（道路与铁道工程专业论文）大尺寸柔性浅基础与地基共同作用的沉降非线性分析.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 港口工程尤其高耸结构往往承受较大的水平荷载，竖向荷载经常是偏心的， 而使建筑物对基础型式的选择上有诸多限制。大偏弯荷载下的高耸结构多用桩 基，虽在技术上能起到一定作用，但在港口抛填( 抛石) 地基等条件下，采用 桩基往往造价较高或受条件限制，施工困难且工期长。近年来，在软土地基上 以板式基础为主的基础选型在工程设计、施工中逐渐被认可。由于在港口抛填 地基和大偏弯荷载下浅基础能够弥补桩基础施工难度大等缺点，本文提出了适 用于这类情况的板式基础的特殊形式，即大尺寸柔性浅基础形式。 大尺寸柔性浅基础与传统浅基础有所区别，不能完全按照浅基础设计规范 进行设计，所以应对大尺寸柔性浅基础的受力及地基的沉降特性予以研究，以 修正完善目前的浅基础设计理论，这对大尺寸柔性浅基础的推广应用有着极为 重要的意义。 本文以工程实例为背景，论述了在港口抛填地基条件下采用大尺寸柔性浅 基础形式的必要性；并根据论文研究内容论述了基地压力的确定方法和沉降计 算方法，为后续建模分析提供了理论支持。 以深圳妈湾港油改电高塔基础工程为例，论文考虑柔性基础与土体共同作 用，采用非线性地基模型，用a n s y s 有限元程序，对大尺寸柔性浅基础的合 理设计高宽比进行建模分析。通过分析基础刚度对基底压力与沉降的影响，推 荐其合理设计高宽比取值范围为0 2 0 3 5 ；实际设计中宜参照高宽比受地基参 数等的影响规律取值。 利用有限元模拟了地基参数、荷载条件等对基底压力与沉降的影响，以指 导高宽比的工程取值。分析表明，土体参数中土体弹模、泊松比对基底压力和 与沉降的影响较大，建模时应保证这些参数的精度；膨胀角、粘聚力的影响相 对较小，可按规定取值；这类基础以抗弯设计为主。 研究了在上部结构荷载过大情况下通过地基处理提高地基承载力以控制基 础尺寸的方法。经过方案比选采用碎石注浆桩加固地基，并通过有限元模拟地 基承载力静载试验，来确定天然地基以及加固后碎石注浆桩复合地基的承载力。 验证了采用有限元模拟静载试验测定地基承载力的可行性，结论表明经碎石注 浆桩加固后地基承载力能提高1 0 3 0 。另外论文还分析了桩数、桩径、桩土 相互作用等对碎石注浆复合地基承载力的影响。 关键词：大尺寸柔性浅基础；高宽比；碎石注浆桩复合地基；a n s y s 有限元 分析软件； 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i l l c ep o r te i l 西n e 耐n gs 仃u c t u r e0 1 f t e l lb e a fl a r g eh o r i z o n t a ll o a d ，e s p e c i a l l y h i 曲一r i s es 锄l c t u r e ，v 硎c a ll o a d sa r eo r e ne c c 饥t r i c ，r c s u l t i i l gi i lt l l ef i a c tn l a tn l e r e a r cs e v e r er e s t r i c t i o n so nf o u n d a t i o nf o m sf o rb u i l d i n go ft b j st y p e t e c h i l i c a l l 弘p i l e 向u n d a t i o na r eo 俞e nu s e dt 0s o l v el a r g eb e n d i n gm o m e n t so nl l i 曲一r i s es 劬j c t u r e b u t i nm ep o r t 谢n 1 矗1 1 i n g ( r i p r a p ) 觚do m e rg r o u i l dc o n d i t i o n s ，p i l ef o u n d a t i o na r eo r 胁 u i l e c o n o m i c a l0 rh a v ec o n g h u c t i o nd i m c u l t i c s 锄dl o n gc o n s 饥l c t i o np 耐o d ，s l i b j e c t t 0g r o u i l dc o n d i t i o n s h 1r e c 锄ty e a r s ，s l a bf o u l l d a t i o na r eu s u a l l yc h o o s e nt o 骶a t s o r 目o u n da n d 掣a ( i u a l l yr e c o 纰e di ne n g ：i i l e e r i i 玛d e s i g na n dc o n s 仃u c _ t i o n a s s h a l l o wf o u i 】d a t i o nc a nm a k eu pf o r 也ed i s a d v a i l t a g 懿o fc o n s 饥i c t i o nd i 伍c u l t i e s w i l i l ea p p l y i l l gp i l ef o u n d a t i o nt 01 鹕eb e n d i n gm o m e n t ss t r l l c t i l r e 觚dp o f t sf i l l i n g 伍p r a p ) g r o u n d ，l es p e c i a lf o 髓o fs l a bs h a l l o wf 0 1 1 1 1 d a t i o na p p l i e dt 0s u c hc 弱鹪 w 嬲p r o p o s e di i lt l l i sp a p 廿1 a ti sl a 增e s i z en e x i b l es h a l l o wf o u i l d a t i o n ( l f s f ) l f s fc a nn o tb ed e s i g n e df u 1 1 yi i la c c o r d 锄c ew i m 廿1 es h a l l o wf o l l l l d a t i o n d c s i 盟s p e c i 丘c a d o n ，f o rt h e r ea r ed i 毹嗽l c 鹤b e 帆e e nl f s f 锄d 缸砸i t i o n a ls h a l l o w f o u n d a t i o n s oi ti ss 缸0 n 舀ys u g g e s t e dm a tw es h o u l ds t l l d y l el o a m n gm e c h a i l i s m 舭dm es 甜l 锄e n tc h a r a c t 耐s t i c so fl f s f ，勰t 0r e v i s e l ec 1 1 盯斌d c s i 印n l e o 巧 o fs h a l l o wf - 0 l l i l d a t i o i l 枉c hi so f 黟鼢ts i 鲥f i c a i l c et 0t l l ep o p u l 撕z a t i o na n d a p p l i c a t i o no f l f s f 1 1 l i sp a p e r 如l l ye x p l a i n e dm en e c e s s i t yo fa p p l y i n gl f s ft 0l a 曙eb e n d i i l g m o m e n t ss 仃u c t u r e 觚dp o r t sw i mf i l l i n g ( r i p 瑚【p ) g r o u n db ye i l 百n e e r i n ge x 锄p l e t h em e t l l o df o r d e t e r m i i l i n g t l l eb a s a lp r e s s u r e 锄df o u n d a t i o ns e m e m e n ti n a c c o r d a l l c ew i t l lm ec o n t 吼t so fm e s i sw e r ed i s c u s s e dt 0p r 0 、，i d et h co r 甜c a ls u p 邺i n f o rt l l ef o l l o w u pm o d e l i n ga i l da n a l y s i s 1 酞i n g t l l e 向u 1 1 d a t i o np r o j e c to fs h e n z h m a w 肌p o n 亿re x 锄p l e c o n s i d 嘶n gm ei n t e r a c t i o nb e t w e e nf o 珊d a t i o na n d 孕d u i l db a s ea n da d o p t i i l ga n o n l i n e a rf o u n d a t i o n m o d e l ，m ep a p c rs t i l d i e d t l l er c 嬲o n a b l e s p 锄o ft l l e h e i g h t w i d t l lr a t i od e s i 印p 蹦吼e t e rf o rl f s fb ya n s y s 丘i l i t ee 1 锄e n ts o 脚a r e b ya 1 1 a l y z i n g 廿l ec h a n 百n gp a t t e m so f b a s a lp r e s s u r ea 1 1 df o u l l d a t i o ns e t t l e m e i l tw i m i i 武汉理工大学硕士学位论文 m ev 撕a t i o no ff o u n d a t i o ns t i f 】陆e s s ，m er a t i o n a ld e s i 盟o fh e i g h t - w i d t l lr a t i ow a s r e c o m m e i l d e dm 百n g 丘o m0 2t 0o 3 5 t l l ea c t u a ld e s i 盟h e i g h t w i d 也r a t i oi i l d e s i g ns h o u l dr e f 醯t 0m ee e c t so ff o u n d a t i o np a r 锄e t e r s t h ei n l p a c to ff o u l l d a t i o np a r 锄曲e r sa i l dl o a dc o n d i t i o i l so nb a s a lp r e s s u r ea i l d f o u n d a t i o ns e t t l e m e n tw e r es i m u l a t e dt 0v a l u ea d o p t i o no ft h eh e i g h t - w i d t l lr a t i ob y 蠡i l i t ee l 咖e n tm e 廿l o d a n a l y s i ss h o w e dm a ts o i lp h y s i c a lp a r a m e t e r so fe l a s t i c m o d u l u s ，p o i s s o n s 枷oh a d 伊e a ti m p a c t so nb a l s a lp r e s s l l r ea i l d f o u n d a t i o n s e t t l e m 饥t ，锄dt h ea c c i l r a c yo fm e s ep a r 锄e t e r ss h o u l db e 钮s u r ei l lm o d e l i i 唱 h o w e v e rm ee 虢c t so fe x p a i l s i o na i l 百ea n dc o h e s i o nw e r er e l a t i v e l ys m a l l t l l e v a l u 豁o fe x p a i l s i o n 觚百ea 1 1 dc o h e s i o nc 觚r e f 醯t od e s i 盟s p e c i f i c a t i o n f o u n d a t i o n o ft h i st y p em a i l l l yf o a l so nf l e x u r a ld e s i 印 t h ep a p e ra l s 0s t u d i e dm em e 吐1 0 d so ff o u n d a t i o ns i z ec o n 仃0 lb yg r 0 1 - l i l d 仃e a 恤锄tt o 确p r 0 v eb e 撕n gc a p a c i 戗w h 髓m eu p p e rs 饥l c t i l r el o a di st o ol a 玛e t l l 】的u g ht 1 1 es c h e m ec o m p 撕s 0 1 l c r s h e ds t o n eg r o u t i n gp i l ec o m p o s i t cf o u n d a t i o n ( c s g p c f ) w a sd l o o s e nt 0r e i n f o r c e 伊o u n db 嬲e ，锄dm es t a t i cl o a dt e s tf o rb e a r i n g c a p a c i t ) rw 嬲s i m u l a t e db yf i n i t ee l 锄锄tm e t h o dt 0d e t i e n i l i n eb e a r i l l gc 印a c i t yo f 廿l en a t l 瑚lf o u n d a t i o n 趾dc s g p c f 1 1 1 ep 印e rv 舐右e dt h ef e a u s i b i l i t ) ，o fd e t e n n i i l e b e 撕n gc 印a c 时b ys t a t i c l o a dt c s ts i i i l u l a t e db yf “t ed e m e n tm e m o da 1 1 dm e c o n c l l l s i o ns h o w c dm a tb e a r i n gc a p 撕t yc 觚b ei n c f e a s e db y10 t 03 0 b y c s g p c f b 懿i d e s ，t l l et l l c s i sa l 锄a 1 ) ，z e dm ei m p a c to fn l l m b e ro fp i l 懿，p i l e d i 锄e t p i l e - s o i li n t e r a c t i o n so nm eb e a r i n gc 印a d t ) ro fc s g p c f k e yw o r d s ：l 鹕e s i z ef l e x i b l es h a l l o wf o u l l d a t i o n ( l f s f ) ，h e i g h t w i d t l l 豫6 0 ， c m s h e ds t o n eg r 0 1 j t i n gp i l ec 0 i n p o s i t e 矗) u n d a t i o n ( c s g p c f ) ，a n s y s i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师( 签名涉1 气购 武汉理丁大学硕七学位论文 1 1 研究目的和意义 第l 章绪论 填海造陆是海洋开发活动中的一项重要工程，是人类向海洋拓展生存空间 和生产空间的一种重要手段。世界上陆地资源贫乏的沿海国家都非常重视利用 滩涂或海湾造地，一是扩大耕地面积；二是增加城市建设和工业生产用地。 填海造陆的重要工程之一是水下淤泥软地基的处理，以往的工程大都通过 抛石挤淤形成抛填地基进行处理。近年来，围海造田主要是为了增加工业和城 市建设用地。工业用地对地基以及地质条件的要求与耕地完全不同，故以往通 过抛填、抛石形成的地基，用于工业用地时往往不能满足承载力等方面的要求， 而需要进行地基处理或者采用桩基等深基础。 另外港口工程往往承受较大的水平荷载，竖向荷载经常是偏心的，当设计 采用高耸结构时更甚，会出现大偏弯的情况。高耸结构的大偏弯荷载多用桩基 解决，这样在技术上虽能起到一定作用，但在许多具体情况下，用桩基往往不 经济或受到周围环境的限制，施工困难且工期较长。抛填、抛石形成的地基对 建筑物基础型式的选择上有诸多限制，尤其是桩基等深基础由于施工不便而较 少采用。 在这种情况下，选取和研究一种适合港口抛填类地基上大偏弯结构的基础 形式是一项重要的研究课题。 1 2 课题研究现状 大尺寸柔性浅基础作为板式基础的一种，已成功应用于工程实践。方振武 【o l 】在5 5 m 高的环保型风力发电机组的圆筒形风机塔设计中采用了1 0 2 m l o 2 m 的大偏心板式浅基础，并对其设计做了初步探讨。经分析提出在满足承 载力条件下，大偏心基础在较大水平荷载作用下，基础的抗倾覆稳定是关键， 需增加基础底面，适当减小基础高度，使材料用量与受力更趋合理。本文研究 采取的工程实例深圳妈湾港高塔基础工程也采用了1 2 6 m 1 2 6 m 的大尺寸柔 性浅基础。 武汉理工大学硕士学位论文 由于目前应用的比较少，设计理论比较匮乏。作为板式浅基础的一种，大 尺寸柔性浅基础与传统浅基础有共同点也有所区别，不能完全按照浅基础设计 规范进行设计，缺少理论支持，所以应对大尺寸柔性浅基础的受力及地基的沉 降特性等予以研究，以完善目前的浅基础设计理论，这对大尺寸柔性浅基础的 推广有着极为重要的意义。 由于本文采用有限元软件进行大尺寸浅基础的相关分析，这里对相关领域 的研究现状做简单介绍。 1 2 1 地基沉降 地基沉降分析是土力学的重要研究课题之一。自从太沙基( t c 忆a g l l i ) 的一 维固结理论问世以来，土体固结沉降理论研究取得了较大的进展，并在工程建 设中发挥了巨大的指导作用。 地基沉降计算方法大致可划分为两大类：一类是以分层总和法为代表的工 程实用计算方法嗽】；另一类是可以考虑复杂本构模型的有限元等数值方法【0 3 】 【嗍 。 实用计算法包括将土体视为均质弹性体的弹性理论法以及对分层总和法和 弹性理论法的各种改进方法，如黄文熙法暇】、应力路径法等，都是希望更好地 考虑土体特性的实用计算方法。该类方法简便实用，目前仍是工程设计中的主 流方法。不足之处在于土的参数主要根据压缩试验等室内试验确定的，而通过 压缩试验确定土体参数不能更好地考虑应力状态的影响，同时钻探取样扰动的 影响也较大，尤其对于结构性较强的硬土。 数值分析法【0 5 鲫是在计算机技术进步的基础上发展起来的以有限元为代表 的数值分析方法，被广泛地应用于计算具有复杂边界条件和初始条件的地基沉 降中，并在许多实际工程中取得了满意的成果。数值分析法能够模拟地基的非 线性、非连续和非弹性等性质，利用可靠的软件可以很快计算得到各种荷载作 用下和各种边界条件下土体的应力和变形。数值方法在理论上较为完善，但其 计算准确程度取决于土的本构模型和采用的参数的合理性，如果计算参数选取 不当会导致计算结果与实际相差较大。目前，数值方法的计算参数来源于室内 试验，难以克服土体取样扰动等的影响，而且建立合理的土体本构模型也较为 复杂，因而数值计算的结果也难以达到准确。 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 1 2 2 地基模型 地基设计是以强度控制为主的承载力法，上部结构对地基设计的要求在满 足强度稳定条件下，关键是变形( 主要是沉降) 控制。基础沉降计算中，不同 的地基模型将对沉降计算结果的影响较大，进而影响到沉降计算值与实测值之 间的误差，因此，选取合理的地基模型是沉降计算需要解决的一个重要问题。 但由于岩土的复杂性，目前还没有一个能够非常准确的反映岩土性质的本构模 型，地基的变形或沉降计算的准确性有待提耐删。 自1 8 6 7 年文克勒提出了文克勒地基模型以来，一些研究者先后作了关于地 基模型的研究，如j b o u s s i n e s q 的弹性半空间地基模型理论；t c 祝a g l l i 的一维 固结理论；b i o t 固结理论；f i l o n e n k o b o r o d i c h 、h e t e l l ) ，i 、p a s t 锄a l 【提出的双参 数地基模型；考虑土体的非线性变形特征，有r o s c o ekh 等提出的著名的剑 桥模型和邓肯张的非线性弹性模型f 0 6 1 - 【1 0 1 。 国内学者在考虑地基与基础的共同作用情况下对非线性地基模型上的基础 也做了大量的研究，得出了一些有价值的结论。研究地基与基础的共同作用， 要使结果切合实际，必须考虑地基的非线性特性，这是许多学者的共识。针对 现有的非线性地基模型只用于数值分析的问题，倪光乐【l l 】等提出一种考虑地基 非线性特性的地基模型，并把它应用到弹性板基础与非线性地基共同作用的分 析中，弹性矩形板与地基共同作用的计算结果表明，考虑地基的非线性特性，基 础板的沉降稍有增大但弹性板的挠度及弯矩可大大减少，从而可以减少筏板基 础厚度，达到更经济安全的目的。秦娟【1 2 】考虑地基与基础的共同作用，用 a n s y s 有限元软件分析了刚性基础的受力机理，并分析了基础高宽比、地基 基础相对刚度对基底反力的影响。姚奕【”】用有限元程序s 邸u 岫p r o 建立了烟 囱桩支圆板基础的块体有限元模型，提出了该基础的受力机理模型。江小兵【1 4 j 等通过用a n s y s 分析刚性基础与柔性基础的沉降差异以及基础刚度对地基沉 降的影响，得出通过变换基础板厚改变基础刚度对地基沉降的影响最为显著的 结论。 归结起来，用于基础沉降计算的地基模型主要有以下几种： ( 1 ) 文克勒地基模型； ( 2 ) 弹性半空间地基模型； ( 3 ) 邓肯张的非线性弹性模型b 】； ( 4 ) 线性变形层和单向压缩层地基模型【1 6 】【2 1 】； 武汉理工人学硕十学位论文 ( 5 ) 剑桥地基模型。 1 2 3 地基与基础相互作用 浅基础与地基的相互作用研究一直是土力学与基础工程领域的一项重要研 究课题。这一课题主要研究基底反力的分布规律和地基土的应力应变特性。 传统的设计中把上部结构、基础与地基分割成三个部分各自独立计算，这 与结构的工作情况不相符，严重脱离实际。为了防止结构的损坏，设计中往往 采取保守的做法，造成很大的浪费。对于上部结构、地基基础的变形受力分析 与设计方法，大体经历了三个发展阶段【2 3 】【2 7 】，即：不考虑共同作用的阶段； 考虑基础与地基共同作用的阶段；全面考虑上部结构与基础、地基共同作 用的阶段。 基础与地基共同作用是在不考虑上部结构( 仅在绝对柔性与绝对刚性之间 作定性估计) 影响的前提下，在基础底面与地基土之间位移连续与协调的原则 下，进行两者的共同作用分析。如简单文克勒地基梁的解析法、弹性链杆法、 弹性半无限空间地基梁的积数解法，以及在此基础上形成的弹塑性地基上的梁 和板理论、筏基分析和箱型基础的计算理论。以薄板理论为基石出【2 默，对文克勒 地基上的无限大板、有限大板( 特殊形状) 及弹性半空间地基上的无限大板、半 无限大板、有限大板( 特殊形状) 均能进行解析计算，发展了有限差分法、有限 单元法、样条函数法等地基上板的数值方法。 目前，在土与结构的共同作用分析中，人们普遍采用线性变形层和单向压 缩层地基模型。该模型用弹性理论的方法计算地基中的应力，用分层总和法计 算地基的变形，使计算结果更加符合实耐硎。 g a i l gw 抽寸2 9 】等用有限元模拟了轴向荷载作用下桩的非线性响应，分别用 不同的参数模拟土的d n l c k e 广- p r a g e r 和v o nm i s e s 模型等，研究摩擦角、界面 单元等因素对模拟结果的影响。在模拟相互作用时，接触模型的选用对计算结 果有很大影响，齐良锋【3 0 1 等( 2 0 0 5 ) 引入n a l ( a z a w a 等提出的接触单元模拟桩土共 同作用。王满生【3 i 】等( 2 0 0 5 ) 基于a n s y s 中接触单元和g o o d m a n 接触单元在桩 土动力分析中的不完整性，提出了一种修正的g o o d m a i l 接触单元。罗战友【豫】 等( 2 0 0 5 ) 在有限元模型中通过在桩顶施加位移荷载，在桩土界面设置面面接触 单元，模拟沉桩产生的挤土位移场。基础与地基土相互作用涉及接触，存在非 线性收敛问题，有待于数值技术的发展解决。 4 武汉理j ：大学硕士学位论文 1 2 4 地基承载力 确定地基承载力是一项经典的课题，它直接关系到建筑物的安全性及经济 性，备受众多学者的关注。下面分别简单介绍目前地基承载力和复合地基承载 力的确定方法。 ( 1 ) 天然地基承载力的确定方法主要有理论公式计算法、现场荷载试验法、 实测数理统计法和有限单元法。 现场荷载试验法为现有应用最为广泛的方法。关于荷载试验，l e s h c l l i s k y 等【3 3 】对刚性基础和柔性基础进行了室内模型试验确定地基承载力。试验中刚性 基础用钢板来模拟，柔性基础由钢板和地基之间的一层( 1c i i l 厚) 由土工织布 包裹的砂来模拟，而用钢板底部均匀胶粘着o t t a w a 砂来模拟粗糙基底面。试验 表明：基底粗糙的刚性基础地基较柔性基础地基的地基极限承载力低，沉降也 略小。 有限单元法是随着岩土理论、计算技术的飞速发展，逐渐应用于岩土工程 领域的实用计算方法。邓楚键等探讨了有限元法在地基极限承载力求解中的应 用，已具有相当高的精度。有限元法分析只能得到地基应力，地基承载力一般 需要借助其他的方法来确定。对此，张国祥【蚓在对“传统滑移线理论 进行 研究的基础上，提出了一套更为普遍、严密的潜在滑移线或面理论。该理论根 据有限元分析结果，分析各结点的应力状态及濒临破坏的点，进而用数值积分 方法得出岩土的潜在滑移线或面，进而确定地基极限承载力。 ( 2 ) 复合地基承载力的确定是复合地基设计最困难的问题之一。为解决这一 问题，人们做了大量的理论研究、现场试验和室内模拟试验，提出了许多确定 复合地基承载力的方法( 3 5 】。 周国林【蚓等提出采用灰色理论预估复合地基极限承载力；洪昌华【3 7 】等用概 率分析方法预测深层搅拌桩复合地基承载力。王志勇【3 8 】、熊启东【3 9 】分别根据 可靠性理论、模糊聚类分析理论等对复合地基承载力作了分析。 桩体承载力是复合地基承载力确定的关键，而桩体承载力的确定又关乎桩 身材料强度、桩侧摩擦阻力和桩端阻力。杜海金【删等采用试验方法分析了桩侧 极限摩阻力。宋修广【4 l 在对桩土位移的非协调关系假设的基础上，提出了单桩 承载力的算式。b r 猢s 【4 2 】通过径向应力求单桩承载力，但有时其预测值与实际 相差很大。林彤等【4 3 】通过在桩身设应力计现场测量水泥搅拌桩桩身的轴向应 力。 武汉理工大学硕士学位论文 虽然复合地基承载力的试验及估算方法较多，但总得来看目前仍没有成熟 的计算方法，存在的问题首先是承载力的取值标准不完全统一，其次是群桩效 应及桩土应力比等问题在力学及数学上难以实现。 1 3 研究的主要内容 通过查阅相关的国内外文献和设计规范，基于研究目的意义和目前“大尺 寸柔性浅基础”设计理论之不足，论文主要研究内容如下： ( 1 ) 本文针对港口抛填地基确立了“大尺寸柔性浅基础 大偏弯构件基础 形式，并结合深圳妈湾港“油改电”高塔基础工程的工程实例分析了在港口抛 填地基条件下采用浅基础的优势。 ( 2 ) 考虑柔性基础与土体非线性共同作用分析技术路线，分析了大尺寸柔性 浅基础的合理设计高宽比，包括地基模型的选取、地基基础相互作用的分析与 模拟、基础刚度对基底压力与沉降的影响分析； ( 3 ) 采用有限元分析软件模拟了地基参数、荷载条件等对基底压力分布与沉 降的影响，并进行了相应的定性分析； ( 4 ) 研究了在上部结构荷载过大情况下通过碎石注浆桩复合地基提高地基 承载力以控制基础尺寸的方法。包括地基处理方法的选取、地基承载力与复合 地基承载力荷载实验的有限元模拟、加固前后承载力提高程度及桩径、桩数和 桩土作用等对碎石注浆桩复合地基承载力的影响。 1 4 研究的技术路线 本文采取的技术路线为： ( 1 ) 调研获取与课题相关的资料； ( 2 ) 确定大偏弯构件柔性基础形式并分析其适用性； ( 3 ) 地基模型和地基基础共同作用等理论研究以方便建模分析； ( 4 ) 非线性地基条件下，基础与地基土共同作用的有限元分析，包括变基础 高度和变基础宽度分析，初步确定大尺寸柔性浅基础的合理设计高宽比； ( 5 ) 分析地基土和荷载条件等的影响，以指导设计中高宽比取值； ( 6 ) 上部结构荷载过大情况下通过地基处理以控制基础尺寸的方法。 6 武汉理_ 太学硕二l 学位论文 第2 章大尺寸柔性浅基础设计相关理论 本章以妈湾港工程实例为背景，论述了在港口抛填地基条件下采用大尺寸 柔性浅基础形式的必要性；并根据论文研究内容论述了浅基础设计理论、高耸 结构的相关变形要求、地基承载力确定方法等相关理论为后续建模分析提供 了理论支持。 21 大尺寸柔性浅基础形式确立 2ll 抛填地基 图2 1 为港口抛填地基，此处以妈湾港工程实例为主要参照，分析抛填地 基地质条件及基础形式选取的情况。 妈湾港场地位于巨石、中粗砂填海区，距海边5 0 m ，厚度可达2 0 i n 。1 9 9 0 年4 月填筑砂石，距施工时已有1 8 年的时间。由于地下水与海水连通，地下水 位( 土00 0 m ，地表高程“0 0 m ) 受潮汐的影响变化较大。 图2 - l 港口抛填地基 妈湾港场地主要分两部分。第一部分为回填石区：厚度9 m ，一2 0 i i l ，一般为 1 3m 左右。填料包括开山碎石、混砂料和残粘土等。碎石粒成棱角状为混合花 岗岩( 强度中硬】，粒径一般为2 0 0 m r 州0 0 瑚，大小不等，其中粒径介于1 0 0 0 衄 和2 0 0 0 岫之阃占5 0 左右。第二部分为填砂石交接带区：上部填砂层( 以中 粗砂为主) 厚1 0 m 1 3m ，主要成分为长石、石英，舍少量贝壳，颗粒均匀无 粘着感；下部填石区呈倾斜状分布，厚度为3 6 m ，填石粒径变化比较大，一 武汉理工人学硕士学位论文 般为2 0 0 m m l o o on u n ；填石区以下为淤泥层。 由于妈湾港工程上部结构为4 0 m 钢桅杆，高耸结构对地基变形有严格的要 求，最初拟采用稳定性较好的桩基础。但由于地基土为冲填土、局部碎石填筑， 桩基础施工较为困难；且冲填土经过将近1 5 年自固结，具有一定的强度，因此， 最终采用了大尺寸柔性浅基础方案。 2 1 2 桩基施工问题 港口工程结构为解决由水平荷载产生的竖向荷载大偏心情况多用桩基，虽 在技术上能起到一定作用，但在港口抛填( 抛石) 地基等条件下，桩基成桩较 为困难，主要体现在【删： ( 1 ) 卡埋钻具。由于地层中石料粒径不均，软硬互层变化，石块间缝隙多， 钻具很容易偏斜。当钻进填石层时，由于钻具回转及进尺阻力明显加大以及岩 石土体抱裹钻具，易卡埋钻具，钻效较低。 ( 2 ) 钻头硬质合金胎体折断问题。因钻机扭矩大，遇坚硬块石钻进时，钻头 易被岩石憋断，发生孔内事故。尤其在斜孔施工时，操作难度较大且卡钻现象 更为严重，成本也更高。 ( 3 ) 沉桩难度大。施工时必须采取有效的导向钻孔措施，以保证桩顺利打入。 导向钻孔形成后为保证桩周土体对桩体的摩阻力不会因导向孔的形成而减小， 还需进行密实工作。 ( 4 ) 事故率高，安全系数小。由于地层的特殊性，钻机在类似区域的填石区 进行深孔和斜孔钻进时易发生坍塌、掉块和夹埋钻具等事故。尤其受海水涨落 冲刷影响，地层极不稳定，孔内情况更为复杂。 ( 5 ) 施工成本高。事故率高、钻头平均寿命低、台效低，故施工成本较高。 ( 6 ) 有无法穿透填石和桩身容易严重扭裂、扭转、倾斜、变形破坏等问题。 2 1 3 大尺寸柔性浅基础的优点 浅基础根据其形状和大小可分为：独立基础、条形基础( 包括十字交叉条 形基础) 、筏板基础、箱形基础和壳体基础等。由于施工方便、造价相对较低， 在大量修建的低、多层工业与民用建筑中被采用。目前浅基础已有成形的工程 实用设计方法，但在浅基础地基模型、地基反力确定和沉降计算等方面还有许 武汉理工大学硕十学位论文 多工作有待进一步开展；且其应用领域也需要进一步拓展。 大尺寸柔性浅基础作为板式浅基础的一种新形式，主要用于软土地基或地 下水位较高的地基上，以扩大地基受力面积，调整或减少不均匀沉降。其优势 主要体现在以下三个方面： 一是扩大了浅基础的适用范围。传统浅基础对地基承载力要求较高，一般 用于强度较高的土体。对于软土地基、上部结构荷载较大、“大偏弯”构件或上 部结构对变形要求严格的情况，一般采用深基础( 如桩基) 。大尺寸柔性浅基础 由于基础尺寸显著增大后，整体刚度好，有显著的抗弯能力和一定的抗变形、 抗震能力，其使用范围也得以扩大。 二是施工方便，经济效益显著。用浅基础代替桩基础，由于基础埋深小， 在抛填地基施工中可大幅度缩短工期，带来显著的经济效益。 三是由于尺寸较大，按照刚性浅基础刚性角的要求设计时耗材巨大，因而 按柔性基础设计以减小基础高度和材料用量。 综合上述分析，港口抛填地基条件下尤其上部结构荷载偏心较大时，采用 桩基施工较为困难。这种条件下采用大尺寸柔性浅基础有显著的优势。 2 2 浅基础设计理论 大尺寸柔性浅基础是浅基础的一种，这里对浅基础的设计理论作简单介绍。 2 2 1 地基承载力验算 高耸结构基础设计时，地基承载力的验算应符合下列要求【4 s 】： ( 1 ) 轴心荷载作用时 p f 式中：p 。基础底面的平均压力( ) ； 厂地基承载力设计值( 1 斟m 2 ) 。 ( 2 ) 偏心荷载作用时 除应符合式( 2 1 ) 要求外，尚应满足下式的要求： p 1 2 厂 式中：p 一基础底面边缘的最大压力( 黼) ； 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 武汉理工大学硕十学位论文 当考虑天然地基抗震验算时，应在( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中采用地基土抗震承 载力设计值厶代替，厶按建筑抗震设计规范( g b5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) 确定。 2 2 2 基础底面压力计算 不同上部结构的高耸建筑物基础的基底压力要求【4 s 】：电视塔、微波塔基础 底面在各种荷载组合作用下不允许脱开地基土；石油化工塔基础底面在正常操 作或充水试压情况下不允许脱开地基土，在停产检修或考虑地震作用时允许脱 开地基土；某些专业塔基础底面在各种荷载作用下，根据工艺要求可允许部分 脱开基土，但脱开面积应控制不大于基底全面积的1 4 。本文的实例分析要求 不出现脱空。 基础底面压力可按以下三种情况进行计算： ( 1 ) 基础承受轴心荷载时 不论基础为矩( 方) 形或圆( 环) 形，其基底压力均可按式( 2 3 ) 计算： n + g 以= 广 ( 2 - 3 ) 式中：上部结构传至基础顶面的竖向荷载设计值( 1 州) ； g 基础自重( 包括基础上覆土重) ( 蝌) ； 彳基础底面面积( m 2 ) 。 ( 2 ) 基础承受核心区内偏心荷载时 基础承受单向偏心荷载时： 告= 竿等 c 2 4 ， 【p 曲 么形 一” 式中：p 啡、p 岫吩别为基底最大和最小压力( k n m 2 ) ； m 上部结构传至基底的弯矩设计值( 蝌m ) ； 形基础底面的抗弯刚度( m 2 ) 。 基础承受双向偏心荷载时： 告= 竿鲁鲁 协5 ， 【p 曲 4 岷 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 高耸结构的变形要求 由于上部结构为4 0 m 钢桅杆，这里对高耸结构的变形规定做简单介绍，方 便后续有限元分析进行变形控制。高耸结构按其建筑物的重要性来说一般应进 行地基变形验算，高度不大的烟囱及水塔等次要的二级、三级建筑物【4 卯，可不 做地基变形验算，具体参照建筑地基基础设计规范。 2 3 1 高耸结构地基变形计算的要求 ( 1 ) 地基变形验算公式【蜘 s p 】( 2 6 ) 式中：s 地基变形计算值( m m ) ；陋卜一地基变形容许值( m m ) 。 ( 2 ) 地基变形验算内容嗍 主要包括以下两方面的变形，参照图2 2 ： 图2 2 高耸结构地基的特征变形值 ( a ) 基础的平均的沉降量( b ) 基础的倾斜 地基的最终沉降量 一般按建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 计算 s = = 5 f ，二，争( 乞瓦_ ( 2 7 ) 各参数的意义参照规范。 基础的倾斜 武汉理工大学硕士学位论文 。s 1 一s 2 妒2 希 ( 2 8 ) 其中墨、s ：为基础倾斜方向两边缘的最终沉降量( 1 n m ) ，b 为矩形基础倾 斜方向的宽度( m m ) ，d 为圆形基础直径( i 姗) 。 2 3 2 高耸结构的地基变形容许值 高耸结构的地基变形容许值列于表2 1 ，方便后续分析查取。 表2 1 高耸结构的地基变形容许值f 4 s 1 结构类型沉降量允许值( m m ) 倾斜允许值t g 秒 。2 0 0 0 0 8 2 0 _ 日。5 0 4 0 0o 0 0 6 5 0 只1 0 0 0 0 0 5 电视塔、通 1 0 0 一 h 。1 5 0 o 0 0 4 3 0 0 信塔等 1 5 0 日。2 0 0 o 0 0 3 2 0 0 _ 日。2 5 0 0 0 0 2 2 0 0 2 5 0 3 5 。的情况，提出了一种确定地基极限承载力的 新方法。 2 4 2 复合地基承载力的确定方法 目前复合地基承载力的计算主要有两种途径： ( 1 ) 先分别确定桩间土承载力和单桩承载力，然后将二者按一定的原则叠加 得到复合地基承载力，其中桩间土和桩体实际极限承载力的准确性比较关键。 下面分别介绍桩间土承载力和单桩承载力的计算方法。 桩间土承载力计算 武汉理工大学硕士学位论文 复合地基中由于设置了竖向增强体，使桩问土极限承载力不同于天然地基 承载力。二者的差别随竖向增强体性质、增强体设置方法和地基土的工程特性 不同而有所不同，一般桩间土极限承载力比天然地基极限承载力大。由于难以 计算，在工程实际中，常用天然地基极限承载力值作为桩间土极限承载力，有 时也要考虑桩体设置的影响。 桩体设置引起桩问土承载力的变化，一般在成桩后，采用原位十字板试验、 或静力触探试验等原位测试手段来测定桩问土极限承载力。 单桩承载力计算 单桩承载力计算又可分为现场试验法和规范计算法两大类。