樁筏基礎
關注創建者：匿名 創建時間：2022-04-28
樁筏基礎的實例教程
1 引言
樁筏基礎(Piled Raft Foundation)是高層建筑普遍使用的基礎型式，因此樁筏基礎的受力以及沉降分析一直是樁基礎領域的研究課題，研究者們試圖尋求可靠的方法分析和預測樁筏基礎在載荷作用下的應力和變形。早期的研究大都基于現場試驗和簡化的彈性解給出建議，隨著巖土工程數值模擬技術的發展，現在能夠更全面地考慮樁筏基礎的受力特性，包括土的塑性變形(可以使用復雜的本構模型)以及樁-筏-土之間的相互作用。可以使用任何一種成熟的數值模擬軟件進行樁筏基礎分析，例如基于有限元(有限體積)法的FLAC3D, Plaxis, GTS NX，RS3或者基于p-y曲線的Group。本文展示了一個使用有限元進行樁筏基礎三維模擬的全過程，計劃分三部分完成。在Part 1，首先對樁筏基礎的研究作了簡要回顧，因為這些研究可以部分地檢驗數值模擬的結果是否合理，然后討論了項目的施工步驟(模擬步驟)設置、地下水設置以及地基土的材料屬性，側重理解模擬思路。
2 文獻回顧
這個文獻回顧沒有參考外部文獻，僅從GeotechSet數據集中提取了相關數據，一個詳細的總結保存在文件Piled Raft Foundation.txt中，下面對這個總結作簡要概括。
Hooper(1979), Cooke(1986), Leung and Radhakrishnan(1985) 進行了現場實測研究，觀察樁和筏所承受載荷的比例; Kuwabara(1989)提出了一個在均質土中樁筏基礎的彈性解; Clancy and Randolph(1993) 提出了一種樁筏基礎的近似分析方法，用來評估地基的整體剛度以及樁和筏的負載比例使用數值模擬方法；Yamashita(1998)，Chow(2001)， Prakoso(2001) 分別提出了不同的簡化方法分析了樁筏基礎。
展開 工程概況
本項目位移地鐵旁，由于地鐵隧道要求，結構地下室筏板基礎邊必須與地鐵邊線保持足夠的安全距離，因此結構的筏板在靠近地鐵一側不能挑出太大。這使得上部結構的最外側框架柱距離筏板邊界距離不滿足構造要求.設計時，通過牛腿將上部框架柱與下部地下室外墻連在一起，共同分擔上部結構傳來的豎向荷載，如圖1所示。采用ABAQUS軟件對樁筏基礎進行小震及等效中、大震作用下的有限分析，驗證該處理方式的安全性，分析不考慮土的有利作用，計算結果偏安全。
圖1 樁筏基礎布置圖
2 有限元模型
圖2 樁筏基礎有限元分析模型
根據圖1的結構樁筏基礎布置圖，分析模型取矩形虛線范圍內3個柱范圍筏板基礎為研究對象，模型平面尺寸為27mX9m。在ABAUQS軟件中建立有限元模型，模型如圖2所示，為排除邊界約束的影響，有限元分析結果以中間柱筏板為準。
2.1 混凝土及型鋼單元
混凝土及型鋼單元采用C3D4實體單元，中心區混凝土材料本構采用ABAQUS提供的損傷塑性(Concrete Damage Plasticity)模型，如圖3所示，考慮混凝土受壓和受拉損傷，材料參數根據《混凝土結構設計規范》取值。其余范圍混凝土采用彈性模型，僅考慮材料剛度對分析區域的影響，不考慮該部分混凝土進入塑性。其中，樁基及筏板混凝土材料C40，框架柱混凝土材料C60。
型鋼鋼管采用彈性模型，材料Q345。
圖3 ABAQUS混凝土損傷塑性模型
參考上海現代建筑設計（集團）有限公司技術中心編著的《動力彈塑性時程分析技術在建筑結構設計中的應用》，混凝土損傷程度可用混凝土損傷系數dc表征。C40混凝土損傷程度與對應的dc值關系如表1所示。
展開 圖16 上海中心大廈樁位平面圖
圖17 上海中心大廈基樁長度示意
上海中心大廈采用了大直徑超長灌注樁，有別于金茂大廈（420 m）、上海環球金融中心（492 m）所采用的鋼管樁，持力層選擇層⑨2粉砂，因其土性較佳、承載力高、土質相對較均、持力層厚度有保證，但是鉆孔灌注樁鉆孔過程需要穿越相對厚的粉土和砂層，施工的成孔能力和鉆孔樁的質量是有必要進行多方面試驗的，因此通過現場試樁驗證成樁可行性及承載力取值，試樁載荷試驗加載至極限，采用分布式光纖量測樁身應變，同時為研究上海軟土地區大直徑超長灌注樁承載特性及荷載傳遞機理提供了有價值的數據，為上海軟土地區600 m超高層建筑首次采用灌注樁提供指導和技術支持。
上海中心變基樁剛度調平設計概要
北京中國尊大廈實例：樁筏基礎設計過程中，應用土與結構相互作用原理，將主塔樓與其相鄰裙房作為一個整體進行研究與分析，遵循差異沉降控制與協調的設計準則合理選擇樁端持力層并優化設計樁長、樁徑和樁間距，樁筏協同作用三維數值分析與樁筏基礎設計緊密結合，應用 PLAXIS 和 ZSOIL 數值分析軟件進行了地基土-樁-筏板-地下結構協同作用的精細計算分析，詳見文[16]（孫宏偉，常為華，宮貞超，王媛. 中國尊大廈樁筏協同作用計算與設計分析[J] . 建筑結構，2014(20)：第109～114頁）和《巖土工程進展與實踐案例選編》案例文獻：北京Z15地塊超高層建筑樁筏的數值計算與分析。
圖18 北京中國尊大廈樁筏協力基礎示意
圖19 北京中國尊大廈樁筏協力基礎平面
北京中國尊大廈樁與筏板基礎聯合變調平設計的構想與技術思路如圖20所示。主塔樓為樁筏基礎，其兩側的純地下室部分采用天然地基。
展開 本文首次利用ANSYS軟件的二次開發功能，以VC++6.0為工具，運用APDL語言，對ANSYS進行二次開發，編制框筒結構－樁筏基礎－土相互作用體系與地震反應分析程序。
2 程序杓頗勘?
針對某一實際工程問題，ANSYS所提供的APDL語言可對ANSYS軟件進行封裝。APDL語言即ANSYS軟件提供的參數化設計語言，它的全稱是ANSYS Parametric Design Language。 使用APDL語言可以更加有效地進行分析計算，可以輕松地進行自動化工作（循環、分支、宏等結構），而且，它是一種高效的參數化建模手段。使用APDL語言進行封裝的系統可以只要求操作人員輸入前處理參數，然后自動運行ANSYS進行求解。但完全用APDL編寫的宏還存在弱點。比如用APDL語言較難控制程序的進程，雖然它提供了循環語句和條件判斷語句，但總的來說還是難以用來編寫結構清晰的程序。它雖然提供了參數的界面輸入，但功能還不是太強，交互性不夠流暢。針對這種情況，本文用VC++6.0開發框筒結構－樁筏基礎－土相互作用有限元分析程序（簡稱LWS程序）。
本程序設計目標是利用VC++6.0對ANSYS進行封裝。用VC++6.0對ANSYS模擬框筒結構－樁筏基礎－土相互作用進行二次開發，用戶只需輸入諸如地震波、計算時間步長、阻尼比等物理性能參數等，系統就能自動調用ANSYS計算程序，自動進行網格劃分、地震動加載以及自動求解。該系統由于前臺開發友好、方便、易用的人機交互界面，對復雜的、難于理解和掌握的ANSYS命令流進行后臺封裝，因此，程序設計可讓即使從未認真學習過ANSYS軟件的工程設計人員也能很好地借助本系統進行結構抗震性能有限元分析，具有較強的處理實際問題能力。
用戶輸入計算參數，即可調用后臺的ANSYS命令進行計算，ANSYS把計算結果返回給用戶，進行后處理。
展開 本文首次利用ANSYS軟件的二次開發功能，以VC++6.0為工具，運用APDL語言，對ANSYS進行二次開發，編制框筒結構－樁筏基礎－土相互作用體系與地震反應分析程序。
2 程序設計目標
針對某一實際工程問題，ANSYS所提供的APDL語言可對ANSYS軟件進行封裝。APDL語言即ANSYS軟件提供的參數化設計語言，它的全稱是ANSYS Parametric Design Language。 使用APDL語言可以更加有效地進行分析計算，可以輕松地進行自動化工作（循環、分支、宏等結構），而且，它是一種高效的參數化建模手段。使用APDL語言進行封裝的系統可以只要求操作人員輸入前處理參數，然后自動運行ANSYS進行求解。但完全用APDL編寫的宏還存在弱點。比如用APDL語言較難控制程序的進程，雖然它提供了循環語句和條件判斷語句，但總的來說還是難以用來編寫結構清晰的程序。它雖然提供了參數的界面輸入，但功能還不是太強，交互性不夠流暢。針對這種情況，本文用VC++6.0開發框筒結構－樁筏基礎－土相互作用有限元分析程序（簡稱LWS程序）。
本程序設計目標是利用VC++6.0對ANSYS進行封裝。用VC++6.0對ANSYS模擬框筒結構－樁筏基礎－土相互作用進行二次開發，用戶只需輸入諸如地震波、計算時間步長、阻尼比等物理性能參數等，系統就能自動調用ANSYS計算程序，自動進行網格劃分、地震動加載以及自動求解。該系統由于前臺開發友好、方便、易用的人機交互界面，對復雜的、難于理解和掌握的ANSYS命令流進行后臺封裝，因此，程序設計可讓即使從未認真學習過ANSYS軟件的工程設計人員也能很好地借助本系統進行結構抗震性能有限元分析，具有較強的處理實際問題能力。
用戶輸入計算參數，即可調用后臺的ANSYS命令進行計算，ANSYS把計算結果返回給用戶，進行后處理。
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樁筏基礎的最新內容
根據結構特點考慮雙向地震作用和豎向地震作用【4.1.1】；
選波要求參見【劃重點與簡析】建筑隔震設計標準（GB/T 51408-2021）；
黏滯阻尼器的恢復力模型可采用麥克斯韋模型；
抗震驗算時，結構第i層的水平地震作用標準值的樓層剪力與第i層及以上的重力荷載代表值之比應大于樓層最小地震剪力系數【4.2.3】，即
8度和9度時建造于III、IV類場地，采用箱基、剛性較好的筏基和樁箱、樁筏聯合基礎的鋼筋混凝土高層消能減震結構
五
樁筏基礎反力呈馬鞍型分布的解釋
根據傳統的荷載分布原則，荷載的分布是根據剛度進行分配 ，基礎中間部位樁的承載力低說明土對樁的支撐剛度降低，也就是樁側樁端土的剛度降低。
原因是中間部位的樁間土要承受四周樁傳來的荷載。
1 引言
樁筏基礎(Piled Raft Foundation)是高層建筑普遍使用的基礎型式，因此樁筏基礎的受力以及沉降分析一直是樁基礎領域的研究課題，研究者們試圖尋求可靠的方法分析和預測樁筏基礎在載荷作用下的應力和變形。
3
樁基工程驗槽
? 設計計算中考慮樁筏基礎、低樁承臺等樁間土共同作用時，應在開挖清理至設計標高后對樁間土進行檢驗。
? 對人工挖孔樁，應在樁孔清理完畢后，對樁端持力層進行檢驗。對大直徑挖孔樁，應逐孔檢驗孔底的巖土情況。
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樁基工程驗槽
? 設計計算中考慮樁筏基礎、低樁承臺等樁間土共同作用時，應在開挖清理至設計標高后對樁間土進行檢驗。
? 對人工挖孔樁，應在樁孔清理完畢后，對樁端持力層進行檢驗。對大直徑挖孔樁，應逐孔檢驗孔底的巖土情況。
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樁基工程驗槽
? 設計計算中考慮樁筏基礎、低樁承臺等樁間土共同作用時，應在開挖清理至設計標高后對樁間土進行檢驗。
? 對人工挖孔樁，應在樁孔清理完畢后，對樁端持力層進行檢驗。對大直徑挖孔樁，應逐孔檢驗孔底的巖土情況。
采用ABAQUS軟件對樁筏基礎進行小震及等效中、大震作用下的有限分析，驗證該處理方式的安全性，分析不考慮土的有利作用，計算結果偏安全。
圖1 樁筏基礎布置圖
2 有限元模型
圖2 樁筏基礎有限元分析模型
根據圖1的結構樁筏基礎布置圖，分析模型取矩形虛線范圍內3個柱范圍筏板基礎為研究對象，模型平面尺寸為27mX9m。
3
樁基工程驗槽
? 設計計算中考慮樁筏基礎、低樁承臺等樁間土共同作用時，應在開挖清理至設計標高后對樁間土進行檢驗。
? 對人工挖孔樁，應在樁孔清理完畢后，對樁端持力層進行檢驗。對大直徑挖孔樁，應逐孔檢驗孔底的巖土情況。
樁筏基礎的樁的布置不能采取方格網布樁的形式，那樣只能作到總體大平衡，未能作到局部平衡，且樁的承載總合力與作用力重心之間的偏心會增大，對樁的受力不利，對筏板的承載力要求太高。
正在施工的底板
核心筒建造到21層，地下室開挖結束
樁筏基礎和核心筒施工
