（岩土工程专业论文）考虑上部结构共同作用的桩筏基础非线性分析.pdf

南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 、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，也不包含为获得南京工业大学或其它教育 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 献均已在沧文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：啦 日 期： 堕三：兰2 二、关于学位论文使用授权的声明 南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位沦文的 复印件和电f 文档，r u 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1 致。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) 授权南京工业大学研究生 部办理。、 研究生签名导师签名门期：寸歹f 弓i 硕士学位论文 摘要 随着房屋建筑的大量兴建和计算机技术的迅速发展，上部建筑与地基基础的 共同作用问题己受到工程界的广泛重视由于计算手段的制约，在建筑结构设计 时，先把上部结构隔离出柬，把基础视为绝对刚性支座，求出上部结构的内力、变 形：再把地基反力作用在桩或地基f = = 来发计桩或校核地基强度和变形由于没有 考虑基础沉降差引起上部结构的次应力，使i ：部结构的设计偏于不安全：而由于 没有靠虑上部结构刚度的影响，基础的内力被高估因而这种常规设计方法与建 筑物实际工作性状不相符虽然当前已有考虑桩筏非线性的设计，但仍无人在此 基础上，考虑上部结构。因此考虑上部结构，进一步认识上部结构与筏基及桩基 和地基十非线性共同作用机制，优化设计桩筏基础，具有重要的现实意义。 本文在分析国内外相关研究成果的基础上，建立了一种考虑上部结构的l 部 结构一桩筏皋础一地基非线性其i 司作用分析方法：以子结构法凝聚上部结构的荷 载及刚度，以平面壳体单元模拟筏板，按有限层法模拟桩土之间的弹性相互作用， 刚广义剪切位移法模拟桩的非线性工作性状，用c u t _ o f f 方法对筏底土的极 限状态进行限制。编制了摹于上述分析方法考虑上部结构及筏基实际刚度和桩的 非线性的荚同作用分析程序。 本文深入分析了卜- 部结构对非线性共同作用的影响。考虑上部结构，将降低 土反力最小值，降低平均土反力，使筏底土反力分布吏不均匀。并将减小基础沉 降的最大值和沉降差，尤其对降低沉降差有明显作用。 共同作用的效应在上部结构上表现为，边柱因挤压而加载，中柱因拉伸而卸 载，从向改变r 上部结构内力分卸。同层柱加载与卸载的代数和为零。考虑共 同作j i j 后，弯矩和剪力都比常规法较火。可见，在上部结构中产生了呵观的次应 力，在设讣中如不加以考虑，结构存使用过程中j 能产生开裂现象 研究了合理布桩方式，探讨了以零差异沉降为目标的优化设计的u j 能途径。 合理调整桩长、桩径，在荷载大的地方( 筏板中央区域) 布嚣长而粗的桩，在荷 载小的地方( 筏扳边缘区域) 布胃短而细的桩，并考虑上部结构参与共同作用后， 可以存不使e 部结构产生可观的次应力的情况下，使得筏板的筹异沉降很小，直 币趋近丁零。 大型工程实例的模拟与划比分析证明厂本文方法的可行性和计算程序的实 用性，进一步验i i t ! t 非线性复合桩基没计时考虑 ：部结构的必要性。 硕士学位论文 关键词 上部结构群桩与土和承台及上部结构1 r 线性共同作用j 义剪切位移法子结 构法有限层法空间框架学元平面壳体单元布桩方式 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fb u i l d i n g sa n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，t h e i n t e r a c t i o np r o b l e mb e t w e e nt h es u p e r s t r u c t u r ea n dt h ef o u n d a t i o nh a sb e e na t t a c h e d i m p o r t a n c et o b e c a u s et h em e a n so fc o m p u t i n ga r er e s t r i c t e d ，w h e nw ed e s i g nt h e b u i l d i n gf r a m e ，w es e p a r a t et h es u p e r s t r u c t u r ea tt h ef i r s t ，a n dr e g a r dt h ef o u n d a t i o n a sa b s o l u t er i g i db e a r i n g ，w ec a ng e tt h ei n t e r n a lf o r c e 、d i s t o r t i o no ft h es u p e r s t r u c t u r e ； t h e n ，w ep u tt h ea n t i - f o r c eo nt h ep i l e so rt h ef o u n d a t i o nt od e s i g nt h ep i l e so rc h e c k t h ef o u n d a t i o ni n t e n s i t ya n dd i s t o r t i o n b e c a u s ew ed o n tt h i n ko ft h es u p e r s t r u c t u r e s e c o n d a r yf o r c eb yt h ed i f f e r e n ts e t t l e m e n t o ft h ef o u n d a t i o n ，t h ed e s i g no ft h e s u p e r s t r u c t u r el e a n st on o ts a f e ；b e c a u s ew ed o n t t l l i n ko ft h ea f f e c t i o no ft h e s u p e r s t r u c t u r er i g i d i t y , t h e f o u n d a t i o ni n t e m a lf o r c ei so v e r r a t e d s ot h i sr o u t i n e d e s i g nw a yd o e s n tm a t c ht h ea c t u a lw o r k i n gp r o p e r t yo fb u i l d i n g s a l t h o u g h c u r r e n t l yw ec a nd e s i g nw i t hc o n s i d e r i n gn o n l i n e a ri n t e r a c t i o no fp i l e dr a f t f o u n d a t i o n s ，n oo n ec o n s i d e r ss u p e r s t r u c t u r e i ti s w e i g h t i l ys i g n i f i c a t i v e t o u n d e r s t a n do fm e c h a n i s mo ft h ei n t e r a c t i o no f p i l e d r a f tf o u n d a t i o n - s o i li n c o n s i d e r a t i o no ft h es u p e r s t r u c t u r e ，a n dt or a t i o n a l l yd e s i g np i l e dr a f tf o u n d a t i o n o nt h eb a s i so ft h er e l a t e dr e s e a r c h ，an o n l i n e a ri n t e r a c t i o nm e t h o do fp i l e dr a f t f o u n d a t i o n sw i t hc o n s i d e r i n gs u p e r s t r u c t u r ei se s t a b l i s h e d ：u t i l i z et h es u b - s t r u c t u r e m e t h o dt o a g 百o m e r a t et h es u p e r s t r u c t u r er i g i d i t ya n dl o a d t h en o n l i n e a rs h e a r d i s p l a c e m e n t o fs o i la r o u n dt h ep i l e si s a n a l y z e db yt h eg e n e r a l i z e ds h e a r d i s p l a c e m e n tm e t h o d ，t h er a f ti ss i m u l a t e db yt h ep l a n e s h e l le l e m e n t ，a n dt h ee l a s t i c i n t e r a c t i o no fp i l e p i l e ，p i l e s o i la n ds o i l - s o i la r ed e t e r m i n e db yf i n i t el a y e rm e t h o d i n a d d i t i o nt h es o i lp r e s s u r ei sl i m i t e dw i t h i nt h es c o p eo ft h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y b y c u t - o f f m e t h o d ap r o g r a mb a s e do nt h ea b o v em e t h o dh a sb e e np r o g r a m m e d t oa n a l y z i n gn o n l i n e a ri n t e r a c t i o no fp i l e dr a f tf o u n d a t i o n sw i t hc o n s i d e r i n gt h e s u p e r s t r u c t u r e t h ee f f e c to ft h es u p e r s t r u c t u r et ot h en o n l i n e a ri n t e r a c t i o ni sd i s c u s s e d t h i n k i n go ft h e s u p e r s t r u c t u r e ，t h em i n i m a ls o i l a n t i f o r c ew i l lb ed o w n ，t h ea v e r a g es o i la n t i f o r c ew i l lb e d o w n ，s ot h es o i la n t i - f o r c eo fr a f td i s t r i b u t i n gw i l lb cm o r eu n e v e b a n dt h em a x i m a ls e t t l e m e n t 硕士学位论文 a n dt h ed i f f e r e n ts e t t l e m e n tw i l lb ed o w n ，e s p e c i a l l yt ot h ed i f f e r e n ts e t t l e m e n t t h ei n t e r a c t i o nm a k e st h ee d g ec o l u m n sb e a rm o r el o a d m a k e st h em i d d l ec o l u m n sb e a r l i t t l el o a dt h es u p e r s t r u c t u r ei n t e r n a lf o r c ed i s t r i b u t i n gi sc h a n g e d 1 1 1 ea l g e b r as l i mo fi n s t a l l i n g a n du n i n s t a l l i n gi nt h es a m el a y e ri sz e r o t h i n k i n go ft h ei n t e r a c t i o n ，t h eb e n d i n gm o m e n ta n d s h e a r i n gf o r c ew i l lb eb i g g e rt h a nt h er o u t i n eo n e s s o ，i fw e d o n tt h i n ko ft h es e c o n d a r yf o r c ei n t h es u p e r s t r u c t u r e ，t h es t r u c t u r em a yc r a z e i no r d e rt oe l i m i n a t et h ed i f f e r e n ts e t t l e m e n t ，t h er e a s o n a b l el a y o u to fp i l ei sr e s e a r c h e d c h a n g i n gt h el e n g t ha n dr a d i u so fp r i e sr e a s o n a b l yn a m e l yl o c a t i n gl o n ga n dw i d ep i l e si nt h e c e n t e rp l a c ea n dl o c a t i n gs h o r ta n dt h i np i l e si nt h ee k e0 1 a c e ，c o n s i d e r i n gt h es u p e r s t r u c t u r e ，c a l l d e c r e a s et h ed i f f e r e n ts e t t l e m e n tt oz e r o ，a tt h es a m et i m e ，t h es u p e r s t r u c t u r ed o e s n th a v em u c h s e c o n d a r yf o r c e s t h r o u g hc o m p a r i s o n sw i t hf i e l dc a s e , s t u d i e s ，t h ep r e d i c t i o nb yt h ep r e s e n t a p p r o a c hi si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e m e n t so f 蝴e dc a s e w h i c hi n d i c a t e s t h a tt h ep r e s e n ta p p r o a c hi nt h i sp a p e ri sc o r r e c t ，t h ep r o g r a mi su s a b l e ，a n dt h a tt h e d e s i g no ft h et h e o r yo fp l a s t i c a l l yb e a r i n gp i l ew i t hc o n s i d e r i n gs u p e r s t r u c t u r ei s r e a s o n a b l e k e y w o r d ss u p e r s t r u c t u r e ，n o n l i n e a ri n t e r a c t i o no fp i l e dr a f tf o u n d a t i o n sw i t h c o n s i d e r i n gs u p e r s t r u c t u r e ，g e n e r a l i z e ds h e a rd i s p l a c e m e n tm e t h o d ，s u b - s t r u c t u r e m e t h o d ，f i n i t el a y e rm e t h o d ，s p a c ef a m ee l e m e n t ，p l a n e s h e l le l e m e n t ，p i l el a y o u t 硕士学位论文 第一章绪论 l 。1问题的提出及其研究意义 上部结构与地基、基础共同作用是一门新兴的应用学科，它是随着高层建筑 大量兴建及计算机技术迅速发展而产生的共同作用即指把_ = 三者看成一个整体， 相互作异j ，协调变形。目前，上部结构与地基基础共同作用问题越来越受到【程 界的重视 长期以来由于计算手段的限制，在分析建筑物的基石 i 结构时，先是把上部结 构看作完全刚性，不考虑共同作用。既而只考虑基础与地基的共同作用，不考虑 上部结构刚度的贡献出于结构形式不同，上部结构的刚度差别很人，在实际施 工过程中，_ | ：部结构的刚度又是逐步形成的，因此，简单地把上部结构的刚度视 为无穷大是不合理的：此外，上部结构总有一定的列0 度，特别是对商层建筑而言， 忽略其刚度贡献所得的结果，与整个体系实际上发生的共同作用过程相差甚远。 研究表明，按常规的工程设计方法，计算基础时把上部结构视为完令柔忭，基础 的设计偏于安全，但材料的利用小尽合理，造成很大的浪费而计算上部结构时 忽略了地基、基础参与作用对其应力的影响，因而设计是不安全的。 实际上，上部结构、基础和地基是个彼此协调1 作的整体，每一部分的工 作性状，都是= 三者共同作用的结果，应用共同作用的理论进行高层建筑设计，彳1 能比较真实地反映其实际工作状态，也才i u 能是最为经济合理的。 桩基础是松软地基i ：高层建筑的常用基础形式，当天然地基上的浅基础沉降 量过大或地基稳定性不能满足建筑物的要求时，常采用桩基础，桩基础具有承载 力高、沉降速度慢、沉降量较小而均匀、对各种地质条件有良好的适应性等特点， 能承受垂直荷载、水平荷载一上拔力及机器产生的振动或动力作用等常规没计 方法把全部上部倚载由桩承担，按照经验公式或桩的静载荷试验确定出单桩的承 载力后，算出桩数，桩问距采用3 4 d 倍桩直径( 边长1 ，忽略桩m 土的承载力。但 在某止以摩擦支承为丰的短桩基础，由于沉降较大，基础实际上分担了剂分荷载。 此外，现行桩基础设计中不考虑桩和基础板的荷载分担作用，桩长- j 底板厚度较 大，并日随着建筑物高度的增加而叫显增加，从j 仃增加了基础工程存总工程造价 中的一比例，也相对延长了基础i ：程的工期。为此，有必要把l 部结构、桩基础 与 ：三者进行整体的萸f 丌j 作用分析。 第一章绪论 土与结构的共同作用问题是个无穷维的超静定问题，即使是弹性地基上的 梁板问题构成了该领域中最经典的课题。由于计算机和计算技术的飞跃发展，特 别是大型结构的子结构分析方法的进展，特别是大型结构的子结构分析方法的进 展，才使得建筑结构与筏基和地基的共同作用分析成为可能。国内外高层建筑物 的大量建造和丰富的i ：程经验极大地推动了该领域的研究，取得了许多理论和应 用成果。研究成果直接用于建筑工程实践的最大困难在于地基模型简单地取为线 性模型，使得基地反力分布与实测州差甚远。分析表明，对丁- 卜部结构与基础结 构刚度很大的情况，共同作用分析中关键是引入地基土的非线性模型。对柔性基 础特别是混凝土铺面，应首先考虑钢筋混凝土结构的非线性，地基土取为弹性影 响不大；但对于刚度大的结构，例如高层建筑结构，共同作用分析中当务之急是 引入地基土的非线性，即考虑地基十的非线性性状足分析结构物与桩筏基础和地 基共同作用的关键问题。 1 2 国内外研究现状与成果 1 2 1 共同作用问题 1 2 1 1 共同作用性状研究 上部结构与地基共同作用研究般认为始于1 9 4 7 年，m e y e r h o f 1 】提出了框 架与土共同作用的概念，并根据上部框架结构中每节点的变形协凋条件，导得 框架结构等效刚度的近似公式。c h a m e c k 2 1 相继研究了单独基础上多层多跨框架 结构的共同作用。1 9 6 5 年，s o m m e r l 3 1 提出了一个考虑上部结构刚度讨算基础沉 降、接触应力和弯距的方法。此后随着计算机和有限元的发展，其同作用研究有 了突破性进展。1 9 6 5 年，y k c h e n g 和o c z i e n k i e w i c z 首次运用有限元方法研 究地基基础的其同作用。1 9 6 8 年，j s p r z e m i e n i e c k i 提出了了结构的分析方法， 大大节省_ r 计算机容量，使共同作用研究得到新的发展。1 9 9 3 年，宰金珉、宰 会璋 4 1 在其专著高层建筑基础分析与设计中提出了一个运用简单的了结构处 理方法，直接利用高斯消儿法将上部结构的荷载与刚度凝聚到边界节点。 9 7 7 年，存印度召丌了第一次“上与结构共同作用”围际性学术会议。8 0 年代p o u l o s 5 】 利用m i n d l i n 公式提出，桩o 地基十共同作用分析的弹性理论法，推动了桩一十 与卜部结构和摹硎 共f r d 作f l j 研究的发展。 在嗣内研究起步较晚。6 0 年代初曾对共可作用问题做过一些研究工作，1 9 7 4 硕士学位论文 年起，先后在京、沪等地对卜幢高层建筑箱形基础与地基共同作用进行比较全面 的现场测试，在理论上作了比较系统的探索。宰金珉 6 】等( 1 9 8 3 年) 探讨了剪力 墙结构与地基基础的共同作用问题，朱百里 7 1 等讨论了土的非线性对共同作用问 题的影响；赵锡宏【8 】、杨敏【9 l 对上海高层建筑基础设计理论进行了较为详细的研 究。目前，国内有关共同作用理论的代表作有赵锡宏 1 0 】等的上海高层建筑桩筏 与桩箱基础设计理论、宰金珉1 4 l 等的高层建筑基础分析与设计以及董建国 等【1 1 的高层建筑地基基础。 1 2 1 2 共同作用的分析方法 把卜部结构、地基与基础看成一个整体，考虑三者之间的相互影响及其在接 触部位的变形协调条件来分析它们的内力和变形的方法称为共同作用分析方法 ( 1 ) 子结构法分析原理 由j ：计算技术的发展才有可能对：郜结构与地基基础做整体共同作用分析 即使如此，仍然会面临庞大的结构与有限的计算机容l 量之问的矛盾、结构分析的子 结构法最早是为解决飞机结构这类大型和复杂的有限元分析问题而建立起来的， 而后来才被用于共同作用分析 从结构中分割出子结构，把结构内的肖点自由度分为内节点自由度和边界节 点自山度。 刚度矩阵的凝聚过程，实质上是消去内节点自由度的过程，通过凝聚，整个 结构位移求解分解为先求边界节点位移和后求内节点位移两个过程。 上部结构的摔制方程反映了凝聚后的等效边界荷载列向量与边界位移列向 量之问的关系，显然凝聚后的刚度矩阵的阶数比原刚度矩阵的阶数要小得多值 得指出的是刘于层数较多的高层建筑，tu 以将整个上部结构分成若干个子结构， 然后按规定顺序进行凝聚 1 2 1 3 子结构分析法在共同作用分析中的应用 考虑到高层建筑的层数较多，计算时先要根据结构特点及计算机的存贮量， 将整个结构分割成若十个子结构，按照规定的顺序进行各子结构刚度和荷载的凝 聚。 空问框架的肖点多、计算最大，整体计算常常造成计算机容量不足和机时过 长。子结构方法把整体结构分为多个子结构，从而使每次计算节点未知量成倍减 第一章绪论 少，计算速度加快。对于每级子结构，呵以把各杆的局部坐标单元矩阵通过坐标 转换成整体坐标单元矩阵，然后组集成子结构的刚度矩阵【1 2 】。由此，得到子结构 的刚度矩阵并通过转换，得到等效刚度矩阵、等效边界荷载向量和边界节点位移 向量。 采用子结构法，无论是凝聚过程还是最后求解，每次运算只涉及个子结构， 大大减小了对机器容量的要求。：部结构尽管不同，但因结构分析的有限元法已 较成熟，因此很容易建立实现刚度与赫在凝聚的通用程序，而把注意力集中到基 础结构和地基的分析卜束。 1 2 1 - 4 上部结构与地基基础共同作用机理 假定基础为绝对刚。陀时，地基只发生均匀沉降，在上部框架节点荷载卜，梁柱 节点将不产生弯矩【1 3 】。在底层柱底部节点弯矩和柱的上、下端弯矩引起的剪力和 重新分布的轴向力反作用于基础顶部，基础内各截面将产生弯矩、剪力和轴向力。 当基础不能视为绝对刚性时，上部框架将作为整体与基础和土共同作用，在 上部荷载和基础重量作用下与基土共同变形。所谓共同变形是指各种变形的协调 即在整个结构体系内各节点( 包括柱与皋础连接处) 旋转角，柱的侧移和轴向变形 差以及捧础底板下面各点与十的接触条件【1 4 】。山于考虑基础非绝对刚性因此上 部框架柱与基础连接的节点将产生小均匀位移，r 阿使框架梁、柱产生节点弯矩。 随着上部结构逐渐向i 二增高，荷载不断增大，与基础形成整体的结构体系刚 度也不断增大。由于荷载的增人，结构_ i 断下沉，处j i 受拉区域的基础出现裂缝后 刚度降低，基石f f j 两端将呈上翘趋势。这一趋势使基底两端反压力减小但是基础上 翘受到上部结构的约束，导致在上部结构内产生内力重分布，边柱轴力加大，中间 柱减小，同时产生向外作用的剪j j 利t t 内边受拉的弯矩增量。由j 一这一内力重 分布作用，将使基础由于承受反向弯矩而导致其承受繁体弯曲的总弯矩减小上述 反向弯矩使基础板压应力减小，并有可能出现拉应力，亦即使中和轴不断上移而移 至位丁上部结构范围内，反向弯矩使基底边匕反力增大，基础上翘使其减小，这样 减小和埔人不断调整，基底反力随上部荷载增大而增大的量有可能接近常数【1 5 】。 、与 二部结构荷载重分布后( 愈向j j , t 载向边上集巾作用愈小) 为均布或接近均布 时，这时向卜的基础反压力和向卜 的上郎结构倚载引起的整体弯矩即不随荷载的 增人而增大或增大很少。 硕士学位论文 1 2 1 5 上部结构刚度对地基基础的影响 卜部结构的刚度是水平刚度、竖向刚度和抗弯刚度的综合1 1 6 j 。上部结构刚 度的增加会使基础承受的总弯矩减小 f 旦是通过对一些工程进行实测发现，上部结 构贡献刚度并不是随着e 部结构的增加而无限制的增加，当上部结构的层数增加 到一定程度时，对基础的影响将趋于一个定值。随着层数的增加，水平刚度和抗弯 刚度只是在最初几层增加较快，继而迅速减缓，趋于某一稳定值，而竖向刚度则随 层数增加以某种规律增加，同样达到某层时，亦趋稳定【1 7 l 。 当上部结构为框架结构时，填充墙与框架共同工作将大大增加结构的刚度。 同时结构刚度与施1 ：条件具有密切关系【1 8 ，尤其上部缔构为剪力墙结构时，结构刚 度要考虑阁0 度的形成方式。它u r 分为：认为整个结构的刚度和荷载是一次同时形 成的称为“一次形成”，认为本层结构刚度与本层的荷载同时形成的称为“逐层 彤成”，认为本层结构刚度对承受本层或后几层荷载无贡献的称为“滞后形成”。 当上部结构为框架结构时，要同时考虑基础的整体弯曲和局部弯衄，而整体 弯曲受到上部结构刚度的影响【1 9 】。当上部结构为剪力墙结构时，仅需考虑局部弯 曲。建筑物基础的内力、基底反力的人小与分布以及地基沉降量，除了与地基的 特性密切相关外，还受基础本身j 上部结构刚度大小所制约。 卜部结构刚度不但对基础产乍影响，对地基反力的影响也很大【2 0 】。基底反力 f | ： 线形状在随着上部结构层数增加而小断调整至稳定形状( 多为马鞍形) 后，基底 反力随上部荷载增大而增夫的量值近似常数，反映出上部结构贡献刚度的有限 性。影响地基反力分布的冈素很多，有建筑物荷载分布及其大小，摹础的埤深 基底平面的形状和尺寸，基础和上部结构的刚度，相邻建筑物的影响，地基_ 十的性 质以及施二i ：条件等。地基反力的确定是地基基础与上部结构共同作用中的一个关 键性问题，旦地基反力确定后，其它问题就容易解决。基础与地基土之间的相对 刚度f i 同会影响接触面的反力与变形，基础刚度较大而地基十比较软弱时，地基反 力近似于直线分布，如地基土坚硬而基础刚度较小时，荷载与地基反力两者的分布 有着明显的一致性，而基础内力很小。 l i 部结构刚度对基础、1 ，均沉降影岫不大，而刈基础差异沉降和基底反力分 布是有影响的。随着上部结构层数的增加，共同作用r 基底反力分布最初比较均 匀，随后不断向基础边缘集中。同时，基础的差异沉降随着上部结构层数的增加 第一章绪论 而减小，但当上部结构层数增加到定程度时，差异沉降减小得就不明显了。这 表明f 二部结构刚度对基础的贡献足有限的。 上部结构刚度的不同形成方式，对基础平均沉降的影响不是很大，而对基 础差异沉降和基底反力分布有较大的影响。存确定基底反力分布和计算基础沉降 时，应考虑上部结构刚度的实际形成方式，当结构刚度迟后1 2 层形成时，可简 化为逐层形成。 1 2 2 桩筏基础研究 1 2 2 1 桩筏基础性状研究 国外学者在五十年代便对桩筏基础的性状进行研究，如z e e v a e r t z 2 l 把桩筏基 础成功的用在墨西哥城，探讨了其性状和设计方法。h o p p e r ! 捌用有限元方法与伦 敦的桩筏基础的实测资料进行了比较。p a l k a 和n a b o r c z y k l 2 卅通过室内砂槽模型 与现场实测研究表明：桩筏基础的承载力要比筏基和桩基的单独作用时的承载力 之和耍大，文献脚1 1 2 6 1 也得出类似的结果。 八十年代，工程界运用低桩承台群柱基础桩一台共同作用的特点，进行设计， 取得极大的效果。f r e d r i k s s o n 和r o s e n z 7 】丰艮导了在软粘土中考虑桩、承台共同承 担荷载的桩筏基础设计实例，承台始终承担着定的荷载。虽然建筑物的沉降较 大，但不均匀沉降却很小。r i c h a r d 【2 8 】考虑桩一台的共同作用，将筏基节点处的 上模拟为离散的弹簧，f jm i d i l i n 方程计算沉降，实测表明沉降仅为6 5 m m ，说 明用桩筏共同作用漫计桩筏基础经济可行；并根据以往的经验认为筏板承担总倚 载的2 5 4 0 。文献 2 9 报道的一软土地区桩筏基础，基础与底板脱空，桩底 持力层强度人，基础底板的荷载最终由桩柬承担。 综俞以上研究，桩筏基础的。陆状如卜： ( 1 ) 桩对减少筏慕的沉降的效果明显，但增减约1 0 的桩对基础的沉降影 响很少；对十均质土，当达到定的l d 时，桩加长对减少沉降的作用并不显著。 ( 2 ) 在桩筏与地基十接触的条件f ，桩、筏共同承担荷载。如桩距为3 4 d 时，筏可承担3 0 以内的荷载。 ( 3 ) 适当增大桩距，可改善桩顼反力分川，但沉降将增大。 ( 4 ) 上部结构刚度对基础的平均沉降几乎无影响，但u 减小差异沉降，并 l j 时影响桩顶荷载和基础内力的分布。 硕士学位论文 ( 5 ) 筏板对桩身上部的桩侧摩阻力具有削弱作用，随桩距和桩的入土深度 与承台宽的比值增大而减小。在桩距3 ，- - 4 d 时，筏板、桩对桩下端的桩侧摩阻 力、桩端阻力具有力h 强的作用，随桩距的加大而减小，随桩数的增多而加大。 ( 6 ) 桩壁附近高应力区产生塑性变形，但塑性反应只局限于桩侧近场域， 并不对邻桩产生共同作用的贡献。【7 6 】 宰会珉【3 0 】根据大尺寸模型试验和桩十承台非线性模拟数值分析的结果得出： 对于大间距桩基，单桩的非线性一 作性状住群桩的非线性性态中占主导地位，以 单桩p s 曲线的特征来反映群桩中各桩的扑线性性态不仅可行而且偏于安全， 并提出对单桩取用极限承载力的设计思想，形成桩土荷载分担明确的整体承载力 与沉降量双重控制卜| 的复合桩基设计方法。还对基于条形和圆形基础f 的极限承 载力研究，结合滑动土体绕杭时极限阻滑力的理论解答，导出了复合桩基承台底 土的极限承载力由j ：桩的遮帘作用而获得提高值的理论解【3 ”，并对复合桩基的沉 降计算进行了研究【3 2 】。按塑性支承桩概念没计1 3 3 1 的南京建筑工程学院图书馆桩 基础将桩用到极限荷载，充分利用地基十承担荷载，桩基础i ：程共节省1 0 4 万元， 说明复合桩基的运用经济合理。 关于桩七相互作用问题r a n d o l p ha n dw o r t h ( 1 9 7 9 ) 对桩长相l 一，g o 为常 量，剪切模量d 与深度成比例的弹件十体，刚性群桩用剪切位移法得到解析解， 柔性群桩可经迭代，都最终得到相互作用因子，从r 面推得弹性沉降”“。该方法可 认为足半解析数值法的有益尝试。g u oa n dr a n d o t p h ( 1 9 9 7 ) 又将该方法推广到 各向异性弹性t 体”。c l a n c ya n dr a n d o l p h ( 1 9 9 4 ) 则在混合法基础上，用非 线性荷载传递弹簧来模拟桩土接触，筏十接触面用筏节点上的弹簧来模拟，桩、 土、筏则采用有限元方法7 。大型群桩虽需较多的计算t a m ，从而限制了方法的 应用，但仍然显示了非线性分析中利厂玎半解析数值法的良好前景。 国内，很多学者也对复合桩基进行了研究。如刘利民等 3 4 1 将有限儿和无限元 相结合，通过计算分析得出：复合桩基中桩侧阻力是由桩端向桩顶发展的，减小 桩长、桩径，增大桩距都有利于桩侧阻力发挥和复合桩基的效率的提高。饶纠：旗 等闭、郑刚等f 3 6 】对复合桩基的适用条件进行了探讨。 1 2 2 2 桩上相互作用的分析方法 群桩的受力变形特性要求考虑桩土之问的相互作用。分析方法大概可分为如 第一章绪论 下几种： ( 1 ) 弹性理沧方法 弹性理论方法假设桩被插入理想的均质、各向同性的弹性半空间内，弹性模 量和泊松比不因桩的存在而影响，桩周粗糙，桩底甲滑，桩士之问保持弹性接触， 桩与桩侧土的位移相等，忽略桩土的径向变形。代表性的分析方法有以f 两种： a 1 基于m i n d l i n 给出的均质弹性半空间作用单位竖向简载时的位移解， p o u l o u s 和d a v i s 提出了竖向位移影响系数的概念来反映桩与桩之间相互影响， 并推广至任意桩数的群桩，通过联电位移协调方程和荷载平衡方程，给出绝对m 0 性，绝对柔性承台下的沉降计算方法。此方法简单但最终归结为桩顶位移和桩顶 荷载的关系方程，故不能真实的反映桩筏基础的相互作用，而且不能考虑筏基的 刚度。国内在八l 年代运用弹性方法对桩筏基础的其同作用机理进行分析，也取 的大量成果【3 7 】【38 1 。 b ) 基于m i n d l i n 解的鹿力綦本解。g e d d e s 删通过假定桩周摩阻力和桩端阻力 的分布形式和大小，给山了半窄问内任意点处引起的竖向应力。利用烃向应力 公式和分层总和法求得桩土支承体系柔度矩阵，建立考虑桩一七一桩相互作用的 群桩沉降计算方法。 弹性理论方法的优点是考虑了实际土体的连续性，就此点而高，可用于 考虑群桩中桩与桩之间的卡h 互影响的群桩分析，由于假设土是理想均质、各向同 性、土的应力应变关系为线弹俐：，就很难考虑十的非线性和层状特性这两个重要 特点。虽然对弹性理论作了许多改进，如采用不同的魄，或分层总和法计算土 的位移，以考虑土的分层；考虑桩周土和桩之间的滑移，以考虑土的非线性。但 运用弹性理论计算上的竖向柔度矩阵较费时，而且如何e 确选择土的两个重要指 标e s 、“值仍须进一步研究。 ( 2 ) 有限元方法 有限冗方法是一种强而有力的数值计算方法，川同时考虑影响桩性能的许多 因素，如十的非线性、非均匀性、各向芹性、土体的固结、蠕变等等。e i l l i s o n 4 0 l 最早使用有限元分析单桩。固内外的学者f 4 1 1 1 4 2 1 i ”l 先后也提山了运用有限元法考 虑诸多闵数的分析方法。但山卡实际l 程的复杂性，耳计算参数较多，义受到计 算机内存和速度的限制，直按存工程 ：的运用仍是网难的。 硕士学位论文 ( 3 ) 传递函数法 s e e d r e e s e 删根据试验结果提出了荷载传递法的理沦分析方法。此方法将 桩离散成许多单兀，每单元与一“弹簧”连接，以表示该处桩与土的联系，弹 簧的应力应变关系反映土阻力与桩位移的关系，一般称之为传递函数。c h o w l 4 5 1 将传递函数和弹性理论方法相结合，以传递函数模拟群桩中的单桩，用m i n d l i n 位移解来决定桩一上一桩三者之间的相瓦影响的方法。王旭东对原理论的r y 曲线进行了修汇 蛔，该传递函数法能较好的反映桩侧土的层状非均质性和非线 性。国内对传递函数法的研究还有很多f 4 7 l 【4 8 4 9 】，并取得了较好的成果。 荷载传递法对解决上的分层和非线性比较方便、有效。该法将桩周七视作文 克尔地基，认为桩周上的位移只与该点桩侧摩阻力有关。传递函数能否反映桩土 界面的应力和位移的关系，决定了此方法的r 叮靠性。但是荷载传递法不能指出桩 上某一点的力是如何影响桩周嗣土体的。 ( 4 ) 剪切位移法 剪切位移模式由c o o k ( 1 9 7 2 ) 等1 5 0 1 提出，后经过r a n d o l p h & w o r t h 5 ”、 c o o k e l 5 2 1 、n o g a m i l 5 3 1 的不断发展，最终形成剪切位移法，并应用于群桩分析。剪 切位移法将桩身和桩端的变形分别计算：对于桩身部分，假定桩周上的变形和剪 应力分布理想地视作同心圆柱体，导得桩周上的弹性变形公式；对于桩端部分， 呵按弹性理论方法计算。再根据变形协测条件，求解桩的轴力、摩阻力以及位移。 将桩周上的变形和剪应力分布形式理想地视作同心圆柱体，己被试桩结果和有限 ，i 法【5 4 】所证实。 文献 5 5 曾利用剪切位移法，并考虑桩端以下为层状地基上，用分层总和法 汁算桩基沉降。宰金珉、杨嵘昌1 5 6 】提出了桩周上非线性的广义剪切位移法。该 方法用四折线模拟t y 实验曲线，建立桩剧十弹塑性剪切位移场，而桩侧十的 弹塑性剪切他移u 。用来模拟桩的非线性：并用双曲线模拟桩端土的非线性，结合 有限层方法建立桩十非线性芡i 州作用方程。 剪切位移法可给出桩周土体的位移场，对群桩的分析可从位移叠加的方法来 实现，如考虑桩侧土剪切模量的变化，就可考虑土的非线性。 ( 5 ) 有限层法 l e e 5 6 】采用s m a l l 和b o o k e r l 5 7 1 提出的有限层方法分析了弹性1 f 均质、各向 第一章绪论 同性和正交各向异性土层- | j 单桩的轴向受荷情况。该方法有效且适用于微机分 析，但未将其推广至群桩分析。宰金联、张问清等【5 8 】提出的有限层方法可分析任 意力系作用下的层状各向异性的半空i h j ，并被运用于群桩。 1 2 2 3 筏板模拟 为简化计算，许多桩筏共i 司作用研究都假设筏板为绝对刚性，夸大了筏板产 生的架越作用，导致差异沉降减小，而有些研究假设筏板绝对柔性，忽略了筏板 刚度的贡献。因此进行共同作用分析时，考虑筏板的实际刚度具有重要的意义。 k i r c h h e f f 的薄板小绕度经典理论在板分析中占有重要地位。其主要假设是： ( 1 ) 横向剪应力引起的变形忽略不训，从而使得变形垂直于中面的法线， 变形后仍垂直于中面。 ( 2 ) 垂真丁中而的正应变忽略小计，挠度w w ( x ，y ) 只是水甲向坐标n y 的函数，与峰向坐标无关。 ( 3 ) 板中面各点不发生平行于中面的位移。 薄板挠度理论的适用范围是板宽丑与板厚h 之比b 腩1 0 ，并日最大挠度在 纠1 0 - h 1 5 以内，同时也不大于b 5 0 。 当板厚超山上述范围时，横向剪力引起的变形不能忽略，剐第一条假设不再 成立。冈此，r e i s s n e r 5 9 】提出厚板理论。但较薄板理论要复杂的多。结构分析 中胡：多实例表明，薄板与厚板两者理论差异与板的宽厚比的平方( b h ) 2 成i f 比， 并随b h 的增加，厚板理论的分析结果趋向于薄板理论。存实用f 二，一般认为 曰h 1 0 时的薄板理论的结果已具有足够的精度，不必采用复杂的厚板理论。高 层建筑中，即使是厚筏，般也都满足宽厚比b 历1 0 的要求，差异沉降也较小， 可满足不大于b 5 0 的要求，因此筏基属于薄板小挠度理论的适用范围。 1 2 2 4 桩筏基础分析方法 桩筏基础分析的方法有代表性的有： ( 1 ) 混合的有限i 弹性连续体方法1 6 0 l 。假设土体为弹性连续体，桩一筏 联结处仪有竖向力传递，筏板下各桩的大小致。矩形板弯曲有限兀模拟筏板， 利用m i n d i n 公式计算桩一桩、桩上或土上的共同作用系数。该方法可反映 筏板的内力，但计算烦琐，而h 计算的桩数有限，桩长相等，不能考虑桩土界面 的滑移，不能反映土体的层状和非线性特性。 1 0 硕士学位论文 ( 2 ) 有限元一弹性连续体一荷载传递方法【6 ”。假设土体为