地基基礎工程的概念設計

建筑地基基礎工程的概念設計和實例分析及巖土工程新技術的介紹

劉金波博士（中國建筑科學研究院地基基礎研究所）前言1、從事工程設計施工的體會2、講課的方法從基本概念出發(fā)，將一些工程實例和基本概念結合講解，從這些工程實例中體會概念。具體講課采用提綱結合簡圖進行分析講解。3、講課希望達到的效果（1）幫助利用基本概念指導復雜工程問題處理；（2）增強創(chuàng)新意識和民族自信心；（3）和大家進行交流。一、地基基礎概念設計（一）地基基礎設計的目的地基基礎設計的根本目的是滿足建筑物對承載力和變形的要求。地基基礎設計包含三個步驟：1、概念設計；2、具體計算；3、計算數(shù)據(jù)的分析和利用。（二）地基基礎概念設計1、何為地基基礎工程的概念設計所謂地基基礎的概念設計就是將力學概念、土力學概念、巖土性質的基本概念、地質演化的科學規(guī)律、地下水的滲流概念、各種施工工藝的特點、各種結構體系的特點、巖土與結構的共同作用、當?shù)氐慕?jīng)驗等綜合應用到地基基礎工程方案的確定中，稱為概念設計。舉例魏公村支護、泰安某工程、北京胡家樓工程、淄博基坑支護、濟南某人工挖孔樁。概念設計分為（1）整體方案的概念；（2）施工工藝的概念；（3）經(jīng)濟的概念；（4）環(huán)保的概念。介紹1、4。（三）進行概念設計的必要性1、地基巖土種類多樣工程特性不同；國標《建筑地基基礎設計規(guī)范》將地基巖土分為巖石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土等幾大類，又補充了幾類特殊土如淤泥、紅粘土、膨脹土、濕陷性土。每一類土成因、工程特性差異很大。2、影響土力學性質的因素很多；1）受自身結構和應力史的影響；2）受含水量的影響；3）受時間的影響；4）受加荷速率的影響（首鋼曹妃店、降水）；5）受施工工藝的影響（擠土樁、鉆孔樁）；3、地基基礎工程設計中的兩個重要指標－承載力和變形的確定計算存在很多不定因素，理論還需完善。4、上部結構形式多樣，各有特點（各種結構體系）5、規(guī)范不可能解決所有問題，且在不斷的完善提高（如后澆帶、樁的選型布置、樁基的沉降計算存在的問題）。一些規(guī)范之間存在著不協(xié)調，不完善。6、巖土工程領域目前已進入技術、設備競爭、創(chuàng)新的時代，施工工藝的好壞判斷依賴基本概念（如灌注樁成孔可分為沉管成孔、鉆入成孔、沖擊成孔、抓掘成孔、螺旋成孔、人工挖孔；規(guī)范列出的地基處理方法有近20種）；7、目前設計中過分依賴程序；（考題）8、過細的分工要求有整體概念（易出現(xiàn)問題）。（四）具體計算根據(jù)簡化的數(shù)學模型采用手算或計算程序對地基基礎工程的具體問題進行計算。具體計算必須與概念設計的思想結合起來才能發(fā)揮作用，注意如下：1、設計者在應用公式或計算軟件時，應對軟件和數(shù)學模型的適用條件有正確的理解，了解這些假定條件與工程實際的符合程度；（如文克爾（E.winker）模型假定地基土上任一點處變形與該點承受的壓力成正比，與其它點無關，實際地基是一連續(xù)介質，表面任一點的變形量不僅取決于直接作用在該點的荷載，而且與整個地面荷載有關，因此嚴格符合文克爾模型的地基是不存在）2、了解計算方法的局限性和可能產生的偏差，避免盲目套用犯概念性的錯誤（復合地基和樁基的沉降計算）。（五）計算數(shù)據(jù)的分析和利用計算的數(shù)據(jù)要符合基本力學規(guī)律和類似的工程經(jīng)驗。（濟陽某工程)。（一）荷載的基本概念地基基礎工程設計中的荷載絕大部分都是承受上部結構荷載，根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》上部結構荷載分為三類：1、永久荷載，如結構自重、土壓力等；2、可變荷載，如樓面活荷載、屋面活荷載、風、雪荷載等。3、偶然荷載，如：爆炸力、撞擊力等。二、地基基礎工程設計中的一些概念巖土工程設計中采用的荷載以上部結構荷載組合值的形式出現(xiàn)分為三種：1、基本組合，用于基礎的彎、剪、沖和地基的滑移、傾覆或穩(wěn)定；2、標準組合，用于確定基礎底面積、樁數(shù)；3、準永久組合，用于計算建筑物的沉降、差異沉降、傾斜。天津某工程樁基4、對于抗浮計算，只采用永久荷載，不考慮可變荷載的影響。(二）地基基礎設計中的一些基本概念1、土的組成土是固體顆粒、液態(tài)水和氣體組成的多孔介質。2、土變形的時效性和一般建筑材料相比，土的變形具有兩個特點，一是大變形，二是變形的時效性。土變形的時效性主要指土體的變形和時間有關。在外力作用下，顆粒趨向新的而穩(wěn)定的位置移動，土體因而產生變形。對于兩相體系的飽和土，當顆粒骨架變形、孔隙減小時其中多余的孔隙水被擠出。對于三相體系非飽和土，孔隙間的氣體首先被壓縮，隨后則是多余的氣體和孔隙水被擠出。由于固體骨架與孔隙水之間的摩擦，使得孔隙水和氣體的排出受到阻礙，從而使變形延遲。故土的應力變化與變形均是時間的函數(shù)。（工程中的表現(xiàn)粘性土、砂土，地基規(guī)范給出不同土沉降完成情況）3、軟土的工程性質（1）天然含水量高，孔隙比大（壓縮性高，變形大）；（2）透水性低（采用擠土樁時要特別注意）；（3）壓縮性高；（4）抗剪強度低；（5）具流變性。包括蠕變特性、流動特性應力松弛特性和長期強度特性。4、液化土基本概念及在樁基設計對應的設計概念；5、濕陷性黃土的基本概念；主要表現(xiàn)在浸水后產生附加沉降（擴大樁的概念、國貿三期試驗、天津某工程試驗）。6、回填土的基本概念(工程例子涉縣、江蘇、天津某水庫)；7、坡地、岸邊（施工工藝、樁配筋）；8、巖石（特別注意軟巖、遇水易軟化的強風化巖、全風化巖，樁基規(guī)范的體現(xiàn)）9、地下水的影響；（1）上層滯水；（2）潛水；（3）承壓水；（4）地下水對工程的影響（地面下沉、建筑物上浮、基坑破壞，北京某工程）。10、地基承載力；影響地基承載力的因素很多，包括；（1）土質、土層的埋藏順序；（2）基礎底面的的形狀、大小；（3）基礎埋深；（4）地下水位情況；（4）時間因素（加層）11、地基變形；（1）地基變形包括的內容；（2）目前的計算方法及存在的問題。12、復合地基的基本概念一般認為復合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強，或被置換，或在天然地基中設置加強體，加固區(qū)是由天然地基土或被改良的天然地基土和加強體兩部分組成的人工地基。復合地基分為：（1）豎向增強體復合地基；（2）水平增強體復合地基。復合地基最新發(fā)展（多樁型、加筋）。強調復合地基的基本概念，對于欠固結土、膨脹土、濕陷性黃土、可液化土等應特別注意（杭州某工程）。13、樁基礎的基本概念樁的基本概念：利用樁身遠大于土的剛度

將上部結構的荷載傳至樁周和樁端巖土中，

樁和與其相聯(lián)接的承臺構成樁基礎。

樁的類型很多，各有特點和應用范圍

舉例。14、復合地基和復合樁基的概念（1）復合地基承載力（2）復合樁基承載力（3）復合樁基的應用條件。（4）寶潔公司工程實例（三）施工工藝的概念目前巖土工程施工工藝較多，且在不斷發(fā)展完善，介紹各施工工藝特別需要注意的問題，設計中應有足夠的重視：1、泥漿護壁鉆孔灌注樁（泥漿問題、旋挖鉆機、發(fā)展方向）；2、長螺旋壓灌樁（工藝介紹，優(yōu)缺點）；3、預應力管樁（優(yōu)缺點）；4、夯擴樁（優(yōu)缺點、適用范圍）；5、水泥土樁（有效樁長、施工易出現(xiàn)的問題）；6、CFG樁。7、樁基選型的一些概念探討（1）凡嵌巖樁必為端承樁

導致嵌巖深度加大，工期延長，造

價提高(例題)

（2）將擠土樁一沉管灌注用于高層建筑（規(guī)范編制中對沉管樁的爭議）

由于擠土效應造成斷樁、縮頸、上浮，事故頻發(fā)且嚴重，如：某會展中心全部樁報廢；云南某大廈筏板開裂，不得不加固處理……。

（3）預制樁質量穩(wěn)定性高于灌注樁

優(yōu)于沉管灌注樁是肯定的，注意三點

■

沉樁擠土效應；

■

無法穿透硬夾層，樁長受限制；

■

單樁承載力可調范圍小，難于實現(xiàn)變剛度調平設計

（4）人工挖孔樁質量可靠

地下水位以上人工挖孔樁可實現(xiàn)徹底清孔、直觀

檢查持力層，且無斷樁縮頸現(xiàn)象。

隱患：

■邊挖孔邊抽水，細顆粒流失，地面下沉，乃

至整體脫落

■臨近新灌注混凝土樁抽水，帶走水泥，造成離析；

■在流動性淤泥中挖孔，引起淤泥側向流動，

導致土體失穩(wěn)滑移，將樁體推歪、推斷。（東平工程，天津工程）（四）經(jīng)濟的概念考慮經(jīng)濟概念時應綜合考慮以下幾方面；1、地基處理的費用；2、對應的基礎費用；3、工期的影響；4、后澆帶、降水的影響（長清大廈、威海某降水工程）。三、概念設計在工程中的具體體現(xiàn)

1、樁的施工工藝的正確判斷；1）提出的原因，新工藝很多；2）承載力是由土提供的，施工工藝如何對提高土的性質有利；3）舉例（大直徑樁承載力、烏克蘭工程、喀麥隆、臨沂汽車站）；2、墻下布樁基礎底板厚度問題；3、主裙樓聯(lián)體問題；1）后澆帶的基本概念（前后變化、澆注時間、）；2）裙樓抗浮問題及最優(yōu)設計（最優(yōu)采用配重、盡可能采用短樁）；3）裙樓對主樓的影響問題（偏心，注意計算方法，偏移方向）；4）裙樓和主樓連接注意問題（試驗結果、濰坊某工程處理、底板連接）；5）主裙樓采用不同基礎形式問題（濟南某工程）；6）抗浮樁設計問題（目前存在的問題，北辰大廈、一中心、）；5、嵌巖樁概念（嵌巖樁的必要性）；6、基礎變形的基本概念；1）地基變形特征分為沉降量、沉降差、傾斜、局部傾斜。2）變形的計算（基本概念）；3）變形和基礎底板的關系；4）不同的結構體系控制變形的指標；5）變形和承載力之間的關系（鳥巢工程，其它上海、天津工程）；6)持力層分布對變形的影響（問題的提出原因，深厚持力層）；7、控制變形的方法（1）減小附加壓力（嘉匯）；（2）增加加強體的長度，是最有效的方法之一（北京胡家樓、昆侖飯店、萬豪世紀中心）；（3）采用變剛度調平設計。8、樁的水平承載力問題樁土承臺體系在扣除土的水平抗力之后，按水平變形40mm取值，兩樁帶承臺固接體系的水平極限承載力為5400kN，其中單樁水平極限承載力為2700kN。這與HP3-HP4自由單樁的水平靜載試驗結果（單樁水平極限荷載為1700kN）相比，單樁水平極限荷載提高了59%。9、變剛度調平設計

基本概念：考慮上部結構形式、荷載和地層分布及相互作用效應，通過調整樁徑、樁長、樁距等改變樁土剛度分布，使建筑物沉降趨于均勻、承臺內力降低的設計原則稱為變剛度調平設計。變剛度調平設計的原因及實質。（1）天然地基箱形基礎變形特征圖1北京中信國際大廈箱基沉降等值線（s單位：cm）高104m,框筒結構，雙層箱基高11.8m；Smax=12.5cm;△Smax=0.004L。（2）樁筏基礎的變形特征圖2南銀大廈樁筏基礎沉降等值線（建成一年，s單位：cm）高113m，框筒結構，φ400PHC樁，L=11m,均勻布樁，筏板厚2.5m,建成一年△Smax=0.002L。（3）碟形沉降和馬鞍形反力分布的負面效應

（1）碟形沉降

引起承臺、上部結構的次內力

（2）馬鞍形反力分布

導致基礎的整體彎矩、沖切力、剪力增大

以圖1北京中信國際大廈為例，整體彎矩較均布反力增加16.2%；對于圖3所示樁筏基礎，整體彎矩較均布反力將增加50%以上。（4）變剛度調平設計圖4均勻布樁與變剛度調平布樁的變形與反力示意圖5變剛度布樁模式（1）局部增強

如圖4-（a）

（2）樁基變剛度

如圖4-（b）(c)(d)

增強核心筒區(qū)，弱化外圍，局部平衡

（3）主裙連體變剛度

增強主體，弱化裙房

（4）上部結構—基礎—地基（樁土）共同工作分析，

深化、細化概念設計，計算沉降、承臺內力與配筋。（5）試驗驗證

粉質粘土地基，20層框筒結構1/10現(xiàn)場模型試驗

圖6等樁長與變樁長模型試驗表1樁頂反力（F=3250KN）（6）變剛度調平概念設計優(yōu)點1）減小核心筒沖切力，降低承臺整體彎矩2）優(yōu)化承臺設計，降低造價3）減小差異變形，降低上部結構剛度次應力，提高耐久性4）合理發(fā)揮樁土共同作用四、巖土工程新技術介紹（一）灌注樁后注漿1、為什么灌注樁應采用后注漿進行處理2、灌注樁后注漿工藝簡介3、科學研究和對比試驗結果4、技術經(jīng)濟效益和應用工程情況5、灌注樁后注漿優(yōu)點1、為什么灌注樁應采用后注漿進行處理

灌注樁具有適用于不同地層條件，樁徑樁長變幅大，無噪聲振動等優(yōu)點，隨著高層建筑的大量興建，已發(fā)展為建筑工程的主導樁型，也是鐵路、公路、城市立交橋基的傳統(tǒng)樁型。但灌注樁有其自身的缺陷，如樁底沉渣、樁側泥皮等這些因素影響樁的承載力發(fā)揮和穩(wěn)定。針對灌注樁的上述一些缺陷，中國建筑科學研究院地基基礎研究所于90年代初先后研究開發(fā)了泥漿護壁灌注樁樁底、樁側后注漿專利技術。該技術現(xiàn)已應用于北京、上海、天津、武漢、福州、汕頭、廈門、宜春、杭州、濟南、廊坊等地的幾百項高層建筑的樁基工程,技術、經(jīng)濟效益顯著。灌注樁后注漿技術通過了國家科委組織的技術鑒定;被建設部授予重點科技推廣項目和國家級工法;獲國家發(fā)明專利，專利號ZL9416598.1和多項實用新型專利.2、灌注樁后注漿工藝簡介樁底注漿閥安裝注漿閥設置完畢的鋼筋籠3、科學研究和對比試驗結果（1）．承載力增強機理●固化效應：沉渣和泥皮被固化；伴隨擴底和擴徑效應●充填膠結效應：粗粒土（卵礫、粗中砂）因滲入注漿被膠結●加筋效應：細粒土(粘性土、粉土、粉細砂)因劈裂注漿形成加筋復合土●樁底注漿不僅增強端阻，而且使樁底以上10～20m側阻增強●樁側注漿不僅增強側阻，而且起封堵作用，提高樁底注漿效果（a）卵礫、粗中砂（b）粘性土、粉土、粉細砂圖1后壓漿對樁端阻、側阻