（岩土工程专业论文）沉降控制复合桩基特性及设计研究.pdf

摘要 沉降控制复合桩基特性及设计研究 专业：岩土工程 硕士生：杨钰 导师：薛国亚王传甲 学校：东南大学 摘要 复合桩基是由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基。它是从桩土共同作用出发，充分利用承 台( 筏板) 底土反力的作用，按照大桩距( 一般在5 6 倍桩径以上) 疏桩布置的摩擦群桩或者端承 作用较小的端承摩擦桩与承台共同承载的基础形式。由于它是在充分利用天然地基或人工地基承载 力的基础上补充桩基的基础形式，其沉降量小于按照天然地基设计的沉降值，但大于按照桩基设计 的沉降量，桩基在复合桩基中的作用可视为控制建筑结构的沉降，即在天然地基或人工地基基本满 足建筑荷载的情况下，用少数几根桩来减少建筑物的总沉降量或减少差异沉降。 本文的主要研究内容及成果如下： ( 1 ) 概述了沉降控制复合桩基的适用范围、受力特征和设计机理，介绍了目前具有代表性的复 合桩基沉降计算方法。 ( 2 ) 运用有限元软件对沉降控制复合桩基进行数值分析，得到了一些对工程设计有指导作用的 结论。 ( 3 ) 通过对合肥某住宅小区9 号楼的工程试验，根据沉降量、筏板和承台内钢筋应力、筏板和 承台下土体反力及桩基反力几个方面的测试数据，分析了复合桩基的受力性质以及设计上有待修改 的不足之处。 ( 4 ) 对测试数据和有限元计算模型的结果做了比较，从中找到相对应的一些规律。同时证明有 限元分析可以作为沉降控制复合桩基的辅助设计手段。 本文的特色工作在于通过沉降控制复合桩基的现场试验数据与有限元计算结果对比分析，提 出了一些对复合桩基设计有工程指导意义的结论。 关键词：沉降控制复合桩基；沉降量；差异沉降；有限元分析；现场试验 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d d e s i g nr e s e a r c ho nc o n t r o l l e d s e t t l e m e n t c o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o n s p e c i a l i t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：y a n gy u s u p e r v i s o r s ：x u eg u o y a ；w a n gc h u a n j i a a b s t r a c t c o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o ni s af o u n d a t i o nu s i n gp i l e sa n ds o i lu n d e rt h eb e a r i n gp l a t f o r mt o u n d e r t a k el o a d i n gt o g e t h e r i t sb a s e do np i l e s o i li n t e r a c t i o n , a n dm a k e sf u l lu s eo fs o i lr e a c t i o nu n d e rt h e b e a r i n gp l a t f o r m ( o rr a f t ) i t saf o u n d m i o nb a s e do nl a r g ep i l es p a c i n g ( g e n e r a l l ym o r et h a n5 - - - 6 f o l d p i l e - d i a m e t e r ) s p a r s e - l a y o u t i n gf r i c t i o np i l e so rl e s se n db e a r i n gc a p a c i t yo f e n db e a r i n gf r i c t i o np i l e st h a t u n d e r t a k i n gl o a d i n gt o g e t h e r w i t hb e a r i n gp l a t f o r m b e c a u s ei t s af o u n d m i o nt h a tm a k e sf u l l 峨o ft h e b e a r i n gc a p a c i t yo fn a t u r a lf o u n d a t i o n ( o ra r t i f i c i a lf o u n d a t i o n ) a n dl a y o u t sp i l e s ，t h es e t t l e m e n ti ss m a l l e r t h a nt h eo n ed e s i g n e di nn a t u r a lf o u n d a t i o na n db i g g e rt h a nt h eo n ed e s i g n e di np i l ef o u n d a t i o n t h e f u n c t i o no fp i l e si nt h ec o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o nc a nb ec o n s i d e r e da sc o n t r o l l i n gt h es e t t l e m e n to f b u i l d i n g ，w h i c hm e a n su s i n gs e v e r a lp i l e st or e d u c et h es e t t l e m e n to rd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ti nan a t u r a l f o u n d m i o no ra r t i f i c i a lf o u n d a t i o nw h i c hb a s i c a l l yc a l lu n d e r t a k et h el o a d i n go fb u i l d i n g t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r es t a t e da sf o l l o w i n g ： 1 t os u m m a r i z et h ea p p l i c a t i o ns c o p e ，m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i ca n dd e s i g np r i n c i p l e so f c o n t r o l l e d - s e t t l e m e n tc o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o n a n da l s o ，i ti n t r o d u c e ss o m er e p r e s e n t a t i v es e t t l e m e n t c a l c u l m i o nm e t h o d e sf o rc o n t r o l l e d - s e t t l e m e n tc o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o na tp r e s e n t 2 d r a ws o m ei n s t r u c t i v ec o n c l u s i o n sf o re n g i n e e r i n gd e s i g nb yu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so n c o n t r o l l e d s e t t l e m e n tc o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o n 3 a n a l y z eo ns t r e s sf e a t u r e s a n dd e f i c i e n c i e st h a tn e e dm o d i f i c a t i o no fc o n t r o l l e d - s e t t l e m e n t c o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o n ，u s i n gt h et e s td a t ao fs e t t l e m e n t ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nr a f ta n dr e b a r , t h es o i l r e a c t i o nu n d e rt h er a l t ( o rb e a r i n gp l a t f o r m ) o fe n g i n e e r i n gt e s tw h i c hl o c a t e di n9 拌b u i l d i n go fa r e s i d e n t i a ld i s t r i c ti nh e f e i 4 c o m p a r et h et e s td a t aw i t ht h er e s u l tg o tf r o mt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n ds o m er e g u l a t i o n sc a l l b ef o u n d i ts h o w st h a tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc a nb ea l la i d e dd e s i g nm e t h o df o rc o n t r o l l e d - s e t t l e m e n t c o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o n t h ef e a t u r ew o r ki nt h i sp a p e rl i ei nt h a td r a w i n gs o m ei n s t r u c t i v ec o n c l u s i o n sf o re n g i n e e r i n gd e s i g n o nc o n t r o l l e d s e t t l e m e n tc o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o nb yc o m p a r i n gt h et e s td a t aw i t ht h er e s u l tg o tf r o m t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a b s t r a c t k e yw o r d s ：c o n t r o l l e d - s e t t l e m e n tc o m p o s i t ep i l e df o u n d a t i o n ：s e t t l e m e n t ；d i f f e r e m i a ls e t t l e m e n t ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ；i n - s i t ut e s t i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：鼬 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盔驰导师签名：二主! 至! 亟日期： 第一章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 第一章绪论 随着社会的发展，高层建筑及大型的工业厂房越来越多。而相应的，桩筏基础也越来越多的被 应用到实际建设。桩筏基础属于混合基础形式，是由桩基和筏板共同组成的，多用于软土地区。筏 板的作用是将上部的柱、墙( 筒) 集中荷载分配给桩，再通过桩周土的作用承担上部荷载。 而随着对土木工程研究的一步步深入，土与结构的共同作用问题进入人们的视线，计算机技术 的发展又给这一问题的解决带来了可能。 复合桩基是由桩和承台底地基土共同承担荷载的桩基，是从桩土共同作用出发，充分利用承台 ( 筏板) 底土反力的作用，是按照大桩距( 一般在5 6 倍桩径以上) 疏桩布置的低承台摩擦群桩或 者端承作用较小的端承摩擦桩与承台共同承载的基础形式。由于它是在充分利用天然地基( 人工地 基) 承载力的基础上补充桩基的基础形式，其沉降量小于按照天然地基设计的沉降值，但大于按照 桩基设计的沉降量，桩基在复合桩基中的作用可视为控制建筑结构的沉降，即在天然地基或人工地 基基本满足建筑荷载的情况下，由少数的几根桩基来减少建筑结构的总沉降量或减少差异沉降。这 样一来，使得沉降量控制在规范容许范围内，并相对桩基础设计的结果减少桩基数目，大大的节约 了建筑的总造价。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 国外研究现状 最早提出复合桩基这一概念的是墨西哥的z e e v a e r t 教授，他于上世纪5 0 年代中期就提出适合用 于软土地基的中高层建筑物的附加摩擦桩的补偿基础方案。之后，1 9 7 7 年在印度召开的第九次国际 土力学会议“土与结构共同作用”的专题报告使人们的目光越来越注意共同作用课题。英国的b u r l a n d 教授等人明确提出桩基按照沉降变形设计比按照承载力设计更为经济，并根据桩一土相互作用理论 的研究指出，采用少量的桩基用于减少基础沉降变形可以改变许多建筑因过大沉降而被迫采用桩基 础的情况。 1 9 7 8 年h a i n 和l e e 用l o a dc u t - o f f 方法验证了桩基对减少建筑沉降量的显著作用。并分析了影 响荷载分配的因素。1 9 7 9 年h o o p e r 教授通过有限元分析，得到建立竖向刚度较大的桩土混合基础 在为数不多的桩数下沉降可大大减少，而当桩数达到一定数目，继续增加桩数对减小最大沉降和差 异沉降的作用不再明显的结论。 澳大利亚的h gp o u l o s 教授根据r d m i n d l i n 公式提出桩与地基土共同作用的弹性理论法，推 动了桩、土与上部结构、基础共同作用的深入研究；根据筏一桩一土相互作用的分析又提出了仅用 于减少沉降桩基础的沉降计算公式。 瑞典在8 0 年代由j & w 设计顾问所提出了c r e e pp i l e ( 屈服桩或称蠕变形桩) 的设计概念和方法， 其基本原则是使桩的安全系数为l ，即最大限度的发挥桩的承载力。1 9 8 6 年c o o k e r w 在总结了 伦敦硬土地区高层建筑桩基础研究结果后得出结论，认为常规桩基设计方法设计的桩基础实际安全 系数远大于设计取值，并指出当桩基础纯粹用来减少基础沉降时，在桩间距为4 倍桩径时再加入更 多的桩并不能显著的减少沉降。c h o w yk 和t h e v e n d r a n v 按最优化理论对群桩进行优化设计，以 群桩各桩顶荷载相等为约束条件，其结果是中桩的桩长分别为角桩的4 倍，边桩的2 3 倍。 东南大学硕士学位论文 1 9 9 4 年r a n d o l p h 等提出在柔性筏板中心区域设置中心桩，差异沉降可明显减少，其在弹性土体 上的接触应力分布与刚性筏板在弹性土体上的接触应力分布相类似，即如图卜l 所示。 1 2 2 国内研究现状 柔性筏板 炒 上上 。叫 一一 ( a )( b ) 图1 1 刚性筏板和柔性筏板下的接触应力分布 国内的专家学者也注意到复合桩基带来的巨大经济效益，并在国内许多地方开始研究实践。1 9 7 9 年， 岩土工程专家童诩湘提出分不同情况按照沉降设计低承台摩擦桩基的想法，并计算出桩基按极限承载力设 计时可节省2 0 的桩基。1 9 8 2 年黄绍铭等人以g e d d e s 应力解为基础的桩基沉降计算法为基础提出沉降控 制复合桩基的设计思想和方法，并进行了相应的工程实践。 1 9 9 0 年管自立提出“长桩疏布、宽基浅埋”的疏桩基础设计概念，建议增大桩间距离，使土更直接有 效的承担荷载，并首先提出“疏桩率”和“最佳桩容量”的概念。刊登在1 9 9 1 年第六届全国土力学及 基础工程学术会议论文集中的“减少沉降量桩基的设计与初步实践”一文提出沉降控制复合桩基实质上 是以变形控制为原则、考虑桩与承台共同作用、介于天然地基上浅基础与桩基之间的一种基础形式，其中 基础极限承载力p 和基础沉降s 。分别可按下列公式计算： = ，( 力匕+ 厶) + 心f ( 1 - 1 ) j 已 s g = 2 二。礓? | 龃l fe。l(1-2) i = l 式中，五为修正系数，在软土中近似取为1 0 1 只，、巴分别为单桩桩侧极限摩阻力和桩端极限摩阻力； 以、f 分别为承台底埋深处地基土极限承载力和承台底面积：m 为从桩端算起的压缩层深度范围内土体 分层数；仃为第i 层土的竖向附加应力平均值，由桩基中的群桩所承担的荷载在土中产生的应力和承 台所承担的荷载在土中产生的应力累加；a i t 和e 。，为第i 层土的厚度及其相应的压缩模量。 上世纪9 0 年代初期，同济大学的杨敏结合工程实际并分析国外减少沉降量桩基础的设计原则后，认 为软土地区的大量建筑物是由于沉降过大而采用桩基础，因此桩基础是用来减小建筑物沉降的。在这种情 况下，单桩分担的荷载比常规设计中桩承担的荷载要大，其单桩承载力发挥系数约为其极限承载力的 7 0 1 0 0 9 6 ，并推导出基础沉降公式。通过对分层土中群桩的研究发现，基础的形状和桩的布置方式对沉降 的影响不大。当基础面积、桩数以及土参数与荷载情况均相同时，正方形基础的沉降最大，各情况间的差 异不超过1 0 9 6 ；桩的布置对沉降的影响极小，各种布置方式下基础沉降的差异最大不超过1 。通过使用上 述沉降计算方法可以得到基础沉降与用桩数量之间的关系，从而为合理确定桩数提供依据。 1 9 9 2 年宰金珉教授以半解析半数值的方法分析了桩土非线性共同作用，并阐述了在间距下桩基荷载先 后接近和达到p ，后承台底土才充分参加工作的观点。并提出了桩土荷载明确分担的整体承载力与沉降量 双重控制下的复合桩基非线性设计方法，并对复合桩基的沉降计算进行了研宄。并在2 0 0 1 年进一步提出 塑性支承桩”概念，认为特大桩距的复合桩基工作从弹性支撑转为如同一个完全塑性的支撑。 九十年代末刘金砺等通过对粉土和软土中不同桩距、不同桩长的原型和模型群桩竖向荷载下变形试验 研究表明：均匀土层中群桩变形性状随桩距变化。桩间土压缩变形所占比率随桩距增大而增大，桩底平面 2 以下整体压缩变形和压缩层深度随桩距增大而减小，桩沉降的相互影响比线弹性理论值小的多。之后他对 桩土变形计算模型进行了修正，并提出了共同作用变刚度调平优化设计概念和方法，使差异沉降减小至满 意水平。 2 0 0 0 年郑刚、顾晓鲁认为复合桩基中计算桩沉降时应采用共同作用的分析方法，进一步考虑桩基中的 桩在高应力下非线性的特点，即对单桩沉降按弹性计算应乘以如下桩基修正系数： 2 廷五 。卸 争啊 式中，j 为单桩q s 曲线上对应于桩顶荷载时的实际沉降值，珊；缈印为对应于桩项荷载q 时的桩基修 正系数。 1 3 本文的主要研究内容 由于目前国内关于沉降控制复合桩基的研究大多采取理论研究和单桩承台试验以及建筑整体沉 降现场观测的研究，而对沉降控制复合桩基基础中桩土、筏板与基底土反力以及桩与承台连接处的 钢筋受力情况没有一个更加全面的试验研究，导致沉降控制复合桩基较少被应用或在应用时采用的 安全系数过大，从而使沉降控制复合桩基在控制差异沉降和减少工程成本优势并没有充分的呈现出 来。 基于以上原因，本文拟在前人基础上将沉降控制复合桩基设计思想及沉降计算公式系统化，并 根据安徽省合肥市某住宅小区9 号楼的钢筋应力计和土压力盒试验数据与有限元计算结果和数值分 析结果对比，进一步对沉降控制复合桩基设计进行优化，从而利于应用推广到以后工程设计，主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 以国内外对沉降控制复合桩基的研究资料为基础，系统的阐述沉降控制复合桩基的定义、适 用范围、设计思路及沉降计算等内容。 ( 2 ) 通过有限元软件a b a q u s 的模拟，对沉降控制复合桩基桩距、中心区域布置形式、承台厚 度、承台刚度等各方面因素对沉降控制复合桩基的沉降量、差异沉降量、筏板应力以及基础 底面的土反力做相应对比分析，从而确定沉降控制复合桩基设计中影响较大的因素。 ( 3 )通过对安徽省合肥市某住宅小区9 号楼的钢筋应力计和土压力盒试验数据分析，及试验数据 与有限元计算结果比较，揭示沉降控制复合桩基性质，进一步提出优化设计方法。 3 东南大学硕士学位论文 第二章沉降控制复合桩基的设计机理及沉降量计算 2 1 概述 一般定义下的桩基，在设计时基本上不考虑承台或筏板承受基底反力，且其设计使用荷载应不 超过其容许承载力。当使用群桩作为建筑基础时，则一般会取桩距在( 3 - 4 ) d 范围内。相比之下， 沉降控制复合桩基在设计时时人为的会将其承受荷载取为接近或超过其极限承载力( 一般 只= 2 p ) ，同时为了让每根桩基充分发挥其极限承载力并使承台或筏板充分承受基底反力，其桩间 距一般应。大干( 5 6 ) d 。在此桩距下的沉降控制复合桩基之间的群桩效应可以忽略，其沉降侧阻力以 及极限桩端阻力总体上均趋近于独立单桩i i j 。 2 2 沉降控制复合桩基的适用范围 沉降控制复合桩基并不是在所有情况下都使用的桩基基础形式，它介于天然地基浅基础与常规 桩基础之间。沉降控制复合桩基的前提是天然地基浅基础承受绝大部分的基底总荷载，桩主要起到 控制沉降的作用。即建筑产生了一定的沉降量，桩己达到极限承载力状态，并产生一定的刺入变形。 沉降控制复合桩基桩端持力层的选择范围在上海市地基基础规范中要求为：桩端应穿过高压缩 性淤泥质土层，且进入压缩性相对较低，但不十分坚硬的土层。这是因为如果桩端持力层选为高压 缩性的土层，桩基可能提供较高的承载力，但无法有效的控制住沉降。而另一种情况，如果持力层 选择为非常坚硬的岩土层，虽然桩基得到了足够的承载力和较小的沉降量，但由于桩基不能达到一 定的沉降和刺入变形，承台或筏板下土反力很小，达不到桩土共同作用的目的，无法充分发挥出沉 降控制复合桩基的优势。 沉降控制复合桩基适用在建筑物重量不是很大的多层建筑( 一般在2 0 层以下) ，桩端应设置在 压缩性能相对较低但不十分坚硬的土层，这样就能充分的利用天然地基的承载能力。桩基承载力应 接近或超过其极限承载能力，其作用除分担部分上部荷载以保证建筑物基础有足够的安全度外，主 要起到控制基础沉降作用，桩基间距布置应合理，与上部结构刚度相适应1 2 j 。 当然，对于地基局部有不良地质现象的复合桩基，可采用一些地基处理方法或局部加桩的形式， 从而保证沉降控制复合桩基能更大范围、更加安全的应用。相应的处理方法和计算将在2 3 节中做 进一步阐述。 2 3 沉降控制复合桩基的设计机理 2 3 1 一般情况下沉降控制复合桩基的设计机理 沉降控制复合桩基适用于有较高承载能力的天然地基或人工地基，所以如果欲选取沉降控制复 合桩基作为建筑物的基础形式，第一步：验证地基承载力是否满足y 0 5 ，y 的定义为： 9 = q ( 2 - 1 ) 式中，厂为经修正后的天然地基承载力设计值；a 为承台底总面积；9 为上部结构竖向力设计值f 、 基础自重设计值和基础上土重标准值g 之和。 第二步：选择桩型，确定桩数。因为和常规桩基相比，沉降控制复合桩基为用较少桩数承受近 于极限大小荷载的摩擦桩或端承作用较小的端承摩擦桩，其桩身质量要有可靠的保证。一般情况下 采用预制桩或质量可靠的灌注桩。其中对于用桩身强度确定的单桩极限承载力标准值近似计算如下： 4 第二章沉降控制复合桩基的设计机理及沉降晕计算 预制混凝土方桩只= ( o 6 0 o 7 5 ) a ，工。而地基土对单桩的极限承载力标准值一般通过单桩静 载荷试验确定，当没有进行桩的静载荷试验时可按下式估算。 只= u z ，+ 。a p ( 2 - 2 ) 式中：z 一混凝土轴心抗压强度设计值( k p a ) ：a p 一桩身截面面积( m 2 ) ；u ，一桩身截面周长( m ) ；厶、 厂 一分别为桩侧第i 土层的极限摩阻力标准值( k p a ) 和桩端处土层的极限端阻力标准值( k p a ) ；正一 第i 土层厚度( m ) 。 假设天然地基承载力设计值厂的利用系数为孝( 一般取掌0 5 ：当缈 0 6 时，毒可取更大的 值。) ，单桩极限承载力的利用系数为f ( 一般f = 0 8 0 9 ) ，则桩数胛确定如下： 力：! 望二童旦2 f ：! l 二圭竺! 望 f ( 2 - 3 ) 式中，f 为基底土承载力利用系数，一般小于0 5 ；孝为桩承载力利用系数，一般取大于0 8 4 , 于0 9 。 上式的意义在于认为群桩极限承载力q ，= 芎刀为常数，承载不足部分q = q q ，必由承台底土直 接承担；由此承台分担比，7 为： r = q q = 蝣 ( 2 - 4 ) 第三步：单桩荷载与强度验算。竖向荷载偏心时式( 2 3 ) 中宜取f = o 8 ，且应验算各桩顶荷载p ： 只= 半+ 萤+ 警 p 5 ， n7v 7x 其中，m x 、m 。为q 对通过桩群重心的x 、y 轴的力矩，薯、只为各桩坐标。鉴于水平荷载一般较 小，这里假定力矩荷载全由桩承担，没考虑承台下土体的分担，这样计算简便也偏于安全。 第四步：按只，和桩顶水平荷载对桩身材料进行强度和抗裂度验算。 第五步：根据上部荷载重心与形心( 群桩) 相重合的原则确定桩在承台或筏板上的位置。 第六步：对复合桩基进行整体安全度和沉降量的双重复核。整体承载力安全度k 应不小于2 ，沉 降量s 应不大于容许沉降量 s 。 值得注意的是：沉降控制复合桩基的承台设计除考虑稳定后所分担的其余部分外荷载的最终受 力状态外，还应需考虑荷载施加初期承台要承担的较大外荷载的初始受力状态( 可根据经验按实际外 荷载的5 0 考虑，其余外荷载由桩承担) ，比较两者大小，取其最不利者进行承台强度及配筋计算。此 外，桩基应尽量在柱或剪力墙正下方布置，以减少承台所受剪力和弯矩，达到节省配筋的目的。必须 指出，沉降控制复合桩基的设计中，有关常规桩基的通用设计方法，如桩承台的设计，桩的设计等等仍 可以采用的。 2 3 2 沉降控制复合桩基在不良地质情况下的处理方法 所谓不良地质现象，即是指地基内遇到明浜、暗浜。人工取土的坑、塘等造成的基础板底一定 范围内的好土缺失或桩长范围内的土层可能液化现象等。这时候可能并不满足沉降控制复合桩基的 设计条件，所以要经过一定的地基处理之后才能将沉降控制复合桩基运用在这些地基上。 ( 1 ) 遇到明暗浜、塘、坑的处理 当浜、塘、坑范围不是很大，即小于建筑底面投影的1 3 - - 1 2 时，建议采用下列两种方法处理 浅层土后，仍可按复合桩基设计。 ( a ) 换填法 当浜、塘、坑等的深度不是太深时，可将其中的淤土或杂填土彻底挖清，然后采用常规的换填法， 东南大学硕士学位论文 选用砂或砂石、( 高炉) 干渣、粉煤灰等材料进行回填。垫层承载力设计值和压缩模量宜通过现场试 验确定，若无试验材料，在满足规范规定的密实度要求后，可按规范推荐的表选用。从该表中可看 出，采用粉煤灰垫层，其承载力设计值一般为1 5 0 - 2 5 0 k p a ，压缩模量一般为8 - 2 0 m p a ，其范围与褐 黄色粘土最接近，故宜优先考虑采用。 复合桩基沉降的计算方法与正常情况一样，如果计算点( 一般为基础中心) 落在处理过的地基 范围内，土层的剖面及各层的力学性质应按实际换填后的情况取用。复合桩基的整体承载力验算应 满足下式： 乃+ q 孝k r + 4 i z 棚+ 4 2 。z 加 ( 2 - 6 ) 式中：f 一复合桩基承载力调整系数，取o 5 5 ： k 一桩数； e 一上部结构传至筏板顶面的竖向荷载设计值，k n ； g 。一筏板自重及筏板上覆土重力的设计值，k n ； r 。一单桩极限承载力标准值，k n ： 彳，、彳，一换填范围内筏板底面积，m 2 和换填范围外筏板底面积，n 1 2 ； z 训、z m 一换填范围内筏板下地基土的承载力设计值，k p a 和换填范围外筏板下地基土的承 载力设计值，k p a 。 沉降控制复合桩基采用换填法应对不良地质现象，从理论上来看，既弥补了天然地基持力层的 缺失使复合桩基可以应用，同时使工程造价维持在一个比较理想的范围内。必须说明的是，先打桩 还是先挖土回填是值得推敲的问题。若先打桩，则挖土回填对施工的要求较高，对桩的保护措施要 跟上：若先挖土回填，特别是采用砂垫层，则可能为打桩带来困难。 ( b )局部加桩法 这种常用的方法是将不良地质区域采用常规桩基方法设计，其他区域仍采用复合桩基，可看作 是在原复合桩基设计的基础上局部将桩数加密，其中桩型及桩长宜统一，以保证所有桩基的持力层 相同。 在运用各类计算软件进行沉降计算时，必须要注意对不同区域的桩顶反力的区别。常规桩处理 区域，桩顶反力应不大于单桩的设计承载力，而其他区域的单桩反力则按照沉降控制复合桩基的设 计方法取不大于单桩极限承载力，计算中可将基础平面人为的划成几块，既常规桩基或复合桩基部 分，然后看作是几个筏板基础考虑相邻影响后统一整体计算。沉降控制复合桩基的整体承载力验算 应满足下式t 尼+ g ：善七l 母+ 乞髟+ 4 。z 卅 ( 2 7 ) 式中：毛一复合桩基设计的范围内的桩数。 奴一常规桩基设计的范围内的桩数； 足一复合桩基中的单桩极限承载力标准值，k 凡一常规桩基中的单桩承载力设计值，k n , 彳，一复合桩基设计范围内筏板底面积，m 2 ； ，训一复合桩基设计范围内筏板下地基土的承载力设计值，k p a 。 用局部加桩法应对明暗浜等地基一般处理的范围不宜过大，否则就变成了常规桩基础。 ( 2 ) 遇液化地基的处理 当建筑物基础范围内遇液化地基时，首先判断液化的可能性。若为中等或严重液化，则基础形 式不应采用沉降控制复合桩基，若为轻微液化，且深度较浅，则适当调整桩数和桩长后仍可采用复 6 第二章沉降控制复合桩基的设计机理及沉降量计算 合桩基形式。 由于地震力为瞬间的动力荷载，沉降控制复合桩基中的桩基刚度远大于筏板下土体刚度，可认 为竖向力全部由桩基承担，这样抗震验算就同常规桩基的抗震验算相同。液化土层范围内的桩侧摩 阻力应按规定折减，单桩承载力应除以相应的抗震调整系数y 。f ，然后按下式验算边角桩的承载力： q 一1 2 r 龌 ( 2 8 ) 线= 姓 释篾 ( 2 9 ) 7 ，。7 五j 式中：q 一一承受最大荷载桩的竖向力设计值，k n ： r 。，一考虑液化折减及抗震调整后的单桩竖向承载力设计值，k n ： 么一偏心竖向力作用下的第i 根桩的竖向力设计值，l 洲； m ，、m ，一作用于筏板底面通过群桩形式的x ，y 轴的地震倾覆力矩设计值，k n m ； 艮+ 吆一作用于筏板底面上的结构竖向力及基础和覆土自重的抗震组合设计值，k n ； x ，、r 一第i 根桩至y 、x 轴的距离。 其中，艮+ 啄的取值可参考建筑抗震设计规范( g b 5 0 9 1 2 0 0 1 ) 第5 4 1 条的规定进行组 合，一般将上部结构重力荷载代表值之和与基础自重标准值相加，乘以组合系数1 2 ，而m 。、m 。分 别取沉降控制复合桩基基础底面的x ，y 向地震倾覆力矩标准值乘组合系数1 3 。当沉降控制复合桩 基范围内有轻度液化层时，建议采用下列步骤设计： a 1 分别计算非地震时和地震发生时的单桩承载力和地基土承载力。 b ) 按非地震时工况布置筏板和桩基，其中单桩承载力设计值及地基土承载力设计值要考虑液 化折减的影响。 c ) 按地震作用下荷载工况，验算已布置好的桩基。注意荷载要用地震组合，且全部由桩承担。 单桩承载力设计值要采用地震作用下的调整值。 d ) 反复b 和c 步骤，直到满足最大单桩竖向力设计值小于单桩承载力抗震设计值的1 2 倍。 e ) 按设计好的沉降控制复合桩基计算最终沉降及进行整体强度的验算。 2 4 沉降控制复合桩基的沉降量计算 2 4 1 引言 沉降控制复合桩基的沉降发展过程也不同于一般的桩基，其具体过程如下：自荷载施加起的一 段时间内，由于荷载相对较小，建筑物荷载几乎全部由桩基础承担，此时建筑物的沉降主要是上部 桩身压缩引起的，同时还伴随有桩间土由于摩阻力作用引起的压缩。桩身范围内若在均一土质中， 则摩阻力分布主要集中在桩身上部，且从上到下逐渐变小。桩身压缩量同样从上到下逐渐变小。桩 基所受荷载通过桩侧土摩阻力的形式扩散到桩周个土中。随着工程进度的推进，荷载进一步增加， 桩侧摩阻力不断向桩端发展，桩端承力也逐渐开始发挥作用，一直到桩端阻力和桩侧摩阻力都发挥 到极限，即桩基达到极限承载力。之后，荷载继续增大，此时的桩基由于达到了极限承载力，虽然 向下位移继续发展，但桩基承载力不会进一步增长，这时继续增加的荷载量由和基底土已接触的承 台或筏板来承担，直到建筑物竣工、投入使用以及使用后荷载趋于稳定。这过程中，桩基所产生 的沉降即所谓刺入沉降，整个沉降控制复合桩基沉降由桩身压缩、桩问土受摩阻力作用所产生的压 缩、桩长范围内土体分担荷载所引起的压缩量以及桩端阻力和承台分担荷载引起的土中附加应力所 产生的压缩。 7 东南大学硕士学位论文 2 4 2 沉降控制复合桩基沉降计算方法 对于沉降控制复合桩基的沉降量计算主要有如下几种常见的方法： l ，等代墩基法计算群桩沉降 等代墩基模式计算桩基础沉降是在工程实践中最广泛应用的近似计算方法。其计算模式基于下 列假定建立：等代墩基范围内桩间土不产生压缩变形，即如同实体墩基一样工作。在我国工程中等 代墩基法又分为考虑和不考虑群桩外围侧面剪应力扩散作用两种模式，如下图2 1 所示。通常在我 国采用按自群桩桩顶外围矽4 向下扩散与假想实体基础低平面相交的面积作为等代墩基的底面积 f ，以考虑群桩外围侧面剪应力的扩散作用。其后墩基沉降计算与扩展基础的计算方法相同。 n f j | 、 | 扩散角l ， | ig 、， 、 、 、 ， |。 咖、 ， ， ， ，、i | ：、 警 、j么甍 附加应力簧 分布线出 i j | ，4 l 匿薹薹薹要 j l po ooc f! 。f f b q q q d! _ j l 一一一一一一一一一一一一一- j l 一j j 图2 1 等代墩基法的计算模式 在计算图式确定后采用分层总和法计算沉降。其压缩层计算深度按附加应力与自重应力之比为 2 0 ( 软土取1 0 ) 确定。按下式计算桩基沉降量s g ： & ：y , b t r o ”华 ( 2 1 0 ) 式中沙。一经验系数，应根据各地区的经验选择； b 一假想实体基础底面的宽度，如不计侧面剪应力扩散作用，取b = b ； n 一基底以下压缩层范围内的分层总数目，按地质剖面图将每一种土层分成若干分层，每一分 层厚度不大于0 4 b ；压缩层的厚度计算到附加应力等于自重应力的2 0 处，附加应力中应 考虑相邻基础的影响； 万。一按b o u s s i n e s q 课题计算地基土附加应力时的沉降系数； e 一各分层土的压缩模量，应取用总应力时的模量值； 吼假想实体基础底面处的附加应力，即 8 第二章沉降控制复合桩基的设计机理及沉降鼍计算 ：了n + g 一( 2 - 1 1 )2 i 一一 n 一作用在桩基础上的上部结构竖向荷载； g 一实体基础自重，包括承台自重和承台上土重以及承台底面至实体基础底面范围的土重与桩 重；g 通常用厂f ( l + d ) 近似估计，这里7 为承台、桩与土的平均重度( 一般取1 9 k n m ) ，f 为假想基础底面积( 考虑扩散作用时f 2 a b = ( a + 2 l t g 詈) ( 眦l 馆詈) ；不考虑扩散作用时 f = a b ) ，d 为承台埋深： 吒一假想实体基底处的土自重应力。 式( 2 1 0 ) 可以改写为： & = 虬t f r z h ，( 2 - 1 2 ) ，_ i 。a 或者 & = ( 饥= 1 ) ( 2 - 1 3 ) t = lo “ 这里h i 为第i 分层的厚度，仃，为基础底面传递给第i 分层中心处的附加应力，其余符号同上。 欧美一些国家在使用等代墩摹法上与我国的区别： 由于考虑桩间土存在压缩变形，p e c k 等建议将假想实体基础底面置于桩端平面上l 。处。若桩位 于均匀粘土层中，l 。取桩长的1 3 ( 见图2 一a ) ；若桩穿过软弱土层并进入坚硬持力层，取桩端进入 持力层深度的1 3 ( 见图2 一b ) 。事实上，确定假想基底位置实际上是估计桩间土压缩变形在群桩总 沉降中的比例问题。假想基底位置上升的幅度不仅与土层剖面有关，还同土质软硬、桩距大小、桩 的长短、荷载水平、成桩工艺等因素有关。若桩端持力层与桩身范围土层的性质差异不大，则视桩 距大小可取l 。= l 4 l 3 ( 桩距较大者取较高值) 。当承台底部为较硬土层，相当于承台底标下移，应 扣除上部硬土厚度后按下部桩身长度的l 和l 3 确定l 。对于打入式桩由于沉桩过程中的挤土效应导 致桩间土加密故l 。应取低值。而且应该注意到，对于高承台以及荷载水平( 极限承载力工作荷载) 较高的低承台，比其他条件相同的低承台假想墩基底面要适当提高。 t o m l i n s o n ( 1 9 7 7 ) 对群桩外围侧面的扩散作用提出另一种简化方法，即以群桩桩顶外围按水平 与竖向l ：4 向下扩散( 见图2 - 2 c 与d ) 。由此得到的假象实体基础底面积通常比按c a 4 角度扩散要大 些。 9 东南大学硕士学位论文 矽7 7 7 7 7 7 万万功 彻 图2 2 国外等代墩基法计算图式 近年来的研究发现，由于采用b o u s s i n e s q 解为依据计算下卧层中的附加应力是以作用在半无限 弹性空间均质体表面为基本条件的，故未能考虑基础埋深和土质条件对附加应力的影响。美国学者 r a y m o n d d m i n d l i n 提出了半无限弹性体内受集中力作用引起土中应力的公式。因其考虑了基础埋 深和土质条件( 泊松比) 对附加应力的影响，故其在理论上较布氏解更为合理。 基于m i n d l i n 公式估计土中应力的方法大致可分为两种。一种是以m i n d l i n 应力公式为基础的方 法，根据g e d d e s 对m i n d l i n 公式积分导出的应力解叠加得到的单桩和群桩在荷载作用下的地基土附加 应力。 g e d d e s 根据半无限弹性体内作用一集中力的应力解答即m i n d l i n 课题，将作用于桩端土上的压应 力简化为一集中荷载( 图2 3 a ) ；将通过桩侧摩阻力作用于桩周土的剪应力简化为沿桩轴线的若干 集中力，并假定桩侧摩阻力为沿深度矩形分布( 图2 3 b ) 和正三角形分布( 图2 - 3 c ) 。在土体中任一 点( r ，z ) 的竖向应力可表示为： 桩端集中力 侧摩阻力呈矩形分布 侧摩阻力呈正三角形分布 ：警k t l ：皋k r 厶 叮。：k i l ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式中l 一桩入土的深度； 忍、e 、e 一分别为桩端荷载，矩形分布侧摩阻力和正三角形分布侧摩阻力的总荷载； 心、k 、k 一分别为桩端集中力、侧摩阻力呈矩形分布、侧摩阻力呈正三角形分布的情况下的竖 向应力系数。 l o 第二章沉降控制复合桩基的设计机理及沉降量计算 rrr n r f霾 n f l l - - 一刖一 z ， 声 一篚 n 2 p l兰j 一 z ( a )( b )( c ) 图2 3 计算土中应力的桩一土体系 三种情况下的应力系数为： = 而1 卜掣+ 掣一掣 一3(3-4,u)m(m+11)2广-3(m+一1)(5m-1)一30m虿(m一+1)3】 ( 2 - 1 7 ) 舻b| 、一 墨= 志卜竿+ 2 ( 2 一) + 2 ( 1 2 ) 詈( 詈+ 吉) ( 1 2 ) 2 ( 詈r ， 丹刀，聍 ” bfa ： 4 m 2 4 ( 1 + ) ( 竺) 2 m 2 + 7 止 + ) ( 1 + 朋) ( 竺+ ! ) 2 一(2+n24m(1 4 m )+ ) ( 1 + 朋) ( 二+ 二) 2 一( 2 ) + 些垒= _ ! ! 一 占 ( 2 - 1 8 ) k：而1卜丁2(2-g)+2(2-z)(4m+11)-2(1一-2t)(m)2(m+1)+竺m34x(1 1 一) 彳 bf + m n 2 + ：( m 广- 一1 ) 3 + a j + 4 1 m 2 m + 4 肌3 1 5 n 2 m 一2 ( 5 + 2 ) ( 里) 2 ( 1