巖土概念設計

巖土概念設計第一頁，共十八頁，2022年，8月28日一、巖土工程的不確定性：巖土工程最突出的特點是不確定性。

1、巖土體結構的不確定性：實踐中發(fā)現，單純的力學計算不能解決巖土工程實際問題。上部結構設計，其結構體系和結構構件非常明確，計算條件明確，體系和構件尺寸是工程師自己設計，材料（砼、鋼筋等）自己選定，都是可控的，所以結構設計力學計算是可信的。而巖土是自然形成的，一旦場地選定，基礎形式可以選擇，而地基卻沒選擇余地，是不可控的，只能通過勘察查明，但又不能完全查明，地質條件的復雜性難于掌握巖土的空間分布，根據GB50021規(guī)范，鉆孔布置間距10~30m，孔與孔之間土層還會有很多變化。例如從強度角度，巖石和混凝土較為接近，混凝土材質較均勻，而巖石本身強度和模量差別懸殊，巖石有裂隙存在，裂隙有稀有密，有寬有窄，有長有短，有光滑的有粗糙的，有平直的有彎曲的，有的裂隙被充填，有的沒充填，裂隙成因有原生節(jié)理，有構造節(jié)理，有荷載節(jié)理等其巖體和巖塊力學參數有很大差別，巖體vpm=4000m/s，巖塊vpr=5200m/s，kr=(vpm/vpr)2（kr完整性系數，kr≥0.75為完整，kr＜0.15為極破碎）。第二頁，共十八頁，2022年，8月28日2、巖土參數的不確定性。砼、鋼材的材質不僅可控，也相對均勻，變異性小，巖土指標變異性大，一是取樣、運輸、制備、試驗操作、試驗取值、計算等會產生誤差，二是其結果和試驗方法，應力路徑有關，如土的抗剪強度，直剪有快剪、固結快剪和慢剪；三軸試驗有不固結不排水剪（UU）、固結不排水剪（CU）和固結排水剪（CD），同一個土樣不同試驗方法得到的c、φ值不一樣。例如某軟土固快c=10.2kPa，φ=7.1°，三軸UU實驗，c=6.8°，φ=0°，

CU試驗c=12kPa，φ=5.1°，另一軟土UU試驗c=10kPa，φ=0°，CU試驗，c=10kPa，φ=14°。根據具體工程問題，用什么試驗方法是一件不容易的事，例如建筑物施工速度快，地基透水性和排水條件不良，應采用不固結不排水的c、φ值；地基為粘性土又夾有砂層，排水條件較好，可采用固結排水試驗等。3、巖土應力-應變關系的非線性。4、計算理論和計算方法的不確定性，例如沉降計算，地基看成均質的線性變形體，基地壓力看成柔性荷載，不考慮基礎剛度影響，采用壓縮模量參數，最后采用經驗系數修正，s=Ψs’，Ψ=0.3~1.30。第三頁，共十八頁，2022年，8月28日二、概念設計。綜合上述，巖土工程迄今是一門不嚴密的、不完善的、不夠成熟的半理論半經驗的一門科學，手段是試驗，檢測和經驗積累，目前主要依靠經驗和綜合判斷解決巖土工程問題。劉建航院士認為巖土工程應該是“理論導向，經驗判斷，實測定量”的原則；顧保和勘察大師提出巖土工程“不求計算精確，只求判斷準確”。這就反映巖土工程的特點，也是對巖土工程設計簡潔和準確的概括。單純的理論計算是不可靠的，因為巖土工程不確定因素太多，理論只能作為導向，這種在理論導向和經驗判斷基礎上，抓住難點、重點和關鍵問題，把握主要方向，作出設計決策稱為概念設計。如樁基礎的概念設計是考慮地質條件、上部結構類型（框架、框剪、框筒、磚混結構等），使用功能和荷載特征；施工技術條件與環(huán)境，制定過程樁基設計的總體構思，包括樁型、成樁工藝、樁端持力層、樁徑、樁長，布樁、承臺型式、單樁承載力，考慮樁、土、承臺和上部結構的相互作用，力求減小差異沉降，降低承臺內力和上部結構次應力。因此樁型和布樁是重點。概念設計分為狹義的和廣義的。狹義的可理解為框架設計，先定性分析，再做定量分析，從概念上選擇一個或幾個方案進行必要的計算和驗算，逐步優(yōu)化和完善設計。廣義的概念設計是一種設計思想，是建立在理性基礎上的設計，它不僅對原理有深刻理解，還要有豐富的工程經驗，靈活的運作能力。第四頁，共十八頁，2022年，8月28日三、概念設計實例

【例1】軟土地基打樁的概念設計要考慮以下幾個問題

(1)擠土效應，要控制樁間距，間距小擠土擾動，側阻降低，地面隆起，樁上浮端阻力減小，對于群樁基礎，隨著時間增長，軟土產生固結沉降，承臺和土脫空，承臺效應不能考慮。

(2)沉樁對環(huán)境影響。

(3)基坑開挖，坑壁變形過大或坍塌，工程樁被擠歪、擠斷。某工程為6層框架結構辦公樓，一層地下室，場地土層分布為0~2m新近填土；2~3.7m為粉質粘土；3.7~24.7m為淤泥質粘土，ω=50%，e=1.4，ωL=39%，IL=1.6，a1-2=1.1MPa-1，Es=2.2MPa，fak=55kPa，K=2.1×10-7cm/s；24.7~28.7m為含角礫粉質粘土；28.7~32.0m為粘土，軟塑，32~41m為中密細砂，地下水位0.5m，場地周圍為2層磚混結構，天然地基的民房。

第五頁，共十八頁，2022年，8月28日該工程擬采用靜壓法施工的預應力管樁，樁徑0.4m，樁長40m，樁端持力層為中密細砂，概念設計考慮，該樁基工程應著重考慮以下問題。

(1)樁承載力分析。土層中有一厚度21m的淤泥質粘土，其特點是高壓縮性、高孔隙比、高靈敏度、低滲透性和低強度，采用預應力管樁存在嚴重的擠土效應，地面會隆起，樁會上抬，樁側土被擾動，因而承載力會降低，樁間距是控制重點。

(2)沉樁對環(huán)境影響。淤泥質粘土層，沉樁過程，孔隙水壓力會急劇上升，土的滲透系數小，孔隙水壓力消散慢，產生的擠土效應對周圍民居會產生不利影響，墻體會裂縫，基礎上抬，地磚上拱，應嚴格控制打樁速率。

(3)基坑要有可靠的支護措施，否則基坑變形過大或挖土不當，會使工程樁偏移，甚至被擠斷，基坑開挖工程要進行深層土體位移監(jiān)測，坑頂水平位移監(jiān)測和周圍民房的變形觀測。第六頁，共十八頁，2022年，8月28日

【例2】某6層框架結構綜合樓，土層分別：0~0.5m為填土；0.5~5.0m為粉土；5.0~7.0m為粘土；7.0~12.0m為中砂，地下水位1.0m，中砂層帶有承壓水。該工程采用直徑377mm振動沉管灌注樁基礎，樁端持力層為中砂層，土層中的粘土層為隔水層，當樁身灌注混凝土后，發(fā)現樁頂在冒氣泡，后來經低應變法樁身完整性檢測，有80%的樁為Ⅲ、Ⅳ類樁，分析原因是樁身混凝土還未凝固前中砂層承壓水沿樁身中消散，大部分樁被承壓水穿斷。作為概念設計，針對該土層情況，不應該選擇沉管灌注樁，樁型選擇錯誤。

【例3】某綜合樓，建筑面積53484m2，分為28層（高109m）筒體塔樓，26層和18層框架剪力墻結構，純地下室4部分組成，采用樁筏基礎，筏板78.6×35.9m，板厚筒體部分1.0m，其余0.6m，埋深11.0m，梁板結構，樁采用沉管灌注樁，樁徑0.5m，樁長21.5m，滿堂布樁，樁間距1.8×1.8m和1.8×2.1m，樁端持力層粘土⑧層，筏板底為粉土④層，中間土層為飽和粉質粘土、粉土和粘土。第七頁，共十八頁，2022年，8月28日該工程建至12層時底板開裂，結構封頂后，梁板式筏形承臺的主、次梁開裂，和核心筒相連的框架梁開裂，80%底板滲漏，筒體位置底板裂縫最嚴重。采用加固措施，將梁板式筏形承臺主、次梁兩側加焊鋼板，梁與梁之間充填混凝土，變?yōu)槠桨迨椒ば纬信_，1.0m厚板變?yōu)?.3m的板。該工程從概念設計考慮，以下幾點是事故的主要原因，也就是沒抓住難點、重點和關鍵問題。

(1)在飽和粘性土地基采用滿堂均勻布置的擠土樁，由于擠土效應，使地面隆起，鄰樁上浮、偏位；

(2)沉管灌注樁質量不夠穩(wěn)定，容易產生縮頸、斷樁和吊腳現象，實際該工程已出現以上情況。

(3)樁端持力層選擇不夠合理，因為⑧層粘土，孔隙比達1.05，同時夾有泥炭土，其e=2.54。

(4)28層、16層、18層和純地下室，荷載分布很不均勻，滿堂均勻布樁不合理。

(5)剪力墻布置無序、不連續(xù)，剛度差別大。筒體下板厚1.0m，其余板厚0.6m，板厚過渡區(qū)產生次應力。

(6)考慮承臺效應，土承擔10%豎向荷載不合理，由于擠土承臺下地基土已被擾動、隆起，孔隙水壓力上升，過后土固結，承臺和地基土間出現空隙。第八頁，共十八頁，2022年，8月28日

【例4】某18層住宅樓，地下一層，剪力墻結構，采用樁筏基礎，樁基為直徑426mm夯擴樁，土層分布為：0~4m新近填土，4~20m為高靈敏度淤泥，20m以下為中密細中砂，擴頭持力層進入細中砂1.5m，工程結頂后建筑頂部偏離軸線2m多，嚴重傾斜，只好爆破拆除。按概念設計以下是事故主要原因：

(1)樁型選擇錯誤。夯擴樁為擠土樁，16m厚的淤泥質土，由于擠土效應，樁側土被擾動，地面隆起，樁側阻力大大降低；

(2)擴頭樁入持力層深度僅1.5m，上面為厚淤泥層，樁基礎形成可繞樁端轉動的球鉸，承受水平力很差；

(3)由于夯擴振動，使樁端砂土可能產生液化，降低端阻力；

(4)許多樁偏位，處理時歪樁正接，受力性能惡化；

(5)基坑開挖無序，檢測監(jiān)測不力，施工速度超常規(guī)，采用快速注漿加固方案失誤等。第九頁，共十八頁，2022年，8月28日

【例5】臺北國際金融中心（臺北101），101層，高508m，裙房6層，均設5層地下室，結構體系為巨型框架-核心筒，核心筒為16根鋼柱+斜撐的桁架筒，巨型框架為8根巨型鋼柱+巨型梁。采用樁筏基礎，主樓樁徑1.5m，樁長72m，反循環(huán)灌注樁，共380根，樁間距2.8m（1.86d），滿堂布樁，樁端持力層頁巖，裙房建筑荷載小于水浮力，設計樁徑2.0m，樁長69m，抗浮樁，樁間距9.0m，共167根。從概念設計考慮，樁基設計以下是成功的經驗：

(1)臺灣是地震高發(fā)地區(qū)，地震力和風荷載作用很大，采用大直徑灌注樁，可承受較大的水平力；

(2)樁端持力層為基巖，又采用反循環(huán)清孔，孔底沉渣可清的較干凈，使樁端阻力較大且可較充分發(fā)揮；

(3)經8根樁的靜載試驗，其中5根抗壓，3根抗拔試驗結果，反循環(huán)灌注樁承載力高于全套管取土灌注樁承載力，原因是前者成孔至澆注混凝土時間比后者時間短，致使樁端的泥巖和頁巖在泥漿中浸泡時間短，較長時間浸泡使泥巖和頁巖松軟，端阻力降低，所以樁基工程決定采用反循環(huán)灌注樁。第十頁，共十八頁，2022年，8月28日

【例6】上海金茂大廈，地上88層，高420.5m，地下3層，結構體系為混凝土核心筒-框架-伸臂，裙房6層，總建筑面積29萬m2，主樓采用直徑914.4mm，壁厚20mm，樁長83m開口鋼管樁，樁數430根，樁端持力層第⑨層細中砂，靜載荷試驗，單樁極限承載力Qu=15300~16800kN，單樁承載力設計值R=7500kN；裙房采用直徑609.6mm，壁厚14mm，樁長48m鋼管樁，樁數638根，單樁承載力設計值R=3500kN。金茂大廈鋼管樁采用2種錘施打，開始采用D-100柴油錘（錘頭重10t）施打，后來難打時用HA-30液壓錘施打；上海環(huán)球金融中心，高482m；核筒結構，核心筒為鋼筋混凝土，外圍框架為鋼結構，鋼管樁基礎，上海中心，高632m，121層，樁徑1.0m，樁長86m，樁數955根鉆孔灌柱樁。前2座超高層建筑的基礎都采用鋼管樁，從概念設計考慮：

(1)鋼管樁樁端持力層為第⑨層密實細中砂，可提供較高的承載力；

(2)鋼管樁穿透能力強，樁端持力層進入第⑨層，中間要穿過數米標貫擊數N≥40的砂層，尤其厚度達6~14m密實的第⑦層粉細砂，別的打入樁如預應力管樁是難于穿過的；

(3)鋼管樁耐錘擊，金茂大廈1根樁最多的錘擊數達15000錘，這么多的錘擊數別的樁型是不可想象的。第十一頁，共十八頁，2022年，8月28日

【例7】上海世博500kV地下變電站，地下4層筒型結構，直徑130m，基坑深34m，基坑支護采用厚1.2m兩墻合一的地下連續(xù)墻，嵌固深23.5m，逆作法施工，利用四層樓板作為內支撐。各層地下結構荷載由-柱-樁承擔，柱為鋼管混凝土，樁為樁徑0.95m，樁長55.8m的灌注樁，樁端持力層為第⑨2層粗砂，樁端后注漿，單樁承載力設計值為R=9500kN；抗浮工程樁為直徑0.8m，樁長48m灌注樁，樁端持力層為第⑨1層中砂。該工程從概念設計考慮：

(1)變電站位于上海市中心城區(qū)，基坑深達34m，支護結構采用地下連續(xù)墻，逆作法施工，利用4層樓板作為內支撐，該設計是合理的，同時減少造價；

(2)為減少立柱樁的差異沉降，提高單樁承載力和加固沉渣，采用樁端后注漿技術；

(3)逆作法施工階段，4層結構自重和施工的超載，由直徑0.55m鋼管混凝土柱承擔，他比鋼結構柱承載力要大的多，其抗壓承載力設計值達9500kN，但鋼管混凝土柱由地面一次施工形成，又要保證1/300的垂直度，混凝土保證充填質量等是技術難點，是概念設計必須重點研究的問題。第十二頁，共十八頁，2022年，8月28日【例8】某地下車站為二層三跨閉合框架結構，車站長934m，分為8個基坑開挖，坑深約17m，寬23m，坑的一側距坑邊約5.8m為交通繁忙的道路，另一側距離約10m為一條河，基坑采用厚0.8m地下連續(xù)墻+4道內支撐（其中第一道為鋼筋混凝土支撐，其余3道為直徑609mm的鋼管支撐），墻嵌固深度14m，墻端位于淤泥質土層中。2008年底基坑出事故，其中北2#基坑長75m全部滑塌，連續(xù)墻折斷，一側墻頂向坑外位移，折斷處墻體向坑內位移7.5m，墻端向坑內位移6.0m，另一側墻頂向坑內位移3.0m，滑塌后形成一個長75m，深15.5m的大深坑，致使鄰近河道決堤，河水倒灌，水深達7.0m，正在道路行駛的11輛車被埋入坑中，工人被埋20多人，其中死21人，一墻之隔的小學圍墻全部倒塌，地下管線破壞等重大事故。該工程從概念設計考慮，以下幾點應吸取經驗教訓：（1）場地淤泥和淤泥質土厚度達32m，含水量ω=50%~60%，高壓縮性、高靈敏度、高含水量、低強度和低滲透性特點，連續(xù)墻墻端位于淤泥質土，未進入好的土層，容易產生“踢腳”；同時對軟土的特性認識不足時設計易失誤。如土壓力計算時土的抗剪強度指標c、φ值，應該用三軸固結不排水（CU試驗）試驗的標準值，決不允許用平均值，若用固塊指標，應根據經驗拆減使用。該基坑卻用了c、φ的平均值；第十三頁，共十八頁，2022年，8月28日（2）軟土場地基坑底土層采用水泥土攪拌樁或旋噴樁加固被動區(qū)是增加被動土壓力和防止坑底隆起的重要措施，后來由于多種原因設計同意取消該措施，改用坑底自流井降水，以提高土的抗剪強度，可是該軟土層的滲透系數為10-7cm/s量級，透水性極差，降水效果不好，對這一點，憑經驗是很容易判斷的，加固被動區(qū)改用自流降水方法是最大失誤；（3）先支撐后挖土，這是保證安全的最基本施工程序，但滑塌段，第4道支撐沒有撐，土即挖至坑底，這種失誤是不應該出現的；（4）支撐和墻體、立柱和支撐沒可靠連接，連接剛度差，沒形成整體性，例如事故發(fā)生的開始階段，第一道鋼筋混凝土支撐折斷，7根鋼管支撐滑落，6根支撐立柱被剪斷，鋼管支撐僅靠預加應力頂住墻體，墻體稍有變形，支撐很易滑落；（5）監(jiān)測沒及時報警。監(jiān)測單位和施工單位簽定監(jiān)測合同有欠公正；第十四頁，共十八頁，2022年，8月28日

四、地基基礎設計時采用什么樣的荷載效應？作用在基礎上的荷載分為荷載效應標準組合值、荷載效應準永久組合值和荷載效應基本組合設計值。作用荷載分為永久荷載（結構自重、土壓力、預應力等），使用期間其值不隨時間變化；可變荷載（樓面、屋面活荷載、雪荷載、風荷載等），使用期間其值隨時間變化；偶然荷載（地震荷載、爆炸力、沖擊力等），使用期間不一定出現，一旦出現其值很大且持續(xù)時間很短。（1）荷載效應標準組合：永久荷載采用荷載標準值，可變荷載采用組合值效應。Skc=Gk+ψcQk

（2）荷載效應準永久組合：永久荷載采用荷載標準值，可變荷載采用準永久組合效應。Skq=Gk+ψqQk

（3）荷載效應基本組合：由永久荷載控制的，（GB50007—2002）規(guī)范采用簡化規(guī)則，荷載效應基本組合設計值取標準合值的1.35倍。S=1.35Skc式中GK—永久荷載；Skc、Skq—分別為標準組合、準永久組合值；Qk—可變荷載標準值ψc、ψq—分別為標準組合系數和準永久組合系數；S—基本組合設計值第十五頁，共十八頁，2022年，8月28日例如某5層框架結構住宅樓，建筑面積1755m2,永久荷載（結構自重等）26488kN，可變荷載標準值2kN/m2，荷載效應標準組合的可變荷載組合系數ψc=0.7，荷載效應準永久組合的可變荷載組合系數ψq=0.4。荷載效應標準組合值為：Skc=Gk+ψcQk=26488+0.7×1755×2=28945kN荷載效應準永久組合值為：Skq=Gk+ψqQk=26488+0.4×1755×2=27892kN（比標準組合值小3.8%）荷載效應基本組合設計值為：S=1.35Skc=1.35×28945=39075.8kN

因此荷載效應基本組合設計值最大，其次為荷載效應標準組合值，荷載效應準永久組合值最小。當然，按荷載規(guī)范，對不同功能的建筑，可變荷載標準值、組合系數ψc、ψq是不一樣的。第十六頁，共十八頁，2022年，8月28日

1.基礎設計：（1）確定基面積大小用容許承載力法，荷載用標準組合值，抗力用地基承載力特征值。（2