软土地基疏桩基础沉降计算研究

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）题目：软土地基疏桩基础沉降计算研究 学习中心： 内蒙古学习中心 学 号： 090F13133006 姓 名： 田 静 专 业： 土木工程（岩土工程）指导教师： 赵 婷 2015 年 10 月 20 日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表学生姓名： 田 静 学号： 090F13133006 专业： 土木工程（岩土工程） 毕业设计（论文）题目： 软土地基疏桩基础沉降计算研究 指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）软土地基疏桩基础沉降计算研究疏桩基础是近二十余年发展起来的地基基础形式，可以用来解决沉降难题，而其控制沉降的原理也一直是工程界非常关注的问题。论文首先探讨疏桩基础的沉降计算方法，然后对疏桩沉降计算做了分析探讨。论文选题符合土木工程专业的要求。论文内容丰富，观点基本正确，引用的资料能基本佐证作者的观点。经过认真修改，总体上达到毕业论文要求。指导教师结论： 合格 （合格、不合格）指导教师姓名赵 婷所在单位内蒙古农业大学指导时间2015.10.20中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表 学生姓名： 田 静 学号： 090F13133006 专业： 土木工程（岩土工程） 毕业设计（论文）题目： 软土地基疏桩基础沉降计算研究 评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。） 作者根据评阅意见对论文进行了详细修改，写作方式上较之前也有一定的进步。作者对这个领域的技术有了进一步的了解，从此论文的整体内容和观点上来看，基本达到了毕业要求。修改意见：（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。） 请对论文中的语句进行仔细检查，避免出现错别字和病句等。毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 65 评阅结论： 同意答辩 （同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）评阅人姓名吴文兵所在单位中国地质大学（武汉）评阅时间2015.10.25论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文软土地基疏桩基础沉降计算研究，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）： 日期： 年 月 日3摘 要 疏桩基础是近几年发展起来的一种新的地基基础形式，它是把建筑物按传统基础设计确定的桩的数量和间距(一般34倍桩径)进行精简与疏布(一般56倍桩径)的桩基础。这种桩一般是摩擦桩,它是利用疏化桩基原理提高单桩有效承载力,并发挥桩间土的承载力来补偿桩基，它由桩和桩顶的承台组成。按桩的受力情况，桩分为摩擦桩和端承桩两类。疏桩中的沉降分为单桩和群桩两种沉降。单桩受到荷载后，其沉降量由下述两部分组成:桩自身的压缩变形和桩底以下土层的压缩。目前，计算单桩沉降量的计算方法主要有分层总合法、弹性理论法、荷载传递分析法、剪切变形传递法、有限元法及其他简化算法，这些方法都是在一定的简化基础上考虑一种或几种因素对桩基沉降量的影响。而对于群桩的沉降计算；当桩都为端承桩时，由于不需要考虑群桩效应，故可将单桩的沉降作为整个桩基础的沉降；当桩都为摩擦桩时，由于要考虑桩与桩之间的相互影响、承台的影响等。其沉降计算方法有整体分析法、等代墩基法经验法。桩基沉降是一个较为复杂的问题，考虑的因素较多。按“桩基规范”推荐的方法计算，其结果将比实际沉降量大，原因在于调整计算结果的沉降计算经验系数的取值上。关键词： 疏桩基础 沉降计算 软土地基 目 录一、前 言1二、疏桩基础沉降计算2（一）单桩沉降计算方法21、剪切变形传递法22、荷载传递分析法3（二）群桩沉降计算方法41、整体分析法42、等代墩基法 (实体深基础法)5（三）计算方法评述6三、软土地基减沉复合疏桩基础设计7（一）减沉复合疏桩基础的设计原则7（二）减沉复合疏桩基础的沉降计算7四、 结论11致谢12参考文献1314中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业设计（论文）一、前 言 深厚软土地基多层建筑在天然地基承载力满足要求或相差不大的情况下，为减小沉降而采用疏布摩擦型桩，由桩和桩间土共同承担荷载（相应的承台面积减小），称此为减沉复合疏桩基础或沉降控制复合桩基,它是以沉降控制理论为主导思想的复合型桩基，处于天然地基和桩基之间的过渡状态。国内外学者对疏桩基础展开了大量研究，Burland(1995)提出了计算沉降控制复合桩基础沉降的方法；黄绍铭、裴捷在分析桩与承台共同作用的基础上，提出了按沉降量控制复合桩基设计的方法，如上海地基基础设计规范推荐的方法；现行桩基规范也提出了疏桩基础沉降计算的方法，但没明确规定软土地基桩中心距大于6倍桩径的疏桩基础的沉降计算方法。软土地区的多层单栋建筑，天然地基承载力多能满足设计要求，如果按常规桩基设计，桩数过多；此类建筑对差异控制要求不严格，仅需要对绝对沉降进行控制本文在桩基础试验基础上，并且结合理论，研究软土地基减沉控制复合疏桩基础设计方法。二、疏桩基础沉降计算 疏桩基础的承载力与沉降是桩基设计中的重要内容，沉降常常是设计中需控制的一个重要因素，与承载力相比，沉降的计算更为复杂。在过去漫长的时间内，从事岩土工程的研究者和工程师们，为了精确计算和预测桩基的沉降，曾进行过大量的研究，提出过一系列的计算桩基沉降的方法，但由于地下桩基础的复杂性和地基土的非均匀性，桩基础沉降的计算理论还有待成熟。 （一）单桩沉降计算方法单桩的沉降与桩的长度、桩周及桩底土的性质、荷载大小及持续时间等因素有关。计算单桩单桩的沉降则应采用长期施加的荷载。 1、剪切变形传递法Cooke(1974)提出了摩擦桩荷载传递的物理模型，该模型为了简化计算，作了一系列假定并认为:当荷载较小时，桩的沉降较小，桩土之间不产生相对位移，上下土层之间无相互作用， 桩的沉降由剪切变形的积累而产生的，剪应力从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中;摩擦桩一般在工作荷载作用时，桩端承担的荷载比例较小，沉降主要是由桩侧传递的荷载所引起，在单桩周围形成漏斗状位移分布。 r m=n r o r rodr R E xA D C F E r B A F Ro C Dd图1 摩擦桩荷载传递模型示意图宰金铭（1993，1996）将剪切变形传递法推广到塑性阶段，从而得到桩周土非线性位移场解析表达式。在该基础上，与层状介质的有限层法和结构的有限元法联合应用，给出群桩与土和承台非线性共同作用分析的半解析半数值方法。 2、荷载传递分析法荷载传递分析法亦称传递函数法，由Seed及Reese于1957年提出，它是目前应用最为广泛的简化方法，这种方法是从规定的荷载变形传递方式来计算桩对荷载的反应。其基本思想是:将桩划分为一系列等长的桩段(弹性单元)，每一桩段与土体之间的联系用非线性弹簧来联系，桩端处土体也用非线性弹簧与桩端联系，以模拟桩-土之间的荷载传递关系。 P(z) k& dz P(z)+dp(z) k&图2 荷载传递法模型示意图Guo(2001)提出了一种弹脆塑性模型，以考虑桩周土体的软化性状，这也是三折线模型中的一种。将桩与土之间的接触简化为弹簧连接，易推得: 式中的U即桩侧阻力的传递函数，只要该函数能够确定，解上述方程即可得到桩的位移。 弹性理论法于20世纪60年代被提出，它将土体视为弹性半无限体，依靠Mindlin解，建立桩、土之间的变形协调方程，最终求得桩的轴力、侧阻、端阻及沉降等。以弹性理论法为根据发展出一些计算单桩沉降的方法，这些解法虽略有不同，但一般都基于桩的位移与临近土位移的协调条件，为此，借助于轴向荷载下桩身的压缩求得桩的位移，又应用荷载作用于半无限体内某一点所产生的Mindlin位移解求得桩周土体的位移。由于弹性理论假定桩土界面普遍满足弹性即界面不发生滑移这一条件，沿界面诸相邻点的桩位移应与土位移相等，桩侧完全粗糙，桩侧阻力沿每个单元周围的分布是均匀的；忽略桩、土之间在法向的变形协调。由此依靠即可求得桩身摩阻力和桩端阻力的分布，并进而求得桩的位移分布。吕凡任（2004）提出了考虑桩土相对位移的“广义弹性理论法”从而可以考虑桩周土的塑性，并将其应用于斜桩分析。 （二）群桩沉降计算方法 桩基础的应用大都是以群桩的形式出现，群桩效应在群桩沉降问题中表现的非常明显。端承桩通常不需要考虑群桩效应，故可将单桩的沉降作为整个桩基础的沉降，但对于摩擦桩来说，计算桩基沉降时，应考虑桩与桩之间的相互影响、承台的影响等因素。 1、整体分析法 整体分析法，目前应用较广泛和成熟的整体分析方法主要包括有限元法、边界元法和弹性理论法。有限单元法是适应计算机应用而发展起来的一比较新颖和有效地数值计算方法，随着计算机的发展，有限元越来越广泛。常用的桩基有限元分析软件有ABAQUS ,ANSYS ，MARC，和ADINA等其它的还有Plaxis和FLAC/FLAC3D等等。研究表明，有限单元法的计算结果与现场观测结果非常相似。由于受计算参数较多，三维计算要求内存大，计算时间长，其使用范围受到影响。不过，作为探索和校核实用简化方法的工具，有限单元法仍有着重要的实际意义。从长远地来看，它仍然是计算群桩沉降的一种趋势和正确方向。由于桩土作用的复杂性和单桩沉降理论仍在进一步完善中，为了方便和辅助桩基设计，产生了一些简化方法，如神经网络法，大直径桩、嵌岩桩沉降计算法等。这些方法现在尚处于讨论验证阶段，其精确性受到较大限制。因此，这些方法存在较大局限性。 边界元法也叫积分方程法，是把区域问题转化为边界问题求解的一种方法，即将筏板地基中的桩进行离散化分析。单纯的边界元法假设桩土界面位移协调，没有考虑桩土界面土的屈服滑移，与实际工程有一定差距。Sinha (1996)提出了一种完整的边界元法，把桩离散用边界元法分析，用薄板有限元法分析筏板，土被假定为均质弹性体，引入了土的滑移现象，以分析土体的膨胀或固结效应。有限条分法首先用于分析上部结构，并取得成功。Cheung(1976)首先提出将有限条分法用于单桩分析，以分析层状地基中的单桩的特性。用弹性理论法算群桩的沉降与计算单桩沉降的方法完全相似，其土的位移方程可写为 与单桩不同的是，既有因本桩所引起的桩周土体位移，又包含另一根桩所引起的桩周土体位移。群桩要考虑土桩与桩之间的互相影响，定义相互作用系数 采用弹性理论法和有限元法分析群桩时，发现群桩将大部分荷载传到了地基的深部，水平方向扩散的应力很小，桩端附加应力受桩数、桩长径比、桩的距径比和吃力层刚度的影响较大，而受承台长度比和桩土相对刚度比影响较小。 2、等代墩基法 (实体深基础法) 等代墩基法是现在工程界应用最广泛的一种计算群桩沉降的方法，该计算模式是将承台下的桩基础及桩间土看作一个实体基础，并忽略其变形；在此等代墩基范围内，桩间土不产生压缩如同实体墩基一样工作，然后按照浅基础的沉降计算方法来计算群桩的沉降。等代墩基法适用于桩距不大于6倍桩径的群桩。该方法计算简单，但由于高估了墩基底面的压力，导致了压缩层深度增加。由于计算时考虑的前提条件不同，研究者提出和使用着计算的不同模式，其主要差别在于选用的假想实体基础底面的位置不同，以及对地基土中附加应力的考虑和计算不同根据桩距地基土的性质不同，桩间土实际上是会产生不同程度的压缩变形，另一方面假想的实体基础外围存在着侧面剪应力的扩散作用，为了消除这些差别对群桩沉降计算的影响，人们采取了一些措施，集中表现在所采用的模式上。这些措施是: （1）、考虑墩基侧向摩阻力的扩散作用，从群桩桩顶外围按扩散角向下扩散增大假想实体基础底面积，以考虑桩群外围总剪应力对沉降分析的影响，这是Tomlinson等人的模式。 （2）、为了改善地基土附加应力估计的精度，近年来国内外根据半无限弹性体内集中力的Mindlin公式发展了一些估计桩基荷载作用下地基土附加应力的方法，还有一种将Mindlin解与Boussinesq解对比来估计等代墩基的等效基底附加应力。 由于群桩沉降涉及的因素很多，至今还没有一种既能反映土的非线性、固结和流变性质，又能在漫长的沉降过程中反映出桩与土的界面上相互作用力不断变化性状的计算模式。 （三）计算方法评述 剪切变形法对深长桩的沉降计算较准确。但由于该方法忽略了竖向应力、径向位移对剪应力的影响、土参数随深度的变化及桩端沉降因素等诸多因素，会得到不合理的沉降，因而在桩基设计的实践中应用较少。 荷载传递法较弹性理论法，其计算要简单些。由于工程中的土大多数是分层的，应力土体的参数都随深度变化，因此荷载传递法沿深度将桩身分段的方法能准确反映桩承载特性。但是缺点是任意点桩的位移只与该点的摩阻力有关，忽略了其它方向的力及其它点的影响，没有考虑土体连续性，不能用于群桩的计算。 弹性理论法已经比较成熟，考虑土的连续性，可用于群桩分析，计算结果较准确。但其缺陷在于把地基看作均匀的、各向同性的理想弹性体，桩土之间无切向相对位移，忽略了实际中存在的应力及时间效应，需要进一步改进和完善。 整体分析法优点在于：有限单元可方便地反映岩土材料的复杂结构关系；有限元法对复杂的边界条件的反映比其他数值方法有较大的优势；开发了不同类型的单元，可以适合不同情况的模拟（如板壳单元模拟板壳的作用、界面单元模拟各种界面的特性）；可以考虑各种复杂因素对桩基础沉降的影响。不足之处是实际计算中要考虑桩对土的影响范围，需要对土体划分大量的单元。此外，为了保证精度，必须将单元划小，使得单元数目急剧增加。这些都增加了计算时间。边界元法能够较准确计算群桩的沉降，边界元法可方便地反映岩土材料的复杂结构关系，单纯的边界元法假设桩土界面位移协调，没有考虑桩土界面土的屈服滑移，与实际工程有一定差距。 等代墩基法是一个科学、实用的计算方法，能反映群桩基础的各因素对沉降的影响，如桩的距径比、长径比、桩数等。其存在的问题是对于长桩，特别是桩侧土较好的长桩基础，计算沉降量与实测值误差较大，统计结果发现，实测值往往比计算值小很多。造成这种现象的原因是高估墩基地面的应力，这样造成了压缩层深度的增加，虽然用沉降修正系数或等效作用系数进行修正，但是计算值仍保守，较实测值大。三、软土地基减沉复合疏桩基础设计软土地区的相对荷载较小的建（构）筑物，天然地基承载力多能满足设计要求，如果按常规桩基设计，桩数过多；此类建筑对差异控制要求不严格，仅需要对绝对沉降进行控制。本文在桩基础试验基础上，结合上海、天津、浙江等软土地区减沉控制复合疏桩基础工程实践，并且结合理论研究，提出软土地基减沉控制复合疏桩基础设计方法。（一）减沉复合疏桩基础的设计原则 减沉复合疏桩基础的设计应遵循两个原则，一是桩和桩间土在受荷变形过程中始终确保两者共同分担荷载，因此单桩承载力宜控制在较小范围，桩的横截面尺寸一般宜选择200400(或200200300300)，桩应穿越上部软土层，桩端支承于相对较硬土层；二是桩Sa56d，以确保桩间土的荷载分担比足够大，即承台效应系数r0.6。减沉复合疏桩基础承台型式可采用两种，一种是筏式承台，多用于承载力小于荷载要求和建筑物对差异沉降控制较严或带有地下室的情况；另一种是条形承台，但承台面积系数(与首层面积相比)较大，多用于无地下室的多层住宅。在确定承台型式后按下式计算承台面积A： 按下式计算桩数n： 为承台面积系数，=0.601.00。由式(5)导得如下复合桩基承载力计算式 桩数除满足上述承载力要求外，尚应经沉降计算最终确定。（二）减沉复合疏桩基础的沉降计算 对于复合疏桩基础而言，与常规桩基相比其沉降性状有两个特点。一是桩的沉降发生塑性刺入的可能性大，在受荷变形过程中桩、土分担荷载比随土体固结而使其在一定范围变动，随固结变形逐渐完成而趋于稳定。二是桩间土体的压缩固结受承台压力作用为主，受桩、土相互作用影响居次。由于承台底平面桩、土的沉降是相等的，桩基的沉降既可通过计算桩的沉降，也可通过计算桩间土沉降实现。桩的沉降包含桩端平面以下土的压缩和塑性刺入(忽略桩的弹性压缩)，同时应考虑承台土反力对桩沉降的影响。桩间土的沉降包含承台底土的压缩和桩对土的影响。为了回避桩端塑性刺入这一难以计算的问题，我们采取计算桩间土沉降的方法。 基础平面中点最终沉降计算式为 1、承台底地基土的压缩变形沉降。按Bouissinesq解计算土中的附加应力，按单向压缩分层总和法计算沉降，与常规浅基沉降计算模式相同，即式(7)。关于承台底附加压力p0，考虑到桩的刺入变形导致承台分担荷载量增大，故在式(8)计算p0时乘以刺入变形影响系数，对于粘性土刀p=1. ，粉土p=1.15 ，砂土p=1.0。 2、关于桩土相互作用的增沉系数sp。桩侧阻力引起桩周土的沉降，按桩侧剪切位移传递法计算，桩侧离桩中心任一点的竖向位移为： 减沉桩桩端阻力比例较小，端阻力对承台底地基土位移的影响也较小，予以忽略。式(9)中, 为桩侧阻力平均值，取=30kPa；r0为桩半径，取r0=0.15m；Gs为土的剪切模量Gs=E。2(1+)，为泊松比，取软土=0.4；E0为土的变形模量，其理论关系式E0=（1-(2)/(1-），Es为土的压缩模量；实际测试结果，对于淤泥， 淤泥质土=1.052.97，这里取E0=2Es=4MPa，则Gs=1.43MPa；软土桩侧土剪切位移最大半径m=6d12d，取一般值m=9d。将以上数值代入式(9)可得桩侧任一处r的竖向位移Wr将桩周碟形位移式(9)进行积分，求得任一基桩桩周碟形位移体积为： 将以上参数代入式(10)，求得位移体积Vsp。桩距Sa=5d，6d，7d，8d，9d，10d条件下桩对土的平均增沉量Sm为上述Vsp除以方形面积SaSa，再将Ssp除以假想无桩影响的地基沉降量S0。并设S0=80mm，得到桩一土影响系数i这里说明两点：一是桩周土受桩侧阻力作用产生的碟形位移受相邻桩影响将出现叠加效应而大，这里通过对单一基桩桩周位移体积除以小于碟形位移圆面积（mm-mm)的方形面积SaxSax、SaySay得到反映；二是为简化计算，基于承台底和桩侧土层性质相同，将桩一土相互作用增沉量除以无桩影响的地基土压缩变形量，求得桩一土影响系数i，如表1。 将x、y向的平均Sax、Say相应的桩一土影响系数ax、ay叠加，求得桩一土相互作用增沉系数： Sn5d6d7d8d9d10dax ，ay 0.300.220.150.110.090.08表1 桩土影响系数3、条形承台减沉复合疏桩基础沉降计算对于无地下室多层住宅多数将承台设计为墙下条形承台板，条基之间净距较小，若按实际平面计算相邻影响十分繁锁。为此，将其简化为等效平板式承台，等效承台宽度Bc=BAL；A为条基承台总面积；B、L分别为底层投影平面的宽度和长度。 按角点法分块计算基础中点沉降时，由附录D确定角点平均附加应力系数时， 表2 软土地基疏桩基础计算沉降与实测沉降 名称(编号)建筑物层数(地下)/附加压力（KN）基础平面尺寸（mxm）桩径d(m)/桩长 (m)承台埋深(m)/桩数桩端持力层计算沉降(mm)实测沉降(mm)(竣工后1年半) 上海XXX6/6121053x11.70.2x0.2/161.6/161黏土10877 上海XXX6/5210052.5x110.2x0.2/161.6/148黏土7681 上海XXX6/4971842x110.2x0.2/161.6/118黏土12069 上海XXX6/4037640x100.2x0.2/161.6/139黏土7676 上海XXX6/4549058x120.2x0.2/161.6/250黏土132127 绍兴XXX6/4950535x100.4/121.45/142粉土5550 上海XXX6/4350040x90.2x0.2/161.27/152黏土夹砂158150 天津XXX-/5686446x160.42/101.7/161粘质粉土63.740 天津XXX-/6250752x150.42/101.7/176粘质粉土6250 天津XXX-/7401762x150.42/101.7/224粘质粉土5550 天津XXX-/6200052x140.35x0.35/171.5/127粉质黏土10080 天津XXX-/10684084x150.35x0.35/171.5/220粉质黏土10090 天津XXX-/6420054x140.35x0.35/171.5/135粉质黏土9590 天津XXX-/8293256x180.35x0.35/12.51.5/155粉质黏土161120四、 结论 本文对目前国内外软土地基疏桩基础的沉降计算理论进行了分析，包括单桩和群桩的沉降分析，并对它们的优缺点和适用范围进行了论述，在实际应用中，应用何种方法要视当时的地质条件等因素而定。复合疏桩基础有效的利用了桩和天然地基的作用，充分的利用二者的结合，互补的发挥潜力。疏桩通过优化减少桩的数量，减少群桩效应，提高单桩的承载力，发挥桩间土的承载力，桩间土的受荷引起的土的压缩变形对桩的沉降的影响比较大。致谢 通过这次论文的学习和工作，我终于完成了软土地基疏桩基础沉降计算研究的论文，从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，查看了相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是学习的收获。虽然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但是这里的每一段都有我的劳动，有我的心得体会。这次论文的经历也会是我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过