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摘要 摘要 目前,减少沉降桩基在软土地基中得到了广泛的应用,上海已将其列入上海市_ 程建设规范地基基础设计规范( d g j 0 8 1 1 1 9 9 9 ) 中。其优点主要在于充分利用 和发挥了桩控制基础沉降的能力,减少了用桩数量,大大降低了工程造价,并可减少 对环境的影响。 本文分析了减少沉降桩基的工作机理和设计方法,针对目前设计条件下工程界普 遍关心的的整体安全度与可靠度的计算问题进行了研究,分别按照承载力和沉降两种 方法建立极限状态方程来计算可靠性指标卢,并利用工程实例对相关的随机变量影响 作用作一些规律性的探索。 在提出减少沉降桩基安全度计算方法的基础上,运用假定的可靠度理论建立了相 应的可靠性指标计算方法,对现行减少沉降桩基设计方法的安全度进行了校核,对各 随机变量在减少沉降桩基可靠度计算中的敏感性进行了分析,明确了各随机变量变异 性对可靠性指标的敏感程度。同时,对设计容许沉降量、安全系数和可靠性指标之间 的关系进行了探讨,取得了一些规律性的结果。 为了研究可靠性指标0 的变化规律,收集了诸如上海、温州等软土地区l o 个场地 的土性参数统计资料,在上海市工程建设规范地基基础设计规范( d g j 0 8 1l 一1 9 9 9 ) 要求下进行减少沉降桩基的设计计算,得出了受承载力和沉降双重控制的可靠性指标 卢值在这些不同场地情况下的分布规律,为预测目前上海等软土地区普遍按变形控制 设计的减少沉降桩基房屋建筑的安全度提供了更有实际意义的计算参数。 关键词:减少沉降桩基,安全度,可靠度指标,m o n t ec a r l o 法,极限状态 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r e d u c i n g - s e t t l e m e n tp i l ef o u n d a t i o n ,w h i c hw a sg o tt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n i ns o f ts o i l ,h a sb e e nt a k e ni n t os h a n g h a i c i t ye n g i n e e r i n gb u i l d i n gc o d e ( s o i l f o u n d a t i o nd e s i g n c o d e ) ) ( d g j 0 8 一1 1 1 9 9 9 ) 。i t sm a i na d v a n t a g e s a r e f u l l y u s i n gt h ep i l e sa b i l i t yo fc o n t r o l l i n gf o u n d a t i o n ss e t t l e m e n t ,s ot h en u m b e ro fp i l e s c o u l db er e d u c e d , t h e e n g i n e e r i n g c o s tg r e a t l yc u t sd o w n ,w h a t s m o r e ,e f f e c t s 0 1 3 s u r r o u n d i n g sr e s u l t i n gf r o mp i l ed r i v i n gc o u l db cr e d u c e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fw o r k p r i n c i p l ea n d t h ed e s i g nm e t h o do ft h e r e d u c i n g - s e t t l e m e n tp i l ef o u n d a t i o n ,s o m ec a l c u l a t i n gp r o b l e m so fs a f e t yf a c t o ra n d r e l i a b i l i t yh a v e b e e ns t u d i e d 。t h e l i m i t i n gc o n d i t i o ne q u a t i o na c c o r d i n g t ot h e s et w o m e t h o d so fb e a r i n g c a p a c i t ya n d s e t t l e m e n tw a se s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y s o m e p o t e n t i a lr u l e so f t h ee f f e c to fc o r r e l a t i v er a n d o mv a r i a b l e p a r a m e t e r sw e r ee x p l o r e d b ym e a n s o f e n g i n e e r i n ge x a m p l e t h em e t h o dt oc a l c u l a t es a f e t yf a c t o ri sb r o u i g h tf o r w a r da n dt h e nt h em e t h o df o r c a l c u l a t i n g t h e r e l i a b i l i t y i se s t a b l i s h e d b yu s i n gr e l i a b i l i t yt h e o r y u s i n gt h e s e m e t h o d st h es a f e t yo ft h er e d u c i n g - s e t t l e m e n t p i l ef o u n d a t i o nw a s c h e c k e d b ym e a n s o fa ne n g i n e e r i n g p r o j e c ta n d t h es e n s i t i v i t yo f p a r a m e t e r s w a sa l s oa n a l y z e d ,f u f t h e r d i s c u s s i o ni sm a d eo nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na l l o w a b l es e t t l e m e n ta n dr e l i a b i l i t y i n d e xo r s a f e t yf a c t o r t o s t u d y t h er u l e so f r e l i a b i l i t yi n d e x 芦,t h er e d u c i n g - s e t t l e m e n tp i l ef o u n d a t i o n s h a v eb e e nc a l c u l a t e da n dd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc u r r e n td e s i g n c o n d i t i o n si n1 0d i f f e r e n tf i e l dc o n d i t i o n ss u c ha ss h a n g h a ia n dw e n z h o u o nt h e b a s eo ft h e s e ,s o m er u l e so ft h er e l i a b i l i t yi n d e x 芦v a l u ec o n t r o l l e db yb o t hb e a r i n g o p a c i t y a n ds e t t l e m e n th a v eb e e nc a l c u l a t e d ,s o m ed e s i g np a r a m e t e r sa r eo f f e r e df o r f o r e c a s t i n gt h es a f e t yf a c t o ro ft h er e d u c i n g - s e t t l e m e n tp i l ef o u n d a t i o nd e s i g n e db y c o n t r o l l i n g s e t t l e m e n t c u r r e n t l y i ns o f ts o i la r e a ss u c ha s s h a r i g h a i t h e r e s u l t s a c q u i r e di nt h i sp a p e rl a yaf o u n d a t i o no fb u i l d i n g t h er e l i a b i l i t yd e s i g nm e t h o da n d h a v e m e a n i n g f o r d e s i g n i n g t h er e d u c i n g s e t t l e m e n tp i l ef o u n d a t i o ni np r a c t i c e k e yw o r d s :r e d u c i n g - s e t t l e m e n tp i l ef o u n d a t i o n ,s a f e t yf a c t o r ,r e l i a b i l i t yi n d e x , m o n t ec a r l om e t h o d ,l i m i ts t a t e l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解阎济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定, 丽意弼下各颂内容:按照学校要求提交学位论文的印利本和电子舨 本;学校鸯投保存学位论文鹣印嚣l 本霹邀子舨,并罴耀影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文:学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务:学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件私电子舨;在不以赢利为翻的的前 提下,学校可鞋适当复利论文的部分或全部逡褰遐予学术活动。 学位论文作者签名: 姗晖弓胃l曩 经指导教师同意,本学位论文属于保密,在2 0 0 5 年解密后适用 本授权书。 指导教瘘签名: 秽年7 勘扒 胃7 疆 学位论文佟者签名:夕2 z 匀 姗肆其| 墨 同济大学学位论文原创性声明 本人郑熏声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行 研究王作掰取褥静藏果。豫文中汪经注褥弓| 臻的内容外,本学位论文 的研究成果不包含任倪他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本学饿论文原创性声明的法律责任 峦本人承接。 签名:渗矽砀签名:歹乡留 瓣;援| l 基 第1 牵绪论 第1 章绪论 1 1 前言 伴随着经济与社会的发展,我国高层建筑蓬勃兴起,促使高层建筑与地基基 础共同作用和现代桩土相互作用理论研究取得很多重要成果,减少沉降桩基础就 是其中之一。 目前在工程中桩基础设计般采用下面三种桩基础形式:( 1 ) 常规桩基础; ( 2 ) 复合桩基础:( 3 ) 减少沉降桩基础。常规桩基础一按满足承载力( 强度) 要 求的原则设计的桩基础,也即在设计时由上部结构和基础的荷载来确定桩数和桩 长,并且认为上部结构和基础的荷载完全由桩承担。复合桩基础:考虑桩和承台 底地基土共同承担荷载的原则设计的桩基础,设计时主要由上部结构和基础的荷 载确定桩长和桩数。减少沉降桩基础是按控制沉降的原则设计的桩基础,设计时 主要由建筑物的沉降控制要求确定桩长和桩数。自七十年代末,随着各国对桩筏 基础和桩土相互作用理论的研究取得突破性进展,减少沉降桩基础在世界各地的 应用日益广泛。其优点在于:( 1 ) 充分利用和发挥了桩对控制基础沉降的能力; ( 2 ) 桩可按单桩极限承载力设计,使桩的承载能力得到充分的发挥;( 3 ) 减少了 用桩数量,与常规桩设计方法相比,一般可减少用桩数量3 0 以上,大大降低 了基础的工程造价,并可减少对环境的影响;( 4 ) 与水泥土搅拌桩或粉喷桩等地 基处理相比,由于减少沉降桩基础一般采用钢筋混凝土桩,其质量能够得到较好 的保证。近年来,减少沉降桩基作为一种新型的桩基设计方法逐渐被运用到工程 实践中,也越来越引起人们的关注。 减少沉降桩基是承台下地基土与桩共同分担外荷载、按沉降控制要求确定用 桩数量的低承台摩擦桩基;桩在基础中承担部分荷载,主要起减少和控制沉降的 作用。它是一种建立在桩土相互作用理论基础上的一种新型基础形式和地基处理 技术。欧洲部分国家己开始推广应用于实际工程,在我国,目前上海已将其列入 上海市工程建设规范地基基础设计规范( d g j 0 8 1 1 1 9 9 9 ) 。 减少沉降桩基的优点主要在于充分利用和发挥了桩控制基础沉降的能力,桩 第1 潦绪论 可以按犟桩极限承载力设计,使桩的承载能力褥到充分的发挥,减少了用桩数量, 与豢嫂楗设计方法裰毙,一般减少崩桩数量3 0 以上,太丈降低了工程造纷, 并可减少对环境影响。与水泥土搅拌桩成粉喷械等地基处理相比,由于该种桩糕 一黢采耀钢簸滗凝棱,箕质豢控刳戆够雩罨到较努酶缣涯。 在上海软士地区,除高层建筑外绝大多数建筑物如多层住宅和8 层左右的小 高淫建筑耪,郡跫由于沉降太大丽采焉桩蘩础躐进行地基藤固簸理的,对于这类 量大面广的建筑物,如果采用减少沉降桩基将大幅度减少用桩数量、节农基础遗 价,其有显著的经济效蕊。而楣对于地纂加固处理方法如粉喷桩复合地基,减少 沉降桩基础在工程造价上耀差不大,但麓王质爨上较易夜保证,从薅使住宅基戳 工程的质量可大大提高,这一优点对于目前地基处理施工质量普遍不高的情况下 霹裴显褥茏为裳爨,爨鼗减少滋海柱基有卡分广泛豹建惩蕊景。 1 2 减少沉降桩基的发展 早在三十年代,采用桩和承台共同承担荷载的设计方法在上海已有应用,五 十年代中期,墨西哥z e e v a e r t l l 】开展了软土中补偿摩擦桩的研究设计,提出了具 体计算方法,并付诸实践。他令桩发挥极限承载力,承担箱形基础补偿后余下的 荷载,设计了数座,其中有高达1 2 层的建筑,成功地减少了沉降量,并在国际 会议上作了报道。六、七十年代,国内外只有为数不多的人对这类桩基进行研讨 和少量应用。1 9 7 7 年b u r l a n d ”】等在第九次国际土力学会议的专题报告中提及: 在天然地基承载力足够有余的情况下,可采用发挥极限承载力的桩以减少沉降, 并称之为减少沉降量的桩。从此,国际上才开始关注此类桩基。为了验证这个观 点,h o o p e r 作了有限元的模拟分析,指出为了建立竖向剐度较大的桩土混合地 基而需要的桩数并不多,桩数的进一步增加对减少沉降和差异沉降的作用非常 小。1 9 7 8 年h a i n k e 【3 1 等人采用p o u l o s 的桩弹性理论及理想弹塑性模型也得出 了类似的计算结果。1 9 8 6 年c o o k e l 4 】总结了他对伦敦硬土地区高层建筑桩基础研 究的几十年成果,指出按照目前强度控制的桩基设计方法设计的桩基础,如果考 虑筏板一桩一土共同工作及基础的整体性,实际地基基础的安全系数远非设计中 所取的2 或3 ;在桩基础纯粹用来减少基础沉降时,均质土中模型桩的试验表明, 第l 章绪论 在桩间距为4 倍桩径时再加入飘多的槛并不能驻著地减少沉降。试验始果和简单 的分板方法均袭明,6 倍桩径鼓8 倍桩柽的桩阙距几乎与小桩躐对榉农效。英 国p r i c e 等人在设计伦教某国际会议中心大楼的基础中设计采用少量的桩用于减 少筏叛蒺礁数沉簿霾内宠,设计时考虑援与筏投夔共阏箨瘸,共藏承撵上蘸结孛毒 荷载,并假定桩的承载力得到充分发挥,达到极限,对该大楼基础进行的实测研 究表髑,该基獭静设计是戒功豹,桩露挺了慈祷载豹3 0 ,露筏叛承糖7 0 。 在我国,由于近年来建筑工程量大面广,减少沉降桩基比国外得到了更大的重视, 进行了更多的研究和工程实践。 1 9 7 9 年,华东电力设计院童翊湘在探讨上海桩基础设计经验的文章中提出: “当容许建筑物产生较多下沉,仅由天然地基不足而采用桩基时,可令桩间士共 同承担外荷载,土的许可压力可用2 3 怖2 ,余下的荷载由桩承受,每根桩可发 挥极限承载力,。”【2 1 】这类桩既需要满足承载力要求,又需控制沉降量,所 以有别于b u r l a n d 等提出的减少沉降量的桩。1 9 8 3 年华东电力设计院在桩和承台 板共同作用的研究报告1 2 2 】中再次强调,在软土中利用桩与承台板的共同作用可以 提高桩基础的承载能力或减少下沉量,并提出了两套设计计算式。 饱和土层 可压缩软弱土层 基岩 图1 1 桩土上部结构共同作用示意图 第1 犟绪论 1 9 8 7 年,上海民辩j 建筑设计研究院黄绍铭等人开始探索减少沉降桩基的设 计方法,并结合t 海康健新树往宅建设,展开桩与承台共同承掇雏荷载蒸础的设 计研究和实践。这一设计方法的基础怒基于明德林( m i n d l i n ) 应力解的盖得斯 ( g e d d e s ) 单接麓载应力公式计算土中熬应力,t 霭分层总和法诗霉沉降;其设诗 内容包括桩长及截面的选择、承台的埋深及尺寸的初步确定、不同桩数时的沉降 诗算、较建繁秘豹容诲沉降量确定实酪建棱数。f 垌嘲经过卡屁年豹试霸,敬 得了工程经验磁,现己列入1 9 9 9 年颁布的上海市工程建设规范地基耩础设计 规范( i ) g j 0 8 一l 卜1 9 9 9 ) 1 1 5 1 中。对于8 簇以下酌多层往宅,该方案是 e 较经济合 理的,髓前这一方法已在上海市大面积推广应用,并编制了配套的计算软 牛。t 海学术与工程界将上述减少沉降桩基的方法列入规范,这在国内外还是首次,标 志羞我瓣在此方蟊的磺究达到了薮高发。 宰会珉等在综合分析减少沉降桩基非线性工作性状的基础上提出在整体承 载力和沉降量双重控制下按单桩极限承载力设计复合桩基的新方法,提出了天然 地基承载力满足率的指标j c ,认为该指标】; , 0 5 是应用复合桩基新方法必须满 足的适用条件:当v o 在命令窗口中调用m 文件 x o = 3 85 4 : 给出初始值,一般取均值就可 o p t i o n s ( 1 3 ) = 1 :设定o p t i o n s ( 1 3 ) 的参数,约束条件中最前面的 是一个等式约束条件 x ,o p t i o n s = c o n s t r ( j i a n 9 2 1 ,x o ,o p t i o n s ) :用命令e o n s t r 调用 m 文件 b e t a ,g = j i a n 9 2 1 ( x ) b e t a = 4 2 6 1 4 最小值,即璺= 4 2 6 1 4 g = 一0 0 0 0 0 2 2 5 6 5 5 5 0 5 1 9 5 x x =2 2 5 6 5 55 0 5 1 9 5 _ 9 6 极值点处的坐标,也即验算点处的 坐标 2 3 5 本章小缩 采用中心点法计算简单的可靠度问题还行,但实际工程中的基本变量有很 多不服从正态分布,运用中心点法计算可靠度的结果与实际情况出入较大,这时 一般不能直接采用中心点法;对于非线性的功能函数运用中心点法时,由于进行 了线性化处理,所以误差较大,且这个误差是无法避免的,尽管中心点法有这些 缺点,但该方法概念清楚,计算简单,便于实际应用,所以仍是目前常用的可靠 度计算方法之一; m o n t ec a r l o 法充分利用m a t l a b 功能极其强大的科学和工程计算数学软件 系统,可以很方便地进行失效概率p ,的计算,但要对含有非正态参数的非线性 极限状态函数方程求其可靠度指标= 巾。( 1 一p ,) 时,就不是件容易的事情了; 第2 章岩十工程可靠性分析方法 利用j c 法计算含有非j 下态参数的非线性极限状态函数方程的可靠度指标口 很准确,而且很直观,但在编制程序( 通常利用f o r t r a n 、c 语言) 上比较繁琐; m a t l a b 工具箱优化法在计算可靠度指标口的准确性上较j c 法稍为逊色些, 但它利用m a u a b 工具箱最优程序,在编程上要方便很多。 综上所述,本文充分利用上述几种可靠度计算方法的各自特点,对本文数据 的分析上,作如下处理:采用m o n t ec a r l o 法计算工程失效概率p ,采用m a t l a b 工具箱优化法计算可靠度指标口。 2 4 第3 章减少沉降桩基工作机理分析 第3 章减少沉降桩基工作机理分析 3 1 减少沉降桩基的工作机理 减少沉降桩基设计的实质就是以沉降控制为原则、考虑桩与承台共同作用。它是 一种承台下地基土与桩共同分担外荷载、按沉降控制要求确定用桩数量的低承台摩擦 桩基。 复合桩基中的单桩,桩长较短,桩径较小( 一般小于2 5 0 m m ) ,桩距较大 ( s d = 5 6 ) ,这就使得它的单桩荷载传递规律有别于一般的中长桩,再加上承台作 用的影响,导致了复合桩基的工作过程变得更加复杂。 c h o w 曾经指出:在轴向荷载作用下,桩周土体只在桩侧附近的近场高应变区才 产生非线性位移反应。在复合桩基中,由于桩间土体往往要承担很大一部分外荷载, 而且桩端土体通常要发生很大的刺入变形。1 6 2 1 复合桩基中桩侧阻力首先在桩端附近充分发挥,而后逐渐向上扩展。这与一般的 单桩或高承台群桩中的单桩不同。造成这种现象的原因是复合桩基中桩长较短,承台 对桩侧阻力削弱作用明显,其中对桩顶部分侧阻力削弱作用较强,对桩端部分削弱作 用较弱所致。 研究表明5 】f 删1 6 5 1 【6 6 】,减少沉降桩基荷载与沉降关系实际呈如图3 1 所示的非线 性性质。 0 f = = = s 口l a _ _ s u 卜 s l t p 口 p u + p v jb f 图3 1p u s 曲线 第3 章减少飘降桩基工作氍瓒分析 图中p 为外荷载,s 为沉降,n 为减少沉降桩熬中各单桩极限承载力之和,p 。 建减少沉罄礁慕整髂毅袋琢凌力,交疆中尹s 关系魏线霹霓在与忍对应蕊a 点怒整 线有较明显的转折,因此根据所作用的外荷载大小,w 将减少沉降桩基的荷载与沉醉 关系大体区分为p p 口和p 只( p 为外荷载) 两个阶段,般在p 七r 时,沉降由两部分叠加组成,一部分是在桩顶附加荷载为 毋的k 根桩作用下产生的沉降;另一部分是承台底面附加荷载为( p d 。a 。一k r 。) 作用下产生的沉降。 2 ) 当p 一盯。a 。七砟时,减少沉降桩基沉降即为在桩顶附加荷载为( p 一仃。a 。) 第4 章减少沉降桩基可靠度分析方法 的k 根桩作用下产生的沉降。 对不犀楗数可分别计算出对应黪淡溪量,褥密桩数r 与演黪量s 关系,然麟撮摆 沉降控制标准确定用桩数量。 2 。桩基沉降计算方法 桩基沉降计算方法目前主要采用的有实体深基础法和明德林一盖得斯法。 实体深基础法是

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