（岩土工程专业论文）桩筏基础工作性状研究及变刚度调平设计.pdf

端筏基础王作瞧拭研究投变剐度调平设诗 激江大学硬士论文，z 0 0 4 年3 月 摘要 现阶段，摭筏基撼具有照好躺承载、减沉、调平( 减少沉降差) 功能，是蓠 藩建筑物戏靛绝基上建筑秘嚣藤静基确形式。棱筏萋疆黪承载力、滋弹分辑、 尤其是建立在桩一土一筏共同作用基础上的以减少藏异沉降为匿的的调平分析 是目前桩筏基础设计中的难点与热点，清楚的了解桩筏基础的工作性状对满足设 计目标至关霪簧。 本文采麓专选有限元程序，遣过建立二维搂囊，主要分褥稻硕究了棱镣基穑 的沉降、蠢力、桩项反办等交化观律，讨论了筏扳移档各种参数( 筏叛形状、厚 度、桩长、布桩方式等) 对整个基础的沉降和筏板内力的影响。并详细讨论了带 裙房桩筏旗础在设缝署弱不设缝情况下的裙房面积大小、主裙楼筏厚不同等情况下 肉力分布、沉辩分布帻猛。 运用零文静方法对宁渡豢秘中心进行桩筏基磷优化谩诗，并详鲴毒尊论了主 楼、裙楼不闭桩长情况下，基础的变形情况和内力分布情况，并对几种布桩方案 的经济情况和工期情况进行了详细的比较，达n t 安垒、经济的目的n 美键词：变测度、槛凌基磷、共嬲髂扁、差舅沉降、犍旗反力、有隈霜浃 桩筏基础工作性状研究及变剐度调平设计 浙江大学硕士论文，2 0 0 4 年3 月 a b s t r a c t p i l e dr a f tf o i m d a t i o n sa l eo r d i n a s i ya d o p t e df o rt h et a l lb u i l d i n ga n dh e a v y s t n m t t t r eb e c a u s ei t p o s s e s s e sl a r g ec a p a c i t ya n dw e l lp e r f o r m a n c eo fr e d u c i n g s e t t l e m e n t sa n db a l a n c i n gd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t s h o wt or e d u c ed i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t sa r et h em o s ta b s t r u s ea n df o c a lp r o b l e m si nd e a g n t oa c h i e v et ot h e d e s i g no b j e c t s i t sc r u c i a l t ok n o wt h ep i l e d 蛾f o u n d a t i o n sh o wt ow o k 。 i nt h i sp a p e l ；ls e t 印2 - d i m a n s i o n sf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f p l i e dr a f tf n u n ( 1 a t i o n sb y p r o f e s s i o n a ls o f t w a r e t h er e s u k so fc a e u t a t i n gm a n ye n g n e e r i n gp r o j e e t s s h o wt h e c h a n g eo fs e t t l e m e n t ，i n t e r n a lf o r c ea n dc o u n t e r f o r c eo np i l ew h e np a r a m e t e r sa r e v a r i a t i o n a l ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee f f e c t so f i n t e r n a lf o r c ea n dt h es e t t l e m e n to f p l a t e o n 寥o t m da n de o u n t e r f o r c e 。鼓p i l eo fm a i n t o w e r sa n dp o d i t u n sw i t hs e f f i e m e n t j o i n t sb e t w e e nt h e m t h em e t h o di su s e di nt h eo p t i m u md e s i g no fj i a h eh o t e li nn i n g u o f e a rc a s e sa r e d i s c n s s e da n dc o m p a r e d t h eb e s to l l ei sc h o s e nb e c a u s ei ti se c o n o m i c a la 】记s a f e ， k e y w o r d s ：v a r i e ds t i f f n e s s , p i l e d r a f t f o u n d a t i o n ，c o o p e r a t er e a c f i o n , d i f t b r e n t i a t s e t t l e m e n t , l o a do f p i l e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i 桩筏基础工俸整装研究爱变g 渡壤乎设 千巍江大学硬士论文，2 0 锄年3 舟 篼一章绪论 1 1 工程背景 桩基础是一种历史悠久的基稿形式，在土本工程中应用 鬻广泛。从吉代躲 术槛开始发展餮现在的钢麓漉凝桩基磷，媳藩人类社会豹发震和经济的进步、 科技的提高，桩基础形式也在逐渐的发展变化，以满足建筑物的需要。桩筏基础 是常用的地基基础形式之。 锭筏蒸破具有整体性好、竖向承载力菇、麓础沉降小、调节不均匀沉降驻力 强的姆点，凰时可鲢承受风蘅载或遗震麓载引怒豹巨大东乎力，撬馁覆l 力强， 现已成为软地基高层建筑的一种主要基础形式。 采用桩筏基础，目的就悬提高建筑物地基承裁力和控制建筑物沉降。在深厚 软粘土建造高层建筑物中，控制沉降尤其重要，特别是带裙房的高屡建筑物，主 攒帮摇房的不均匀沉降比较酱遍。但鲡暴一睐以蝣掇瑟桩量积筏叛露发寒控铡建 筑物沉降，会造成不必要豹浪费。因此，翔何在提高霞载力襄控铡溺降之闯找到 一个契合点，是设计工作的媛点。桩基设计的基本原则是在确保安龛的前提下， 充分发挥桩、土体系的力学性能，做到既经济合理又施工方便。为此，许多学者 和专家通过尝试各穆不同的基础设计方法达到既安全又节约的隧的。 警翦在商层建筑疆熬礤鹃设计中，多数采爝均匀等长、等壹径奄槛、靼等羽 度设计。沉降实测表明，尽管桩数不少，但沉降实测表明，尽管槛数不少，但碟 形沉降仍不可避免，特别是框剪、框筒、筒中筒结构更明显。碟形沉降是导致基 础内力j 珏上部结构次应力增大、板厚与配筋增多的根源。因此，充分合理发挥桩 的零散作用，克爰鄹减小麓器沉降成为离鼷建筑基础设诗优诧瀚嚣耩。 在戮行的设计方法中，上部结构的设计是锻建基础为绝对剐性体，即基础不 存在差异沉降i 而对基础的设计则直接将上述结构设计方法得到的结构力作为作 用在恭础上的荷载，并假定地恭( 桩) 反力按菜种规迩的方式分布；在桩基的设计 中，缀定祷载全部由桩承攫，平均分配予各槛。在以下的讨论中，我们将逮黏不 考虑共隧作掰躺设计方法籀称尧常擐法 现行的设计规范建建立在传统的桩基础理论上的，高层建筑摩擦械桩箱、桩 筏基础的设计，长期以来沿用的传统理念可阱概括为四点 1 】：一是蕊桩的总承载 力不小予总筱载，桩群承载力的合力点与荷载繁心震台或接近，弹满足力秘力矩 桩筏基础工你性状研究及变刚度调平设计 浙 工大学硕士论文，2 0 0 4 年3 胃 的平褥；二是桩斡布置太体均匀；有的还主张在基勰瀚角部鄹边部逶警蕊密。因 为实测桩顶反力角部最大，边鄢次之，中部最小；曼怒沉降量和倾斜满足舰范要 求；四是筏扳厚度在满足抗冲切的前提下随建筑物朦数和高度成比例增大，厚度 达3 4 米不鲜见，或为增加冈度丽采用箱型承台。按传统桩基理论设计目寸往往 出现桩数过多，被距过密的现象，盎| 于群槛效应严爨滂减了单桩承载力；丽时， 由于在饱和软土地基打了过密的槛基础时，产生根大的孔隙水压力使得地基土受 到挤压并发生重塑，致使地袁发，主严重隆起，直接损坏了浅层土结构，使桩间土 损失了承载力。 9 0 年代爱期，刘金砺先生【2 3 缝出了变霹度调平设计斡思想，缝认戈邋过调整 上部结构、基础、桩土的露度分布，从而优位沉降簿值线分布，使差异溺降值及 变化梯度减至最小。上部结构由于受到使用功能的影响，一般很难对其调整。调 整地基、桩土刚度分布不仅可行而且调平效应明恩，是变刚度调平的核心。对于 桩基础、戏复合地基，可以通过调整处理范围帮布撼式，形成桩的变刚发设计。 1 2 桩筏鏊础理论研究现状 当商层建筑筏形基础下天然地基承载力或沉降变形不能满足设计要求时，采 用筏底加桩的组合基础使上部结构旖载在平面上扩散和向深层传递，从丽有效地 摇高基磁承载能力并减少沉终。朦两桩筏基础已发鼹为蠢层建筑翡烹癸蕊秘型 式。 高层建筑桩筏基础、地基与上都结构的相互作用和共同工作是优化桩筏基础 的核心主题。出于上部结构型式、荷载分布、地錾土层的多样性和复杂性，使桩 筏基础的筏壤型式与厚度、桩长、摭经、桩距、桩羽乎谣布受、桩数，墩韶缓筏 基萋塞嚣度及蕊分布可以在较大涟溅肉敬舍，优化空瀚较大。 本章通过相关文献的学习，对高层建筑桩筏基础的承载机理、筏底群桩、相 互作用、桩筏基础分析方法、减沉设计与变刚度调平设计方面的研究进行综述并 简要介绍本文舱主要研究内容鞠技零路线。 l o 。l 蓠器建筑槛筏基磴承载橇溪 2 0 世纪3 0 年代，在上海地区高层建筑篓i i i f | 设计时将天然地基承缎力取 8 0 k p a ，余下荷载由筏底基桩承担 3 。因此桩筏基础应用的初期正爆旗予桩筏共 桩棱基础工作性、姣磷究及变刚度讽平设t ! 湃i 王次学硕士论文，2 0 0 4 年3 男 围承载的理念。然两，桩筏基硝豹承载往狡毕竟不褥予荸桩与筏板的篱摹叠鸯曩， 它是高层建筑上部结构一筏板一桩土这个共同作用的十分复杂的力学系统中的 一部分。人们从基础工程的鹭鼹性考虑，在相当长的时期内，对于桩筏旗础的承 载能力只考虑基桩的承载作用，丽忽赂筏板的分担搿载，筏板厚度由满足冲切和 受弯确定，从两使控筏基稿麓设计既稿当保守，又卡分模糊 4 】。透此磷究援筏承 载视理，不假有助于对客观事物的认识，更在予可以优化基础设计 5 】。 赵锡宏激授等 3 】通过对上海地区大量实测资料的分析，认为；只露桩筏最大 承载力大予建筑物上部荷载，桩筏熬础共同承担荷裁的传递过程实质上煜槛与地 基承载力逐步发挥魏过程，其翁载分配过程与的圈结氇郄孔陵水压力静漕教 稿联系，著隧邈基鲍霹结或孔陡水压力的漕敖丽趋予稳定 簧。 冯国栋、刘祖德教授 6 1 也认为桩筏共同承载条件随着沉降的增加存在从量变 到质变的转化，提出了在不同地层与几何条件下筏底地基土分担外荷的判据。在 某些情况下，筏开始分担相当大的旖载份额，但随饕耱载水平的提蔫与沉降的增 热即的霾维，该份额会漕减，甚至趋于零。 而对于浆些地下水埋藏较深，或基桩持力层位予地下水位之上的情形，桩 筏共同作用机理将取决于桩与桩间地基土的压销。壬明恕等 7 认为：由于桩身混 凝土的弹性模量比筏底地蒸土的压缩模量高，桩顶荷栽传递到地基深处，筏底桩 闯土经压缩下传静蔫载范槛下传麓小，疆漆压应力下传扩散重叠后与柱压力叠 加，槛髓够“魑前传递荷载”，帮建筑物荷载首先出键承担，而筏底地慧土分据 的荷载将髓荷载水平的提高而趋于某一常数。作者提供的实测资料表明：筏底地 基土分担总葡载的份额为9 - - - 2 2 ，并与桩的超前传递荷载相对应，在受衙过程 中懿 乍用游矮。 与蓠迷嵇超兹黄递穗载孝g 对应，橱克已教授f 8 该为奄奎筏共丽作麓中，筏底地 基土在受荷过程中存在滞后作用、桩间土分担荷载随外荷水平提高而加大，且主 要发生在5 0 基础极限荷载之后。遮又与已有的部分实测资料似乎相矛盾，正 是这种状况反映了槛筏荷载分担阻题的复杂性，是不同结构与地层物理力学性质 豹综会反魄，不能简单地强纳予基一整| 定模式。杨兜已教授综合相关试验与研究 后认为：桩阕分担荷载静比例隧桩距加大而增加，接近对数函数曲残；在达到 桩筏基础5 0 极限荷载之前，桩间土分担甚少；且随桩数的增多而加大；在桩 柱筏基础王佟经敬研究及盎目波调乎设计 逝；王大学顿奎论文，2 0 0 4 年3 穷 钧入深度小于2 4 d ( 桩案酗时，桩间土分担外荷的比例随入土深度增大而加大， 在入土深度大于2 4 d 后，桩间土分担外荷的比例随入土深度增大而减小。 姚仰平等 9 】通过对黄土地区高层建筑框剪结构、桩筏、地基的共同工作原位 实溅绩祭逆行分橱，揭示了基桩的棱顼反力零强筏底主反力戆大小及箕分布癯律， 实测袭明，筏与其下土之阆存在较大接触压力，麓桩与桩闯土共同承担上部结构 总荷载，桩间土分担荷载比例达2 8 6 以上，且随上部荷载增加，士分担荷载比 例降低。 慧之，及蓠a 的研究成暴可看出筏底避基土分担蕊载受诸多因豢影酾，倒如 筏底媳罄土层洼蒺、桩长、蒺撼堙深、桩疆、棱端播力层注履、姥蒸变形模量等 因素。桩筏基础受力性状的复杂性可见斑。 1 2 2 被筏基础分析方法的研究 关予离层建筑柱筏基勰与逡基共嗣作溺分辑，溉可将共同 擘麓的所有部分视 为个完整的结构体系，邋过整体的平衡方程、位移协调、物理关系隰及边界条 件综合求解，如同常规的结构有限元分析。也可以先将参与共同作用的整个结体 分解为上部结构，筏板以及桩土体系等部分，然后针对各部份的特点，采用不同 女每分析方法分勇g 进彳亍霹究。如对上部结构可以裂瘸予结构法鄹等效剐度法、对筏 投基销可以利用薄板解橱熬或厚援有限元，剐搬体系，可戬剩孀弹性理论法、 剪切位移法、荷载传递法或有限元法等，最后利用上述三部分在接触部位的位移 协调和平衡条件，综合求解。 1 、凌缀分析 糍鼷建筑桩筏基础共同作用分斩时对筏缀豹礤究相列较少。对外形比较筑 则，脬度单一的筏板，可以简化为四边简支的矩形筏板，采用n a v i e r 解，求出 在集中褙谶作用下的板上任意点的挠度，再求出筏板的刚度矩阵，而筏板弯矩和 扭矩则技弹性薄板理论求如，如果只是对桩筏基础中的某些专题进行讨论，这种 篱纯无疑燕离效的f 。1 。 如阁有限元法，可按薄、辱板理论进行，薄板蘧论基予k i r c h h o f f 假定，而 厚板理论则采用m i n d l i n 假定，其考虑了由酋应力引起的变形。 对平面形状复杂、变厚度的筏板，陈云敏蹲介绍了一种退化的三维实体等 4 桩筏基础王律性歼究及变# 度疆乎设计 浙江大学联士论文，2 。斟翠3 嗣 参单元，这种单元考虑了板的横向剪切效应，通用于任意形状的变厚度筏板。 2 、桩土相互影响 共同作用分析中，桩的相互影响一般菸于单桩某点的位移与桩侧( 土) 荷载 的莱辩关系，这辩关系可驭峦对平餐方程鹩鬻仡得努；熬后运蠲叠蕊器理，通过 桩与被、桩与土、土与的榴互影嫡关系，得到群桩条j f 牛下，毫座的位移( 沉降) 与 桩荷裁之间的关系。目前常用的方法包括弹性理论法，剪切位移、衙载传递法、 有限元法等。 ( i ) 弹性理论法嘞 逶瘸弹性理论法分析攀弦是由p o u i o s ，嚣+ g 、d a v i s ，e 。壬差。等人提出【1 3 ，基予 如下假设：地基为均质各向同性弹性半空间体；桩的存在不影响土的弹性模量与 泊松比；桩周边粗糙而桩底平滑，即桩与桩侧土之间保持位移( 沉降) 协调，桩土 之间冤灌动。但是，弹性避论法的关键在于影响系数计算的合理性。g e d d e s ， l d 蕊予m i n d l 遗怨褥戮单棱旖载下出柱端激力、醢髑均意瘁阻办裁j 三建黟分布 摩阻力引起的土体中任一点的应力计算式，支u 金砺对g e d d e s ，j , d 。解避行了改进， 将桩侧摩阻力简化为沿桩周环形分布的线荷载，将桩端阻力简化为圆形均布荷 载，并得到可考虑桩径影响的三个应力系数 14 1 。尚守平、杜运* 在求解桩侧摩 阻力与桩溃隰力分布薅考虑了桩黪弹性压臻ns j 。艾镑勇列剽鼹t i a n k e l 积分导出 了鼷状遗纂中的m i n d t i n , r d 解，从丽使位移影响系数糍够计及戆繁的分层特征 p 6 1 。 假怂，采用弹性分析计鳟所得到的基础沉降变形的范围和数值较试验实测的 结果大徭多。刘金砺研究昃认为上述差异怒由予敬非理想连续幢影响丽明显弱 纯了鸯窿与穰、桩与，土与土瀚裙互 乍曩，并建议采用骖正函数对连续介质弹注 理论值进行修正f 1 7 】。 ( 2 ) 剪切位移法 剪切位移法出c o o k e ，r w 、r a n d o l p h ，m f 、n o g a m i n 、t 1 8 】簿人提出，它 缎定捷褥蠛使周圈体发生剪 瓣变形，蔼赘藏力又通过桩铡环形土海疆嗣传递， 因而可融忽略竖向应力沿轴向的交纯以及桩侧土的承平怒位移。 为考虑桩端以下土的分屡特性，曾涌建议用m i n d l i n ，r d 公式计算竖向应力， 用分层总和法计算桩端及其以下土层产生的压缩量【1 9 】。杨嵘昌铸把剪切位移法 桩筏基础工作性状研究及变剐度调乎设计 新江大学硕士论文，2 0 0 4 年3 月 推广至分辑缓爝土的弹塑牲变形，并把建立静关系农灞子桩一土一承台共麓作尾 的非线性分析中口0 1 。王伯惠、上富兴则认为剪切位移法实际上是一种发敞型的 扩散模式，在数学上是不合理的，即使是纯弹性体袭面集中力向内部扩散时由于 剪力滞厢的原因总是沿着一个扩散熊向内扩散，不可越从表面开始就完垒横向传 播， 罨嚣是二匕这样的材料；其次、遵基是半无限体，任嚣蓊载最终必然要传到下 层体中，截取其中的某主层商不考虑下层土体掇供的反力，从而夸大了土的 剪切模量而减少了极限摩阻 2 1 1 。 ( 3 ) 荷载传递法啕 萄载鼹递法峦s e e d ，h b 秘r e e s e ，l 。c 提出，它弦定拄身交许多弹馥单元 所组成，每弹性单元与体之闻以非线性弹簧联系，蔼这些联系的关系就是荷 载传递函数。由于荷载传递法假窟某一深度处竖向位移仅与该位置处的桩土间的 剪切有关，忽略了桩身单元间及土的连续性影响，所以无法考虑群桩效应。因此， 如何将蕊裁传递法与剪切位移法等方法相结合运用予群桩分孝厅亦是嗣翁的研究 方向。无论赘留位蓼法还是荷鼗传递法，帮是通过对弹性力学基本方程中的平衡 条件一般形式避行某种简化后得到，理论上是不严密的，因而都只是一种近似方 法。 ( 4 ) 有限单元法 荷载传递法、剪切位移法秘簿缝理诠法帮是依据弹经力学单桩盼平衡方程， 变形姆调及物遴关系，遥过设定蒹种桩土位移模式，获褥桩的荷载与位移关系， 即是对桩土物理模式的简化。而有限元法则是通过对桩土体系进行整体的数值模 拟，即假设桩成土单元的位移模式，然后通过严格满足平衡方程、位移协调、桩 土的物理关鬈茅曩边彝条件形成整体秘度矩阵，从瑟簸褥槛豹沉降与蘅载的关系。 有限元法能考虑影虢桩承载佼熊的许多因素，魏主的j 线往，各尚舜瞧f 2 2 】， 圃结及动力效应等。1 9 7 1 年，e l t i y o n ，r d 【：l 常规三角形和四边形及弹簧单元分 析了平面条件下桩的荷载与变形 2 3 1 。1 9 7 2 年，d a v i s ，e h 和p o u l o s ，h g + 首先 对槛筏体系避彳亍有限元分析f 2 4 。1 9 8 1 年，d e s a i ，c ，s 等人对带台群被谶行了目# 线性有袋元分褥。1 9 8 8 年，d e s a i ，e s 。1 9 9 1 年，t r o c h m f i c s ，a 蓦瑟c h o w , y k 等 人先后对桩一土相互作用遴行三维非线性有限元分析。1 9 9 0 年倪新华甩有限 元与无限元耦合方法对群桩进行了三维有限元分析 2 6 1 。1 9 9 4 年，p o u l o s ，h g 【2 7 1 ， 桩棱蕊碥王体牲袋研究爰交剐麈调平设计 辨注大学硬论文，2 0 0 4 年3 月 t 9 9 8 年、刘毓氚用耦合法对桩筏基础进行数值模拟( 2 。2 0 0 1 年、p r a k o s o ，w a ， 等将实际三维的桩筏基础简化为平面应变问题进行线弹性和非线性有限元分析， 研究桩筏体系的几何尺度和群桩承载力与基础“平均”沉降和沉降麓、筏板弯矩 襄柱分担猪载毖铡的关系吲。嚣陈仁弼等暴蠲复台单元法篱纯筏聪器控，以降 低桩筏基础有限元分析静解题规模1 - 3 0 1 。 随着计算技术和计算机软硬件发展，从9 0 年代初期至今，以有限元方法研 究桩筏基础荷载分担和沉降计算及其上部结构和地基的作用已不存在根本上的 匿程。滚荦亍较广的商菇讫程序，晷努躲热l n s y s 、a s k a 、g t s r u d l 、s a p 2 0 0 0 、 c o s m o s m 、s 豫a 2 d 、c 0 、8 圈凇0 0 0 、a d i i a 、m a r c 、n a s t r a n 、 e f b 5 等；国内的如s a p 8 4 、s a t w e 、p m s a pt b s a p 、e f b s 等。 然而，有限元法应用于桩筏基础分析也存在如下方面的问题，其中有些源 于方法本身，丽另外一些则怒出予人们对方法盼认识存在一个过程。 首先是参数取癯掏题。众疑两知，任舞耱方法慈是与稳澎的参数取馑援赠 相匹配。有限元方法尽管阁予桩筏基础分析已达3 0 余年，但真正用于实际工程 不多，而且主要是作为种验证方法，因此尚未形成独立的参数取谯体系。尤其 是进行非线性分析时，由于涉及地基土的参数较多，如最简单的非线性弹性模型 一邓嚣张模型静参数戴达8 个，这些参数驳谯如不会适很有可能便参数静精度淹 没毒 磐方法的糟度p ”，这个阔题鲍解决一方飚有赖予对予参数的物理含义的避 一步认识，另一方面则有赖于计算实例的积累，通过大量的工程实践总结适用于 有限元法的参数取值规则。 其次是计算精度敢阉题。盼于桩模耋 相麓巨大，如对一般浆黻性，变形 摸麓e 尹( 1 4 0 ) m p 籼湛凝土变形模量e e = ( 1 5 3 5 ) ) t 0 4 m p a ，弼蠢鞠麓这3 0 0 0 2 0 0 0 倍。由此形成的刚度矩阵元素即使考虑几何尺度后仍将捆麓数百至数千倍， 因而包含桩土介质的刚度矩阵容易出现“病态”。这类问题的解决主要通过合适 地划分计簿单元和适当地增加计算机的有效位数，娜采用双精度等。 葵三，接主、筏癸露谈蠡模拯蠲题。一般祷凝下，槛主界西接触星嚣剪狡 态，桩侧涂抹效应与桩底蛰艨通过接触西单元模拟，但不同予压应力均布的接触 面( 不考虑界面约束引起的应力重分布) 。在淹桩长范围内，其压应力随桩长线 性增加，尽管现在己认识到当桩深一定后，土压力将保持为一常量，但对短桩及 桩筏薤硝工纷性状 疆究及变& # 廉谰平设诗浙江大学硬士论文，2 e 泓年3 月 桩的浅层部分，压应力随深度变化对接触面剪切强度的影响是不清楚的【3 1 。接 触面的本构关系目前常用g o o d m m ，模型，这类摸型源于岩体的节理材料，其力 学性质和控一土界面条件存在差异3 瓠。殷糸泽等通过土与混凝接触面的大尺 寸试襻翡壹剪试验，认为盔翦测褥鸵剪应力帮榴对位移关系浊线只是列蒋定尺寸 的试样翦切破坏过程逐步发展的宏观反映，不能用来表示接触面上剪切变形的普 遍规律，据此提出刚塑性模型 3 4 。而接触面的几何模拟则包括无厚度单元、薄 层单元、摩擦接触单元等，这些单元都涉及到人为地设定某些参数或条件，如较 毫静勤发系数或特定酶单元厚度或接触约慕条件与容许剪应力等鳅。筏土接触 西模羧仍是鲜有所见。 其四，以有限元方法分析半无限地基上桩筏洪础，存在计算区域的有限性与 计算对绿无限性的矛盾，为解决这一矛盾而引入无限元即对桩筏体系的主要受力 区采用畜限元。1 9 9 9 年，w e i m h l g l i u 和m i l o s 、n o v a k 提出了有限元与无穷元相 藕合静方法邵】，这释方法对不确定边界区域瓣麓是有效的。但以有隈边界摸熬 无限边界，只要计算边界范围不是太小，如不小于桩基单向尺度的一定范围，对 静力荷载而亩，有限元与无穷元计算结果差异并不明显。 第五，目前有限元对桩筏体系的分析仍局限于成桩后的结构分析，对成孔与 或桩过程瀚模拟不够。实舔上，不同戆成孔与袋缓方式将改变撼闻主及逸基静耦 始应力状态、变形状态阪及应力路径等。从丽对桩筏基础完成以后豹应力与位移 状态产生影响。此外，成槛过程对桩周土物理力学性质的影响，如挤土效应使土 的孔隙比降低，桩间土模量提高等。模拟成孔与成桩过程与岩土工稷的开挖问题 是类似黪。 竣瑟，嚣蓠有限元分李厅对逮下永的研究不够。作为步 蘅，地下东豹存在降低 了筏板的承载力与桩的侧压力；作为土的三栩构成之一，地下水降低了士的强度 以及使士发生固结效应，导致桩筏承载过程处于一种动态平衡之中1 3 7 。 3 、桩筏基础沉降计算方法 作为赢朦建筑棱筏基碱设计貔控铡要求之，沉降计算的合瑷性尤为重要， 嗣前桩筏撼础沉降计算方法包括有限单元浚，简易理论法，半经验半理论法，经 验法等。 f 1 ) 有限单元法 8 桩筏基础工作性状研究及变副度调平设计 浙江大学预士论文，2 0 0 4 年3 月 离屡建筑骧筏基磴与地基共阉信用条件下，懿裔限单元法求桩筏基焉 位移麸 方法上讲与其他结构有限元分析相比并无特别之处，但由于计算涉及高层建筑上 部结构、筏基、桩土地基等不同部份，各部份之间的接触条件、单元形式、介质 材料类型、初始状况各不相同。尤其是桩土、筏之闽几何尺寸的差异及介质力 学蒋征秘突变搜单元翔分较密、诗舞节点较多，鎏髂刚度矩阵豹黔数缀赢，有限 元解题艇模十分浩大。为使有照元分析更为有效，可以利用各部分结构的特点分 别进行简化。 有限单元法求解桩筏基础沉降关键在于弹性力学中迭加原理对于筏底群桩 的有效毪，阂为上述燕土体系麓位蓼蘅载关系基予单楗特性和筒荤送热。蔚实馕 表爨筏底群椴流降将牲有裂予擎桩藤存在群桩效废，邑有研究表露：校阅距、桩 长、桩径、桩的平面布置方式及布桩平面系数、成桩方式、筏板与土的接触情况、 持力层土和筏板底地基土的性状等诸多因素会影响桩筏基础沉降，由于犟涉因素 太多，各釉箍筏基础的沉降分析方法还有待完善f 3 8 j 。 犯) 篱荔壤论法i 4 简易璎论法视桩与桩阅士为整体，如同复合珧罄，散称为复合地基模式。此 法未计及桩径，桩的平面分布对基础沉降的影响，同时对桩端下地基最终 沉降计算仍然有赖于实际经验。 ( 3 ) 半缀验半理论法 ：4 】 此注基予：建筑物总荷载幽桩群与筏底逸蒸共同承担；桩筏基礴视为剐性 体；刚性群桩沉降由p o u l o s ，h g 瘌d a v i s ，e h 公式确定【1 3 】；桩筏基础沉降与 群桩沉降相同；建筑物基础竣工时的沉降可根据地区经验的修正系数对计算沉降 s 骖正获得。据j e 可褥半经验半理论公式。瞧拙公式泡不能反映缓长、攘豹平覆 毒置方式对蕊稿瀛降的影响。 f 4 ) 经验公式 赵锡宏教授镣人根据长期的科研成果，对桩筏基础沉降提出了与建筑物层数 或与牲缒入土深度和基础等效宽度耀关的经验公式。丽些地区也根据当地层 特点帮工程实践，总结出反欧赶亟方褥色鹃茬筏援黪经验计算公式弼。 吴京生对上海，天津、唐山、塘洁等地四座高艨建筑采用不同规范计算基础 沉降与实测对比发现：各种规范对之得的桩筏基础沉降值相差1 至2 倍，与实测结 桩氇基础工俸性靛研究爰变$ 4 度溺平设诤 浙江太学磺士谂文，群年3 胃 果相麓4 至8 倍。说明用规范计算只能适应一般情况的近似估算，爱进行较为符 合实际的计算，必须结合当地的经验e 3 9 。 考虑群桩效应的桩基沈降计算，涉及因豢太多，目前理论研究不够成熟，加 之我蔺堍藏辽阑、遗篓性复黎，导致蚤规蔼诗簿掇差较多，往往难予满足工程 应用爱求。 1 , 3 变刚度调平设计的研究 谪平设计是良控制缓筏蒸磷的瀑降差为原鄹，遴蠢降低筏板内力矛珏上部结捻 次应力、减少板霉、酝筋、改善建筑耱的使焉功戆。由于实际蠲题中多是遥过璃 整筏底群桩的平面布置或改变桩的长度、直径等桩筏刚度的因索而使沉降差减 少，故称之为变刚度调平设计【2 1 。 当前赢层建筑桩筏基硝设计中、多数应用均匀等长、等直径布桩。沉降实测 表疆，尽管桩数不少，键磉形沉簿仍不_ | 虿避免。特澍是框剪、旗篱、篱中簿结约 更明撼。这是出予地基是一个完整的三维体，作用在某一点处的荷鼗在其余各点 处也会产生位移，各点相互作用的结果，使得中间部分沉降最大，而角点沉降相 对较小。筏板中心与筏边、角点的沉降差是导致基础内力和上部结构次应力、板 厚增热、聚簸增多的投澡。 馕平设计概念源子穰筏基础中有关沉降菠控露l 要求，最早豹如疏桩基础，按 沉降蹙控制设计、变形协调设计等为同一概念。由于对桩筏基础沉降，尤其是沉 降差计算结果的可行性与合理性方面的困难，在j = 霆去相当长的时期，人们大多只 熊被溺地增趣筏板厚度，这对相对较小鳇筏板有效；或增热筏底布攘鳆数量、几 何尺爱隘长与援径) 、漤大壤筏蓦矗塞静整体剐度，通过降低 蕙降黪绝对僖面满足 对沉降麓的设计标准。这样的结果必然是桩筏纂础工程量庞大，刚庹冗余，存在 相当犬的浪费。而变刚度调平设计则是改变桩的平面布置、调撼桩距、桩长、桩 径、使校板番点沉降值越予均匀一致。 1 9 8 3 年，p a d f i e l d ，c j 。，帮s h a r r o o k ，m j ，毒鼋论了中心群桩可以减少沉降 差 4 0 1 。1 9 9 2 年f l e m i n gw o k 。等人建议汉在粱性筏板的中心区域采用群桩珏3 1 。 1 9 9 4 年r a n d o l p h ，m f 认为即使是相对柔性的筏板也能经受最低限庶的沉降差 1 4 “。弹性土体上刚性筏扳的接触应力分布示予圈1 1 a 。如果能在均匀承载的柔性 牲蓑鏊蕊王体链技研巍及交s 瞳调平设计濒江大学礤士论文，2 0 0 4 年3 胃 筏祓下目有意识地产生圈1 1 b 所示接触应力分布，则筏板的沉降麓能明显地减 少。遮目标可以通过在筏板中心区域布露图1 1 b 所示群桩达到。上述概念的 有效性被作者与h o r i k o s h i ，k 在1 9 9 6 年所实施一系列离心棍试验所诞实，即筏 板中心嚣域设置少量群捱可以有效地减少流降麓】。在霜一越期，国井数值方 法的发展与完善已能够对以减少沉降差为髫的、较大规模的桩筏基础避行详细和 严格的分析处理。这些成就应归功于t t a i n ，s j 和l e e ，i k ( 1 9 7 8 年) 4 舶、c h o w ， y k 和t e h ，c i 。( 1 9 9 1 年) 4 4 、c l a r i t y ，p 和r a n d o l p h ，m f m s ( 1 9 9 3 年) 以及 h o 呔o s h i ，k ，和r a n d o l p h ，m r ( 1 9 9 s 年) 【橱。稳们建立了以控制沉隆蓑为标志， 国内称之镯平设计( b a l a n c e ds e t t l e m e n tm e t h o d ) 的指南：桩应分蠢予筏攫中心1 6 至2 5 区域；群桩或等效墩刚度应近似等于筏板单独的刚度；桩的总承载力 应该设计为总外荷载的4 0 曩7 0 之间，与桩筏面积比和土的泊松比有关。 在械筏变刚度调平设计中，群桩霹螺与单一筏扳刚度的比值站最为关键。 最台邋麓珏值与茬筏西积眈有关，虽当柱筏西瑷比范髫为1 6 趸2 5 时，擅接 近予1 。当桩筏面积比较大时，为减少沉降蓑，k 值应稍微增加。考虑到桩的非 线性，比完全弹性分析所得的稍大( 约5 ) k 值可能更为合适。为减小桩的承载 能力孵邂发挥( 大于5 0 ) 厢扣沉降差，只要l ( 口，l 的条件满足，任何实际桩长都 可采鞠。当然为获褥棱承裁特性戆合理发撵，桩静承载力应以侧露阻力为主，露 不是桩潞融力。 图1 1 a图1 1 b 避一步研究表明，桩的总承载力发挥的强度与桩的极限承载力的e e 信m 不 应超过0 8 ，戳避免沉垮蕉明显增加，在i n 小予0 8 范强内，最会邋瓣桩实际分 趟赘载襁当予2 , 5 至3 僚释掇区域上的慧旖栽，仅为整个筏板上毖外赫装的4 0 至7 0 i a 7 1 。 沉降惹最安全的评估将如假定上部结构和璐础兜全柔性而获得。但这种计算 过予糨糙。 桩筏基础工作性状研究及变刚度谰平设计浙江大学硕士论文，2 0 0 4 年3 月 对无限大地基上的局部区域，其沉降应与该区域的荷载成正比，而与其刚度 成反比。地基局部区域沉降较大，是该处荷载较大而刚度较小所致。削减该处的 荷载或增大该处的刚度就可以减少该处的沉降。高层建筑桩筏基础的荷载分布是 由上部结构确定。而上部结构由于受到功能的限制，一般很难进行调整。即桩筏 基础的刚度，对于筏桩和其它形式的基础，可通过变化板厚、设置助梁，缩小墙 距等调整基础刚度分布，但费用往往较高。因此减少某处的沉降或进行调平设计 主要是针对筏底布桩与筏底地基土。 调整地基、桩土刚度分布不仅可行而且调平效果显著，是变刚度调平设计的 中心内容。首先，主裙楼的地基基础可采用不同形式，以适应上部结构荷载的分 布状况。当采用桩基和复合地基时，可通过调整布桩及处理范围形成桩土变刚度 分布。是改变桩的平面布置、桩数、桩长、桩径以改变桩土刚度，还是采用复合 地基改变筏底地基土和桩一土界面的性质，选择的标准只能是技术可行性与经济 合理性。一般来讲，对桩筏基础，桩在基础中占主导地位，改变基桩的参数效果 显著17 1 。 调平设计的技术合理性在于桩的布置、桩的几何尺寸的选择是以基础功能为 目标、桩土的强度都达到较高的荷载水平，消除刚度冗余。同时上部结构次内力 将基本消除，相当于增大了结构的可靠度。而经济合理性在于减少或消除多余布 桩，较常规设计而言，用桩的数量与桩工程量减小，降低筏板内力可减少筏板厚 度和降低配筋量，从而使桩筏基础的造价降低。 调平设计的关键在于合理地计算桩筏基础的沉降分布与沉降差。因此，调平 设计的沉降分析比减沉设计的要求更高。但他们的理念都是要建立在沉降分析的 可靠性基础之上，过去人们一直认为：与承载力计算相比，沉降计算更困难而且 更不可靠。v i g g i a n i ，c 通过沉降计算程序的开发分析研究认为 4 8 ：对传统承载 力分析和大数量的布桩，基于小变形模量的线弹性分析是完全合适的；对低安全 系数和小数量的桩基需要进行非线性分析；基于割线模量的等效线弹性分析，在 概念上是错误的；如果用恰当的数学模型，如天然地基模型，最大相互作用间距 等，利用简化分析方法足以满足工程目的。 棱筏基础王撵性状面 究及变e 度弼平竣诗 瓣汪大学硕士论文，0 4 年3 月 1 4 本文的研究工作思路及研究内容 根据工程实践的需要和目前对桩筏基础的研究现状，本文做了以下几方面的 工作： ( i ) 搜集桩筏基锻承载