桩筏基础沉降计算及整体分析的研究.pdf
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1、天津大学硕士学位论文桩筏基础沉降计算及整体分析的研究姓名:徐晨申请学位级别:硕士专业;结构工程指导教师:刘杰20031201摘要桩筏基础的研究一直是岩土工程界的一个重要课题,也是土木工程设计的一 项关键技术,因此需要对桩筏基础进行深入的探讨,本文针对桩筏基础沉降计算 及整体工作性状进行了详尽的研究。在实际荷载作用下,由于桩侧部分土体会进入塑性状态,所以各桩之间的相 互影响作用会减小,同时桩与桩之间的相互作用系数也会随着荷载水平的增加而 减小,所以采用常规的弹性理论法计算的结果与实际有一定偏差。本文采用修正 相互作用系数后的弹性理论法计算群桩桩端的附加应力,在此基础上运用回归分 析的方法获得了折
2、减函数的表达式。为获取群桩中任意单桩的非线性刚度,需要求解各桩的桩顶沉降。采用实体 深基础法的思想,桩顶沉降分为桩身压缩和桩端沉降。桩身压缩按照单桩分析理 论确定,桩端沉降按照群桩应力分析模型采用分层总和法计算。在计算桩端沉降 时,需要确定桩端下卧层土体的压缩模量,本文采用常规压缩试验,高压固结实 验和原位试验相结合的压缩模量的确定方法,建立了根据原位试验和土层埋深估 算压缩模量的公式。根据上述理论和方法,桩采用c ombinl4单元模拟,筏板采用solid45模拟,建立了桩筏基础的整体分析模型。采用此模型进行了不同工作情况下的整体分 析,得出了有益的结论,使得桩筏基础的分析方法较符合实际,具
3、有工程应用前 景。关键词:桩筏基础、筏板、群桩、附加应力、折减函数ABSTRACTAs the beha vior of pile ra ft founda tion is a very importa nt problem in geotec hnic a l engineering.So in this pa per,the settlement a nd the beha vior pile ra ft founda tion wa s studied.Under the a c tua l loa d,bec a use some soil of pile side will a pp
4、ea r pla stic ity,so the pile-pile intera c tion fa c tor will dec rea se,a nd this fa c tor dec rea ses with the inc rea se of loa d a c ted on pile top,so the norma l ela stic a na lysis method overestima tes the intera c tion of pile-pile.The c oeffic ient of reduc tion for pile founda tion wa s
5、obta ined by the Regression Ana lysis with the da tum c a lc ula ted by modified ela stic a na lysis methodThe settlement of pile top in pile founda tion is obta ined for a c quiring the stiffiiess of single pile in pile founda tion.The settlement of pile top in pile founda tion c onsists of pile c
6、ompression a nd settlement of substra tum.The pile c ompression wa s%obta ined by the theory of single pile,a nd the settlement of substra tum wa s estima ted by la yer-wise method.The settlement of substra tum needs c ompressibility of substra tum.Empiric a l formula ba sed on the in-situ mea surem
7、ent(CPT a nd SPT)a nd c ompression test under high pressure a re rec ommended to estima te the c ompressibility of substra tum.The model of pile founda tion wa s developed ba sed on the a bove theory a nd method.The pile wa s simplified by c ombine 14 a nd the ra ft wa s imita ted by solid 45.Some b
8、enefic ia l c onc lusions a re obta ined by a dopting this model whic h is a na lyzed in difierent work c irc umsta nc e,a nd this model ha s the engineering a pplic a tion foreground by the c ompa rison to the pra c tic e cKey words:pile ra ft founda tion,pile founda tion,ra ft、extra stress.the c o
9、effic ient of reduc tion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:森定 签字日期:2g3年月25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、缩印或扫描等复制手段保
10、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:蕊丸签字日期:2。?年月2工日导师签名:决八二签字日期:不号A月日第一章绪论第一章绪论L 1桩筏基础的特点与应用随着建筑业的发展和技术的进步,高层建筑迅猛的发展。高层建筑的基础是 由场地工程地质条件、使用要求、结构型式、建筑物荷载及施工技术等诸多因素 决定的。由于我国地域辽阔。各种地质条件相差很大,因此对建筑物基础方案的 选择和设计提出了更高的要求。桩筏基础具有整体性好、竖向承载力高、基础沉降小、调节不均匀沉降能力 强等优点,同时可以承受风荷载或者地震荷载引起
11、的较大水平力,抗倾覆能力强,一直以来桩筏基础是软土地区高层建筑的一种主要基础形式。在过去几十年中,我国桩筏基础的研究取得了较大成就,在设计方法和理论研究上都达到了较高水 平,形成了自成一体的设计规范和施工体系,并在实际工程中得到了较好的贯彻 执行。但是随着经济的发展,城市用地的紧缺,高层建筑建造越来越高,体型越 来越复杂,功能要求多样,许多建筑物建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,从而给分析及设计提出了许多新的要求,总结起来 有以下几个方面“阑: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“与此同 时,风荷载和地震荷载
12、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受较大的竖向和水平向荷载,以确保建筑物在风荷载和地震 荷载作用下具有足够的稳定性。2、高层建筑大底盘桩筏基础分析由于大底盘基础上高层建筑主楼和裙楼的高度相差很大,因此荷载的差异也 很大。各种建造在深厚软弱地基上的建筑物,由于基础的沉降大,主楼和裙楼不 均匀沉降成为设计需要考虑的一个重要问题。3、异形基础的计算随着我国现代化建设的发展,桩筏基础平面形式趋于复杂。同时也给桩筏基 础设计带来了更大困难。因此,异形桩筏基础的沉降、不均匀沉降、桩顶反力、筏板的内力分析是有待解决的问题4、桩一厚筏的分析第一章绪论桩筏基础底板设计计算,一
13、贯遵循的是薄板理论。随着建筑层数的不断增加,底板也不断变厚,采用薄板理论分析会带来较大误差,不能满足工程安全和经济 的需要。因此采用厚板理论分析显得尤为必要,研究厚板的工作性状、应力和应 变等,为设计提供准确数据。5、变厚度桩筏基础分析变厚度的桩筏基础在实际工程中应用相当广泛。高层建筑中,上部结构的荷 载和结构体系往往差异较大,对基础的刚度和沉降的要求不同,为了节约造价,往往裙楼的筏板比较薄,主楼的筏板比较厚,形成变厚度的筏板。如果按薄板理 论分析,由于理论所限,不能正确反映筏板的实际变厚度情况,往往得不到正确 的结果。6、地基摩擦力和桩的水平承载力在风荷载或者地震作用下,桩筏基础承担了很大的
14、水平向荷载。既使没有风 荷载或者地震荷载的作用,地基的摩擦力和桩的水平承载力对筏板的内力还是会 产生一定的影响。摩擦力和桩的水平反力对筏板的中性轴产生弯矩总是和筏板的 整体弯矩方向相反,降低了基础的内力和变形。这种影响有多大?在筏板的设计 时是否可以考虑这些因素的影响以降低工程造价?这些问题都值得研究。1.2 班筏基础研究现状1.2.1 桩土相互作用的研究桩筏基础是一个涉及众多因素的复杂的系统,其传力机制,是通过桩一土接 触应力及筏一土接触应力将上部结构的荷载传入地基中。对于桩筏基础这样一个 复杂的系统,仅仅依靠完全解析的方法不足以处理桩、筏、土各方面的因素及其 各部分间的相互作用,也难以说明
15、基础性能的非线性特征等,因此,必须借助于 数值方法或半数值半解析的方法等近似方法进行计算和分析。其中,筏板的分析 方法比较单一,而群桩与土的相互作用方法则要复杂得多,各种桩筏基础分析方 法的主要区别,主要体现在群桩与土的相互作用分析方法方面。群桩的受力变形特征要求考虑桩一土一桩的相互作用,影响因素甚多,如土 的特性、桩间距、桩长、桩的布置、筏板及上部结构的刚度等。要寻求某一种方 法将这一系列因素都考虑进去是困难的,也正因为如此,目前关于群桩受力变形 2第一章结论特征的研究仍是方兴未艾,分析方法也较多。群桩分析的理论很大程度上取决于 单桩的受力性状,许多学者对单桩的受力机理进行了研究,并提出许多
16、预估的方 法。其中,荷载传递法是Seed&Reese于1955年根据试验结果提出的理论分析 方法,因此在单桩分析中受到广泛重视,但它没有考虑土的连续性,故不能直接 应用于群桩的分析。目前,几种流行的群桩分析方法主要有:弹性理论法、剪切 位移法、有限单元法等。弹性理论法弹性理论法是由Poulos提出的桩与地基土相互作用的分析方法,在群桩分 析方法中占有重要地位。弹性理论法的重要假设是:桩被插入一个理想均质、各 向同性的弹性半空间内,其弹性模量和泊松比不因桩的存在而变化,桩的周边粗 糙而桩底平滑。这一方法的出发点是利用Mindlin公式,积分求得桩身离散后各 点的竖向位移影响系数,由位移的协调条件
17、建立单桩的差分方程,再利用叠加原 理,并引入桩与桩的“相互影响系数”,建立群桩与土的分析模式。该方程用单 一的模量参数来反映分层的、非线性的士的压缩特性,在工程应用中受到较大的 限制,因此,后来这种方法被推广应用于有限深土层,桩土存在滑移的情况以及 通过将弹性模量按土层厚度加权平均的方法推广到层状非均质土的情况。在桩身 范围内土的模量变化不大的情况下,由弹性理论法可获得在实用上满足要求的解 答,但是其竖向位移影响系数的计算较为费时,而且两个重要指标一弹性模量和 泊松比的正确选择还是有待进一步探讨。剪切位移法剪切位移模式是由Cook”等人于1974年首次提出,此后经过Ra ndolph&Wrot
18、h.Cooke等人的不断发展,形成剪切位移法,并应用于群桩分析。宰金琅 等提出桩周土非线性分析的广义剪切位移法,是对该方法的重要发展。剪切位 移法的基本假定是将桩身变形和桩端变形分别计算:对于桩身部分,由于桩顶荷 载作用使桩周土体发生剪切变形,而剪应力又通过桩周土连续环形向四周传播,形成轴对称的锥形桩周土沉降,由此可得到桩周土位移的解析表达式;而桩端部 分,则按一般的弹性理论法方法计算其变形;在桩端处考虑两部分的变形协调条 件,建立单桩的微分方程,然后利用叠加原理和桩周土体的位移解析式,建立群 桩与土相互作用分析模式。剪切位移法的优点(与弹性理论法相比)是在竖向引 第一章绪论进一个变换矩阵,可
19、方便地考虑层状地基土的情况,对于均质土,它不需对桩进 行离散,大大减少计算工作量;在群桩计算中,该方法不依赖于许多参数,便于 数值计算。不足之处是在桩土滑移和桩与桩相互影响的非线性特征方面,尚须进 一步研究。有限单元法有限单元法是一种强有力的数值方法,已经应用于包括桩基、筏基在内的各 种建筑物的设计计算中。Otta va ni较早地进行了三维群桩的有限元分析,其他 学者,如Ba neijee闻等也分别做了群桩的有限元分析。从原则上说,有限单元法 在计算中能同时考虑影响桩性能的许多因素,如土的非均匀性和各项异性、非线 性、土体的固结等,而且可以模拟桩的整个受荷历史过程。然而,由于群桩分析 涉及因
20、素多,比较复杂等原因,它在群桩分析中的应用甚少。但是,应用有限单 元法分析群桩与土的相互作用机理,并以它作为原则指导实际工程以及探索和校 核工程的实用简化计算方法,有着十分重要的意义。1.2.2 群桩沉降的计算方法四蚓桩筏基础沉降的分析方法,可以分为三类:第一类是经验公式叫一般是根 据基础宽度和桩长来预估沉降;第二类是半经验的等代实体墩基法口$地,根据 假设条件的不同可以分为各种方法,其中国家的桩基础规范和上海的地基基础规 范都是采用该方法;第三类是根据桩筏基础的各种整体分析方法来预估群桩的沉 降,比如有限元瓜闾、弹性方法和边界元法等等。如果积累了足够的地区经验,那么可以建立经验性的估算沉降方
21、法,即桩伐 基础沉降计算的第一类方法。董建国和赵锡宏等分析了上海地区沉降资料认为,施工过程中和竣工时桩基沉降可以按照0.51.0顺/层考虑,根据桩长的不同还 可以建立如下统计关系:Z 5060M Se=0.0012Z 3050卬 Sc=0.0035 久一3Z 2030卬 Sc=0.0044其中Z为桩长,以皿计;久为基础等效宽度,以厘米计。但是我们可以看 4第一章绪论出,这类方法存在很大的主观性,没有考虑地基多样性的特征,并过分依赖地区 经验,所以在准确性方面还值得商榷。第二类方法是基于以下假定建立起来的:等代地基范围内桩间土不产生压缩 变形,如同实体墩基一样工作。为了考虑桩间土的压缩,刘金砺认
22、为可以根据 桩距和桩端持力层的性质将等代墩基底面取在桩端以上一定高度,一般离桩端 4/3,为桩入土长度。由于应力扩散作用,等代墩基底面的附加应力小于 基底平均应力,严格意义上讲墩基底面的附加应力应该按照Mindlin解确定。Mindlin解计算附加应力十分复杂,因此实际应用时往往将基底的附加应力原封 不动地作用在墩基底面,再按照Boussinesq解计算墩基底面以下的附加应力分 布,最后对计算沉降进行修正。上海地基基础设计规范(DBJ08-11-89)和建 筑桩基技术规范(JGJ94-94)等都采用该方法计算桩基沉降。其中上海规范在 桩基沉降计算时用沉降经验系数修正,这个沉降经验修正系数是沉降
23、计算经验系 数,预估沉降仍与实测沉降有一定的差距,特别是对于超长桩的沉降计算适应很 差。国家规范则是用等效作用系数进行修正。当然,等代墩基法中也有直接对墩 底面积进行修正的认为承台底面应力从桩顶开始,和桩身呈a的扩散角向下 扩散。扩散角随土质不同而变化,一般在07、之间。等代墩基法计算简单,但是存在的最大问题就是高估墩基底面的应力,这样造成了压缩层深度增加以及 土层压缩模量取值偏大的不足。虽然用沉降修正系数或者等效作用系数进行修 正,但是计算结果仍然不尽如人意,实际工程中经常发现按照规范方法计算的沉 降较实测值远远偏大为此,董建国和赵锡宏提出了根据桩筏基础受力机理和外 荷载的大小,采用不同的沉
24、降计算模式,称之为简易理论法。当外荷载尸小于等 于群桩外侧总抗剪力7时,桩和土共同形成复合地基。桩长范围内的土体压缩量 以桩本身的压缩量代替,桩基沉降由桩身压缩和桩端以下土体的压缩量组成。压 缩层深度取为桩端下一倍的承台宽度。当外荷载夕大于群桩外侧总抗剪力7时,群桩长度范围内的桩间土和桩围土的整体性受到破坏,采用等代实体深基础计算 模式。桩基沉降由桩端下土的整体压缩组成,桩端平面为实体基础底面,附加应 力取为外荷载和桩间土在内的群桩实体的重量之和减去总抗剪力在桩端平面产 生的应力。应力随深度分布仍按照Boussinesq解定,常规设计,当桩长大于50勿 时,一般总是总抗剪力远远大于外荷载,采用
25、第一种模式计算,可以看出,采用 5第一章绪论第一种模式计算时,存在如下两个问题;(一)桩端平面上的附加应力偏低;(二)压缩层深度偏大。桩群的存在使应力产生集中,如果此时忽略桩的存在,那么计 算到桩端平面的附加应力比实际情况小。当桩较长时,自重应力很大,而附加应 力相对较小,此时压缩层深度取为一倍的承台宽,显然偏大。如果采用第二种模 式计算,在其它参数一定的情况下,总抗剪力的确定是关键。简易计算理论用土 的直剪试验强度指标计算群桩外侧的抗剪力,存在较大误差。杨敏等从弹性理 论出发,并考虑桩筏基础的实测结果推导了半经验半理论的沉降计算方法,但是 计算参数包括弹性模量、泊松比、沉降修正系数、沉桩影响
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- 基础 沉降 计算 整体 分析 研究
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