岩土概念设计

岩土概念设计第一页，共十八页，2022年，8月28日一、岩土工程的不确定性：岩土工程最突出的特点是不确定性。

1、岩土体结构的不确定性：实践中发现，单纯的力学计算不能解决岩土工程实际问题。上部结构设计，其结构体系和结构构件非常明确，计算条件明确，体系和构件尺寸是工程师自己设计，材料（砼、钢筋等）自己选定，都是可控的，所以结构设计力学计算是可信的。而岩土是自然形成的，一旦场地选定，基础形式可以选择，而地基却没选择余地，是不可控的，只能通过勘察查明，但又不能完全查明，地质条件的复杂性难于掌握岩土的空间分布，根据GB50021规范，钻孔布置间距10~30m，孔与孔之间土层还会有很多变化。例如从强度角度，岩石和混凝土较为接近，混凝土材质较均匀，而岩石本身强度和模量差别悬殊，岩石有裂隙存在，裂隙有稀有密，有宽有窄，有长有短，有光滑的有粗糙的，有平直的有弯曲的，有的裂隙被充填，有的没充填，裂隙成因有原生节理，有构造节理，有荷载节理等其岩体和岩块力学参数有很大差别，岩体vpm=4000m/s，岩块vpr=5200m/s，kr=(vpm/vpr)2（kr完整性系数，kr≥0.75为完整，kr＜0.15为极破碎）。第二页，共十八页，2022年，8月28日2、岩土参数的不确定性。砼、钢材的材质不仅可控，也相对均匀，变异性小，岩土指标变异性大，一是取样、运输、制备、试验操作、试验取值、计算等会产生误差，二是其结果和试验方法，应力路径有关，如土的抗剪强度，直剪有快剪、固结快剪和慢剪；三轴试验有不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD），同一个土样不同试验方法得到的c、φ值不一样。例如某软土固快c=10.2kPa，φ=7.1°，三轴UU实验，c=6.8°，φ=0°，

CU试验c=12kPa，φ=5.1°，另一软土UU试验c=10kPa，φ=0°，CU试验，c=10kPa，φ=14°。根据具体工程问题，用什么试验方法是一件不容易的事，例如建筑物施工速度快，地基透水性和排水条件不良，应采用不固结不排水的c、φ值；地基为粘性土又夹有砂层，排水条件较好，可采用固结排水试验等。3、岩土应力-应变关系的非线性。4、计算理论和计算方法的不确定性，例如沉降计算，地基看成均质的线性变形体，基地压力看成柔性荷载，不考虑基础刚度影响，采用压缩模量参数，最后采用经验系数修正，s=Ψs’，Ψ=0.3~1.30。第三页，共十八页，2022年，8月28日二、概念设计。综合上述，岩土工程迄今是一门不严密的、不完善的、不够成熟的半理论半经验的一门科学，手段是试验，检测和经验积累，目前主要依靠经验和综合判断解决岩土工程问题。刘建航院士认为岩土工程应该是“理论导向，经验判断，实测定量”的原则；顾保和勘察大师提出岩土工程“不求计算精确，只求判断准确”。这就反映岩土工程的特点，也是对岩土工程设计简洁和准确的概括。单纯的理论计算是不可靠的，因为岩土工程不确定因素太多，理论只能作为导向，这种在理论导向和经验判断基础上，抓住难点、重点和关键问题，把握主要方向，作出设计决策称为概念设计。如桩基础的概念设计是考虑地质条件、上部结构类型（框架、框剪、框筒、砖混结构等），使用功能和荷载特征；施工技术条件与环境，制定过程桩基设计的总体构思，包括桩型、成桩工艺、桩端持力层、桩径、桩长，布桩、承台型式、单桩承载力，考虑桩、土、承台和上部结构的相互作用，力求减小差异沉降，降低承台内力和上部结构次应力。因此桩型和布桩是重点。概念设计分为狭义的和广义的。狭义的可理解为框架设计，先定性分析，再做定量分析，从概念上选择一个或几个方案进行必要的计算和验算，逐步优化和完善设计。广义的概念设计是一种设计思想，是建立在理性基础上的设计，它不仅对原理有深刻理解，还要有丰富的工程经验，灵活的运作能力。第四页，共十八页，2022年，8月28日三、概念设计实例

【例1】软土地基打桩的概念设计要考虑以下几个问题

(1)挤土效应，要控制桩间距，间距小挤土扰动，侧阻降低，地面隆起，桩上浮端阻力减小，对于群桩基础，随着时间增长，软土产生固结沉降，承台和土脱空，承台效应不能考虑。

(2)沉桩对环境影响。

(3)基坑开挖，坑壁变形过大或坍塌，工程桩被挤歪、挤断。某工程为6层框架结构办公楼，一层地下室，场地土层分布为0~2m新近填土；2~3.7m为粉质粘土；3.7~24.7m为淤泥质粘土，ω=50%，e=1.4，ωL=39%，IL=1.6，a1-2=1.1MPa-1，Es=2.2MPa，fak=55kPa，K=2.1×10-7cm/s；24.7~28.7m为含角砾粉质粘土；28.7~32.0m为粘土，软塑，32~41m为中密细砂，地下水位0.5m，场地周围为2层砖混结构，天然地基的民房。

第五页，共十八页，2022年，8月28日该工程拟采用静压法施工的预应力管桩，桩径0.4m，桩长40m，桩端持力层为中密细砂，概念设计考虑，该桩基工程应着重考虑以下问题。

(1)桩承载力分析。土层中有一厚度21m的淤泥质粘土，其特点是高压缩性、高孔隙比、高灵敏度、低渗透性和低强度，采用预应力管桩存在严重的挤土效应，地面会隆起，桩会上抬，桩侧土被扰动，因而承载力会降低，桩间距是控制重点。

(2)沉桩对环境影响。淤泥质粘土层，沉桩过程，孔隙水压力会急剧上升，土的渗透系数小，孔隙水压力消散慢，产生的挤土效应对周围民居会产生不利影响，墙体会裂缝，基础上抬，地砖上拱，应严格控制打桩速率。

(3)基坑要有可靠的支护措施，否则基坑变形过大或挖土不当，会使工程桩偏移，甚至被挤断，基坑开挖工程要进行深层土体位移监测，坑顶水平位移监测和周围民房的变形观测。第六页，共十八页，2022年，8月28日

【例2】某6层框架结构综合楼，土层分别：0~0.5m为填土；0.5~5.0m为粉土；5.0~7.0m为粘土；7.0~12.0m为中砂，地下水位1.0m，中砂层带有承压水。该工程采用直径377mm振动沉管灌注桩基础，桩端持力层为中砂层，土层中的粘土层为隔水层，当桩身灌注混凝土后，发现桩顶在冒气泡，后来经低应变法桩身完整性检测，有80%的桩为Ⅲ、Ⅳ类桩，分析原因是桩身混凝土还未凝固前中砂层承压水沿桩身中消散，大部分桩被承压水穿断。作为概念设计，针对该土层情况，不应该选择沉管灌注桩，桩型选择错误。

【例3】某综合楼，建筑面积53484m2，分为28层（高109m）筒体塔楼，26层和18层框架剪力墙结构，纯地下室4部分组成，采用桩筏基础，筏板78.6×35.9m，板厚筒体部分1.0m，其余0.6m，埋深11.0m，梁板结构，桩采用沉管灌注桩，桩径0.5m，桩长21.5m，满堂布桩，桩间距1.8×1.8m和1.8×2.1m，桩端持力层粘土⑧层，筏板底为粉土④层，中间土层为饱和粉质粘土、粉土和粘土。第七页，共十八页，2022年，8月28日该工程建至12层时底板开裂，结构封顶后，梁板式筏形承台的主、次梁开裂，和核心筒相连的框架梁开裂，80%底板渗漏，筒体位置底板裂缝最严重。采用加固措施，将梁板式筏形承台主、次梁两侧加焊钢板，梁与梁之间充填混凝土，变为平板式筏形承台，1.0m厚板变为2.3m的板。该工程从概念设计考虑，以下几点是事故的主要原因，也就是没抓住难点、重点和关键问题。

(1)在饱和粘性土地基采用满堂均匀布置的挤土桩，由于挤土效应，使地面隆起，邻桩上浮、偏位；

(2)沉管灌注桩质量不够稳定，容易产生缩颈、断桩和吊脚现象，实际该工程已出现以上情况。

(3)桩端持力层选择不够合理，因为⑧层粘土，孔隙比达1.05，同时夹有泥炭土，其e=2.54。

(4)28层、16层、18层和纯地下室，荷载分布很不均匀，满堂均匀布桩不合理。

(5)剪力墙布置无序、不连续，刚度差别大。筒体下板厚1.0m，其余板厚0.6m，板厚过渡区产生次应力。

(6)考虑承台效应，土承担10%竖向荷载不合理，由于挤土承台下地基土已被扰动、隆起，孔隙水压力上升，过后土固结，承台和地基土间出现空隙。第八页，共十八页，2022年，8月28日

【例4】某18层住宅楼，地下一层，剪力墙结构，采用桩筏基础，桩基为直径426mm夯扩桩，土层分布为：0~4m新近填土，4~20m为高灵敏度淤泥，20m以下为中密细中砂，扩头持力层进入细中砂1.5m，工程结顶后建筑顶部偏离轴线2m多，严重倾斜，只好爆破拆除。按概念设计以下是事故主要原因：

(1)桩型选择错误。夯扩桩为挤土桩，16m厚的淤泥质土，由于挤土效应，桩侧土被扰动，地面隆起，桩侧阻力大大降低；

(2)扩头桩入持力层深度仅1.5m，上面为厚淤泥层，桩基础形成可绕桩端转动的球铰，承受水平力很差；

(3)由于夯扩振动，使桩端砂土可能产生液化，降低端阻力；

(4)许多桩偏位，处理时歪桩正接，受力性能恶化；

(5)基坑开挖无序，检测监测不力，施工速度超常规，采用快速注浆加固方案失误等。第九页，共十八页，2022年，8月28日

【例5】台北国际金融中心（台北101），101层，高508m，裙房6层，均设5层地下室，结构体系为巨型框架-核心筒，核心筒为16根钢柱+斜撑的桁架筒，巨型框架为8根巨型钢柱+巨型梁。采用桩筏基础，主楼桩径1.5m，桩长72m，反循环灌注桩，共380根，桩间距2.8m（1.86d），满堂布桩，桩端持力层页岩，裙房建筑荷载小于水浮力，设计桩径2.0m，桩长69m，抗浮桩，桩间距9.0m，共167根。从概念设计考虑，桩基设计以下是成功的经验：

(1)台湾是地震高发地区，地震力和风荷载作用很大，采用大直径灌注桩，可承受较大的水平力；

(2)桩端持力层为基岩，又采用反循环清孔，孔底沉渣可清的较干净，使桩端阻力较大且可较充分发挥；

(3)经8根桩的静载试验，其中5根抗压，3根抗拔试验结果，反循环灌注桩承载力高于全套管取土灌注桩承载力，原因是前者成孔至浇注混凝土时间比后者时间短，致使桩端的泥岩和页岩在泥浆中浸泡时间短，较长时间浸泡使泥岩和页岩松软，端阻力降低，所以桩基工程决定采用反循环灌注桩。第十页，共十八页，2022年，8月28日

【例6】上海金茂大厦，地上88层，高420.5m，地下3层，结构体系为混凝土核心筒-框架-伸臂，裙房6层，总建筑面积29万m2，主楼采用直径914.4mm，壁厚20mm，桩长83m开口钢管桩，桩数430根，桩端持力层第⑨层细中砂，静载荷试验，单桩极限承载力Qu=15300~16800kN，单桩承载力设计值R=7500kN；裙房采用直径609.6mm，壁厚14mm，桩长48m钢管桩，桩数638根，单桩承载力设计值R=3500kN。金茂大厦钢管桩采用2种锤施打，开始采用D-100柴油锤（锤头重10t）施打，后来难打时用HA-30液压锤施打；上海环球金融中心，高482m；核筒结构，核心筒为钢筋混凝土，外围框架为钢结构，钢管桩基础，上海中心，高632m，121层，桩径1.0m，桩长86m，桩数955根钻孔灌柱桩。前2座超高层建筑的基础都采用钢管桩，从概念设计考虑：

(1)钢管桩桩端持力层为第⑨层密实细中砂，可提供较高的承载力；

(2)钢管桩穿透能力强，桩端持力层进入第⑨层，中间要穿过数米标贯击数N≥40的砂层，尤其厚度达6~14m密实的第⑦层粉细砂，别的打入桩如预应力管桩是难于穿过的；

(3)钢管桩耐锤击，金茂大厦1根桩最多的锤击数达15000锤，这么多的锤击数别的桩型是不可想象的。第十一页，共十八页，2022年，8月28日

【例7】上海世博500kV地下变电站，地下4层筒型结构，直径130m，基坑深34m，基坑支护采用厚1.2m两墙合一的地下连续墙，嵌固深23.5m，逆作法施工，利用四层楼板作为内支撑。各层地下结构荷载由-柱-桩承担，柱为钢管混凝土，桩为桩径0.95m，桩长55.8m的灌注桩，桩端持力层为第⑨2层粗砂，桩端后注浆，单桩承载力设计值为R=9500kN；抗浮工程桩为直径0.8m，桩长48m灌注桩，桩端持力层为第⑨1层中砂。该工程从概念设计考虑：

(1)变电站位于上海市中心城区，基坑深达34m，支护结构采用地下连续墙，逆作法施工，利用4层楼板作为内支撑，该设计是合理的，同时减少造价；

(2)为减少立柱桩的差异沉降，提高单桩承载力和加固沉渣，采用桩端后注浆技术；

(3)逆作法施工阶段，4层结构自重和施工的超载，由直径0.55m钢管混凝土柱承担，他比钢结构柱承载力要大的多，其抗压承载力设计值达9500kN，但钢管混凝土柱由地面一次施工形成，又要保证1/300的垂直度，混凝土保证充填质量等是技术难点，是概念设计必须重点研究的问题。第十二页，共十八页，2022年，8月28日【例8】某地下车站为二层三跨闭合框架结构，车站长934m，分为8个基坑开挖，坑深约17m，宽23m，坑的一侧距坑边约5.8m为交通繁忙的道路，另一侧距离约10m为一条河，基坑采用厚0.8m地下连续墙+4道内支撑（其中第一道为钢筋混凝土支撑，其余3道为直径609mm的钢管支撑），墙嵌固深度14m，墙端位于淤泥质土层中。2008年底基坑出事故，其中北2#基坑长75m全部滑塌，连续墙折断，一侧墙顶向坑外位移，折断处墙体向坑内位移7.5m，墙端向坑内位移6.0m，另一侧墙顶向坑内位移3.0m，滑塌后形成一个长75m，深15.5m的大深坑，致使邻近河道决堤，河水倒灌，水深达7.0m，正在道路行驶的11辆车被埋入坑中，工人被埋20多人，其中死21人，一墙之隔的小学围墙全部倒塌，地下管线破坏等重大事故。该工程从概念设计考虑，以下几点应吸取经验教训：（1）场地淤泥和淤泥质土厚度达32m，含水量ω=50%~60%，高压缩性、高灵敏度、高含水量、低强度和低渗透性特点，连续墙墙端位于淤泥质土，未进入好的土层，容易产生“踢脚”；同时对软土的特性认识不足时设计易失误。如土压力计算时土的抗剪强度指标c、φ值，应该用三轴固结不排水（CU试验）试验的标准值，决不允许用平均值，若用固块指标，应根据经验拆减使用。该基坑却用了c、φ的平均值；第十三页，共十八页，2022年，8月28日（2）软土场地基坑底土层采用水泥土搅拌桩或旋喷桩加固被动区是增加被动土压力和防止坑底隆起的重要措施，后来由于多种原因设计同意取消该措施，改用坑底自流井降水，以提高土的抗剪强度，可是该软土层的渗透系数为10-7cm/s量级，透水性极差，降水效果不好，对这一点，凭经验是很容易判断的，加固被动区改用自流降水方法是最大失误；（3）先支撑后挖土，这是保证安全的最基本施工程序，但滑塌段，第4道支撑没有撑，土即挖至坑底，这种失误是不应该出现的；（4）支撑和墙体、立柱和支撑没可靠连接，连接刚度差，没形成整体性，例如事故发生的开始阶段，第一道钢筋混凝土支撑折断，7根钢管支撑滑落，6根支撑立柱被剪断，钢管支撑仅靠预加应力顶住墙体，墙体稍有变形，支撑很易滑落；（5）监测没及时报警。监测单位和施工单位签定监测合同有欠公正；第十四页，共十八页，2022年，8月28日

四、地基基础设计时采用什么样的荷载效应？作用在基础上的荷载分为荷载效应标准组合值、荷载效应准永久组合值和荷载效应基本组合设计值。作用荷载分为永久荷载（结构自重、土压力、预应力等），使用期间其值不随时间变化；可变荷载（楼面、屋面活荷载、雪荷载、风荷载等），使用期间其值随时间变化；偶然荷载（地震荷载、爆炸力、冲击力等），使用期间不一定出现，一旦出现其值很大且持续时间很短。（1）荷载效应标准组合：永久荷载采用荷载标准值，可变荷载采用组合值效应。Skc=Gk+ψcQk

（2）荷载效应准永久组合：永久荷载采用荷载标准值，可变荷载采用准永久组合效应。Skq=Gk+ψqQk

（3）荷载效应基本组合：由永久荷载控制的，（GB50007—2002）规范采用简化规则，荷载效应基本组合设计值取标准合值的1.35倍。S=1.35Skc式中GK—永久荷载；Skc、Skq—分别为标准组合、准永久组合值；Qk—可变荷载标准值ψc、ψq—分别为标准组合系数和准永久组合系数；S—基本组合设计值第十五页，共十八页，2022年，8月28日例如某5层框架结构住宅楼，建筑面积1755m2,永久荷载（结构自重等）26488kN，可变荷载标准值2kN/m2，荷载效应标准组合的可变荷载组合系数ψc=0.7，荷载效应准永久组合的可变荷载组合系数ψq=0.4。荷载效应标准组合值为：Skc=Gk+ψcQk=26488+0.7×1755×2=28945kN荷载效应准永久组合值为：Skq=Gk+ψqQk=26488+0.4×1755×2=27892kN（比标准组合值小3.8%）荷载效应基本组合设计值为：S=1.35Skc=1.35×28945=39075.8kN

因此荷载效应基本组合设计值最大，其次为荷载效应标准组合值，荷载效应准永久组合值最小。当然，按荷载规范，对不同功能的建筑，可变荷载标准值、组合系数ψc、ψq是不一样的。第十六页，共十八页，2022年，8月28日

1.基础设计：（1）确定基面积大小用容许承载力法，荷载用标准组合值，抗力用地基承载力特征值。（2