复合桩基专题.docx

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复合桩基专题

第二章桩土共同作用的工程实用方法

——复合桩基设计方法

2.1引言

桩土共同作用问题一直受到岩土界同行的重视，是基础工程设计中人们经常反复讨论、反复争论的一个热点。

该课题的研究，大体上经历下面几个阶段。

一、在三四十年代，上海地区的桩基础设计实际上都考虑桩土的共同作用。

若基础以上总荷载为上部结构荷载NK和基础的自重GK之和，桩基设计时，先扣除桩承台底面下土反力后，余下的荷载，全部由桩承受，即桩的数量n按下式确定：

（2.1）

式中，NK——上部结构荷载标准值；

GK——基础自重标准值；

A——桩承台底面面积（或扣除桩面积后的底面净面积）；

fK——承台下地基土允许承载力，上海地区一般取80kPa；

Pa——单桩允许承载力。

上式也可写成：

（2.2）

或：

（2.3）

式中，Pu——单桩极限承载力；

fK——承台下地基土极限承载力；

K——总安全系数

（2.1）和（2.2）式是采用容许承载力的表达形式。

而（2.3）式是采用极限承载力和总安全度的表达形式。

在以后的章节中将详细说明（2.3）与（2.1）（2.2）式所表达意义的不同。

但以上三个公式表达的安全度是完全一致的。

这些在三四十年代建造的、考虑了桩和承台下土共同工作的桩基础的许多建筑经过六七十年后，至今依然完好。

调查表明，有些房屋甚至还“长高”了，即房屋的沉降小于周围的地面沉降。

例如，外滩的中国银行。

也有些房屋发现基础下面土与承台底面脱开。

当时的桩基设计资料中都没有沉降计算的内容。

二、五十年代以后，我国普遍采用的桩基设计是不考虑桩土共同作用的方法。

即：

（2.4）

（2.5）

（2.6）

同时对重要建筑物的桩基础，逐渐增加了要进行基础沉降验算的要求。

70年代，在上海地区的某筒仓，桩筏基础，平面尺寸为35.2m×69.4m，桩为45cm×45cm方桩，长30.7m，桩距为1.9m，共604根，一个半月打桩完毕。

地面隆起约50cm。

该筒仓竣工后4年，发现承台下的土面与承台底脱开，空隙达到15cm。

由此得出结论：

（1）认为不能考虑桩土的共同作用。

（2）认为土面与承台底脱开的原因是在软土地基上打桩速度过快，产生的地面隆起。

这两个结论笔者都不能赞同。

这在下文再进行讨论。

但是，所有人都承认：

与三、四十年代相比，桩基础设计的安全度是大大地提高了。

三、80年代初，上海华东电力设计院进行一系列关于桩与承台板共同作用的试验，提出桩土共同作用的非线性性质，明确地指出，可以将桩土共同作用分成两个阶段：

当桩顶上全部荷载小于各单桩极限承载力之和时，全部荷载可近似认为全部由桩承受；当桩顶上全部荷载大于或等于单桩极限承载力之和时，多余的荷载由承台下的土体承担，此时，承台下的土才真正参与共同作用。

四、在八、九十年代，同济大学赵锡宏课题组对高层建筑与地基基础（包括非线性）共同作用进行长期的理论和大量的现场试验研究工作。

九十年代起，管自立、刘惠珊等人从改进桩基础设计出发提出了“疏桩基础”的概念。

并进行了一系列的有意义的工程实践。

“建筑桩基技术规范”（JGJ94-94）中写入的复合桩基的计算方法，可惜受到弹性分析中“固定分担比”概念的影响，只做了若干个短期现场试验就做了结论。

五、八十年代起上海民用建筑设计院对桩基础长期沉降问题进行了大量的研究，在取得一系列成果的基础上又进行桩土共同作用的研究。

至1988年，已形成复合桩基设计方法的初步框架，开始在实际工程中应用。

结合实际工程又开展一系列复合桩基的实验研究和实际工程的长期监测。

加深了对桩土共同工作机理的认识，完善了“复合桩基”设计理论的表述。

十多年来，上海地区采用该设计概念进行设计的建筑早已超过300万平方米，节省大量投资，引起全国同行的重视。

上海地区已在多层建筑中普谝应用，同时开始应用于小高层和高层建筑。

国内其它地区，土质相对比上海软土好，多层房屋不需采用桩基，已将该方法用于高层建筑，取得满意的成效。

裴捷和宰金珉的博士论文分别对复合桩基在上海或国内其他地区的应用作了理论上的与工程实践上的总结和研究。

2.2复合桩基的基本概念和设计方法

在经过仔细观察、揣摩、分析和了解桩基沉降发生和发展的实际过程的基础上，在找到了一种能比较如实、比较精确的桩基沉降计算的经验方法的基础上；特别是在试验和长期思考的基础上，抛弃桩土弹性变形协调概念，将桩土共同工作的实际过程简化为桩顶荷载未超过和超过桩的极限承载力两个阶段。

这样，提出一种能充分反映桩土共同工作的客观过程，又能在工程中广泛应用的桩基础的实用设计方法——复合桩基的设计方法。

桩基础设计中强度条件与变形条件是相互独立的、且必须同时满足的条件。

这是结构设计中最基本的原则。

但是，在基础工程的设计中常常不遵循这一原则。

过去，因为桩基础的沉降计算方法不可靠，计算误差较大，无法直接用控制变形的方法满足变形条件。

只能将一切都通过强度条件来解决。

例如，发现桩基估算沉降值偏大，那就将单桩承载力的设计值取小一些，将变形条件变成了强度条件的附属品。

另一方面，有些研究人员在强调共同作用时，又常任意地降低强度条件，例如提出强度条件打九折，提出安全系数降低等。

也许这些研究者确有某些还表达不清的理由，但这一提法不妥当。

建筑物的总安全度是各国根据自己的技术、经济水平确定的，是各国技术法规中的基本内容，是不能随意改动的。

我们强调我国的基础设计总安全度不小于2，这原则必须严格遵守。

复合桩基的设计方法的基本概念归结为以下两点：

1、可以以变形条件作为控制条件，并直接以变形条件确定布桩数量。

研究表明，对于每一幢桩基础建筑，对于一种确定的桩型，都可以找到桩的数量与这幢建筑物沉降量之间的一条关系曲线（如图3.2.1）同时也可写成。

利用这条曲线，对于不同的沉降量控制值Sa，都可直接确定相应的用桩数量。

（2.7）

其中，为设计用桩量。

图2.1桩基沉降与桩数的关系

运用这一概念的前提是这条计算的曲线必须是能符合实际，并达到一定的精度要求。

在上海地区由于经多年的研究、大量的统计对比，已经得到了前述的这种较好的沉降计算经验修正系数。

又应用于大量工程实践，反复验证了这一方法的精度和可靠性。

因此在上海地区这一条基本概念在具体工程中应用时，得到了十分好的结果。

但是，离开上海到了其它地区，这一基本方法能否应用？

当然，这一概念肯定是可用的，这一曲线关系也是客观存在的。

关键是是否能通过计算真正得到这条曲线。

就目前土力学的研究水平，任何一种纯理论的方法都无法较准确地估算出这条曲线。

必须要掌握一定数量的同类型工程在同类地质条件下的桩基长期沉降观测资料，经过统计对比、分析、对计算参数的取值进行强制规定，并取得当地的经验修正系数。

只能用这种半经验的方法才能得到符合当地实际的沉降量与桩数的关系曲线。

我们必须强调的是：

上海的沉降计算经验修正系数只适合在上海应用，其他地区的经验方法和经验修正系数必须自己在当地找。

在没有找到自己的经验方法前，这一方法的应用要慎重。

2、可以以桩土共同工作的极限状态作为强度验算条件。

桩土共同作用是一个典型的非线性过程。

通过模型试验和现场的足尺试验（在下一节中将详细介绍）发现。

当在低承台摩擦桩基础上逐级加荷时，可以将桩土共同工作的过程简化为两个阶段：

第一阶段，当荷载较小，平均各桩桩顶的荷载小于单桩极限承载力时，承台底面的土压力很小，而且随着时间增长还有减小的趋势。

因此可以近似地认为，在第一阶段，荷载全部由桩承担。

第二阶段，当总荷载大于各桩极限承载力之和时，各桩可保持其极限承载力的值并随着荷载增加略有增加，其余增加的荷载几乎全部由土承受。

只有在第二阶段，承台下的土体才真正参加了共同承担上部荷载的工作。

在第二阶段最终，桩土共同工作的极限承载力不小于全部桩的极限承载力加上承台下全部土的极限承载力之和。

从上述简要描述也可以知道，桩土共同工作是一个复杂的过程，且在漫长的沉降发展过程中，桩与土中的应力状态还一直在变化。

要完全将这些细节全部了解清楚，并用一定的数学模式进行模拟，目前还很难完全做到。

正如前面已反复强调的，这一过程是无法用简单的弹性或弹塑性模型完全描述的。

但是桩土共同工作的最终极限状态却很容易表达：

桩土共同工作的极限承载力不小于全部桩的极限承载力加上承台下土的极限承载力的总和。

在工程实际应用中，可用这一极限状态作为强度验算的控制条件（即前文公式（2.3）：

（2.3）

复合桩基的基本概念很简单，设计时的控制方程仅（2.7）和（2.3）两个式子。

但在具体设计时，还应该注意到以下三点：

改变承台面积不满足

确定承台初步框算强度条件满足

形式埋深承台面积是否满足计算

荷载

确定桩型计算桩数确定变形条件完成

持力层沉降曲线桩数是否满足满足

改变桩型和持力层不满足

图2.2复合桩基优化过程框图

1）在具体的设计过程中，不可能一次就使强度和变形两个条件都恰好满足。

因此设计过程是一个优化过程：

第一步先确定桩尖持力层，桩型和单桩极限承载力，第二步是假定基础承台底面尺寸，第三步计算沉降与桩数的关系曲线，第四步验算整体强度。

根据第三、四步的计算结果返回到第一、第二步进行修正，再进行第三、第四步的计算，如此循环，以求相对最优的设计。

（计算流程如图2.2表示）

2）由于实际的桩土共同工作可简化为两个阶段，第一阶段由桩单独承受上部荷载，待到桩的荷载达到极限时进入第二阶段，桩向土中刺入，这时土才真正参加共同工作。

因此在计算沉降时，即在计算沉降与桩数的关系曲线时，必须注意到上述两阶段的变化：

当桩数比较多时，n较大，平均分配与各桩的荷载（N+G）/n小于单桩极限承载力，即。

这时基础沉降计算点应取在桩位处，基础沉降应等于桩尖的沉降量加上桩身材料的压缩，或者说应等于桩尖下土体的压缩量加桩尖刺入量再加桩身压缩。

当桩的数量n逐步减少时，每根桩上的受力将增大，当时，就进入了前述第二阶段。

由于各桩都先后达到极限，桩的沉降明显增大，桩向土刺入，土体才真正参加共同工作。

基础的沉降由承台下的土体所控制。

计算这时的基础沉降量，其计算点必然选择在桩与桩之间的土上。

基础沉降应等于承台底面以下土体的总压缩量，即桩尖平面以上桩间土体的压缩加上桩尖以下土体的压缩。

3）以上所述的都是沉降稳定以后的最终状态，所计算的沉降也是最终沉降量。

在长达近十年的沉降发展过程中，各不同时刻的桩土共同工作状态与我们估算的最终状态是有所不同的。

产生这一现象的主要原因是桩与桩之间的土体随着时间还会发生缓慢的变形（固结和流变）。

桩基承台一般是在土面上原槽浇筑的，在加荷初期，桩土的分担可认为基本上按桩或土的瞬时刚度分配，土面上会受一定的力。

但以后的变化就不一样了，桩身的压缩基本上可认为非常接近于弹性，而桩间的土体在通过摩阻力传来的应力作用下会继续压缩。

桩间土体的压缩量是比较大的，可以估算出来，大约为几公分到二十公分。

在桩侧桩与土的接触面上桩与土质点的相对位移不断变化。

总的趋势是使桩的下部摩阻力和端承力逐渐增长；使桩的上部摩阻力逐渐减小。

同时，也使承台底板下的土反力逐渐减小，甚至完全脱开。

因此在具体设计时，必须要考虑到在沉降发展过程中，这些受力的变化所造成的最不利影响。

这里顺便说明，认为承台下土体与板底的脱开是由于打桩过快、土体隆起以后的回复。

这一观点是不对的。

大量的桩打入或压入土体，强行占据了很大的体积，这是一个很大的作用力。

它将使土体质点之间产生压缩和挤动。

同时也产生超空隙水压力，这一空隙水压力达到一定量值以后又会使土质点移动。

前者，土体质点之间的挤压所产生的土体隆起是不太可能恢复的。

打桩产生的超空隙水压力的变化规律与建筑物下因荷载产生的空隙压力的消散规律很不一样。

打桩产生的超空隙水压力消散速度要相对快得多。

主要原因是打桩时土体质点会产生较大位移，土体质点一动孔隙水压力很快就消散了。

这在对打桩时土体位移和土体内空隙压力得监测中早已得到了证实。

因此，在