1、高層建筑地基基礎概念設計 （高層建筑基礎設計的內(nèi)在潛力）,孟凡向,一、復合地基與復合樁基的概念與區(qū)別 墩、樁、復合地基中樁的區(qū)別,復合樁基,復合地基,柔墊層,樁基,二、地基處理、樁基技術的發(fā)展與創(chuàng)新,1、地基處理技術的發(fā)展,排水固結(jié)： 堆載預壓、真空預壓、真空聯(lián)合堆載預壓、電滲法、降水固結(jié)法。,強夯：柱錘沖擴、孔內(nèi)強夯、強夯置換。,水泥土： 深層攪拌、雙向攪拌法、高壓噴射、夯實水泥土樁、噴射攪拌、壓力灌漿法（滲入性灌漿、壓密性灌漿、劈裂性灌漿）。,置換與密實： 墊層、拋石擠淤、砂石樁置換、強夯置換、石灰樁、爆破擠密、土樁灰土樁擠密、夯實水泥土樁、孔內(nèi)夯擴。,加筋土墊層： 土工織物、土工格柵、土

2、工格室、金屬板條。,剛性樁復合地基： CFG樁、低標號素砼樁、預制鋼筋砼靜壓樁、預應力管樁、無砂砼小樁。,冷熱處理：凍結(jié)、燒結(jié)。,2、復合地基技術的創(chuàng)新,異性樁復合地基技術 CFG樁+灰土樁 水泥土樁+振動碎石樁 碎石樁+壓漿 形成無砂砼小樁 組合樁,異性樁復合地基2,實散組合樁,復合載體夯擴樁,長短樁復合地基技術 長樁控制沉降、短樁控制承載力 依基礎剛度、荷載分布決定長短樁結(jié)合形式 依應力場分布決定長短樁布置范圍 復合地基承載力試驗與檢測、沉降計算方面帶來新的課題,長短樁復合地基示意圖,墊層加筋與樁網(wǎng)復合地基技術 水平排水板+振動碾壓 豎向排、降水+強夯,多種地基處理方法的聯(lián)合運用技術,墊層

3、加筋復合地基技術 水平向加筋+豎向增強體復合地基 調(diào)整樁土應力比、使樁承擔更多的荷載 減少水平向路基變形或減少工后沉降量 改善了柔性基礎條件下的剛性、半剛性樁復合地 基的應用條件可采用疏樁理論按沉降控制設計。,水平加筋與豎向增強體復合地基,小樁技術,小樁技術實現(xiàn)了系列化和理論化，很多新技術措施使小樁能更好地應用于復雜的建筑結(jié)構、土質(zhì)和環(huán)境中。主要有： （1）對小樁進行二次灌漿； （2）對樁間土進行補強； （3）預加荷載； （4）變節(jié)技術的應用。,瑞典1983年成功研制一種擴底小樁， 解決重荷載基礎的地基處理問題。 馬來西亞1987年推出了造價低、施工 快、沉樁簡易的預制靜壓小樁。 南非1985

4、年成功地運用小樁處理了濕 陷性土層中，房屋基礎的托換工程。,1971年Mc Quire通過對木樁的埋藏試驗,確認經(jīng)正常防腐處理的木樁使用年限可達100年。 澳大利亞小木樁被用于膨脹土中作為住宅基礎。 新加坡小木樁用于軟粘土地基以建造街坊式單層工業(yè)廠房。 新西蘭使用小直徑軟木樁取代混凝土樁和硬木樁作為房屋基礎。,已有建筑物,帽梁,噴射 混凝土,開挖面,小 樁,網(wǎng)狀小樁群圖,承受水平荷載的小樁群為“有筋土墻” “有筋土墻”的計算可模擬鋼筋混凝土梁的計算。有下列三種情況： （1）完全不考慮小樁與土體間的粘結(jié)； （2）考慮小樁與土體之間完全粘結(jié)； （3）考慮小樁與土體之間部分粘接。,縱斷面,原有 建筑

5、物,橫斷面,開挖線,1,2,3,4,小樁在基坑、托換工程中的應用,已有建筑物,可能滑動面,理想塊體,地面,開挖面,網(wǎng)狀群樁外部穩(wěn)定驗算圖,后處理復合地基技術,后處理技術概念,圖1 路基先處理,圖2 先部分填方后處理,后填土,圖3 全填方后處理,加寬路基,先處理樁,后處理樁,原道路路基,施工樁長部分位于填土內(nèi)，利用樁土間的摩擦力形成錨固段，可阻止地基土變形時樁向上的“刺入”，和使后部分填土荷載通過該段樁側(cè)摩阻力或樁頂設置的樁帽向樁身的轉(zhuǎn)移，有效地調(diào)整和增加樁土應力比。,后處理技術機理,在被加固場地先填土形成附加應力后用碎石樁置換，對碎石樁體及樁周土體進行滲入式灌漿、二次壓密注漿，使樁周土體受到壓

6、密灌漿處理，形成較高強度的無砂砼小樁豎向增強體。 后處理技術具有堆載預壓、快速排水、排氣固結(jié)、固化、豎向置換增強等綜合作用機理。“剛性基礎條件”，大大改善了“柔性基礎條件”下復合地基工作性狀。 具有固結(jié)沉降快、工后沉降變形小、穩(wěn)定時間短的特點。,無砂砼小樁后處理技術,復合地基平面及剖面設計布置圖,某工程軟弱路基位移沉降變形過程曲線,注漿碎石樁后處理技術 原理基本同無砂砼小樁 樁徑大于350400mm 有時需設計墊層和樁帽,加勁水泥土樁復合地基后處理技術 在已施工的水泥土樁中設置勁性材料形成剛度較大的剛性樁體，充分發(fā)揮水泥土樁與土間較大的摩阻潛力和樁端承載力。 樁側(cè)阻力與樁身的變形模量樁體剛度、

7、樁土界面狀態(tài)和接觸面積及圍壓有關。,加筋水泥土組合樁,靜壓小樁(管樁)復合地基后處理技術,靜壓預制砼小樁、預應力管樁復合地基引入了樁土相互作用理論，充分發(fā)揮樁間土承載力和提高單樁承載力，有較好的控制復合地基變形的能力，具有較好的經(jīng)濟性。,具有較好的承載力保證和質(zhì)量穩(wěn)定性，作為環(huán)保型（無振動、噪音及粉塵污染）復合地基，具有發(fā)展前景。,CFG樁、后插鋼筋籠CFG樁 復合地基后處理技術,PHC樁后處理技術,第二次壓樁面,第三次壓樁面,原路堤,CFG樁后處理技術,第一次壓樁面,第二次打樁面,第三次打樁面,原路堤,3、樁基技術理論的發(fā)展與創(chuàng)新,變節(jié)技術 變節(jié)技術與擴底技術的聯(lián)合運用 組合樁技術 樁側(cè)、樁

8、底注漿技術 變節(jié)技術、擴底技術與后注漿技術的聯(lián)合運用 預制、現(xiàn)澆預應力砼管樁技術 后處理技術,后處理樁（逆筑法）技術,樁端條件、埋深、土性對樁側(cè)阻力的影響,樁側(cè)阻力的強化效應和退化效應 強化效應 極限側(cè)阻力在樁端附近得到加強的形象,樁側(cè)阻力與樁入土深度有關 “9494”規(guī)范有預制樁的修正系數(shù) 對長鉆孔灌注樁具有同樣的概念 與土的剪縮、剪脹有關 與膠結(jié)體損傷程度有關,鄭州黃河公路大橋試樁樁周摩阻力樁深關系曲線,0.5,1.0,1.5,2.0,h=4m,h=59m,h=53m,h=43m,h=24m,h=19m,h=12m,鄭州黃河公路大橋試樁樁周摩阻力荷載關系曲線,荷載(MN),樁周摩阻力(kP

9、a),開封黃河公路大橋試樁樁周摩阻力樁深關系曲線,180,160,140,120,100,80,60,40,20,0,5,10,15,20,h=42m,h=3m,h=21m,h=26m,h=60m,h=10m,h=54m,開封黃河公路大橋試樁樁周摩阻力荷載關系曲線,荷載（）,樁周摩阻力(kPa),東明黃河公路大橋樁周摩阻力樁深關系曲線,180,160,140,120,100,80,60,40,20,0,2,10,20,h=40.8m,h=52.4m,h=30.4m,h=20.4m,東明黃河公路大橋樁周摩阻力荷載關系曲線,荷載（）,樁周摩阻力(kPa),4,6,8,12,14,16,18,h=9

10、.4m,國外幾種樁側(cè)阻力的取值方法,擠密作用與徑向應力共同作用理論,I,III,II,IV,P,Meyerhof 樁基礎破壞模式,成拱作用理論,成拱作用模式,05倍樁徑,樁與土滑動距離,P,上覆土約束區(qū),由于成拱作用應力集中,成拱作用影響區(qū),成拱區(qū),塑變區(qū),壓縮區(qū),虛底、實底樁側(cè)阻力分布的比較,不同端阻條件下樁載荷試驗結(jié)果比較,退化效應 同標高處樁側(cè)阻力隨樁入土深度增加而減小的現(xiàn)象,qs1,qs2,樁側(cè)阻力退化效應示意圖,變剛度調(diào)平設計理論,均勻布樁導致碟形沉降 均勻布樁導致筏板整體彎矩和沖切力增大 箱筏承臺變形性樁因變剛度調(diào)平而改善,變剛度調(diào)平設計原理,三、復合地基、沉降控制復合樁基理論與技

11、術前沿,1、理論的發(fā)展與創(chuàng)新,（1）復合地基中的樁土相互作用理論 （2）復合地基“樁”的上刺入與變形預測理論 （3）樁土共同作用理論與復合樁基技術 （4）上部結(jié)構、地下結(jié)構與地基基礎相互作用理論 （5）數(shù)值模擬與可視化技術 （6）動態(tài)設計與信息化施工技術 （7）變剛度調(diào)平設計、塑性支承樁理論與技術 （8）高層建筑沉降變形預測與控制理論,復合地基中的樁土相互作用,樁的環(huán)向應力圖,kafs,最大應力點位置變化,由于墊層的存在，樁土發(fā)生了相互作用，土的壓縮和側(cè)向壓力的增加(夾持作用)提高了樁的側(cè)摩阻力。 樁的存在提高了樁間土在樁的“有側(cè)限”作用下的承載力。 可對復合地基承載力應力復合式計算公式進行修

12、正。單樁承載力R值應乘以1個大于1的系數(shù)。,式中，=1.21.6 ；=11.2,樁的上刺入與負摩阻力問題,理論研究和現(xiàn)場實測結(jié)果表明，“柔性基礎”與剛性基礎下樁體復合地基的工作性狀有很大差別。在上部荷載作用下，樁周土體下凹，樁頂刺入褥墊層較多，樁側(cè)產(chǎn)生負摩阻斷且負摩阻力深度較大，在某一深度存在正負摩阻力轉(zhuǎn)換的“中性點”。,上刺入量和中性點位置的確定 自由單樁與樁的比較,自由單樁側(cè)阻力分布,復合地基中樁側(cè)阻力,復合地基中，單樁在集中荷載Q作用下，考慮樁的負摩阻力（假定為三角形分布），其最大軸力,對于樁周基土，中性點以上土的壓縮變形為,中性點以下樁壓縮變形為,復合地基樁下刺入變形為,柔性基礎復合地

13、基變形計算模型,S3,S1,S2,Pz,P0,中性點位置的確定,令 其中 為樁承載力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)復合地基樁中性點處上下軸力相等關 系，確定中性點的位置。即,令 ，解上式得中性點位置為：,n0不仿定義為樁土應力比特征值，或特征樁土應力比,“柔性基礎”條件下復合地基變形計算,柔性基礎大間距樁復合地基樁土分算傳統(tǒng)模式,復合地基變形示意圖,復合地基復合土層變形示意圖,墊層的壓縮變形S1 一般很小，可忽略,復合土層的變形S2 樁頂刺入墊層的刺入變形 S1 樁身壓縮變形 S2 樁刺入下臥土層的刺入變形 S3,復合土層下臥層變形S3 S3 由Pz按分層總和法按規(guī)范方法計算,柔性基礎“復合地基法”計算新建模

14、型,忽略樁身壓縮量，上刺入量,考慮樁身壓縮量，上刺入量計算,S1也可采用倒置式方法，由“柔性基礎”與碎石土（墊層）組成的“人工地基”作為樁頂部的地基，采用彈性力學方法求解,中性點以下樁壓縮變形為,復合地基樁下刺入變形為,下臥土層附加應力計算,采用“中性點”平面以下擴散方法,設復合地基中性點位置處壓力P，復合地基基底附加應力為：,樁土共同作用理論與復合樁基技術,當?shù)鼗脸休d力滿足荷載要求時，用樁控制地基變形，此時可按單樁極限承載力設計復合樁基 當?shù)鼗脸休d力不滿足荷載要求，多余荷載由樁基承擔，此時應按疏樁理論設計復合樁基 樁與土共同承擔上部結(jié)構荷載,樁承臺下土極限承載力的提高有利考慮復合樁基,欠

15、固結(jié)土、靜壓樁引起超孔隙水壓力的粘性土地基不適合使用復合樁基,上部結(jié)構、地下結(jié)構與地基基礎 共同作用理論,豎向荷載下的共同作用 水平荷載下的共同作用 地震荷載作用下的共同作用,上部結(jié)構、地下結(jié)構與地基基礎 相互作用理論,支護結(jié)構影響基底以下土附加應力及變形 提高上部結(jié)構穩(wěn)定性、增強抗傾覆和抗滑移能力,以差異沉降控制為目的的 變剛度設計理論、塑性支承樁技術,樁基的變剛度設計1,樁基的變剛度設計2,樁基的變剛度設計3,變剛度墊層與塑性支承,數(shù)值模擬與可視化技術 數(shù)值模擬、科學計算可視化 科學計算可視化指的是應用計算機圖形學和圖象處理技術，將計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示

16、出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。 科學計算數(shù)據(jù)的可視化 工程計算數(shù)據(jù)的可視化，如有限元分析的結(jié)果等。 測量數(shù)據(jù)的可視化，如用于基坑工程監(jiān)測的墻體位移分析。,動態(tài)設計與信息化施工 沉降后澆帶的動態(tài)設計與信息化施工 樁的動態(tài)設計與信息化施工 根據(jù)地基變形監(jiān)測、預測結(jié)果決定沉降后澆帶澆注時間； 同一場地后建工程要汲取先建工程的經(jīng)驗、數(shù)據(jù)； 預制樁的動態(tài)設計與信息化施工,分層沉降與測斜儀 同軸電纜電磁波反射技術監(jiān)測土體位移 光纖傳感網(wǎng)絡技術進行位移監(jiān)測 水平向連續(xù)沉降測試技術 GPS全球定位系統(tǒng),常用變形監(jiān)測儀器,分層沉降儀,沉降標安裝,測斜儀讀數(shù)儀,測斜儀讀探頭,測斜儀測量原理圖,同軸電纜電

17、磁波反射技術監(jiān)測土體位移,三種光纖傳感器原理圖,BOTDR的應變測量原理圖,SOFO 光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)組成,光纖傳感器健康監(jiān)測原理圖,剖面沉降儀,高層建筑復合地基變形預測與控制理論,復合地基變形的影響因素,復合土層土性及變形模量（不變）； 下臥土層的埋深（可變）土性及各土層變形模量（不變）； 周圍建筑與地面荷載（不變）,支護結(jié)構對其產(chǎn)生的約束（不變可利用）； 地下水滲流及水位變化（不變可利用）； 樁的類型與樁土相互作用程度（可變可利用）； 樁體模量樁端土層的壓縮性及樁底虛土狀態(tài)（可變）,基礎的尺寸及剛?cè)崽匦裕勺儯?樁與樁間土的荷載分擔及樁間土附加應力（可變）； 樁底土附加應力（可變）,土的

18、動荷反應即土的動力特性（可變）； 復合地基的應力歷史與巖土工程的施工方法（可變可利用）。,變形預測理論模型,Pz,l,s s,樁土分算模式,整體模式,樁土分算模式,整體模式,按樁長徑比和間距確定采用：應力擴散法、假想實體法計算模型,復合土層應力擴散法,q=qsqsik,假想實體法,變形預測數(shù)學新方法運用 灰色系統(tǒng)理論； 損傷力學方法； 神經(jīng)網(wǎng)絡技術。,復合地基變形控制技術與措施,采用剛性樁 提高樁間土變形模量 增加應力擴散角 控制樁底刺入量 減少下臥土層變形 人工智能控制變形,打樁施工與基坑工程施工對沉降變形的影響,基坑降水時間和方法，降水挖土順序，地下水滲流也將通過對孔隙水壓力和固結(jié)應力的影

19、響，影響著土的壓縮模量或變形模量和沉降量計算結(jié)果。 先開挖后處理與先處理后開挖，基坑的回彈不同。 對抗拔樁、承壓樁的承載力與變形影響有時較大。,四、施工力學、環(huán)境巖土工程問題與對策,環(huán)境巖土工程 人類工程活動與環(huán)境的關系和作用日益密切。 與環(huán)境相關聯(lián)的巖土工程：地質(zhì)災害、垃圾填埋等。 巖土工程中的環(huán)境問題,CFG樁施工過程中的環(huán)境巖土工程問題 靜壓樁施工中的環(huán)境巖土工程問題 基坑開挖與支護、降水、地下工程施工 黃土地基條件下的建、構筑物損害 可液化土地基條件下的建、構筑物損害 膨脹土地基條件下的建、構筑物損害 振動施工對周圍土工環(huán)境的擾動,CFG樁施工引起的環(huán)境問題及對策,現(xiàn)象：周圍地面、建筑物下沉或開裂原因：,動水壓力引起流土 鄭州粉土、砂土的剪切液化 泵送砼引起孔隙水壓力上升,對策 設置止水帷幕 降低地下水