（岩土工程专业论文）沉降控制复合桩基设计法的应用及有限元分析研究.pdf

中文摘要 在软土地基上，多层建筑或是较大荷载的构筑物采用天然基础方案在很多情 况下难以满足地基变形的要求。此时就需要考虑地基处理，我们常会考虑到常规 的桩基设计方法，即全部荷载由桩来承担。这样往往会使桩数较多，其工程造价 大幅度增加。因此我们就需要探索另一种设计方法，以减少工程造价。鉴于常规 复合桩基设计方法只考虑桩的承载作用而忽略了桩间土的承载作用，使实际工程 过于安全而造成不必要的经济投入，经过许多人在此领域的探索，通过对软土地 基的研究，提出了由容许沉降量确定桩数的复合桩基设计即按沉降量控制的复合 桩基的完整设计法。本文主要介绍了沉降控制复合桩基的概念、以沉降量为控制 指标时的设计原理、设计原则和设计步骤。然后利用这种方法对一个工程实例进 行了设计，最后将设计结果跟常规方法设计进行了简单的经济比较，显示了一定 的经济优势。 对沉降控制桩基建立了有限元模型，利用大型通用有限元分析软件a b a q u s 对桩基的整个过程进行了非线性有限元分析。分析结果与设计结果比较吻合，表 明在有限元软件a b a q u s 计算分析下，沉降控制复合桩基的工作过程显示，此设 计满足外部荷载的要求和沉降变形的要求，从而数值分析角度上证明了该设计方 法的可行性。 关键词：复合桩基沉降控制数值模拟经济优势 a bs t r a c t m u l t i l a y e rb u i l d i n g so rc o n s t r u c t i o n so ns o f tg r o u n db e a r i n gh e a v i e rl o a dm a y n o tm e e tt h ed e f o r m a t i o no ft h ef o u n d a t i o nd u r i n gm a n ys i t u a t i o n s t e r e f o r e ，t h e d i s p o s a lo ft h ef o u n d a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t u s u a l l yw eu s et h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h a tt h ep i l e sb e a rt h et o t a l l yl o a d a sar e s u l t ，t h i sm e t h o d sw i l lr e q u i r e sm o r ep i l e s a n dm a k ee v e nh i g h e rc o s t i nt h i sp a p e r , a n o t h e rm e t h o di sa p p l i e dt ol o w e rt h e c o s t c o n s i d e r i n gt h ec o n v e n t i o n a ld e s i g n i n gm e t h o do fc o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o n o n l yc o m p u t et h eb e a r i n go fp i l e sa n d i tm a k e sh i g h e rc o s t t h r o u g ht h es t u d yo ft h e s o f ts o i lf o u n d a t i o n ，ac o m p l e t ed e s i g n i n gm e t h o dh a sb e e na d v a n c e dt oc h o o s et h e n u m b e ro fp i l e so nt h eb a s i so fa l l o w a b l es e t t l e m e n tf o rt h ec o m p o s i t ep i l e d f o u n d a t i o n t h a ti s 。t ob es e t t l e m e n t c o n t r o l l e dc o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o n t h ep a p e r i n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e s a n dp r o c e d u r e so ft h ed e s i g nm e t h o dt a k i n g s e t t l e m e n t c o n t r o l l e da st h ek e yo b j e c t i v e t h e n ，t h ec a l c u l a t i o np r o c e s si sp r e s e n t e db yu s i n gi tt oap r o j e c te x a m p l ea n d t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni sa l s om a d eb yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e u s i n gt h es o f t w a r e a b a q u st oa n a l y z et h ew h o l ep r o c e s s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n s i s tw e l lw i t ht h e d e s i g n e do n e s c o m p a r e dw i t h t h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，i ts h o w sg r e a t e c o n o m i cp r e d o m i n a n c e k e yw o r d s ：c o m p o s i t e - p i l e df o u n d a t i o n ，s e t t l e m e n t c o n t r o l l e d ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e c o n o m i cp r e d o m i n a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的。j j f 讧论文足本人在甘师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特引l 以标淀和 5 跗之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，l _ 不包含为获7 _ 一盟盟或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与乏一同工相：的限岳对本形f 究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示j 谢意。 学位论文作者签彩：弓，1 、b - 7 诌签，。斗1i 期：2 曲) 年iz 月i 髫日 学位论文版权仗用授权书 本学位论文作者完7 i 、了解苤鲞苤鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茎可：川哿学位! 仑文j i ：j 仑。；! ! ：戈部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印! - 乏：了描等复制：j 2 段仍：1j i 、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构j j ：交沦文的复叫件雨i 磁盘。 ( 保密的学位论文仃, - 6 i 4 密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 墨，l 、琵弘 签字日期如b 占年l 2 jf 墨l 二f 伽一 诅囊 飙 签 日 m 于 j i y c 一 导 终 天津大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 在软土地基上，多层建筑或是较大荷载的构筑物采用天然基础方案在很多 情况下难以满足地基变形的要求。此时就需要考虑进行地基处理，这样我们就会 考虑到桩基设计方法，常规的桩基的全部荷载有桩来承担。这样往往会使桩数较 多，从而工程造价大幅度增加。因此我们就希望探索一种新的桩基设计方法，既 能满足沉降变形要求，又能减少桩数以减少工程造价。经过许多人在此领域的探 索，发现了另一种桩基设计方法一沉降控制复合桩基设计方法。它是一种介于 天然地基和常规桩基础之间的基础类型。 1 1 1 沉降控制复合桩基的概念 复合桩基是指桩与承台共同承担外荷载的桩基础。而沉降控制复合桩基是指 桩与承台共同承担外部荷载，按沉降要求确定桩数的低承台摩擦桩。它是一种介 于天然地基上浅基础和常规桩之间的一种基础类型。按沉降控制的复合桩基设计 的实质是以沉降控制为原则，考虑桩与承台共同作用的一种桩基设计方法。 1 1 2 沉降控制复合桩基的优势 在我国的沿海及部分内陆地区的建筑场地土，主要为抗剪强度低、压缩性较 高、渗透性较小的淤泥、淤泥质土、冲填土及其它高压缩性土组成的软弱土。软 土地基上进行构筑物设计时，沉降往往是基础设计中的一个主要问题。以往我们 在处理这类地基时，最可靠的方法通常是采用桩基础。目前我国地基基础设计规 范和桩基技术规范，其设计理论大多是建立在满足承载力的基础上的。桩基础一 般由上部结构荷载来确定桩数和桩长。那么，对于荷载作用不是很大，而采用天 然地基沉降又过大的建筑，是否能够按沉降值的大小来选择桩数和桩长呢? 沉降 控制复合桩基是近年来上海地区发展较快的一种新型基础形式和地基处理技术。 它以变形控制的原则进行设计的桩基础，也即在设计时由基础的地基沉降大小趋 势来确定桩数和桩长。这种桩基在基础中除承担部分荷载外主要起减少和控制沉 1 第一章绪论 降的作用，桩可视为减少沉降的措施，或作为减少沉降的构件来使用。这一理论 根本改变了原有的设计思路和方法，亦即： ( 1 ) 充分利用和发挥了桩对控制基础沉降的能力，桩可按单桩极限承载力设 计，使桩的承载能力得到充分的发挥。 ( 2 ) 充分利用天然地基的承载力，而不是象通常那样只考虑桩基础中桩承担 上部荷载。 ( 3 ) 在整个基础范围内，上部荷载将被均匀的扩散到地基土内，基础桩群之 间的桩群效应将变小，使天然地基和桩基础都可尽量发挥作用，而常规设计由于 桩数较多，一般都存在桩群效应，限制了桩的承载力的发挥。正是存在以上较大 的改变，使得沉降控制复合桩基具有了许多优点，尤其是在软土地基上优势更为 明显。与常规桩设计方法相比，一般可减少用桩数量3 0 以上，降低工程造价， 缩短施工周期，减少由于桩数过多引起的挤上等对周围环境的不利影响；与水泥 土搅拌桩或粉喷桩等地基处理方法相比，因桩身采用钢筋混凝土桩，质量控制能 够得到较好的保证。由于在实际工程应用中具有理论先进、技术可靠、效益明显 等优点，受到工程界的普遍关注和建设单位的欢迎。 1 1 3 沉降控制复合桩基应用的意义 沉降控制复合桩基是指桩与承台共同承担上部结构荷载，按建筑物沉降要求 确定用桩数量的低承台摩擦桩基，主要适用于在软弱土层较厚的软土地区建造稳 定性高、要求控制最终沉降量的建筑，其理论基础是桩土相互作用，共同承担建 筑物的荷载与沉降。国外研究人员在7 0 年代开始着手桩土相互作用理论的研究， 指出采用少量的桩可明显减少天然地基的沉降量。8 0 年代起，我国的专家学者开 始对桩土共同承担建筑物荷载及控制建筑物沉降课题展开深入研究，并在大量的 多层砖混住宅工程实践中进行尝试与摸索，总结出关于减少沉降量桩基设计的理 论与方法。1 9 9 4 年1 2 月，经上海市建委批准，“沉降控制复合桩基 作为成熟的 设计理论与设计方法编入了上海r 了标准地基处理技术规范( d b j 0 8 - - 4 0 9 4 ) 。 按沉降控制复合桩基理论设计软土地基基础比之常规桩基所产生的经济效益是 非常可观的，据有关统计资料显示，在同一工程中沉降控制复合桩基较常规桩基 一般能节省基础工程造价3 0 一7 0 ，其不仅能取代粉喷桩加固软土地基，而且理 论一卜可比多层建筑采用粉喷桩加固软土地基方案节省工程造价。我同软上地区覆 盖面积很广，因此，沉降控制复合桩基具有广阔的应用前景。 天津大学硕士学位论文 1 1 4 沉降控制复合桩基在基础设计应用中的优势 复合桩基是指以沉降作为控制指标，考虑装于承台共同作用的桩基设计方 法，按沉降量来控制复合桩基，它能使沉降控制在容许范围内，用桩量比常规桩 基要少得多。该设计方法实用、便利、突破了基础上荷载全部由桩承担、桩数由 单桩承载力确定的常规桩基设计概念，有显著的技术经济效益和社会效益。设计 方法和工程实践达到国际先进水平。 这种桩一般是摩擦桩，在承台产生沉降时，桩应能充分发挥并始终保持其全 部的极限承载力。有效的减少沉降，同时承台也承担部分荷载，并能对桩基的整 整体稳定性提供必要的保证。 1 2 沉降控制复合桩基发展和研究现状 软土地基上的基础设计采用桩基础的原因主要是有两个，一是地基的承载力 不够，用桩将上部结构的荷载传递到深层土和坚硬的持力层，二是地基土发生较 大的沉降变形，需采用桩基来减少沉降量。不能采用天然地基基础方案的原因并 不只是天然地基的强度明显的不足，而是由于高压缩性地基会产生大沉降。这时 就需要一种新的设计方法，这种方法就是沉降控制复合桩基设计法。 1 2 1 沉降控制复合桩基设计法的发展 国外研究人员在7 0 年代开始着手桩土相互作用理论的研究，指出采用少量的 桩可明显减少天然地基的沉降量。8 0 年代起，我国的专家学者开始对桩土共同承 担建筑物荷载及控制建筑物沉降课题展开深入研究，并在大量的多层砖混住宅工 程实践中进行尝试与摸索，总结出关于减少沉降景桩基设计的理论与方法。 z e e v a e r tp o u l o s 、童蹋湘等曾先后提出过相似的概念，但尚未见到可供工 程应用的实用设计方法和相应的工程实例报道。上海民用建筑设计院从1 9 8 2 年起 就对软土中的单桩和群桩沉降量及桩与承台共同作用等问题进行了长期的理论 与试验研究工作。在此基础k ，参考国内外有关桩基沉降及桩与承台共同作用的 研究成果，探讨了按桩基沉降量控制的复合桩基的设计方法，并从1 9 8 7 年就在多 层建筑和部分中高层建筑的设计中用到沉降控制的复合桩基设计方法。复合桩基 是指桩与承台共同承担外荷载的一种桩基础，按沉降控制设计的实质就是以沉降 第一章绪论 控制为原则，考虑桩基与承台共同作用的一种设计方法。它能使沉降量控制在容 许范围之内，沉降控制复合桩基是指桩与承台共同承担一k 部结构荷载，按建筑物 沉降要求确定用桩数量的低承台摩擦桩基，主要适用于在软弱土层较厚的软土地 区建造稳定性高、要求控制最终沉降量的建筑，其理论基础是桩土相互作用，共 同承担建筑物的荷载与沉降。 1 2 2 沉降控制复合桩基设计法的研究现状 1 9 9 4 年1 2 月，经上海市建委批准，“沉降控制复合桩基”作为成熟的设计理 论与设计方法编入了上海市标准地基处理技术规范( d b j 0 8 4 0 9 4 ) 。按沉 降控制复合桩基理论设计软土地基基础比之常规桩基所产生的经济效益是非常 可观的，据有关统计资料显示，在同一工程中沉降控制复合桩基较常规桩基一般 能节省基础工程造价3 0 7 0 ，其不仅能取代粉喷桩加固软土地基，而且理论上 可比多层建筑采用粉喷桩加固软土地基方案节省工程造价。我国软土地区覆盖面 积很广，因此沉降控制复合桩基具有广阔的应用前景。上海市标准地基处理技 术规范( d b j 0 8 4 0 一9 4 ) 第1 2 1 2 条规定“沉降控制复合桩基主要适用于较深 厚软弱地基上、以沉降控制为主的八层以下多层建筑物”。随着房地产市场发展 的需要，上海市近年建造的小高层住宅( 九一十二层) 越来越多，并呈逐年k 升趋 势，如果能将沉降控制复合桩基理论在这类建筑中推广应用，可以有效地提高住 宅建设质量、降低工程造价。 1 3 本文研究内容 本研究对象是沉降控制复合桩基设计法的应用及有限元分析，研究的目的有 如下几点： 1 沉降控制复合桩基的设计原理、设计原则和设计步骤 2 沉降控制复合桩基中单桩承载力的确定 3 沉降控制复合桩基的有限元分析 针对以上问题，本文的主要工作是通过试验研究和理论分析，对沉降控制复 合桩基设计方法在我同实际工程中的应用提供技术支持，并对今后进一步的分析 提供理论依据。 具体内容如下： 天津大学硕士学位论文 1 通过对沉降控制复合桩基理论的研究，得出沉降控制复合桩基的设计原 理，为以后的设计提供了理论依据； 2 通过对沉降控制复合桩基理论的研究，总结出沉降控制复合桩基的设计步 骤； 3 通过单桩承载力试验，确定了单桩承载力计算公式，以便为工程设计提供 依据； 4 用有限元方法建立切实有效的力学分析模型对复合桩基进行力学分析。 第二章沉降控制复合桩基设计的原理 第二章沉降控制复合桩基设计的原理 复合桩基是指桩与承台共同承担外荷载的桩基，按沉降量控制的复合桩基 设计的实质就是以沉降控制为原则，考虑桩与承台共同作用的一种桩基设计方 法。 在软土地基上的基础设计中，有时不能采用天然地基方案的原因并不是因为 天然地基强度明显不足，而是由于地基会产生过大沉降的缘故。这时就可采用 复合桩基方案，用桩数量比常规方法设计( 即桩承担全部外荷载，用单桩设计 承载力决定桩数) 的桩基要少的桩( 也称减少沉降量桩) 使沉降量较少到容许 范围内。这种桩一般是摩擦桩，其桩端持力层不一定十分坚硬，在承台产生一 定沉降时，桩应能充分发挥并保持其全部极限承载力，能有效地减少沉降量， 同时承台也能承担部分荷载，并能对桩基的整体稳定性提供必要的保证。 按照这种设计方法，根据不同的容许沉降量的要求，与常规方法设计的桩基 相比，用桩数量应有不同幅度的减少。在保证沉降量满足设计要求的前提下， 工程造价更为经济。 2 1 基本原则 理论分析、荷载试验和工程经验表明，对于软土中承台与地基土始终保持接 触，桩与承台共同承担外荷载的复合桩基，其荷载一沉降关系一般如图2 1 中 曲线所示，这种关系也可以用图中的o a c 表示，图中用只近似的表示各单桩极 限承载力之和，p 为外荷载，尸，为桩基总的极限承载力，在与只相对应的彳点 处有较明显的转折；而关于桩与承台分担外荷载的规律比较复杂，它随时间和外 荷载的大小而变化。若不考虑时间因素，承台与桩在外荷载作用下沉降达到基本 稳定的条件下，荷载较小时，主要由桩承担外荷载，承台居次要地位，随荷载的 逐步增大，承台作用逐步发挥，当荷载超出各桩的极限承载力之和只后，桩始 终承担只，而承台则承担了外荷载的剩余部分。根据以上的分析，并做一定的 简化假设后，对沉降控制的复合桩基提出了设计的基本原则。 天津大学硕士学位论文 图2 1 桩基的荷载一沉降关系 2 1 1 复合桩基极限承载力的设计原则 复合桩基的极限承载力只可按下式计算： 见= 屁q + 仉r f ( 2 - 1 ) 式中：n 为桩数； q 为单桩的极限承载力： 尺为承台底地基土的承载； f 为承台底静面积； 、仇为群桩效应系数和承台效应系数，当平均桩距大于6 倍的桩 径时，均近似的取1 ，由于在沉降j 窄制桩基设计中，桩距一般都大于6 倍的 桩径，所以、仉都取1 。则复合桩基承载力变成： =刀q+rf(2-2) 单桩的极限承载力一般由单桩荷载试验确定，在没有现场试验资料的时 候可以根据经验公式确定。根据建筑桩基技术规范j c j 9 4 - 9 4 1 经验公式如 下： q = u p q ，请+ 凡堆4 ( 2 3 ) 式中：u 。为桩身的周长； 吼睹为侧阻系数第i 层土的极限侧阻力标准值； t 为桩穿越第i 层土的厚度； 凡为桩端附近的静力触探惯入阻力标准值； a 。为桩端面积。 第二章沉降控制复合桩基设计的原理 2 1 2 复合桩基沉降简化计算原则 1 当外荷载小于桩基中所有单桩极限承载力之和时( 尺p ) ，仅就沉降计算。 目的而言，简化的但在实用上合理的假定是桩基上的外荷载全部由桩承担，忽略 承台的分担作用，这时桩基沉降就是外荷载全部由桩承担条件下桩端至压缩层之 间土层压缩产生的沉降量，其具体计算应按文献 8 所提出桩基沉降计算方法进 行。 该法是从g e d d e s 按弹性力学中m i n d li n 公式推广得出的单桩荷载在地基中 产生的应力公式出发，并考虑群桩应力叠加求得地基中竖向附加应力后，在按分 层综合法计算沉降。该法克服了过去工程中常用的等代实体深基础计算桩基沉降 方法的不足，可方便的考虑桩基中桩的根数、桩的间距、桩位布置不规则、荷载 分布不均匀等因素对沉降计算的影响。对上海地区数十个有长期沉降观测资料的 工程进行比较后说明，该法所得到的最终沉降计算值与实测值之间的吻和程度是 令人满意的。设计中可用电算或影响图法手算进行。 2 当外荷载大于桩基中各单桩极限承载力之和时( p p ) ，桩与桩间土产生。 相对的滑移，这时桩始终承担e ，而承台承担荷载( p p o ) ，这时桩基沉降应该 是这两部分荷载共同作用下从承台底至压缩层下限之间土层压缩产生的沉降量， 其中桩承担的荷载所产生的沉降可按参考文献 4 提出的方法进行计算，而承 台承担的荷载所产生的压缩量可按天然地基浅基础沉降计算分层总和法进行。 2 2 设计基本原理 众所周知，影响承台与桩共同承担外荷载规律的因素很多，其中主要有： 桩端持力层地基土的性质、沉桩的挤土效应、桩项的荷载、荷载的作用时间及 桩的间距大小等。就沉降控制复合桩基而言，由于一般情况下其桩端持力层不 会十分坚硬，同时如忽略沉桩挤土效应的影响，则影响其承台与桩共同承担外 荷载的主要因素就是以下三种： 1 桩顶荷载 一般是当外荷载n 较小时。主要由桩承担外荷载，承台分担作用居次要地位； 当n 不断增加。承台分担荷载略有增加；当n 超过群桩中各单桩承载力之和的只 后。桩将始终保持承担部分的荷载，而承台承担外荷载超过只后余下部分的 天津大学硕士学位论文 荷载n _ 只。 2 荷载作用时间 一般在受荷的初期，承台下地基土和桩是按各自的相对刚度分担外荷载， 由于这时承台地基土是处于不排水、无体积变形的状态，有较大的相对刚度因 此在受荷初期总是要承担较大一部分荷载，但随即承台和桩承担的荷载均在土 中扩散井产生附加应力，促使土体固结下沉，导致原来承台承担的荷载逐渐向 桩顶转移。承台与桩分担外荷载关系是随着荷载作用时间而变化的。 3 桩的间距大小 一般当桩距较小时，承台分担的荷载较小，随着桩距的增大，承台分担的 荷载也随之增大。设计时总的承载力可近似地认为等于沉降控制复合桩基中所 有各单桩的承载力与承台下地基土在无桩条件下的承载力之和： p 酬r 绣月c( 2 4 ) 其中：p 一一沉降控制复合桩基总的承载力( 圳； 卜桩数； r 单桩承载力设计值( ： f 承台下地基土承载力设计值( k p a ) ； a c 承台底面积( 祈。 沉降控制复合桩基的设计主要环节是确定桩数与沉降的关系。然后根据容 许沉降量要求确定实际要求的桩数。沉降控制复合桩基沉降计算与常规的桩基 沉降计算不同。计算沉降控制复合桩基沉降量的方法如下： ( 1 ) 当n o 时，设s 。 s 2 0 ， q 2 = 羔q l = 最 则： q 一9 = 去一毒= 揣 。 d i 口 a s ， 二：= 一l = 一一! 二一 d s1 8 毛 b + s ( b + s 1 ) 2 d q l 一d o i ：旦一竺2 一j 三一+ 竺2 d s 1 9 。2 d s5 。卸b + s 2 ( 6 + s 2 ) 2 b 十s l ( 6 + 为) 2 邛。吨) 坐卷崭铲枷 可以看出q s 曲线斜率单调减小。 天津大学硕士学位论文 ( 3 ) 当沉降比较大时，如接近无穷大时 p ：l i m 生：口 一 b + s 达到了单桩最大承载力一，而此时q s 曲线的斜率为： 一dq：lim-一三：0lim 0= 一_ = d sb + s ( b + s ) 2 对于双曲线q ：_ q m a x s ，将式子变换： q ( b + s 瑚一，或者言= 砉+ 去。 将s 作为x 轴，s o 作为y 轴，s 与s q 所成的直线的斜率的倒数是就是单桩的极 限承载力。用该方法求得的单桩极限承载力要比用试验确定的单桩极限承载力要 大。原因是该法确定的极限承载力对应的单桩的沉降为无穷大，而试验方法确定 的单桩极限承载力对应的沉降有一定的限制。可以通过一个实例来说明单桩极限 承载力的求解过程。 实例选用的上海市为采用沉降控制的复合桩基础设计方法而作的荷载试验 的一些数据。根据本工程场地的地基土层组成特点，采用的是2 0 c m x2 0 c m 的钢 筋混凝土预制桩，c 3 0 的混凝土，桩，k 1 6 m ，共进行过9 根单桩的静荷载试验和二 组单桩带承台板的荷载试验，选取一根单桩，单桩静载试验的实测数据如表3 1 ， 利用前面提到的计算单桩极限承载力方法，画出单桩的s 和s q 关系如图3 1 ，从 图1 可以看出单桩的最大承载力q 腑，为3 3 0 k n ，卜s 的双曲线表达式为q = 墓等。 但是3 3 0 k n 对应的沉降值很大，因此单桩的极限承载力不是3 3 0 k n ，考虑到单桩的 侧摩阻力在单桩的与土的相对沉降达5 l o m m 时就可以达到极限值，而发挥单桩 的最大桩端阻力需单桩的沉降约为5 d ，其中d 为圆桩的直径，如果为方桩可将 其折算为d 。因此s ：5 d ：0 0 5 、4 x 2 0 0 x 2 0 0 ：11 2 8 m 埘，如果取单桩的相对 y 石 沉降为1 0 脚的话，则单桩的沉降为1 1 2 8 + 1 0 = 2 1 2 8 m m ，代入双曲线表达式可得 到单桩极限承载力q u h ，q o ，。= 3 0 5 k n o 根据，卜海市地基基础设计规范1 4 2 8 确定 桩的极限承载力的方法和图3 2 该单桩的q _ s 曲线，得到的该单桩极限承载力 3 0 0 k n ，与求得的单桩极限承载力值相当接近。 表3 - 1 单桩静载试验实测数据 荷载( k n )o2 3 02 5 02 7 03 0 03 1 53 2 2 沉降( 坍肌)04 o6 o7 5l1 53 0 o4 0 0 第三章单桩承载力的确定 4 5 4 0 3 5 3 0 名2 5 皇 一2 0 1 5 l o 5 o 5 0 4 0 星3 0 逝2 0 蜉 1 0 o i j 。 “ 【。 一， ； l t ； ：! ；l! 。 ： j ：【 ， ：1 ：f 02 4 68l o1 21 4 s 0 * 1 0 0 图3 1 单桩s 和s 0 关系 ：， 厂 j 。r ，j j o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 荷载( k p a ) 图3 - 2 单桩实测的q s 曲线 3 3 根据单桩的工作状态计算单桩的承载力 单桩的工作状态与单桩桩顶所受荷载占单桩极限承载力的比值有直接关系， 根据不同的设计思想，r a n d o l p h 将单桩工作时划分为三个工作状态： ( 1 ) 用常规桩基设计方法设计的单桩，在建筑物的工作荷载的作用下桩顶 只承担一半的单桩极限承载力。在这种情况下，桩顼沉降与桩顶荷载值呈线性关 系，假设土为半无限的弹性体，应用m i n d l i n 解计算桩基的沉降。 ( 2 ) 桩与土发生比较明显的滑动，在国外被称为“c r e e pp i l e ”或“f l o a t i n g p il e ”。当桩处于这种工作状态时，单桩承担的荷载为单桩极限承载力的7 0 天津大学硕士学位论文 8 0 。此时桩的主要作用是减少桩基础的平均沉降或不均匀沉降。 ( 3 ) 桩与土发生明显的滑移，此时单桩的承载力被完全的发挥出来，单桩 上桩顶荷载已经达到桩的极限承载力，桩顶的平均沉降已经达到了单桩极限承载 力对应的沉降。 对于沉降控制的复合桩基，特别是在软土地区，桩与土将发生明显的滑移， 桩处于第三个工作状态。此时单桩的承载力被完全发挥出来，并且由于部分 荷载通过承台传递给承台下的土体，导致土体的应力增大，在一定程度上能够提 高单桩的极限承载力。 上海市地基基础设计规范规定沉降控制的复合桩基设计时单桩的承载力， 取计算出来的单桩极限承载力的标准值的小值然后乘以0 8 予以折减。虽然在规 范给出的实例中用该方法计算的单桩承载力来计算建筑物的沉降与实测符合。但 用规范中介绍的方法，单桩的承载力取值同给出的极限承载力，对基础布置1 5 2 根桩时的沉降作了计算，计算的结果如图3 - 4 。比较一下，可以发现计算的结果 有较大的误差。如果单桩的极限承载力取值为采用上面的方法计算出来的2 7 0 m ， 再用同样的方法计算，结果如图3 - 5 。计算得到的基础的沉降与实测的基础的平 均沉降比较接近。 8 0 0 7 0 0 6 0 0 ：5 0 0 昌 、。4 0 0 蕊3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 f o 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 桩数 图3 3 沉降控制复合桩基桩数与沉降关系曲线 第三章单桩承载力的确定 3 4 结论 8 0 0 7 0 0 6 0 0 名5 0 0 、。4 0 0 逝 蘑3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 名5 0 0 苣 、7 4 0 0 辫 爆3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 1ii i j 、 j 、j _ 、 桩数 图3 4 沉降控制复合桩基桩数与沉降关系曲线 i 、 譬 桩数 图3 5 沉降控制复合桩基桩数与沉降关系曲线 在软土地基上采用沉降控制的复合桩基础时，群桩的沉降是基础总沉降的一 部分。而单桩极限承载力直接影响着群桩的沉降。因此不能简单的将单桩的极限 承载力取为单桩承载力标准值乘以一个系数，应该根据建筑物的沉降控制要求、 单桩的几何尺寸和单桩的q s 曲线选择合适的值，这样估算出来的建筑物的沉降 才能比较准确。 天津大学硕士学位论文 第四章沉降控制复合桩基在工程上的应用 4 1 工程概况 欲设计某海上8 0 0 0 吨平台组块滑道，长3 0 0 m ，要求滑道板宽为1 0 m ，荷载 情况如下： 承建8 腿8 0 0 0 t 组块，每腿最大荷载1 3 0 0 t ，每侧滑道荷载最大值5 2 0 0 t ，码 头前沿1 5 m 范围内每腿荷载1 9 5 0 t 。其工程地质资料见表4 _ l 。 表4 - l 土的物理力学指标 参数 厚度 1 ， c( oe se中 土层 ( m ) ( k n m 3 )( k p 。)( )( k p 。) ( 。) 填土1 5 褐黄粉制粘土1 51 8 81 93 2 94 3 30 9 3 1 2 5 灰淤质粉制粘土4 01 7 594 6 82 71 2 91 5 - 3 灰淤质粘十 5 51 6 87 5 4 4 1 7 71 5 27 5 灰粘土夹砂1 51 8 0l l3 9 45 1 21 1 l1 2 灰粉砂2 41 8 653 1 86 6 l0 9 l2 5 本工程后2 8 5 m 分五段进行设计，则每一段的设计过程如下： 4 2 工程分析 由工程提出的地质资料看，本地区上主要为抗剪强度低、压缩性较高、渗透 性较小的淤泥、淤泥质土、冲填土及其它高压缩性土组成的软弱土。在这种软土 地基，卜建、构筑物设计时，沉降往往是基础设计中的一个主要问题。所以控制建 筑沉降、防止其开裂变得尤为重要。以往我们在处理这类地基时，最可靠的方法 通常是采用桩基础。目前我国地基基础设计规范和桩基技术规范，其设计理论大 多是建立在满足承载力的基础上的。桩基础一般由上部结构荷载来确定桩数和桩 长。那么，对于荷载作用不是很大，而采用天然地基沉降又过大的建筑，可以按 第四章沉降控制复合桩基在工程上的应用 沉降值的大小来选择桩数和桩长，沉降控制复合桩基是近年来e 海地区发展较快 的一种新型基础形式和地基处理技术它以变形控制的原则进行设计的桩基础， 也即在设计时由基础的地基沉降大小趋势来确定桩数和桩长。桩在基础中除承担 部分荷载外主要起减少和控制沉降的作用，桩可视为减少沉降的措施，或作为减 少沉降的构件来使用。这样可以充分利用和发挥桩对控制基础沉降的能力，桩可 按单桩极限承载力设计，使桩的承载能力得到充分的发挥。同时充分利用天然地 基的承载力，而不是象通常那样只考虑桩基础中桩承担上部荷载。在整个基础范 围内，上部荷载将被均匀的扩散到地基土内，基础桩群之间的桩群效应将变小， 使天然地基和桩基础都可尽量发挥作用，而常规没计由于桩数较多，一般都存在 桩群效应，限制了桩的承载力的发挥。 对常规桩基，在各工况下承载力满足时，最终计算沉降量验算通过即可。而 沉降控制复合桩基是按控制地基沉降的原则设计的桩基础，即在设计时由基础的 允许沉降控制值来确定桩数和桩长。在实际工程中设计采用桩基础的原因主要有 两个，一是因为地基承载力不够，需要采用桩将卜部结构荷载传到深层土或支撑 于坚硬持力层，二是因为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根据采用桩基的目的不同而分三种不同的 情况处理： 所有荷载由桩承担； 桩基础分担上部结构荷载，桩既要承担荷载同时也起到减少沉降变形的作 用； 桩用于减少或控制沉降，基础的承载力主要由基础板承担。 高层桩基础设计理论都是建立在满足承载力的基础卜的，即在桩基础设计时 均按上述第一种情况处理，完全由上部结构荷载来确定桩数和桩长。但在多层设 计时，对于由于沉降过大而设计采用桩基础的情况来说，采用这种传统的桩基础 设计方法是过于保守的，造成了过高的基础工程费用，并且在设计概念上也不甚 明确。沉降摔制复合桩基是以沉降控制为目的并在设计方法卜也有别