基于Mindlin应力解下桩筏基础应力分析与沉降计算.pdf
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1、天津大学_硕士学位论文_基于Mindl in应力解下桩筏基础应力分析与沉降计算 姓名:刘振华_申请学位级别:硕士_ 专业:防灾减灾工程与防护工_指导教师:熊春宝20070101摘要.目前,桩筏基础在工程中的应用已经比较普遍了,而桩筏基础的受力状态十 分复杂,至今还没有准确的描述来考虑不同情况下地基的反应。要准确分析基础 以下地基的附加应力和沉降的反应,就要全面考虑上部结构、筏板与地基土的相 互作用。本文在地基附加应力和沉降分析时,建立了桩筏基础的整体分析模型,基桩 对基础板的作用被等效为一个点弹簧,通过单桩的沉降确定群桩中单桩的刚度,用四结点四边形等参单元对筏板进行分析,并用逐次逼近、逐次迭代
2、的方法求解 附加应力和基础沉降,避免了对刚度的非理性调整。对刚度调整时,不但考虑了 基础的作用,还考虑了上部结构刚度的作用.作者在考虑筏板和上部结构刚度(主要是剪力墙)对群桩沉降作用的情况下,编制了上部结构以及筏板作用下的群桩应力和沉降计算软件。该软件有方便直观 的操作界面,便于读者使用.在计算时,利用Mindlin应力解的积分结果来计算 群桩基础的沉降。计算结果可以得出群桩基础等沉降和等附加应力分布图以及各 点的沉降值和竖向附加应力值,还可以绘制平面某点处竖向附加应力随深度变化 的曲线图。运用编制的群桩基础计算软件计算分析了竖向荷载作用下筏板下群桩 的附加应力和沉降反应,分析了 Mindli
3、n应力解下不同影响因素的变化对群桩基 础的影响。同时对不考虑筏板作用和考虑筏板作用下的群桩基础的附加应力和沉 降进行了对比分析。最后,通过一个具体实际工程,运用编制的软件分析,得出了群桩沉降的结 果,并将本文的计算方法与规范法和其他的桩筏基础分析方法进行了比较,从而 使读者对几种沉降计算方法,尤其是Mindlin法,有一个更加深刻地认识和把握,同时说明了 Mindlin应力解运用于基础沉降分析更加符合桩基沉降的实际情况,具有广阔的应用前景。关键词:Mindlin应力解;群桩基础;桩筏基础;实体基础;沉降;附加应力;侧摩阻力ABSTRACTAt the present time,pile raf
4、t foundation has been abroad used in projects.But the state of pile raft foundation under the loads are very complex.There hasnt been the accurate description to describe the reaction of the subsoil in different case yet In order to accurately analyze the additional stress and the settlement under t
5、he foundation,we need take into account the interaction of the structure,the pile raft foundation and the subsoil.When analyzing tiie additional stress and the settlement under the foundation,the model of pile foundation is developed based on the above theory and method.The pile is simplified as a n
6、onlinear elastic spring.The raft is simulated by the 4-node degenerated element.Single stiffiiess is presented through the single piles settlement,and the load of the top of pile is computed by circulating many times,so it can avoid man-made rectification.When presenting the single stif&ess,the auth
7、or not only think over the efiect of the foundation,but also think over the effect of the structure.Under taking into account the raft and the structures effect in group foundation,the author has edited a set of software,based on this method,to calculate stresses and settlements of pile foundation.T
8、his software has visual interface.So it is very convenient to use.When calculating the additional stress and the settlement,the paper are based on Geddes assumption and the Mindlin stress solution.After calculating,the software can give the group foundations settlement contour,additional stress cxnt
9、our,the value of every points settlement and additional stress,and the change curve of additional stress as the depth increasing.Using the software,the reaction of pile raft fbimdation has been analyzed,and the main influencmg factors of Mindlin stress solution influence the settlement has been disc
10、ussed.Contrasting the settlement and the additional stress by considering the raft or not.At the end of the paper,the application of the method is introduced on a project,and compare the group fbundation,s settlement using Mindlin stress solution with the other methods which prescribed by building c
11、ode.So the reader will have a further grasp in those methods,especially in Mindlin stress solution.It is shown that,compared with others,the design method is close to the practical situation.KEY WORDS:Mindlin stress solution;group foundation;pile raft foundation;equivalent foundation;settlement;addi
12、tional stress;skin friction独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期:,夕年/月77日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复
13、制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:导师签名:签字日期:刃年I月才日签字日期:年1月终日第一章绪论第一章绪论1.1 概述桩是深入土层的柱型构件,桩与连接桩顶的承台组成深基础,简称桩基。桩 的作用是将上部结构的荷载,通过较弱地层或水传递到深部坚硬的、压缩性小的 土层或岩层.在一般房屋基础工程中,桩主要承受垂直的轴向荷载。班基通过作 用于桩尖的地层阻力和桩周土层的摩擦力来支承轴向荷载.为了能够科学地进行桩基设计和施工,必须正确了解桩基在荷载作用下的工 作性能,只有正确得认识了桩基的工作性能,
14、才能够使所建造的建筑物不仅可以 满足力学性能和变形的要求,而且可以使建筑物在沉降允许范围内达到一定的经 济效果。1.1.1 桩的荷载传递机理在轴向压力作用下,桩身将发生轴向弹性压缩,同时,桩顶荷载通过桩身传 递到桩底,桩底下土层将发生压缩,这两部分之和就是桩顶的轴向位移。但置于 土中的桩与其侧面土紧密接触,桩相对土向下位移,产生土对桩向上作用的桩侧 摩阻力。桩顶荷载沿桩身向下传递过程中,必须不断克服这种摩擦力,这样桩身 截面轴向力就随着深度逐渐减小,传至桩底截面的轴向力就等于桩顶荷载减去全 部桩侧摩阻力,它与桩底支承反力即桩端阻力的大小相等,方向相反。通过桩侧 摩阻力和桩端阻力,班将荷载传给土
15、体。因此,可以认为土对桩的支承力是由桩侧摩阻力和桩端阻力两部分组成,桩 的极限承载力就等于桩侧摩阻力极限值与桩端阻力极限值之和。但两者并不同时 发生,因为它们的发挥程度与桩土间的变形性状有关,各自达到极限值时所需要 的位移量并不相同田.1.1.2 群桩作用对桩土共同作用的影响群桩效应叫一群桩基础受竖向荷载后,由于承台、桩、土的相互作用使其 桩侧阻力、粒端阻力、沉降等性状发生变化而与单桩明显不同,承载力往往不等.于各单桩承载力之和,称其为群桩效应.群桩效应受土性、桩距、桩数、桩的长 径比、桩长与承台宽度比、成桩方法等多因素的影响而变化。第一章堵论对桩长和桩数一定的群柱,随着桩距逐渐的增大,桩群、
16、承台和地基土之间 的相互作用就会逐渐减小,群桩中各单桩的工作性状和群桩整体承载性状也会发 生明显变化。由于群桩、承台和地基土间的相互作用,导致群桩中各单桩的桩侧阻力分布 明显不同于独立单桩,其主要特征有:一是由于承台作用产生的削弱效应导致桩 顶以下桩身的一定范围内桩侧阻力减少;二是由于桩间地基土的侧限压缩导致桩 身中部桩侧阻力出现增强现象;三是由于桩群之间相互作用导致桩身下部桩侧阻 力明显下降。桩的承载能力一般以荷载试验为主要根据,试验有静力和动力两种,其中确 定桩的承载能力时又有多种方法,最后,也是采用综合分析法确定容许承载力。1.13基础-桩-土共同作用的性状文献中指出基础一桩一土共同工作
17、的性状有以下几方面;1.基础和桩对上下端阻力的加强作用这是由于群桩相互作用的旁压边载影响,群桩在竖向荷载作用下,桩的刺入 破坏引起桩尖周围土的侧向变形而受到群桩阻碍制约:另外由于群桩的遮挡作 用,它限制约束桩间土,从而提高土的强度。2.基础对桩身侧摩阻力的削弱作用带承台的单桩与无承台的单桩的竖向变形是不同的,带承台的单桩的竖向变 形明显小于无承台的单桩的竖向变形,这是桩的变形受到承台限制和桩间土受到 压缩而引起的,从而限制了桩身上部摩擦力的充分发挥。3.土的受荷过程中的滞后作用在竖向荷载作用下,基础下的桩和土受荷是非同步的,即桩间土承受荷载在 群桩之后。此外上部结构的刚度分布,以及上部结构与地
18、基基础的共同作用也是影响 桩、土性状的因素。根据有关工程实测和分析表明上部结构刚度的影响并不是无 限的,建筑物到达某一高度(层数)后影响很小,可以忽略不计.而且,通过工 程实测分析证明当基础刚度较好时,上部结构刚度对基础内力影响较为明显,但 是对于沉降分布影响较小。第一章绪论1.2班筏基础沉降理论的发展及研究现状1.2.1 桩筏基础的特点桩筏基础以其成片覆盖于建筑物地基的较大面积和完整的平面连续性为显 著特点,它不仅易于满足软弱地基承载力的要求,减少地基的附加应力和不均匀 沉降,还具有其他各类基础所不具备的良好功能,即可以跨越地下浅层小洞穴和 局部软弱层;提供地下比较宽敞的使用空间;作为水池、
19、油库等的放渗底板;增 强建筑物的整体抗震性能;能适应位于其上的工艺连续作业和设备重新布置的要 求等等。有地下室或架空地板的筏基还具有一定的补偿性效应.同时可以承受 风荷载或者地震荷载引起的巨大水平力,抗倾覆能力强,一直以来是软土地区高 层建筑的一种主要基础型式。我国桩筏基础的研究已经取得了较大成就,设计方 法和理论研究达到了较高水平,形成了自成一体的设计施工规范体系,并在实际 工程中得取了较好的贯彻执行。1.2.2 桩筏基础沉降理论的研究现状近年来,桩土承台共同作用的研究引起了工程界的高度重视,国内外许多专 家学者针对这一问题,从不同角度进行了大量的研究工作,并取得了许多有意义 的成果。高层建
20、筑桩筏基础沉降计算理论目前主要有三类:1.工程中应用较广的沉降计算方法是半经验等代实体深基础法。该方法将 桩筏基础视作设置在桩端平面或桩端平面以上某一高程处的实体深基础,然后技 浅基础的计算方法计算桩筏基础的沉降。这种方法简单、方便,但预估沉降与实 测沉降值往往有一定差距,因此有必要对计算方法进行改进,从而使沉降的计算 值与实测值更加接近.2.以Poulos法为代表的弹性理论计算法。这种方法从单桩受力机理出发考 虑群桩的相互作用。黄绍铭采用的计算方法就是这种方法,该方法由于计算参数 较多且不易确定,使用不方便,不便于在实际工程中应用,一般只用于理论分析。3.规范规定的方法。规范采用实体深基础的
21、假定来计算桩基沉降,以原位 测试确定土的性能参数.并根据统计资料,得出深度修正系数间。,对沉降进行修 正。1.2.3高层建筑与地基基础共同作用的研究现状对于大量的共同作用分析结果和工程实测结果的综合研究,使得人们对共同 作用的机理有了一定的认识。共同作用的机理可以通过上部结构、基础和地基三 第一章绪论者各自刚度对其它二者刚度的比例关系的变化造成的影响来阐述:1.基础刚度的影响在上部结构刚度与地基条件不变的情况下,基础内力随其刚度增大而增大。因为基础差异沉降的增加,必然在上部结构中引起更大的次应力,可见,从减小 基础内力出发,宜减小基础刚度;就减小上部结构次应力角度而言,宜增加基础 刚度。因此,
22、基础设计方案应视上部结构类型作综合考虑。2.上部结构刚度的影响在地基、基础和荷载条件不变的情况下,增加上部结构的刚度则会减小基础 的相对挠曲和内力,但同时会导致上部结构自身内力的增加,就是说,上部结构 对减小基础内力的贡献是以自身中产生不容忽视的次应力为代价的。上部结构刚 度的贡献也不是无限的.3.地基刚度的影响当地基变得软弱时(主要是反映在变形模量的减小),基础内力和挠曲增加;相反,当地基刚度增加至相当大的程度时,上部结构的刚度对基础内力将没有影 响,因为这时沉降和差异沉降己很小,已不需要上部结构刚度来帮助减小不均匀 沉降,相应上部结构的次应力也减小.高层建筑上部结构、桩筏基础与地基共同作用
23、分析得出的结论,对基础的设 计创造了有利的条件,可以归结为以下几条:1.在工作荷载下桩筏基础上接近于线弹性地基上的刚性基础工作性状;2.上部结构的刚度随结构层数的增加而增加,但增加的速度却逐渐减缓,达到一定层数后便趋于稳定,上部结构刚度对基础的平均沉降几乎没有影响,但 可有效地减少基础的差异沉降,同时能影响柱顶荷载和基础内力的重分布;3.地基弹性模量与平均沉降成反比,它的变化对差异沉降的影响不显著,但对基础底板弯矩和筏基分担建筑物的荷载却影响很大:4.桩对减少筏基土沉降有明显的效果;对均质土,当达到一定的L/d时,桩长对减少沉降的作用不显著;桩再加长对基础底板弯矩和筏基或箱基分担建筑 物荷载也
24、不利;5.在桩筏基础能够满足建筑物荷载条件下,如果增减10%的桩数对基础的 沉降影响不大;6.在筏底与地基土相互接触条件下,桩与筏有分担建筑物荷载的作用,例 如在桩距3-4d范围内,筏可分担30%以内的建筑物荷载;7.群桩中的桩顶荷载分布总是角桩最大,边班次之,内部桩最小,当桩距 加大,可改善桩顶的反力分布.总的来讲,当前由于高层建筑的大量涌现,给设计工作者提出了更高的技术 第一章绪论要求,许多该领域的研究者己取得了些成果;但另一方面,又缺少一套合理的、行之有效的设计理论和方法,因此,需要对建筑物进行共同作用分析,探讨其规 律,形成有建设性的规程,以基为设计和施工提供更合理的依据。1.3目前桩
25、筏基础沉降理论研究工作的不足13.1 目前研究的遇到的困难和不足随着经济的发展,城市用地的紧缺,高层建筑造得越来越高,体型越来越趋 于复杂,功能要求多样,许多建筑造在十分软弱的地基之上,与之相适应的是桩 筏基础也发生了变化,给分析设计提出了许多新的要求,很多工程上遇到的实际 问题尚待解决,总结起来有以下几点:1.桩筏基础竖向和水平向承载力分析高层建筑的重量随着层数的增加而增加,其基础竖向荷载大而集中。例如,50层的钢筋混凝土高层结构其基底总压力往往接近1000K7V/M,而柱荷载常可 到数百万牛顿。与此同时,风荷载和地震荷载作用引起的倾覆力矩成倍增长。因 此高层建筑要求其地基和基础结构必须能承
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