（岩土工程专业论文）基于共同作用理论的地基应力解除法纠偏机理及应用研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本文围绕桩基础应用地基应力解除法纠偏这一课题，在分析过程中采 用上部结构、桩基础和地基的共同作用分析方法，并用共同作用分析方法 对由于软弱地基上地面堆载倾斜纠偏的桩基础和地基的变形形态及建筑 物的纠偏过程进行了模拟，论文主要包括以下几方面： ( 1 ) 采用予结构法考虑上部结构的刚度影响，建立了多( 高) 层建筑上 部结构一基础一地基共同作用分析的平面应变有限元模型。用所建立的模型 模拟了一栋房屋的纠偏过程，并与常规分析方法的结果进行了比较。 ( 2 ) 采用无限元模拟远场区域土体的反应，用有限元模拟临近建筑物 的土体反应，用无限元与有限元边界耦合分析方法分析深厚软弱地基上的 基础。用共同作用分析模型模拟分析了由于桩基础附近地面大面积堆载倾 斜的纠偏过程的地基和桩基础的变形形态，并与仅采用有限元模拟的结果 进行了比较。 ( 3 ) 针对实际工程地质条件和施工条件，对地基应力解除法纠偏技术 的机理进行了探讨，对应力解除孔布置距建筑物基础边缘的距离对纠偏效 果的影响作了定量比较 ( 4 ) 针对纠偏的全过程，对纠偏的整个过程作了数值分析 本文较系统地阐述了多高层建筑上部结构一桩基础一地基的共同作用 分析方法，探讨了针对地面堆载倾斜纠偏的基础和地基的变形形态，所得 出的结论对建筑物的合理设计和纠偏方法的适宜采用具有指导意义。 关键词：共同作用；桩基础；子结构法；有限元；无限元；纠偏。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v i a t i o no fb u i l d i n gi sau s u a le n g i n e e r i n gi n c i d e n to fs o f ts u bg r a d e t h i s d i s s e r t a t i o ni sa b o u tt h ei n t e r a c t i o na n a l y s i sm e t h o db e t 3 e f ns u p e r s t r u c t u r e ，p i l ef o u n d a t i o n a n ds u bg r a d e i td e a l sm a i n l yw i t ht h ei n c l i n ea n a l y s i sa n dd e v i a t i o nr e c t i f y i n gm e t h o do fa h i g h b u i l d i n gr e s t i n go nt h i c ka n ds o f ts o i l t h em a j o rc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni s 勰 f o i i o w s ： ( 1 ) t h es t i f f n e s sa d o p ts u bs t r u c t u r i n gm e t h o dt oc o n s i d e ras u p e r s t r u c t u r eh a sa f f e c t e d ， t h em o d e lb u i l d i n gb eb u i l tt h a ta n a l y t i c a ls u l 七r s t r u c t u r ea n db a s i sa n df o u n d a t i o nc o m b i n e d a c t i o nf l a ts u r f a c em e e tt h ee m e r g e n c yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n d p r o c e s sh a v i n gs i m u l a t e da b u i l d i n gd e v i a t i o nr e c t i f y i n gw i t hw h a tb eb u i l tm o d e l ，t h er e s u l tw i t hr o u t i n ea n a l y s i sm e t h o d h a sc a r r i e do u tc o m p a r i s o n ( 2 ) a d o p tt h er e a c t i o ns i m u l a t i n gt h ed i s t a n ta r e as o i li n f i n i t ee l e m e n t , u s e sf i n i t ee l e m e n t m e t h o dt 0s i m u l a t et h er e a c t i o nb e i n gc l o s et ot h eb u i l d i n gs o i l , u s e sb a s i ca n df i n i t ee l e m e n t m e t h o da n di n f i n i t ee l e m e n tb o u n d l e s sb o r d e rc o u p l i n ga n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h ew e a k u p p e rd e e pf o u n d a t i o nb a s i s t h eb a s i sd e f o r m a t i o nf o r m ，a n dt h er e s u l tw i t ha d o p tf i n i t e e l e m e n tm e t h o d 协i m i t a t eo n l yh a v ec a r r i e do u tp r o c e s sf o u n d a t i o na n dp o l e h a v i n g s i m u l a t e da n a l y s i sw i t l ic o m b i n e da c t i o na n a l y s i sm o d e ls i n c et h ep o l eb a s i sv i c i n i t yf l o o r l a r g ea 瑚s t a c ki sl o a d e dw i t hd e v i a t i o nr e c t i f y i n gc o m p a r i n g ( 3 ) s p e c i f i c a l l yf o ra c t u a le n g i n e e r i n gg e o l o g yc o n d i t i o na n dt h ec o n d i t i o nb e i n gu n d e r c o n s t r u c t i o n , t h em e c h a n i s mo fd e v i a t i o nr e c t i f y i n gw i t ht h em e t h o do fr e l i e v i n gs u b g r o u n d - s t r e s si si n v e s t i g a t e dw i t ho n ec a s ew h i c hh a st h ep r a c t i c ec o n d i t i o no fe n g i n e e r i n g a n db u i l d i n g q u a l i t a t i v ec o n c e p ta n dq u a l i t a t i v ec o m p a r i s o na 糟p r o v e db yf e m ( 4 ) s p e c i f i c a l l yf o rt h ee n t i r ep r o c e e d i n gd e v i a t i o nr e c t i f y i n g ，t oe n t i r e n e s sd e v i a t i o n r e c t i f y i n g , p r o c e s sh a sa s s u m e dn u m e r i c a lv a l u ea n a l y s i s 。 “ n ed i s s e r t a t i o nh a v es e tf o r t hs u p e r s t r u c t u r ea n dp o l eb a s i sa n df o u n d a t i o nc o m b i n e d a c t i o na n a l y s i sm e t h o dm o r es y s t e m a t i c ，m e t h o dp r o p e r n e s st h ec o n c l u s i o nr e a s o n a b l e n e s s t h a tt h ed e f o r m a t i o nf o r m ，g a i n sh a v i n gd i s c u s s e dt h eb a s i sa n df o u n d a t i o ns p e c i f i c a l l yf o r t h ef l o o rd e v i a t i o nr e c t i f y i n gw i t hi n c l i n ep i l ep r o d u c et ot h eb u i l d i n gb e i n gd e s i g n e da n d d e v i a t i o nr e c t i f y i n ga d o p t st ob a v eg u i d i n gs i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：i n t e r a c t i o n ；p i l ef o u n d a t i o n ；s u bs t r u c t u r i n gm e t h o d ；f i n i t ee l e m e n t ；i n f i n i t e e l e m e n t ；d e v i a t i o nr e c t i f y i n g 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果： 采用无限元与有限元边界藕合方法，模拟分析了软弱地基 上桩基础应用地基应力解除法纠偏时的地基和桩基础的变形形 态。 尽我所知，到目前国内外文献未见报递 赭；燃t e t l p l ；划 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 建( 构) 筑物的纠偏( 也称纠倾) 技术的出现和兴起，一方面是由于土力学 理论的发展、地基处理技术及相应施工机械与监测技术的进步而使这些技术 的实现成为可能，另一方面是受与日俱增的客观需求分不开的l q 一些古建 筑的倾斜和相继倒塌，迫使人们采取各种措施来保护现存的古迹和文物；新 建建( 构) 筑物因地基处理不当或其它原因而发生倾斜，迫使人们开始重视建 筑物的纠偏和基础托底加固技术，以减少大量经济损失特别是在城市建筑 群密集的地方，新建建( 构) 筑物常常会促使既有建筑物发生不均匀沉降 当建筑物发生倾斜，对其进行倾斜分析和纠偏处理时，必须要注意的一 点就是上部结构和基础、地基处于一个彼此协调、相互影响的整体之中，上 部结构、基础和地基的共同作用使房屋整体处于某一特定构形，这一构形在 表观上表现为倾斜或沉降过大，或结构出现裂缝等，这不仅与基础及地基条 件有关，还与上部结构的荷载、刚度及施工方式等有关。同时，任何纠偏措 旌必须在保证上部结构安全的前提下进行。但由于纠偏技术发展得相对较 晚，使得纠偏技术本身还没有形成一个完整的理论体系，更不用说考虑上部 结构的安全。 纠偏研究应该考虑两个方面：地基与基础的分析方法和纠偏技术处理措 施。对于地基与基础分析方法方面，由于研究时间较长，在实践中积累了丰 富的经验，发展较完善但随着工程建设发展的需要，以前的一些方法和理 论也显示了一些不足和缺陷，迫使工程人员开始寻找新的方法和理论。例如 常规的地基基础设计方法就有以下不足：它是将上部结构和基础分开来考 虑，由此而忽略了它们之间的刚度对相互之间的变形和承载力的影响实践 证明这是不符合实际的，地基的变形和基础的沉降不仅与基础的刚度和地基 条件有关，还受上部结构刚度的影响州纠忽略某一项的存在，必然得出与 实际有较大出入的结果，特别是随着目前的建筑物高度越来越高，建筑物荷 载和刚度的变化幅度越来越大，这种分析方法所得出的结论与实际情况的差 距可能会更大在多数情况下，多层房屋惯用的基础形式、设计理论与篪工 方法不能简单地搬用于高层建筑，必须探索适合于高层建筑的理论和方法。 目前，比较合理的分析方法是综合考虑上部结构、基础和地基的相互影响， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 即采用共同作用分析方法。随着计算机的发展和电算技术的进步，这一问题 的实现己变为可能。特别是由于工程建设发展的需要，对共同作用分析方法 的呼声也越来越大，如何能更加真实地反映工程实际，避免使建筑物倾斜或 倒塌，是工程师们所面临的挑战。对于纠偏技术方面，虽然过去采用过许多 纠偏方式，这些方式也曾成功地应用于多栋建( 构) 筑物的纠偏工程中，但系 统的理论研究较少；此外，目前的一些纠偏方法主要应用于浅基础，对深基 础( 例如桩基础) 的讨论较少这些因素都迫使工程技术人员不断地寻找新的 计算理论和方法 1 2 建( 构) 筑物倾斜控制及常用纠伯方法概述 1 2 1 软粘土工程特性及建( 构) 筑物倾斜原因分析 软粘土一般指含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性低、 灵敏度高的粘性土的泛称在我国东南沿海及某些内陆地区，如上海、天津、 连云港、宁波、温州、福州和广州等沿海城市，及昆明和武汉等内陆地区， 广泛分布着软粘土 随着我国经济建设的发展与对外开放的需要，不断地兴建各类工矿企 业、商业大厦、宾馆饭店、多层与高层住宅、保健医院、办公大楼、剧场影 院、文化艺术宫、体育场馆以及立交桥等，良好的地基条件越来越少，一些 建( 构) 筑物不得不座落在不良的场地上其中也包括承载力低的饱和软粘土 地基上。同时人们在兴建建筑物时，对于不熟悉地区上的工程地质微观机理、 宏观特性了解不够充分，对地质勘探、分析设计、施工、监测等环节又重视 不够，从而留下隐患，酿成事故因此近年来，建筑物倾斜事故时有发生。 分析建( 构) 筑物体倾斜，主要有局部倾斜、整体倾斜、单向( 纵向或横 向) 倾斜、双向倾斜、非等量倾斜( 房屋扭曲、挠曲) 等建( 构) 筑物倾斜可 能发生在施工过程中，也可能发生于施工结束之后，多数事例是在施工后期 明显察觉且迅速发展，施工结束以后数年甚至十余年才能趋于相对稳定，也 有继续恶化的，古建筑在漫长的岁月中倾斜不断加剧的情况也不乏实例。 分析引起倾斜的原因，归纳起来不外乎上部结构、地基基础以及外界干 扰三个方面，其中地基基础是主导的因素具体来说，主要是以下的原因： 上部结构方面的原因： 荷载偏心( 设计荷载偏心或实际使用荷载偏心) ，建筑物的设计偏重于 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 非对称的美学艺术，造成建筑结构的不匀称，上部结构对地基施加的荷载作 用不均； 建筑物体型复杂，平面多变，立面高低悬殊，沉降缝处理不当，布局 不当造成不利的荷载分布影响： 施工误差，或施工顺序不当，加载不均 地基基础方面的原因： 地质变化不均，地基土层的压缩性、厚度的分布有较大空问差异，如 建筑物跨越不同地貌单元。压缩层厚度变化，有暗沟、暗浜分布，有掩埋老 基础块等硬物项托； 土质软弱，地基承载力不足，在基底压力下已产生范围较大的塑性区， 或者发生长期的流变； 基土具有膨胀、湿陷等不良工程性质，在相应的不利条件下产生不均 匀变形； 岩溶、土洞、塌陷、滑坡、潜蚀，振动液化等原因引起地基失稳； 篪工对地基土的扰动，地基处理不当，基础设计不当，基础设计有误 或者旖工质量差； 地基土受污染侵蚀丧失强度和承载力 外界原因： 相邻建筑物荷载、大面积地面堆载或填土引起的附加沉降； 邻近基坑开挖或挡土结构破坏，改变原有平衡状态，引起地基土侧移； 附近抽降地下水( 如基坑律水，管井抽水) 引起附加沉降； 邻近施工扰动( 如打桩振动，注浆挤压) 使地基土触变，强度下降，引 起附加沉降； 风力和日照可引起高耸构筑物倾斜。 所以，引起建筑物倾斜的原因是非常多的，但有些因素是可以通过详细 勘察和合理设计( 包括上部结构和地基基础的设计) 来避免的。以上三类倾斜 原因中，上部结构和地基基础方面的原因可以通过详细勘察和合理设计来避 免；而环境和外部干扰的原因却是设计时无法全部预料的，也是引起建( 构) 筑物倾斜的主要原因要使建筑物完全不倾斜是非常困难的。一般的建筑或 多或少都有一定的倾斜度 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 1 2 2 房屋倾斜控翻标准及危害 据统计，当房屋的倾斜率达到4 时，房屋内的住户便会有居住不适， 使用不便的感觉：如果倾斜率达到7 ，房屋就会有严重损坏的危险建筑物 产生过大的偏心力矩，引起基础一侧的应力剧增，严重时会导致建筑物整体 倾覆或受力构件被破坏 对己倾斜的建、构筑物危险程度的鉴定或确认是否应作纠偏处理，应充 分考虑其结构特征和倾斜引起的后果。通常建、构筑物倾斜会带来以下问题： 结构功能的障碍由于荷载作用线偏离承载构件( 墙、柱) 的轴线，这些 构件将承受附加弯矩，严重时发生裂缝丧失功能。 使用功能的障碍住宅过度倾斜可给住户造成种种不便，如门窗变形， 启闭不灵，装修破损，捧水不畅等生产厂房的倾斜则可能导致设备运转的 故障，管线联接困难等。 给人们造成心理上的压力当倾斜达到人的感官能明显察觉的程度时， 人们将产生不安全感，严重影响工作和生活的情绪。 对待倾斜的建( 构) 筑物，首先应该按照国家或地方政府颁布的有关规 范、标准进行危险程度的鉴定，或者由结构工程师对各倾斜构件进行计算检 验，决定是否进行纠偏以及纠偏到何种程度见表1 1 给出的是房屋倾斜的 控制标准” 衰卜l 建筑物的地基变形允许但 地基土类别 变形特征 中，低压缩性土高压缩性土 翻体承重结构基础的局部倾斜 0 20 0 0 3 工业与民用建筑相邻柱基的沉阵差t 框架结构 0 0 0 2 l ,0 孔 砖石墙填充结构 0 0 0 0 7 l0 l l 当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构 0 0 0 5 l0 5 l 单层捧架结构( 柱距t i m ) 柱基的沉降量( m )( 1 2 0 ) 2 0 0 桥式吊车孰面倾斜( 按不调 纵向0 0 0 4 整轨道考虑)横向0 0 0 3 h g 2 4 0 0 0 4 2 4 1 t g 6 0 0 3 多高层和高层建筑物的慑斜 6 0 1 0 0 0 0 0 1 5 辽宁工程技术大学硕士学位论文 h g 2 0 0 8 2 0 h g 5 0 0 1 0 0 6 5 0 h g 1 0 0 o 0 0 5 高耸结构基础的倾斜 1 0 0 h g 1 5 0 o 0 0 4 1 5 0 h g 2 0 0 o 0 0 3 2 0 0 h g 2 5 0 o 2 高耸结构基础的沉降量 h g 1 0 0 ( 2 0 0 )4 0 0 1 0 0 h g 2 0 0枷 ( _ ) 2 0 0 h g 2 5 0 2 0 0 注：1 有括号肴仅适用于中压缩性土l 2 l 为相邻柱基的中心距离；h g 为白室外地面起算的建筑物高度l 3 馁斜指基础倾斜方向两螭点的沉降差与其距离的比值i 4 局部倾斜指瑚体承重结构沿纵向6 - 1 0 m 内基础两点的沉阵差与其甩膏的比值 当建( 构) 筑物的倾斜值或沉降量超过允许值时，为了保证建( 构) 筑物的 功能，就必须采取一定的工程措施对建筑物进行扶正，即纠偏处理。由于纠 倾扶正是一项综合性技术。与许多学科相关，并且十分依赖于实践，目前该 技术在理论和实践上都还不十分成熟”j 己经采用的纠偏方法很多，但主要 是依靠技术人员的工程经验；理论研究则较少。 1 3 多层建筑钓基础分析与设计方法发展概况 建筑物上部结构、基础和地基同处于一个共同作用的完整系统之中，但 是长期以来由于受计算手段的限制，在分析建筑物基础和地基时，总是对上 部结构与基础以及基础与地基之间的联系作一些简化，这些简化模型在一定 时期内解决了一些问题，但在情况稍微复杂一些的场合下就显得无能为力 了，或者会得出与实际有较大出入的结果。多( 高) 层建筑物基础分析与设计 方法大体上经历了三个发展阶段”1 ：( 1 ) 不考虑共同作用的阶段，( 2 ) 仅考虑 基础与地基共同作用的阶段，( 3 ) 开始全面考虑上部结构与基础和地基三者 共同作用的阶段。 传统的设计方法( 即不考虑共同作用的方法) 是将上部结构隔离开来考 虑，并用固定支座来代替基础，求得上部结构的变形和支座反力，但支座是 假定为没有变形的；然后把支座反力反作用于基础上，假定地基反力是线性 分布的，因此可以求得基础内力和变形；再把地基反力反作用于地基或桩上 来校核地基的强度和变形。实践证明，上部结构的刚度对基础的内力和变形 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 有着直接的影响，在理想情况下可以把上部结构视作绝对刚性或绝对柔性 的。如图卜1 ( a ) ，当把上部结构视作绝对刚性时，当地基变形时，各柱的 下沉量是按线性分布的，如果不考虑柱端的抗转动能力，则可以把基础作为 倒梁来处理，它不产生整体弯曲；如图卜1 ( b ) ，当把上部结构视作绝对柔 性时，其对基础的变形没有约束作用，于是基础在产生局部弯曲的同时，还 经受很大的整体弯曲 厂、一，1 通融 圈i - i 上部结构刚度对地基变形的影响及地基弯矩圈 实际结构物处于上述两种情况之问，上部结构的刚度对基础的内力和变 形的有着直接的影响。所以采用固定支座来处理上部结构与基础之间的连接 是与实际不符的，它是在计算手段较落后时代所采用的方法地基的内力和 变形还与基础的刚度和地基条件有关，实践证明，当基础刚度不同时，地基 的内力和变形会显现出不同的形态”“。在上述方法中，如果忽略上部结构 刚度的影响，用结构力学方法求得作用在基础上的荷载后，将它作为外荷载， 考虑基础和地基的相互作用，发展得到弹塑性地基上的梁和板的变形理论。 这些理论后来用于求解箱形基础和筏板基础的内力和变形，以及桩与筏板、 桩与箱的复合基础形式的内力和变形。但此时计算己经很复杂了，只能借助 于计算机。z e i n k e i w i c z 和c h e u n g 首次应用有限元法研究了地基基础的共同 作用”。 而全面考虑上部结构与基础和地基共同作用的阶段是从上个世纪8 0 年 代开始的，它是随着有限元法的进展和计算机的发展而逐步被应用到工程中 来的。广义地讲，共同作用分析是指任何结构物与地基土体的相互作用分析： 在高层建筑基础分析中，它包含三种既有联系又有区别的概念：地基与基础 的共同作用，基础与一l 部结构的共同作用，以及地基、基础与上部结构的共 辽宁工程技术大学硕士学位论文7 同作用。自上个世纪8 0 年代以来，多( 高) 层建筑上部结构、基础和地基的 共同作用分析已越来越多地应用到工程实践中去，对共同作用分析方法的探 讨也成为学术界的一个热门课题每年成百上千的高层、超高层建筑物的兴 建对现有基础分析方法提出了挑战，同时也带来各种新经验共同作用分析 方法的发展是与生产的发展、技术的进步、特别是计算手段的突飞猛进密切 相关的考虑上部结构对基础内力和变形、地基变形的影响又是由于子结 构分析技术的出现和发展而成熟起来的p r z m e m i e n i e c k i 提出了子结构法 ，t l a d d a d i n 首次应用予结构法研究地基和基础与上部结构的共同作用” 此后，地基、基础与上部结构的共同作用引起了人们的注意 按照子结构的思想，可以把上部结构的刚度和荷载凝聚到基础子结构的 边界上，得到上部结构的等效边界刚度矩阵i 如l 和等效边界荷载向量豳。 。 假定基础的刚度矩阵为医l ，对于地基的刚度矩阵，有两种处理方法：其一是 把它和基础同时离散，此时基础和地基的总体刚度矩阵为卜j ，其二是按照 子结构的思想，把它的刚度凝聚到与基础相连的边界节点上，此时它的刚度 矩阵为l 磁i ，则共同作用分析的总控制方程可以表示为： + + k s 肛j = 蛔 + 协j ( 卜1 ) 根据子结构法的思想，模型的某一部分对整体的影响，可以仅用它的等 效边界刚度矩阵( 有时还包括质量矩阵) 和等效边界荷载向量来代替，这就提 高了计算效率。此外，还可以构造多级子结构子结构法对于求解刚度矩阵 为高度稀疏的结构，例如板、粱、壳等，是非常有效地，它们能保证保留节 点相对较少，这对于上部结构是很适合的，因此，子结构法经常用于共同作 用分析中。除采用子结构法以外。对上部结构刚度的贡献还先后作过许多简 化，提出许多简单可行的分析途径，与子结构有限元法相辅相成，如弹性杆 法( 叶于政、孙家乐。1 9 8 0 ) 、有效刚度法( 孙家乐、张雷，1 9 8 6 ) 、加权残数 法( 刘开国，1 9 8 7 ) 等 共同作用分析方法首先是在浅基础上开展起来的，1 9 8 1 年在同济大学召 开了“高层建筑与地基基础共同作用学术交流会”，代表这一课题在这一时 期我国的研究水平这一时期，对高层建筑与箱形( 筏板) 基础及地基的共同 作用研究进展主要包括3 个方面的内容“ ( 1 ) 地基模型及其参数的研究，在共同作用分析中引进非线性弹性和弹 辽宁工程技术大学硕士学位论文8 塑性地基模型，对模型参数的取值进行了许多卓有成效的研究聊“ ( 2 ) 共同作用分析方法研究，在共同作用分析中引进子结构分析方法， 包括双重与多重的子结构逐步扩大法，不但可以解决大型结构计算量大与计 算机储存量不足的矛盾，而且可以反映施工期间结构逐层增加、结构刚度变 化对共同作用的影响p l l i l 2 1 1 3 1 。 ( 3 ) 对共同作用规律性的认识，通过2 0 多年对高层建筑上部结构、基础 与地基共同作用的实铡和理论分析，对共同作用的基本规律有了迸一步的认 识 1 4 | o 高层建筑桩基础与上部结构的共同作用理论的研究是在高层建筑箱基、 筏基共同作用理论的研究基础上发展起来的，对桩箱、桩筏基础的共同作用 研究在原型实测、模型试验和沉降计算方面都取得了很多成果，见文献 1 、 1 5 1 7 由于桩的设置，使得地基更加复杂，再加上桩的力学机理本身 还有许多不完善的地方，使得这一方面的研究还有很多工作要做研究工作 除采用子结构法考虑上部结构刚度和荷载的同时，重点还需要研究桩与土、 桩与桩之间的相互作用高层建筑桩基础共同作用研究的最新发展有两个方 面：一是承重地下连续墙与桩筏基础的共同作用研究；王卫东的研究表明， 地下连续墙参与共同作用以后，建筑物的沉降将减小，筏板下桩顶反力的规 律与不考虑连续墙参与共同作用的结果有所不同”。另一个是变刚度设计概 念的提出和实用化：德国法兰克福展览大厦的成功设计表明，通过改变地基 刚度使得地基反力向筏板的中部集中，使基础的变形更为均匀，则基础的内 力将减小” 目前，对共同作用的分析向更广更深层次发展，地基模型开始采用能反 映土体在复杂荷载作用下变形特征的弹塑性或粘塑性本构关系”；筏板除采 用薄板理论外，还采用厚板理论”叫i 上部结构则根据剪力墙和简体结构采用 多级子结构法” 1 4 闯题的提出及本文的主要工作 多( 高) 层建筑上部结构、基础与地基的共同作用分析是一个具有挑战性 的课题，随着工程建设的发展，对地基基础的设计提出了更高的要求。由于 上部结构、基础和地基的共同作用分析十分复杂，对这一课题的研究也还处 在探索之中特别是在纠偏这一复杂课题中，地基基础的正确分析与否将决 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 定着纠偏措施的顺利进行及整座建筑物的安全，但由于这两个课题的研究开 展得相对较晚，系统的理论研究还很少见。特别是两者的结合，更增加了问 题的难度。本文将就桩基础房屋倾斜研究及纠偏处理这一课题展开讨论，以 昆明滇池旁某栋房屋的倾斜和纠偏为例，探讨深厚软弱地基上大面积地面堆 载作用下，应用地基应力解除法对桩基础建筑物的倾斜纠偏以及建筑物的变 形形态。 本文在充分分析、研究前人所做的工作的基础上，对地基应力解除法纠 偏的部分问题运用数值分析方法作了进一步的验证本文的主要工作包括以 下几个方面： 1 多高层建筑上部结构一桩基础一地基共同作用分析方法研究，多高层建 筑物上部结构施工过程及结构刚度、荷载形成过程的有限元模拟研究； 2 深厚软弱地基上桩基础附近地面大面积填土后倾斜的纠偏过程中地 基和桩基础的变形形态及桩侧摩阻力的分布研究； 3 地基应力解除法纠偏施工设计中，应力解除孔布置与建筑物之间的距 离对纠偏效果的影响进行数值模拟对比分析； 4 地基应力除法纠正建筑物全过程进行数值模拟。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 0 2 不同方案的地基应力解除法比较分析 2 1 引言 地基应力解除法的概念最早由刘祖德教授于1 9 8 3 年提出，1 9 8 9 年付之 实践，并在近百栋房屋( 包括构筑物) 纠偏中应用工程实践己经证明了这种 纠偏方法理论清楚、施工方便、费用低廉 地基应力解除法是一种软纠偏方法，它不同于一般的“浅层掏土法”， 而是应用土力学原理，在倾斜建筑物原沉降较小一侧设置密集的地基应力解 除孔，各孔上部设有护壁套管( 长度视土质情况而定) ，依靠大型螺旋钻旋入 一定深度，分期分批从各孔内掏出适量的软土，并依靠螺旋钻上拔荷载来造 成孔底真空环境，吸引周围软土进入空隙，以形成软土向孔心定向流动态势， 使原来沉降较少的一侧下沉，带动楼房该侧多下沉一些与此同时，保持沉 降较多的一侧基底下软土严格不受扰动。这样就能最终地达到纠偏目的，并 兼收限沉的效果 2 1 1 地基应力解除法基本原理 此法的主要工作原理，概括起来就是：。五解除，二均化”所谓。五 解除。就是：( 1 ) 解除孔周土中径向应力，孔易由圆形压扁成不规则椭圆形或 蛋形，直到挤瘪；( 2 ) 解除沿孔身总的竖向抗剪阻力，有利于沿孔排外土中 应力显著地得到解除；( 3 ) 有软泥夹层时，重点解除深部软弱土层中靠沉降 较小一侧的侧向应力，便于挤淤和运土；( 4 ) 局部解除原沉降较大一侧的基 底压力，使该处基土处卸载回弹状态；( 5 ) 软弱层中两侧的土都有应力解除 现象，随之出现的“翘翘板效应。使中心部位软土竖向应力短暂提高，沿水 平方向由中心向四周的竖向应力梯度也增高，促使软土的变形和位移都能较 温和地产生，有利于在纠偏过程中基础和建筑物结构的安全。所谓。二均化” 就是：第一，基土变形模量的均化，使原沉降较小一侧较硬的土产生一定的 剪切变形，而切线变形模量有所降低，使接近于另一侧未被扰动软士的初始 变形模量，从而整个建筑物下两侧基土变形模量趋于均匀化：第二，纠偏过 程使基底压力均匀化，硬侧加载，软侧卸载。 地基应力解除法纠偏施工方法大致可分为定孔位、钻孔、下套管、掏土、 孔内作必要的捧水和最终拔管回填等几阶段孔位( 孔距) 按楼房的平面形 辽宁工程技术大学硕士学位论文 式、倾斜方向和倾斜率的大小、房屋结构特点以及土质埋藏条件等而定。钻 孔用特制机具钻进孔径尺寸一般采用0 4 0 0 肭孔深及套管长根据掏土部 位而定掏土使用大型麻花钻或大锅锥。掏土次数、数量及各次掏土间隔时 间按实测沉降和倾斜资料结合具体建筑物的施工方案灵活机动地掌握孔内 捧水采用潜水泵，作为临时降底孔壁水压力以促进挤淤之用。拔管也要插花 地进行，并及时回填合宜的土料总之，要在纠偏处理全过程中，尽量使基 土在布孔范围内变形均匀，变形大小也应受到控制此外，还备用有一系列 促沉或隔离措施，以备需要时选用 一般情况下，每次掏土，房屋的纠偏位移十分灵敏掏土量与纠偏量基 本持平施工中自始自终用频繁的沉降、倾斜观测监测纠偏的全过程，即采 用4 情报化施工法”，及时将观测成果反馈，供决策者调整施工计划时参考， 确保了建筑物的绝对安全 2 1 2 地基应力解除法纠偏评述 纠偏的基本方法不外乎两大类，一为在非倾向侧采用促沉措施，一为在 倾向侧采用顶升、加固措旋由于发生倾斜的建筑物多为地基中存在着软弱 土层，软弱土多为强度低、灵敏度高的士，在外界动、静荷载作用下，极易 扰动地基土，从而引起新的沉降，在建筑物纠偏旅工中应密切注意施工附加 沉降问题。 采用倾向侧顶升、加固措旌纠正建筑物的倾斜施工，由于发生倾斜的建 筑物的地基土中。软弱土多发生侧向的挤动或有较大的压缩量，土中应力处 于极限状态或土具有较低的压缩模量，在旄工静荷载或动荷载的作用下，土 体必将产生新的沉降量，而这种效应有时是非常可观的。新增加的沉降势必 引起建筑物的进一步的倾斜，使建筑物的重心进一步向倾向侧移动，进一步 增加该侧的荷载，犹如雪上加霜在实际纠偏施工中因为此原因而导致纠偏 失败的工程很多，如福建省某高层建筑物初次倾斜为1 0 ，采用锚杆静压桩 的加固方法在倾向侧加固，然而事与愿违，加固后，因施工附加沉降而使该 楼房倾斜增加到1 8 。 采用促沉纠偏措旄施工，由于避开了在沉降多的一侧直接施工，减少了 对倾向侧的地基土扰动，减少了建筑物倾斜量进一步增加了可能性，为纠偏 施工顺利完成奠定了基础在各种促沉纠偏方法中，尤以地基应力解除法纠 辽宁工程技术大学硕士学位论文 偏( 又名地基深层掏土纠偏技术) 旅工对沉降侧地基土、结构扰动最小。该法 纠偏不会对原有建筑物的结构进行破坏，所产生的施工扰动只是在一侧的地 基钻一捧m 4 0 0 的应力解除孔，严格保护了倾向侧的地基土不被扰动。若采用 顶升法纠偏措施，必带来施工费用高的问题所以，在各种的纠偏技术中， 应尽量避免使用顶升法的纠偏措施，适用于地基应力解除法纠偏的工程中， 该法应为首选 地基应力解除法纠偏的基本理论为深层垂直掏土，造成孔周土体向孔内 流动。因此，该法适用土质为强度低或为流动性较强的土质，如常见的淤泥 质粘土( 承载力不超过1 2 0 k p a ) 及流动性较强的细、粉砂。 综上所述，地基应力解除法纠偏技术存在着以下的优点： 1 可最大限度地保证原来沉降较大一侧不致产生可观的纠偏旌工附加 沉降量； 2 该法在1 0 年的工程应用实践中总结出来的一条十分重要的经验是：它 能兼收纠偏和限制沉绛的双重效果。纠偏后至少可使建筑物的平均沉降速率 比纠偏前有较大幅度的减少； 3 本法真正符合信息化施工法的原则，其可控性好它的纠偏过程可以 做到平和、可控、有效、预后性好。比较容易做到微调到位，不存在突变性 操作问题； 4 可以有效地保护建筑物下浅层土体不受或少受破坏，使其完整性得到 保护，形成一层基底“褥垫”这样可以保持基础底板和上部结构的完整性， 并可最大限度地减少基础及上部结构内次应力的产生和累积机率； 5 一般不需要在纠偏施工期内让住户搬家，完全可以使居民正常生活、 安居乐业。 2 2 纠偏数值分析中若干技术的处理 2 2 1 平面应变闯曩的简化 纠偏建筑物的平面图以长方形多见，不均匀沉降大多沿外轴方向。纠偏 取土孔沿基础长边分布，取土孔间距一般为5 d 6 d ( d 为孔径) 。加之钻孔掏 土时机具的震动扰动，孔间土极易变形，在一定深度上，取土孔甚至基本贯 通，因此为简化问题，可以把要研究的问题近似为平面应变问题来考虑。 实际纠偏课题并不是严格的平面应变课题，为了简化计算，将基视之为 辽宁工程技术大学硕士学位论文 平面应变课题，这对长条形建筑沿短边方向发生倾斜的情况，是比较符合的。 另外，实际纠偏中，土体的自重应力和建筑物的附加应力都对由掏土所产生 的地基的沉降增量有贡献，但这种贡献是局部的，并不是整个计算区域的自 重应力和建筑物的附加应力都对地基沉降有贡献，正确的计算模式应为计算 原始的地基初始应力场，由掏土孔中所产生的卸载反力作为外荷载进行增量 有限元分析分析、总结了前人所作的研究工作，其正确计算模式主要有以 下二种： 一、计算地基的自重应力和建筑物在地基中所产生的的附加应力作为初 始应力场，掏土时，套管段以钢筋混凝土材料模拟，掏土段以一模量较小的 材料代替，由掏土孔的面积与孔问的土体面积比作模量均化处理，得到该段 材料参数，掏土段的宽度为实际的孔径，计算荷载由掏土时在孔周所产生的 卸载反力作为外荷载( 其荷载计算的基本原理类似于基坑或边坡开挖有限元 分析中的反转荷载的提法) ，若考虑掏土时的真空效应，可在该荷载的基础 上加上一大小约为6 0 7 0 k p a ( 负值) 的大小的均布荷载。 二、计算地基的自重应力和建筑物在地基中所产生的附加应力作为初始 应力场，掏土时，套管段以钢筋混凝土材料模拟，掏土段以模量接近为零的 材料代替，或掏土段不设单元，采用边界非线性有限元方法，控制两侧土体 向孔中流动直至接触，掏土段的宽度为掏土孔的面积与孔问的土体面积比作 均化处理，考虑了实际纠偏工程中，通常分四次掏土来完成建筑物的纠偏工 作，计算中可通过扩大掏土段的宽度1 倍、2 倍、3 倍、4 倍来模拟实际纠偏过 程，计算中计算荷载的提法同上。 “ 2 2 2 计算中考虑掏土真空效应处理 地基应力解除法纠偏中，由于掏土过程的强力吸拔作用，可导致应力解 除孔中产生暂时的真空环境，及暂时孔中地下水位降低，或者掏土后，孔侧 的土体不能移动到孔中，此时可采取的措施封闭应力解除孔孔口，采用抽气 机抽取空气形成真空，或用水泵降低孔中水位这些效应或措施的实质是在 总应力基本不变的情况下，使孔隙水压力降低，有效应力增加的过程。有限 元程序分析中，考虑这种真空或水位降低的效应，只是土体在正负压作用下 初始条件及边界条件的不同，应力转换过程是完全相同的。因此，在计算中， 处理这种效应的程序与不考虑该效应的程序完全相同，只是在孔周边加上一 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 4 个均布荷载考虑到通常地基处理中采用抽真空，所产生的等效负荷载值为 8 0 9 0 k p a ，有限元纠偏分析计算中，取值为7 0 k p a ( 负值) 2 3 有限元分析初始条件分析与确定 下面拟结合某工程实例对此闯题进行具体探讨。 2 3 1 目题的提出 昆明市滇池旁某住宅楼小区有1 5 栋住宅楼，小区位于昆明市南路郊海埂 路，均为5 - 6 层住宅楼，底下有一层半地下室供作车库及工具用房楼房施 工至脱水后，在建筑群内普遍填土近3 米，用于作园林景观，地形起伏有致， 花木葱郁；而外侧为通车便道，地势较低较平由于过分追 求园内景观的美化，却忽视了建 筑群内许多楼宇内外侧堆土厚度 相差过大可能会引起建筑物倾斜 的问题，而又未在内侧承台及桩 侧做任何工程措施，使内侧地面 上旁侧附加荷载直接压在承台 上，导致了内侧群桩上荷载增大。 从而导致了多栋房屋的整体倾 斜。 其中倾斜最为严重的9 # 楼， 布置在平面上呈长条形，略微带 一点弧度，长约9 0 m ，宽为1 0 8 m 楼房由三个单元组成，左侧的两 内 井 填土毫目 蕾蕾 l 图2 - 1 房屋及地质剖面图 个单元为七层( 含一层半地下车库) ，右侧单元为六层( 含一层半地下车库) 上部结构为框架结构，三柱两跨；基础为振动沉管灌注桩基础，管径( d = 3 7 7 m m ，桩长约1 8 m ，桩端位于力学性质相对较好的层粘土层中整栋房屋 共有2 9 3 根振动沉管灌注桩，房屋剖面和地质剖面见图2 3 一1 房屋倾斜值已达1 3 7 3 m m ，倾斜方向为向南。按测点高度2 2 m 计算，倾斜 率为6 2 4 ，己接近国家危房标准7 下文以此楼为例，探讨了地基应力 解除法纠偏中，设孔距离对纠偏效果的影响，并作了数值计算进行定量分析 号肼 铲 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 3 2 计算初始条件的确定 1 计算区域及边界条件 计算结合上述纠偏工程的实际 地质条件和荷载条件，确定进行非 线性有限元分析计算的区域如图 2 3 2 所示对于左、右边界，受 水平向简支约束，下边界受竖直向 边界约束，上部为自由边界基础 的形式简化为柔性基础，上部建筑 物的作用简化为一均布荷载，其大 圈2 - 2 计算区域图( 2 5 x 5 5 ) 小为i o o k p a ，其作用的长度为基础宽度1 6 m 2 计算参数 淤泥质粘土采用邓肯一张本构模型，其材料实验参数如表2 - 1 ；考虑到纠 偏中孔捧的剪切效应，套管段与周围土体之间设置g o o d m a n 无厚度接触面单 元，材料参数如表2 2 ；套管段和掏土段分别采用模里比较大和模量比较小 的材料来代替，其材料参数如表2 - 3 表2 - 1 淤泥质粘土计算参数 土类容重，内摩擦角粘暴破坏模量敦实验参切线泊回弹模量数实验参 ( 删1 1 ) 中( 度)力c比岛k ( k p a )数n松比vk u r ( k p a )羲m 辩泥质粘 土 1 7 51 l1 3o 9 13 4 01 50 柏53 4 01 5 表2 - 2 接触面单元计算参数 单元类型非线性指标k -非线性指标n菲线性指标r f 接麓面上外摩擦角万( 度) 接麓面单元 5 0 0 6o 5 7 25 表2 - 3 砂土、套管段和掏土段计算参数 材料类型i 容重，( 删f ) l 内摩擦角巾( 度) i 牯寨力c ( k p a ) i 切线泊橙比vi 弹性模量e ( i d a ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 砂土 1 8 5蕊0 o 50 33 套管 01 0 o 22 l 0 0 0 0 掏土段 05l oo 1l 3 计算方案 为对比分析不同设孔距离对纠偏效果的影响，分析计算中取套管管径 为4 0 0 m m ，套管长为5 m ，掏土段长度为5 m ，设孔距离分别为4 m ，3 m ，2 m ，l m ，o m 五种不同的方案，如表2 4 所示 表2 - 4 计算方案表 方案编号方案一方案二 方秦三 方案四方案五 设孔距离( i ) 43 2 1o 4 计算网格剖分 有限元