厚层黏性土地基上某超高层建筑桩筏基础三维数值分析_王媛_李伟强_孙宏伟

搞结构工程人员必读书籍

第44卷第20期2014年10月下建筑结构BuildingStructureVol．44No．20

Oct．2014

厚层黏性土地基上某超高层建筑桩筏基础三维数值分析

王媛，李伟强，孙宏伟

（北京市建筑设计研究院有限公司，北京100045）

［摘要］工程位于北京市大望京地区，由一栋200m高超高层办公楼、配套裙房及纯地下室组成。采用桩筏基础，地基为北京东北区域典型厚层黏性土，本区域地层有别于北京城区的黏土层与砂卵石层交互循回沉积层，厚层黏性土地基对建筑变形影响较大。基于地基-基础-上部结构的共同作用原理，利用岩土工程数值软件PLAXIS3D对结合施工的便捷性和工程的经济性，选择较合适的沉降后两种沉降后浇带设置方案进行桩筏基础沉降计算分析，

浇带设置方案。并对所选方案进行沉降后浇带封闭前的基础沉降、基础底板内力、基底反力及桩顶反力计算分析，证实了所选方案的可靠性。

［关键词］厚层黏性土地基；超高层建筑；桩筏基础；PLAXIS3D；沉降计算中图分类号：TU473.1

文献标识码：A

848X（2014）20-0119-04文章编号：1002-

Three-dimensionalnumericalanalysisonpiledraftfoundationofasuperhigh-risebuilding

onthethick-layerclayfoundationWangYuan，LiWeiqiang，SunHongwei

（BeijingInstituteofArchitecturalDesign，Beijing100045，China）

Abstract：TheprojectislocatedinGreaterWangjingareainBeijingandiscomposedofa200mhighsuperhigh-riseofficebuilding，matchingpodiumsandbasements．Piledraftfoundationisappliedonthetypicalthick-layerclayofnortheastregionofBeijing．TheregionalstrataisdifferentfromtheclayandsandypebblelayerinteractioncyclebacktosedimentsofBeijingcity，andsuchgeologicalconditionsimpactthebuildingdeformationalot．Basedontheinteractionprincipleofsoil-foundation-upperstructure，thepiledraftfoundationsettlementsbasedontwodifferentpost-pouringsettlementstripschemeswerecalculatedandanalyzedbyusingthegeotechnicalengineeringnumericalsimulationsoftwareofPLAXIS3D．Consideringwiththeconstructionconvenienceandeconomy，thebetterschemewaschosen．Theparametersofthechosenschemebeforepost-pouringstripconstructionwereanalyzedandcalculated，includingfoundationsettlement，internalforcesoffoundationbase，basereactionandthepiletopforces，whichverifiedthereliabilityofthechosenscheme．

Keywords：thick-layerclayfoundation；superhigh-risebuilding；piledraftfoundation；PLAXIS3D；settlementcalculation

0前言

地基基础设计应保证建筑物在主楼与裙房相邻

满足地基的稳定性、耐久性要柱长期荷载作用下，

［1］

求，同时地基变形不超过规范的允许值。基于地基-基础-上部结构的协同作用，利用数值软件对地

后再浇灌后浇带，使余下的不均匀沉降可忽略或可

［4］［5］

按经验处理。规范中提出：当高层地基土质较如系统的沉降观测结果表明高层建筑的沉降好时，

在主体结构完全完工之前趋于基本稳定，或者沉降表明高层建筑与裙房之间的沉降差异对结构产生的影响在设计考虑范围内，则后浇带浇灌时间也可适当提前。

本工程位于北京大望京地区，本区域地层含有厚层黏性土层，具有较好的结构性和较低的压缩性，颜色多为黄色、褐黄色，岩性在上部多以中等偏轻的粉质黏土为主，间有砂质粉土和粉细砂层；其下为由粉、细、中、粗砂至卵石及粉质黏土的交互循回沉积［5］层。

本文应用岩土数值软件PLAXIS3D，根据甲方提供的两种沉降后浇带方案，对超高层建筑的桩筏基础进行沉降变形计算分析；并分析所选方案的基

Email：lizzy13@163．com。作者简介：王媛，硕士，工程师，

基基础沉降进行计算分析，尤其在超高层建筑桩筏

基础中，已经得到越来越多的重视和使用，如哈利法

［2］［3］塔（BurjKhalifa）、北京CBD核心区Z15地块等都采用PLAXIS3D软件进行地基基础沉降计算分

析及预测。

在高层饭店、写字楼、商住楼等建筑中，根据使用功能的需要，在高层主楼的一侧或两边布置层数不多的裙房及纯地下室，用作门厅、商店、餐厅、地下车库等公共用房。在建筑高度或荷载差异部分，结构或基础类型不同的部位，宜设沉降缝或者沉降后

［4］

浇带。由于建筑结构形式的要求，大部分超高层建筑越来越趋向于使用后浇带。在主群楼之间设置

主楼施工期间可自由沉降，待主楼施工完毕后浇带，

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建筑结构2014年

础底板内力、基底反力、桩顶反力以及沉降后浇带封闭前的沉降结果；进而找出技术可靠、经济合理的最优方案。1数值分析软件PLAXIS3D应用综述

PLAXIS3D是用于分析岩土工程的变形和稳定性的三维有限元程序包，具备分析处理复杂岩土结构和建造过程的功能特性。1987年诞生于荷兰Delft大学，2010年通过对PLAXIS3DFoundation，Tunnel以及Dynamic等几个模块的融合升级，输入界面从之前的二维界面升级为三维界面，增加了命令流输入、点线面的拉伸、复制、旋转等功能，便于较为复杂的上部结构的输入；网格划分、施工阶段以及输出阶段也做了更加优化的升级。

PLAXIS3D数值软件已在多个重点项目中使用，通过将数值分析的沉降结果与沉降观测结果比对可知，此软件在合理选择土层参数、本构模型、正确建模的前提下，对建筑物的沉降变形具有比较好

［3，7，8］

。的预测性2

工程介绍2.1工程概况

本工程主塔楼是一栋甲级写字楼，地上约41

层，建筑高度约215.0m，结构高度约201.5m（至主结构屋面），采用框架-核心筒结构；裙楼地上1层，局部3层，建筑高度为18.3m，为框架结构。地下室

2共5层，地上总建筑面积为8.0万m，地下建筑面

2

裙楼及地下积约4.0万m。主塔楼采用桩筏基础，

［6］

积特征。此区域第四纪沉积土一般具有较好的结构

性和较低的压缩性。表1为此工程拟建场区域部分土层的土体物理力学参数，土层物理力学参数的取

［9］

值以勘察报告为主，参考工程经验。地层剖面与桩基相对位置关系如图2所示。

土层物理力学参数

土层

⑥细砂-粉砂⑦细砂-中砂

⑦1重粉质黏土-粉质黏土

⑦2黏质粉土-砂质粉土⑧重粉质黏土-粉质黏土

⑧1黏质粉土-砂质粉土

⑧3细砂-中砂⑨重粉质黏土-粉质黏土

⑨3细砂-中砂⑩细砂-中砂

⑩1卵石-圆砾

密度ρ/（g/cm3）2.002.001.972.031.962.042.001.962.002.002.00

表1

黏聚力

内摩擦角压缩模量

Es/MPac/kPaφ/°0073415520050000

32．033．027.834.117.431.634．012.835．035．042．0

47．060．018.331.919.631.165．024.875．088．0*150．0*

“*”注：压缩模量取值中带号为经验取值。

车库采用抗拔桩的抗浮设计方案。图1为工程建筑

效果图

。

2.2岩土工程条件本工程拟建场区地形总体较为平坦，自然地面绝对标高为33～37m左右。根据现场勘探、原位测试及室内土工试验成果，按地层沉积年代、成因类型，将最大勘探深度125.00m范围内的土层划分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类，并按地层岩性

图1

建筑效果图

注：左侧数值为绝对标高。

图2地质剖面与桩基相对位置关系图

根据区域水文地质资料，工程场区自然地面下

约50m深度范围内主要分布6组相对含水层。本工程岩土勘察时实测到6层地下水。3不同沉降后浇带设置方案的桩筏基础沉降计算对比分析

本工程对两个不同的沉降后浇带设置方案，利用数值软件PLAXIS3D，对桩筏基础进行建模及沉降计算分析，根据沉降变形控制、施工的便捷及工程经济性等因素选取较优方案。

及其物理力学数据指标进一步划分为16个大层及亚层。

总体来看，拟建场区地面以下至基岩顶板之间的土层岩性是以厚层黏性土、粉土与砂土、碎石土交体现第四纪冲洪积沉互沉积土层为主的沉积旋回，

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第44卷第20期3.1方案介绍

规范

［5］

王媛，等．厚层黏性土地基上某超高层建筑桩筏基础三维数值分析

3.2试验桩结果

121

规定：施工期间高层建筑与相连裙房之间试验桩设计参数为：桩径1000mm，桩长约37.2m，桩端持力层为⑩1卵石、圆砾层。图4为主

s）曲线，楼区域抗压试验桩载荷试验荷载-沉降（Q-SZ1，SZ2，SZ3试验桩的单桩竖向抗从图4中可得，

压极限承载力不小于20000kN，单桩竖向抗压承载力特征值不小于10000kN。3.3基础沉降变形数值计算分析

对于在同一个大面积桩筏基础上的高低层建筑，其桩筏基础的沉降计算宜考虑上部结构、基础与地基土的共同作用。

利用数值软件PLAXIS3D，考虑上部结构-基础-地基的共同作用，对两种不同沉降后浇带设置方案的桩筏基础进行建模及沉降计算，本工程有限元模型如图5所示。考虑到结构刚度对地基基础沉降变形的影响，根据数值计算经验，结构部分需要从基

试验桩报告以础筏板建到±0.0m。根据勘察报告、

及以往工程经验进行参数及本构模型的选取。数值

建模中，桩采用EmbeddedPile单元，主梁采用Beam单元，楼板及基础底板采用Floor单元。本工程计算的施工阶段不考虑基坑开挖的回弹变形，所以计算数值均为回弹再压缩变形值。沉降变形分析结果如下：

沉降后浇带设置方案1的桩筏基础沉降等值线图如图6（a）所示，由图6（a）可知：主楼最终沉降平最大沉降量为78mm，满足最大沉降均值为63mm，

小于80mm的设计要求；主楼筏板整体挠度为0.037%，主楼与裙房的最大差异沉降为0.085%，均满足规范

［1］

设计沉降后浇带，后浇带位置应根据高层建筑周边地

基反力分布情况，设在紧邻主楼的裙房第二跨或第一跨内。本工程后浇带设置方案1中后浇带设置在主裙楼之间第二跨内，且部分区域未设置后浇带；后浇带设置方案2中后浇带为设置在主裙楼之间的第一跨内的环状后浇带。两个沉降后浇带设置方案见表2，两个方案各自的桩筏基础平面布置见图3。

沉降后浇带设置方案

方案

方案1

主楼核心筒区域：桩径1000

mm，102根；主桩长29.6m，

楼框架柱区域：桩径1000mm，87根；主桩长28.6m，

楼区域抗压桩桩顶反力平均值为8191.8kN；裙房区域：桩径800mm，桩长17.7m

主楼核心筒区域：板厚3000mm；主楼非核心筒区域：板厚2600mm；裙房筏板

区域：板厚1500mm

；独立承台高1500mm；抗水板板厚800mm⑨～瑏瑡轴之间

方案2

主楼核心筒区域：桩径

1000mm，桩长29.6m，100根；主楼框架柱区域：桩径1000mm，桩长28.6m，85根；主楼区域抗压桩桩顶反力平均值为8729.2kN；裙房区

桩长域：桩径800mm，

17.7m

主楼区域：板厚3000mm；裙房筏板区域：板厚1500mm（部分区域板厚为2000mm）；独立承台高1500mm；抗水板板厚800mm

后浇带设置在距离主楼筏板边界2m的主楼筏板区域

表2

桩基

筏板

后浇带位置

和设计要求。

沉降后浇带设置方案2的桩筏基础沉降等值线

由图6（b）可知：主楼最终沉降平均如图6（b）所示，

值为65mm，最大沉降量为85mm，大于设计要求的

80mm限值；主楼筏板整体挠度为0.045%，主楼与裙房相邻柱的差异沉降小于主楼与裙房相邻柱跨度的0.1%。4

两个沉降后浇带设置方案比选

本工程沉降后浇带设置方案的比选原则为：首

［1］

规范要求：带裙房先要满足桩筏基础沉降要求，

注：图中数值为筏板的厚度。

图3两个沉降后浇带设置方案的桩筏基础平面布置

图4s曲线试验桩Q-图5桩筏有限元计算模型

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建筑结构2014

年

1500mm，设计均满足规范要求。

后浇带封闭前的沉降后浇带设置方案1的基础沉降等值线见图7，根据经验，后浇带封闭前，主楼荷载的施加比例按60%～70%取值，本次按主楼荷载完成总荷载的70%计算。由图7可知，主楼沉降平均值为42mm，最大沉降量为52mm，主楼筏板整体挠度为0.024%，主楼与裙房最大差异沉降为0.057%。

除地基变形验算外，规范还要求对基础内力进行验算，且需要通过基础底板反力评价结构受力，进而采取有效措施防止产生有不利影响的差异沉降。经验算得出，基础底板弯矩在－18000～8000kN·m/m，主楼区域除核心筒边缘弯矩较大外，其余·m/m，区域的弯矩都在－4000～－2000kN满足结构工程师所提要求。

后浇带方案1桩筏基底反力如图8所示，由图8可见，桩筏基础的基底反力比较均匀，大部分反力

2

在－200～0kN/m之间，从而证实了裙房筏板厚度

［1］

图6两个后浇带设置方案的桩筏基础沉降等值线图/mm

的逐渐变化可以避免因不设沉降后浇带而引起与主楼相邻裙房基础下相对较大的地基反力。与高层建筑相邻的裙房基础板厚度突然减小过多时，有可能出现基础板的截面因承载力不够而发生破坏或其因

［1］

变形过大而出现裂缝。

的高层建筑下的整体筏形基础，其主楼下筏板的整体挠度值不宜大于0.05%，主楼与相邻裙房柱的差异沉降不应大于其跨度的0.1%；其次，需要考虑施工的便捷性和工程的经济性。

根据第3.3节沉降分析结果可知：1）沉降后浇带设置方案1的主楼最大沉降量、主楼与裙房的差异沉降、主楼筏板整体挠度均满足规范及设计要求，而沉降后浇带设置方案2的主楼最大沉降稍大于设计要求；2）规范

要求：施工期间高层建筑与相连的裙房之间如需设置沉降后浇带，应自基础至

［5］

［1］

裙房屋顶每层设置。沉降后浇带的浇灌时间需通过

［5］

沉降分析或沉降观测确定。后浇带设置方案2较后浇带设置方案1的后浇带设置范围较大，而沉降后浇带分布范围越大，浇筑越晚，对施工进度以及工程造价影响就越大。综上所述，选择较为合理的沉降后浇带设置方案1。

后浇带方案1主楼与裙房部分相连处未设沉降

［1］

后浇带，根据规范要求：当高层建筑与相连的裙房之间不设沉降缝和后浇带时，高层建筑及与其紧邻一跨裙房的筏板应采用相同厚度，裙房筏板的厚度宜从第二跨裙房开始逐渐变化，应同时满足主、裙楼基础整体性和基础板的变形要求。沉降后浇带设置方案1中主楼与裙房部分相连处未设置沉降后浇带，主楼框架区域和与其紧邻的第一跨裙房区域采用2600mm厚筏板，裙房筏板从第二跨开始变为

图8

2

基底反力/（kN/m）

图7沉降后浇带方案1基础沉降等值线

（后浇带封闭前）

/mm

（下转第73页）

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第44卷第20期高巍，等．

南京南站主站房钢斗拱节点数值分析

试验加载极值、理论分析极值结果汇总

试件种类轴压试件偏压试件压剪试件

73

表3

试验加载理论分析标准荷载组合1）与2）的较小者

构件内力值极值1）/kN极值2）/kN构件内力/kN338036101350

40503590940

67059075

5.06.112.5

有马上达到峰值且后续表现良好，而当节点承载力

达到峰值后，相应的荷载-位移曲线也未迅速下降，节点整体上表现出非常好的延性和受力性能。6结语南京南站主站房钢斗拱节点结构冗余度高，传力路径通畅有效。节点对钢板初始几何缺陷不敏感，设计时可不考虑初始缺陷对承载能力的影响。当局部构件进入塑性后节点内力重分布能力强，具有很好的延性和足够的承载力安全储备，能够实现无地震作用组合（含可能的大偏心受力状态）

和罕遇地震作用组合、施工极端受荷情况下的性能设计目标。

参

考

文

献

［1］中铁第四勘察设计院，北京市建筑设计研究院．南京

Ｒ］．2011．南站房工程超限审查报告［

［2］清华大学土木工程系，北京市建筑设计研究院．南京

．南站钢斗拱节点模型试验和数值分析报告［Ｒ］2011．

图14各试件试验结果与理论分析结果对比曲线

表3为各试件试验加载极值、理论分析极值及

标准荷载组合下构件实际内力值。笔者认为，理论分析的结果可以作为斗拱节点的设计依据，并且是安全可靠的，无论是试验结果还是理论分析结果，最终的承载极值均达到了构件实际内力（标准荷载组合）的4.9倍以上，而压剪加载模型的最大剪力值则达到大震水平剪力标准值的14倍以上。另外，由于结构冗余度高，构件发生局部破坏后，承载力并没（上接第122页）

的筏板厚度及筏板不同厚度的范围，可使整体筏板

区域内的地基反力比较均匀，避免了与高层建筑紧邻的裙房基础下的地基反力相对较大的问题。

参

考

文

献

［1］GB50007—2011建筑地基基础设计规范［S］．北京：中

2012．国建筑工业出版社，

［2］AHMADABDELＲAZAQ．哈利法塔结构性能和响应的

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（5）：85-97．

［3］王媛，孙宏伟．北京Z15地块超高层建筑桩筏基础的

J］．建筑结构，2013，43（17）：134-139．数值分析［

［4］史立社．浅析主楼与裙房的基础联合设计［J］．陕西建

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［5］DBJ11-501—2009北京地区建筑地基基础勘察设计规S］．北京：中国计划出版社，2009．范［

［6］BＲINKGＲEVＲBJ，SWOLFSWM．ManualofPLAXIS

3Dfoundation［M］．2nded．Delft：PLAXISbv，2007．［7］方云飞，孙宏伟，杨洁，等．北京银河搜候（SOHO）中

．建筑结构，2013，43心地基与基础设计分析［J］

（17）：140-143．

［8］王媛，孙宏伟，方云飞．数值软件在地基基础沉降变形

．建筑结构，2013，43（22）：计算中的应用与实例［J］

86-90．

［9］孙宏伟．厚层黏性土地基上的高层建筑基础沉降不同

．建筑结构，2006，36计算方法与实测对比分析［J］

（S1）：21-23．

图9桩顶反力等值线图/kN

本文同时进行了后浇带设置方案1的抗压桩桩顶反力的计算，其等值线图如图9所示。由图9可

抗压桩桩顶反力平均值为8056kN。根据试验知，

桩载荷试验结果（图4），抗压桩设计满足单桩承载力要求。5结语依据岩土勘察报告、试验桩报告及桩筏基础设计方案，应用PLAXIS3D数值分析软件对厚层黏性土地基上的高层建筑桩筏基础进行数值分析，并根据工程经验进行综合判断得出本工程最优沉降后浇带设置方案。分析结果表明，通过调整主楼与裙房

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