高层剪力墙结构桩基设计要点

高层剪力墙结构桩基设计要点[摘要]依据新实施的《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）设计理论和方法，针对高层剪力墙结构的特点，分析了常用桩基础的设计要点和注意事项。[关键词]高层剪力墙结构；桩基；承台效应；差异沉降；桩基概念设计0．前言大开间落地剪力墙结构对建筑高度要求低，建筑内不露梁柱，承重墙与分隔墙结合，有效增加建筑空间，隔声效果好；结构自身整体性强，侧向刚度大，抗侧力性能好，用钢量少，施工周期短，造价相应较低，已在近年来日益增多的高层居住建筑（住宅、公寓、饭店、旅馆等）中。由于高层建筑结构上部荷载大，对地基、基础承载力、变形限值、整体稳定等要求高，桩基础已成为高层剪力墙结最常用的基础形式。桩基础是结构重要组成部分，造价一般要占到总造价的25%左右，且一旦出现问题，弥补难度大。所以设计人员要把握好桩基础的设计每一个环节，真正做出技术先进、安全适用、经济合理、确保质量的设计。1.上部结构布置对桩基设计的影响1.1结构上部竖向荷载高层居住建筑剪力墙结构，当荷载均匀或变化不大时，一般竖向荷载标准值可按下表估算。高层建筑竖向荷载标准值估算表表1建筑部位建筑层数一般地上楼层地下室基础筏板18层以下13~14kN//m220kN/m2根据具体筏板梁高、板厚确定19~30层14~16kN//m2因为确定桩数和布桩采用的是传至承台底面的荷载效应标准值，所以根据上部竖向荷载和岩土工程勘察报告提供的地质参数可初步确定桩所需达到的承载力和布桩方案。1.2剪力墙布置上部剪力墙布置时，为了保证建筑布置的灵活性，尽可能地保证使用建筑面积，剪力墙一般布置在外墙处（特别是两端），内墙则在满足户内梁布置的情况下尽量减少，这样的剪力墙布置在提供结构侧向刚度的同时提供了最佳的抗扭刚度，减小扭转位移，在满足层间位移指标（层间位移角）、扭转指标（周期比、位移比）的前提下尽量大开间布置剪力墙（一般7~8米，相当于建筑的2~3个开间），减小结构刚度、结构自重，地震作用下的地震效应也相应减小，从而减小作用于承台底面的竖向力和弯矩，从根源上降低基础造价。避免布置短肢墙，相对长肢墙提供的抗侧刚度较小，且地震作用下容易先破坏，设计中计算和构造配筋量都大，也无法实现桩基础墙下布桩，需要增设承受桩反力的承台梁，增加上部和基础造价。长肢墙按照墙厚的确定一般大于1600，对于500直径的预应力管桩墙下布桩是很容易满足墙下布桩的要求的，对于600直径的混凝土灌注桩在墙长达到1800是也是很容易满足墙下布桩的要求的。疏散楼梯间及电梯厅处荷载分布集度较大，所以这些地方也是布置剪力墙的重要部位，承受竖向荷载，将上部荷载直接传给桩基。其他剪力墙平面布置尽可能均匀对称，尽量使结构的刚度中心和质量中心重合，以减少地震作用下扭转产生的弯矩。1.3基础荷载分布剪力墙的布置基本决定了基础的荷载分布和荷载集度。由于剪力墙平面内刚度大，剪力墙结构竖向荷载呈线性荷载，分布较均匀。根据1.2所述的剪力墙布置原则，电梯井及楼梯间竖向荷载集度较大，约为一般剪力墙的两倍，在地震力及风荷载等动力作用下建筑两端剪力墙（特别是长宽比大的建筑）弯矩较大。这就是我们初步按承载力布桩的依据。2.桩基设计内容及要点2.1桩型的选择本文主要针对最常用的两种摩擦型桩——混凝土（预应力）管桩和钻孔灌注桩，进行分析。这里混凝土管桩为部分挤土成桩，钻孔灌注桩为非挤土成桩，适用性见下表。设计人员应根据具体工程情况选用合适的桩型。桩型选择参考表表2桩类桩径(mm)桩长(m)穿越土层桩端进入持力层地下水位对环境影响孔底有无挤密一般黏性土及其填填涂淤泥和淤泥质土粉土砂土碎石土季节性冻土膨胀土土黄土中间有硬夹层中间有砂夹层中间有砾石夹层非自重湿陷性黄土土自重湿陷性黄土硬黏性土密实砂土碎石土软质岩石和风化岩岩石以上以下振动和噪声排浆灌注桩500~800≤50○○○△×△△××△×○○△×○○有有无管桩≤600≤50○○○△×△○△△△△○○○△○○有无有注：1.灌注桩为潜水钻成孔灌注桩，管桩为混凝土（预应力）管桩2.○表示比较合适；△表示有可能采用；×表示不宜采用2.2单桩竖向承载力2.2.1不考虑承台效应单桩竖向承载力设计人员一般根据岩土工程勘察报告提供的土的物理指标与承载参数之间的经验关系确定单桩竖向承载力，按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2001）规范计算，此处不再赘述2.2.2考虑承台效应单桩竖向承载力根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）5.2.4条宜考虑承台效应确定复合桩基竖向承载力特征值的条件，剪力墙结构上部刚度较好，对于体型不复杂的高层建筑物有利于抵抗桩基的差异沉降，可以考虑承台效应确定复合桩基竖向承载力特征值。对于桩布置与剪力墙下的筏形承台竖向承载力特征计算如下。不考虑地震作用：考虑地震作用：，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)表4.2.3，对于扬州地区，带有一层地下室的高层建筑一般可取到1.3，即由于桩与筏板及筏板下土体共同作用时沉降呈碟形（盘形），所以涉及过程中外围区域可适当多地考虑承台效应，提高单桩承载力特征值，减少桩数和桩长，更多地发挥承台承载作用，使外围沉降适当增加。中部区域则相反，较少考虑承台效应，单桩承载力特征值提高较少，增加桩数和桩长，上部作用主要由基桩来承担，降低内部沉降。从而从整体上降低桩基内外差异沉降，降低差异沉降引起的筏板内力及上部结构次生应力。2.3单桩水平承载力的确定2.3.1影响单桩水平力特征值的因素因素包括桩身截面抗弯刚度、材料强度、桩侧土质条件、桩的入土深度、桩顶约束条件，因此，提高桩的水平承载力可以从以上几个因素着手，桩身截面抗弯刚度大、材料强度越高、桩侧土质条件越好、桩的入土深度越大、桩顶约束条件越牢固则桩的水平承载力越高。2.3.2特征值的确定对于低配筋率的灌注桩，通常是桩身先出现裂缝，随后断裂破坏；此时，单桩水平承载力由桩身强度控制。对于抗弯性能强的桩，如高配筋率的混凝土预制桩和钢桩，桩身虽未断裂，但由于桩侧土塑性隆起，或桩顶水平位移大大超过使用允许值，也认为桩的水平承载力达到极限状态。此时，单桩水平承载力由位移控制。在初步设计阶段和设计等级非甲级建筑桩基时，可通过规范所列的按桩身承载能力控制的规范式（5.7.2-1）和按桩顶水平位移控制的规范式（5.7.2-2）进行计算。最后对工程桩进行静载试验检测。2.4布桩原则对于荷载集度较高的电梯井和楼梯间应强化布桩。基桩宜布置于墙下，对于墙体交叉、转角处应予以布桩。布桩时，宜使各桩承台承载力合力点与相应竖向永久荷载合力作用点重合，并使桩基在水平力产生的力矩较大方向有较大抵抗矩。墙下桩基应在转角及交叉部位设桩；底层门洞下不宜设桩，否则应设承台梁。对整体布桩而言，排列基桩时宜使桩群承载力合力点与竖向永久荷载作用点重合。2.5桩基沉降控制2.5.1变刚度调平设计原理剪力墙结构整体刚度好，荷载由墙体传递于基础，分布较均匀。一般情况下差异沉降较小，但当上部荷载较大，分布不均匀，单桩承载力取值较高时，差异沉降也会变大，设计时应把握桩基变刚度调平优化设计方法。高层建筑地基（桩土）作为上部结构——基础——地基（桩土）体系中的组成部分，其沉降受三者共同作用的制约。共同作用的总体平衡方程为：。其中为凝聚于基础（承台）顶面的上部结构刚度矩阵；为凝聚于基础（承台）底面的基础（承台）刚度矩阵；为凝聚于基底的地基土（桩土）支承刚度矩阵；为基础（承台）底节点位移向量；、分别为凝聚于基底的上部结构、基础（承台）荷载向量。对于特定的上部结构、基础和地基，刚度矩阵是确定的，相应荷载、位移向量也随之确定。要使沉降趋于均匀，调整基础刚度不但增加了基础自重和基础内力，提高造价，其效果也是不明显的；唯有依靠调整桩土支撑刚度，使之与荷载分布和相互作用相匹配才是优化高层建筑地基基础设计，减少乃至消除差异沉降的有效、可行而又经济的途径。2.5.2变刚度调平设计思路以调整桩土支承刚度分布为主线，根据荷载、地质特征和上部结构布局，考虑相互作用效应，采取增强与弱化结合，减沉与增沉结合，刚柔并济，局部平衡，整体协调，实现差异沉降、承台（基础）内力和资源消耗的最小化2.5.3变刚度调平设计细则剪力墙结构不仅整体刚度好，且荷载直接由墙体传递给基桩，荷载分布比较均匀。对于荷载集度较高的电梯井和楼梯间应强化布桩。基桩宜布置于墙下，对于墙体交叉、转角处应予以布桩，最大限度发挥承台低地基土分担荷载作用。建筑两端布置的剪力墙地震力作用下弯矩较大，也是布桩的重点部位，布桩应提供较大的抵抗矩。并注意边桩效应下桩承载力是否达到规范要求。3.桩基础抗震设计3.1桩基的震害与解决措施桩基的震害与解决措施参考表表3场地液化等级破坏类型解决措施非液化土桩周土层刚度比较较均匀，多为为桩顶部震害害，上部结构构惯性力造成成桩顶弯曲裂裂缝、剪坏、压压坏、拔脱为为主核算地震作用下的的强度与承载载力。具体设设计加强桩顶顶嵌固构造，以以及桩顶以下下5d范围内的纵纵筋和箍筋设设置刚度相差大的土中中的桩在软硬硬截面处破坏坏，软硬土层层界面处弯矩矩与剪力均较较大，可导致致桩身弯、剪剪破坏验算刚度相差大的的土分界处上上下一定范围围内的桩身强强度，提高配配筋构造软土中的桩基震陷陷,厚层软土地地震时因触变变摩阻力下降降，使桩基产产生刺入式震震陷选择合适的桩端持持力层平时受较大水平静静荷载的桩地地震时承受比比平时大，桩桩侧向挤压破破坏加强桩承台周边土土体分担水平平荷载的能力力，避免桩基基单独承受侧侧向力液化土液化而无侧向扩展展建筑周围喷水冒砂砂，土面下层层使桩承台脱脱空用非液化土置换桩桩基承台周围围的液化土，填填筑夯实；加加强液化土中中桩配筋。桩长不足，悬在液液化土中造成成桩基沉降或或由于桩伸入入非液化下卧卧层长度不足足，桩基失效效选择合适的桩端持持力层，保证证桩端入持力力层深度。有侧向扩展液化土土除存在液化而无侧侧向扩展情况况下的震害外外，桩还会承承受液化土与与非液化上覆覆土层滑移的推力力产生水平永永久位移和不不均匀沉降；；桩头与液化化层截面处因因弯、剪作用用很强而形成成塑性铰或折折裂。从场地选择初充分分考虑论证3.2高层剪力墙结构桩基为低承台桩，抗震验算的内容（方法）如下表抗震验算的内容（方法）表4验算类型验算内容非液化地基上的桩桩基验算单桩竖向和水平承承载力抗震验验算液化地基上的桩基基验算地震时桩承受全部部地震作用桩桩承载力验算算（考虑土层层液化影响折折减系数）考虑地震后及余震震桩承受全部部地震作用桩桩承载力验算算（不考虑液液化土摩阻力力及承台下2m深度范围内内非液化土摩摩阻力）4.筏板设计对于墙下布桩（局部梁下布桩）的桩基筏板，上部荷载是直接由剪力墙传给桩基的，筏板的梁只是加强剪力墙之间的联系，提高基础刚度以及更好地传递上部刚度，并不承受桩反力，所以在基础差异沉降小的情况下一般筏板梁满足构造配筋既可。同样筏板的板在础差异沉降小的情况下内力也是很小的，只承受水浮力和基础整体沉降后与筏板下压缩后天然地基接触产生的反力，板厚取值和配筋都是相当小的。一般情况下板厚取到400以及按受拉钢筋最小配筋率配置钢筋即可满足。5.其他日前上海小高层住宅的倒塌说明，桩基础的独立抗侧力能力是很弱的，主要由桩基承台（筏板）四周的回填土承担水平荷载，桩基施工要严格按照设计要求，桩基础（包括地下室部分）完成后要及时回填压实，才可以进行上部结构施工，保证基础的埋深。对于和大地下室（地下车或人防）相连的高层，高层地下室与大地下室应同时施工，及时回填，以避免桩承受较大的侧向荷载而破坏6.结语高层剪力墙结构桩基设计桩基础设计不是一个孤立的步骤，必须全局统筹地考虑上部结构与基础的关系，桩布置与基础筏板以及筏板下土的相互影响共同作用来设计。合理布置结构上部剪力墙，注重桩的选型与承台（筏板）形式、上部荷载与刚度大小、分布相匹配，合理调整桩刚度分布减少差异沉降，减少桩基础上部荷载、沉降引起的桩基承台（筏板）内力，根据具体工程情况进行抗震验算采取抗震措施。参考文献[1]建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）[S].北京：中国