高層建筑地基基礎概念設計（高層建筑基礎設計的內在潛力）孟凡向一、復合地基與復合樁基的概念與區(qū)別墩、樁、復合地基中樁的區(qū)別復合樁基復合地基柔墊層樁基墩擴底墩擴底樁（夯擴、爆擴、擠擴、預留石后壓漿、鉆擴等方法）二、地基處理、樁基技術的發(fā)展與創(chuàng)新

1、地基處理技術的發(fā)展排水固結：

堆載預壓、真空預壓、真空聯(lián)合堆載預壓、電滲法、降水固結法。強夯：柱錘沖擴、孔內強夯、強夯置換。水泥土：

深層攪拌、雙向攪拌法、高壓噴射、夯實水泥土樁、噴射攪拌、壓力灌漿法（滲入性灌漿、壓密性灌漿、劈裂性灌漿）。置換與密實：

墊層、拋石擠淤、砂石樁置換、強夯置換、石灰樁、爆破擠密、土樁灰土樁擠密、夯實水泥土樁、孔內夯擴。加筋土墊層：：土工織物、土土工格柵、土土工格室、金金屬板條。剛性樁復合地地基：CFG樁、低標號素素砼樁、預制制鋼筋砼靜壓壓樁、預應力力管樁、無砂砂砼小樁。冷熱處理：凍結、燒結。。2、復合地基技技術的創(chuàng)新●異性樁復合地地基技術CFG樁+灰土樁水泥土樁+振動碎石樁碎石樁+壓漿形形成無砂砼砼小樁組合樁異性樁復合地基1灰土樁CFGPHCCFG異性樁復合地地基2實散組合樁復合載體夯擴擴樁●長短樁復合地地基技術長樁控制沉降降、短樁控制制承載力依基礎剛度、、荷載分布決決定長短樁結結合形式依應力場分布布決定長短樁樁布置范圍復合地基承載載力試驗與檢檢測、沉降計計算方面帶來來新的課題長短樁復合地地基示意圖墊層加筋與樁樁網復合地基基技術水平排水板+振動碾壓豎向排、降水+強夯●多種地基處理理方法的聯(lián)合合運用技術●墊層加筋復合合地基技術水平向加筋+豎向增強體復復合地基調整樁土應力力比、使樁承承擔更多的荷荷載減少水平向路路基變形或減減少工后沉降降量改善了柔性基基礎條件下的的剛性、半剛剛性樁復合地地基的應用條件件可采用疏樁樁理論按沉降降控制設計。。水平加筋與豎豎向增強體復復合地基●小樁技術小樁技術實現(xiàn)現(xiàn)了系列化和和理論化，很很多新技術措措施使小樁能能更好地應用用于復雜的建建筑結構、土土質和環(huán)境中中。主要有：：（1）對小樁進行行二次灌漿；；（2）對樁間土進進行補強；（3）預加荷載；；（4）變節(jié)技術的的應用?！袢鸬?983年成功研制一種擴擴底小樁，解決重荷載基礎的的地基處理問題。?！耨R來西亞1987年推出了造價低、、施工快、沉樁簡易的預預制靜壓小樁。●南非1985年成功地運用小樁樁處理了濕陷性土層中，房屋屋基礎的托換工程程?！?971年McQuire通過對木樁的埋藏藏試驗,確認經正常防腐處處理的木樁使用年年限可達100年?！癜拇罄麃喰∧緲侗槐挥糜谂蛎浲林凶髯鳛樽≌A。●新加坡小木樁用于于軟粘土地基以建建造街坊式單層工工業(yè)廠房。●新西蘭使用小直徑徑軟木樁取代混凝凝土樁和硬木樁作作為房屋基礎。已有建筑物帽梁噴射混凝土開挖面小樁網狀小樁群圖承受水平荷載的小小樁群為“有筋土土墻”“有筋土墻”的計計算可模擬鋼筋混混凝土梁的計算。。有下列三種情況況：（1）完全不考慮小樁樁與土體間的粘結結；（2）考慮小樁與土體體之間完全粘結；；（3）考慮小樁與土體體之間部分粘接。?？v斷面原有建筑物橫斷面開挖線1234小樁在基坑、托換換工程中的應用已有建筑物可能滑動面理想塊體地面開挖面網狀群樁外部穩(wěn)定定驗算圖●后處理復合地基技技術?后處理技術概念圖1路基先處理后填土圖2先部分填方后處理理后填土圖3全填方后處理復合土層一復合土層二加寬路基先處理樁后處理樁原道路路基施工樁長部分位于于填土內，利用樁樁土間的摩擦力形形成錨固段，可阻阻止地基土變形時時樁向上的“刺入入”，和使后部分分填土荷載通過該該段樁側摩阻力或或樁頂設置的樁帽向樁身的轉移，有有效地調整和增加加樁土應力比。?后處理技術機理理①在被加固場地先填土土形成附加應力后后用碎石樁置換，，對碎石樁體及樁樁周土體進行滲入入式灌漿、二次壓壓密注漿，使樁周周土體受到壓密灌灌漿處理，形成較較高強度的無砂砼砼小樁豎向增強體體。②后處理技術具有堆堆載預壓、快速排排水、排氣固結、、固化、豎向置換換增強等綜合作用用機理?！皠傂曰A條件””，大大改善了““柔性基礎條件””下復合地基工作作性狀。③具有固結沉降快、、工后沉降變形小、、穩(wěn)定時間短的特點點。●無砂砼小樁后處理理技術復合地基平面及剖剖面設計布置圖100200300400500600700(d)

8006004002000-200-400-600-800-1000（-）位移（mm）（+）荷載（cm）X05Sb17(W)Sb15(E)Sb16(中)P(cm)某工程軟弱路基位位移—沉降變形過程曲線線●注漿碎石樁后處理理技術?原理基本同無砂砼砼小樁??樁徑大于350～400mm??有時需設計墊層和和樁帽●加勁水泥土樁復合合地基后處理技術術在已施工的水泥土土樁中設置勁性材材料形成剛度較大大的剛性樁體，充充分發(fā)揮水泥土樁樁與土間較大的摩摩阻潛力和樁端承承載力。樁側阻力與樁身的的變形模量樁體剛剛度、樁土界面狀狀態(tài)和接觸面積及及圍壓有關。加筋水泥土組合樁樁●靜壓小樁(管樁)復合地基后處理技技術靜壓預制砼小樁、、預應力管樁復合合地基引入了樁土土相互作用理論，，充分發(fā)揮樁間土土承載力和提高單單樁承載力，有較較好的控制復合地地基變形的能力，，具有較好的經濟濟性。具有較好的承載力力保證和質量穩(wěn)定定性，作為環(huán)保型型（無振動、噪音音及粉塵污染）復復合地基，具有發(fā)發(fā)展前景。CFG樁、后插鋼筋籠CFG樁復合地基后處理技技術PHC樁后處理技術第二次壓樁面第三次壓樁面原路堤第一次壓樁面CFG樁后處理技術第一次壓樁面第二次打樁面第三次打樁面原路堤3、樁基技術理論的的發(fā)展與創(chuàng)新變節(jié)技術變節(jié)技術與擴底技技術的聯(lián)合運用組合樁技術樁側、樁底注漿技技術變節(jié)技術、擴底技技術與后注漿技術術的聯(lián)合運用預制、現(xiàn)澆預應力力砼管樁技術后處理技術后處理樁（逆筑法法）技術●樁端條件、埋深、、土性對樁側阻力力的影響◆樁側阻力的強化效效應和退化效應強化效應極限側阻力在樁端端附近得到加強的的形象◆樁側阻力與樁入土土深度有關“94—94”規(guī)范有預制樁的修修正系數對長鉆孔灌注樁具具有同樣的概念◆與土的剪縮、剪剪脹有關◆與膠結體損傷程程度有關鄭州黃河公路大橋橋試樁樁周摩阻力力－樁深關系曲線線1801601401201008060402000.51.01.52.0h=4mh=59mh=53mh=43mh=24mh=19mh=12m鄭州黃河公路大橋橋試樁樁周摩阻力力－荷載關系曲線線荷載(MN)樁周摩阻力(kPa)開封黃河公路大橋橋試樁樁周摩阻力力－樁深關系曲線線1801601401201008060402005101520h=42mh=3mh=21mh=26mh=60mh=10mh=54m開封黃河公路大橋橋試樁樁周摩阻力力－荷載關系曲線線荷載（ＭＮ）樁周摩阻力(kPa)東明黃河公路大橋橋樁周摩阻力－樁樁深關系曲線18016014012010080604020021020h=40.8mh=52.4mh=30.4mh=20.4m東明黃河公路大大橋樁周摩阻力力－荷載關系曲曲線荷載（ＭＮ）樁周摩阻力(kPa)46812141618h=9.4m樁側阻力API規(guī)程Toolan等（1990）理想曲線典型現(xiàn)場曲線最小值深度10m國外幾種樁側阻阻力的取值方法法◆擠密作用與徑向向應力共同作用用理論IIIIIIIVPMeyerhof樁基礎破壞模式式◆成拱作用理論成拱作用模式0～5倍樁徑樁與土滑動距離離P上覆土約束區(qū)由于成拱作用應應力集中成拱作用影響區(qū)區(qū)成拱區(qū)塑變區(qū)壓縮區(qū)虛底、實底樁側側阻力分布的比比較Paf1F1F2f2f2F2F1f1Pa樁端土層試驗條件極限承載力(kN)平均極限側阻力(kPa)極限端阻力(kPa)樁長11.75m（直徑0.8m）微風化巖石空底38401300實底84201557650樁長25.0m（直徑0.8m）密實細砂空底4520720實底542080781不同端阻條件下下樁載荷試驗結結果比較退化效應同標高處樁側阻阻力隨樁入土深深度增加而減小小的現(xiàn)象qs1qs2qs1qs2樁側阻力退化效效應示意圖●變剛度調平設計計理論均勻布樁導致碟碟形沉降均勻布樁導致筏筏板整體彎矩和和沖切力增大箱筏承臺變形性性樁因變剛度調調平而改善變剛度調平設計計原理三、復合地基、、沉降控制復合合樁基理論與技技術前沿1、理論的發(fā)展與與創(chuàng)新●（1）復合地基中的的樁土相互作用用理論●（2）復合地基“樁樁”的上刺入與與變形預測理論論●（3）樁土共同作用用理論與復合樁樁基技術●（4）上部結構、地地下結構與地基基基礎相互作用用理論●（5）數值模擬與可可視化技術●（6）動態(tài)設計與信信息化施工技術術●（7）變剛度調平設設計、塑性支承承樁理論與技術術●（8）高層建筑沉降降變形預測與控控制理論復合地基中的樁樁土相互作用樁的環(huán)向應力圖圖kafs最大應力點位置置變化z●由于墊層的存在在，樁土發(fā)生了了相互作用，土土的壓縮和側向向壓力的增加(夾持作用)提高了樁的側摩摩阻力。●樁的存在提高了了樁間土在樁的的“有側限”作作用下的承載力力?！窨蓪秃系鼗谐休d力應力復合合式計算公式進進行修正。單樁樁承載力R值應乘以1個大于1的系數。式中，ξ=1.2~1.6；ψ=1~1.2樁的上刺入與負負摩阻力問題理論研究和現(xiàn)場場實測結果表明明，“柔性基礎礎”與剛性基礎下樁樁體復合地基的的工作性狀有很很大差別。在上上部荷載作用下下，樁周土體下下凹，樁頂刺入入褥墊層較多，，樁側產生負摩摩阻斷且負摩阻阻力深度較大，，在某一深度存存在正負摩阻力力轉換的“中性性點”?！裆洗倘肓亢椭行孕渣c位置的確定定自由單樁與‘樁樁’的比較Q自由單樁側阻力力分布l0l-l0Q?ps復合地基中樁側側阻力復合地基中，單單樁在集中荷載載Q作用下，考慮樁樁的負摩阻力（（假定為三角形形分布），其最最大軸力對于樁周基土，，中性點以上土土的壓縮變形為為中性點以下樁壓壓縮變形為復合地基樁下刺刺入變形為柔性基礎復合地基變形計計算模型θl0l-l0?S3θ?S1?S2PzP0中性點位置的確確定令其其中為為樁承載載力發(fā)揮系數，，根據復合地基基樁中性點處上上下軸力相等關關系，確定中中性點的位置。。即令，，解上式得中中性點位置為：n0不仿定義為樁土土應力比特征值值，或特征樁土土應力比●“柔性基礎”條件下下復合地基變形形計算柔性基礎大間距距樁復合地基樁樁土分算傳統(tǒng)模模式Pzθ|θl復合地基變形示示意圖下臥土層變形計算深度

S1

S2

S3

復合地基復合土層變形示意圖S1S2S3下臥土層計算深度△S2△S1△S3墊層的壓縮變形形S1一般很小，可忽忽略復合土層的變形形S2樁頂刺入墊層的的刺入變形△S1樁身壓縮變形△S2樁刺入下臥土層層的刺入變形△S3復合土層下臥層層變形S3S3由Pz按分層總和法按按規(guī)范方法計算算?S3θ?S1?S2P0柔性基礎“復合地基法”計計算新建模型忽略樁身壓縮量量，上刺入量●考慮樁身壓縮量量，上刺入量計計算△S1也可采用倒置式式方法，由“柔柔性基礎”與碎碎石土（墊層））組成的“人工工地基”作為樁樁頂部的地基，，采用彈性力學學方法求解中性點以下樁壓壓縮變形為復合地基樁下刺刺入變形為●下臥土層附加應應力計算采用“中性點””平面以下擴散散方法?S3θ?S1?S2P0設復合地基中性性點位置處壓力力P，復合地地基基底底附加應應力為：：樁土共同同作用理理論與復復合樁基基技術當地基土土承載力力滿足荷荷載要求求時，用用樁控制制地基變變形，此此時可按按單樁極極限承載載力設計計復合樁樁基當地基土土承載力力不滿足足荷載要要求，多多余荷載載由樁基基承擔，，此時應應按疏樁樁理論設設計復合合樁基樁與土共共同承擔擔上部結結構荷載載樁承臺下下土極限限承載力力的提高高有利考考慮復合合樁基欠固結土土、靜壓壓樁引起起超孔隙隙水壓力力的粘性性土地基基不適合合使用復復合樁基基上部結構構、地下下結構與與地基基基礎共同作用理論論豎向荷載載下的共共同作用用水平荷載載下的共共同作用用地震荷載載作用下下的共同同作用上部結構構、地下下結構與與地基基基礎相互作用理論論θ◆支護結構構影響基基底以下下土附加加應力及及變形提高上部部結構穩(wěn)穩(wěn)定性、、增強抗抗傾覆和和抗滑移移能力以差異沉沉降控制制為目的的的變剛度設設計理論論、塑性性支承樁樁技術樁基的變變剛度設設計1樁基的變變剛度設設計2樁基的變變剛度設設計3變剛度墊墊層與塑塑性支承承砂砼墊層砂砼墊層數值模擬擬與可視視化技術術數值模擬擬、科學學計算可可視化●科學計算算可視化化指的是是應用計計算機圖圖形學和和圖象處處理技術術，將計計算過程程中產生生的數據據及計算算結果轉轉換為圖圖形或圖圖像在屏屏幕上顯顯示出來來，并進進行交互互處理的的理論、、方法和和技術。?！窨茖W計算算數據的的可視化化●工程計算算數據的的可視化化，如有有限元分分析的結結果等。。●測量數據據的可視視化，如如用于基基坑工程程監(jiān)測的的墻體位位移分析析。動態(tài)設計計與信息息化施工工●沉降后澆澆帶的動動態(tài)設計計與信息息化施工工●樁的動態(tài)態(tài)設計與與信息化化施工◆根據地基基變形監(jiān)監(jiān)測、預預測結果果決定沉沉降后澆澆帶澆注注時間；；◆同一場地地后建工工程要汲汲取先建建工程的的經驗、、數據；；◆預制樁的的動態(tài)設設計與信信息化施施工分層沉降降與測斜斜儀同軸電纜纜電磁波波反射技技術監(jiān)測測土體位位移光纖傳感感網絡技技術進行行位移監(jiān)監(jiān)測水平向連連續(xù)沉降降測試技技術GPS全球定位位系統(tǒng)◆常用變形形監(jiān)測儀儀器分層沉降降儀沉降標安安裝測斜儀讀數儀測斜儀讀讀探頭測斜儀測量原理理圖同軸電纜纜電磁波波反射技技術監(jiān)測測土體位位移砂漿同軸電纜鉆孔TDR測試儀同軸電纜三種光纖傳感感器原理理圖BOTDR的應變測測量原理理圖SOFO光纖變形形監(jiān)測系系統(tǒng)組成成光纖傳感感器健康康監(jiān)測原原理圖剖面沉降降儀高層建筑筑復合地地基變形形預測與與控制理理論復合地基基變形的的影響因因素①復合土土層土性性及變形形模量（（不變））；②下臥土土層的埋埋深（可可變）土土性及各各土層變變形模量量（不變變）；③周圍建建筑與地地面荷載載（不變變）④支護結結構對其其產生的的約束（（不變可可利用））；⑤地下水水滲流及及水位變變化（不不變可利利用）；；⑥樁的類類型與樁樁土相互互作用程程度（可可變可利利用）；；⑦樁體模模量樁端端土層的的壓縮性性及樁底底虛土狀狀態(tài)（可可變）⑧基礎的的尺寸及及剛柔特特性（可可變）；；⑨樁與樁樁間土的的荷載分分擔及樁樁間土附附加應力力（可變變）；⑩樁底土土附加應應力（可可變）⑾土的動動荷反應應即土的的動力特特性（可可變）；；⑿復合地地基的應應力歷史史與巖土土工程的的施工方方法（可可變可利利用）。。變形預測測理論模模型θPzθlss樁土分算算模式Pz整體模式式樁土分算算模式整體模式式按樁長徑徑比和間間距確定定采用：：應力擴散散法、假假想實體體法計算算模型θ復合土層層應力擴擴散法q=qs→qsik假想實體體法變形預測測數學新新方法運運用◆灰色系統(tǒng)統(tǒng)理論；；◆損傷力學學方法；；◆神經網絡絡技術。。復合地基基變形控控制技術術與措施施◆采用剛性性樁◆提高樁間間土變形形模量◆增加應力力擴散角角◆控制樁底底刺入量量◆減少下臥臥土層變變形◆人工智能能控制變變形打樁施工工與基坑坑工程施施工對沉沉降變形形的影響響◆基坑降水水時間和和方法，，降水挖挖土順序序，地下下水滲流流也將通通過對孔孔隙水壓壓力和固固結應力力的影響響，影響響著土的的壓縮模模量或變變形模量量和沉降降量計算算結果。?！粝乳_挖后后處理與與先處理理后開挖挖，基坑坑的回彈彈不同。?！魧拱螛稑?、承壓壓樁的承承載力與與變形影影響有時時較大。。四、施工工力學、、環(huán)境巖巖土工程程問題與與對策環(huán)境巖土土工程●人類工程程活動與與環(huán)境的的關系和和作用日日益密切切?！衽c環(huán)境相相關聯(lián)的的巖土工工程：地地質災害害、垃圾圾填埋等等?！駧r土工程程中的環(huán)環(huán)境問題題CFG樁施工過過程中的的環(huán)境巖巖土工程程問題靜壓樁施施工中的的環(huán)境巖巖土工程程問題基坑開挖挖與支護護、降水水、地下下工程施施工黃土地基基條件下下的建、、構筑物物損害可液化土土地基條條件下的的建、構構筑物損損害膨脹土地地基條件件下的建建、構筑筑物損害害振動施工工對周圍圍土工環(huán)環(huán)境的擾擾動CFG樁施工引引起的環(huán)環(huán)境問題題及對策策現(xiàn)象：周周圍地面面、建筑筑物下沉沉或開裂裂原原因：動水壓力力引起流流土鄭州粉土土、砂土土的剪切切液化泵送砼引引起孔隙隙水壓力力上升對策設置止水水帷幕降低地下下水位控制打樁樁速度減少樁底底產生真真空調整設計計方案預制靜