（岩土工程专业论文）基于共同作用理论的高层建筑桩筏基础优化设计的研究.pdf

摘要 摘要 基于桩筏基础共同作用设计方法( 习惯上称为沉降控制复合桩基设计方法) 能充分利用承台下地基土的承载能力，从而减少用桩量，减轻对环境的影响， 达到安全和经济的目的，使其能够在上海软土地区八层以下建筑得到广泛的应 用。 上海地区高层建筑桩筏( 箱) 基础实测数据表明高层建筑地基土分担一定 比例上部荷载，因此本文指出将沉降控制复合桩基限制在八层以内多层建筑采 用是保守的，通过分析，提出用天然地基土承载力不小于总荷载的5 0 ( 既矿 o 5 ) 作为高层建筑采用沉降控制复合桩基设计的控制值。采用上述控制标准， 研究了上海市区不同工程地质条件下，高层建筑应用沉降控制复合桩基设计的 前景，并且应用本方法研究一幢1 7 层民用住宅的基础设计。 本文针对常规桩基设计存在的不足，探讨在考虑桩筏共同作用条件下， 改变基桩长短组合和基桩疏密布置，对高层建筑桩筏基础工作性状的影响，提 出内长外短、内短外长、内密外疏和内疏外密等四种桩基础优化设计方法，并 用一幢1 7 层民用住宅探讨上述四种优化方法对高层建筑桩筏基础群桩桩顶沉降 和荷载分担的影响规律。 关键词：沉降控制复合桩基高层建筑天然地基承载力 矿 1 0 5 基础优化设计桩筏基础共同作用内长外短内短外长 内密外疏内疏外密 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep i l er a f tf o u n d a t i o n w h i c hi sa l s oc a l l e da ss e t t l e m e n tc o n t r o 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 c u s t o m a r i l y i nc h i n a , c a nu t i l i z et h e c a p a c i t y o fs u b s o i l a d e q u a t e l y , r e d u c et h en u m b e ro fp i l ea n de f f e c to ne n v i r o n m e n t i ti sas a f ea n d e c o n o m i c a lf o u n d a t i o na n du s e dw i d e l yi nt h el o w r i s eb u i l d i n gi ns h a n g h a is o f ts o i l r e g i o n t h et e s td a t af o rt h ep i l er a f ta n db o xf o u n d a t i o n so fh i g h - r i s eb u i l d i n gi n s h a n g h a is h o w st h a tt h es u b s o i lc a ns h a r es o m el o a d so fs u p e r - s t r u c t u r e ，s oi ti s c o n s e r v a t i v et or e s t r i c ts e t t l e m e n tc o n t r o l l e dc o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o ni nl o w - r i s e b u i l d i n g a c c o r d i n gt oa n a l y z i n g ，t h ec o n d i t i o nf o rt h ec a p a c i t yo fs u b s o i li sl e s st h a n 5 0 t o t a ll o a d sc a nb er e g a r d e da st h ed e s i g nc o n t r o lv a l u eo fs e t t l e m e n tc o n t r o l l e d c o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o ni nh i g h - r i s eb u i l d i n g s t h ep r o s p e c to fa p p l i c a t i o nf o r s e t t l e m e n tc o n t r o l l e dc o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o ni nh i g h r i s eb u i l d i n gi ns h a n g h a ii s s t u d i e db yu s i n gt h ed e s i g nc o n t r o lv a l u ea b o v e m e n t i o n e da n dc o n s i d e r i n gd i f f e r e n t s i t e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n t h ef o u n d a t i o nd e s i g no fa17 - s t o r e yd w e l l i n gh o u s ei s s t u d i e db yu s i n gt h i sm e t h o d c o n s i d e r i n gt h ed e f e c t so fc o n v e n t i o n a lp i l ef o u n d a t i o na n db a s e do nt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep i l ea n dr a f t ，t h eb e h a v i o ro fp i l er a f tf o u n d a t i o ni nh i g l l r i s e b u i l d i n gi sd i s c u s s e db yc h a n g i n gt h el e n g t ha n dl a y o u to fp i l e s f o u ro p t i m i z a t i o n d e s i g nm e t h o d s ，i e p i l el a y o u t sf o ri n t e r i o rl o n gp i l e sa n de x t e r i o rs h o r tp i l e s ，i n t e r i o r s h o r tp i l e sa n de x t e r i o rl o n gp i l e s ，i n t e r i o rd e n s ep i l e sa n de x t e r i o rs p a r s ep i l e s ，a n d i n t e r i o r s p a r s ep i l e sa n de x t e r i o rd e n s ep i l e s ，a r ep u tf o r w a r da n du s e di nt h e s e t t l e m e n ta n d1 0 a d s s h a r ea n a l y s i so fal7 s t o r e yd w e l l i n gh o u s e k e yw o r d ：s e t t l e m e n tc o n t r o l l e dc o m p o s i t ep i l ef o u n d a t i o n ，h i g h r i s eb u i l d i n g ，t h e c a p a c i t yo fs u b s o i l ，o p t i m i z a t i o nd e s i g no ff o u n d a t i o n ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep i l e a n dr a f t ，i n t e r i o rl o n gp i l e sa n de x t e r i o rs h o r tp i l e s ，i n t e r i o rs h o r tp i l e sa n de x t e r i o r l o n gp i l e s ，i n t e r i o rd e n s ep i l e sa n de x t e r i o rs p a r s ep i l e s ，a n di n t e r i o rs p a r s ep i l e sa n d e x t e r i o rd e n s ep i l e s 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、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。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、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和电子版：在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名： 南擗 力口，年2 3 月丝日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名：j 曳客寸每 多，口r 年3 月工2 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 建筑的上部结构、基础与地基三者是统一共同作用的，这是一个不争的事 实。然而，目前工程界普遍采用的设计方法则是把上部结构、基础和地基隔离 开来分别考虑。在上部结构的设计中，假定基础为绝对刚性体，即基础不存在 差异沉降；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 用在基础上的荷载，并假定地基( 桩) 反力按某种规定的方式分布：在桩基的设 计中，假定荷载全部由桩承担，平均分配于各桩。 理论研究表明，与常规法计算结果相比，共同作用分析将使上部结构、基 础和地基等在内力和位移等方面都发生显著的变化。例如，对框架结构来说， 外柱内力将增加，而内柱内力则将减少；在基础方面，由于上部结构刚度对基 础变形有约束作用，基础差异沉降将会减少，地基( 桩) 压力分布也显著地与常 规法分析不一致，等等。这些研究说明目前设计方法在许多方面与实际情况存 在着差距。 上部结构、基础和地基三个组成部分是彼此不可分离的整体，每一部分的 工作性状都是三者共同作用的结果。共同作用分析就是把上部结构、基础和地 基看成是一个彼此协调工作的整体，在连接点和接触点上满足变形协调的条件 下求解整个系统的变形和内力。共同作用原理是系统论思想在高层建筑设计领 域的具体体现。 1 2 上部结构一桩一土共同作用研究的发展m 5 0 年代，g g m e y e h o f 根据上部结构中任一点附近的变形协调关系，提出估 算框架结构等效刚度的公式来考虑共同作用，即楼层等代刚度的近似计算公式。 其后，s c h a m e c k i 通过荷载传递系数把上部刚度考虑到单独基础的沉降分析中 去，h g r o s s h o f 又着重研究上部结构刚度对基底反力分布底影响。6 0 年代， 第1 章绪论 h s o m m e r 对于半无限弹性土体上的简单框架结构，提出一个考虑上部结构刚度 来计算基础沉降、接触应力和弯矩的方法。随着有限元和计算机的发展， o c z e i n k e i w i c za n dy k c h e u n g 应用有限元研究地基基础的共同作用。特别指 出，j s p r z e m i e n i e c k i 提出的子结构分析方法，为i k l e ea n dh b h a r r i s o n 和 m j h a d d a d i n 利用子结构的分析方法研究地基基础与上部结构共同作用奠定基 础。接着，j t c h r i s t i a n 在高层建筑的规划与设计会议上阐述高层建筑与地基基 础共同作用问题。此后，从事该课题的研究人员日益增多。在进入8 0 年代以后， h g p o u l o s 利用m i n d l i n 公式提出桩和地基土共同作用的弹性理论法，进一步推 动桩土和上部结构基础共同作用的深入研究。他在1 9 8 1 年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，详述土和结构物共同作用 的发展和前景。 在国内，6 0 年代初，张问清等开始对共同作用问题的研究工作。7 0 年代在 京沪等地区对十幢高层建筑箱形基础与地基共同作用进行了比较全面的现场测 试，在理论上作了比较系统的探索，积累了宝贵的经验和难得的数据，为我国 高层建筑箱形基础设计与施工规程的编制创造了有利条件，使我国的箱形 基础设计提高到新的水平。1 9 8 5 年董建国、路佳等对共同作用原理在高层建筑 地基基础中的应用进行首次尝试。赵锡宏等著的上海高层建筑桩筏与桩箱基 础设计理论反映8 0 年代后期该课题组的理论和实践研究成果。9 0 年代董建国 等对共同作用在实践上的应用提出建议，杨敏对上部结构与桩筏基础共同作用 作了理论和试验研究，黄绍铭、裴捷等提出减少沉降桩，宰金珉提出复合桩基 设计方法，管自立提出疏桩基础的设计思想，董建国和赵锡宏著有高层建筑 地基基础共同作用理论与实践以及赵锡宏等著有带裙房的高层建筑与地 基基础共同作用设计理论与实践。1 9 9 8 年在我国第八届土力学及基础工程学术 会议上以及2 0 0 0 年在“2 1 世纪高层建筑基础工程学术研讨会 会议上，多位专 家利用桩箱( 筏) 基础与地基共同作用的理论和实践成果，提出的建筑物的变 形控制设计理论、方法及其应用均成为讨论的热点。2 0 0 3 年底上海召开“上部 结构一桩一土相互作用研究及其设计方法”会议。，天津代表提出准备在天津市 2 第1 章绪论 建设规范中对8 一1 6 层建筑应用复合桩基设计思想。 1 3 复合桩基的发展 国内外关于共同作用的课题已进行大量的研究，能应用于工程实践的研究 成果不多，真正有所突破并应用于工程实践的仅在桩土共同作用方向。 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 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5 ，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沉降和差异 沉降的作用非常小。1 9 7 8 年h a i n & l e e 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 6 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，在桩间距为4 倍桩径时再加入更多的桩并不能显著地 减少沉降。试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 乎与小桩距时一样有效。英国p r i c e 等人7 在设计伦敦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板基础的沉降和内力，设计时考虑桩与筏板 的共同作用，共同承担上部结构荷载，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明，该基础的设计是成功的，桩承担了 总荷载的3 0 ，而筏板承担7 0 。在我国，由于近年来建筑工程量大面广，沉 3 第1 章绪论 降控制复合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 佃：“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 土共同承担外荷载，土的许可压力可用2 3 t m 2 ，余下的荷载由桩承受，每根桩 可发挥极限承载力，。 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9 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。 1 9 8 7 年，上海民用建筑设计研究院黄绍铭等人仃开始探索六层以下混合结 构的沉降控制复合桩基的设计方法，并结合上海康健新村住宅建设，展开桩与 承台共同承担外荷载基础的设计研究和实践。这一设计方法的基础是基于明德 林( m i n d l i n ) 应力解的盖得斯( g e d d e s ) 单桩荷载应力公式计算土中的应力， 用分层总和法计算沉降；其设计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、不同桩数时的沉降计算、按建筑物的容许沉降量确定实际用桩 数。经过十几年的试用，取得了工程经验后，现已列入1 9 9 9 年颁布的上海市工 程建设规范地基基础设计规范( d g j 0 8 一l1 - 1 9 9 9 ) 1 中。对于8 层以下的多 层住宅，该方案是比较经济合理的，目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件。上海学术与工程界将上述沉降控制复合桩基的方法 列入规范，这在国内外还是首次，标志着我国在此方面的研究达到了新高度。 宰金珉等在综合分析沉降控制复合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5 ，提 出了天然地基承载力满足率的指标、i ，认为该指标、i ， o 5 是应用复合桩基新方 法必须满足的适用条件；当v 0 5 时，应按常规方法设计桩基，并对整体安全 度进行了计算和分析，提出了天然地基承载力设计值的利用系数和单桩极限承 载力的利用系数两个指标，前者一般小于0 5 ，后者一般取0 。8 o 9 ，认为天 然地基承载力满足率对整体安全度的影响最显著；对复合桩基设计用两个条件 控制，即整体安全系数不小于2 ，沉降量不大于容许沉降量。 4 第l 章绪论 9 0 年代初，浙江温州市建筑设计院管自立工程师基于充分利用温州地区浅 埋硬土层良好承载力地考虑，提出了疏桩基础的设计思想“d “，提出对由传统 桩基设计所确定的桩的数量和间距进行精简与疏布。认为在饱和软土地基中， 地基土对桩的容量存在一个“最佳容量 ，对应于这个“最佳桩容量时的建筑 物沉降为最小，目前还处于推广阶段，他建议疏桩率以控制在3 0 4 5 为宜。 复合桩基系指按大桩距( 一般在5 川倍桩径d 以上) 稀疏布置的低承台摩擦 群桩或端承作用较小的端承摩擦桩与承台底土体共同承载的桩基础。由于群桩 中单桩工作至接近其极限状态，使得桩与承台最终有明确的承载分担，故与复 合地基的概念不同，是纯桩基与天然地基之间过渡型的基础形式。本文在综合 分析高层建筑桩筏基础的共同作用分析法的工作性状的基础上提出了高层建筑 桩筏基础在整体承载力和沉降量双重控制下，按单桩极限承载力pu 设计高层建 筑桩筏基础的新方法( 在国内习惯把桩筏基础的共同作用设计方法称为复合桩 基设计方法) 。此法若推广应用，可取得显著经济效果。 1 4 复合桩基设计方法 随着我国经济的发展，多层建筑迅速增长，充分利用地基土的承载力，节 约造价成为考虑的重要因素，复合桩基这种具有良好经济效益的沉降控制设计 理论，在八层以下建筑上得到了充分的发展，进行了很多工程实践。 在实际工程中设计采用桩基础的原因订：一是地基承载力不够，需要采用 桩将上部结构荷载传到深层土层：二是地基土将会发生较大的沉降变形，需要 采用桩来减少沉降。因此，合理和恰当的桩基础设计应该根据采用桩基的目的 不同而分为三种情况来处理： ( 1 ) 所有荷载由桩承担； ( 2 ) 桩和桩间土共同分担上部荷载，同时桩也起到减少沉降变形的作用； ( 3 ) 桩用于减少和控制沉降，地基土的承载力能满足上部结构的需要。 对于常规桩基设计理论是建立在满足承载力的基础上，完全由上部结构荷 载来确定桩数和桩长。显然对于在天然地基能满足承载力要求而沉降过大的时 第l 章绪论 候，采用常规桩基础设计方法是过于保守，造成了过高的基础造价。在这种天 然地基强度满足设计要求但沉降过大情况下，采用沉降控制复合桩基能充分发 挥桩对基础沉降的控制能力，可按单桩极限承载力设计，使桩的承载能力得到 充分发挥，桩数的减少大大降低了基础造价，并可减少挤土效应对环境的影响。 目前八层以下住宅的沉降控制复合桩基设计所采用的方法是在分析和了解 桩基沉降发生和发展的实际过程中，考虑复合桩基中各桩先后接近或达到其极 限荷载只时工作性状的关键分界点，并且利用一种能比较精确的桩基沉降计算 的经验方法的基础上，将桩一土共同作用的实际过程简化为桩顶荷载未超过和 超过桩的极限承载力两个阶段“。 一、外荷载小于桩基中各单桩极限承载力之和时 不计承台下地基土的分担作用，假定外荷载全部由桩承担，最终沉降就是由 桩承担全部外荷载作用下产生的沉降量。 二、外荷载超过各单桩极限承载力之和时 桩将始终保持分担相当于各单桩极限承载力之和的荷载，而承台下的地基土 则分担余下之荷载，最终沉降量为桩分担的荷载所产生的沉降量与承台下地基 土分担的荷载所产生的沉降量之和。 沉降控制复合桩基整体极限承载力p u ，近似等于其中各单桩的极限承载力 与承台下地基土在无桩条件下的极限承载力之和。考虑到沉降控制复合桩基实 际工作性状的复杂性，其结构设计除需满足常规低承台摩擦桩基本要求外，在 其桩身结构设计中，应注意在承台产生一定沉降时，桩可能接近或到达地基土 对其极限支承力的特点，同时其桩数又相对较少，设计时除使桩身结构承载力 能满足相当于地基土对单桩的极限支承能力的荷载外，尚应留有一定余地，以 考虑实际地基土对单桩的极限支承能力超过设计预估值的可能性；对于承台也 应该注意其承台下地基土与桩分担外荷载关系随荷载作用时间变化的特点，取 其最不利情况下进行结构设计和计算。 在目前进行沉降控制复合桩基的沉降计算主要还是依赖群桩沉降计算方法， 主要有这几大类型方法7 ： 6 第1 章绪论 ( 1 ) 等代墩基法； ( 2 ) 等效作用分层总和法； ( 3 ) 弹性理论法； ( 4 ) 原位测试估算法； ( 5 ) 简化和经验法 1 9 9 4 年上海市地方标准地基处理技术规范( d b j - 4 0 - 9 4 ) 和1 9 9 9 年上海 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 ) 已将沉降控制复合桩 基列入其中，并限制在八层以下的房屋应用。在沉降控制复合桩基沉降计算中， 推荐使用的方法是从g e d d e s 基于m i n d l i n 公式推导出的单桩荷载在地基中产生 的附加应力系数公式出发，考虑群桩在土体中产生的附加应力叠加，求得地基 中竖向附加应力后，再按分层总和法计算。相比较来说，这种方法在目前还是 比较合适的，也取得了一些计算经验。 1 5 本文所做的主要工作 不少基础实测数据表明上海地区高层建筑地基土分担一定比例上部荷载， 因此将沉降控制复合桩基限制在八层以内多层建筑采用是保守的。笔者认为应 该充分利用桩间土的承载力，但从安全角度考虑，提出用采用天然地基土承载 力不小于总荷载的5 0 作为高层建筑采用沉降控制复合桩基设计的控制值侣。 并用这个控制标准，研究上海市区不同工程地质条件下，高层建筑采用沉降控 制复合桩基设计的前景。 本文还针对传统桩基设计存在的不足，探讨在考虑桩筏共同作用条件下， 改变桩长和桩间距对桩筏基础性状的影响，提出内长外短、内短外长、内密外 疏和内疏外密等四种桩基础优化设计方案，并应用到一个1 7 层民用住宅建筑的 基础设计，通过研究各个方案对基础群桩沉降和荷载分担的影响规律，给出进 行常规桩基优化设计的方法和原则。 本文在应用g e d d e s 方法计算地基附加应力时，发现存在一些问题难以解决， 想更进一步的研究，但限于分析手段和缺乏实际工程的实测数据，缺乏工程和 7 第l 章绪论 经费的支持，缺乏实测数据，缺少合作的氛围。这不仅仅是我个人在科研中面 临的困境，已经成为共性。共同作用设计方法是在理论的支撑下，从工程实践、 工程实测，经过专家智慧的提炼，再应用到工程实践中反复验证，逐步发展完 善，共同作用设计方法的形成是需要一个培育环境的。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 在前人研究成果的基础上，提出在上海地区进行高层建筑沉降控制复合 桩基设计的新思路，对上海软土地基上适合采用沉降控制复合桩基设计的高层 建筑范围进行研究，并对一幢实际高层住宅建筑进行沉降控制复合桩基础设计 研究： ( 2 ) 探讨长短桩和疏密布置桩的优化设计方法和原则，并应用有限元方法， 结合实际建筑工程研究长短桩和疏密布置优化设计方法对群桩沉降和荷载分担 的影响规律。 8 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 2 1 单桩沉降分析 竖向荷载作用下的单桩，其沉降一般可以说是由三部分组成： 1 、端土体由桩端阻力产生的压缩沉降，以下称为桩端相对位移； 2 、桩端平面以下土体由侧摩阻力作用产生的压缩沉降瓯； 3 、桩身在轴向力作用下，产生的压缩瓯。 因而，工作荷载下单桩的沉降可以表示成为 s = + + 名 ( 2 1 ) 已有单桩沉降的计算方法也是围绕着这三个部分来展开的，在实际的计算 中，由于计算条件以及单桩在不同的工作条件下，在具体的计算过程中，根据 工程问题的性质、具体的条件和荷载作用情况选择合适的计算方法和计算参数。 目前，计算或在经验的基础上预估单桩沉降的方法主要有以下几种。 2 1 1 弹性理论法 该方法的基本假设“”是，将地基看作是均匀、连续、各向同性的弹性半空 间体，并假定桩与桩侧相邻土体之间位移协调。被广泛应用的弹性理论法中， 考虑桩与桩侧土之间的相互作用力桩侧摩阻力分布假定中，具有代表性的 是p o u l o s 的假定以作用在桩周土的均布荷载代替摩阻力。已有的研究表 明，这一假定与普通桩基的实际工作情况是相符合的。 弹性分析一般认为只有当荷载水平充分低于极限值时才是合适的。另外， 弹性理论法中的计算土性参数是噩和1 ，对于弹性半无限体来说，这两个指标 表示土体的变形不太完善。但弹性理论法是基于很好的理论基础，便于参数研 究，而且以弹性连续介质理论为依据的单桩分析方法，只要通过简单的扩充就 可以进行群桩分析。目前，弹性理论法无论在单桩还是在群桩分析中，已经有 了较为完整的理论体系和参数理论经验取值，是很多国家桩基设计规范中的设 9 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 计计算方法的主要理论基础。 2 1 2 剪切位移法 剪切位移法是由c o o k e 和r a n d o l p h 等在试验和理论分析的基础上提出和发 展，用于分析均质、弹性地基中纯摩擦性的刚性桩问题，基本假定有： 1 、单桩作用下桩周土只发生环形剪切变形，桩土之间不产生相对位移，并 理想地视为同心圆柱体。只有当荷载水平较小，桩在轴向荷载p 作用下沉 u 降较小时，这一假定是合理的。 2 、假定桩侧土上下土层之间没有相互作用。 3 、桩端承受的荷载较小，桩端位移按刚性板下的无限弹性地基沉降计算。 随着土力学理论的发展，罗维德提出假定剪切位移曲线为抛物线。另外， 文献“砷将剪切变形传递法推广到塑性阶段，从而部分的考虑和发展了非线性分 析的沉降计算。 2 1 3 荷载传递法 s e e d 等建议根据试验结果直接推定留。s 之间的非线性关系，并把它称之 为传递函数，此后，c o y l e & r e e s e 针对这一非线性问题提出了迭代解法，即荷 载传递法。它反映了在承受竖向荷载时，桩身的压缩变形和桩端变形的增加， 桩侧摩阻力吼和桩端阻力吼得到发挥，另一方面从数学分析和计算的角度体现 了这种发挥的过程。 荷载传递法是先将桩分成若干段，一般是等长的桩段，在选定一个较小的 桩底位移，接着根据每段与土之间的联系用传递函数侧摩阻力和桩侧变形关系， 即吼一j 曲线，和桩端传递函数吼曲线，得到桩侧摩阻力g s ( z ) 和桩端阻力 以，再求出各段中点和桩端的位移，再根据传递函数求出新的土对桩的作用力， 这样循环迭代，直到满足精度要求，求出桩顶沉降和桩土作用力。 l o 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 2 1 4 其他方法 随着桩基在工程中的应用和设计计算理论的发展，还形成了其他的一些单 桩沉降计算方法。 1 、分层总和法o ：和天然地基分层总和法计算土体压缩相类似，根据经验 选定桩端和桩侧分担荷载的比例，以及利用扩展基础理论，求出土中附加应力， 也就可以得到桩端的位移，以及桩顶的沉降。这种计算方法，更多的是依靠经 验来完成的。 2 、有限单元分析方法1 田：是随着计算机应用而发展起来的方法。有限单元 法的本质是，把具有无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元 集合体。在单桩分析中应用有限单元法，从理论上来说可以考虑更多因素的影 响。袁建新等人利用有限单元法进行了桩的承载特性和沉降规律进行了研究。 在运用本方法进行分析的时候，一个需要解决的重要问题是选择好土体的本构 关系，对这类分析来说这是关键的，由于土体本构关系非常复杂，现在还没有 一种能正确模拟土体应力一应变关系的方法。虽然有这种局限性，但此方法还 是对分析和认识单桩承载特性有重要意义。 另外，近些年来，在弹塑性理论和传递函数的基础上，提出了一些计算方 法。如，弹塑性理论一传递函数联合求解法。尤其在传递函数上，一些学者提 出了不同的函数形式，对于不同的桩基础条件，有不同的适用性。在近似计算 方法方面，比较有特点的有：位移变分法和神经网络法等。 2 2 群桩沉降分析 群桩基础沉降计算理论发展至今天，已经形成了如下几种常用的沉降计算 模型妇： 2 2 1 实体深基础法 又叫等代墩基法，该法是国内1 9 8 9 年前地基基础规范推荐的方法，同时也 是国家行业标准建筑桩基技术规范2 3 推荐的方法之一，且仍被上海市地 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 基基础设计规范“( d g j 0 8 1 1 1 9 9 9 ) 采用。该计算模式将承台周边范围内的 群桩和桩间土一起假想为天然地基上的实体深基础，并假定实体深基础范围内 的桩间土不产生压缩变形，按扩展基础的沉降计算方法估算群桩的沉降。其优 点是：容易理解、计算简便、能够手算。缺点是：不论桩数多少、桩距多大、 都把桩土筏作为一个整体进行研究，不能考虑其中的每根桩的不同情况，不能 计算沉降与桩数的关系。 为了消除上述假定对沉降估算结果的影响，人们在计算模式上采取措施来 修正估算值：变动假想实体基础底面的位置，以考虑桩间土的压缩变形； 从群桩桩顶外围按应力扩散角口向下扩散，增大假想基底面面积，来考虑群桩 外围剪应力的扩散作用；提出和发展了地基土中附加应力计算的一系列方法 和模式。 2 2 2 简易理论法 简易理论法是在实体深基础理论基础上发展而来的桩筏基础最终沉降量计 算方法，由董建国“2 在1 9 8 9 年提出。根据箱( 筏) 基础范围内土体总抗力t 与外荷载p 的大小关系，分析判断采用何种沉降计算模式，随后给出这些计算 模式的沉降计算公式来预估不同桩长的高层建筑桩箱( 筏) 基础的沉降。当 p t 时，按等代实体深基础模式计算。该法理论简明， 能够手算，计算参数易于确定。 2 2 3 荷载传递法 又称传递函数法，s e e d & r e e s e ( 1 9 5 5 ) 首先提出了荷载传递法。他们根据 现场试验结果，提出了桩侧摩阻力与位移之间的关系。在此基础上c o y l e & r e e s e ( 1 9 6 6 ) 提出了软粘土中的荷载沉降曲线，c o y l e & s u l a i m a n 确定了砂土中 桩侧剪应力与位移之间的关系，即所谓的t - z 曲线。 传递函数法是将桩离散成许多单元，桩单元与土用非线性弹簧连接，这种 弹簧的力与位移之间的关系就是传递函数。 1 2 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 2 2 4 剪切位移法 这个方法把在竖向荷载作用下桩的沉降分成桩身和桩尖变形两部分。桩身 变形是假定受荷桩周围土的变形，理想化作同心圆柱体建立；桩底土变形用布 西奈斯克( b o u s s i n e a q ) 角求得。该方法首先由c o o k e 在1 9 7 4 年通过试验证明并 提出。此法可计算群桩桩数和沉降的关系，但其参数不易确定，国内应用较少。 2 2 5 广义剪切位移法 该方法在国内由宰金珉提出( 1 7 ) 0 该法将桩身离散为杆单元，对群桩与土相 互作用大系统中桩周土近场高应变区用解析化的广义剪切位移法描述其非线性 剪切位移场，对桩远场低应变区的大部分土体则采取半解析半数值的有限层方 法，经增量法建立群桩与土和承台非线性共同作用分析半解析半数值方法。 2 2 6 弹性理论法 弹性理论法是以明特林( m i n d l i n ) 解为基础的一种群桩沉降计算方法，而 m i n d l i n 解给出的是均质弹性半空间内作用单位竖向荷载的位移与应力解。在 实际应用中该法又发展为两种方法：以m i n d l i n 应力基本解为基础的g e d d e s 应力法以m i n d l i n 位移基本解为基础的p o u l o s 位移法。目前该法在国内应用 较多，但因为公式繁琐，无法进行手算，多以计算机程序实现。 2 2 7 有限单元法 该方法要求建立起桩、土、筏的刚度矩阵，求解很大的矩阵方程组，适合 借助于计算机编程序计算。用有限单元法分析群桩通常把问题简化为平面应变 问题( 如d e s a i ，1 9 7 4 ) 或轴对称问题( 如h o o p e r ，1 9 7 3 ；n a y l o r & h o o p e r ， 1 9 7 4 ) 。两种问题中都把筏和土划分成有限单元，可以方便地研究土和筏的非线 性行为。 虽然受到计算参数难以确定因素的限制，三维有限元近几年在群桩沉降分 析中仍然得到较广泛的应用。z h u a n g ( 1 9 9 1 ) 和l e e ( 1 9 9 3 ) 等用三维有限元 法得到了计算桩筏沉降和筏内应力所需的参数，包括筏板相对刚度、桩的相 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 对长度、桩数等。t a 和s m a l l ( 1 9 9 6 ) 用有限元法分析筏，用有限层法分析土 层，这种方法能有效地处理成层土问题，但仅限于土层的线性行为。倪新华在 三维条件下运用有限元一无限元耦合的方法分析筏基群桩土体的共同作 用。 由于对群桩沉降机理和特性分析还没有完全弄清楚，各种分析方法也在不 断的涌现，一方面在完善基础分析理论，一方面在改进计算方法，包括在已有 分析方法基础上运用新的数值近似计算手段，以及在原有理论上利用经验和试 验结果提出更恰当的计算参数等。总的来说这个过程是，根据已有理论基础加 上数值分析方法得到数值解，再在数值解基础上根据经验提出新的分析手段而 到达解析解，接着又完善得到数值解，这是一个理论完善和经验改进的过程。 2 3 复合桩基沉降分析 从设计和使用上来说，沉降控制复合桩基是介于天然基础和桩基础之间的 一种过渡类型的基础形式。复合桩基是以桩与桩间土共同作用为前提，以沉降 控制为标准作为设计指导思想，承台下地基土与桩共同分担外荷载、按沉降控 制要求来确定用桩数量的低承台摩擦桩基础。在竖向荷载作用下，由于桩身的 压缩和桩端发生的刺入变形，桩身产生较大的沉降，使得承台底也产生一定土 反力来承担荷载，从而充分利用了地基土的承载力。相对于普通桩基础，从而 达到减少桩数控制沉降的作用。 2 3 1 复合桩基的桩一土一承台相互作用的影响 软土地区使用沉降控制复合桩基，通常是在地基土基本满足承载力要求， 而在荷载作用下地基土将会发生较大的沉降变形，这是可以使用采用桩基来减 小沉降。复合桩基的失效模式订：一种是桩处于正常承载情况下，地基土在承 载过程中产生过大的沉降或差异沉降，一种是桩基承担过多荷载，使得桩端土 发生破坏，也表现为过大的沉降。相对于常规桩基和天然地基，桩与承台，及 其承台下的土体在共同作用承载过程中，始终是相互依存又相互制约，既是相 1 4 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 互影响又是相互矛盾的一个总支撑体系的三个方面。 从有利角度，群桩的存在，使得承台下土体不易被侧向挤出，这是桩的“遮 拦作用；对内摩擦角大于零的土体，承台下土反力产生的土中应力既能增加侧 壁上的法向应力从而提高摩阻力，也能增加桩端土的承载力，即承台的“加强 作用”；另外，承台底面与土的摩擦力也限制土体的外挤。 从不利作用方面，承台的存在可限制土对桩上段摩阻力的发挥，甚至可能 有少量的负摩阻力产生，也就是承台的“削弱作用 ；同时，桩身因为发挥“遮 拦作用 而产生附加弯矩；由于承台的刚度比土要大，迫使各桩在同时下降的 过程中，造成角、边桩桩顶荷载大于中心桩荷载，此外桩项与承台的同步下沉 也使桩对土有“下拽作用 。 在大量的文献中，提到试验测试结果和数值模拟表明，对于大间距的疏布 并且单桩荷载接近极限荷载的复合桩基，上述有利的作用均能保留下来，而不 利作用，除了桩身的“遮拦作用 外其他的不利条件都能被改善或完全消除。 这样，对沉降控制复合桩基进行计算时，既要考虑桩基的非线性工作状态和地 基土的承载能力，又要考虑桩一土一承台的相互作用，来比较恰当地反映复合 桩基工作特性，从而得到比较理想的沉降计算结果。 2 3 2 复合桩基中基桩的工作性状 2 3 2 1 桩基侧摩阻力的发挥 虽然沉降控制复合桩基的桩距一般比较大，桩通过土体对其他桩体的影响 也就有所减小，但桩一土相互作用还是依然存在。复合桩基中的单桩随着桩距 的增大，极限摩阻力接近单桩水平，因而可以认为其侧摩阻力的传递函数和单 桩是一致的，影响参数也是相同的。从充分发挥桩侧摩阻力的角度来说，一般 影响桩的荷载传递的重要因素包括桩周土的性质和如何充分发挥侧摩阻力所需 要的桩土相对位移。 1 、桩周土性质的影响 桩周土的性质是影响桩侧阻力的最直接的决定因素。一般来说，桩周土的 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 强度越高，相应的桩侧摩阻力就越大。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；在砂性土中的侧摩阻力系数平均值接 近于主动土压力系数。侧摩阻力是通过桩周土的剪切变形来传递的，因而，它 与土的剪切模量密切相关。超压密粘性土的应变软化及砂土的剪胀，使得侧摩 阻力随位移增大而减小；在正常固结以及轻微压密粘性土中，由于土的固结硬 化，侧摩阻力会由于桩顶反复加荷而增大；松砂中由于剪缩也会产生同样的结 果。粘性土中侧摩阻力的分布形式比较复杂，大部分情况下桩侧摩阻力随深度 增加呈抛物线分布。 2 、桩一土相对位移 桩与土间产生相对位移是桩侧摩阻力发挥的前提。在加载的开始阶段，桩 一土的相对位移较小，其应力应变呈近似直线关系，到达极限位移之后，剪 应力不再增加而趋于定值。根据美国桥梁标准规范a a s h t 0 9 3 版中钻孔桩他盯 的承载力与沉降关系曲线。在桩底沉渣厚度可以忽略的情况下，桩侧极限摩阻 力发挥时所对应的桩顶沉降一般为桩径的0 5 ，而桩端极限阻力发挥所需的桩 顶沉降为桩径的5 2 0 。这就是说桩侧摩阻力和桩端阻力发挥所需要的位 移并不在一个数量级。通常情况下，当桩的荷载达到极限承载力时，桩侧极限 阻力已经基本完全发挥，而桩端极限阻力还远没有发挥，一般为极限阻力的1 0 - - - 2 0 。 桩侧阻力达到极限值时所需要的桩一土相对位移称之为临界位移。桩的临 界位移与桩的类型和桩周土的性质密切相关，根据国内外大量试桩资料和文献 分析，对不同桩周土、不同桩型、不同桩径等条件，粘土中打入桩的桩一土临 界位移统计分析，粘土中打入桩桩侧极限摩阻力发挥所需的位移较小，约在 1 1 0 m m 之间变化。土的物理力学指标对临界位移的影响较小，桩径对临界位 移的影响也较小。 3 、桩土接触面条件 由于侧摩阻力发生在桩土接触面上，桩一土接触面的条件对桩侧摩阻力的 影响也很大，但是，这个问题比较复杂，桩土接触面的条件，不仅和桩土的性 1 6 第2 章单桩分析与群桩沉降计算 质有关，而且有时候更多的受到人为的干扰，比如，施工中接触面的扰动程度 等。 另外，对桩侧摩阻力的发挥还有一些次要的或是间接的影响因素，比如桩 端土性质，在复合桩基中需要一定的桩端位移来充分发挥桩侧摩阻力的，等等。 2 3 2 2 桩端阻力的发挥 在沉降控制复合桩基中，基桩承载能力更多是由侧摩阻力来体现，但是， 为了让承台能在沉降允许的范围内发挥其承载能力，需要在桩端产生足够的位 移，这种对桩端土的变形性状的要求有别于常规桩基，只有这样才能充分发挥 地基土的承载作用，将部分荷载传递到承台下地基土，同时也要满足当承台产 生一定的沉降时，桩能充分发挥并保持其极限承载状态，才能利用桩达到复合 桩基控制沉降的作用。虽然一般来说侧摩阻力先于桩端阻力达到极限值，但是 桩端土还是更多的表现为塑性，桩端阻力和端阻位移关系为