比、樁長徑比（L/d）、樁周填土厚度與樁長比、樁周填土厚度與樁長比（tt/L）有關。有關。刺入變形公式刺入變形公式b1tOkPCe1S)P(P1)P(PP/PCebcrbb

14、crbbbcrCe 臨界端阻力與端阻力比例系數P bP b c rP b=P b c r+k So bS o（臨界端阻力）求求 求求 以上階段反力作為計算反力以上階段反力作為計算反力假設反力假設反力形成基礎剛度矩陣形成基礎剛度矩陣K求極限端阻力求極限端阻力輸入數據輸入數據求求求求形成位移系數矩陣形成位移系數矩陣解方程得節點位移解方程得節點位移求基礎內力和反力求基礎內力和反力重新假設反力重新假設反力終止終止輸出輸出將各階段計算結果累加將各階段計算結果累加有否下有否下階段？階段？輸出本階段計算結果輸出本階段計算結果反力比較反力比較節點類型節點類型注注:1.沉降欄中白色數字為計算值沉降欄中白色數字為

15、計算值,黃色或紅色數字為終止實測值黃色或紅色數字為終止實測值.2.終止沉降觀測時已滿足穩定條件（終止沉降觀測時已滿足穩定條件（1mm/100d)，個別工程尚未穩定即終止觀測，其實測沉降為紅色數字。，個別工程尚未穩定即終止觀測，其實測沉降為紅色數字。計算實測工程名稱與部位工程名稱與部位實測平實測平均沉降均沉降(cm)計算平均沉降計算平均沉降(cm)計算與實測沉降比計算與實測沉降比樁規樁規上規上規高規高規本文方法本文方法 樁規樁規上規上規高規高規本文方法本文方法 發展大廈寫字樓發展大廈寫字樓4.5510.1317.471.624.772.23.80.41.0昆侖飯店高層昆侖飯店高層6.689.85

16、16.171.626.921.52.40.21.0北京保信高層北京保信高層3.058.3512.832.103.282.74.20.71.1盛福大廈高層盛福大廈高層2.8912.1220.003.183.034.26.91.11.0燕山大酒店西高層燕山大酒店西高層2.055.368.401.292.362.64.10.61.2各工程樁基部分用不同方法計算沉降的結果比較表各工程樁基部分用不同方法計算沉降的結果比較表l”上規“上海市標準“地基基礎設計規范（DBJ08-89）l”高規“國家行業規范高層建筑巖土工程勘察規范（JGJ72-90）l”樁規“國家行業規范建筑樁基技術規范（JGJ94-94）注

17、：計算平均沉降（cm）“上規上規”“樁規樁規”本文方法本文方法 “高規高規”“樁規樁規”和和“上規上規”實測值實測值(比為比為1.54.2和和2.46.9)“高規高規”實測（比為實測（比為0.21.1)本法略大于實測（比為本法略大于實測（比為1.01.2）202030405020計算沉降等沉線實測沉降等沉線一、發展大廈一、發展大廈504030201050403020計算沉降等沉線計算沉降等沉線實測沉降等沉線實測沉降等沉線 404060408060406040608040604060202025.0020.0025.0035.0030.0025.0040.0015.0010.0020.0030.

18、0025.0035.0040.00計算沉降等沉線計算沉降等沉線實測沉降等沉線（未穩）實測沉降等沉線（未穩）40353025353025204020254030201030302010101525252525202025515101520253030353540205101015 10152025303530252015105計算沉降等沉線計算沉降等沉線實測沉降等沉線實測沉降等沉線15252535540152515251555153525352515352520.0020.0010.0015.0015.0010.0015.0015.0020.0020.0025.0015.0025.0015.00

19、20.0025.00計算沉降等沉線計算沉降等沉線實測沉降等沉線實測沉降等沉線 高層高層樁基樁基（預制樁）（預制樁）實測沉降：實測沉降：1.362.60cm 計算沉降計算沉降:2.142.70cm 裙房裙房天然地基天然地基 實測沉降：實測沉降：1.152.19cm 計算沉降計算沉降:1.392.75cm2020202015151515202020201515252520202525202015151515202040.0040.0045.0055.0050.0060.0045.0045.0045.0035.0035.00計算沉降等沉線計算沉降等沉線實測沉降等沉線實測沉降等沉線 15號公寓號公寓4

20、040454535353535404045454545部分部分16號公寓號公寓計算沉降等沉線計算沉降等沉線實測沉降等沉線實測沉降等沉線 層層 數數:16:16層層 樁基類型：樁基類型：鉆孔灌注樁（鉆孔灌注樁（d=400 d=400 mm,L=10,L=10 m，條形承臺，中粗砂，條形承臺，中粗砂)沉沉 降降:計算值計算值 1.581.582.46 2.46 cm;實測值實測值 2.142.143.19 3.19 cm 1818202022222424232322222323222220202222242422222424202020202020222220202.502.002.001.502

21、.502.002.003.002.503.003.50計算沉降等沉線計算沉降等沉線實測沉降等沉線實測沉降等沉線 層層 數數:4層層 樁基類型：樁基類型：鉆孔灌注樁（鉆孔灌注樁（d=400 mm，L=9.35 m，條形承臺，粉細砂，條形承臺，粉細砂)沉沉 降降:計算值計算值1.293.68 cm；實測值；實測值1.132.00 cm1.51.51.51.52.02.01.51.53.03.03.53.52.52.52.02.02.02.02.52.53.03.02.52.52.02.02.52.53.03.02.02.01.51.51.51.5計算沉降等沉線計算沉降等沉線實測沉降等沉線實測沉降等

22、沉線2020303020201010101020202020303035354040252530302020151525251515202010102020*工程工程名稱名稱單樁極限單樁極限承載力承載力(kN)端惻模端惻模量比量比Eb/Es距徑比距徑比Sa/d長徑比長徑比L/d側阻平均側阻平均分配系數分配系數土平均土平均分擔比分擔比Per平均樁端平均樁端阻力系數阻力系數平均樁間平均樁間土壓縮比土壓縮比單樁樁頂反力單樁樁頂反力平均值平均值 (kN)安全系數安全系數發展大廈發展大廈20003.444.2300.30.370.290.467192.8昆侖飯店昆侖飯店25002.363.325300.

23、40.240.180.417773.2北京保信北京保信70001.763.613140.40.470.290.3222131.6盛福大廈盛福大廈85002.554.812140.30.560.270.5336382.34燕山大酒店燕山大酒店12003.593.314190.40.200.220.360.320.413245032.43.7外交公寓外交公寓8002.072.820220.40.220.280.202533.2國管局住宅國管局住宅11001.782.2250.40.090.140.774882.3中醫醫學院中醫醫學院6403.112.8230.40.110.350.652342.7

24、情況綜合情況綜合 8008500 1.763.59 2.24.812300.30.4 0.090.56 0.140.36 0.200.772.331.6 距徑比越大，承臺底土荷載分擔比越大。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，端阻力分配系數越大。樁端與樁側土模量比越大，端阻力分配系數越大。不少工程樁的承載力安全系數很大，還有潛力。不少工程樁的承載力安全系數很大，還有潛力。端阻力系數隨模量比變化端阻力系數隨模量比變化分擔比隨距徑比變化分擔比隨距徑比變化拉大拉大 樁距樁距Sa/d=4.02常規常規Sa/d=3.08國家管理局沉降與樁數曲線國家管理局沉降與樁數曲線 PSFIA

25、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，故異沉降的問題，為現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 具有良好的具有良好的社會效益社會效益。PSFIA方法為北京和與北京同類地質條件地區實現樁基的變形控制設計提供條件，這樣方法為北京和與北京同類地質條件地

26、區實現樁基的變形控制設計提供條件，這樣 可以大大節約資金，獲得明顯的可以大大節約資金，獲得明顯的經濟效益。經濟效益。v 16層 面積20m30m 直徑400mm 長度10m 鉆孔灌注樁41%u 距徑比由距徑比由3加大到加大到4,可減少樁數約可減少樁數約 .1.1.由于由于PSFIAPSFIA方法是一種樁方法是一種樁土土基礎（承臺）共同作用的分析方法，并采用基礎（承臺）共同作用的分析方法，并采用Per-Per-樁土體系的計算模型和分層總和法，考慮了承臺剛度、承臺底土分擔荷載、樁土體系的計算模型和分層總和法，考慮了承臺剛度、承臺底土分擔荷載、樁端產生刺入變形、群樁效應等諸多因素對沉降的影響，所以能

27、夠很好反映荷樁端產生刺入變形、群樁效應等諸多因素對沉降的影響，所以能夠很好反映荷載不均、地層多變、基礎或承臺剛度變化、樁間距不一、樁長和持力層不同等載不均、地層多變、基礎或承臺剛度變化、樁間距不一、樁長和持力層不同等情況下樁基工程的沉降分布。另外，通過設置兩種節點和根據施工后澆縫澆注情況下樁基工程的沉降分布。另外，通過設置兩種節點和根據施工后澆縫澆注前后荷載與基礎剛度的變化情況分階段計算，來分析高層采用樁基、低層采用前后荷載與基礎剛度的變化情況分階段計算，來分析高層采用樁基、低層采用天然地基時建筑沉降分布，以獲得高低層差異沉降情況。所以該方法可以適應天然地基時建筑沉降分布，以獲得高低層差異沉降

28、情況。所以該方法可以適應現代高層和高低層建筑樁基設計的需要?，F代高層和高低層建筑樁基設計的需要。2.2.用一個樁節點代表其周圍的一群樁，避免了一樁一節點地分析計算，可大大減用一個樁節點代表其周圍的一群樁，避免了一樁一節點地分析計算，可大大減少計算工作量，是一種簡便實用的樁基沉降分析方法，符合工程快速分析的要少計算工作量，是一種簡便實用的樁基沉降分析方法，符合工程快速分析的要求。求。3.3.PSFIAPSFIA方法是針對北京地區的工程地質條件和常用樁的類型，以典型場地內的足方法是針對北京地區的工程地質條件和常用樁的類型，以典型場地內的足尺群樁試驗與大量單樁試驗的測試資料為依據，根據測試所獲得的規

29、律確定計尺群樁試驗與大量單樁試驗的測試資料為依據，根據測試所獲得的規律確定計算假設和模型，并獲得刺入變形參數的經驗公式和經驗修正系數，故而該方法算假設和模型，并獲得刺入變形參數的經驗公式和經驗修正系數，故而該方法包含了大量的地區經驗。包含了大量的地區經驗。4.4.通過具有實測沉降資料的通過具有實測沉降資料的9 9個工程驗算表明，采用個工程驗算表明，采用PSFIAPSFIA方法進行沉降分析能獲得方法進行沉降分析能獲得與實測接近沉降量和沉降分布趨勢，因此具有一定的可靠性，其結果可以作為樁與實測接近沉降量和沉降分布趨勢，因此具有一定的可靠性，其結果可以作為樁基工程設計的依據?；こ淘O計的依據。5.5.由于由于PSFIAPSFIA是建立在考慮承臺底土承擔部分荷載的基礎上的沉降分析方法，可獲是建立在考慮承臺底土承擔部分荷載的基礎上的沉降分析方法，可獲得不同距徑比時的較切實際的沉降情況，為推動北京地區實現樁基的變形控制設得不同距徑比時的較切實際的沉降情況，為推動北京地區實現樁基的變形控制設計提供手段，在適當加大沉降的情況下，減少工程用樁，以獲得較好的經濟效益。計提供手段，在適當加大沉降的情況下，減少工程用樁，以獲得較好的經濟效益。