(结构工程专业论文)桩筏基础基底土反力模型及筏板设计研究.pdf
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1、摘要摘要在桩筏基础设计过程中,由于难以估计地基土反力支承作用的大小,一般 假定建筑物的全部竖向荷载均由桩承担而忽略地基土的作用。这样做对于桩基 设计来说偏于保守,甚至可能是十分浪费的,同时也使筏板设计中土反力的取 值缺乏依据而存在不安全因素,甚至造成建筑物基础底(筏)板开裂而引起渗 水漏水或底板破坏的情况。为了解决桩筏基础设计中桩、筏和地基土的共同工 作性态的科学评价问题,本文从建立桩筏基础基底土反力模型的角度出发,研 究了基底土反力的变化规律、土反力对建筑物竖向荷载的分担比以及筏板内力 的计算方法.在桩筏系统研究中,多是采用Mi ndli n解求出土体的柔度矩阵,而Mi ndli n解 是基
2、于弹性半空间推导出来的,即假设地基土抗拉和抗压模量相等。桩基沉降 计算表明,基于Mi ndli n解的方法因高估了土的抗拉模量而使计算的基础沉降值 偏小,基于Boussi nesq解的等代墩基法则因低估了土的抗拉模量而使计算的基 础沉降值偏大。为使地基土在共同作用中的行为特征评价更为合理,本文应用 了半空间问题竖向荷载下地基土的拉压模量不同弹性理论解,该理论解是通过 引入Heavi si de函数,利用不能承受拉应力材料的弹性理论解并结合拉压模量相 等的经典Mi ndli n解而获得。对于地基土这样抗拉模量小于抗压模量的材料,问 题的解答介于上述无拉解答与Mi ndli n解答之间,并可采用无
3、拉解答与Mi ndli n 解答的组合来表达。利用半空间问题竖向荷载下的拉压模量不同弹性理论解得 到桩基础位移场,并将其应用于桩、筏与地基土的共同工作性态的分析中。本 文在评价单桩非线性工作性态时采用Heydi nger提出的荷载传递函数,避免了桩 土界面复杂的非线性接触模拟,同时又可以考虑沉桩和土固结引起的有效应力 变化以及桩加载过程的影响。筏板的模拟采用基于广义协调元思想的四边形厚 薄板通用单元TMQ,克服了剪切闭锁现象。基于以上理论本文建立了考虑拉压模量不同理论桩一土一筏系统非线性共 同作用的数值分析模型,并在MATLAB7.0环境下编制了大型计算程序 DMTCPRo该程序基于混合法分析
4、理论,显著地降低了内存的需求量并节约了 大量的计算时间,是实现精确性与高效性较好结合的选择,使实际工程分析成 为可能;程序可以考虑筏板和地基土间的接触脱离及地基土的塑性变形。为了 摘要将拉压模量不同理论本构模型耦合到桩一土一筏系统非线性有限元分析中,本 文利用非线性有限元计算程序MARC的接口,根据子程序HYPELA提供的输入 和输出参数,采用FORTRAN语言编制了 HYPELA子程序,实现了 MARC的 二次开发,为拉压模量不同理论在MARC中实现奠定了基础。本文研制程序DMTCPR的分析结果与国内外研究及工程实测数据相对比,计算结果吻合较好,说明了本文模型的合理性与程序编制的可靠性。本文
5、通过 算例分析,还深入研究了拉压模量比变化对基础平均沉降、差异沉降、桩土荷 载分担比、地基土反力分布、筏板内力的影响,指出桩筏基础分析时按照拉压 模量相同的Mi ndli n解直接计算,低估了基底土反力,从而不能正确地求得筏 板的内力。采用本文程序DMTCPR对软土地基区高层建筑、小高层建筑、多层建筑三 类工程实例进行了分析,得出了地基土荷载分担比范围及筏板内力变化规律,在此基础上提出了工程设计建议。对于二十层以上的高层建筑,地基土可以承 担的建筑物竖向荷载比例较小,一般小于10%,而且此时建筑物基础底板厚度 一般较大,因而在此类桩筏基础设计中通常可以忽略基底土反力的作用;对于 八层以上至十多
6、层的小高层建筑,桩筏基础地基土承担的荷载为15%左右,此 时可通过减少桩数取得明显的经济效益,另一方面因此类建筑一般采用轴线桩 布置,基础底板一般较薄,在设计中应充分考虑基底土反力的作用以确保安全 性;对于多层建筑,计算沉降量满足规范要求时,地基土承担荷载比例通常较 大,可超过25%,基础设计时既应考虑充分利用地基土反力以降低基础工程造 价,又要重视较大的基底土反力对筏板的作用,土反力的准确估算是筏板合理 设计的基础。以上结论对规范的修订具有参考价值,对工程设计具有指导意义。关键词:桩筏基础,拉压模量不同,非线性共同作用,基底土反力,地基土荷 载分担比,混合法,MARCABSTRACTABST
7、RACTlb pi le-raft foundati ons desi gn,i t i s extremely di ffi cult to esti mate the true value of soi l reacti on for supporti ng bui ldi ng,so i t i s common i n early pi led-raft foundati on desi gn that the enti re bui ldi ng verti cal loads are resi sted only by the pi les and soi l reacti on
8、i s i gnored.Thi s approach i s qui te safer for pi les*but unsafe for raft,even extravagant.Bei ng devoi d of warranty for load of raft,consequently,desi gn i n the fi eld of experi enti al lead to crack and water leakage of the basements ground floor(raft),even destroy.Soi l reacti on model i s cr
9、eated i n thi s paper for the research of i nteracti on of pi le-raft foundati on accurately.The responses of the vari ety of soi l reacti on di stri buti ng,soi l reacti on beari ng proporti on for verti cal load of bui ldi ng and i nternal force of raft are studi ed.In analyti cal methods for pi l
10、e-raft system,i t i s more tractable usi ng Mi ndli ns soluti on for soi l flexi bi li ty matri x,however Mi ndli ns soluti on i s detenni ned based on semi-i nfi ni te elasti c body,on the assumpti on that tensi le modulus and compressi ve arc equal.For calculati on of settlement of pi le foundati
11、on,the Mi ndli ns soluti on tends to yi eld a lower value,because of soi l tensi le modulus overesti mated,and equi valent pi er method based on Boussi nesqs soluti on,catch a hi gher value because of i t underesti mated.In order to help for evaluati ng properti es of soi l i n i nteracti on more pr
12、eci sely,the paper appli es elasti c theory soluti on on di fferent modulus i n tensi on and compressi on for verti cal load i nto semi-i nfi ni te elasti c body.Through quoti ng Heavi si de functi on,the soluti on of elasti ci ty theory wi th di fferent modulus i n tensi on and compressi on i s est
13、abli shed founded on the soluti on of elasti ci ty theory for the materi al i ncapable i n tensi on and Mi ndli n,soluti on for equal modulus.Whi le modulus i n tensi on i s less than modulus i n compressi on,the result i s between the two ones.Thereafter,the soluti ons for di fferent modulus i n te
14、nsi on and compressi on are computed wi th combi nati on of both.These theori es embedded i n i nteracti on of pi le-raft and soi l have been developed for pi le foundati on di splacement fi eld.The soi l behavi or of response of i ndi vi dual pi les nonli neari ty i s modeled usi ng load-transfer f
15、uncti on descri bed by Heydi nger.The method i s deri ved to si mulate the compli cated nonli near contact on consi derati on of vari ous factors,i ncludi ng effecti ve stress changes due to pi le i nstallati on,efi fecti ve stress changes due to soi l reconsoli dati onmABSTRACT and effects of pi le
16、 loadi ng.For soluti on of shear locki ng,the quadri lateral thi n-thi ck plate bendi ng element TMQ based on the concept of generali zed confi rmi ng element for raft i s used.Based on these theori es,thi s paper presents a nonli near analysi s model on pi le-soi l-raft nonli near i nteracti on and
17、 a large-scale program named DMTCPR has been worked out i n MATLAB7.0.Thi s program founded on hybri d approach i s not only of low computati on cost evi dently,but also i t economi ze a great deal of ti me.The method havi ng accuracy and effi ci ency better,can analysi s real engmeeri ng.The method
18、 provi des soluti ons for contact of both raft and soi l,and plasti c deformati on of soi l.In order that constructi on on di fferent modulus i n tensi on and compressi on i s defi ned to contri bute a pi le-soi l-raft nonli near fi ni te element analysi s,By usi ng of user i nterface subrouti nes H
19、YPELA of MARC,a nonli near fi ni te element analysi s program,HYPELA i s provi ded i n FORTRAN,based on i nput and out parameter.Elasti ci ty theory wi th di fferent modulus i n tensi on and compressi on for the soluti on of pi le-raft foundati on i s i ntroduced i nto MARC,as a new approach on rese
20、arch of MARC,accordi ngly,MARC i s further developed.Good agreement between the present DMTCPR and all over the world researches.It shows that i t i s accurate that the analyti cal result and a case engi neeri ng measurement data are compared.It i ndi cates that the model i s reasonable and the prog
21、ram i s reli able.By the analysi s of examples,the paper further studi es that the responses of foundati on average settlement,foundati on di fference settlement,load beari ng proporti on,soi l reacti on di stri buti ng and raft i nternal force wi th the rati o of tensi le modulus to compressi ve mo
22、dulus.The calculated result i ndi cates that the soi l reacti on on Mi ndli nSoluti on tends to obtai n a lower value,and i nternal force of raft are i nexact.Based on the program DMTCPR,three types of case engi neeri ng:tall bui ldi ng,medi um tall bui ldi ng and multi story bui ldi ng,has been ana
23、lysed.Range of soi l load beari ng proporti on and raft i nternal force change rule are present,and suggesti ons for engi neeri ng desi gn are achi eved.Numeri cal results i ndi cate that,for a tall bui ldi ng of more than 20 story,the load beari ng proporti on i s generally less than 10%,and raft o
24、f the bui ldi ng i s common thi cker,soi l reacti on could be i gnored;and that for a medi um tall bui ldi ng of 8 to more than 10 story i s about 15%.Its full uti li zati on i n the desi gn reduces the constructi on cost of pi le-raft foundati on and the soi l reacti on need beABSTRACTconsi dered i
25、 n raft desi gn for safety of constructi on,especi ally thi nner raft of axes pi le.For multi story bui ldi ng,settlement of foundati on bei ng i n law,soi l load beari ng proporti on i s a hi gher value,i n general,more than 25%.When i t i s appli ed fully,obvi ous economi c benefi t was achi eved
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