（岩土工程专业论文）桩土承台共同作用的试验研究和有限元分析.pdf

奎堕里三查堂堡主堡塞生兰垡笙塞兰! ! ! ! ! ； 桩一土一承台共同作用的试验研究和有限元分析 摘要 多年来，许多学者对于“桩与土的共同作用”做了一些尝 试，但是作为现场原位试验的情况就很少了。近年来随着城市 建设和工业建设的发展，大规模的群桩基础采用较多。掌握群 桩基础的工作性能，做到合理设计，具有现实的意义，大量的 模型试验和工程实测均表明，群桩基础的工作性状明显区别于 单桩，它受承台、桩、土相互作用的影响。 某电厂工程拟建新机组。根据初步设计，主厂房采用天然 地基难以实现。鉴于这样的情况，该工程选用钢筋混凝土预制 方桩，为柱一桩式群桩基础。为了节约工程造价和向设计提供 可靠的设计参数，揭示承台与桩、土的协同工作机理和获得桩 基设计的技术与经济分析资料，同时也为今后工程桩的优化设 计和施工提供依据，进行了这次现场群桩试验，用以丰富这方 面的研究工作。 本文通过安设测试仪器对四个承台下基土反力、桩侧阻力 等进行了测定。根据试验结果分析了承台、桩、土的相互作用 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 机理，对不同桩间距、不同桩数的承台下基土反力的分布，荷 载分担等进行了研究；并通过试验并联合著名有限元分析软件 a n s y s 对该工程的部分群桩基础在线性工作阶段的性状进行 科学的计算分析。在文章的最后得出了一些对工程设计和桩基 发展有价值的结论和建议。 主要结论是：在工作荷载条件下，a n s y s 有限元线弹 性模型是可以作为参考使用的，其计算沉降的结果满足工程要 求。承台底土反力基本呈现中间小、周围大的马鞍型分布。 桩间土是能够分担荷载的，从长期观测来看，其分担比例将 最终趋近于2 0 左右。基本均匀等长布桩，桩筏( 承台) 基 础桩项反力总表现为：角桩最大、边桩次之、中心桩最小。 通过对比小群桩承台和大群桩承台的沉降，可以看出后者的沉 降量要明显的小于前者，认为承台的面积是可以改善基础沉降 量的。 主要建议是：承台底土可以有效分担2 0 左右的上部结 构传递下来的竖向荷载。所以考虑电厂工程设计时，可以提高 群桩设计值，减少桩数，从而降低工程造价。考虑优化桩基 设计，可以调整桩的布置方式。推荐“外疏内密”( 外弱内强) 的优化理念。c 、d 承台的设计可能偏于保守了，可以适当 2 查墨星三查堂堡主婴塞皇堂垡丝壅 降低筏板厚度，减少桩量，同时在沉降要求不很严格的情况下， 适当考虑“外疏内密”的设计理念。 关键词：摩擦型群桩，承台，共同作用，荷载分担，有限元 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fc a p p i l e g r o u p s s o i li n t e r a c t i o na n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s a b s t r a c t m a n y s c h o l a r sh a ds o m ea t t e m p t sf o rt h ei n t e r a c t i o no f p i l e s o i l ，b u tt h ef i e l dt e s t so np i l eg r o u p sw i t hp r o t o t y p es i z ew e r e s e e ns e l d o m t h ep i l e g r o u p s f o u n d a t i o n sh a v eb e e na p p l i e d w i d e l y w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fu r b a n b u i l d i n g a n d i n d u s t r y c o n s t r u c t i o n s t h e r ea r ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e sf o r m a s t e r i n g t h e b e h a v i o ra n dt h ew o r k i n gp r o p e r t i e so ft h e c a p - p i l eg r o u p s s o i l i n t e r a c t i o n ，b e c a u s et h em o d e le x p e r i m e n t sa n dt h e e n g i n e e r i n g e x a m p l e si n d i c a t e daf a c t ：t h e r ea r ed i f f e r e n tw o r k i n gp r o p e r t i e s b e t w e e np i l e g r o u p sa n ds i n g l ep i l ef o rr e a s o n so ft h ep i l e s o i l i n t e r a c t i o n s o m e p o w e rp l a n te n g i n e e r i n gw i l lb ec o n s t r u c t e d ，b u t d 太原理工大学硕士研究生学位论文 a c c o r d i n gt ot h ep r e l i m i n a r yd e s i g n ，t h en a t u r a ls o i lc a n n o tm e e t t h en e e do f b e a r i n gc a p a c i t yf o rt h em a i nw o r k s h o pf o u n d a t i o n w ec o n d u c tt h ef i e l dt e s t so n p i l eg r o u p sw i t hp r o t o t y p es i z e ，i n o r d e rt os a v et h ee n g i n e e r i n gc o s t s ，p r o v i d et h er e l i a b l e d e s i g n p a r a m e t e r t od e s i g n ，s h o w u pt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo f c a p - p i l e g r o u p s s o i li n t e r a c t i o n ，e n r i c ht h er e s e a r c hw o r ko f t h i sa s p e c t i nt h ea r t i c l e ，t h es o i lr e a c t i o nu n d e rt h ec a p ，t h es h a f t r e s i s t a n c e sh a v eb e e nm e a s u r e db yi n s t a l l i n gv a r i o u sm e a s u r i n g g a u g e s b a s e d t h et e s tr e s u l t s ，t h ec a p - p i l eg r o u p s - s o i li n t e r a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c sw e r e a n a l y z e d ；1 1 1t h es a m et i m e ，t h er e g u l a t i o n so f t h es o i lr e a c t i o nb e l o wt h e c a p ，t h e s h a f tr e s i s t a n c e sa n dt h e p r o p o r t i o no fl o a dc a r d e db yp i l ea n ds o i le t c a l s oh a v eb e e n a n a l y z e d , a n dt h er e s u l t sw i t ht h ed i f f e r e n tp i l es e p a r a t i o na n dt h e d i f f e r e n tp i l eq u a n t i t yh a v eb e e n c o m p a r e d t h el i n e a ra n a l y s i so f f i n i t ee l e m e n th a sb e e nd o n e t h r o u g hu s i n ga n s y s f i n a l l y , b a s e dt h et e s t i n ga n da n a l y t i cr e s u l t s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s a r ed r a w no u t o nt h ec o n d i t i o n so fw o r k i n gl o a d ，t h ea n s y s s l i n e a rm o d e l m a y b eu s e da n di t sr e s u l t s c a n s a t i s f y t h e 5 蔓里墨三查堂堡主型壅竺堂壁笙塞 e n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t ( 雹) u n d e r t h ec a p ，t h es o i lr e a c t i o ni nt h e m i d d l ep a r t i ss m a l l e rt h a n t h a ti nt h es u r r o u n d i n gp a r t i t s d i s t r i b u t i v es h a p eo f s t r e s si sas a d d l em o u l d t h ep r o p o r t i o n o f l o a dc a r r i e db yt h es o i lu n d e r t h ec a pi sa b o u t2 0 f r o ml o n g - t e r m o b s e r v a t i o n s i ft h ed i s t r i b u t i o no fp i l eg r o u p sa r eu n i f o r m ，t h e d i l er e s i s t a n c e ss h o ws u c hp r o p e r t i e st h a tt h er e s i s t a n c e f o rt h e 。 c o m e rp i l ei st h eb i g g e s ta n do n ei nt h ec e n t e ri st h es m a l l e s t t h es e t t l e m e n to f t h el a r g ep i l eg r o u p s - c a pf o u n d a t i o ni ss m a l l e r b yc o n t r a s tw i t ht h es m a l lc a p t h ec a pa r e ac a ni m p r o v et h e s e t t l e m e n to f t h e p i l eg r o u p s f o u n d a t i o n s t h ef o l l o w i n gs u g g e s t i o n sa r eg i v e ni nt h i sa r t i c l e ：( 1 ) b e c a u s et h ep r o p o r t i o no f l o a dc a r r i e db yt h es o i li sa b o u t2 0 ， t h ed e s i g n e rc a nr a i s ed e s i g n v a l u eo f p i l e b e a r i n gc a p a c i t y , r e d u c e p i l eq u a n t i t y , t h u ss a v et h ee n g i n e e r i n gc o s t s t h ed e s i g n e rm a y a d j u s t t h ea r r a n g e m e n to f p i l ei no r d e r t oo p t i m i z et h ep i l ed e s i g n t h e r e c o m m e n d a t o r y i d e ai s o u t s i d ed i s p e r s e d i n s i d e c l o s e d ”( o u t s i d ew e a ki n s i d es t r o n g ) t l l ed e s i g no f c a pc a n d c a pd a r ec o n s e r v a t i v e ，s ot h ed e s i g n e rc a ns u i t a b l yr e d u c er a f t b o a r dt h i c k n e s s t h ed e s i g n e ro u g h tt ot h i n ka b o u tt h ei d e a o f r 太原理工大学硕士研究生学位论文 d o s i ”，w h e nt h er e q u i r e m e n t o fs e t t l e m e n ti sn o tt o os t r i c t k e yw o r d s ：f r i c t i o n p i l eg r o u p s ，c a p ，i n t e r a c t i o n ，f i n i t e e l e m e n t ，p r o p o r t i o no f l o a dc a r r i e d 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 、桩基础的发展历史 第一章、前言 桩基技术的发展有着悠久的历史，正如文献l l l j 所指出的：在人类有 历史记载以前，就已经在地基土条件不利的河谷以及洪积地区采用了这 种基础工程的方法，在许多不同时期的初期，都可以找到桩基的房屋。 我国最早的桩基础距今已有7 0 0 0 多年，根据历史文物遗址的挖掘显示， 我国历史上最早的桩是在浙江省宁波市附近的河姆渡，作为古代杆阑式 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。匾木桩直径一般在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【1 2 】。 桩基的使用经历了漫长的历史时代，但在水泥未问世以前，实际上 能利用的桩型只是由天然材料做成的桩体，如木桩和石桩。特别是木桩， 我国迄今仍在个别地区使用着。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，于是就出现了混凝土桩和 钢筋混凝士桩。但在初期阶段，由于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，所以那时的钢筋混凝土桩，无 论从桩型和桩基础施工技术来看，都还是比较“低档”的。只是在2 0 世 纪2 0 年代特别是第二次世界大战以后，桩基的理论和技术才有了更大的 发展，桩的应用范围也不断扩大，出现了形形色色、花样繁多的桩型， 例如预应力钢筋混凝土桩、高强度钢筋混凝土桩以及钢桩等。桩基从古 老的，简陋的形式发展成为现代化桩基的各种不同体系过程中，桩的形 式、规格、和工作机理都有了质的变化。 桩基技术进入现代化以来，有了很大的发展，具体表现在如下的几 个方面： 单桩设计承载力越来越大，达到了以“万牛顿”为单位的水平， 为了满足设计承载力的要求，设计者不得不从诸如桩身材料优选、加大 桩身截面、最大限度的提高桩身混凝土的强度，寻求新的有效的沉桩工 艺、对持力层进行加固等等途径来着手，于是出现了各种系列的新 型的改良桩型。 桩基的设计理论由于吸收了其他学科的先进科研成果，取得了非 常迅速和深刻的发展，电子计算机和数值方法计算的卓越成就、高分子 化学的成就特别是岩土力学领域的大量研究成果，给桩基科学注入了新 太原理工大学硕士研究生学位论文 的养料，建立和形成了许多新的概念和理论、古老的桩基技术脱胎换骨 出现在现代化的舞台上。复合地基理论、疏桩理论、桩基与上层建筑协 调工作理论、打桩动力学、桩的水平抗力以及抗震理论、桩基无损检测 理论、桩基环境效应理论等等相继问世并向完善的目标发展。 由于在城市地区兴建高层建筑的需要，沉桩的环境效应的消减问 题受到了充分的重视，并从理论上和工艺上进行了研究，提出了一系列 计算方法和控制措施。 桩基施工涉及各式各样的桩和复杂多变的工程地质和水文地质 条件，随着工程技术的不断发展，桩工机械也趋于专门化和复杂化，桩 机新产品、施工工艺和用途范围也在不断的发展着。桩基本身的特点导 致桩工机械构造比较复杂、多品种、多规格型号、专门性较强而又生产 批量不大。尽管如此，桩工机械行业仍然发展很快，桩工机械行业通过 横向联合、发挥群众优势，能够成套开发桩工机械的新产品。同时，桩 工机械工业的制造质量、可靠性、和使用寿命有了明显的提高【1 3 】。 2 、预制桩的介绍及其发展 ( 1 ) 预制桩的介绍i l 州 按桩的施工方法，桩分为“预制桩”和“灌注桩”两类。预制桩是 在工厂或施工现场制成的各种材料和形式的桩( 如木桩、钢筋混凝土方 桩、预应力钢筋混凝土管桩、钢管或型钢的钢桩等) ，而后用沉桩设备将 桩打入、压入、旋入或振入( 有时还兼用高压水冲) 土中。 钢筋混凝土预制桩能承受较大的荷载，而且坚固耐久，施工速度快， 但对于周围环境影响较大，是我国广泛应用的桩型之一。常用的为钢筋 混凝土方形实心断面桩和圆柱体空心断面桩，而预应力混凝土桩也正推 广使用。钢筋混凝土方桩的断面尺寸，多为2 5 0 m m 5 5 0 m m 。 钢筋混凝土预制桩多数是在打桩现场或就近地点预制。为节省场地， 现场预制桩多用叠浇法制作，重叠层数取决于地面允许荷载和施工条件， 一般不宜超过四层。场地应平整、坚实、不得产生不均匀沉降。桩与桩 间应做好隔离层，桩与邻桩、底模问的接触面不得发生黏结。上层桩或 邻桩的浇筑，必须在下层桩或邻桩的混凝土达到设计强度的3 0 以后， 方可进行。预制桩的混凝土浇筑，应由桩顶向桩尖连续进行，严禁中断。 锤击的预制桩的粗骨料的粒径宜为5 m m 4 0 m m 。当桩的混凝土的强度达 到设计强度的7 5 方可起吊。如果提前吊，必须采取措施并经验算合格 才可以。桩在起吊和搬运时，必须平稳，并且不得破坏。吊点应该符合 设计的要求。 钢筋混凝土预制桩的沉桩方法有锤击法、静力压桩法、振动法、水 冲法等等。锤击法是利用桩锤的冲击克服土对桩的阻力，使桩沉到预定 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 深度或达到持力层，它是最常用的一种沉桩方法。 ( 2 ) 预制桩的应用和发展l l 。j 普通钢筋混凝土方桩即非预应力钢筋混凝土方桩，我国自2 0 世纪 5 0 6 0 年代起在上海、天津、北京、广州等地方应用较多。常用的截面 边长有3 0 0 m m 、3 5 0 m 、4 0 0 m m 、4 5 0 m m 、5 0 0 m e 、5 5 0 m m 最大达6 0 0 r i o n 。桩 身混凝土的等级为c 3 0 c 4 0 。1 9 6 6 年，当时我国最大的大厦一2 7 层的 广州某宾馆，就采用了边长为5 0 0 m m 和5 5 0 m m 两种规格的预制方桩，用 l o t 蒸汽锤施打，桩尖进入强风化的岩层，设计承载力不超过1 5 0 0 k n 。 随着改革的开放，预制方桩与其他桩型一样，应用数量增加，而且柴油 锤从小型向中型、重型发展，桩身混凝土的等级也提高到了c 4 0 c 6 0 ， 同时，单桩的设计承载力有很大的提高。 近几年来采用全液压式静力压桩机施压的预制桩工程曰益增多，并 且大吨位的压桩机的横向夹持机构夹空心的预制方桩比夹空心的管桩， 其夹持效果要好。 截面边长2 0 0 m m 和2 5 0 m m 的预制方桩，2 0 世纪8 0 年代多用于新旧 建筑物的地基加固和基础托换。在小型静力压桩机未大量推广使用时， 有些多层房屋的基础就是采用承台锚杆加反力架施压小截面预制方桩来 完成。不过，这种施工方法与常规的先压桩后建承台的做法不同，而是 先做好承台基础，承台上按设计留有压桩孔，压桩孔旁边对称的埋设锚 杆，然后直接建造上部结构，一般先建好- 三层楼，当上部结构荷载足 够大时，再利用承台上预埋的锚杆作反力，通过与连接的门式反力架用 千斤顶将每节约长2 m 的小截面预制方桩逐节压入承台下的地基土中，桩 的接长一般采用硫磺胶泥锚固法，当压桩力或桩长达到设计要求时停止 施压，尔后用微膨胀混凝土将压桩孔中的间隙填满，使预制方桩与承台 成为一个整体，等整个工程中的桩基全部压完后，就可以再继续将未完 成的上部结构施工完毕，预制桩也开始发挥它的承载作用。这是一种先 建部分上部结构后施工桩基的半逆作施工方法，是从基础加固和基础托 换的启示中延伸出来的。 进入2 0 世纪9 0 年代。我国小城镇以及农村大量兴建3 - - 5 层独立式 住宅楼或别墅。这些住宅或别墅的基础在软土地区需采用小直径桩。预 制桩又有了新的空间。 3 、高层建筑与地基基础共同作用发展概论 高层建筑是随着社会经济发展与技术进步而发展起来。近年来，我 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 国工程技术人员成功地解决了广大地域内各种地质条件下高层建筑基础 工程的设计与施工问题，积累了丰富的经验，使得高层建筑逐渐增多。 高层建筑设计和施工的需要，推动着高层建筑分析设计理论的发展。 高层建筑基础分析与设计方法大体经历了四个发展阶段：简易的共同作 用阶段；不考虑共同作用的阶段；仅考虑地基与基础的共同作用阶段以 及全面考虑上部结构与地基基础共同作用的阶段。该发展过程是与生产 的发展和技术的进步，特别是与计算手段突飞猛进而密切相关的。 第一阶段。早在3 0 年代，对于桩筏或桩箱基础设计，人们己认识到 基底土可以参与承受部分建筑物荷载，采用简易实用的共同作用理论， 即在基础底面的有效面积( 总面积减去桩的面积) 范围内的土，用“老 八吨( 8 0 k n m 2 ) ”的承载力来承担部分的建筑物的总荷载，而建筑物余 下的荷载则由桩来承担。可以这样说，采用这种简易实用的共同作用的 方法进行设计的高层建筑是成功的，甚至有些还是保守的。 第= 阶段。在新中国成立后，可惜未能发展桩筏或桩箱基础的简易 实用的共同作用理论的设计方法，而主要采用结构力学的方法，将整个 静力平衡体系分割成三个部分，每个都分独立求解。对桩筏或桩箱基础， 建筑物的总荷载全部由群桩来承担。这种方法只满足总荷载与总反力的 静力平衡条件，却完全未能考虑上部结构与基础之间连接点与土介质之 间的接触点的内力与变形均与实际情况不相一致。不过，在以手算为主 要手段的时期，采用这样简化的分析方法也是很自然的事。 第三阶段。为了力求克服上述方法的缺点而又受到计算条件的限制， 仅考虑基础与地基上之间位移连续与协调，进行共同作用分析，上部结 构仍然作为独立结构分析。由此发展起来的是弹塑性地基上梁和板的理 论，后来又进一步发展到筏基的分析和箱形基础的计算理论。随着高层 建筑的发展，基础形式也变得更加丰富多样，桩基础同其它基础形式联 合，形成桩梁、桩筏、桩箱等复杂的基础形式，而且往往桩的长度大， 数量多。因此，即使没有考虑上部结构参与共同作用，分析工作已相当 繁冗，手算只能作粗略的估计，精确计算有赖计算机才能胜任。 第四阶段。从7 0 年代开始。伴随着结构分析的有限元法( 特别是子 结构分析技术) 的进展和计算手段的极大改善，力求从理论上回答实践 中提出的各种问题的最佳方法就是统一考虑上部结构，基础和地基的共 同作用。这种分析方法是以离散形式的特征函数地基刚度矩阵表征地 基土的剐度贡献，运用空间子结构方法，将上部结构的刚度与荷载逐层 向下凝聚到基础子结构的上部边界，形成全部上部结构的等效边界刚度 矩阵和等效边界荷载向量，将它们叠加到基础子结构上去，并根据基础 与地基接触点的基本方程，求解方程后得到基础子结构的节点位移，再 从下向上进行子结构回代，即可得到上部结构各节点的位移，从而进一 步给出所需节点的内力。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 、桩基础技术面临的挑战叫】，【1 7 】 尽管如上所述，桩基技术在进入现代化阶段以后获得了迅猛的发展， 但也应当指出，就我国桩基工程的现状来看，它也面临着来自几个方面 的挑战： 由于竞争机制的引入，业主对桩基工程的造价、工程进度和工 程质量的要求也越来越高，使得桩基技术也越来越显得重要，而对于他 的要求也近乎于苛刻的程度。众所周知，事实上不可能有一种万能桩型。 不同的结构和地质条件要求不同的桩型，但同一工程却也可能有几种桩 型可以采用，那就看谁的承载力大、工期短、造价低了，为了击败对手， 取得工程的承包权，施工单位必须尽力改进技术，推出新的桩型和工艺， 因为正如著名的法国细菌学家尼科尔说的：“机遇只垂青那些懂得怎样追 求她的人”。而且，挑战还来自于桩工行业之外，对于同一个工程，往往 足以与桩基抗衡的还有其他的基础形式或工艺，在有些情况下，它们甚 至还占有某种优势。 桩基技术面临的挑战来自工程建设迅速发展的迫人的形势。建 筑工程的规模和难度越来越大，对减小环境不良效应的要求更高，而且 大多数地质条件恶劣，桩基设计人员往往可能面对这样一种情况：现有 的各种桩型似乎没有一种适合当前的情况，所以或者放弃采用桩基，或 者推陈出新，提出新奇的设想并战胜自己最初的抗拒心理而勇敢付之实 施。 综上所述，桩基技术从古老的初期阶段发展到现代化阶段经历了漫 长的过程，取得了今天的高速发展，但在它发展的同时也面临着严峻的 挑战和开始出现许多无法回避的矛盾。 5 、我国基础工程发展【1 8 】 发达国家基础工程技术的主要特点是注重提高工效；施工机械趋于 大型化，自动化：注意环境保护，避免污染；广泛使用电子计算机，实 现信息化施工和资料积累，推行反分析，不断提高设计、施工质量；结 合我国国情，发展基础工程技术应做好以下几项工作。 重视土的工程性质和测试技术的研究 应该根据工程的性质和特点，提供符合土体实际工作性状的计算参 数、如深埋高层建筑地基土经历卸载和加载的变化，其变形参数应反映 这种变化，以计算地基的回弹再压缩以及附加应力下的沉降。深基坑支 护稳定分析所需的抗剪强度参数应能反映土体的应力状态和排水固结状 态。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 应研究复合地基承载力和变形参数的检测方法。目前的单桩和复合 地基静载试验虽不可替代，但是深层检测技术有待开发。 对于基坑支护的监测，目前多数工程局限于坑顶水平位移观测，应 重视测斜仪观测和土压力测试，以发展基坑支护受力与变形的反分析， 改进计算模式。 关于地基土的应力应变关系的实用本构模型的研究，随着地基基础 数值分析的发展，愈显重要。应研究简化的弹塑性和粘弹塑性的实用本 构模型。 完善现有地基处理技术，开发地基处理新技术，新工艺。 开发行之有效的地基处理方法及与之相配套的施工机具，提高工效 和质量可靠性，应针对地基土特性、建筑物类型与荷载，尽量利用工业 废料和地方材料形成低成本，高质量，系列化的地基处理技术。 对于开山填谷、围海造地，应超前策划，采用预压、强夯等低成本 方法先行处理，以满足市政设施和多层房屋对地基的基本要求。 以灌注桩为重点，发展成桩新工艺，新设备，实现配套化。 为适应控制环境污染和高承载力要求应大力发展灌注桩新工艺、新 设备，形成适用于不同地层、不同承载力、不同直径和长度的系列化成 桩工艺与设备。 对于中小直径( d 6 0 0 m m ) ，长度在2 5 m 以内的灌注桩，应着重 于完善夯扩桩和长螺旋干作业钻孔桩，积极开发长螺旋压灌桩成套技术。 对于大直径长灌注桩，宜以泥浆护壁回旋钻为主导，发展成桩与后 压浆配套技术，开发泥浆分离与循环利用技术。 对于大直径中长灌注桩，宜开发旋挖成孑l 、液压挤扩和钻扩成孔技 术。 适应不同地质、水文、环境条件，完善开发基坑支护技术。 对于低水位非软土场地应重点发展喷锚、土钉和逆作拱墙支护。 对于高水位非软土场地应视基坑深浅，发展排桩与截水结合的悬臂、 桩锚复合支护体系。排桩应注重开发泥浆护壁和水泥浆护壁的长螺旋成 桩法。水泥土桩隔水方面，应开发长螺旋压灌水泥粘土混合浆液成桩法， 改进旋喷技术。 对于软土地区，以桩撑复合支护体系为主，注重开发地下连续墙技 术，发展支护与外墙结合及逆作法配套技术。 研究设计理论与计算方法，把我国地基基础的设计提高到国际 先进水平。 发展地基基础变形计算的理论与方法，注重计算参数、计算模型的 可行性与合理性，继续研究地基、基础与上部结构相互作用及其计算方 法，发展变形控制设计理论与方法。 上部结构的荷载完全由桩承担的时代即将过去；桩基按变形设计将 被人们广泛应用；复合桩基理论与设计方法必将走上一个新的台阶。研 6 基的性状，改进复合地基承载力和变形计算a 研究各种土质中各类支护结构的土压力及支护体系的变形与破坏机 理，改进支护设计方法。 注重工程观测数据的系统积累，发展反分析，不断改进设计计算理 论与方法。 扩大电子计算机在基础工程中的应用，开发基础工程的系列c a d 软 件，提高设计水平与效率。 6 、桩基础变开参控制设计的展望 复合桩基( 减少沉降桩基础) 在上海、杭州、天津、福州、汕头等 沿海软土地区已得到较广泛的应用，但是由于地基土的极其复杂性，至 目前为止，仍然有许多问题没有弄清楚。文献 1 9 指出对这一课题需要 在以下几个方面进一步开展研究： 研究较为严密、合理和实用的桩基础非线性分析方法。桩基础的 变形与受力工作机理严格说来是非线性的，尤其对于按沉降控制设计的 桩基础来说，设计时将允许部分或全部桩达到一定程度的非线性状态， 因此开展桩基础的非线性研究无论在理论还是在实践上都有重大的意 义，桩基础的非线性分析研究成果将直接影响到沉降控制设计思想在高 层建筑桩基础中的工程应用。 研究并制定桩基础的沉降控制标准以及对上部结构的影响。对于 不同沉降要求的建筑物基础应该可以采用不同变形状态下的桩基，这也 是未来以沉降控制为基础的桩基设计理论体系的基本要求。 研究并发展在较为正确的桩基础分析理论基础上的优化设计方 法。 对桩基础进行全过程的分析计算，这其中包括能够对自打桩开始 到建筑物竣工为止所有的施工阶段进行计算分析，对建筑物竣工后桩基 础的工作状态做出预测，建立起与时间有关( 即固结与流变) 的桩基础 分析理论。 研究并建立起桩基础与相邻建筑物及周围环境相互作用的理论。 研究并建立起能反映实际的桩基础的极限承载力理论，并得出桩 基础的整体安全性与用桩数量的关系。 加强群桩及桩筏基础的试验( 包括实际桩基工程的现场试验和室 内模型试验) 的研究工作。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 、本文研究的意义 如前文所论述的一样，“上部结构的荷载完全由桩承担的时代即将过 去：桩基按变形设计将被人们广泛应用；复合桩基理论与设计方法必将走 上一个新的台阶。” 多年来，许多学者对于“桩与土的共同作用”做了一些尝试，但是 作为原型试验的情况就很少了。近年来随着城市建设和工业建设的发展， 大规模的群桩基础采用较多。掌握群桩基础的工作性能，做到合理设计， 具有现实的意义，大量的模型试验和工程实测均表明，群桩基础的工作 性状明显区别于单桩，它受承台、桩、土相互作用的影响。在一定的条 件下，群桩的承载力将高于单桩的承载力的总和。利用传统的群桩设计 方法已不能满足现实的需要。 某电厂i 期扩建工程拟建新机组。根据初步设计，主厂房采用天然 地基难以实现。鉴于这样的情况，该工程选用钢筋混凝土预制方桩，为 柱一桩式群桩基础。电厂i i 期工程运行后的沉降观测结果表明：桩基实际 观测沉降仅为计算值的1 5 9 ，预计最终沉降为计算沉降的3 5 t 11 0 】。这 从客观上反映了在该场地条件下承台、土与群桩有协同工作分担荷载的 能力。为了节约工程造价和向设计提供可靠的设计参数，揭示承台与桩 土的协同工作机理和获得桩基设计的技术与经济分析资料，同时也为了 今后工程桩的优化设计和施工提供依据，进行了这次实体群桩实验，用 以丰富这方面的研究工作。 本文希望通过试验并联合著名有限元分析软件a n s y s 对该工程的群 桩基础在线性工作阶段的性状进行科学的分析，同时得出一些有价值的 结论。 参考文献： 【1 1 】w i n t e r o nh e & f a n gh s a i y a n gf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n gh a n d b o o k ， v a nn o s t r a n dr e i n h o l dc o m p a n y , 19 7 5 【1 2 】顾晓章，桩的起源初探，浙江省文物管理委员会，见：黄熙龄中国 建筑学会地基基础学术委员会1 9 9 2 年论文集。太原：山西高校联合出版 社，1 9 9 2 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 【1 3 】史佩栋，梁晋渝，纪念大直径灌注桩问世1 0 0 周年( 1 8 9 3 1 9 9 3 ) ， 见：高层建筑的岩土工程问题学术讨论会论文集，1 9 9 4 1 0 ，乌鲁木齐： 浙江大学出版社 1 1 4 】赵志缙，应惠清，建筑施工，上海，同济大学出版社，1 9 9 8 6 1 1 5 l 蔡跃，高层建筑桩筏基础与湿陷性黄土共同作用的实验研究及理 论分析，西安建筑科技大学硕士学位论文 【1 6 】王红兵，大直径嵌岩灌注桩传力规律以及承载力的研究，2 0 0 1 4 ， 太原理工大学在职人员以同等学历申请硕士学位论文 【1 7 】史佩栋，实用桩基工程手册，1 9 9 9 5 ，北京，中国建筑工业出版社 【1 8 】刘金砺，我国建筑基础工程技术的现状和发展述评，建筑技术，第 2 8 卷第7 期，1 9 9 7 【1 9 j 杨敏，艾智勇，桩土相互作用理论与按沉降控制设计桩基础的工程 实践，见：陆培炎，史永胜主编，岩土力学数值分析与解析方法，广东： 广东科技出版社，1 9 9 8 【1 1 0 】吴耀祖，徐永贵，漳泽电厂期扩建试桩大纲。1 9 9 6 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章、桩一土一共同作用的论述 1 、桩土共同作用的研究现状和存在问题 桩土相互作用问题的研究，迄今已有1 0 0 余年的历史，取得不少进 展。目前，桩土相互作用理论分析方法主要有：荷载传递法、弹性理论 法、剪切位移法、有限单元法、边界单元法以及混合法等等。荷载传递 法 2 2 1 认为任何一点的位移只与该点的剪应力有关，忽略了桩周土的应力 场效应，也无法反映软弱下卧层的影响。潘时生( 1 9 9 1 ) 提出了用分层 位移叠代法求解单桩，并推广到群桩分析中去，有效改善了该法不同的 传递函数对应的临界位移相差大的问题。陈如桂【23 】建立了单桩荷载传递 的弹塑性桩土体系的理论，并开发出可供工程应用的实用方法。弹性理 论法1 2 4 利用半无限弹性体中集中力下的m i n d l i n 解给出桩身竖向变形， 这与实际地基土的成层性差别较大。为此，t a 等懈层状弹性体的分析 理论引入到桩基础的分析中；费勤发【2 脚等将弹性理论解与分层总和法相 结合，以考虑成层土的情况。剪切位移法【2 7 懈设桩产生竖向位移时，桩 侧摩阻力通过环形单元向四周传递，桩侧周围土体的变形可视为同心的 圆柱体，适用性较强。杨嵘昌【2 8 】等进一步将剪切位移法推广到塑性阶段， 并且用于桩一土一承台的非线性共同作用分析。有人在剪切位移的基础 上，给出了层状土中轴向受荷的桩土相互作用的问题分析方法【2 。，对于 解决一般地基土的桩土相互作用问题较为有效。杨敏等【2 1 0 】提出按沉降控 制设计桩基础的方法，是桩土相互作用的进一步发展。董建国等【2 1 1 】贝0 对 桩土相互作用的计算机理进行了系统的研究。有限单元法是目前一种应 用较为普遍的数值方法，但是由于在计算时，所取用的参数多，计算量 大，较复杂等原因，目前用于研究目的的分析居多。o t t a v i a n i 2 1 2 】曾经采 用8 节点立方体单元对3 3 和5 x5 的群桩做了三维线弹性分析。 c h o w t 2 1 3 l 采用离散桩身单元，使用叠代求解，对桩基沉降性状、土模量 随深度变化、土体的各向异性等问题进行了分析。此外还有边界单元法 和混合法等等。 上部荷载通过承台使桩沉降的同时，也使承台底土层受到压缩，这 样，承台便同时受到桩和桩间土的抗力。但是，“桩土共同作用”形成的 总极限承载力，并非各自极限承载力简单的相加，而是受到变位( 沉降) 协调条件的制约。 当桩底持力层为可压缩性土层时，随着每根桩的竖向荷载的增加， 桩的沉降量也在增加。而在同等的单桩荷载和桩顶沉降量下，承台底士 的压缩性越小，其分担的反力就越大；反之，压缩性越大，反力越小。 】0 太原理工大学硕士研咒生学位论文 特别是当桩间具有欠固结的软弱土层时，土的反力更小，甚至因软土的 逐渐固结而使上部土层的下沉量超过桩顶的沉降量，承台与土脱离，全 部荷载转移到桩上去。可见，桩和土的反力分配比例，取决于竖向刚度 的大小。 现行的桩基规范“5 g j 9 4 9 4 ”第5 2 2 2 条对此这样规定：“对于桩 数超过3 根的非端承桩复合桩基，宜考虑桩群、土、承台的相互作用效 应”，复合桩基竖向承载力设计值按规范公式( 5 2 2 = 3 ) 至公式( 5 2 2 - 5 ) 计算。其中，桩侧阻、桩端阻群桩效应系数n 。、n 。、n 。和承台底土的 阻力的群桩效应系数r l 。分别由规范表5 2 3 1 及表5 2 3 2 给出。从中 可以看出，土阻力效应系数n 。恒小于1 ；特别是当桩距较小( s = 3 d ) 、 承台宽度和桩长之比b c l o 2 ，或承台下存在高压缩性的软弱土层时， 承台内区的土阻力群桩效应系数r l 。仅为o 1 1 ，也就是说，这时承台内区 的土的承载力只能发挥到1 l ，规范还规定“当承台底面以下存在可液 化土、湿陷性黄土、高灵敏度软土、欠固结土、新填土或者出现震陷、 降水、沉桩过程产生高孔隙水压和土体隆起时，不考虑承台效应，即 i 1e = o ”。有的工程设计者不加分析，一律按“桩基承担7 0 ，承台底土 负担3 0 ”的比例分配上部荷载，并按各自承载力设计值确定桩数和承 台底面积，显然是不妥的。 另外，还应该注意到，规范给出的群桩效应系数，包括承台土阻力 群桩效应系数r l 。，都是以单一土层( 粉土、软土或粉质黏土) 中的模型 群桩试验为依据确定的( 参看规范条文说明) 。当场地下面各土层性质悬 殊，或桩端持力层层顶标高变化较大时，应具体分析，慎重应用。 也有工程设计人员认为，上部荷载首先传给桩，直到桩的极限承载 力充分发挥，桩身持续下沉时，承台底的土抗力才能逐渐发挥作用，最 终，两者的极限承载力都可以得到充分发挥，因而不必拘泥于规范。这 种观点似乎也有一定的道理，其实不然。因为一般建筑物所能允许的沉 降量和沉降差是很有限的，当存在高压缩性土层时，难以满足发挥土抗 力所需沉降；再则因桩的沉降，承台底的桩侧土发生剪切变形，它对承 台底土的阻力低于天然地基的基底土阻力，尤其当柱距较小时，影响更 加突出。因此，只有某些特定的工程( 例如其有较大的整体刚度、荷载 均匀，且对沉降不敏感的建筑物) 下，才可能像上述那样充分发挥桩与 土的极限承载力，否则是不可能的。 2 、承台承担上部垂直荷载的份额口 】 关于承台承担上部垂直荷载份额的问题，国内外都做了许多的试验 研究。甚至有的从经验上给出了分配比例：如上海的经验认为，把天然 地基的容许承载力作为承台底面的抗力，其余部分由桩承担。或者按照 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 摩擦桩基的沉降不超过允许值的原则来确定承台承担上部垂直荷载的份 额。而波兰的j p a l r a 将承台与桩按4 ：6 的比例分担上部垂直荷载，但 这些经验在定量分析工程问题和指导实际工程设计方面，并不具有普遍 性和适用性。 另一类是通过一定的基本假定，分析研究后得出的承台上部垂直荷 载份额的理论计算公式。如应用弹性理论等得出的承台上部垂直荷载的 份额公式为： 州蜘2 试面而嚣币面刈0 0 ”( 2 - 1 ) 式中：f l ，f 2 ，f 3 为低桩基的分部荷载传递系数。l ，l2 为修正系 数，显然此公式涉及到的因素较多。 另外根据变形协调法，假定桩顶的沉降量与其承台下地基土的变形 相等而得出的承台下地基土平均反力为： 仃，；笔一( 2 - 2 ) 。4 + 象以 式中：p 为上部垂直总荷载( t ) ；a c 为承台板净面积( m 2 ) ：a p 为 桩身横断面积( m 2 ) ；k p 为桩基刚度系数( t m 3 ) ：k c 为地基刚度系数 ( t m 3 ) 。 应用公式( 2 2 ) 式可以较为简便的求出承台承担上部垂直荷载的份 额。桩基刚度系数k ，和地基刚度系数k 。要分别根据单桩静载荷试验及地 基荷载板