（岩土工程专业论文）上部结构筏桩地基线性、非线性共同作用时程分析.pdf

摘要 发挥桩间土承载力是近几十年来的地基基础工程研究中的热点，受到国内外工 程界的关注。发挥桩间土承载力的设计方法主要通过加大桩间距来实现的。该设计 方法处于天然基础和桩基础设计的过渡阶段，它既考虑土的天然承载力，同时也考 虑桩的作用，既需要强度控制也需要位移控制；桩可以用于控制沉降或者控制差异 沉降，也可以用于提高承载力；类型可以是刚度强度较大的常规钢筋混凝土桩复合 桩基，也可以是刚性桩复合地基；土层性质较好，也可以土层性质较差；并结合其 他的一些工程处理方法，如换土垫层、持力层加固等，这种设计方法具有更为广阔 的运用范围。 在发挥桩间土承载力的设计过程中需要同时考虑强度控制和变形控制，整个建 筑物各部分及地基工作状态，建筑物的沉降，桩承载力发挥程度，桩间土的承载力 发挥状态等在共同工作分析中是紧密结合在一起的。因而采用统一考虑上部结构、 基础、地基三者共同作用，并运用增量子结构时程分析的方法才能比较真实的反映 建筑物的实际工作状态；桩的工作状态必须考虑到进入了明显的非线性状态的阶段 才能清楚认识桩土共同作用的状态。 对于这种设计方法，目前仍然在发展之中，许多设计中的问题仍然没有清楚的 认识。如安全度、桩土分担荷载的变化过程、桩侧阻端阻的发展过程、土的变形和 承载力发挥的影响因素等都制约着发挥桩间土设计理论发展和工程实际运用。为了 清楚认识以上的问题，笔者自行编制能考虑多种分析方式的共同作用分析程序。程 序能进行单桩的承载力分析，能进行刚性承台假设的线性和非线性共同作用分析； 能进行能比较完整考虑上部结构、基础、地基等信息的增量子结构的线性和非线性 时程分析；能考虑桩土的相对位移共同作用分析；能对复合桩基和刚性桩复合地基 进行共同作用分析：程序具有比较好的后处理功能。 荷载传递法是能比较简洁而充分的反映桩土共同作用状况的方法。为了完善的 对于桩的非线性工作状态进行分析，本文将桩递函数扩展为有理分式的统一形式， 统一了线弹性关系、弹塑性关系、退化关系、强化关系等的多种传递函数，能较完 善的模拟桩的实际工作状态，并且这种有理式的形式能有效减少数值分析中运算 量，提高对于计算的速率和收敛性能。 通过程序分析，本文比较了实际工程中运用的各种设计方法的异同；通过增量 子结构非线性时程分析，找出上部结构、大间距桩基础、地基在各个荷载阶段的工 作状况及其规律；提出了基于安全的复合桩基和刚性桩复合地基的合理设计方法， 为发挥桩间土承载力的理论和设计的发展提供一定的参考。 华南理工大学硕士学位论文 关键词共同作用；增量子结构时程分析：复合桩基：复合地基；荷载传递法 a b s t r a c t m a k i n gu s eo fb e a r i n gf o r c eo fs o i la m o n gp i l e si s ah o t s p o to f f o u n d a t i o n e n g i n e e r i n gi nr e c e n td e c a d e s ，t ow h i c he n g i n e e r i n gp e r s o n n e lh o m ea n da b r o a dh a v e p a i da t t e n t i o n i ti sm a i n l yt oi n c r e a s et h ed i s t a n c eb e t w e e np i l e st or e a l i z ed e s i g nm e a n s u s i n gs o i la m o n gp i l e s t h i sm e a n si st r a n s i t i n gp h a s eb e t w e e nn a t u r a lf o u n d a t i o na n d p i l ef o u n d a t i o n i tc o n s i d e r sn o to n l yn a t u r a lb e a r i n gf o r c eo fs o i lb u ta l s ot h ee f f e c to f p i l e s ，a n dr e q u i r e sn o to n l ys t r e n g t hc o n t r o la n dd i s p l a c e m e n tc o n t r 0 1 p i l e sc a n b eu s e d n o to n l yf o rc o n t r o l l i n gs e t t l e m e n to rd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb u ta l s oi n c r e a s i n gb e a r i n g f o r c eo fg r o u n d t h et y p eo fp i l e sm a yb er o u t i n er e i n f o r c e m e n t c o n c r e t ec o m p o u n d p i l e sw i t hg r e a tr i g i d i t ya n ds t r e n g t ha sw e l la sr i g i dc o m p o u n dp i l e s t h ec h a r a c t e ro f s o i lm a yb eg o o do rb a d i fc o m b i n e dw i t ho t h e rt r e a t i n gm e t h o d so fe n g i n e e r , s u c ha s c h a n g i n gs o i lu n d e r l a y e r ，s t r e n g t h e n i n gb e a r i n gl a y e r ，e t c ，t h i sd e s i g nm e a n sh a v em o r e e x t e n s i v ea p p l i e dr a n g e d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s so fm a k i n gu s eo fb e a r i n gf o r c eo fs o i la m o n gp i l e s ，i ti s n e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ec o n t r o lo fs t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o na tt h es a m et i m e e a c hp a r t o ft o t a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gs t a t eo ff o u n d a t i o n ，s e t t l e m e n ta n a l y s i sc o n t r o lo fb u i l d i n g ， t h ee x e r t i o no fb e a r i n gf o r c eo fp i l e sw i t hg r e a td i s t a n c ea n ds o i l a m o n gp i l e sa r e i n t e g r a t e df i r m l y i nc o a f f e c t a n a l y s i s t h e r e f o r e ，t h ec o a f f e c t o f s u p e r s t r u c t u r e ， f o u n d a t i o na n dg r o u n ds h o u l db ec o n s i d e r e du n i f o r m l yi no r d e rt or e f l e c tt r u l yp r a c t i c a l w o r k i n gs t a t e i ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ee v i d e n tn o n l i n e a rw o r k i n gp h a s eo fp i l e s b e f o r eu n d e r s t a n d i n gc l e a r l yt h ec o a f f e c to fp i l e sa n ds o i l t h i sd e s i g nm e a n si ss t i l lb e i n gd e v e l o p e dn o w ，b u tm a n yq u e s t i o n s ，c o n f r o n t e d d u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g n ，h a v en o tb e e ns o l v e dt h o r o u g h l y s a f e t y , c h a n g ep r o c e s so f p a r t i c i p a t i n gr a t i oo fp i l e sa n ds o i l ，d e v e l o p i n gp r o c e s so fs i d ea n de n dr e s i s t i n gf o r c eo f p i l e sa n dt h ee x e r t i n gp r o c e s so fd e f o r m i n gb e a r i n g f o r c eo fs o i l ，e t c r e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n to fd e s i g nt h e o r yo fe x e r t i n gs o i la m o n gp i l e sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f e n g i n e e r i n g i no r d e rt ou n d e r s t a n da b o v eq u e s t i o n s ，p e n m a nw o r k so u tt h ep r o g r a mo f c o 。a f f e c ta n a l y s i st h i n k i n go v e rm u l t i p l ea n a l y z e dw a y s t h ep r o g r a mc a nc a r r yo u t b e a r i n g 。f o r c ea n a l y s i so fs i n g l ep i l e ，l i n e a ra n dn o n - l i n e a rc o a f f e c ta n a l y s i sc o n s i d e r i n g r i g i db a s e s l a b ，i n c r e m e n t a ls u b s t r u c t u r e sl i n e ra n dn o n 1 i n e rt i m e h i s t o r ya n a l y s i s c o n s i d e r i n gf u l l yc o m p a r a t i v e l yt h ei n f o r m a t i o no fs u p e r s t r u c t u r e ，f o u n d a t i o na n d g r o u n d ，c o a f f e c ta n a l y s i sc o n s i d e r i n gr e l a t i v ed i s p l a c e m e n to fp i l e sa n ds o i l ，t h e c o a f f e c ta n a l y s i so fc o m p o u n dp i l e sw i t hg r e a td i s t a n c ea n dc o m p o s i t eg r o u n dw i t h i i i 华南理工大学硕士学位论文 r i g i dp i l e s w h a t sm o r e ，t h ep r o g r a mh a sp r e f e r a b l ef u n c t i o no fp o s tt r e a t m e n t l o a dt r a n s f e ra p p r o a c hi sa b l et or e f l e c tc o - a f f e c ts t a t u so fp i l e sa n ds o i lc o n c i s e l y a n df u l l y i no r d e rt oc o n s u m m a t et h ea n a l y s i so fp i l e sn o n - l i n e a rw o r k i n gs t a t e ，t h e p a p e re x p a n d s t si n t or a t i o n a lf r a c t i o nu n i f o r mf o r m ，u n i f o r mm u l t i p l et r a n s f e r r i n g f u n c t i o no fl i n e a ra n de l a s t i cr e l a t i o n s h i p ，e l a s t i c p l a s t i c r e l a t i o n s h i p ，d e g r a d a t i o n r e l a t i o n s h i pa n ds t r e n g t h e n i n gr e l a t i o n s h i pa n ds i m u l a t ep r a c t i c a lw o r k i n gs t a t eo fp i l e s c o m p a r a t i v e l yp e r f e c t l y t h ef o r mo fr a t i o n a lf r a c t i o nc a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s eo p e r a t i n g q u a n t i t yo fn u m e r i c a la n a l y s i s ，a n di n c r e a s et h ev e l o c i t yo fc a l c u l a t i n ga n dc o n v e r g e n c e c a p a b i l i t y b yt h ea n a l y s i so fp r o g r a m ，t h ep a p e rc o m p a r es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so fe a c h k i n d o f d e s i g na p p r o a c h e sa p p l i e di n p r a c t i c a le n g i n e e r i n g b yi n c r e m e n t a l s u b s t r u c t u r e st i m e h i s t o r ya n a l y s i s ，t h ep a p e rf i n d so u t w o r k i n gs t a t ea n dr u l eo f s u p e r s t r u c t u r e ，f o u n d a t i o n ，g r o u n da n dp i l e sw i t hg r e a td i s t a n c ei ne a c hl o a d i n gp h a s e a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dr e a s o n a b l ed e s i g na p p r o a c h b a s e do ns a f e t y , o fc o m p o u n dp i l e - f o u n d a t i o na n dc o m p o s i t eg r o u n dw i t hr i g i d p i l e s ，a n dp r o v i d e c e r t a i nr e f e r e n c ef o r t h et h e o r ya n dd e s i g no fe x e r tb e a r i n gf o r c eo fs o i la m o n g p i l e s k e yw o r d s ：i n t e r a c t i o n ，i n c r e m e n t a ls u b s t r u c t u r e st i m e h i s t o r ya n a l y s i s ，c o m p o u n d p i l e f o u n d a t i o n ，c o m p o s i t eg r o u n d ，l o a dt r a n s f e ra p p r o a c h 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特另i i d i ：i 以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：马殳旭 日期：一j 年6 月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：马支旭日期：厂年6 月) 日 导师签名：徕岔了 日期： 口厂年月1 ，) 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 土与结构物共同作用的研究和发展 自5 0 年代，梅耶霍夫( g g m e y e r h o f ) 提出估算框架结构等效刚度的公式以考 虑共同作用后，琴米斯基( ( s c h a m e c k i ) 、格罗斯霍夫( h g r o s s h o f ) 相继进行了单 独基础上多层多跨框架结构的共同作用研究。随着有限元和计算机的发展，申凯维 茨和张佑启( 0 c z e i n k e i w i c za n dyk c h e u n g ) 开始采用有限元来研究地基基础的 共同作用，普齐米尼斯基( ( j s p r z e m i e n i e c k i ) 则提出了子结构的分析方法，而哈 达丁( m j h a d d a d i n ) 首次利用子结构的分析方法研究了地基基础与上部结构共同 作用。1 9 7 7 年，在印度召开了第一次“土与结构物共同作用”国际性会议，此后， 共同作用课题越来越引人注目，几乎涉及到所有的工程问题。例如，在第十、十一 届国际土力学及基础工程会议上( 1 9 8 1 ，1 9 8 5 ) 和第三、四、五届国际土质力学的数 值方法会议( 1 9 7 9 ，1 9 8 2 ，1 9 8 5 ) 均设有一个“土与结构共同作用”组进行讨论，普 洛斯( h g p o u l o s ) 利用明德林( r d m i n d l i n ) 公式提出桩与地基土共同作用的弹性 理论法，推动了桩土和上部结构基础共同作用的深入研究。他在第十届国际土力学 及基础工程会议上作了土和结构物共同作用的总报告，详述了土与结构物共同作用 的发展和前景。1 9 7 7 年英国b u r l a n d 教授等学者根据桩土相互作用理论的研究指出， 对于天然地基的强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况，可以采用少量的桩 用于减少基础沉降变形。1 9 7 9 年h o o p e r 教授根据有限元的模拟分析，指出为了建 立竖向刚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最 大沉降和差异沉降的作用非常小。1 9 8 6 年r wc o o k e 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，认为按照目前强度控制的桩基常规设计方法设计的 桩基础的实际安全系数要远大于设计中所取的2 或3 ，并且指出，“在桩基础纯粹用 来减少基础沉降的地方，均质土中模型桩的实验表明，在桩距为4 倍桩径时再加入 更多的桩并不能显著地减少沉降。实验结果和简单的分析方法均表明，6 倍桩径或 8 倍桩径的桩间距几乎与小桩径时一样有效”。瑞典学者在进行了大量有关减少沉降 桩基础的理论和现场试验的系统研究基础上，并由j & w 设计顾问所提出了c r e e p p “e 的设计概念和方法，在瑞典得到了应用。1 9 9 4 年m f r a n d l o p h 指出桩的作 用是减少沉降到一个可接受的水平，桩基设计应向极限承载力设计，强调了非线性 设计的重要性。 在国内，共同作用的发展大致经历了以下几个阶段： 2 3 1 第一个阶段：简单的共同作用阶段。早在3 0 年代的上海，对于桩筏或桩箱基础 华南理工大学硕士学位论文 嫂计，人们已意识到基底土可以参与承受部分建筑物的荷载，采用简易实用的共同 作用理论，即在基础底面的有效面积( 总面积减去桩的面积) 的范围内的土，用“老 八吨”的承载力来承担部分的建筑物的总荷载，而建筑物余下的荷载则由桩来承担。 可以这样说，采用这种简易实用的共同作用的方法进行设计的高层建筑是成功的， 有些设计还是保守的。 第二阶段：不考虑共同作用的阶段。在新中国成立后一段时间内，未能发展桩 筏或桩箱基础的简易实用的共同作用理论的设计方法，而主要采用结构力学的方 法。该方法将整个静力平衡体系分割成三个部分，各部分独立求解。因而只满足荷 载与总反力的静力平衡条件，却完全未能考虑上部结构与基础之间连接点与土介质 之间的接触点上位移连续的条件，从而导致结构内力与变形和接触点的内力与变形 均与实际情况不相一致。不过，在以手算手段为主要计算手段的时期，采用这样简 化的分析方法也是很自然的事。 第三阶段：受到计算条件的限制，仅考虑地基与基础的共同作用阶段。该方法 仅考虑基础与地基土之间位移连续与协调，进行共同作用分析，上部结构仍然作为 独立结构分析。由此发展起来的弹塑性地基上梁、板理论，后来又进一步发展到筏 基的分析和箱形基础的计算理论。随着高层建筑的发展，桩长度加和数量加大，基 础的形式也变得更加丰富，桩基础同其它基础形式联合，形成桩梁，桩筏和桩箱等 复杂的基础形式。因此，即使没有考虑上部结构参与共同作用，分析工作己相当繁 琐：手算只能作粗略的估计，精确计算有赖计算机才能胜任。 第四阶段：全面考虑上部结构与地基和基础共同作用的阶段。是从7 0 年代开始， 伴随着结构分析有限元( 特别是子结构分析技术) 的进展和计算手段的极大改善，力 求从理论上回答实践中提出的各种问题的最佳方法就是统一考虑上部结构、基础和 地基的共同作用。这种分析方法是运用子结构方法，将上部结构的刚度和荷载逐层 向下凝聚到基础子结构的上部边界，形成全部上部结构的等效边界刚度矩阵和等效 边界荷载向量。将等效边界刚度矩阵和等效边界荷载向量叠加到基础子结构上去， 并根据基础与地基接触点的静力平衡和位移协调条件，得到考虑三者共同作用的基 本方程，求解方程后得到基础子结构的结点位移。再从下向上进行子结构回代，即 可得到上部结构各点的位移，从而进一步给出所需结点处的内力。 第五阶段：按变形控制设计阶段。1 9 7 9 年我国著名岩土工程前辈童诩湘先生基 于群桩基础工作机理的分析，提出了分不同情况按沉降设计桩基的初步设想。8 0 年 代中后期上海民用建筑设计院黄绍铭等人在所提出的以g e d d e s 应力解为基础的桩 基沉降计算方法的基础上，提出减少沉降量桩基的设计思想和方法，并开始进行了 过程实践尝试。 第六阶段：按差异沉降控制的变形设计。宰金珉在复合桩基理论的基础上，对 特大桩距的复合桩基( 例如桩距大于或等于9 倍桩距) ，提出了塑性支承桩一卸荷减 第1 章绪论 沉桩的新概念，并给出了其沉降计算的方法及其工程应用的基本原则；并进一步指 出共同作用优化的最基本、最良好的状态是：通过合理地布置桩( 不要求这些桩的桩 距、桩长、桩径的一致性) ，再配合基底垫层的变化，最终使不均匀沉降减少到接 近于零。 4 刘金砺研究员则以共同作用理论为基础，论述优化桩土刚度分布、减 少差异变形的变刚度调平设计原理与方法，并以工程实例说明采用这种方法可收到 良好的技术经济效益。口1 由上所述，共同作用是设计分析中更符合实际工作状态分析方法。整个建筑物 各部分及地基工作状态，建筑物的沉降分析控制，桩的承载力发挥程度，桩问土的 承载力发挥状态等在共同工作分析中是紧密结合在一起的。目前的规范 6 、 7 、 8 、 9 等都己在多处体现共同作用和沉降控制的研究成果。 1 2 共同作用的实现方法 共同作用课题的研究，将三者本身特性互相结合成一个整体进行研究，影响因 素很多，分析难度较大。目前对文克尔地基、线弹性地基( 包括层状地参、有限压 缩层地基等) 采用筏基、箱形基础的框架结构、剪力墙结构等多种结构形式的高层 建筑与基础和地基的共同作用分析已经实现；而非线性桩基条件下筏( 箱) 基一桩群 一地基的共同作用，由于涉及因素较多，较难给出定量分析，近年来在国内外引起 广泛的重视。 一类研究方法是将地基视为弹性半空间，在承台为刚性的假定下进行共同作用 分析，这种分析方法虽然简单明了，但没有反映土的非线性和不均匀性。m ，m 另一类研究则将承台、桩、土和桩土界面均作有限元分割，进行弹塑性全数值 分析，这对探讨与验证共同作用的机理有重要意义，但作为实用分析手段是不经济、 不现实的。“2 1 目前主要的共同作用处理方法有以下几种： 1 引入桩顶压力一沉降的分段线性关系的文克尔模型，忽略桩与桩、桩与土的 相互作用。“1 2 对于粘弹性饱和地基和上部结构与基础的共同作用问题，提出的能同时考 虑瞬时变形、固结变形和流变的共同作用的粘弹性地基模型，利用计算机程序建立 计算模型，对地基固结流变过程中的上部结构和筏板的内力进行分析，得出固结、 流变引起的结构内力变化规律。“ 3 运用荷载传递函数模拟单桩变形非线性，以半解析半数值的有限层法和有限 元为基础，运用子结构法建立桩筏基础共同作用的有效分析方法，算例表明了子结 构法在桩筏基础共同作用分析中的有效性。【蜘 4 采用广义剪切位移法和有限层法模拟桩的非线性工作性状、地基土的层状非 华南理丁大学硕士学位论文 均质性和桩一土、桩一桩、土一土之间的弹塑性相互作用，以建立桩土支承体系弹 塑性刚度矩阵。把桩间土某点的变形分离成两部分：一是线弹性变形( 形) ，由所有 点( 包括桩侧，桩端和承台底) 的荷载所引起；另一是土的总变形减去了线弹性变形 的部分形= w 一彬，可称之为拟塑性变形，仅仅由该一点的荷载所产生，用广义剪 切位移法分析桩周土的拟塑性变形却误差很小，仍然是可用的。于是柔度矩阵表示 为弹性柔度矩阵和塑性柔度矩阵之和，采用增量形式共同作用方程计算。1 1 4 i 5 针对具有非规则形状筏板、非均匀布桩的桩筏基础，采用筏基无单元方法对 筏板进行模拟，以桩与桩、桩与土相互作用的新模型为基础，建立了层状地基上桩 筏基础与地基共同作用的一种新型分析方法。该方法便于布桩优化分析，并可进行 桩与土相互作用的非线性分析。旧 6 应用最小势能原理求解，将筏基作为一块整体板，以筏基的变形性态及边界 条件出发，设计一种位移模式，然后根据上部结构柱结点、桩土结点施加于筏基的 作用力，应用最小势能原理建立共同作用分析的基本方程，求解方程得到上部结构 柱结点和桩土结点的反力、筏基中任意点的弯矩、扭矩、正应力和剪应力，提出了 一种更切合实际的位移模式。| 1 q 7 维弹性有限元法研究了竖向荷载作用下，群桩基础中桩一承台一土的共同作用特 性，着重研究了桩顶反力分布、承台分担比及沉降变形随s d ，l d 及e 等诸因素的 变化规律，并对桩基优化设计途径进行了初步探讨。f 佣 8 将群桩中每一根桩的桩顶沉降分成桩身压缩和桩端沉降分别计算，桩身压缩 按照静载荷试验的q - s 曲线或者6 e d d e s 法确定，桩端沉降按照等效分层总和法计 算。根据桩顶荷载和桩顶沉降确定群桩中单桩的刚度。将桩简化成一定刚度的弹簧 作用在筏板下，筏板采用1 6 节点退化实体等参单元分析，和目前各种板的有限元 分析方法相比该单元适用各种变厚度、不规则平面形状的薄板和厚板同时根据需要 还可以考虑板的水平变形。采用利夫金的三参数模型介于连续模型和w i n k l e 描述 桩间土体。 1 3 复合桩基和刚性桩复合地基设计方法 1 3 1 复合桩基基本定义和工作性状 为了能充分发挥桩间土的直接承载力，近年来大间距桩基只益受到国内外工程 界的关注。一般地，在如下两种情况下可考虑采用复合桩基： ( 1 ) 天然地基承载力满足要求，沉降过大，采用少量桩以减少沉降( 称为减沉 桩或控沉疏桩基础) ； 第1 章绪论 ( 2 ) 天然地基承载力与沉降均不能满足要求，采用适量桩补充天然地基承载力 不足，同时将沉降减少至沉降限定值以内( 或称为协力疏桩基础) 。 复合桩基理论属于强度控制设计理论范畴，以桩土荷载分担比来划分基础类型 的( 桩间土的直接承受荷载的比例) ，而按沉降控制设计的桩基是从基础变形角度 来划分基础类型的。疏桩桩基或者沉降控制桩基桩间距比一般常规设计的桩基础桩 间距大得多，属于变形控制设计理论范畴，反映了桩土共同作用充分发挥了桩与桩 间土的承载力的设计方法。 复合桩基这项新型基础型式在我国上海和温州地区已经得到比较广泛的工程 运用，到目前为止设计建造的多层建筑物超过数百万平方米，1 9 9 4 年上海市地方标 准地基处理技术规范( d b j 0 8 4 0 一9 4 ) 已经将其列入其中，取名为“沉降控制复 合桩基”。2 0 l 传统桩基理论属于强度控制理论范畴，假定上部结构荷载全部由桩来承担。对 常规桩基，建筑物荷载被认为主要由桩承担， 7 对其承载力安全系数己有较为明 确的规定；沉降计算规定为：对于桩中心距小于或等于6 倍桩径时，其最终沉降量 可采用等效作用分层总和法计算。等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为桩承 台投影面积，取实体基础底面平均附加压力计算等效作用附加应力，等效作用面以 下的应力分布采用各向同性均质直线变形体理论。设计中通常采用等代墩基分层总 和法计算。 对于桩距较大的基础， 7 中明确地提出了复合桩基的概念( 即由桩和承台底地 基土共同承担荷载的桩基) ，使我国桩基工程从单一安全系数法，发展到较先进的 分项效率系数法和承载力与变形双控制的概率设计理论。根据若干现场试验总结得 到的结果，使基础既能发挥桩的传力作用，又能充分利用桩间土层承载力的补偿作 用。 由于桩间距很大，群桩效应已经退至次要地位，单桩荷载往往远超过其容许承 载力只，甚至接近极限荷载只，桩的荷载一沉降关系己进入明显的非线性阶段。这 种疏桩在受力机理和工作性态已经不同于通常意义上的桩基，而是处于天然地基和 桩基的过渡阶段，单桩的非线性工作状态在其中起着决定作用。而且，桩中心距往 往大于6 倍桩径，如筏基柱下布桩、条形基础或筏基墙下布桩，这时，将复合桩基 视为实体基础是不恰当的。 1 3 2 复合桩基的各种设计方法 1 沉降控制复合桩基设计方法 沉降控制复合桩基由设计方法是由上海市民用设计院黄绍铭等提出，方法的实 质是桩和承台与地基共同作用的设计应用。目前已经体现在上海市地方标准地基 华南理工大学硕士学位论文 处理技术规范( d b j 一4 0 9 4 ) 和上海市工程建设规范地基基础设计规范 ( d b j 0 8 1 1 1 9 9 9 ) 上。该方法是根据g e d d e s 按照弹性理论中m i n d l if i 应力公式 积分后得到的单桩荷载在半无限体中产生的应力解，应用简单叠加原理求得群桩荷 载在地基中产生的应力，然后按照分层总和法计算沉降并进行适当的修正。在桩土 的荷载分担上做了以下假定：承台底面的荷载长期效应组合值大于单桩极限承载力 标准值之和时，桩分担相当于各单桩承载力标准值之和的荷载，承台下地基分担余 下荷载，反之，荷载全部由桩承担。沉降计算中，根据承台荷载对是否考虑承台土 压缩作出判断。桩数确定时可以根据不同桩数进行沉降计算，得到沉降与桩数的关 系，再根据允许建筑物允许沉降确定所需桩数。简化计算中，可以仅计算三种不同 桩数( 按照常规设计确定的桩数，按照上述桩数确定的桩数和桩数为0 布桩时的沉 降按照线性变化假定求得近似的桩数与沉降关系。该法可以考虑桩基中桩数、桩间 距、不规则布桩、不同桩长等因素对沉降计算的影响。川 2 减少沉降桩基设计方法 减少沉降桩基由杨敏在1 9 8 8 年提出，并于1 9 9 7 年研制了同济的启明星桩基础 沉降计算软件s c p f ，使用户可以方便得到桩数和沉降的关系曲线。减少沉降桩基础 可用于天然地基的强度能满足设计荷载要求，沉降过大的情况。减少沉降计算中分 为群桩分担荷载所引起的沉降和承台分担的荷载所引起的沉降。计算中实际是把桩 间应力应变关系假设为理想弹塑性关系，假定单桩的荷载达到时，各桩荷载不能增 加，余下的荷载由基础板承担。实质是利用桩承担部分荷载，那么原来天然基础的 沉降减少，同时桩作用是将荷载往土深层传递，故荷载将产生比原来天然地基少很 多的沉降。1 2 0 】 3 疏桩基础设计方法 疏桩基础是温州设计院管自立在1 9 8 7 年提出并进行尝试的。其构思是用桩来 补偿天然基础、改善天然基础利用天然地基的承载力来减少桩基和疏化桩基，以 达到桩基和天然地基互补效应，这样上部荷载就不再是全部由桩承担，而是由桩和 桩间土共同形成的一种复合地基。厶= ( 1 1 5 ) b 该方法主要是提出了设计中要对桩的极限荷载进行折减，即桩的有效工作长度 应该予以折减。折减的方法为：k 教= l k ，l 。= ( 1 1 5 ) b ，口为承台宽。并且求得 沉降量估算的疏桩率与沉降的关系曲线，简便的估算沉降。 桩的有效工作长度应该予以折减是基于模型试验研究提出的。模型试验中桩承 台下地基土的压缩变形使位于承台下某一区段的桩因摩擦力得不到发挥，实际的桩 发挥承载力不可能达到极限值：桩间土承载明显滞后于桩基，只有当建筑物的沉降 超过单桩试桩极限承载力时，桩间土才承担上部荷载。【2 2 i 6 第l 章绪论 1 3 3 桩体复合地基的各种设计方法 建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 定义了复合地基的概念：地基处 理过程中部分土体被增强，或被置换，而形成的地基土和增强体共同承担荷载的人 工地基。其中，按照形成桩体复合地基一般分三类：散体材料桩复合地基、柔性桩 复合地基和刚性桩复合地基。通过桩体的作用，使地基在受力工作过程中既利用了 地基土的承载力又明显发挥了桩体的作用，改善受力变形性质。 复合地基设计考虑桩、承台与土的共同作用，要求承台底土层有较高承载力， 若承载力不满足要求，可进行加固；同时可充分发挥桩的承载能力，大大减少用桩 数，降低基础工程的造价，具有良好的社会和经济效益。设计时分别考虑采用天然 地基、换土垫层、水泥搅拌桩和桩基等方案。沉降观测结果表明建筑物的沉降不大， 效果非常明显。1 2 3 】 为了保证充分利用桩与桩间土，使土在复合地基破坏时能够同时达到各自的极 限承载力，在刚性桩与天然地基中应设置一定厚度的褥垫层，通过改变褥垫层的模 量和厚度，可调节桩土之间的应力比。 在不设褥垫层的情况下，桩承担主要荷载，随着荷载的增加和基础的沉降变形， 桩间土的承载能力才逐渐得以发挥。若桩端置于不可压缩层或压缩量极小的土层上 时，由于桩端无法刺入土层或刺入量很小，可能无法使土进入工作状态而达不到共 同作用效果，即不能形成复合地基或复合桩基，此时，应设置一定厚度的褥垫层， 为桩顶提供一向上刺入量。【2 4 】 刚性桩复合地基中的桩强度和刚度比较大，采用较少的桩数就能显著增大承载 力，使加固地基的承载力和沉降满足要求，在上部结构荷载比较大的高层建筑运用 广泛。刚性桩复合地基桩土刚度比太大，桩和土的变形不能协调，通过设置褥垫层 使桩和土能始终参与工作，从而形成真正的复合地基。【2 5 】 复合地基把将桩土当成是复合材料，将桩和土看作一个整体进行设计计算。沉 降计算可分为加固层和下卧层两部分进行沉降的验算。 1 4 研究课题提出、实现及意义 共同作用的分析经历了一个较长的发展的阶段，存在多种设计分析方法，而利 用桩间土承载力的大间距桩基分析设计又必须通过共同作用分析是才能够实现。因 而本文首先分析共同作用分析的各种分析方法及其分析结果的差别继而通过共同 作用的时程分析方法对大间距桩基的工作状态、设计方法、安全度作一定分析。 桩间距大的共同作用分析需要考虑桩的非线性变形，考虑土的作用以正确地分 华南理工大学硕士学位论文 析桩、土、承台的共同作用。由于桩间距较大，大部分土体均处于应变水平很低的 远场范围内，可认为只产生弹性位移反应，桩与土( 指非桩周近场) 、桩与桩和土与 土的相互影响均按弹性计算；群桩中的每一单桩与桩侧土( 近场高应变区) 之间的工 作性状为弹塑性状态，须模拟出桩与近场土的非线性相互作用。 本课题将数值方法与有限元结合进行上部结构一筏板一群桩一土共同作用分析， 使上部结构、筏板、桩、土的复杂非线性共同作用得以实现。课题中主要运用层状 横向各向同性弹性半空间模型来模拟土体；采用空间杆件单元来离散上部框架或者 剪力墙，每个单元1 2 个自由度，以考虑作用在不同平面、不同方向、不同类型的 荷载；采用4 节点平板非协调元板单元模拟筏基；采用一维弹性杆单元模拟桩体； 利用荷载传递法考虑桩非线性并利用较大的桩距桩的相互影响的有限性，简化桩土 支承体系的剐度计算；采用子结构法实现刚度和荷载的凝聚：运用增量子结构方法 建立共同作用时程分析基本方程。通过这样的分析，既反映了群桩与土共同作用非 线性性状，又大大简化了分析过程，最终实现对复合桩基和桩体复合地基的非线性 共同作用分析。 复合桩基和桩体复合地基由桩土两种不同的承载机理的材料共同承担上部结 构荷载。由于桩和土的承载机理有较大的差别，桩土的工作状态在承载变化的过程 也是个变化的过程。故运用增量子结构非线性共同作用时程分析的方法，考虑上部 结构、筏板、桩、土的作用，分析各部分的工作状态。 综上所述，本文着重对单桩非线性工作性状的有效模拟；共同作用方法的差别； 复合桩基和桩体复合地基工作状态进行分析研究，希望能得到以下一些有益于工程 实践的结论，并提出相应的可以运用在实际设计的概念方法： ( 1 ) 在前人分析基础上，将单桩荷载传递函数归一化，统一表达侧阻的强化， 退化等关系。 ( 2 ) 讨论单桩荷载传递函数中计算参数对桩工作性状模拟的影响，单桩非线 性工作性状的模拟。 ( 3 ) 建立增量子结构共同作用时程分析方法。 ( 4 ) 比较绝对刚性基础假设和考虑上部结构实际刚度( 筏板厚度、上部结构 刚度) 计算的差别( 桩顶反力分布、桩侧阻分布、土反力分布、桩土分担比、总沉 降、差异沉降、沉降分布等的特点) 。 ( 5 ) 比较线性分析与非线性分析计算的差别计算的差别( 桩顶反力分布、桩 侧阻分布、土反力分布、桩土分担比、总沉降、差异沉降、沉降分布等的特点) 。 ( 6 ) 建立复合桩基的考虑桩土相对位移的增量子结构共同作用时程分析方法； 对复合桩基各阶段工作性状进行分析研究，并探讨目前复合桩基的合理设计方法。 ( 7 ) 建立复合地基的增量子结构共同作用时程分析的方法；对复合地基各阶 段工作性状进行分析研究，并探讨复合地基的合理设计方法。 8 第l 章绪论 ( 8 ) 分析桩身材料刚度、褥垫层的设置对复合桩基工作状态的影响。 ( 9 ) 分析对桩身材料刚度、褥垫层的设置刚性桩复合地基工作状态的影响。 ( 1 0 ) 荷载施加过程中复合桩基和复合地基桩土各自的安全度及基础整体安全 度的分析评价。 9 华南理丁大学硕士学位论文 第2 章基桩非线性工作性状分析 2 1 基桩工作性状概述 单桩的承载力传递机理如下：竖向荷载逐步施加于基桩顶部，桩身受到压缩而 产生相对于土的向下位移，与此同时桩的侧面受到土的向上摩阻力。桩身的荷载是 通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到桩周土中去的，致使桩身荷载和桩身压缩变形 随深度递减。在桩土相对位移为零处，其摩阻力尚未发挥而等于零。随着荷载增加， 桩身的压缩量和位移增大，桩身下部的摩阻力随之调动起来，桩底土层也因受到压 缩而产生桩端阻力。当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后，若继续增加荷载，其 荷载量将全部由桩端阻力承担。由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出，位移增长 速度显著加大，直至桩端阻力达到极限，位移迅速增大而破坏，此时桩的荷载为桩 的极限承载力。” 2 2 基桩侧阻力决定因素及其侧阻的强化与退化 2 2 1 侧阻力决定因素 1 桩阁土的性质 桩周土的性质是影响桩侧阻力最直接的决定因素。一般说来，桩周土的强度越 高，相应的桩侧阻力就越大。许多试验资料指出，在一般的粘性土中，桩侧阻力等 于桩周土的不排水抗剪强度；在砂性土中的桩侧阻力系数平均值接近主动土压力系 数。由于桩侧阻力属于摩擦性质，是通过桩周土的剪切变形来传递的，因而它