T高层建筑桩箱筏基础设计理论与实践研究

高层建筑桩箱（筏）基础设计理论与实践研究

第一章

绪论

第二章

高层建筑超长桩箱基础与地基的共同作用测试研究

第三章

桩土共同作用及沉降分析

第四章

高层建筑桩箱(筏)基础沉降计算的简易理论法

第五章

高层建筑桩箱(筏)基础沉降机理分析

第六章

带裙房高层建筑基础整体设计的研究第七章

高层建筑桩箱(筏)基础的变形控制设计理论第八章

结论与展望

高层建筑桩箱(筏)基础设计：通常是通过增加桩数来提高群桩的承载力使之能承担建筑物的荷载;很少考虑需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在规定的范围内

。高层建筑桩箱(筏)基础设计理论与实践研究目的是：最终能使设计人员可利用高层建筑与桩箱(筏)基础共同作用的设计理论进行优化设计。2.提出方法解决考虑需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在规定的范围内的问题。第一章绪论高层建筑桩箱(筏)基础

高层建筑桩基础大部分为桩箱基础和桩筏基础。通过增加桩数来提高群桩的承载力使之能承担建筑物的荷载的设计方法称为强度设计方法。

1.强度设计方法认为建筑物的荷载全部由桩承担，桩间土的承载力是不考虑的。

2.共同作用设计方法认为高层建筑物的荷载是由桩和桩间土的承载力共同承担。强度设计方法群桩中单桩竖向承载力校核1.轴心竖向力作用下：2.偏心竖向力作用下：，

强度设计方法设计的高层建筑桩基础，国内最高建筑物为上海88层金茂大厦，主楼高420.5m，地下3层,埋深19.2m，主楼底板尺寸64m×64m，厚4m，裙房底板面积14950m2，厚0.5m。主楼采用Φ914.4×20的钢管桩，桩长65m，入土深度83m，共429根。裙房采用Φ609.6×14的钢管桩，桩长33m，入土深度47m，共632根。正在建造的国内最高建筑物在上海，为121层上海中心大厦。主楼结构高580m，塔冠最高点达632m，主楼底板为直径121m，厚6m的圆形钢筋混凝土板，埋深31.4m，局部埋深34.4m。采用直径为1m的钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长55.6m，入土深度87m，共955根。也是用强度设计方法设计的高层建筑桩基础。1.进行高层建筑带桩基础与地基共同作用现场实测研究的目的：1）

为实际的工程设计提供依据;2）它是理论分析正确性的判断和检验标准。第二章高层建筑超长桩箱基础与地基的共同作用测试研究图2-1建筑透视图图2-3公寓平面及量测元件布置2.地基反力及荷载分担图2-2建筑剖面示意图图2-4I-I剖面地基反力的分布及随层数增加的变化图2-6桩与箱基的荷载分担说明：常规设计的超长桩箱基础的桩间土从施工一开始就分担上部荷载，这是高层建筑群桩基础的工作机理。1）桩间土在箱形基础混凝土一浇灌，就存在地基反力了。现场实测并未观察到群桩基础先承担上部荷载，而桩间土一点荷载也未承担的情况，这是桩箱（筏）基础的工作机理。这是和带承台单桩的试验结果不同的，带承台单桩的试验结果认为：上部荷载先由单桩承担，承台下的土体的地基反力为零，当单桩荷载达到单桩极限承载力时，单桩承担荷载保持不变，承台下的土体才开始承担上部荷载。高层建筑变形控制设计理论应以群桩基础的工作机理来探讨。2）本例箱基底板分担11.1%的上部荷载。（a)底板上上排钢钢筋应应力（b)底板下排钢钢筋应应力图2-8钢筋应应力与与时间间的变变化图图3.箱基底底板钢钢筋应力1)实测箱箱基底底板钢钢筋应应力远远小于于钢筋筋的允允许应应力。。底板上上排钢钢筋应应1处最大大钢筋筋拉应应力29.35MPa，底板下下排钢钢筋（（应5）处测测得最最大钢钢筋拉拉应力力为11.44MPa。桩对准准剪力力墙布布置的的设计计使箱箱基底底板厚厚度减减薄至至60cm是合理理安全全可靠靠的。。这种设设计方方法与与同类类的满满堂式式桩设设计方方法比比较，，每幢幢公寓寓可节节省约约15万元投投资。。2)箱基底底板钢钢筋应应力随随温度度变化化的规规律。。钢筋应应力并并未按按荷载载的增增加而而增加加，而而呈现现正弦弦形规规律的的变化化，最大底板钢钢筋拉拉应力力往往往在1-3月份出出现，最小小底板钢钢筋拉拉应力力往往往在7-9月份出出现。。图2-10大气温温度、、下排排钢筋筋处温温度以以及它它们之之间的的温差差随时时间的的变化化图图2-11上排钢钢筋处处温度度随时时间的的变化化图图2-12钢筋应应力计计的频频率与与温度度的关关系3)底板钢筋应应力呈呈现出出正弦弦形规规律的的变化化，这这是建筑物物整体体结构构温差应力的结果果。4.桩箱基基础底底板钢钢筋应应力的机理理分析析1)桩箱基基础的的底板板弯矩矩按局局部弯弯曲计计算；；2）桩箱箱基础础底板板钢筋筋应力力的机机理分分析：：①计算桩桩箱基基础底底板钢钢筋应应力，，计算算单元元是变变化,②实测表表明，，计算算单元元变化化的结结论是是正确确的。。3）群桩桩刚度度对箱箱形基基础的的底板板钢筋筋应力力分布布是有有影影响的。。图2-13应1，应5及应9处的上上下排排钢筋筋应力力随时时间的的变化化(a)(b)(c)(d)图2-14高层建建筑桩桩箱基基础的的箱基基底板板计算算单元元变化化图图2-15箱基底底板上上下排排钢筋筋应力力沿Ι-ΙΙ剖面的的分布布图5.超长桩桩箱基基础的变形形1）沉降降很小小（29.3mm,实测推推算的最终终沉降降为36.8mm。）；；2）超长桩桩箱基基础的的整体体横向向倾斜和纵纵向弯弯曲。。整体横横向倾倾斜：：0.25‰‰(视作均均匀匀下沉沉)；纵向弯弯曲：：-0.386‰‰-0.29‰‰（与纯纯箱基基差不不多））。图2-17平均沉降随随时间间变化化的理理论值值与实实测值值的比比较图2-16沉降随随时间间（层层数））变化化的关关系第二章章小小结1．桩对对准剪剪力墙墙的轴轴线布布置的的设计计方法法是合合理可可行的的。2．常规规设计计的超超长桩桩箱基基础的的桩间间土从从施工工一开开始就就分担担上部部荷载载，这这是高高层建建筑群群桩基基础的的工作作机理理。3.在进行行高层层建筑筑桩箱箱基础础底板板设计计中，，桩箱箱基础础整体体弯矩矩可以以不计计，桩桩箱基基础的的底板板弯矩矩按局局部弯弯曲计计算。。4.高层建建筑群群桩基基础对对箱形形基础础的刚刚度是是有影影响的的。超超长长桩箱箱基础础可视视为绝绝对刚刚性的的。5．由于于高层层建筑筑物的的温差差引起起的箱箱基底底板钢钢筋应应力的的变化化不容容忽视视。第三章章桩桩土共共同作作用及及沉降降分析析1.弹性理理论法法。这是以以明特特林（（Mindlin）解为基基础的的一种种桩基基础沉沉降计计算方方法。。在具体体应用用中分分为两两类:①位移解解；②应力力解：：盖特斯斯（Geddes）。弹性理理论法法计算算参数数不易易确定定。2.简易理理论法法。该法是是由笔笔者在在1989年提出出的桩桩箱（（筏））基础础最终终沉降降计算算方法法。土土中应应力用用布西西奈斯斯克解解或明明特林林（Mindlin）解。。简易理理论法法简单单，能能够手手算，，计算算参数数易确确定，，计算结结果不不需用用沉降降计算算经验验系数数修正正。3.实体深深基础础法。。这个方方法是是国内内在1989年前规规范推推荐的的方法法，该该法简简单，，方便便，能能够手手算，，计算算结果果需用用沉降降计算算经验验系数数修正正。沉沉降计计算经经验系系数改改变后后，这这个方方法仍仍在上上海市市《地基基基础设设计规规范》（DGJ08-11-1999）中存在在。此法不不能计计算沉沉降与与桩数数的关关系。土中应应力用用布西西奈斯斯克解解。4.剪切位位移法法。这个方方法国国内很很少用用于实实际。。高层建建筑桩桩箱（（筏））基础础的共共同作作用的的理论论分析析结果果:1、适当当减少少桩数数，建建筑物物的沉沉降增增加很很少（（图b），，底底板弯弯矩平平缓增增加（（图c），，且且桩间间土分分担上上部荷荷载的的比例例增加加（（图d）。。2、常规规设计计的桩桩箱（（筏））基础础的角角桩，，边桩桩，内内部桩桩反力力之比比为3.59:2.71:1;极限设计（（群桩的平平均荷载等等于单桩的的极限承载载力）的桩桩箱（筏））基础的角角桩，边桩桩，内部桩桩反力之比比为1.39:1.20:1。3、常规设计计的桩箱（（筏）基础础底板的钢钢筋应力均均很小，在在30MPa以内（图2-8）,（表b）。。4、桩越长，，建筑物的的沉降就越越小，但当当长细比达达到某值时时，减小沉沉降的作用用就不明显显了（图f）。。5、合理布置置桩位，高高层建筑桩桩箱基础采采用轴线桩桩及高层建建筑桩筏基基础采用柱柱对桩方案案可大大减减薄底板厚厚度；桩布布置外密内内疏是为了了充分利用用内部桩的的承载力，，桩布置外外疏内密是是为了减小小底板的弯弯矩。图b桩间距与沉沉降的关系系图c筏中最大弯弯矩与桩间间距的关系系图d桩分担系数数与桩间距s的关系表b实测的底板板钢筋应力力图f桩长L与沉降S的关系高层建筑桩桩箱（筏））基础与地地基共同作作用的理论论和实践研研究表明：：加大桩间距距，减少桩桩数，充分分利用桩间间土的承载载力是可行行的。由此建立共同作用设设计方法。该设计方法法的核心是是认为高层层建筑桩箱箱（筏）基基础能否正正常安全工工作，主要要是：(1)让建筑物的的实际沉降降小于允许许沉降；(2)让桩的承载载力与桩间间土的承载载力之和控控制在一定定的范围内内；(3)要求桩群中中的基桩平平均荷载不不超过单桩桩的极限承承载力。下面例子说说明桩间土土的承载力力是客观存存在的：上海属软土土地基，其其地基承载载力也有80kPa。高层建筑筑一般均有有较大的埋埋深，实践践证明：当地下室埋埋深在5.5m左右，不采采用桩基础础仍可造12层高层建筑筑，沉降量量仍在20cm以内。当建筑物的的荷载等于于挖去土重重时，即处处于所谓的的自重应力力阶段，建建筑物仅有有2mm以内的绝对对沉降量（图g）。图g卸载（深基基坑开挖））与变形的的关系另外，上海海兰生大酒酒店，26层高层建筑筑，地下室室埋深7.6m，总压力为360kPa，而筏基持持力层承载载力358kPa之多，但是这幢建建筑物却设设置了230根桩长为53m的φ609.6mm×12mm的超长钢管管桩。此例例可见，常常规设计的的高层建筑筑桩箱（筏筏）基础把把这么大的的筏基持力力层承载力力全部忽略略了。常规设计没没有考虑桩桩间土承载载力这个宝宝贵的自然然资源。高层建筑桩桩箱（筏））基础的共共同作用设设计方法是是在高层建建筑桩箱（（筏）基础础常规设计计方法和高高层建筑桩桩箱（筏））基础与地地基共同作作用时桩间间土从施工工一开始就就分担上部部荷载的事事实而发展展起来的。。如何充分利利用桩间土土的承载力力，减少桩桩数，合适适布置桩距距和长短是是高层建筑筑桩箱（筏筏）基础共共同作用设设计方法的的主要内容容。第四章高高层建建筑桩箱(筏)基础沉降计算的的简易理论论法4-1.概述4-2.基本原理:通过对桩箱箱(筏)基础受力环环境的比较较，分析它它们的变形形机理，给给出两种桩桩箱(筏)基础沉降计计算的分析析模式：1）P≤T的分析模式式；2）PT的分析模式式；P——总荷载；T——总抗剪力。⑴P≤T:图4-4P≤T情况⑵P＞T:图4-6P＞T情况⑶T的计算：4-3.简易理论法法的单桩分分析1）短桩2）长桩3）超长桩通过单桩的的各种桩长长的简易理理论法分析析与实测比比较，可得如下下结论：：①沉降降计算的的简易理理论法可可以计算算单桩的的各种桩桩长的沉沉降。②单桩的的简易理理论法可可以给出出理论的的单桩刚刚度：kp=Q/S(4-18)③10m以内的短短桩，单桩的简简易理论论法计算算沉降，，在计算算桩长范范围内土土层的压压缩量时时采用沿沿桩长压压力分布布为矩形形分布的的假定，，桩长范围围内土层层的压缩缩量可以以忽略；；对于20-30m的长桩，实测的的Q-S曲线均在在沿桩长长压力分分布为三三角形分分布和沿沿桩长压压力分布布为矩形形分布理理论Q-S曲线之间间，说明明20-30m的长桩的的沉降量量，桩的的压缩量量开始占占到一定定的比例例，因此此，不能忽略略桩间土土的压缩缩量。而45m以上的超超长桩，在计算算桩长范范围内土土层的压压缩量时时宜采用用沿桩长长压力分分布为三三角形分分布的假假定，且超长桩桩的沉降降量主要要是桩的的压缩量量。④单桩的简简易理论论法给出出荷载与与沉降（（Q-S）的非线性性关系，短桩和和长桩还还给出理理论的单单桩极限限承载力力值。4-4.简易理论论法的群群桩分析析1）在上海海表4-18温州地区区12幢高层建建筑沉降降计算值值与实测测值的比比较序号工程名称桩入土深度（m）简易理论法（mm）实测沉降（mm）1瓯江大厦60.033.9628.02国际大酒店60.051.247.03五金大酒店30.048.233.14温富大厦55.038.228.05西湖锦园55.059.353.46一医病房大楼30.011.08.07检察院办公侦查大楼60.045.225.18二院综合病房大楼43.037.221.29乐昌大厦45.070.351.210东方大厦50.040.726.011工商银行50.061.245.812世纪大厦70.035.6

注：简易易理论法法预估最最终沉降降；实测测沉降位位竣工时时的沉降降。2）在外地地4-5.不同应力力计算方方法对桩桩箱(筏)基础沉降降计算的的比较附加应力力用布西奈斯斯克解计计算，计计算沉降降最大；；用明特特林解计计算时，，泊松比比ν大，计算沉降降大。第四章小小结1．高层建建筑桩箱箱(筏)基础沉降降计算的的简易理理论法可可以计算算各种桩桩长（7.5m-60m）的最终沉沉降；此法简单单、方便便，且可可以手算算；计算算参数容容易确定定；计算结果果均不需需使用桩桩基沉降降修正系系数；考考虑了桩桩间土分分层的影影响；能反映建建筑物荷荷载与沉沉降的非非线性关关系；计算沉降降量与实实测推算算值相当当接近，，并在外外地获得得成功。。2．用简易理理论法的的基本原原理可以以进行单单桩分析析，能获得单单桩的理理论的单单桩刚度度；给出荷载载与沉降降（Q-S）的非线性性关系；；短桩和长长桩还给给出理论论的单桩桩极限承承载力值值。3．高层建建筑桩箱箱(筏)基础沉降降计算的的简易理理论法不不管桩的的长度为为多少，，用布西奈奈斯克解解计算的的沉降大大，用明明特林解解计算的的沉降较较小；超长桩情情况，明明特林解解计算的的沉降值值更接近近于实测测推算值值，对于短桩桩和中长长桩情况况，布西西奈斯克克解计算算的沉降降更接近近于实测测推算值值,且明特林林解计算算的沉降降误差较较大；高层建筑筑桩箱(筏)基础沉降降计算用用布西奈奈斯克解解是可行行的。第五章高高层建筑筑桩箱(筏)基础沉降降机理分分析(5-1)1.前言桩数变化必须须满足下下式：式中：Pu——桩的极限限承载力力；Pb——桩材料的的强度极极限荷载载：np——设计最少少桩数。。2.桩箱（筏筏）基础础的沉降降机理分分析和优优化设计计1）高层建建筑桩箱箱（筏））基础的的荷载沉沉降曲线线2）高层建建筑桩箱箱（筏））基础的的桩数与与沉降的的关系3）高层建建筑桩箱箱（筏））基础桩桩长与建建筑物沉沉降的关关系4）下卧层层压缩模模量的影影响5）箱（筏筏）基础础宽度B对建筑物物沉降的的影响6）箱（筏筏）基础础面积变变化对建建筑物沉沉降的影影响7）桩径变变化对建建筑物沉沉降的影影响图5-18m短桩的p-S曲线图5-3桩数与建建筑物沉沉降的理理论关系系图5-254.6m超长桩的的p-S曲线图5-7建筑物基基础的平平面面积积变化对对沉降的的影响图5-5例4-2情况的下下卧层模量量变化与沉沉降的的关系图5-4例4-2情况桩长长与沉降降的关系系（a）桩径变化化对单桩桩承载力力的影响响(b)桩径变化化对建筑筑物沉降降的影响响（A）8m短方桩情情况（（B）52.3m超长圆桩桩情况图5-8建筑物桩桩基础的的桩径变变化对单单桩承载载力和建建筑物沉沉降的影影响例5-1某地某两两幢办公公大楼均均为25层高层建建筑，上上部结构构采用框框架剪力力墙结构构。1#楼平面面面积为：：27m××24m，2#楼平面面面积为：：37m××21m。两幢大楼楼共用同同一个筏筏板基础础，筏板板基础平平面面积积为1692m2。采用桩筏筏基础，，筏板厚厚2m，埋深5m。桩选用0.45m×0.45m×28.0m预制钢筋筋混凝土土方桩。。1#楼桩数256根，2#楼桩数248根。场地地的地质质资料见见表5-3。桩基持持力层为为7-1层。图5-9两幢办公公大楼的的共用桩桩筏基础础平面图图及各测测点实测测沉降值值3.实例分析析这两幢办办公大楼楼1995年底结构构封顶，，至1999年1月5日沉降观观测的最最大沉降降达305.4mm，最大沉降降速率为为0.177mm/天,最大倾斜斜为4.20‰。在软土地地区，高高层建筑筑桩筏基基础一般般来说沉沉降是小小的，差差异沉降降也较小小，通常常系均匀匀下沉，，一般不不会有较较大的倾倾斜，但但是，当绝对沉沉降很大大时，则则差异沉沉降也将将增加。。因此在在实际设设计中，，合理的沉沉降计算算方法和和合理的的计算模模式及计计算参数数的选用用是至关关重要的的，它可以得得到高层层建筑的的安全建建造，否否则建造造的高层层建筑将将会出现现不符合合规范的的结果，，并形成成长期不不能完工工和使用用，造成成很大的的经济损损失。为此有必必要对这这两幢办办公大楼楼进行沉沉降分析析，以了了解可能能的不合合理的原原因。1)沉降计算算沉降计算算时，合合适的桩桩筏基础础平面面面积选择择的重要要性；沉降计算算时，合合适的压压缩模量量选择的的重要性性。2）实测研究究3）桩基础施施工情况况4）设计建议议表5-4桩端持力力层下各各土层的的压缩模模量的选选择土层层序7-1层7-2层8-1层8-2层9层补勘的建议（MPa）35.050.012.018.0

ES（MPa）15.1222.086.8512.2532.64表5-5桩筏基础础平面面面积变化化对建筑筑物沉降降的影响响桩筏基础平面面积（m2）2#楼8161#楼87610721341整体1692214526813217计算沉降（mm）266304372429480522553573图5-10桩筏基础础平面面面积与计计算沉降降的关系系1)沉降计算算表5-6两种计算算方法及及两种模模量取值值的最终终沉降计计算值计算方法压缩模量取用整体基础面积（1692m21#楼基础面积（876m2）2#楼基础面积（816m2）

简易理论法补勘的建议值315mm199mm173mmES480mm304mm266mm规范法(勘察院计算)补勘的建议值

282.7mm最大实测值（最小实测值）1999年1月5日量测305mm（180mm）295mm（180mm）305mm（209mm）最大沉降速率（mm/天）1999年1月5日量测0.1170.0920.117图5-111#楼的沉降降与时间间的关系系2）实测研研究图5-122#楼的沉降降与时间间的关系系3）桩桩基基础础施施工工情情况况本工工程程的的桩桩采采用用预预制制钢钢筋筋混混凝凝土土方方桩桩，，桩桩断断面面为为桩桩选选用用0.45m××0.45m，桩长长为为28.0m，系两两节节桩桩，，采采用用焊焊接接连连接接。。设设计计桩桩尖尖进进入入7-1土层层。。用用压桩桩法法进进行行施施工工。。压桩桩从从1993年12月开开始始，，到到1994年6月完完成成504根的压压桩桩任任务务，，其中中有有141根桩桩未未压压到到设设计计标标高高而而截截短短0.5m-1.5m。1#楼截截桩桩61根，，占占总总桩桩数数的的23.8%；2#楼截截桩桩80根，，占占总总桩桩数数的的32.2%。截桩桩数数的的比比例例是是够够大大的的。。从前前面面分分析析可可知知：：桩长长对对建建筑筑物物的的沉沉降降是是有有较较大大影影响响的的，，这么么多多的的截截桩桩将将使使建建筑筑物物的的沉沉降降增增大大。。4）设设计计建建议议这两两幢幢建建筑筑物物由由于于合合用用一一个个整整体体基基础础，，建建筑筑物物的的沉沉降降将将大大增增，，但但若若事事先先能能知知道道基基础础面面积积增增大大会会使使建建筑筑物物的的沉沉降降增增大大，，那那就就会会采采取取合合理理的的措措施施使使建建筑筑物物的的沉沉降降控控制制在在规规范范规规定定的的允允许许沉沉降降以以内内，，下下面面探探讨讨这这两两幢幢建建筑筑物物使使其其的的沉沉降降控控制制在在规规范范规规定定的的允允许许沉沉降降以以内内的的办办法法。。图5-13例5-1建筑筑物物的的桩桩长长与与沉沉降降的的关关系系曲曲线线5-3本章章小小结结1.高层层建建筑筑桩桩箱箱（（筏筏））基基础础沉沉降降计计算算简简易易理理论论法法可可以以分分析析高高层层建建筑筑箱箱（（筏筏））基基础础的的总压压力力p和沉沉降降S的关关系系，，桩桩数数与与沉沉降降的的关关系系；；桩桩长长变变化化与与建建筑筑物物沉沉降降的的关关系系；；下下卧卧层层压压缩缩模模量量对对沉沉降降的的影影响响；；箱箱（（筏筏））基基础础宽宽度度B对建建筑筑物物沉沉降降的的影影响响；；建建筑筑物物平平面面面面积积对对沉沉降降的的影影响响以以及及桩桩截截面面变变化化对对沉沉降降的的影影响响。。2.通过过对对这这些些影影响响因因素素的的分分析析研研究究，，对对高高层层建建筑筑桩桩箱箱（（筏筏））基基础础的的工工作作机机理理有有了了深深入入的的了了解解，，可可以以自自由由地地进进行行最最优优设设计计，，使使高高层层建建筑筑桩桩箱箱（（筏筏））基基础础的的基基础础设设计计做做到到既既合合理理安安全全又又经经济济，，达到到优优化化设设计计的的目目的的。3.通过过一一实实例例分分析析可可知知，，两幢幢建建筑筑物物合合用用一一整整体体基基础础，，应应以以整整体体基基础础的的平平面面面面积积计计算算沉沉降降，，桩桩端端下下土土层层的的压压缩缩模模量量应应采采用用自自重重应应力力至至自自重重应应力力加加附附加加应应力力对对应应的的压压缩缩模模量量。。同时时指指出出，，太大大的的沉沉降降量量会会使使建建筑筑物物容容易易倾倾斜斜。。桩的的长长度度对对建建筑筑物物的的沉沉降降量量影影响响明明显显，，桩的的压压入入应应以以桩桩尖尖标标高高为为准准，，不能能用用桩桩压压不不下下去去为为理理由由不不压压到到桩桩尖尖标标高高。。第六六章章带带裙裙房房高高层层建建筑筑基基础础整体体设设计计的的研研究究6-1.带裙裙房房高高层层建建筑筑与与地地基基基基础础的的共共同同作作用用分分析析6-2.带裙裙房房高高层层建建筑筑桩桩箱箱（（筏筏））基基础础的的整整体体设设计计6-3.带裙裙房房高高层层建建筑筑整整体体设设计计的的实实测测研研究究图6-1带裙裙房房高高层层建建筑筑子子结结构构的的划划分分图图6-2主楼楼子子结结构构向向裙裙房房子子结结构构的的凝凝聚聚［KB＋KF＋KS］{U}={Q}+{SB}(6-1)式中中:[KB]————等效效边边界界刚刚度度矩矩阵阵；；[KF]————基础础的的刚刚度度矩矩阵阵；；[KS]————地基基刚刚度度矩矩阵阵；；{U}———基础础位位移移向向量量；；{Q}———荷载载向向量量；；{SB}—————等效效边边界界荷荷载载向向量量；；6-1.带裙裙房房高高层层建建筑筑与与地地基基基基础础的的共共同同作作用用分分析析图6-3计算算实实例例高高层层建建筑筑平平面面图图表6-1II-II剖面面的的理理论论计计算算与与部部分分高高层层建建筑筑的的几几何何尺尺寸寸和和变变形形的的实实测测结结果果

理论计算实测结果

I

II

III

IV

V郑州旅游旅馆[87]美国独特壳体广场[88]筏板厚度h(m)1．31．82．32．82．31．02．52裙房悬挑长度L1（m）

16．0

16．0

16．0

16．0

0

4．0

6．1L1/h

12．38．97．05．704．02．4平均沉降（m）0．210．200．190．180．310．2530.125（筒体）差异沉降（m）0．150．120．100．080．070．0210．06相对弯曲θ（‰）

2．34

1．88

1．56

1．25

1．09

0．29

0．85图6－6L1／h与相相对对弯弯曲曲θr的关关系系6-2带裙裙房房高高层层建建筑筑桩桩箱箱（（筏筏））基基础础的的整体体设设计计—共同同作作用用方方程程式式（［［Kb］+[KR]+[KSp]）{Ub}={Sb}+{PR}（6-2）式中中［［Kb］———整个个上上部部结结构构（（包包括括裙裙房房））关关于于基础础顶顶面面的的等等效效边边界界刚刚度度矩矩阵阵；；[KR]————筏板板基基础础的的整整体体刚刚度度矩矩阵阵；；[KSp]————桩土土结结点点的的刚刚度度矩矩阵阵；；{Sb}————整个个上上部部结结构构关关于于基基础础顶顶面面的的等等效效荷荷载载列列向向量量；；{Ub}————相应应的的边边界界结结点点位位移移列列向向量量；；{PR}————筏板板基基础础本本身身所所受受的的结结点点力力列列向向量量。。图6-7带裙裙房房高高层层建建筑筑子子结结构构的的划划分分图图6-8带裙裙房房高高层层建建筑筑基基础础平平面面图图计算实实例：：高层建建筑主主楼均均为20层，裙裙房为为2层，主主楼与与裙房房均为为剪力力墙结结构，，墙厚厚0.22m。主楼EFGH平面尺尺寸为为48m×32m，左右两两侧各各带16m宽的裙裙房（（见图图6-8），AEHD，FBCG平面为为裙房房平面面，主主楼和和裙房房的筏筏厚相相同，，均为为2.3m。主楼布布桩93根，裙裙房下下布桩桩分别别取80根、28根、0根三种种情况况。桩长均均为30m，桩径为为0.5m××0.5m，均系钢钢筋混混凝土土方桩桩，桩桩的弹弹性模模量为为2.6××104MPa。筏板弹弹性模模量ER＝3××104MPa，泊桑比比νR=0.17。地基采采用弹弹性半半无限限体地地基模模型，，模量ES＝20MPa，νS＝0.35。表6-2带裙房房高层层建筑筑桩筏筏基础础与地地基的的共同同作用用的计计算

算况

无桩主楼有桩（93根桩）1（80根桩）2（28根桩）3（0根桩）平均沉降（m）0.350.0250.0280.030差异沉降（m）0.200.0410.0390.035相对弯曲（‰）3.100.640.610.556-3带裙房房高层层建筑筑整体体设计计的实实测研研究高层建建筑主主楼与与裙房房同置置于一一个整整体基基础上上的以以下几几种形形式的的设计计是有有效的的：（l）悬挑式式；（2）主楼楼桩数数多，，裙房房桩数数少的的布桩桩形式式；（3）主楼楼底板板厚，，裙房房底板板薄；；（4）主楼楼桩长长些，，裙房房桩短短些。。这些设设计的的目的的是为为了减减少整整体基基础的的差异异沉降降.表6-34幢高层层建筑筑不同同基础础形式式的L1/h实测值值及部部分建建筑物物的相相对弯弯曲值值序号名称建筑高度（m）主楼裙房基础形式底板厚度h（m）裙房悬挑长度L1（m）L1/h相对弯曲θ

r（‰）层数高度（m）层数地上地下地上地下1郑州旅游旅馆60.051715.58/1箱基1.04.04.00.292美国独特壳体广场大楼217.652418.2/4片筏2.526.12.420.853上海联谊大厦［90］105.230119.031桩箱1.67.04.384上海贸海宾馆[92]94.52627.6/2桩筏2.3(1.0)14.1514.20.35注：括括号内内的数数字为为裙房房底板板厚度度。序号4:主楼采采用2.3m厚的片片筏基基础再再加200根,而两旁旁二层层地下下室采采用1m厚的片片筏基基础加30根同样样尺寸寸、同同样入入土深深度的的钢管管桩。。筏厚2.3m处的桩桩基础础，每每根桩桩承担担6.25m2的上部部荷载载。筏厚lm处的桩桩基础础，每每根桩桩承担担25m2的上部部裙房房荷载载。从该建建筑物物基础础的纵纵向弯弯曲和和筏内内钢筋筋应力力的实实测结结果来来说明明此类类桩基基布置置的合合理性性。图6-11钢筋应应力计计布置置及钢钢筋应应力变变化主楼筏筏板厚厚2.3m;裙楼筏板厚1.0m.4）带裙房高高层建筑桩箱箱（筏）基础础整体设计的的计算参数的的确定表6-5上海桩基基床床系数建议值值[86]土层名称桩入土深度(m)k(kN/m3)k长期(kN/m3)粉砂②110800-900500-700灰色粉砂⑤2201800-20001400褐灰粘土⑤44025301500-2000暗绿粉质粘土⑥262000-26001600-2000草黄砂质粉土，粉质粘土夹粉细砂⑦303300-45002000-3500草黄粉砂⑦2409000-109005000-8000灰色粉砂，青灰粉细砂⑦2506000-130004500-12000暗绿粉质粘土，砂质粉土夹粉质粘土，灰粉质粘土夹砂⑧50-607000-170007000-120005)应用实例世界金融大厦厦总建筑面积积84413m2（地上建筑面积积66779m2，地下建筑面积积17634m2），主楼43层，总高度168.7m。上部结构为钢钢筋混凝土核核心筒加劲性性组合柱，压压型钢板作为为楼层的框筒筒结构。3层地下室呈五五边形，开挖挖深度为天然然地面下15m。裙房4层，高19.8m,与主楼单面相相接，呈贝壳壳扇形。结构构的剖面图和和平面图分别别见图6-16和图6-17。图6-16世界金融大厦厦剖面图图6-17世界金融大厦厦平面图在高低建筑物之之间设置后浇浇带与不设置置后浇带的工工作机理是有有区别的.高低建筑物之之间不设置后后浇带后，高低建筑物处处于同一个整整体基础，主主楼荷载向整整体基础裙房房下的部分扩扩散，使得基基础面积增大大，基底总压压力减小，裙裙房基础下面面的桩的功能能不是抗拔，，而是抗压，，裙房基础是是下沉的。且裙房和主楼楼在整体基础础的交界处的的变形是连续续的，它的受受力状态与主主楼和裙房间间设沉降缝为为两个基础的的受力状态是是不同的，使使得整体基础础的差异沉降降和相对弯曲曲均有所改善善。理论计算结果果表明，带桩桩主楼和裙房房处于一个整整体基础对高高低建筑物的的差异沉降是是有好处的。。在对配钢筋和和桩的布置与与数量进行调调整后，对世界金融大大厦决定考虑虑不设置沉降降缝的方案，，并在施工过过程中取消后后浇带。2000年6月精装修结束束，在正式投投入使用前夕夕，主楼的最大实实测沉降为48.9mm，平均实测沉降降为44.62mm;裙房的最大实实测沉降为46.84mm，平均实测沉降降为33.29mm。其倾斜和相对对弯曲均在0.10‰以内，筏板整体基基础在裙房和和主楼的交界界处未发现裂裂缝。应用带裙房的的高层建筑与与地基基础共共同作用的理理论在该工程程的设计实践践中获得成功功。因此，不设置置后浇带的方方案，不仅施施工方便和缩缩短工期，并并且节省钢筋筋等材料，获获得较大经济济效益，与原原设计方案相相比，仅仅材料费一一项就节约人人民币120万元。6-4本章小结1．对带裙房的的高层建筑箱箱（筏）基础础的整体设计计作了理论和和实测研究，，指出裙房建在在箱（筏）底底板的悬挑段段是可行的，，提出悬臂长度度与底板厚度度之合适比值值；2．提出带裙房房高层建筑桩桩箱（筏）基基础整体设计计的理论和建建议，指出带裙房高高层建筑桩箱箱（筏）基础础整体设计采采用裙房桩疏疏些，桩长度度短些，底板板厚度薄些的的设计方案可可有效地减小小整体基础的的差异沉降和和相对弯曲。。提出主楼和和裙房整体基基础的相对弯弯曲的允许值值应控制在0.85‰以内；3．笔者提出的的上海地区各各种典型桩持持力层的建筑筑竣工时和长长期使用时的的桩基基床系系数建议值，，可供设计使使用，并可粗粗略估算建筑筑物的沉降值值；4．笔者提出的的带裙房高层层建筑桩箱（（筏）基础整整体设计研究究成果在世界界金融大厦决决定考虑不设设置沉降缝的的方案并在施施工过程中取取消后浇带的的实践中，获获得成功。与与原设计方案案相比，仅仅仅材料费一项项就节约人民民币达120万元。第七章高高层建筑桩桩箱(筏)基础的变形控制设设计理论7-1、概述7-2、高层建筑筑桩箱（筏））基础的变形形控制设计理理论7-3、计算实例例7-4、应用实例例7-2、高层建筑桩桩箱（筏）基基础的变形控制设设计理论1.P≤T情况（P和T的意义同第四四章前）这种情况的高高层建筑通常常为超高层，，桩通常为超超长桩。常规规设计建筑物物的沉降通常常在50mm左右，使用变变形控制设计计理论，建筑筑物的允许沉沉降不宜太大大。建议允许许沉降[S]为150mm，则建筑物的沉沉降S：S≤[S]=150mm(7-1)具体应用时，，对常规设计计有下列几种种优化设计：：⑴在桩数、、桩径和桩长长不变的条件件下，建筑物物加层的优化化。要求加层后增增加的压力由由桩间土承担担，需满足下下式：（7-2）式中：——变形控制设计计的总压力；；——常规设计的总总压力；k——由于桩的设置置引起的箱（（筏）基础底底土的面积及及土的扰动系系数，k=0.8-0.9；⑵在建筑物物层数、桩径径和桩长不变变的条件下，，桩数的优化化。高层建筑桩箱箱（筏）基础础常规设计是是认为仅由桩桩来承受外荷荷载P的，即：(7-3)式中np1，np2，np常为桩数；Pu和Ap分别为桩的极极限荷载和桩桩横截面积；；R为桩材料用边边长为20cm的混凝土立方方体试块的极极限抗压强度度。式中：f为箱(筏)基础底土的承承载力设计值值，P，Pu，PB，Ap，A意义同前。式（7-6）表明减少桩桩数后，减少少的桩承载力力的总和应小小于等于桩间间土可以承担担的荷载。(7-5)(7-6)(7-4)图7-230层高层住宅的的np-S曲线⑶在建筑物物层数、桩径径和桩数不变变的条件下，，桩长的优化化。对于桩长的优优化，根据据地质条件，，首先用常规规设计方法确确定桩基持力力层、桩径和和桩数。在P≤T条件下:打入桩的桩径径不宜小于Φ500（方桩边长不宜宜小于450mm）；钻孔灌注桩桩桩径不宜小于于Φ700，并使桩的长细细比小于100。2．P＞T情况（P和T的意义同前））这种荷载条件件的高层建筑筑桩基础通常常为短桩或长长桩。层数相相对要少些，，使用变形设设计控制理论论，建筑物的的允许沉降可可以大一点，，建议允许沉沉降为25cm，即建筑物的沉沉降为：S≤25cm(7-6)在这种条件下下同样可以进进行建筑物加加层的优化，，减少桩数和和缩短桩长的的优化。建筑物基础优优化设计完成成后，仍要进进行桩与桩间间土的整体承承载力的校核核。7-4应用实例1．应用实例1图7-5罗山六小区高层建筑基础础平面图示意意（单位：m）图7-7罗山六小区高层建筑的的的桩长与沉降降的关系1995年5月17日结构封顶，，历时8个月，建筑物物平均沉降22.2mm，最大沉降27mm，最小沉降19mm。小于预估的最最终沉降83.2mm，实测结果证明明，两幢高层层桩长缩短2m是成功的。两两幢高层可节节约约10万元。2．应用实例2上海控江路北北块旧区改造造九州花园南南北两幢高层层原系24层高层住宅，，采用50×50cm2预制钢筋混凝凝土方桩，桩桩的有效长度度为34m，总桩数184根，箱基埋深深4.2m,总压力375.5kPa（包括箱基荷载载），受甲方方委托，对南南、北两幢高高层建筑加层层的可能性进进行评估。甲甲方委托时北北楼已造至两两层，南楼基基坑尚未开挖挖。图7-8九州花园高层层建筑基础平平面示意图(单位:m)图7-9九州花园南北北楼的p-S曲线总荷载p（kPa）375.5390.5405.5沉降S(mm)南楼189215242北楼152166178表7-4九州花园南、、北楼高层住住宅关于加层层的计算最终终沉降量现在，南、北高层住住宅仅加一层层，成为25层高层住宅。。至1996年10月4日已经基本建建筑竣工（外外墙装饰已至至底层），北北楼历时两年年又两个月，，南楼历时两两年，两幢大楼的实实测沉降分别别为86mm和82mm，均在预估的最最终沉降量166mm和215mm以内。实测证明，这这两幢大楼通通过高层建筑筑桩箱（筏））基础变形控控制设计理论论的预估，实实现了加层，，并获得成功功。两幢大楼楼加一层可得得到超过1500m2的建筑面积，，使业主可多创创利约180万元。图7-10北楼沉降-时间-沉降速率曲线线图3应用实例3上海四联大厦厦地上23层，地下一层层，建筑物总总高度85m，总建筑物面积积19422m2,上部结构为高高层建筑剪力力墙结构，基基础采用桩箱箱基础，箱基基面积733m2，箱基埋深4.4m，桩群均布置在在剪力墙下，，为轴线桩布布置，箱基底底板厚60cm，剪力墙下设置置高1.2m，宽1.1m的基础梁至上上部结构。桩桩采用钻孔灌灌注桩，共95根。地下水埋埋置深度为0.5m。钻孔灌注桩原原设计为桩长长57.4m，桩直径为0.85m。经过计算分析析，与设计院院商量，改成成桩长52.4m，桩直径0.80m，仅桩基础一项项的变化和修修改，就为甲甲方节省投资资60余万元。下面介绍修改改的依据。图7-11四联大厦箱基基平面和桩位位布置图7-12四联大厦桩长长与沉降的关关系图图7-13四联大厦桩径径与沉降的关关系3．实施情况该大楼1996年7月16日基础施工结结束，1997年1月29日结构封顶，，1997年5月5日建筑竣工，，实测沉降12mm，过两年半后，，1999年12月27日，居民全部部入住，实测测沉降17.1mm，沉降速率为0.0053mm/天，已小于《上海规范》沉降稳定0.011mm/天的标准。用用双曲线法外外推实测的最最终沉降为20.9mm。7-5.本章小结1．本章提出高层层建筑桩箱（（筏）基础变变形控制设计计理论，这理理论可以解决决需用多少根根桩才能使建建筑物的沉降降控制在允许许范围内的问问题，高层建筑桩箱箱（筏）基础础变形控制设设计理论同时时考虑了桩间间土的承载力力。2．利用高层层建筑桩箱（（筏）基础变变形控制设计计理论，对30层公寓作了算算例分析，指指出此理论必必须变形和承承载力双满足足。3．利用高层建筑筑桩箱（筏））基础变形控控制设计理论论作了工程实实践，进行了了数幢高层建建筑桩箱(筏)基础的优化设设计，并获得得了成功，使使甲方获得数数百万的经济济效益。图1实体深基础础的底面积积第二个问题题是不能应应用沉降计计算结果与与实测结果果相差太大大的沉降计计算方法，，这样会造成成直接经济济损失或浪浪费基础的的投资。第三个问题题是不能用用文克勒模模型的计算算结果来考考虑建筑物物的差异沉沉降的估算算。第四个问题题是高层建建筑桩箱（（筏）基础础的工作状状态为:在常规设计计条件角桩桩和边桩与与内部桩反反力之比值值很大，达达到2倍以上，随着外荷载载的增加，，这个比值值逐渐减小小，当达到到极限设计计时，角桩桩，边桩，，内部桩反反力趋于均均匀，即角角桩和边桩桩反力增加加很少或不不增加，但但内部桩反反力增加很很多。这种情况类类似于高层层建筑箱形形基础在软软土地基地地基反力的的分布，因因箱形基础础底板角，，边部分下下的土体的的应力进入入塑性状态态，应力重重分布使得得地基反力力趋于平缓缓。即：建筑物的外外荷载增加加，可以充充分利用内内部桩的承承载力。第八章结结论与展展望（略））8-1、结论通过高层建建筑地基基基础设计理理论与实践践的研究，，特别是高高层建筑桩桩箱（筏））基础与地地基共同作作用的研究究和实践，，已完成下下面几方面面工作：1．独立立完完成成国国内内外外罕罕见见的的高高层层建建筑筑超超长长桩桩箱箱基基础础与与地地基基共共同同作作用用的的现现场场实实测测研研究究。实测测研研究究证证明明：：桩对对准准剪剪力力墙墙的的轴轴线线布布置置的的设设计计方方法法是是合合理理可可行行的的。。这幢幢30层建建筑筑物物的的荷荷载载为为500kPa，箱基基底底板板厚厚度度采采用用60cm，实测测最最大大底底板板钢钢筋筋拉拉应应力力发发生生在在底底板板的的上上排排钢钢筋筋处处，，其其值值小小于于30MPa，可见见轴轴线线桩桩的的设设计计可可以以大大大大减减薄薄箱箱基基底底板板的的厚厚度度。。提出出在在高高层层建建筑筑桩桩箱箱基基础础底底板板设设计计中中，，桩桩箱箱基基础础整整体体弯弯矩矩可可以以不不计计，，桩桩箱箱基基础础的的底底板板弯弯矩矩按按局局部部弯弯曲曲计计算算。。指指出出高高层层建建筑筑群群桩桩基基础础对对箱箱形形基基础础的的刚刚度度是是有有影影响响的的。。并并指指出出高高层层建建筑筑物物的的温温差差引引起起的的箱箱基基底底板板钢钢筋筋应应力力的的变变化化不不容容忽忽视视。。群桩桩基基础础的的试试验验表表明明：：桩桩间间土土从从施施工工一一开开始始就就分分担担上上部部荷荷载载了了，，这这是是高高层层建建筑筑群群桩桩基基础础的的工工作作机机理理。。欲欲解解决决需需用用多多少少根根桩桩才才能能使使建建筑筑物物的的沉沉降降控控制制在在允允许许范范围围内内的的问问题题，，必必须须建建立立在在高高层层建建筑筑群群桩桩基基础础的的工工作作机机理理上上。。2．介介绍绍了了国国内内外外常常用用的的单单桩桩和和群群桩桩沉沉降降分分析析的的计计算算方方法法,指出出它它们们的的利利弊弊,本文文主主要要介介绍绍高高层层建建筑筑桩桩箱箱(筏)基础础沉沉降降计计算算的的简简易易理理论论法法。。3．提提出出新新的的高高层层建建筑筑桩桩箱箱(筏)基础础沉沉降降计计算算方方法法-简易易理理论论法法。。高高层层建建筑筑桩桩箱箱(筏)基础础沉沉降降计计算算的的简简易易理理论论法法可可以以计计算算各各种种桩桩长长（（7.5m-60m）的高高层层建建筑筑桩桩箱箱(筏)基础础的的最最终终沉沉降降；；此此法法简简单单、、方方便便，，且且可可以以手手算算；；计计算算参参数数容容易易确确定定；；计计算算结结果果均均不不需需使使用用桩桩基基沉沉降降修修正正系系数数；；考考虑虑了了桩桩间间土土分分层层的的影影响响；；能能反反映映建建筑筑物物荷荷载载与与沉沉降降的的非非线线性性关关系系；；计计算算沉沉降降量量与与实实测测推推算算值值相相当当接接近近，，并并在在外外地地获获得得成成功功。。用简易理理论法的的基本原原理可以以进行单单桩分析析，能获获得单桩桩的理论论的单桩桩刚度；；给出荷荷载与沉沉降（Q-S）的非线性性关系；；短