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考虑桩–土共同作用的减沉桩设计方法适用性分析

杨军 杨敏 陈海兵

杨军, 杨敏, 陈海兵. 考虑桩–土共同作用的减沉桩设计方法适用性分析[J]. 岩土工程技术, 2024, 38(6): 680-691. doi: 10.3969/j.issn.1007-2993.2024.06.007
引用本文: 杨军, 杨敏, 陈海兵. 考虑桩–土共同作用的减沉桩设计方法适用性分析[J]. 岩土工程技术, 2024, 38(6): 680-691. doi: 10.3969/j.issn.1007-2993.2024.06.007
Yang Jun, Yang Min, Chen Haibing. Applicability Analysis of Design Method for Settlement Reducing Pile Considering Pile-Soil Interaction[J]. GEOTECHNICAL ENGINEERING TECHNIQUE, 2024, 38(6): 680-691. doi: 10.3969/j.issn.1007-2993.2024.06.007
Citation: Yang Jun, Yang Min, Chen Haibing. Applicability Analysis of Design Method for Settlement Reducing Pile Considering Pile-Soil Interaction[J]. GEOTECHNICAL ENGINEERING TECHNIQUE, 2024, 38(6): 680-691. doi: 10.3969/j.issn.1007-2993.2024.06.007

考虑桩–土共同作用的减沉桩设计方法适用性分析

doi: 10.3969/j.issn.1007-2993.2024.06.007
基金项目: 国家自然科学基金项目(41372274);广东省住房和城乡建设科技计划项目(2022-K26-503115);广州市建筑集团有限公司科技计划项目([2021]-KJ052)
详细信息
    作者简介:

    杨 军,男,1985年生,汉族,安徽蚌埠人,博士,教授级高级工程师,主要从事岩土工程设计与咨询研究。E-mail:yangjun851113@163.com

  • 中图分类号: TU473

Applicability Analysis of Design Method for Settlement Reducing Pile Considering Pile-Soil Interaction

  • 摘要: 针对复杂地层中减沉桩基础适用性的问题,基于大量实际工程探讨场地地基与建筑类型、最大沉降控制标准与桩土刚度分布等因素对减沉桩基设计结果的影响,提出以节约用桩量为优化目标的减沉桩基础应用准则和设计方法,并通过工程案例验证了方法的合理性。结果表明:减沉桩基础对多种场地和建筑物类型具有较好的适应性,基础重要性等级、天然地基承载力和桩土刚度分布是决定其应用的关键因素;从节约用桩量和保证基础整体安全性出发,建议软土和硬土地区建筑物所在场地的天然地基承载力满足率不低于0.5和0.65;从保证筏板承载力贡献率考虑,Gibson地基和分层地基的无量纲影响系数建议不低于2.3和1.5;满足上述各项要求可作为判定减沉桩基础适用的基本前提。

     

  • 图  1  地基承载力满足率与桩数减少百分比的关系

    图  2  分层地基模量比示意图

    图  3  无量纲影响系数与筏板荷载分担比关系

    图  4  建筑物桩筏基础示意图(改自Poulos[5]

    图  5  单桩荷载–沉降曲线对比

    图  6  不同桩数对应的沉降和筏板荷载分担比

    图  7  基础整体沉降随桩数变化曲线

    表  1  桩–土共同作用设计方法

    设计方法方法1方法2方法3
    基础名称减少沉降桩基础;蠕变桩基;复合桩基;疏桩基础组合式桩筏基础(CPRF);考虑承台效应的复合基桩基于差异沉降控制的桩筏基础;变刚度调平桩基础
    桩基用途用于减小基础整体沉降,有时兼具补足部分天然地基承载力的作用承担上部荷载和减小基础沉降,并考虑筏板对上部荷载的分担作用用于减小基础差异沉降,并考虑筏板对上部荷载的分担作用
    单桩承载力取值单桩承载力极限值单桩承载力特征值单桩承载力特征值(或极限值)
    布桩方式均匀布桩或柱(墙)等集中荷载位置布桩满堂均匀布桩在柔性筏板中部或荷载集中部位布桩
    适用场地(建筑类别)软土地基(多层和小高层建筑);硬黏土地基(多层建筑);砂性土地基(高层建筑)硬黏土、砂性土地基(高层建筑)黏性土、砂性土地基(高层建筑)
    平均桩间距≥6d(3~6)d≥3d
    群桩荷载分担比例<60%60%~75%≥50%
    文献来源[2, 7, 8, 11, 15-20][21-23][6, 13, 23, 24]
    注:d为桩径。
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    表  2  桩筏基础工程应用案例

    序号 地区 建筑类型/层数/高度(m) 场地类别 桩型 沉降/mm $ {\alpha _{\text{r}}} $/% 文献来源
    1 法兰克福 高层建筑/64/256 硬黏土 灌注桩 144 45 [25]
    2 法兰克福 高层建筑/30/130 硬黏土 灌注桩 150 20 [25]
    3 法兰克福 高层建筑/53/208 硬黏土 灌注桩 120 50 [25]
    4 法兰克福 高层建筑/38/153 硬黏土 灌注桩 55 27 [28]
    5 伦敦 多层建筑/7/34.5 硬黏土 灌注桩 20 60 [29]
    6 柏林 高层建筑/-/121 松砂–密实砂土 灌注桩 73 52 [25]
    7 柏林 高层建筑/-/103 松砂–密实砂土 灌注桩 30 60(推算) [25]
    8 米兰 高层建筑/52/202 砂砾与黏质粉土互层 灌注桩 - 65(推算) [30]
    9 那不勒斯 圆形储油罐/-/15 粉砂 CFA桩 30 52 [31]
    10 佩斯 高层建筑/42/- 砂土与黏土互层 灌注桩 17~40 25(推算) [32]
    11 昆士兰 高层建筑/30/- 密砂与坚硬黏土互层 CFA桩 44(推算) 58(推算) [33]
    12 昆士兰 高层建筑/23/- 砂土与黏土互层 CFA桩 <50(推算) 48(推算) [33]
    13 鹿儿岛 多层建筑/7/45 砂土与粉土互层 灌注桩 10 69(推算) [34]
    14 浦和 多层建筑/5/17 硬黏土夹砂土 搅拌桩+H型钢 20 50 [35,36]
    15 日本 圆形筒仓-/12 粉土 钢管桩 30 57 [21]
    16 浦和 多层建筑/4/- 黏土,粉土与砂土互层 搅拌桩+H型钢 3~10 49 [37]
    17 华盛顿 高层建筑/19/- 砂土与黏土互层 H型钢桩 50(推算) 50 [38]
    18 纽约 高层建筑/36/- 密砂、粉土和卵石 灌注桩 <40(推算) 65 [39]
    19 奥兰多 高层建筑/16/- 砂土夹黏土和粉土 灌注桩 <25 60 [40]
    20 多哈 高层建筑/74/>400 石灰岩和页岩 灌注桩 140~160
    (推算)
    23 [41]
    21 哥德堡 多层建筑/7/28 软黏土 木桩 30~60 67 [42]
    22 哥德堡 多层建筑/4/- 软黏土 预制桩 30~48 38 [15]
    23 墨西哥城 多层建筑/-/- 湖积沼泽土 预制桩 210 17(推算) [1]
    24 马来西亚 多层建筑/5/- 粉质黏土 预制方桩 50~78 - [26,27]
    25 寥内群岛 圆形储油罐-/12 软黏土 预制桩 20 - [43]
    26 北京 高层建筑/51/208 粉质黏土与密实砂砾 矩形挖孔桩 20(推算) 33 [19]
    27 厦门 高层建筑/30/94 花岗岩残积砂质黏土 人工挖孔桩 39 73 [44]
    28 厦门 高层建筑/30/97 花岗岩残积砂质黏土 人工挖孔桩 <50(推算) - [45]
    29 武汉 高层建筑/22/83 粉质黏土和粉细砂 预制管桩 - 20 [46]
    30 南京 小高层建筑/9/28 粉砂、粉土与粉质黏土 预制方桩 18 38(推算) [47]
    31 上海 小高层建筑/12/- 软黏土 预制方桩 105(推算) 23 [10]
    32 上海 小高层建筑/10/- 软黏土 灌注桩 46 34(推算) [11]
    33 上海 多层建筑/7/17 软黏土 预制方桩 33(推算) 10 [48]
    注:$ {\alpha _{\text{r}}} $表示筏板荷载分担比例;“※”表示设计取(接近)单桩极限承载力;“-”表示数据不详。
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    表  3  结构变形控制标准建议值(改自Zhang[52]

    变形特征数值资料来源
    最大允许沉降量/mm10652个深基础实测资料
    不可接受沉降量/mm34952个深基础实测资料
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    表  4  基础类型、场地条件与基础沉降的关系(改自Poulos[53]

    基础类型 场地
    类别
    所在地区(国家) 案例数目 基础柔度
    系数/(mm·MPa−1)
    筏板基础 硬黏土 休斯顿(美国) 2 227~308
    石灰岩 安曼(约旦)、
    利雅得(沙特阿拉伯)
    2 25~44
    桩筏基础 硬黏土 法兰克福(德国) 5 218~258
    密砂 柏林(德国)、
    新泻(日本)
    2 83-130
    软岩 迪拜(阿联酋) 5 32-66
    石灰岩 法兰克福(德国) 1 38
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    表  5  Gibson地基桩筏基础工程实例

    建筑物类型 场地
    类型
    Dpr/m Br/m lp/m s/d Eptip/Ertip $ {\alpha _{{\text{raft}}}} $
    /%
    $ {s_{{\text{avg}}}} $
    /mm
    文献
    来源
    30层大楼 硬黏土 3.0 21 20 3.5 4.4 20 150 [25]
    64层大楼* 硬黏土 14.0 59 35 6.4 3.1 43 144 [4]
    53层大楼* 硬黏土 14.0 54 30 6.0 2.8 51 110 [4]
    29层大楼* 硬黏土 15.8 44 22 5.5 2.2 60 60 [25]
    32层大楼* 硬黏土 13.5 118 30 6.0 2.8 62 80 [25]
    14层大楼* 硬黏土 8.0 101 34 5.8 4.2 60 50 [25]
    57层大楼 硬黏土 21.0 62 30 3.3 2.3 15 25 [25]
    38层大楼 硬黏土 13.4 44 35 4.3 3.2 27 55 [28]
    121 m办公楼* 砂土 3.0 37 16 6.5 2.5 52 73 [16, 25]
    103 m办公楼* 砂土 11.0 51 25 6.0 1.8 60 30 [16, 25]
    90 m大楼 硬黏土 8.8 25 24.8 4.3 3.3 40 22 [56, 57]
    19层大楼 硬黏土 7.5 34 15 3.2 2.6 19 33 [3]
    16层大楼 硬黏土 2.5 29 13 3.6 2.2 25 16 [58]
    7层会议中心* 硬黏土 13.7 47 16 5.6 2.1 70 14 [29, 59]
    42层大楼 硬黏土 14.5 53 26.5 3.8 2.0 29 29 [3, 57]
    注:“*”表示按接近单桩竖向极限承载力进行设计;Dpr表示筏板埋深;Br表示基础等效宽度;lp表示桩长;s/d表示距径比;$ {\alpha _{{\text{raft}}}} $表示筏板荷载分担比;$ {s_{{\text{avg}}}} $表示基础平均沉降。
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    表  6  分层地基桩筏基础工程实例资料汇总

    建筑物类型 上覆土层/
    持力土层
    Dpr/m Br/m lp/m s/d Eptip/Ertip $ {\alpha _{{\text{raft}}}} $
    /%
    $ {s_{{\text{avg}}}} $
    /mm
    文献
    来源
    12层大楼* 淤泥质黏性土/砂质粉土夹粉砂 5.4 50.8 30 10.4 3.2 34 145(推算) [10]
    10层办公楼* 砂质粉土夹淤泥质粉质黏土/砂质粉土 4.3 27.4 28.4 4.8 2.4 30 60(推算) [11]
    51层办公楼 粉质黏土/砂砾 16 46.0 30 5 2.3 33 20(推算) [60]
    19层营业楼 粉质黏土/粉质黏土和黏土 6.5 34.1 7 4.2 2.3 44 22(推算) [60]
    6层营业楼* 淤泥质粉质黏土/粉质黏土 2.98 53.0 24 11.4 1.9 70 24 [61]
    30层住宅楼 可塑–硬塑残积砂质黏土/硬塑–坚硬残积砂质黏土 10.5 47.3 10 7 2.1 88 39 [45]
    30层住宅楼 可塑残积砂质黏土/硬塑残积砂质黏土 11 40.5 15 5.2 1.2 80 25 [45]
    7层商业楼* 砂质粉土/砂土 6.5 94.3 25 4.5 1.2 69 10 [34]
    52层办公楼* 黏质粉土与砂砾/砂砾 16 39.6 33.2 4.4 1.1 65 - [30]
    注:“*”表示按相对较高的单桩竖向承载力进行设计;“-”表示数据不详。
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    表  7  筏板下地基土物理力学参数

    土体类别 厚度/
    m
    重度/
    (kN·m−3)
    压缩
    模量/MPa
    极限摩
    阻力/kPa
    极限端
    阻力/ kPa
    淤泥质粉质黏土 5.0 17.8 2.5 15
    黏土 10.0 17.6 2.46 21
    粉质黏土 12.8 18.1 3.95 50
    砂质–黏质粉土 7.2 19.4 5.29 55 1200
    砂质粉土夹粉砂 4.4 20.0 12.21 60 2000
    灰色粉质黏土 未穿透 19.2 5.12 70 4000
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-17
  • 修回日期:  2023-12-05
  • 录用日期:  2024-03-11
  • 刊出日期:  2024-12-06

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