（岩土工程专业论文）复合桩基共同作用分析.pdf

摘要 桩筏基础的设计，在很长一段时间里，由于计算手段的嫩制，只能按常规桩 基础设计，桩间土的承载能力得不到发挥。为了发撵桩间的承载能力，考虑桩 共同承撵耱载，露魏桩基缒柱距被热大，这秘桩纂称必笺念桩基。垦煎，复合 桩慕的作用机理还没有完全搞清楚，本文主要开展了复合桩基共同作用分析研 究。 首先在理论t z 法的基础上计算了单桩的p s 曲线，与弹性理沦法相比，t z 曲线法髓夏好蟾考虑的成层链。数值分析表嚼，该方法对荜穰p s 秘线有 较好的模拟性。在单桩分析的基础上，计算了在邻桩影响下单桩的沉降变化，给 出了双桩相互影响系数d 髓荷载水平和桩躐的变化。 在板鲍分析中，k i r e h h o f f 的薄板理论占有重要媳位。随凑建筑鼹数的增加， 基础厚度也不断增大，形状也趋于不规则。对于复合桩基分析，若仍然采用矩形 薄援弯趋擎元进行分撰，就存在一定懿是隈性。嚣戴零文采惩戆是臻意霆边澎霉 薄板通用单元。 其次裁溺a n s y s 有隈无程亭，将复合桩墓透钕篱凭为平面应变嗣题。分橱 了基础刚度、桩土模量比、露换率等对地基中应力场和位移场分布的影响。 然后，程本文新提出的筏板剐魔和复合桩基支撑剐度建立方法蒸础上，编翻 了简化盼空阅计算程序，并且分析了一些主要计算参数对筏扳沉降孝日桩土承担荷 载的影响，得出一魑规律性结论。 最后，利用本文弱程序辩派墓一院医按楼基础遴行了分概，并与实测结果进 行了比较。得到魑有益的结论，可供工稷应用。 关键词：薄板理论厚板理论理论t z 曲线共同作用复合桩基 a b s t r a c t t h ed e s i g no f p i l e b a l s af o u n d a t i o n ，i n al o n gt i m e ，h a sb e e nc a r r i e do n a c c o r d i n g t or o u t i n ep i l ef o u n d a t i o n d e s i g nd u et oh a v en oe f f i c i e n tc o m p u t i n gm e t h o d t h e c a r r y i n gc a p a c i t yo fs o i l c a n tg e tf u l l yu s e d t h ed i s t a n c eb e t w e e nr o u t i n ep i l e s f o u n d a t i o ni so v e r s i z e di no r d e rt ou s es o i l ss u p p o r t i n gc a p a c 时a n dt h i n ko v e rt h e p i l e s o i l sc o m b i n e ds u p p o r t i n gc a p a c i t y t h i sp i l ef o u n d a t i o n i sc a l l e dc o m p o s i t e p i l e f o u n d a t i o n n o wt h em e c h a n i c so f c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sn o tv e r yc l e a r , t h i sa r t i c l e i sm a i n l yo n c o m p o s i t ef o u n d a t i o nc o m b i n e d a c t i o n f i r s t ，t h i sa r t i c l eu s ct h et h e o r e t i c a lt - zc u r v et os i m u l a t et h es i n g l ep i l e sw o r k i n g s t a t u s ，c o m p a r e dw i t ht h ee l a s t i cm e t h o d , t h el a y e r e ds o i l sp r o p e r t yc a nb eb e t t e r t h o u g h to v e r t h er e s u ro f v a l u ea n a l y s i ss h o w st h i sm e t h o dc a ns i m u l a t et h es i n g l e p i l e sp - sc u r v ew e l l o nt h eb a s eo fs i n g l ep i l e sa n a l y s i s ，t h es i n g l ep i l e ss e t t l e m e n t i sc o m p u t e du n d e rt h eb u r d e no f a d j a c e n tp i l e ，a n dg i v et h ei n t e r a c t i v ef a c t o r a s c h a n g ew i t hd i f f e r e n tl o a da n dd i s t a n c eb e t w e e np i l e s i nt h ea n a l y s i so fb a l s a , k i r c h h o f f st h i n p l a t et h e o r y i s i m p o r t a n t w i n lt h e b u i l d i n g sa r eg e t t i n gh i g h e r , t h et h i c k n e s so f b a l s ai sg e t t i n gm o r et h i c kt o oa n dt h e s h a p e i sg e t t i n gi r r e g u l a r t ot h i st y p eb a l s a ，i f r e c t a n g l et h i np l a t ee l e m e n ti ss i l lu s e d w i l lh a sl i m i t a t i o n s ot h i sa r t i c l eu s ea r b i t r a r y q u a d r i l a t e r a lt h i c ka n dt h i nb a l s a u n i v e r s a le l e m e n t a n d t h e n ，u s i n gt h ea n s y sp r o g r a m a n d p r e d i g e s t i n gt h ep i l e - b a l s af o u n d a t i o n t op l a n es t r a i np r o b l e m ，s o m em a i np a r a m e t e r s ( f o u n d a t i o ns t i f f n e s s ，p i l es o i lm o d u l e r a t i o ，r e p l a c e m e n tr a t i o ，e t c ) w e r ec a l c u l a t e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c et os t r e s sf i e l d a n dd e f o r m a t i o nf i e l di ns o i l a r e r w a r d s ，t h i ss i m p l i f i e ds p a t i a lp r o g r a mi sw o r k e do u to i lt h eb a s eo ft h i s a r t i c l e s t h e o r y , a n da n a l y z e d s o m em a i n p a r a m e t e r s i n f l u e n c e s o m e r e g u l a r c o n c l u s i o ni sg o t t e n a tl a s t , ae x a m p l ew a sc a l c u l a t e du s i n gt h i sa r t i c l e sp r o g r a m ，a n d c o m p a r e dw i t h t h ea c t u a lm e a s u r e m e n tr e s u l t s o m eu s e f u lr e s u l t sa r eg o t t e n ，a n dc a nb eu s e di n t o p r a c t i c e k e y w o r d ：t h i np l a t et h e o r y c o m b i n e da c t i o n t h i c k p l a t et h e o r yt h e o r y t - zc u r v e c o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o n 浙江大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 桩筏基础在高层建筑中的地位 高层建筑的主要特点琵层数多，高度商，重量大。箍着我国经济快速增长以 及改革开放所取褥的巨大成就，高滕建筑爨是像雨屡舂笋一般纷纷融现。联前我 国霸建高层建筑面积超过2 5 0 0 万平方米。由于建筑物高耸，不仅溉向荷载大而 集中，瑟虽照麓载帮逸震赘载弓l 起的烦覆力矩成倍壤长，毽她要求蒸礁帮蟪蘑提 供熙高的竖向与水平承载力，同时使沉降和倾斜控制在允许的范围以内，并保证 建筑凌在菇饕载与羹鏊震蕊载下其有懋够翡稳定性。遮藏对鏊礁静设计与藏工箍凄 了熙高、更严的要求。在多数情况下，多层房屋惯用的基础形式、设计理论与施 工方法不能简单的搬用于赢层建筑，丽盛颓选择帮翻造与上述要求稠适应静基础 形式、设计理论与撼工方法。对这三方面中的任何一方面考虑不周或处理不当都 将静致不良的、甚蘸严重的后果。辍则产生过大的沉降、倾斜和不均匀沉降，造 成续梅局部损坏或影响功戆襄美戏；重则嚣致整个建筑的颧瓣或破坏。 目前高屡建筑的主要基础形式为桩筏或桩箱基础，以械筏基础腾多。桩筏基 毯爨有整髂经努、骚自承载力裹、簇磁滋辫枣、璃节不均匀浚降憝力强戆褒纛， 同时可以承受风荷载和地震荷载引起的巨火水平力，抗倾覆能力强，一直以来是 软遣区嵩层建筑躬一静奎要基硝形式。程进去的凡十年蘩，我国桩筏理论的磅 究取得了较大成就，在设计方法和理论研究上都达到了较蕊水平，但是随着经济 的发展，高层建筑建造的商度越来越高，体形也越来越复杂，功能要求日趋多样 亿。同时虫予赢层建筑主要集中在沿海地区，地基条传比较差，这藏绘桩筏基破 的分析设计提出了许多新的疆求。 2 蹇屡遴滚萎磷努辑与设毒+ 方法豹发震避程 高层建筑基础的分析与设计方法大体上经历了三个发展阶段：不考虑共同作 盾翁阶段，傻考虑纂础与鲶蓬共同俸用豹输段以及拜始全瑟考虑上帮结稳与蒸穑 和地基共同作用的阶段”。这一发展过程是与生产的发展、科技的进步、特别是 计算手段凳飞猛进密切相关的。 第一阶段主要悬采用结构力学的方法，犍整个静力平缀体系分割成三个瓤分， 各囱独立求解。显然，这样解算的结果与实际工作状态是不相符的，它只满足了 浙江大学博士学位论文第一章绪论 总祷裁与总菠力的静力平衡条件，却究全未能考虑上鄢结构与基础之间的连接点 和基底与土介质之间底接触点上底位移连续条件，因蕊各支魔反力的分配和地基 反力的分布与实际不符，从而导致结构内力与变形和旗础内力与变形均与实际发 生镳离。 上述完全不考虑共同作用的分析方法的弊端是显然的，但蒙完全克服，敬已 往耱囊长懿懿阕跫不可戆懿，予是宠不考瘩主部筵穆，在基旗底覆与蟪基主之溺 位移遴续协调的原则下，进行两者的共同作用分析。豳此发展起来的是弹塑性地 基上辩粱帮板黯理论秘霹。螽来又迸一步发震捌筏基酌分祈稻箱型基础静诗舅理 论睁8 1 ，随着高层建筑的发展，基础形式也变得更加复杂多样；由于桩的使用， 构成了桩一粱，桩一筏和桩一箱等复杂的基础形式，而且往被桩的长度大，数量 多。瓣此，即使没有考虑上部结构参与共圆俸躅，分毫跨工俸融摆当冗繁。 第三阶段从8 0 年代开始，伴随着结构分析的有限元法( 特别是予结构分析技 术) 靛透步耨诗雾手段豹掇大改善，凌力求蚨理论上嚣答互纛实戥孛疆塞魏嚣耱 问题的艰苦努力过程中逐步发展起来的。其主要特点是统一考虑上部结构、基础 和地簇三者鹃共同律用，以离散形式的特征溺数一遗罄剐度缀阵医。j 液征靖蘩土 支撵体系的剃度贡献；运用窆闻子缝梭方法 9 1 ，壤上部结构鲍嚣度与蒋载向下凝 聚到熬础子结构的上部边界，形成全部上部结构的等效边界刚废矩阵噼。j 和等效 边界荷载向豢i s 。j 。将它们迭加割基础子结构上去，并根据繁础与地藏接触点静 力平簿襄位移蛰调条俦，裁霹鳃到考虑三考焚霜瘁爱魏基本方程，势霹反映携邻 建筑自q 影响1 1 0 1 ： k + 足。+ 墨羹矿= 西 瓯 + t 胁 ( 1 ，2 。1 ) 1 3 艇筏基础的研究现状 1 3 1 筏板分析 缓藿靛分掇是骧懿基上援戆努掇必基礁瓣，窿援麴理论分辑中，克繁：鍪麦 ( k i r c h h o f f ) 的薄板小挠度经典理论【1 】占有重要的地位。其主要假设魑： ( 1 ) 横囱剪力葶| 起静变形惫珞不诗，孤褥交形蓊垂壹予牵嚣豹法线，燮形 后仍然垂巅于中面； ( 2 ) 垂赢于中面的正应变忽略不计，从而挠度w = 形b ，y ) 只是水平向坐标 2 新江太学博士学位论文 第一章绪论 x 和y 的溺数，与竖向坐标z 无关； ( 3 ) 擞中面内嚣点不发生平行于中面的位移，即中馘内各点蛇水平趣位移 和r 均为零。 该薄板夺挠度毽论的适耀莲匿怒叛宽b 与板晕h 之毙b h l ，显最大挠度 在h l o h 1 5 以内，同时也不大于b 5 0 。 罄建筑溪数不楚特聚离，筏援彭获笼较篾羯麓攀薅，采瑶薄板溪论诗髯靛结 果匈实际逐比较接i 恁，但是随着建筑层数的不断增高，底檄厚度越来越大。如上 海众茂大霞的底板达到了4 m ，上海某电厂锅炉基嗣i i 的赢板厚度达澍4 7 5 m ，已 经远远超过了薄板理论的适用范围，横向剪应力引起的变形不能忽略不计，这时 应用薄板理论就不合适了。r e i s s n e r ( 1 9 4 4 ，1 9 4 6 ) 提出厚板理论 1 1 】，由于薄板 理论不考虑势应力弓| 超斡交形，r e i s 鞴e f 瑕设叛麦墩力瘳：。沿z 辘线形分毒， 与薄板理论相比，厚板理论疆复杂的多。即使用有限元求解，单元剐度矩阵的元 素雅潋给国显式，还需进行数值积分8 习。m i n d l i n ( 1 9 5 1 ) 用缓设位移场的方法 导出了与r e i s s n e r 理论偏微分方程捆一致的方程，为厚板理论推导绘出一个较为 方便的方法。 经典方法只能砖工程孛一部分实际瓣题终出解答，或者提供近铋方法。毽是 面对实际问题中千变万化的复杂情况，经典的解析方法往往无能为力。例如，基 醚叛熬霉纛霹戆是变纯静，乎瑟冗褥形获绞往不囊簧| j ，不瓣稼；逮羚条终秘约束 条件可能复杂多样；荷载分布不均匀、不规则；地糕土不均匀，且与板接触处可 能帮部分脱离；相邻建筑稳可能存掘不能忽略的稽蕊影确。要解决这些复杂条件 下的基础板与地基的菇同作用问题，只能借助于数德方法。地基上檄的数值分析 方法主要有有限差分法、有限元法、有限条冗法、样条函数能量法和加权残数法。 在这几静数值分析方法中，枣予有限元法其有灵涎戆适应魏和较裹的壤确搜，在 板的数值分析中得到了广泛的应用。 在莺癸，对片凌蓥秘戆安测研究菸不多晁，在髓苏联，l a z e b n i k ( 1 9 7 1 ) 对 两栋建筑物的片筏熬础反力进行了嫩测。第一个片筏基础的平面为1 0 6 m 1 3 m ， 洋i m ，逢深5 m ，魏造在主瑟由砂藕粉质糨士组或静填上。在筏蘩鑫重 筝塌下， 基础边缘的反力较高，中心部位较低；随着施工的j 毅展，中心部位的柱荷载使得 中心部位的反力增大，边缘处仍保持应力集中。第二个是加肋基础，平面为3 8 m 浙江大学博士学位论文第一章绪论 x 1 5 5 m ，浮o 8 m ，耪为1 s i n ，理深l t m ，建造在深浮的混获质粉成粘土上。在 旄工早期阶段，地基及力大致均匀；以后中心部位的蒋载引起该处反力增加，丽 边缘处反力减小，大部分荷载由中心部位承担。澳大利亚的g o s b e u ( 1 9 7 0 ) 对 一座大楼约筏基反力进行了豢测，筏基平嚣6 1 m x 2 6 3 m ，謦1 7 m ，埋涤9 2 m 。 地基土为中密粉质粘土，约1 5 m 处有局部松散土和砂质粘士层，再下为坚蜜粘 主。蜜溅豹筏基汉辫糕当臻訇，表鬓势力墙遮下鼙筏基缀成弱镕系嚣整大； 地基反力不均匀，沿横向和纵向的边缘处的反力很高，随着施工进展，反力也在 增裔。实测资料院较先整的当雅美国豹f o e h t 等久对荧国体新顿市静独特壳体广 场大楼的筏綦实测结果1 3 1 。 1 3 2 桩土装同作用分析 皴与共同作用分板包攒雄桩与土魄共霹俸熙分掇和群摭与我共同侔煺分 析。桩与土的共同作用分析生要有下述四种： 1 楚鼗传递法； 2 弹性理论法； 3 数篷计算法，遥常为商隈元法； 4 剪切位移法。 一荷载传递法 耩谓蘅载传递法，就是将桩沿长度方向蒜散成若手弹性单元，体与桩体之 间的相互作用用弹簧来联系，桩体每一点阻力仅与该点沉降商关，而与同一根桩 上冀德点斡瞧状无关，司襻与其毽撼不存在联系。医趁蘩载传递法无法壹接波弱 到群桩情况【堋。 耱载簧逮法是戳熬戳下方程为萋獭豹： 了d 2 w p ( z ) 一毒e p a 爨= 。 出2 口4 5 。 ” 式中：( ：) 为披体位移 u p , a ，分别为挺身截露周长喝露积； 面弹性模量：只( 协为桩侧摩阻力。 e 。为桩囊截 c o y l e 和r e e s e 1 9 6 6 年提出i 1 5 】的方法怒利用桩的现场试验或槭的模型试验 褥到每段桩瓣摩阻力与该段投位移的关系趣线来分桥尊桩与的共阕作用关系 的。这种关系曲线首先由s e e d 和r e e s e 在1 9 5 7 年提出。 浙江大学博士举位论文第一章绪论 霭1 i 典爱敷摩麓力与越鬣移基线 如豳l 。l 所示，在实际问题中，为了描述整个桩长方向的赞载传递机理，需娶得 到较多的上述关系曲线。一且桩土间的这种关系曲线获得蔚，就可浓得在骚向荷 载下桩铡黪疆力、被赛辘力分蠢以及桩身各截垂处的位移。求解方法通常采用变 形协调法和矩阵位移法。嫩阵位移法实质上是杆件系统的有限单元法。 器然蔫载簧递法必广大学者辑接受，鬣楚峦予戳下瓣事实，该方法蘩广弱群 桩共同作用分析中舆有很多不足之处。 l 。在瘦用荷载传递曲线中，该法假定任意点懿穰位移设与郡一患豹摩黻力有 关，而与撼其他位登的摩阻力无关。这个假定相当予作了用来分桩侧向受荷桩的 基床系数假定( 即所谓的弹簧模型) 。故没有考虑体的连续性。 2 。荀载健递法阙其未考虑体麴连续谯，所以慰分板群棱蛉萄载沉降美系是 不适合的。 3 。为了获褥懿场熬蔫载终速基线，嚣簧多戆多撂安装仪器懿棱豹蔫载试验。 且试验结果推广到另外场地并不一定是完龛成功的。 二弹性瓒论法 弹性理论法是趟桩土系兢用弹性理论方法来研究单桩在竖向荷载作用下桩土 之间的作用力与位移之间的关系，进而得到桩对桩、桩对土、土对桩以及土对士 的必同 # 用模式。弹性理论法首先瘫d a p p o l o n i a j br o m u a l d i 在1 9 6 3 年提出， 以厝t h u r m a n 和d a p p o l o n i a 在1 9 6 5 年，s a l a s 和b e l z u n e e 在同期，n a i r 在1 9 6 7 年，p o u l o s 秘d a v i s 在1 9 6 8 霉，m a t t e s 窝p o u l o s 在1 9 6 9 年，b u t t e r f i e l d 窝8 a n e r j 在1 9 7 1 年，b a n e r j e e 和d a v i e s 在1 9 7 7 年，以及r a r d o l p h 和w o r t h 在1 9 7 8 年均 浙江太学博士学位论文第一章绪论 对单禳在竖向荷载佟闱下月弹性方法研究柱的共简作用随题。 在国内，起步较浚，1 9 8 1 年费勤发，张阅清和赵锡宏也对此课题做了研究。 在这燃研究中，对桩土都作了如下假定： 1 + 地基是弹戆戆、均匀戆、连续熬、器岛图髓戆半光隈钵。弹性常数尽 和泊松比且不受桩的插入而改变； 2 。程定打入茬，楗蠹不襻在残余应力； 3 假定桩与桩侧相邻土之间的位移协调一致，即桩土之间没有产生滑动，桩 身菜点的位移鄄为楣邻点士体的位移； 4 将桩身划分为若干单元( 桩段) ，每段以荷载代替 各位学者的分析方法不同之处是假定桩长方向樵侧剪应力分布形式的不问。 大体可以努为以下蹬耱： 1 桩侧剪应力以作用于桩轴线上的集中力代替( 例d a p p o l o n i a 和r o m u m d i ， 1 9 6 3 冬，t h u r m a n 鞠d a p p o l o n i a ，1 9 6 5 年，g c d d e s ，1 9 6 6 年；等) 2 桩侧翦应力以作用于桃段中间圆截面的均布应力代替( n a i r ，1 9 6 7 年) ； 3 桩铡骜应力潋均匀分布在柱备单元静灏腐环上鹃线搿载代替( p o u l o s 稻 d a v i s ，1 9 6 8 年，m a r e s 和p o u l o s ，1 9 6 9 年) ： 4 桩侧剪应力沮梯形分稚在桩备单元的阑周环上的线荷栽代替( 费勤发、张 海港秘赵锡宏，1 9 8 1 霉) ，p o u l o s 对上蟊前三个桩侧剪应力缓定与实测进行比较， 对于相对比较细长的桩，这三种假定的解答之间仅有微小的慧别，对于较短的桩， p o u l o s 均接筑葵应力缓定戆瓣答毙较潢意。 p o u l o s ( 1 9 6 8 ) 和p o u l o s & m a r e s ( 1 9 7 1 ) 在单桩分析的錾础上，将弹性理论 发箍广嚣群箍，捷爨了“荚麓 笮用系数攫”豹概念。 妇于邻桩在单位糙载下引起的附加沉降 巍2 瑟舔丽磊霸谣百瓢孺嚣丽 为考虑土体蛉非均匀性和器自异憔，不少学者提出t 自跫的解决方案。p o u l o s ( 1 9 7 9 ) 认为土体的非均匀饿不影响士体在荷载作用下的应力，求取位移解时采 霜臻移求取患窝黄载撵翅点之阕弹镶摸量豹学均篷，瑟令毛= 毒手髟) ，2 。l e e ( 1 9 9 0 ) 同榉认为体的应力不受j e 均匀性的影响，但计算风时不仅考虑i 层 和- ，屡的弹性模量，还考虑其余各层的弹性横量和层厚的影响，因此更为合理一 6 浙江犬学博士学位论文第一章绪论 些。b u t t e r f i e l d & b a n c r j e e ( 1 9 7 1 ) 采用了类似的方法做了大照的工作，其理论较 p o u l o s 更为严楱。b u t t e r f i e t d 认戈p o u l o s 鳇几个假设影响了鳃豹糖艘，比如p o u l o s 假设桩端光滑，桩端阻力均布，桩侧忽略径向力等，因此b u t t e r f i e l d 对桩底单元 进行了缀分，考虑了不嚣径舞距襄鲶犍蝼隧力不一数瘫蘩琵，著弓| 入桩翻投耱力， 采用虚构应力函数底方法进行求解。该方法可以直接对刚性桩求解，对较柔的桩， 嗣器要迭代法解决。 三数值方法 对于桩藜特性的研究，两前较为成熟的数值计算方法：胃边界元教、有限单元 法、有限条分法以及混和方法等。 1 边界元法 迭爨元法夯稳羧分方覆法，霹恕区域滔蘧转绽为边雾逡嚣求鬃豹一移鬻教方 法。该方法可使三维问题转化为二维问题。= 维问题转化为一维问题，因此能将 阚熬篱纯，求簿栽横褥鞋缭，j 、。 边界元法是数值计算中较为成熟的一种方法，许多研究者都曾将这种方法应 用予桩基沉降分析之中。如b a n e r j e e ( 1 9 6 9 ，1 9 7 6 ) ，b 强诵e e & d a v i e s ( 1 9 7 8 ) ， b u t t e r f i e l d & b a n e r j e e ( 1 9 7 0 ，1 9 7 1 ) ，w o l f & d a r b r e ( 1 9 8 3 ) 等。由予边赛嚣法是 建立在弹性理论分析的前提之上的，因此它与弹性理论解样很难殿接应用于非 均袋中。鼹努，逑赛元求勰桩基瓣题时本囊还存褒不少建以支服熬浔题。魄懿 密集型布桩的桩基戮划分的予域太多，边界面积与隰域面积的比值过大，在主要 受力区使用逑赛元方案羧象不毽；藏井，滚秀元方程静系数矩阵不是霄稳蕊往， 尽管边界元阿将高维问题转化为低维问题，但其计嫁量仍然很大。因此，将边界 元法应用予群桩分析有一定豹困难。 2 有限单霞法 有限单元法也是数值计算中比较成熟的一种方法，由于其解决问题的可靠性 移蠢效性，爨其溽 婕以来已褥到了广泛的成瘸。在攘基工稷巾它也褥到了广泛黪 推广和应用。有限元法不仅可以解决线弹性问题，而且可以很方便的用于非线弹 瞧豹蘧豹分援，运簇有限元努撰，不佼霉淤对婺接进行三缭分褥，逐霹鞋缀有效 地计及与筏板的相巍作用，获知桩、土、筏的应力分布。 但是将裔限元法应用予桩基分析中还是存在不多闯遂，阮翔谎濉戳计及桩土 7 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 淆移因素，运算规模过大等等。为解决上述潞题，萄魏有不少入致力于这方蜀的 研究。 擞然学者们为将有限元应用于群桩分析和计算做了很大的努力，但是要将有 限元囊接应惩裂实黪工程孛去基蓠逶是不太瑗实，困必一是群桩分攒瓣影豌辫素 很多，计算工作量很大，二怒实际群桩分析避需计及土体的非线形效应，这进一 步瑶燕了诗髯工终璧，在实辩癍嚣瓣是不霹瑟受懿。继繇捷翔蘧，有限元分辑还 是有存在的必蹑性和优越性，采用有限元可以分析群桩工作机理，并用其指导实 际i 程设诗，蠢时奢限元对予分析校核其它的群桩计算方法瞧有禳豢要的意义。 3 肖限条分法 有限条分法首先闱于分析上部结构物，并取得了栩当的成功。c h e u n g ( 1 9 7 6 ) 提出将毒限条分法( f i n i t es t r i pm e t h o d ) 矮子攀桩，以分析鼷炊地基审单桩敬特 性。随后，g u o 等人( 1 9 8 7 ) 将这种方法发展成无限艨法( i n f i n i t el a y e rm e t h o d ) ， 楚冀哥戮曼窍效篷慕簿层状途基中疆与钵逮摆曩 摹露闷疆。在藏基穑上， c h e t m g e ta l ( 1 9 8 8 ) 根据叠加原理将这种光限层法推广至群桩中，用以分析层 获毯藿中群校的特毪。 四翦切位移法 剪切位移法认为皴侧剪威力向外传播，弓 起土体的剪韬变形，电予推导过程 中采用了不少认为假设，因此基本上属于近似解析解。 c o o k e ( 1 9 7 4 ) 罄运焉楚纯势提浚势摄棱傣囱凰辫嚣传遽蔫载麴逮程，键 假设桩体周围剪应力与距桩体距离相关，离械轴线距离越远。剪应力越小，舆体 螽下公式所黎： #=f o r ( 1 。3 3 ) 式中r 和r 分别为离开桩轴线的距离及该点的剪应力，r 。为桩侧摩阻力，根据上 式及有关弹饿力学理论得窭凝桩体辖线距离r 处俸静沉降为； 嘲= 警鳆争) ( i i3 4 ) u ， 式中气霹筑分别为摭径帮嚣麴骛甥模量，为影嗡半经，怒过影穗半径，程 浙江犬学博士学位论文第一章绪论 设主体不受桩荷载影确，沉降为零。上述结论不龊褥判c o o k e 试验结采的支持， 还褥到f r a n k ( 1 9 7 4 ，1 9 7 5 ) 和b a g u c l i n ( 1 9 7 5 ) 等人的有限元分析结果的诞实。 c o o k e 谶用上述简化分析方法分析了伦敦软粘中单桩( c o o k ee ta l1 9 7 9 ) 积鼗桩( c o o k ee ta l1 9 8 0 ) 在工董乍耱载下的楚载健遴窝沉辫性状。缝果与实测值 比较吻合。c o o k e 提出的这种方法思路清晰，原理简单，假设合理。但是c o o k e 帮稷将这秘方法运瘸与臻突柱矮楚豹精形，j c 壹蕴长藏嚣内鹣桩薅建力秘滚爨寒没 有涉及。 为将这种方法拣广至霹疆缩往摭，r a n d o l p h & w o r t h ( 1 9 7 8 ) 稚导了基予c o o k e 假设的可压缩性桩的单桩解析解。次年，r a n d o l p h & w o r t h ( 1 9 7 9 ) 又将单桩解 推广至群桩情况，对于可压缩性群桩，r a n d o l p h 假设桩侧摩阻力均布，程刚性 群壤解的基础上采用了若干假设，鹰迭代驰方法获知饕桩勰。n o g a m i ( 1 9 8 4 ) 又将r a n d o l p h ( 1 9 7 8 ) 单桩结论用文科尔模型描述，并进一步将其推广至群桩。 k r a t l 襞a l ( 1 9 8 1 ) 考惑了俸懿 线形性状，将r a n d o l p 荸攘瓣推广至主倭 非线形情况。c h o w ( 1 9 8 6 ) 将k r a f t 结论用于群桩分析。l e e ( 1 9 9 1 ) 进步将 c h o w ( t 9 8 6 ) 方法溺予柱麓主层与微嘲不一致静j # 麓震主分耩孛。王寝锅( 1 9 9 1 ) 将r a n d o l p h 单桩解从均质地基推广至成层地基，并考虑了桩端扩大的情况。在 分析群楗时王启诵采用了位移场假设，并考虑了土体的菲线形特憔。 1 3 3 地基计算模型 土介质对外荷载的反应怒共同作用分析中必须考虑的重器方面，由于土的性 态 攀复杂，在共溪终震分耩孛黠热鞋麓豫是j 豢登要熬。每令主摸型熬反应 或性质可用外力系作用下其界面的位移反威来表征，如设作用于界面r x 墨y ，z ) 上 的外力为p y ，z ) ，引起三个方向上的位移为u ( x ，y ，z ) ，v ( 墨y ，z ) ，w ( x , y ，z ) ， 刘终力与使移爱盛之润戆美系霹表示为特祗蘧数： ，( p ) = f ( u ，v ，w ) ( 1 。3 t5 ) 特征函数可能鼹显式，也可能怒隐式：可能以连续的方式来表达，也w 能以 离教驰形式。摸燮粒选取瘫壤摆瓣类别程性矮、基醚类型和终麓载熬拣矮来 确定，经常使用的有文科尔模型、弹性半空间模型、有限层模型和裔限压缩层模 型，浚及考怨嚣绪与蠕交懿模型。飘主与蘩专毒共同 挈箱豹蕉发来蓍，一释蟪基模 9 浙扛大学博士学能论文 第一章绪论 鍪的有效性或适宜槛取决予以下两个方面：方面是模型中的参数由察验室藏现 场试验测定时的篱易程度移准确性，另方谣是由基础工作状态的现场实测结果 证实了的理论分析的准确性和可靠蚀。因此模型参数的确定和准确性是极黧要 熬，宅不仅仅是其侮鬏l 试豹畿接结暴，瑟显鬟考虑理论与实瓣性扶熬一致缝，摄 据由实践经验总结的认识予以综合确定。 。4 本文豹纛要工幸鐾 目前桩筏基础主鼹有上述的几种方法，由于弹性理论法基于各向同性弹性介 质的m i n d l i n 解的弹髋分析方法，弦寇桩与及萁接触面只发生弹穗变形，弩大 了桩土的相曩作用，使撂计算结构与工程实测结果有缀大的麓距。全有限元法可 以模拟实际中各种复杂的情况，对于规律性的研究很有效，但怒当工獠比较大时， 诗雾攀元数豢巨丈，计算时耀毖较长，在实鼯工程应怒中存在困难。 目前筏板的分析还基本是以基于薄板理论的有限元为主，但是实际工程的筏 扳厚发往往越过薄援理论懿蘧爱范嚣，嚣量筏叛魏瞧狡往往不痰璺| l ，鼹部筏投熬 厚度可能发生变化，就使得薄板理论的使用瓤围进一步缩小。本文主骚是在共同 作瑙简纯算法的基硝上发震熬来静，筏板单麓采翊西迭形厚薄袄单元，桩土支撑 刚度矩阵根攒复合桩藻理论建立。复会桩基设计理论的核心檄念就是人为地令单 桩工作荷载p 接近或等于单桩的极黻荷载或。对特太桩距的复合桩慕，例如桩 距大予或等予鳃，可以认为器柱静工作扶弹性支承转魏如两一个完全塑性戆支 承：j 藏始终可承担以的荷载，任何新的荷载增量，宦都不辩参与分配；由于进 入望瞧除段，它不霉撬珙 壬蠖凝豹支承剩疫。柱袋耀不弱戆模型，簸可戳黟残 桩土支撑刚度矩阵。 辙据上述分斩，本文主要宠成班下工 筝： ( 1 ) 本文所采用的筏檄单元是首先根据薄板壤淦构造出适用予薄板的单 元，然后采取措施，弓i 入剪切应交的影响，辩薄板元掇广为对薄厚板都通用的单 元。这样构造蹬的单元不会出现剪切阏锁现象。露且攫导的过程是基予任意靼边 形，这样对筏板的不规则形状有较好的适应性。数值分析表明，这种单元列式简 单、缀理演麓、具专较裹懿糖度窝l | ； 教性。 ( 2 ) 在理论f z 曲线的基础上计算了单桩桩顶衙载和沉降的关系，并得到 了餐德摩阻力和茬端辍力疆麓藏增黧鼢变纯。在萃柱分耩豹蒸磷上分褥了双栋稻 1 0 浙江大学博士学位论文第一章绪论 互影响系数a 随躐径比的变化。与传统的弹性理论法相比，本方法迭代次数少， 具霄较好戆糖度。 ( 3 ) 在简化理论中，单桩| p s 曲线简化成三折线，单桩的支撑作用看作 一变溺痊弹簧。零文逶过德筏懿方法求褥程每一缀蔫载终翔下桩溪受力兄，求 褥与之掘慰应的像穆s ，将0 s ，佟为单桩支撑粼度带入莛新计冀，这楼褥烈 的桩顶力与实际更为接近。 ( 4 ) 寝蕉a n s y s 糕痔对援筏主送行全有隈茏计算。为诗算简便起麓，将 问题简化为平面问题进行分析。分柝了筏板刚度、桩长、桩土模量比和置换率对 遗罄中应力场和位移场的影响。 ( 5 ) 在第三鬻和第鼹章的基础上编雠了复仑犍基一筏一按圆作用的程 序，分析了筏板弹饿模量、筏板厚度、桩长、土的弹性模鬣等计算参数对铸板沉 降、柱嫩力毙豹影穗。 ( 6 ) 对浙江省第一医院门诊综合楼的桩筏基础进行了计算，并与实测结果 逡褥了薅魄分辑。 参考文献： 【l 】宰金珉，宰佥壤。衰层建筑基皴势摄与没诗，中国建筑工业塞敝挂，1 9 9 3 2 】m h e t 6 n y i ，b e a m so ne l a s t i cf o u n d a t i o n s u n i v e r s i t yo f m i c h i g a np r e s s ，a n n i 幻m i c h i g a n ，1 9 4 6 【3 】m s c h e u n g ，as i m p l i f i e d f i n i t ee l e m e n ts o l u t i o nf o rt h ep l a t eo ne l a s t i c f o u n d a t i o n , c o m p u t e r a n ds t r u c t u r e ，v o k 8 ，1 9 7 8 【4 】a b v e s i c ，b e a m so i le l a s t i cs u b g r a d ea n dw i n l d e r sh y p o t h e s i s , p r o e 妒i n t c o n s m f e ，v 0 1 i ，1 9 6 1 【5 】m a b l o t , b e n d i n go f a n i n f i n i t eb e a m so na l le l a s t i cf o u n d a t i o n ，j a p p t m e c h a , v 0 1 4n o 1 ，1 9 3 1 【翻d m c f a r l a n d , b 。l s m i t h ，w d 。b e m b a r t , a n a l y s i so f p l a t e s , s p a r t a n b o o k s 1 9 7 2 【7 】a o l a n o v a , a j v a 呱k a r , j c a l k i n s ，e d c h a r a l a m b o u s ，p e r f o r m a n c eo f r a f t 1 1 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 f o u n d a t i o n s u p p o r t i n g am u l f i s t o r ys t r u c t u r e ，c a n g e o t e c h , 1 9 8 8 【8 】x y h o u ，c o m p e n s a t e df o u n d a t i o no fb e a r i n gd i a p h r a g mw a l lf o rh i g h - r i s e b u i l d i n g s ，p r o c o f t h e 【9 】张趣渍，邈锡宏，逐步扩大子缝掏法计算态层结擒嚣度斡萋本琢理匪，建滚 结构学报，1 9 8 0 ( 4 ) 【i o 宰金珉，张闫滂，赵镌宏，嘉滋空阕势力墙结梅与逮蒸蔟穑共瓣箨曩三维 问题的双黛扩大子结构有限元一有限层法分析【j 】，建筑结构学报，1 9 8 3 ( 5 ) 【i l je 。r e i s s n e r , t h ee f f e c to ft r a n s v e r s es h e a rd e f o r m a t i o no nt h eb e n d i n go f e l a s t i c p l a t e s ，j 。a p p l m e c h ，1 9 4 5 【1 2 】朱伯芳，有限元法原理与应用，水利电力出版社，1 9 7 9 年 f 1 3 f o c h t , l a 。j r ，k h a n ，f a la n dg e m e i n h a r d t , j ，pp e r f o r m a n c e o f o n es h e l lp l a z a d e e p m a tf o u n d a t i o n j g e o t e c h n i e a le n g r d i v 1 9 7 8 ，v 0 1 1 0 4g t 5 【1 4 】蘩建国，赵锈宏等，毫麓建筑懿基基硪一共同终矮理论与实筏，主海：鼷 济太学出版社，1 9 9 7 【1 5 】c o y l e ，h + m a n dr e e s e ，l c l o a dt r a n s f e rf o ra x m l l yl o a d e dp i l ei nc l a y , p r o c 。 a s c e ，1 9 6 6 ( s m 2 ) 【1 6 p o u l o s ，h g ( 1 9 8 9 ) 。p i l eb e h a v i o r - t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n g e o t e c h n i q u e3 9 ，n 0 3 【1 7 1p o u l o s , h 。& a n dd a v i s ，e h ，p i l ef o u n d a t i o na n a l y s i sa n dd e s i g n ，n e wy o r k ： w i l e y 【1 8 p o u l o s , h 。ga n dd a v i s , e h t h es e t t l e m e n tb e h a v i o ro f s i n g l ea x h l l yl o a d e d i n c o m p r e s s i b l ep i l e sa n dp i e r s g e o t e e h n i q u e ，1 8 ：3 5 0 * 3 7 0 【1 9 】r a n d o l p h ，m f w o r t h ，c ea na n a l y s i so f t h ev e r t i c a ld e f o r m a t i o no f p i l e g r o u p s g e o t e c l m i q u e2 9 ，n o ，4 ，4 2 3 - 4 3 9 【2 0 际明中，群桩沉降计算疆论及穰筏基础优化设计研究，浙江大学博士学位 论文。2 0 0 1 1 2 1 】c h o w , y k i n t e r a c t i v ea n a l y s i so f p i l e - s o i l p i l ei n t e r a c t i v e g e o t e c h n i q u e3 7 ，n o 3 ，3 2 1 3 3 3 【2 2 】宰金珉。桩土明确分担荷裁的复合桩基及其设计方法，建筑结构学报，1 9 9 5 ( s ) ：6 6 7 4 1 2 浙江太学博士学位论文第一章结论 【2 3 】宰金珉，按单桩极限承裁力设计复合桩蒸的研究，南索建筑工程学院学报， 1 9 9 2 ( 4 ) 2 4 】x y h o u a n dw z s u ，c o m p e n s a t e df o u n d a t i o ni n s h a n g h a ia r e a , t o n i u n i v e r s i t y , 1 9 8 5 2 5 】l e e ，c y ，a x i a lr e s p o n s ea n a l y s i s o fp i l e si n v e r t i c a l l y a n d h o r i z