高层建筑桩基础承台效应分析

发表时间:2016/3/9   来源:《工程建设标准化》2015年10月供稿   作者:吴一峰
[导读] 上海勘测设计研究院有限公司 桩基础具有很大的应用优势,具有承载力高、稳定性好和沉降变形小的优势,因此在众多的建筑基础工程中得到广泛的应用。

(上海勘测设计研究院有限公司,上海,200434)

【摘  要】现今城市建筑的建设逐渐向高层化、规模化和聚集化的方向发展,相应的建筑体量不断增大,同时也产生了许多问题。建筑桩基的承台效应正是高层建筑在设计过程中需要注意的问题。目前高层建筑设计在桩基承台效应研究方向还处于比较基础的阶段,许多高层建筑的桩基在设计过程中甚至没有将承台效应考虑到建筑的设计中,引起造价的升高。因此需要充分认识桩基础承台效应的作用,进行不断的研究实践并不断应用到高层建筑的设计中。本文首先探讨桩基础承台效应的主要特性,然后分析承台分担荷载的主要影响因素,最后分析基于承台效应的高层建筑桩基础的优化设计。
【关键词】高层建筑;桩基础;承台效应

        桩基础具有很大的应用优势,具有承载力高、稳定性好和沉降变形小的优势,因此在众多的建筑基础工程中得到广泛的应用。所以随着工程技术的不断发展,桩基础的设计理念也逐渐发展,如今在部分高层建筑中采用复合型的桩基,其在保持普通桩基的优点之外,也增强了桩基础的经济性。桩的主要作用就是为了承受竖向的荷载,并将承台的竖向荷载传递到更加深层的土层中,以用来满足上部的高层建筑基础的承载力和变形的要求。
一、高层建筑桩基础承台的主要特征
        如今高层建筑的发展方向是规模化和集成化,这给桩基础的强度和设计应用提出了更高的要求。国内外众多的研究人员通过不断的工程实测和模型的模拟试验,在承台效应的研究方面取得了很大的进展。虽然这些应用研究在不同区域和不同的建筑工程中出入较大,但是承台效应的研究的最终目的依然是为了充分利用承台的承载作用来有效的减少的桩的用量。大量试验数据表明承台效应的主要特征有以下几点:
1.承台土的抗力会受到桩间距的影响
        通常情况下,因为桩的侧摩阻力会带动桩周土发生竖向剪切式的位移,在桩周距离桩中心的任意一点r处的竖向位移公式为如下所示:
        Wr =Hµs/E0·qs dln·nd/r                   
        从公式中我们可以看出桩周土的整体承台发生的位移越大其承台土能承受的抗力将会越小。公式显示桩周土的整体位移随着土层的泊桑比us和桩的侧摩阻力qs以及桩径d和土的整体变形范围nd的变化增大而相应的增大。从而也说明承台土能承受的抗力会随着上面的这些因素的增大而缩小,同时也会随着土的弹性模量E0以及位移的距离r的增大而随之增大。因此在同一工程建设场地,桩基础的桩间距越大,桩间土的竖向位移越小,因此可以总结出承台底土能承受的抗力也会越大。所以承台土的抗力会随着桩间距的增大而增大。
2.承台土的抗力会受到承台的宽度和桩长的影响
        假设承台的宽度为Bc,桩的长度为L,因此当Bc/L≧1的时候,承台土的抗力所形成的压力泡为将整个桩群进行包围,因此可以使土产生竖向的压缩变形,从而导致桩的侧摩阻力以及桩顶部的阻力随之下降,这样就会促使承台土能承受的抗力增大,反之承台土能承受的抗力将会变小。具体关系如图一所示:
       
        图一:承台分担荷载比Pc/P随承台宽度与桩长比Bc/L的变化
        图一为粉土地基中的桩基础,Bc/L分别为0.39、0.50、0.69、1.12,其中桩的距离均为Sa=3d。根据图例测得承台所分担的荷载Pc/P分别为13%、15%、18%、35%。因此可以充分的看出承台土的抗力会受到承台的宽度和桩长的影响,会随着承台的宽度和桩长的增大而随之增大。
3.承台土的抗力会受到承台的区位和排列的影响
        高层建筑承台的内区也就是在桩群的包络线以内区域,会产生桩和桩之间明显的相互影响作用,从而使桩间土的整体竖向刚度减小,然而又因为承台的外区所受到的桩的影响作用不明显,使外部桩间土的竖向刚度的变化较小,所以就会形成一种承台的内区刚度小而外区刚度大的马鞍形状。因此对于单排桩的承台而言,其能承受的土抗力将大于多排桩的承台。
二、影响高层建筑承台地基土荷载分担比的因素
        高层建筑所使用的复合型桩基的桩土荷载的分担比也就是承台的效应系数,通常用nc来表示。在《建筑桩基技术规范》中对承台的效应系数进行统一的定义,也就是说承台的效应系数是指在竖向荷载的影响下,承台的底部地基土所承受的承载力的发挥比率。通常情况下,高层建筑的桩基承台下的地基土在承担竖向的荷载时,其地基土的抗力大小和具体的分布形式会随着桩顶的荷载水平、桩长、桩周土的土质、桩间距以及承台的整体刚度等多种因素的便会而变化。具体的影响承台效应系数的因素如下所示:
        (一)承台的整体荷载水平。承台的效应系数通常情况下会随着桩群上部的竖向荷载的水平增加而增加,如果上部的荷载较小承台地基土的荷载分担将不会很明显,只有当上部的荷载Q>1/2Qu(Qu指桩群的极限荷载)时才会使地基土出现明显的分担荷载。当上部的荷载Q>Qu时,承台的效应系数则会随之明显增大。
        (二)桩间距,从上文中我们了解到桩间距对承台的抗力具有非常明显的作用,同样的桩间距对于桩间土有效发挥其承载力也具有非常重要的作用。当桩间距大于5d时,桩间土的承台效应系数会随着桩间距的增加而增加。
三、基于承台效应的高层建筑桩基础的优化设计
1.以承载力控制为主的设计优化
        在进行高层建筑桩基础优化设计时要根据承载力进行分析,主要是指以承载力补偿的方法进行设计。在充分的考虑群桩效应的同时也要将承台和桩间土之间的作用效应考虑其中。这样就会将竖向荷载分摊到桩间土和承台上,可以有效的减少桩的使用,从而减少了工程的造价。
2.以沉降控制为主的设计优化
        具体有两种应用方法,一种是以控制建筑的沉降量为目标的设计,综合考虑承台和桩基的共同作用,根据不同的沉降允许值,考虑桩间土的承载力,从而减少部分桩的使用,或者缩短工程桩的长度。另一种则是以控制基础底板的变形为目标。通过桩基刚度的改变调整基础承台(筏板)的变形,从而有效的减少基础承台(筏板)的不平衡内力以减少配筋量。桩基的刚度的调整可以通过改变桩长、桩径等措施来实现,也可以在桩的顶部设置相应的调节装置来实现。
四、结语:
        今后高程建筑的工程建设将会拥有更加广泛的发展空间,基于高层建筑体型和重量的巨大性,其基础的设计与普通的多层建筑相比,设计的难度将会大大增加,造价也会大大增加。而高层建筑桩基础的承台效应的研究将会对桩基的设计和应用产生重要的影响,因此需要不断的研究以增强其实用价值,以便在保证安全性的前提下,对其经济性作出优化。
参考文献:
窗体顶端
[1]杨力彬,王幼青.桩基础承台效应分析[J].低温建筑技术,2006,(6):100-102.

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