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岩土研究院

桩基础设计中比较重要的几个概念设计

342 2020-11-25 11:42:03


桩基础设计比一般基础要更复杂,它不光关心基础底的土承载力,还要关心土层的竖向信息,关心各持力层的承载力参数及土层的分布。

桩基础设计方案不是惟一的,特别是桩位平面位置不惟一,方案的合理与否与设计人员的综合专业知识有关,其中包括一些结构力学、岩土力学的基本概念及基础设计和施工的工程经验。


桩基础规范中强调了概念设计,下面介绍应用JCCAD在方案设计过程中和计算结果判断时正常用到的一些概念:

(1)基础设计的目的是为上部结构提供一个可靠的平台,使上部结构实际受力与分析结果一致。如果基础不能保证一定的刚度和强度,上部结构是不安全的。地基基础规范与桩基规范等对基础沉降与差异沉降都提出强制规定。

(2)基础类型可分两大类,独立式基础(独基,桩承台)和整体式基础(地基梁、筏板、箱基、桩梁、桩筏、桩箱)。对于独立式基础可以取荷载的最大轴力组合、最大弯矩组合、最大剪力组合计算;对于整体式基础每个柱子的最大值不会同时出现,应对各种荷载组合分别计算后进行统计。相比两种设计方法,整体式基础整体刚度大、计算复杂,但对地基承载力的要求降低,桩数减少。

(3)天然地基上的筏基与常规桩筏基础是两种典型的整体式基础形式。常规桩筏基础不考虑桩间土承载力的发挥,当减小桩数量后桩与土就能共同发挥作用,如桩基规范中的复合桩基。当天然地基上的筏基沉降不能满足设计要求时,可加少量桩来减小沉降及提高承载力,如上海规范采用沉降控制复合桩基。对天然地基进行人工处理后(比如采用CFG桩或其它刚性桩),就可变成复合桩基(不设柔性垫层)或复合地基(设柔性垫层)。

(4)整体式基础是一个超静定结构,基底土、桩反力及基础所受内力与筏板刚度密切相关,刚度越大所受内力越大。当局部构件配筋过大时,如增大尺寸不起作用,减小尺寸有时更有效。


(5)相比上部结构计算,基础设计人员的工程经验起着重要作用。在桩筏有限元计算中,桩弹簧刚度及板底土反力基床系数的确定等均与沉降密切相关,因此基础计算的关键是基础的沉降问题。合理的沉降量是筏板内力及配筋计算的前提,在沉降量合理性的判断过程中,工程经验起着重要的作用。

(6)针对高层建筑桩筏(箱)基础传统设计方法带来的碟形差异沉降问题和主裙房的差异沉降问题,新桩基规范(JGJ94-2008)提出了变刚度调平设计新理念。

其基本思路是:考虑地基、基础与上部结构的共同作用,对影响沉降变形场的主导因素(桩土支承刚度分布)实施调整,“抑强补弱”,促使沉降趋向均匀。

具体包括高层建筑内部的变刚度调平和主裙房间的变刚度调平。

对于荷载集中、相互影响大的核心区,实施增大桩长(当有两个以上相对坚硬持力层时)或调整桩径、桩距;对于外围区,实施少布桩、布较短桩,发挥承台承载作用。

调平设计过程就是调整布桩,进行共同作用迭代计算的过程。

对于主裙房的变刚度调平,主导原则是强化主体,弱化裙房。裙房首选方案是采用天然地基,必要时采取增沉措施。当主裙房差异沉降小于规范容许值,不必设沉降缝,连后浇带也可取消。最终达到:筏板上部结构传来的荷载与桩土反力不仅整体平衡,而且实现局部平衡。由此,最大限度地减小筏板内力,使其厚度减薄变为柔性薄板。

(7)虽然程序能自动完成筏板的计算,设计人员应有初步的力学概念。

筏板计算模型必须具备荷载、基础构件及边界约束。

荷载有多种形式,包括点荷载(如柱荷载)、线荷载(如墙荷载)、面荷载(如板面荷载);

基础构件可划分成多种形式单元,包括梁单元(如明梁、暗梁、筏板的肋)、板单元;

边界约束可分为固定约束、弹性约束(如点弹簧、面弹簧)。

力的传递路径叫力流,在概念设计中要求受力、传递路径简单、直接、明确。对于复杂的基础进行分析经常用“水流”形象地理解“力流”,上部结构荷载通过柱、墙传给基础的梁与板,通过基础后传给与基础相接的土和桩。其中基础的梁与板力的内力分配是按刚度进行分配,板越厚梁分担就越少,但梁比板受力及传递简单、明确,且容易发挥其抗弯刚度,应首先考虑梁(包括明梁、暗梁、筏板的肋)的设置。如梁超筋,可将板厚加大或采用平板基础,由于板承担内力增加,梁的内力就会降低。刚度的突变对力流的传递是不利的,梁板尺寸的变化应渐变。

由于剪力墙相当于刚度很大的梁,剪力墙的边角部筏板或梁的内力计算值往往很大,在设计中应注意局部的验算和加强。