高层建筑桩的基础

1、高层建筑桩的基础 第六章 高层建筑桩基础 高层建筑桩的基础 6.1 概 述 一高层建筑对桩基础的基本要求 1.高层建筑的特点 高度高，竖直荷载大而集中； 重心高，对倾斜十分敏感，且在风和地震水平荷载作 用下会产生巨大的倾覆力矩，故对基础的承载力、稳定 性和差异沉降要求很高。 2.高层建筑对桩基础的基本要求 超常的竖向与水平向承载力和刚度； 良好的整体性。 高层建筑桩的基础 二、高层建筑桩基础的作用特点（一） 1.桩支承于坚硬的持力层上(基岩、硬塑粘性土等) ， 具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力，足以承 担高层建筑的全部竖向荷载(包括偏心荷载)。 2.桩基具有很大的竖向单桩刚度(端承桩)或群

2、桩刚度 (摩擦桩)，在建筑物自重或相邻荷载影响下，不会 产生过大的不均匀沉降，并能确保建筑物的倾斜不 超过允许范围。 3.具有巨大的单桩侧向刚度(大直径桩)或群桩基础的 侧向刚度及其整体抗倾覆能力，能抵御风和地震引 起的水平荷载与力矩，保证高层建筑的抗倾覆稳定 性。 高层建筑桩的基础 二、高层建筑桩基础的作用特点（二） 箱、筏承台底土可以分担部分上部结构荷载。 德国法兰克福展览会大楼，筒中筒结构，桩筏 基础，56层，高256m，仅用64根41300mm钻孔桩， 长度26.934.9m，建筑物总重1880MN，筏底土 分担25的荷载。 上海某高层住宅，框架剪力墙结构，16层，高 56.5m，桩箱

3、基础，箱基底板面积为49.95X14.2， 钢筋混凝土预制方桩500mmX 500mm，桩长26m， 桩距1.65m3.3m，共布桩209根，箱基底土分担 建筑物荷载大约17.5。 高层建筑桩的基础 二、高层建筑桩基础的作用特点（三） 桩身穿过可液化土层而支承于坚实土层或嵌固于基岩， 在地震引起浅层土液化时，桩基凭靠深部稳固土层仍 具有足够的抗压与抗拔承载力，从而确保高层建筑的 稳定。 高层建筑桩基础的基本形式 1.桩柱基础 形式：柱下独立桩基础，可采用一柱一桩或一柱数 桩基础. 特点：各个桩柱基础之间通常设置拉梁，或将地下 室底板适当加强。 高层建筑桩的基础 适用条件： 1)单桩柱基只适用于

4、端承桩。因为各个基础之间只 有拉梁相连，几乎没有调整差异沉降的能力，而框 架结构又对差异沉降很敏感。 2)群桩桩基主要用于摩擦桩。一般仅当持力层比较 坚硬且无软弱下卧层的地质条件下采用，以免产生 过大的差异沉降。 桩梁基础 组成形式：桩梁基础指框架柱荷载通过基础梁(或称 承台梁)传递给桩的桩基础。 特点：比桩柱基础具有较高的整体刚度和稳定性， 具有一定程度的调整不均匀沉降的能力。 高层建筑桩的基础 适用条件：桩梁基础主要适用于端承桩。 1）端承桩承载力高，桩数可以较少，承台梁不必过 宽，否则就失去了经济性； 2）若用摩擦桩，那么为调整不均匀沉降而加大基础 梁断面也是不经济的。 桩墙基础 形式：

5、剪力墙或实腹筒壁下的单排或多排桩基础。 特点： 1）剪力墙可视为深梁，以其巨大的刚度足以把荷载 较均匀地传给各支承桩，无需设置基础梁； 2）剪力墙厚度较小，而桩径一般较大，为了保证桩 与墙体很好地共同工作，通常在桩顶做条形承台。 高层建筑桩的基础 适用条件：常用于筒体结构。 桩筏基础 形式：当受地质条件限制，单桩承载力不很高，而 采用满堂布桩才足以支承建筑荷载时，常通过整块 钢筋混凝土板把柱、墙(筒)集中荷载分配给桩。 这块板称为筏，这类基础称为桩筏基础。筏可 做成梁板式或平板式。 桩筏基础适用于软土地基上的筒体结构、框剪结构 和剪力墙结构，以便借助于高层建筑的巨大刚度来 弥补基础刚度的不足。

6、 若为端承桩基，则可用于框架结构。 高层建筑桩的基础 5.桩箱基础 形式：桩箱基础系由底板、顶板、外墙和若干纵横 内隔墙构成的箱型结构把上部荷载传递给桩的基础 形式。 特点： 1）刚度很大，可以调整各桩受力和沉降； 2）造价较高。 适用条件：软地基上建造的高层建筑。 高层建筑桩的基础 四、桩基的基本要求与桩基概率极限状态设计 1. 桩基的基本要求 合理选择桩基的形式。桩基形式的选择，应考虑以 下几个方面： 1）地质条件。 当有条件做成大直径端承桩时(基岩或密实的卵石 层埋藏较浅时)，采用单桩支承的和单排桩支承的墙 基是最为经济合理的； 当端承桩的直径和承载力受到限制时，采用多桩 支承的柱基和多

7、排桩支承的墙基比较合理； 在深厚软土地区(如覆盖层土层100m以上)只能采 用各种摩擦桩基础。 高层建筑桩的基础 2) 高层建筑的体型与结构特点 体型较规则且高度不很高(如30层以下住宅)的高层建 筑，可考虑采用小群桩的桩柱基础和桩梁基础； 当体型复杂而地基条件又不好时，可考虑采用桩 筏或桩箱基础。 3) 建筑功能对地下空间利用的方式。 合理选择持力层与桩长。持力层的选择应考虑下列 因素： 1）能提供足够大的单桩承载力。所选持力层一般应 为中密以上的非液化砂层、比较坚硬的粘土层或卵 石、砾石层，甚至基岩。 2）保证建筑物不产生过大的沉降与差异沉降。 高层建筑桩的基础 3）考虑单方混凝土所提供的

8、承载力。单方混凝土提供 的承载力越大，桩基造价越低。 由于桩侧表面积为桩径的一次函数，桩体积为桩径 的二次函数。因此，在提供同样大小承载力的情况 下，摩擦桩宜用细长桩，即桩径小、持力层深为宜. 4）考虑施工技术的可能性 桩的布置是否合理。 1) 对于桩箱基础，宜将桩布置于墙下；对于带肋梁 的桩筏基础，应将桩布置于肋梁下。 2)对于满堂布桩的桩箱、桩筏基础， 采用“内疏外 密”布桩，桩分布与荷载传递方式一致；采用“外 疏内密”，可以降低底板的内力和用钢量。 高层建筑桩的基础 桩基需满足水平承载力的要求。 高层建筑桩基的施工和使用不能对周围环境造成 不良的影响，并应技术先进，造价经济合理。高 层建

9、筑多建在建筑物密集、交通繁忙、地下管线 交错的繁华城区，一般不宜采用挤土桩；当有条 件时，应优先采用人工挖孔桩。 桩基的极限状态设计法 1. 概率极限状态设计法 概念：应用概率论和数理统计理论分析极限状态 时各因素的变化规律进行设计的方法称为概率极 限状态设计法。 高层建筑桩的基础 极限状态的分类：承载力极限状态和正常使用极限 状态 。 极限状态设计法的特点：以结构的失效概率或可靠 指标来度量结构的可靠度。 桩基的极限状态 桩基承载力极限状态： 1）桩基的破坏形态包括地基土强度破坏或桩身强度 破坏。通常竖向承载桩和横向承载短桩的破坏多由 地基土强度破坏而引起；而横向承载长桩的破坏则 多由桩的材

10、料强度破坏所引起。 2）这种以地基土或桩结构丧失稳定性的极限状态即 为桩基承载力极限状态。 高层建筑桩的基础 正常使用极限状态： 为满足结构物有效使 用和耐久性要求，而 对横向承载桩的水平 位移、转角、以及特 殊荷载下的桩身裂缝 进行校核等，属于桩 基正常使用极限状态。 桩基的失效概率和可 靠指标 桩的功能函数 , Z0, Z0, Zg R SRS R S 桩基础承载力； 桩顶荷载效应。 当时桩处于可靠状态； 当时桩处于失效状态； 当时桩处于极限状态。 高层建筑桩的基础 桩基础的可靠指标和失效概率Pf 22 f P1 RS RS Z Z 令桩基的可靠指标 则失效概率 高层建筑桩的基础 分项系数

11、 单桩竖向承载力设计值R的计算公式 SKUKPK SPSP SK PK UK SPSP QQQ RR Q Q Q 或 单桩总极限侧阻力标准值； 单桩总极限端阻力标准值； 单桩总极限端阻力标准值； 、桩侧阻抗力、桩端阻抗力、桩端 综合阻抗力分项系数。 高层建筑桩的基础 桩基竖向承载力抗力分项系数 高层建筑桩的基础 建筑桩基安全等级 安全等级破坏后果建筑物类型重要性系数 一 级很严重 重要的工业与民用建筑; 对桩基变形有特殊要求 的工业建筑 1.1(1.2) 二 级严 重一般的工业与民用建筑1.0(1.1) 三 级不严重次要的建筑0.9(1.0) 高层建筑桩的基础 桩基计算的荷载组合 对于桩基承载

12、能力极限状态，应采用荷载效应的基 本组合和地震作用效应组合进行设计。 按正常使用极限状态验算桩基沉降，应采用荷载的 长期效应组合。 计算桩基的水平变位、抗裂、裂缝宽度时，采用荷 载效应的短期效应组合或短期效应组合考虑长期荷 载的影响。 高层建筑桩的基础 一、竖向荷载作用下单桩的荷载传递 1、荷载传递的基本方程 高层建筑桩的基础 1、荷载传递的基本方程 0 0 0 1 0 0 1 z s z E A S p z Q zQUqz dz S zSQ z dz dz dQ z qz Udz dz Q z dzdz E A s 桩顶在竖向力作用下， 深度为 处桩身轴力为： 竖向位移为： 微分段桩的侧阻力

13、 微分段的压缩量为： 2 2 p S p P S P E A d S z qz Udz A E U Q=QQ Q Q S 故 其中 桩身截面积； 桩身弹性模量； 桩身周长。 根据力的竖向平衡， 桩侧总摩擦力； 桩端总阻力。 高层建筑桩的基础 2、按照受力性能对桩的分类 按桩侧阻力QS与桩端阻力QP的发挥程度和分担荷载比， 将桩分为摩擦型桩和端承型桩两大类。 摩擦型桩 ：指在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全 部或主要由桩侧阻力承受。根据桩侧阻力分担荷载 的大小，摩擦型桩分为摩擦桩和端承摩擦桩两类。 摩擦桩： QS /Q0.8 端承摩擦桩：QS /Q0.60.75 1.端承型桩：指在竖向极限荷载作用

14、下，桩顶荷载全 部或主要由桩端阻力承受，桩侧阻力相对桩端阻力 而言较小，或者可以忽略不计的桩。根据桩端阻力 发挥的程度和分担荷载的比例，可分为摩擦端承桩 和端承桩两类。 高层建筑桩的基础 u端承桩： QP /Q0.8； u摩擦端承桩： QP /Q0.60.75 桩荷载传递的一般规律 桩端土与桩侧土的模量 比EbES 越小，桩身轴力 沿深度衰减愈快，即传递 到桩端的荷载愈小. 随桩土刚度比 EPES (桩 身刚度与桩侧土刚度之比) 的增大，传递到桩端的荷载 增加.但当EPES 1000后， QP /Q的变化不明显。 高层建筑桩的基础 桩荷载传递的一般规律 随桩的长径比ld(l为桩长，d为桩径)增

15、大，传递到 桩端的荷载减小，桩身下侧阻发挥值相应降低； 当ld 40时，在均匀土层中，QPQ趋于零； 当ld 100时，不论桩端土刚度多大，其QPQ值 小到可忽略不计。 扩大桩端面积，桩端传递荷载的比率QPQ增大。 高层建筑桩的基础 二、桩侧负摩阻力 1、桩侧负摩阻力产生的条件 桩周土在自重作用下固 结沉降或浸水导致土体 结构破坏、强度降低而 固结(湿陷) ； 外界荷载作用导致桩周 土固结沉降，如邻近桩 侧地面承受局部较大的 长期荷载或大面积地面 堆载(包括填土)； 因降水导致桩周土中有 效应力增大而固结。 高层建筑桩的基础 2、桩侧负摩阻力对桩基的影响 摩擦型桩： 负摩阻力对桩体产生下拉荷载使桩基随之