办公大楼成本节约补偿基础设计外文翻译资料

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办公大楼成本节约补偿基础设计

摘要：岩土工程师报告说，在基础深处的建筑物的基础设计中，基础施工的土壤重量可以从基础负荷中扣除。对于二层地下室的二十二层办公大楼实现了大量节约，桩基设计利用了这一补偿基础理念。随后对所选柱结构的现场监测显示，建筑物的总和差异沉降，角度变形和挠度比都在允许的范围内。介绍了补偿基础设计的详细信息。DOI: 10.1061/(ASCE)AE.1943-5568.0000210.(C)2016American Society of Civil Engineers.

介绍：

在设计筏板时，许多工程师知道从地下室施工中除去的土壤重量可以从建筑物的基础荷载中扣除，这是工程师在很久以前就认可的，他们把这个理论转化为了不使用桩就可以在软土地面上设计和建造重型结构的伟大成果（TerzaghiandPeck1948）。Zeevaert（1957）报道了位于墨西哥城的阿兹特卡大厦使用补偿摩擦桩基础的案例，其中地下室的总装载量通过建设6米深的地下室，由120kN/m²减少到了32.5KN/m²。净负荷由83个摩擦堆承载，低于街道水平面30米。

根据Tomlinson（1990）的说法，“建造一个地下室有利于减少建筑物施加在土壤上的荷载。...建筑物的总负荷由于压力的减轻而减少。因此可以完全缓解土壤上的净负荷。”去除地下室施工的上覆土，意味着粘土的固结，从而固化沉降，大大降低甚至消除沉降。从现有文献中可以看出，尽管以前有这方面的理论，但过去几十年发展的大部分深层地下建筑物都没有利用这一概念来实现更经济的基础设计，本文的目的是总结在深基础的二十二层办公大楼的基础设计中成功实施补偿基础理念的经验。

二级地下室总建筑面积31191m²，办公楼采用钻孔桩，地下室外墙为砌体结构，一些外柱由作为夹心的隔膜壁支撑。在基础设计中，为了建造地下室而挖除的土壤重量的一半已经从桩基荷载中扣除。这个计算是保守的，因为在理论上，去除土壤的总重量可以被打折扣。即使这样，这种建筑物设计的桩基也更为经济。实现了无孔桩基础和桩帽设计的大量节约。由于需要较少的钻孔，基础施工期也缩短了，使办公楼能够尽快完成和租赁。该办公大楼的预计总共节省了150万美元，这归因于基础设计。随后的每月现场监测所选办公楼墙的计算结果表明，在24个月的总施工期内，建筑物过去19个月的总和差异定居点，角度变形和挠度比均符合要求，结果令人满意，这表明该地下室办公楼采取补偿基础设计的成本节约理念已经成功实施。

建筑和地面条件

办公楼的场地面积约为1,450m²，钻孔位置如图1所示。简而言之，两层地下室和第四，五层楼被用作停车库，第一至第三层用于购物。剩下的楼层是办公室。建筑物基本采用剪力墙和框架结构。电梯井和楼梯墙采用剪力墙。办公大楼设计的风速假设为30米/秒。因为没有具有参考意义的地震活动的报道，所以不必计算这个办公楼的地震荷载。

土壤剖面如图2所示，整个场地的土壤条件相当均匀。顶部1.4-1.9m是杂填土的，接下来的3.3-4.2m是可塑性由中到高的软粘土。填补不是最近的，因为重建前占用现场的工厂已经存在了多年。接下来的4.4-6.9m是非常松散的粘土砂，随后是22.5-29.6m的松散的中密度粉砂。下一层是厚度为13.7-14.3米的硬粘土。剩余的土层深达60m，持力层是非常致密的粉砂。钻孔3在55.3m处终止，位于致密粘土砂层内。观察到地下水位比现有水平地面低约1米。每个井眼各种深度的标准贯入试验（SPT）的结果总结在图2中。基数为10m深。该级别的SPT值在1到3之间，需要一个钻孔灌注桩基础来控制办公楼的沉降。每个土层的设计参数如表1所示。

测量深度达12米的三种土壤样品的pH值，氯化物含量和硫酸盐浓度。pH值范围为5.5〜6.4，呈酸性。氯化物含量可忽略不计，总硫酸盐浓度范围为0.0132〜0.0444％。根据BS8110（British Standards Institution 1997）和BS8004（British Standards Institution，1986），总硫酸盐浓度较低。混凝土的立方体强度为35N/mm²，用普通波特兰水泥制成，可用于地下室，钻孔桩和隔墙。

地下室和基础设计

地下二层结构体系由梁和板组成。梁的尺寸由350times;1000mm到800times;1000mm（宽度times;高度）不等。板的厚度通常为400mm。钻孔桩和隔墙的布置如图3所示。14个外部柱是由800毫米厚的地下连续墙作为发夹支撑。使用的钻孔桩直径大多为1200mm，剩余桩直径为600或900mm。总共只有4个外部支柱，直径为600或900mm的桩。本研究仅针对1200毫米直径的桩，因为600毫米的桩和900毫米的桩位于地下室外面。这四列的基础载荷是它们各自的柱载荷，而不排除与地下室开挖有关的去除土壤重量的荷载。他们桩群的承载能力能力超过了他们各自的基础负荷总和。

钻孔的总桩数为73（1,200毫米），2（900毫米）和2（600毫米）。桩间距为桩直径的2.5倍。在随后的钻孔桩施工中，进行了八次跨孔声波测井试验，以检查人工挖孔桩的质量。因为这些桩的缩颈必须构造直径为1,200毫米的三个补偿桩（图3）。1,200mm,900mm和600mm直径钻孔桩的实际桩插入深度分别为57m,49m和43 m。防渗墙的渗透深度34m。对于部分地下连续墙作为发夹，穿透深度为57米。1,200mm,900mm和600mm直径钻孔桩的工作荷载分别为6,750KN,3,800KN和1,690kN。

对于具有地下室的建筑物，可以从桩基荷载中折去用于地下室施工的土壤的重量，如前所述。换句话说，对于每个列，要设计的每列的基础荷载通过从办公楼的列载荷中减去该列的附属区域中的地下室构造去除的土壤的重量来获得。虽然这个概念已经由岩土工程师先前提出，并已被用于设计地下室的建筑物的筏板和桩筏基础设计（Terzaghi和Peck 1948; Zeevaert 1957; Tomlinson 1990），但据报道在过去几十年中除了Zeevaert（1957）之外，没有一个建筑物的地下室桩基以这种方式设计。因此，在这个办公大楼的桩基设计中，偏于保守的只折掉一半土壤的重量，理论上，整个地下室施工的土壤重量都可以被去掉。

77号桩的总工作承载能力（不包括砂砾和3个补偿桩）为503,730 kN。整个建筑物的总柱载荷为490,590KN。去除地下室施工的一半土壤重量为76,340kN。因此，整座建筑总设计基础负荷为414,250 kN。基础荷载减少约16％。去除地下室施工的土壤重量为152,680kN。如果对所有拆除的重量都进行折减，整个建筑的设计基础总承载力为337,910 kN，基础荷载减少约为31％。

如果将地下室施工所移除的土壤的总重量全部进行折减，则将产生更经济的桩基设计。得到的桩基础设计如图3所示。该图表明对挖掘重量进行了50％的折减。表2总结了柱和墙的桩基础和桩群的基础荷载和承载能力。很显然，与修改后的基础荷载相比，所有立柱和墙体的桩基承载能力都足够。详细的成本分析如下。如表2所示，不减少基础荷载，直径为1200毫米的桩则需要82根而不是73根，地下连续墙的厚度也要从800毫米增加到1000毫米。估计节省的成本将为150万美元，即节省了70万美元的桩费，70万美元的地下连续墙费和10万美元的承台费。如果土壤的所有重量都被折减，那么就没必要设置82根桩，只需要64根直径为1200毫米的桩和800mm厚的地下连续墙就足够了。估计节省的成本为220万美元，即节省了140万美元的桩费，70万美元的地下连续墙费和10万美元的承台费。有必要校核1,200毫米直径钻孔桩的极限荷载试验结果，以确定桩穿透度为57米可达到的安全系数。

终极负载测试

在开始施工工作桩和地下连续墙之前进行了极限载荷试验。试验桩的极限载荷试验位置如图1所示。极限载荷试验的荷载 - 沉降曲线如图4所示。试桩长度为54m，桩直径为1200mm。负载沉降时间图和沉降（恒定负载）时间曲线如图5所示。简言之，第一次加载6,750 KN时，最大沉降为5.8 mm。卸载后，残余沉降为1.8 mm，回缩率约为70％。第二次加载，最大13500KN，最大沉降为18.1mm。24小时后，沉降以0.09mm/h的速度增加到20.3mm。剩余沉降7.9毫米，恢复61％。在第三次加载中，一旦载荷达到16300 kN，桩的沉降就迅速增加。最终，压力计停在600巴，这相当于17,300KN的负荷。记录的最大沉降量为69.6mm。卸载后，残留沉降52 mm。因此，1200mm直径的钻孔桩的极限载荷为17,300kN。工作负荷为6,750 kN，安全系数仅为2.56，小于规范规定的安全系数3。

大量残留沉降表明可能发生软趾问题。软趾问题由Delta;/P与Delta;的中断曲线确定，其中Delta;是桩沉降，P是极限载荷试验结果的轴向载荷。根据Chin（1970），不同梯度的两条直线的Delta;/P对Delta;的曲线表明桩的端部轴承已被动员。两条直线交点处的P值是端轴承开始动员时的载荷。图6表明极限载荷试验桩的端部轴承未动员。由于高水位及新建层的致密砂层，尽管承包商和现场监理人员采取预防措施，仍然发生了软趾问题。这意味着其他工作桩也是非常可能发生软趾问题的。因此，为了避免软趾现象大量的出现，应谨慎地忽略桩的承载力。

尽管一般认为安全系数为2.56，桩穿透深度从54米增加到57米。更深的桩穿深度旨在提高安全系数，并应对地面条件下可能出现的情况。

如图1所示，极限载荷试验桩位于Borehole 3附近。通过使用Meyerhof（1976）提出的经验方程，1200 mm直径桩的轴摩擦力估计为5,619kN。计算承载力比从负载试验得到的承载力小68％。这并不奇怪，因为经验方程倾向于低估岩土的摩擦能力（Loh等，2013）。基于Meyerhof（1976）提出的经验方程，当桩穿透度增加到57 m时，1200 mm直径桩的承载能力增加了178 kN。假设Meyerhof的经验方程式将承载能力低估了68％，这一增长被上调至556KN。因此，57m深直径为1200毫米钻孔桩的极限荷载为17,856KN。

从表2可以看出，支撑柱S11和S12的桩组的总工作承载能力与设计的基础荷载之间的差值最小。3桩组经折扣土壤重量的一半后的基础载荷为1975吨。单根1200毫米桩的最终工作载荷为6458.3KN。因此，最低安全系数最终为2.76。

如表2所示，修改后的补偿基础设计完全打破了去除土壤的重量。从表2可以看出，在支撑柱S5，S6，S7和S8以及Wall W1和设计基础之间的12个桩组的总工作承载能力之间的差异最小。经修改后的基础载荷，完全除去土壤重量后，12桩组为7,840吨。单根1200毫米桩的工作负荷为6,409.2KN。因此，最低安全系数最终为2.79，小于规范要求的安全系数3。

桩基S11和S12去除土壤全部重量后的荷载为1697吨。单根1200mm桩的最终工作荷载为5549.2KN。因此，达到的最低安全系数为3.22，符合规范要求的安全系数。

月沉降监测

在地下室和上层建筑的24个月施工期的最后十几个月内，每月对地下二层选定的柱子进行定点监测。施工期各层楼施工荷载均大于办公楼被占用时的活荷载。测量的柱沉降如图1所示。表3给出了每个1200毫米直径的桩在扣除地下室土壤重量后的最大沉降和工作荷载。一般来说，沉降量约为3-8mm，与建筑物的最大沉降差为5 mm。柱S1和S3沉降为3毫米，而位于建筑物相对侧的柱S12和S10和墙W1分别沉降7、8和7毫米。很显然，建筑物已经倾斜。

在完全扣除地下室结构的土壤重量后，作用在每个1200mm直径钻孔桩上的估计工作载荷在4074-5549KN的范围内（表3）。如图4所示，直径1200mm的钻孔桩沉降为2-3.5mm。因此，使用Chow等人的图表（1990），对于四桩组，间距为直径的2.5倍，桩组的沉降估计为4-7mm。计算出的三桩和四桩群落结构沉降量接近四桩组的测量沉降量。

对于经修订的补偿基础设计（见表2），柱和墙的估计最大沉降值列于表3。估计的最大沉降量是根据在完全扣除地下室施工土壤重量（表3中给出）之后，对作用在每一根1200mm直径钻孔桩的估计工作载荷进行计算得到的。每根桩的估计最大沉降量如图7所示。

表4中提供了Terzaghi和Peck（1948），Skempton和MacDonald（1956），Meyerhof（1956），Polshin和Tokar（1957），Bjerrum（1963），Wilun和Starzewski（1972），Burland和Wroth（1975），ORourke（1976）和Wahls（1981）等人推荐的总和差异沉降量，角度变形和挠度比的极限值。转角变形为delta;/l，其中delta;表示相邻桩的沉降差，l表示建筑物的相应长度。偏转比为Delta;/l，其中Delta;表示建筑物一面的最大沉降差，l表示建筑物的相应长度。

一方面，Terzaghi（1956）认为，Skempton和MacDonald（1956）关于转角变形和最大沉降的结论太片面了，不能以现有的形式被接受。Peck等人（1956年）也认为“他们的一些结论......看起来太片面了，特别是一些被认为是建筑破坏的破裂，这意味着工程设计不尽如人意。它可能实际上代表了一个特别问题最合适和最经济的解决方案。”另一方面，格兰特等人（1974）报告说，根据他们原来的调查Skempton和MacDonald（1956）提出的最大沉降差与建筑物损坏之间的关系被认为对于所描述的更大数量和多种建筑物是合理有效的。

类似地，Meyerhof（1956）推荐的转角变形的极限值是基于Skempton和MacDon

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