（矿业工程专业论文）长短桩复合地基沉降性状分析.pdf

邑盟型王太堂工程亟坐位监童鲤啦咝 长短桩复合地基沉降分析 摘要 随着社会和经济的高速发展，基础设计的有关理论概念产生了许多实质性的 变化，许多崭新的概念在基础设计领域被提了出来，许多新的地基基础型式也开 始应用于工程实践，长短桩复合地基就是其中的一种。 首先，本文在双折线模型基础上推导单桩桩侧摩阻力的分布，以m i n 四l i n ( 明 德林) 课题的弹性理论解求解桩底土体的沉降，推导了一系列单桩复合桩基沉降 的解析表达式，计算结果可直接用于单桩复合地基的沉降分析。 其次，本文用三维有限元弹性分析法为工具，建立长短桩复合地基的计算模 型。探索了长短桩复合地基桩土相互作用的机理、荷载传递的性状及附加应力分 布的规律，为群桩复合地基的优化设计提供理论基础。 最后，在综合分析的基础上，本文提出了长短桩复合地基的沉降计算模式和 实用的计算方法，该法可以很方便的应用于工程实践。 关键词：长短桩复合地基：附加应力；优化设计；沉降；荷载传递函数；刚 性桩 昆明堡王去生王程耍堂焦监塞叁缝鲤咝 t h es e t t l e m e n ta n a l y s i so f t h el o n g - s h o r t - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e wa n de c o n o m y , t h e r ea r em a n ym a t e r i a l v v a r i e t i e sw i t ht h e r e l a t e dc o n c e p t i o no ft h ef o u n d a t i o nd e s i g n m a n yn e wc o n c e p t i o n h a v eb e e np r o p o s e di nt h et m do ft h ef o u n d a t i o nd e s i g n , m a n yn e wt y p e so ft h e f o u n d a t i o nh a v eb e e np u ti n t oc o n s t r u c t i o n ，t h el o n g s h o r t - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i so n eo f t h e m f i r s t l y , t h ed i s t r i b u t i o no fl a t e r a lf r i c t i o no fs i n g l ep i l ei sd e d u c e db yu s i n g b i l i n e a rm o d e l ，a n dt h es e t t l e m e n to fs i n g l ep i l ei sc a l c u l a t e db ym i n d l i ne l a s t i c t h e o r y t h r o u g ht h em e t h o dm e n t i o n e da b o v e ，as e r i e so f a n a l y t i c a l s o l u t i o n so f t h es e t t l e m e n to f t h ec o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o na 托d e d u c e d t h ec a l c u la _ 0 e dr e s u l t s c a l lb eu s e dd i r e c t l yi n t ot h ea n a l y s i so f t h es e a l e m e mo f s i n g l ep i l e s e c o n d l y , b a s e do nt h eu n i q u ea d v a n t a g e s o fn u m e r i c a lt e s t ，t h eb e a r i n g m e c h a n i s ma n dt h ed i s t f i b u t i o np a t t e mo f t h ea d d i t i o n a ls t r e s s e so f t h el o n g - s h o r t p i l e c o m p o s i t e f o u n d a t i o nw i t hd i f f e r e n tp i l e - s t i f f n e s sa r cs t u d i e d s o m eu s e f u l c o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e df o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n dd e s i g n f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h es y n t h e s i sa n a l y s i s ，i ti st h em o d e la n dm e t h o d so f s e m e m e mc a l c u l a t i o nt h a th a v eb e e np r o p o s e d ，a n di ti sc o n v e n i e n tt h a ti tb e e np u t i n t op r a c t i s e k e yw o r d s l o n g s h o r t - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；a d d i t i o n a ls t r e s s e s ；d e s i g n o p t i m i z a t i o n ；s e t t l e m e n t ；l o a d - t r a n s f e rf t m e t i o n ；r i g i dp i l e i i 昆明理工大学学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我 个人) 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， 本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：夕却金 日 期：2 0 0 4 年8 月1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：文作者签名： 昆明理工大学工程硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 桩基技术的发展有着悠久的历史，正如文献指出的：“在人类有历史记载 以前，就已经在地基土条件不利的河谷及洪积地区采用这种基础工程方法：在许 多不同文化时期的初期，都可以找到桩基的房屋。”我国最早的桩基距今已有七 千多年，据历史文物遗址的挖掘揭示，我国历史上最早的桩是在浙江省宁波市附 近的河姆渡，作为古代干阑式木结构建筑的基础是由圆木桩、方木桩和板桩这三 种形式木桩组成的桩基础。圆木桩直径一般在6 8 c m 之间，板桩厚2 4 4 o c m 。 宽1 0 5 0 c m ，木桩均系下部削尖，入土深度最深达1 1 5 c m 。这是最早的桩的雏形， 在世界上也属罕见。 桩基的使用经历了漫长的历史年代，但在水泥未问世以前，实际上能采用的 桩型只有天然材料做成的桩体如木桩和石桩。1 9 世纪中叶以后，由于水泥工业 的出现和发展，钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，于是出现了混凝土桩和钢筋 混凝土桩。但在初期阶段，由于所采用的混凝土强度和钢筋强度都较低，钢筋混 凝土的计算理论也尚未建立，混凝土桩的应用受到极大的限制。二战以后，桩基 的理论和技术才有了更大的发展，桩的应甩范围也不断扩大，出现了形形色色的 桩型，桩的形式、规格和工作机理都有了质的变化。 桩基础是一种古老、传统的基础型式，又是一种应用广泛、发展迅速、生命 力很强的基础型式。近二十年来，由于工程建设和工业技术的发展，桩的类型和 成桩工艺，桩的承载力与桩体结构完整性的检测，桩基的设计水平，都有较大的 提高。然而，由于土的变异性及桩基与土相互作用的复杂性，迄今成桩质量的控 制与检测，桩基的计算理论与方法，仍然是不够完善而有待研究发展的。 1 2 桩基设计理论的发展 随着桩型及成桩施工工艺的不断推陈出新，桩基的有关理论概念产生了许多 实质性的变化，许多崭新的概念在桩基的设计领域被提了出来，例如刚性桩复合 昆明理工大学工程硕士学位论文第一章绪论 地基理论、疏桩理论桩基逆作法、变刚度调平优化设计理论。所有这些理论， 都是建立在设计者对被加固地基中的实际应力水平的深刻理解之上。 我国的建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 及建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 7 2 0 0 2 ) q b 关于桩基的部分，已经由“定值设计法”向概率极限状态设计 法过渡。新规范中的沉降计算已经考虑到用能够反映土体实际应力水平的 m i n d l i n ( 明德林) 解对沉降进行修正【l 乳。 随着地基处理技术的发展，复合地基技术得到愈来愈多的应用。复合地基是 指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在天然地基中设置 加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。复 合地基中增强体和基体是共同直接承担荷载的。而将桩基础视为刚性桩复合地基 的思想已经得到愈来愈多的设计工作者的认可。 沉降控制设计理论的提出是桩基设计理论的一大发展。在软土地区有不少建 筑物是由于沉降太大而设计采用桩基础，在这种情况下，桩可以视为减少沉降的 措施，或作为减少沉降的构件来使用，只要基础的沉降控制在我们设定的容许沉 降之内即可，这就是桩基础沉降控制设计方法的基本思想。按照这种思想设计的 桩数往往比单纯采用目前以承载力控制为基础的桩基设计方法设计的桩数要少。 在上海市的一些工程实践中，按照沉降控制设计理论设计的桩数往往为原设计的 4 0 一5 0 ，应用前景十分广阔。但是在工程实践中，确实有许多这样的事例， 建设单位或者施工单位以“非正统”，“新方法”为借口，拒绝采用某种优良 的桩型，即使它技术上合理、经济上省钱，却宁愿多花几百万去选用那些对于该 工程来说是劳民伤财的桩型，这也很是值得大家思考。 实践证明为建立竖向刚度较大的复合地基而需要的桩数并不多。随着人们对 桩基设计实践经验的积累和理论研究的深入，桩基优化设计已被人们理解接受和 开始应用于工程实践中。这样关于复合地基的竖向变刚度问题( 即不把桩基设计 为等长桩) 也被提了出来，即能否通过长桩结合短桩的设计，在附加应力相对集 中的上部土层设置较大密度的桩，而在下部土层则减少桩的设置密度( 其设置以 控制沉降为原贝| j ) ，在材料耗费相同的情况下( 桩的总长度相同) ，这种复合地基 2 昆明理工人学工程硕士学位论文 第一章绪论 啦设计是否优于等长桩复合地基。 长短桩复合地基在这样的背景下应运而生，在一些地区，以c f g ( c e m e n t f l y a s hg r a v e lp i l e ) 桩等刚性桩为长桩，水泥搅拌桩等柔性桩为短桩的长短桩复合 地基也开始应用。与之相比，长短桩复合地基的理论分析则远远落后工程实践， 至今还很少见到其沉降计算方法及桩身应力分析的报道。 1 3本文的研究内容 从目前的工程实践来看，长短桩复合地基对桩体强度要求较高，多采用 刚性桩，而且本文的着眼点为桩基的优化设计，因此本文研究对象中的桩均 为刚性桩或是半刚性桩。根据工程实践的需要和目前的研究现状，本文从以 下几个不同的角度进行长短桩复合地基的研究工作： 1 单桩复合地基的沉降性状分析 在长短桩间作的长短桩复合地基中，短桩桩尖以下桩间距大于6 d ，其沉降 近似于单桩复合地基的沉降计算。因此本文在双折线模型基础上推导单桩桩侧摩 阻力的分布，以m i n d l i n 课题的弹性理论解求解桩底土体的沉降，推导单桩复合 桩基沉降的解析表达式，计算结果可直接用于单桩复合桩基的沉降分析。 2 长短桩复合地基的有限元分析 本文用三维有限元弹性分析法为工具，建立长短桩复合地基的计算模型。探 索长短桩复合地基桩土相互作用的机理、荷载传递的性状及附加应力分布的规 律，为群桩复合地基的优化设计提供理论基础。 3 长短桩复合地基的沉降性状分析 本文从长短桩复合地基的受力机理及其变化规律入手，探讨分析其沉降的计 算模式，然后根据计算模式提出沉降的简化计算公式，以此来分析计算长短桩复 合地基的沉降，其结果可以直接用于工程实践。 昆明理工大学工程硕士学位论文第二章桩基沉降的研究现状 2 1 引言 第二章桩基沉降的研究现状 计算和分析桩基的沉降是桩基设计的一项重要工序。在桩基设计中，最主要 的是确定竖桩的承载力与沉降，尽管在过去漫长的时间内，从事岩土工程的研究 鼍 者和工程师们，为了精确计算和预测桩基的沉降，曾进行过大量的研究，提出过 一系列的计算桩基沉降的方法，但时至今日，对桩基沉降的预估仍然不能充分地 反映真实的情况。 有关文献已指出：由于建筑物越来越高大，地质条件也日趋复杂，建筑物与 周围环境的关系日益密切，桩基的沉降计算日益重要，特别是考虑桩间土承担一 部分荷载后沉降更成为一个控制条件u 1 。桩基的沉降计算之所以不甚冷人满意， 问题在于： 1 影响桩基沉降的因素很多，包括桩长、桩的平面布置情况、桩与土的 相对压缩性、土层的地质情况、以及荷载大小和荷载持续时间等。这 些因素中有的具有不确定性，有的难以充分表达清楚，因此，可以说 至今还未能提出一个计算桩基沉降相对完善的方法。 2 以往人们对竖桩的承载力都是单独考虑的，对他们的相互影响和相互 制约以及可变关系很少给予充分的注意和考虑，这就使得在某些情况 下桩基设计难以趋于完善，甚至有可能在某些场合下导致设计的失 败。 桩基沉降计算包括单桩沉降计算和群桩沉降计算两个内容，通过对单桩和群 桩沉降计算分析来推导长短桩复合地基的沉降，后面的章节分别予以单独陈述。 2 2 单桩的沉降分析计算 在桩基设计中，人们关心单桩的沉降问题，进行单桩的沉降计算，是基于如 4 昆明理工大学工程硕士学位论文第二章桩基沉降的研究现状 下的原因。 近些年来，由于高层建筑的迅速发展以及桩基施工的进步，在工程建设实践 中采用一柱一桩的单桩结构的情况日趋增多，这时单桩的沉降计算就成为设计必 要进行的一项工序。 试图利用以往的研究所建立的群桩沉降与单桩沉降之间的一些关系( 例如弹 性理论为基础的群桩与单桩沉降的理论关系，以及由现场试验或室内试验得到的 群桩沉降与单桩沉降的经验关系) 以及单桩沉降，在某些特定的土质与地质剖面 条件下估计群桩基础的沉降。 在进行群桩基础的内力分析时，需提供单桩轴向刚度的数据，而单桩轴向刚 度的确定往往依赖于单桩的沉降分析。 为了进一步弄清桩基的荷载效应，特别是弄清承载力与沉降问的关系，以完 善桩基设计理论。 竖向荷载作用下单桩的沉降由以下三个部分组成【2 】： 1 桩身弹性压缩引起的桩顶沉降6 。 2 桩侧荷载传递到桩端平面以下引起土体压缩，桩端随土体压缩而产生的 沉降s s c 。 3 桩端荷载引起土体压缩所产生的桩端沉降s p c 。 当荷载水平较低时，桩端土未发生明显的塑性变形，而桩侧土与桩身之间也 尚未产生滑动，此时可近似的运用弹性理论计算单桩的沉降s ： s=6c +ssc+sec(2-2-1) 当荷载水平较高时，桩端土将发生明显的塑性变形，此时单桩的沉降组成将 发生明显的变化，需要进行塑性分析以计算单桩的沉降。 如上所述，影响单桩沉降的因素很多，由( 2 - 2 1 ) 式来看，要计算单桩的沉降 量，必须知道桩侧和桩端的荷载分担比，桩身阻力沿桩身的分布模式，此外，还 要考虑荷载的持续时间，当荷载的持续时间很长时，需要考虑由地基的固结与次 e 昆明理工大学工程硕上学位论文第二章桩基沉降的研究现状 固结丽导致的沈降时间效应。 因此，进行单桩的沉降计算时，要根据工程问题的性质与具体条件及荷载的 特点选择合适的沉降计算方法用于计算参数。 目前，计算单桩沉降的方法主要有荷载传递分析法，剪切变形传递法，弹性 理论法，单向压缩分层总和法，以及其他简化方法等，现分别叙述如下。 2 2 1 荷载传递分析法 荷载传递分析法是单桩荷载一变形分析蛀常用的一种方法，这种方法是从规定 的荷载变形传递方式来计算桩对荷载的反应。其基本的概念是：将桩离散为一系 ( b ) 列等长的桩段( 弹性单元) ，每一桩段与土之间的联系用非线性弹簧来模拟，桩 端处土体也用非线性弹簧与桩端联系( 图2 t a ) 。这些弹簧的应力应变关系，即 表示桩侧摩阻力吼或桩端阻力劬与位移s 间的关系，这一关系一般就称作传递函 数。利用已知的桩侧和桩端传递函数求解传递函数法的基本微分方程 万d z s = j 忑u f ( ：) ( 2 - 2 - 2 ) 出2 4 。e ，、 式中：s 一桩基位移。 z 一桩身任意点处的深度o z 一桩身任意点处的深度o 6 秽采 昆蹦理工大学工程硕士学位论文 第二章桩基沉降的研究现状 u 一桩截面周长； a p 一桩的截面面积； 昂一桩的弹性模量； r 桩侧摩阻力。 解得桩顶荷载与沉降关系曲线( s ) ，桩身荷载沿桩身的分布曲线j p - z ) 以及桩侧摩阻力沿桩身的分布曲线( r b 叼) 等。按照求解( 2 - 2 2 ) 方程的途径 不同，荷载传递法可分为几种计算方法：解析解法，位移协调法，以及其他的一 些方法等。 荷载传递分析法问题的实质在于寻求一个能实际反应桩土共同作用机理且 形式简单的传递函数并且用适当的方法求解荷载传递的基本微分方程。这项工作 自从s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 5 ) 等人提出后经过许多研究者例如k e z d i ( 1 9 5 7 ) ，佐滕悟 ( 1 9 6 5 ) ，k e z l i e ( 1 9 7 5 ) ，v i i a y v e r g i y a ( 1 9 7 7 ) 以及国内学者的继承和发展，已经取 得了很大的发展。但是荷载传递分析法也有它的不足之处和局限性，基于以下原 因该方法不能推广到群桩的共同作用分析中： 在运用荷载传递曲线中，该法假定任意点的桩位移仅与那一点的摩阻力有 关，而与桩其它位置的摩阻力无关，故没有考虑土体的连续性，所以对分析桩群的 荷载沉降关系是不合适的。 为了获得现场的荷载传递曲线，需要安装许多的仪器进行桩的荷载试验，且 试验成果推广到另外场地并不一定是完全成功的。 2 2 2 剪切变形传递法 c o o k e ( 1 9 7 4 ) 提出了摩擦桩荷载传递的物理模型，该模型为了简化计算，作 了一系列假定并认为： 1 当荷载水平p 伊u 较小时，桩在轴向荷载p 作用下沉降较小，桩土之 间不产生相对位移，亦即桩沉降时周围土体办随之产生剪切变形，剪 应力从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中： 昆明理工大学工程硕士学位论文 第二章桩基沉降的研究现状 2 摩擦桩一般在工作荷载作用时，桩端承担的荷载比例较小，沉降主要 是由桩侧传递的荷载所引起。 参考图2 - 1 ( b ) ，桩周土体中剪应力的传递过程为：当桩承受轴向荷载p 并发 生沉降s 后，桩侧环形土单元a b c d 亦随之沉降，并发生剪切变形变为a 7b7 c 7 d ，将剪应力传递给相邻单元b c e f ，这一传递过程连续反应一直至很远 处的x 点，该点处由于剪应交己很小可忽略不计。x 点距桩轴为= 。 c o o k e 提出的基于剪应力传递概念的单桩沉降计算公式，由于忽略了桩端处 的荷载传递作用，因此对短桩误差很大。r a n d o p h ( 1 9 7 8 ) 对剪切变形传递法作了 补充和修正，提出厂m 与桩长及土层性质有关，并按弹性力学的方法补充了桩端 沉降量& 计算式。 马克生博士在文献嘲中基于剪切位移法，推导了弹性模量随着深度的增加而 增加的单桩沉降解析解；而文献悯中对r a n d o p h 模型进行了修正，提出了非线性 荷载一位移曲线，这与桩测结果更吻合，并且避免了原模型中数学上的不足。 尽管如此，剪切变形传递法由于忽略的因素太多，例如地基的三向应力状态， 地基的分层性，土参数随深度的变化以及桩端沉降等而具有先天的不足，因此该 法在桩基设计的实践中一般应用较少。 2 2 3 弹性理论法 弹性理论法是对桩土系统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，进而得到桩对士，土对桩，桩对桩以及土对 土的共同作用模式。 以弹性理论法为根据发展出一些计算单桩沉降的方法，这些解法虽略有不 同，但一般都基于桩的位移与临近土位移的协调条件，为此，借助于轴向荷载下 桩身的压缩求得桩的位移，又应用荷载作用于半无限体内某一点所产生的 m i n d l i n 位移解求得桩周土体的位移。由于弹性理论假定桩土界面普遍满足弹性 即界面不发生滑移这一条件，沿界面诸相邻点的桩位移应与土位移相等，由此即 昆明理工大学工程硕士学位论文 第二章桩基扰降的研究现状 可求得桩身摩阻力和桩端阻力的分布，并进丽求得桩的位移分布。 已有的弹性理论法中的主要区别在于对桩侧的剪应力分布做了不同的假定， 大体上有如下三种：以作用在各单元桩段中点处圆截面上的均布荷载代替，或作 用在各单元中点处桩轴线上的集中力，或作用在各单元桩段四周圆环面积上的均 布荷载代替。一般来说，第三种假设与桩的实际工作情况展为符合，特别是短桩： 但是对于较细长的桩上述三种剪应力的分布假定得到解差别并不大。 在弹性理论法中，半空间体内单位点荷载所产生的位移系由m i n d l i n 方程积 分求得。m i n d l i n ( 1 9 3 6 ) 曾给出竖向集中力p 和水平集中力q r 与q r 作用于半空问 内d 深度处时，任意点h h x 瀑z ) 处的位移和应力解1 1 0 l ，不过一般难于霉到该解的 封闭的积分结果。宰金珉在他的论文 m i n d l i n 经典解的近戗积分及精度评价”和 文献鳓中先后给出了利用积分变换得到的封闭积分结果和竖向均布荷载p 作用 于d 深度处矩形域原2 a x 2 b ) 时d 深度处i 节点的位移。艾智勇，杨敏榷据弹 性层状理论，运用矩阵递推方法得到了多层弹性地基内部作用一集中荷载时应力 与位移的一种广义m i n d l i n 课题的解拆解。p o t d o s 和d 呐诋在文献e ”l 及d e s a i 和 c h r i s t i a n 在文献1 1 2 j 中，分剐分析了半无限均质弹性体中的单根摩擦桩的理想化模 式。g e d d e s l l 习则根据m i n d l i n 公式推广丙导出了由于桩端眠力及桩馅摩阻力所产 生的土中应力计算公式，其中桩端阻力按集中力考虑，桩侧摩阻力考虑了沿深度 线性增加和均匀分布两种情况文献q 中对摩擦桩沉降的非线性弹性分析给了 较详细的阐述，其主要特点是。以弹性半无限体内的m i n d l i n 基本解为出发点， 利用一维边界积分方程以及土体弹性模量的双曲线模星计算桩土缒藕台，确定蘅 载作用下桩顶和桩尖的沉降朱大同在文献 习中给出了确定分析中所用非线性 弹性参数的方法，实傍计算表明，理论与实嗣曲线i 舅合较好，所鞋用线着载积分 方程结合土体模量双曲线扭合方法可以较好的反映桩土共同作用的情况，从而较 真实的分柝单桩稻桩群酶沉降 应当指出，弹性分析一般只是当荷载充分低于极限值时才认为是适当的，因 此，一些研究者又转而从事弹塑性分斩靛探讨，弹塑性分析可体现桩体单元上的 平均剪应力达到趣定的撮限抗剪力时桩外界面的滑移目前。弹塑性分析已被用 9 昆明理工大学工程硬学位论文第二章拄基蕃降鸽研究现状 于桩基设计的实践，特尉是应用于高层建筑桩筏基础的设计中。在分析上部结构 参与桩筏基础共同作用时，一般假定桩土为线弹性体、筏板为磺性扳，故筏板靖 部处角点的桩和土的反力会超过桩士节点所篦允许承受的承载力。此对，可将桩 土体系视为理想的弹塑性体，雌桩土均有一个弹性极限僮知算得藿和节点的 反力超过弹性极戳值时，尉节点处于塑性状态另这些节点的反力各等于桩和士 的弹性极限值，群均鸯已镪反力值，雨程应节点缒位移由棱底舔变形所决定这 j 样在计算时。可把进入塑性状态的桩土节点由边界节点转为基磕外的节点 总雏米说，弹性理论法荛土体看俸续佳弹性体，并甩压缩模量晟和治酥陡芦 两个变形指标表示土麴挂蓑。芦的大小对分柝结果影响不大，尽襄是关键的指 标，但姆缀难从室内士工试验耱磕灏定，一般嚣要厌单柱盼静蓑薷试验结豢反隶 其值但尽管鲤熊，由于许多研究者在这一领域已透行的杰出的工作。弹性理论 法的单槛稚群桩分析在今天已发展废为一种实际应尾酶较为完善鳃理论俸系，并 被列入波兰和蔼器联等匡家的桩基设计袈妪中。弹性理论法还具有便于参数研 究，易于扩充弼其它基本量韵公辑，殴及娃弹性连续套屣理论为依据鲮擎桩分柝， 只要遁过简单缒扩充便可进行群桩分析的优势。 2 2 4 单向压缩分层总和笔弘瑚 单f 龟压缩分层总和法就是根据各土层的参数分尉计算各层的沉降后总藉求 得总的沉降量。这种竣基硪的最终沉降量静常甩计算方法在桩基设诗中，主要用 于大直径趣豹单桩( 墩) ，考虑嚣篡桩俺驻力陡萄裁分攫磁耀对较小，桩藿底面 积犬且其赫载分担磁落较大，因监可仿照扩展基硅采恩单向压维分层总罄法话算 沉降。 文献1 q 认秀当餍良计算深基溉酶的其它条件榷醒醇，尾瞬氏应力分布求得 酶最终沉簿与实爨箍算结聚较袁接近；面怒布氏公式算得静值要比实爨值大1 2 至l 愿，并且绘出酶实甩应力计算公式度鼯艇应力系数表格。 用分层总程法分析单桩沉终l ：l 于，要考虑匿绾层的计算深度，可参照文献1 7 】l 硼 的有关裁定礁定，或按照一些实甩的经验公式碡定。 1 0 昆明理工大学工j 曝硕士学位论文第二章桩基沉降的研究现状 2 3 群桩的沉降分析计算 群桩沉降的计算的意义正如文献嗍所述：“由于地质条件下不均匀，荷载差 异体型复杂等因素引起的地基变形，对于砌体承重结构应由局部倾斜控制；对于 框架结构应由相邻柱基的沉降差控制；对于多层或高层建筑和高耸结构应由倾斜 值控制。” 在一般情况下，首先要了解和分析的还是沉降量过大的超过有关规范规定容 许值的沉降即使是均匀的，也会给建筑物带来危害群桩沉降分析和单桩沉降分析 有不容忽视的差别：群桩效应在沉降问题上表现的突出而重要，地基中桩问的应 力重叠改变了和桩的受力状态。这种效应反过来又影响群桩桩侧摩阻力；f 日桩端 阻力的大小和发展过程，桩对土位移有加强效应；群桩沉降涉及的因素远比单桩 沉降为多，且影响沉降的主要因素也不同，单桩主要受桩侧摩阻力影响，群桩则 很大程度上与桩端以下土层的压缩有关；单桩的沉降受桩的形状影响，而群桩沉 降则与桩的形状无关；根据0 n e i l l ( 1 9 8 2 ) 的研究，实测的距地表不同深度的群桩 与单桩的尸墨曲线表明，单桩的最大桩侧摩阻力在较小的桩土相对位移时就充分 发挥，而群桩的最大桩侧摩阻力则需要较大的桩土相对位移才能充分发挥。 国内外对群桩沉降的计算方法作了大量的研究，并在如下认识的基础上提出 了一系列的方法。与群桩计算有关的主要认识如下： 1 打入群桩与钻孔群桩的沉降构成成分不同，在小荷载情况下，打入群 桩的沉降以地基压缩变形为主，丽钻孔群桩的沉降则以桩问士压缩变 形为主；在大荷载情况下则反之。 2 关于地基整体压缩变形比率随荷载变化的趋势，打入群桩与钻孔群桩 的表现亦不相同。 3 尽管群桩沉降的形成和发展与单桩沉降不同，但若采用简单的土的理 想化模型，并假定桩对土位移的加强效应可忽略不计，就不难把单桩 的分析扩展到群桩。 4 成桩技术对单桩与群桩的沉降亦有不同的效应就土体被扰动的范围与 受力范围相比而言，单桩要比群桩严重的多：而群桩引起的地表隆起 昆明理工大学工程硕士学位论文第二章桩基沉降的研究现状 和土体侧移方面则远比单桩严重。 5 粘性土中群桩舶沉降包括弹性沉降和固结沉降，非粘性土中群桩的沉 降只有弹性沉降( 瞬时沉降) 。 由上述可见，基于种种客观原因，不可能提出一种通用的群桩沉降计算方法， 现将已有的文献提出的方法分别陈述如下。 2 3 1 弹性理论法 弹性理论法群桩沉降分析的基本假定与单桩相同，其主要依据是m i l 诚i i n 解 的位移与应力解，以此为基础形成位移法和应力法此外还发展了一种简化弹性理 论位移法，以位移解为基本解，但采用应力法中关于桩侧摩阻力为线性的假定， 在位移基本解的积分中舍去高阶无穷小量。 以p o u l o s , b u t t v r f i d d ，d a v i s ，c j c d d e s 等的群桩沉降弹性分析理论为基础的计 算体系中，叠加法是比较成熟和应用较广的一种简化方法文私1 4 1 详细阐述了其 原理和计算过程，该法在忽略桩对土位移的加强效应简单的假定基础上，把单桩 的分析扩展到桩群。 计算主要是利用c 翘d e s 单桩荷载下的应力系数，将群桩中每一根桩由自身 荷载引起的沉降和受其它桩荷载所产生的沉降叠加起来求得群桩的沉降。 另一种方法是相互作用系数法，先计算群桩中两桩相互作用所引起的i 桩的 沉降，然后求群桩中所有桩对相互作用引起的i 桩的沉降并求其总和。 2 3 2 实体深基础( 等代墩基) 法 实体深基础法是现在工程界应用最广泛的一种计算群桩沉降的方法该计算 模式是将承台下的群桩及桩间土看作一个等效墩基的一个实体深基础，在此等代 墩基范围内，桩间土不产生压缩如同实体墩基一样工作，然后按照扩展基础的沉 降计算方法来计算群桩的沉降【蜡i 由于计算时考虑的前提条件不同，研究者提出和使用着计算的不同模式，其 主要差别在于选用的假想实体基础底面的位置不同，以及对地基土中附加应力的 考虑和计算不同根据桩距地基土的性质不同，桩间土实际上是会产生不同程度 昆明理工大学工程颈士学位论文第二章桩基沉降的研究班状 的压缩变形，另一方碾假想的实俸基础辨霭存在着侧蘧剪应力的扩散作用为了消 除这些差别对群桩沉降计算的影响人们采取了些措麓，集中表现在所采用的模 式上。这些措施是： 1 变动假想实体基础底面的位置，以考虑桩问土存在压缩变形的可能。 这是p e c k 和t e r z a g h i 等人建议的模式p e c k 等建议将假想实体基础底面 置于桩端平面以上厶高度处，站取为桩长的l ，3 处( 桩位于均匀粘土中 时) 或进入持力层深度的1 3 ( 桩穿过软弱土层并进入坚硬土层时) 这 种建议涉及的影响因素过于单一，因为假想基底位置上升的因素很多， 采用此法不能全面反映这些情况。 2 从群桩桩顶外围按一定斜率( 例如里角或1 ：4 斜率) 向下扩散增大 4 假想实体基础底面积，以考虑桩群外围总剪应力对沉降分析的影响， 这是t o m l i n s o n 等人的模式。 3 为了改善地基土附加应力估计的精度，近年来国内外根据半无限弹性 体内集中力的m i n d l i n 公式发展了一些估计桩基荷载作用下地基土附 加应力的方法，还有一种将m i n d l i n 解与b o u s s i n e s q 解对比来估计等代 墩基的等效基底附加应力。 2 3 3 修正等代墩基法 由单桩荷载传递机理可知。当桩周界砸积大大超过桩底面积时，大部分荷载 将经由桩身侧面传递对f 实体深基础，荷载分配虽未达到此程度，但由此可见， 实体深基础外围侧面剪应力的作用不容忽视。 。 设上部荷载与承台及其覆土重p 之和为b 文献1 1 】指出，仅当f t 时实 ， 体深基础的假定才是合理的且在计算中宜以f + g * t 作为外荷载计算桩端平面的 附加应力( g 为群桩及桩尖土总重，r 为桩群外围总剪力) ；而当f r 时，则不 应采用实体深基础的假定，例如超长桩此时的沉降可按复合地基沉降计算法计 算，附加应力的计算从承台底面开始计算。 2 3 4 等效作用分层总和法【1 4 2 i j 昆明理工大学工程硬士学位论文 第二章桩基沉阵的研究现状 等效作用法最早由黄强，刘金砺，( 1 9 9 0 ) 提出，髓后棱堪兢桩基技术规范 推荐采甩此法系将均质土中群桩沉降的m i n d l h i 解与均布荷载下矩形基础的 b o u s s i n e s q 解之比值用以修正等代墩基的基底附加应力，然后按一般分层总和法 计算群桩的沉降。 2 4 疏桩基础的设计计算分析 由于桩基逆作法工艺的应用，以及复合地基理论的研究发展，使得有可能利 用桩间土的作用在条形基础下布置稀疏摩擦短桩设计时将上部荷载按一定的比 例分配到桩及条形基础或筏板上由此发展了一种疏桩基础理论这种理论目前尚 处于探索阶段，这里根据文献圆圆阱肛习概括的介绍。 在疏桩基础中，由于桩距通常大于6 倍的桩径，因此桩对士的加强作用并不 明显，而另一方面疏桩基础又把密布群桩下的打桩扰动及土体抗剪强度降低等的 削弱作用减少到最低限度工程实践表明：当疏桩率达到“最佳地基土桩容量”，其 建筑物沉降量反而比桩基础小这说呢疏桩基础的安垒度不一定小于一般桩基础， 尤其是在软土地区疏蚌的确定，主要决定于建筑物控制沉降量的大小，此时桩 主要是用来作为控制沉降与加强稳定性的构件因此。在疏桩基础的设计中，是用 “控制沉降量设计法”来代替传统的按“承载力设计法啪作法的，并且甩天然地基 与桩体共 司承担建筑物的荷载同时，由于一般民用住宅对沉降量的要求不十分严 格，允许有较大的沉降值，从而可采用较大的疏桩率在此情况下，桩基就较容易 进入极限状态，所以选用极限状态作设计是比较符合实际的。 在采用桩基逆作法配合疏桩基础的情况下，迫使桩间土与桩共同承担上部荷 载，在引入一些基本假设后，采用弹性板空间理论，可求得桩与条形基础分别承 担的外荷载。 由于疏桩基础考虑了桩间土的承载能力，因此疏桩基础中的承台应按浅基础 设计，最好位于浅层的硬壳层中，并在施工时尽量避免桩间土的扰动此外，疏桩 基础有利于发挥桩与基础的共同作用，具有潜在的巨大经济效益而珏地表土层的 j “ ，? 逆作法与预压处理显著提高了浅基的荷载分担比即使是未经预压处理的天然地 1 4 昆孵理工大学工程硬士学位论文 第二章桩基沉降的研究现状 基，在合理使用琉桩基础的情况下一投少量按照极限承载力设计的桩也可大大减 小沉降，提高地基的总承载力。在进行软土底基的桩基设计时，既要最大限度的 发挥单桩承载力的作用，并达到控制沉降的目的：又要充分发挥天然地基表层承 载力的作用，达到疏化桩基的目的，这就是疏桩基础的理论基点。怅桩疏布， 宽基浅埋”是疏桩基础设计时的八字要点。 昆明理工大学工程硕士学位论文 第三章单桩复台地基的沉降性状分析 第三章单桩复合地基的沉降性状分析 3 1引言 在长短桩间作的长短桩复合地基中，短桩桩尖以下桩间距大干6 d 时，其沉 降近似于单桩复合地基的沉降计算。因此本文在双折线模型基础上推导单桩桩侧 摩阻力的分布，以m i n d l i n 课题的弹性理论解求解桩底土体的沉降，推导单桩复 合桩基沉降的解析表达式，计算结果可直接用于长短桩复合地基中短桩桩尖以下 的单桩复合桩基的沉降分析。 当计算桩基础的承载力时，通常假定建筑物的重量全部由桩传至地基中去， 承台仅起连接桩顶和传递上部苟载的构造作用。在上部土层为软土的端承桩及端 承摩擦桩时，上述假定是接近实际情况的。 但是，在工程实践中，如在软土地区，上部土层经常有l 2 掰的硬壳层。硬 壳层具有一定的承载力，当上部结构的荷载较轻时可以作为天然地基直接利用； 当上部结构的荷载较重时，则会因承载力不满足或下卧层沉降过大而不能直接利 用，这时用上述假定则较为保守，应当考虑部分荷载通过承台直接传至地基，这 种承台与桩基共同作用韵观点应当说是接近实际情况的。这时正确求解承台与桩 基的荷载分担比成为设计的关键。 浅基础的沉降一般均以弹性半空间表面作用一个竖向集中力时的 b o u s s i n 船q 解为基础。国标建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 7 - 2 0 0 2 ) 中天然地 基的沉降计算即为如此。因此本文拟以布辛尼斯克命题的位移解为基础求解桩与 桩侧土之间的相对位移。 桩基设计最基本的一点是确定单桩沉降和承载力。目前对于单桩的分析，主 要还是在于承载力方面，对沉降的分析相对较少。通常单桩的沉降分析是基于 m i n d l i n 课题的弹性理论解，如p o u l o s ( 1 9 6 8 ) ，杨敏等( 1 9 9 7 ) 。其它比较著名 的有r a n d o l p h & w o r t h ( 1 9 7 8 ) 提出的剪切位移法和s e e d & r e e s e ( 1 9 5 7 ) 提出 的荷载传递方法( 通常也称之为f = 曲线方法) 。荷载传递方法因形式简单、易 昆明理工大学工程硕士学位论文 第三章单桩复合地基的沉降性状分拆 于应用而得蓟了广泛的重视和应用，很多学者专家曾进行了不同角度的分析和研 究，提出了许多实用的荷载传递函数模型，如双曲线模型，双折线模型，指数一 对数模型等等。其中以双折线模型比较简单且较符合单桩实际工作状况，从而得 到了广泛的应用。因此本章拟在双折线模型( 围3 - i ) 基础上推导单桩桩侧摩阻 力的分布，以m i n d l i n 课题的弹性理论解求解桩底土体的沉降。 t k “ 图3 1 图3 - l 中r 为剪应力( k p a ) ：为剪应力极值( k a ) ：“为剪切位移( r a m ) ： 为剪切位移极值( r a m ) 。 当越 h l 时： “( = ) 2 吼+ 联 ) 一取瑚 式中e = 为( 3 - 3 6 ) 当桩土相对位移大于时，桩土产生滑移，此时桩倒摩阻力由材料的性质决 定，不再随甜的增大而线性增长。令群( 力= 则： g u l + s ( 啊) 一s ( z 。) 】2 l k ( 3 3 7 ) 求解( 3 - 3 - 7 ) 式得： 站=f(po)(3-38) 其中站表示桩土产生滑移的界限面深度。 至此得到桩佣摩阻力的解析解： l孽( z ) = 五材( 力z g ( z ) = 如“q ) h 0 0 1 8 0 0 1 ，筏板处于弹性状态。 由以上分析可知本算例所设定的筏板为柔性筏板。但是从图4 _ 7 中可以看出 昆明理工大学工程硕士学位论文第四章长短桩复合地基的有限元分析 即使是柔性筏板，在进行弹性分析时筏板所起的跨越作用仍是相当明显的，当桩 的单桩刚度相同时( 即桩长相同时) ，角桩承担的荷载最大，边桩次之，内部桩 最小而由方案2 的筏板应力图可知中心布长桩可以明显的改善筏板的应力水平。 具体数值详见图4 - 8 a 力案4 的最大应力为方案1 的8 0 0 , 4 ，这说明随着桩的剐度 的增加，k 即越来越小，桩筏相对刚度更加趋于柔性，筏板所起的跨越作用逐渐 减小，但是比方案2 的应力水平仍然为高。 1 2 0 0 0 8 0 0 0 _ 4 0 0 0 _ _ 0 方案1方案2方案3方案4 1 1 8 2 8 9 | 应力值( k p a ) 1 4 8 1 6 8 9 5 5 1 5 71 4 6 7 4 9 昆明理工大学工程硕士学位论文第四章长短桩复台地基的有限元分析 瞄矬麓麓 m “) 剐性筏扳 蛳 b ) 中器设置，j 、群穰的秉性筏板 图4 - 8 b 由桩减小差异沉降的原理 4 不同布桩方案桩身应力分析 图4 9 a9 # 桩桩身应力图4 9 b9 # 桩桩侧摩阻力 昆明理工大学工程硕士学位论文第四章长短桩复合地基的有限元分折 图4 - 9 el 3 群桩桩身应力( 方案3 ) 桩舅摩阻山( 职曲 一2 0o2 04 0c o o n 一 弋 = 4 采 一辅桩 - 1 3 - 鼍一2 * 桩 l # 鞋 一l o 1 2 = 1 4 一 图4 - 9 d1 3 群桩桩侧摩阻力( 方案3 ) 桩侧摩m 力( k p a ) 一2 002 0 4 0 6 0 、 _ 一 i l 瘩 l l + 9 # 桩 v f 卜| + 6 埘l 出 l 卜5 # 桩 掣 i 鑫1 叶2 _ 分 、 一 图4 - 9 c5 - 9 # t 庄桩身应力 n 等代实体加复合地基模式 与第一种模式相对应，如果外荷载p 大于总抗剪力l 基础沿长、宽周边深 度的剪力抵抗不住外荷载的作用，这样一区四周土体产生很大的剪切应变，此刻 一区范围外的周围土体和短桩长度范围内的桩间土的整体性受到破坏，但仍有联 系。在这种状态下，一区长短桩结合的群桩可以采用等代实体深基础模式，其周 围土体仍有残余抵抗力在抵抗基础的下沉，今采用图5 。3 所示的刚塑性应力应变 关系。这个抵抗力的合力即为总抗剪力l 在二区，由于桩比较稀疏，所以桩长范围内外的土体并没有受到破坏，因此 仍然可以视为复合