第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 桩顶预留沉降间隙提高桩土复合地基中土利用率 技术 李志会，王立长，邱旭光”，左清林”，刘楠” （大连市建筑设计研究院有限公司，大连，116021） 提要：本文结合实际超高层结构的桩-土复合地基基础设计，充分利用桩间强风化土层较高承裁力，发明了桩顶预 留沉降间隙提高桩土复合地基中土利用率技术，减少基桩用量，缩短施工工期.
应用通用有限元分析软件ABAQUS 建立土层三维有限元实体模型，上部结构与下部土体整体建模，考虑上部结构刚度影响，考虑施工模拟分层加载 影响，该技术包括三个关键因素：桩顶预留间隙量，强风化土层变形模量，褥垫层变形模量及厚度.
关键词：超高层结构：检顶预留间隙量：桩土复合地基：土层三维有限元实体模型：变形模量 1引言 对于超高层结构地基基础设计，当天然地基土承载力不满足要求时，一种方法是采用桩基础方案：另 一种方法是采用复合地基方案，对天然地基进行处理，形成人工地基，同时利用基桩及地基土的承载力.
常规复合地基处理有效地提高地基承载力，调节地基变形.
存在以下两个特点2：1）桩体刚度比周围 土体的刚度大，桩体承担较多荷载，桩间土承担荷载较少，天然地基土承载力利用率并不高：2）在筏板 与桩土间设置一定厚度褥垫层，地基土和基桩同时承受荷载，没有时效差.
本文结合实际工程及桩-筏基础、复合地基基础方案特点，提出一种新型的适用于超高层结构复合地基 基础处理技术，即"桩顶预留沉降间隙提高桩土复合地基中土利用率技术”.
该技术适用于天然地基土虽具 有较高承载力但仍不能满足地基承载力要求的情况.
2工程概况及地基基础处理技术的提出 2.1上部结构概况 该工程项目总建筑面积160557m²，地上部分建筑面积136318m².
共分为A、B、C、D四部分，南、 北塔地上分别为A、B座，建筑面积均为59144m²，41层，主体部分地上建筑高度为199.50米：中部为C 座，总建筑面积为18030m²，31层，主体部分地上建筑高度为151.45米：D为地下部分，总建筑面积24021 m².A、B座塔楼为框架-核心筒结构：C座塔楼为钢筋混凝土剪力墙结构.
A座、B座与C座依靠连接构 件连接为整体.
建筑效果图及首层结构平面图分别如图1、图2所示.
2.2原基础方案 本工程原基础方案采用桩-筏板基础.
基桩主要布置在A、B座塔楼核心简剪力墙，外围框架柱下及C 座塔楼的剪力墙下.
A、B座塔楼核心筒及C座塔楼的剪力墙下筏板厚度为3m，基桩直径主要为1300mm 和1500mm：其他区域筏板厚度为1.5m，基桩直径主要为1100mm和1300mm.
基础平面布置及桩基分布 分别如图3、图4所示，基桩主要分布在框架柱及核心筒剪力墙下.
2.3工程地质概况 根据地勘报告及现场实测结果地基土主要为板岩，地基土物理性质如表1所示，土层分布及厚度如图 6所示.
本工程中不同测点处地基土的物理力学性质离散性较大，土体分布不均匀.
根据基桩检测要求，在每 个桩位处进行钻孔勘测以确定基桩持力层深度，得到整个场地土层的分布情况.
每个勘测点对应于基桩位 置，共计118个勘测点.
作者简介：李志会（1987-），男，硕士，助理工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 图1建筑效果图 图2首层结构平面图 图3基础平面图 图4桩基分布图 表1现场实测地基土承载力及变形模量 地基土类型 检测点号 地基承载力（KPa） 变形模量（MPa） 8# 490 34.95 全风化板岩 9# 420 34.66 17e 560 47.04 7# 700 55.77 强风化板岩 10# 700 65.97 32# 700 61.10 2.4“桩顶预留沉降间隙提高桩土复合地基中土利用率技术”提出 根据施工现场勘测和结构整体计算结果，场地中存在分布不均匀的强风化（局部全风化）土体，地基 土虽具有较高强度，但仍不能满足设计要求.
强风化板岩地基承载力最高值为700KPa，而设计要求地基 承载力需达到1000KPa.
根据以往基桩和地基土同时受力的基础处理方法，桩间土的利用率并不高，于是 提出让这部分土体预先受压，到达其强度、产生一定的变形后再利用桩的承载力，即地基土与基桩受力存 在一定时间差.
这样既可以充分利用桩间土承载力较高特点，又能有效较少基桩数量.
在桩顶面与筏板底面间设置一定预留间隙量，桩顶与筏板底初始状态不接触，随着上部结构荷载的增 加，地基发生沉降变形，上部荷载先由地基土承担，当沉降量大于等于预留间隙量时，桩顶与筏板底开始 接触，桩基开始提供承载力，通过设置不同的预留间隙量，调节桩、土荷载分担比例，使地基承载力和变 形满足要求，桩、土受力合理34.
3计算模型 3.1有限元模型 本次计算分析采用通用有限元分析软件ABAQUS，该软件是国际上公认最好大型通用分析软件之一因.
形的影响，并进行施工模拟分析，真实模拟各阶段结构的受力状态，动态监测地基土应力变化情况.
结构 整体有限元模型及地基土三维实体模型分别如图5及图6所示.
图5结构整体有限元模型图 6土体三维实体有限元模型 3.2计算参数 （1）本构模型 上部结构和基桩均采用弹性模型，相关参数根据规范取值.19L2.
强风化和中风化土体采用 Mohr-Coulomh本构模型1314.131，其物理力学性质如表2所示.
考虑土层分布的不均匀性及施工现场的实测 2
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 数据，将强风化土层分为两层分别指定不同的变形模量.
表2计算采用的地基土物理力学参数 地基土类型 变形模量 摩擦角 内聚力 泊松比 密度 E0(MPa) （度） (kPa) (Kg/m²) 强风化 70-100 30 30 0.39 2245 中风化 31200 0.36 2600 注：表中70-100代表强风化土层上部一定厚度采用E0=70MPa，其余部分采用B0=100MPa （2）桩项预留间隙量模拟方法 设计中在预留间隙中填充苯板材料，通过实验测得材料应力-应变曲线.
数值计算中输入实测数据，模 拟填充材料.
桩顶预留间隙量构如图7所示，间隙量随施工加载步的变化曲线如图8所示.
随着施工进程， 预留沉降量减小，苯板材料的压缩量增加至预留间隙量后趋于稳定，从而准确模拟桩项预留间隙量.
20 10 0 01234567891011 加载步数 图7桩项预留间隙量构造图 图8间原量随施工加载步的变化曲线 图7中：1-地基土，2-筏板，3-预留间隙（间隙量为S），4-基桩，5-基桩钢箭 （3）计算分析假定 为提高数值计算效率，结合实际情况在模型处理和计算中引入如下假定：1)不考虑桩与土体之间的摩 阻，桩单元与土单元间脱离：2）基桩材料与中风化岩石弹性模量一致，简化起见基桩底部嵌固于中风化板 岩中：3）不考虑开挖后基坑回弹效应影响：4）不考虑自重应力的影响.
3.3模型验证 本工程结构除采用大型有限元通用分析软件ABAQUS计算分析外，还采用了国内应用广泛的结构设 计软件SATWE进行计算对比.
结构竖向总荷载对比如表3所示.
底层部分墙、柱在竖向荷载作用下轴力 对比，如表4所示.
核心区3米厚筏板沉降变形对比，如图9所示.
表3结构竖向总荷载对比（单位：KN） 软件 ABAQUS PKPM 竖向总荷载（KN） 4300000 4100000 表4竖向荷载作用下底层墙、柱轴力对比（KN） 柱号 ABAQUS PKPM 墙号 ABAQUS PKPM Z1 34100 37678 10 42670 57329 22 080 Q2 1019 Z12 37250 Q17 26630 22061 Z15 34250 35071 Q20 16840 22347 Z16 41980 42045 Q21 17370 19881 Z17 42780 43628 Q22 17500 19976 Z18 32190 34902 Q23 18600 22574 Z19 35790 38521 Q28 27790 21326 Z21 38310 Q31 31510 36008 Z25 17910 23060 42280 Z28 33230 24288 Q56 38980 6161 Z29 33310 23631 Q59 33960 30360 3
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 由表3可见，二者竖向总荷载相差不到5%，比较符合.
由表4可见，墙、柱构件竖向轴力总和 基本一致，只有局部墙、柱轴力相差较大，这是由于考虑筏板变形导致内力在墙、柱间重新分配的结果.
（a） PKPM 沉降 （b)ABAQUS 沉降 图9 PKPM与ABQUS 筏板沉降对比 由图9可见，二者计算的整体沉降分布趋势大致相同，最大沉降均发生在A、B塔楼的核心筒体区域： 在计算数值上，ABAQUS的计算结果比PKPM的计算结果偏大，可以保证ABAQUS计算结果的安全性.
4数值分析结果 本文主要研究内容：桩项预留间隙量选取，加褥垫换填区域土模量及厚度选取，地基土变形模量选取 等.
其中桩顶预留间隙量的选取分为两种情况：桩顶预留统一间隙量，桩顶分区预留不同间隙量，根 据分析结果，确定最优桩顶预留间隙量.
4.1桩顶预留间隙量的选取 预留间隙量的选取直接影响到地基基础的受力变形性能.
间隙量过小，桩间土承载力利用率不高，无 法满足设计要求：间隙量过大，桩间土变形过大，筏板受力过大配筋量增加，综合考虑各因素的相互影响， 设定不同的间隙量，通过大量试算，最终确定合理的预留间隙量.
（1）桩顶预留统一间隙量分析结果 以下仅就桩顶预留间隙量为40mm和20mm两种工况，对比分析不同间隙量下地基基础受力变形特点.
筏板沉降变形、地基土应力分布、筏板及基桩应力分布如图10～图14所示.
（a）间原量40m （b）间除量20mm （a）间隙量40tm （b）间原量20mm 图10不同预留间除量筏板沉降变形/m 图11不同预留间隙量地基土应力分布/Pa （a）间隙量40tm （b）间隙量20mm （a）间除量40mm （b）间隙量20mm 图12不同预留间除量筏板项部应力S11分布/Pa 图13不同预留间除量筏板底部应力S11分布/Pa
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 ..... ..... ..i.. （a）间除量40mm （b）间隙量20um 图14不同预留间隙量基桩竖向应力分布/Pa 不同预留间隙量桩分担荷载比例变化如图15所示，图中0mm工况指间预留隙量为0mm（下同）.
在 筏板沉降变形较大区域设置沉降监测点，不同预留沉降量下监测点沉降变形量随加载步的变化曲线如图16 所示，图中天然地基是指未设置基桩的情况.
60% 50% 加载步 0mm 01234 5678910 11 40% 20mm. 0 30% 40mm ww/ -10 20% 20 -20 -30 0mm 501 -40 2 0% .50 40mm 78910 -60 天然地基 -70 图15桩分担荷载比例随加载步变化曲线 图16监测点沉降变形量随加载步的变化曲线 可见，设置不同的桩顶预留间隙量，地基基础受力变形状态不同.
可得如下结论： a.随着预留间隙量的增加，地基土应力增加，桩应力减小，基础最大沉降量增加.
预留间隙量的大小 对地基基础的受力变形起很大调节作用.
b.随着预留间隙量的增加，筏板应力分布趋势大致相同，高应力区分布范围扩大： c.A、B塔核心区筏板底面、C塔筏板顶面及筏板边缘顶面均出现不同范围的拉应力区：其中B塔塔 核心区筏板底面拉应力沿板厚度分布深度和数值都较大.
d.地基沉降呈现明显不均匀性.
A、B塔核心简区强风化岩层厚度较大，沉降变形较大：B塔核心区 右侧沉降变形明显大于左侧.
e.不同工况下土体应力分布整体趋势大致相同，在中风化埋藏较浅或露头位置处出现明显应力集中现 象，可通过设置一定厚度的褥垫层消除应力集中现象.
根据分析结果，有必要分区设定不同桩顶预留间隙量，调节地基土沉降不均匀带来的不利影响.
（2）桩顶预留不同间隙量分析结果 根据地基不均匀沉降分布情况，分区采取不同桩顶预留间隙量，在沉降较大区域设定较大间隙量：在 沉降较小区域设定较小间隙量.
通过大量试算，确定合理桩-土荷载分担比例.
以下仅就其中三种工况给出 分析对比结果.
分区示意如图17所示，不同区域预留间隙量工况如表5所示.
表5不同区域预留沉降量工况 Ⅱ区 Ⅲ区 V区 (mm) (mm) (mm) (mm) JX1 10 20 40 30 JX2 15 20 40 30 JX3 20 (25) 30 35 30 5
