（岩土工程专业论文）桩—承台（筏板）—土在不同构造方式下的相互作用分析研究.pdf

中文摘要 桩与承台( 筏板) 的不同连接方式对群桩基础的承载能力、变形性状以及桩 土荷载分担比有显著影响。本文对桩筏基础和桩顶预留净空桩基础进行了深入的 实验及数值分析研究并考虑了桩周土体的固结对桩筏基础工作性状的影响，研究 揭示了桩筏基础及预留净空桩基础的桩身轴力、桩侧摩阻力、变形和桩土荷载分 担随时间的变化规律。本文所作的主要工作和研究成果如下： 1 本文设计了一种群桩桩筏基础和桩顶预留净空桩筏基础的可视化模型实 验：将埋置在分层铺设染色砂带土体中的群桩基础模型受竖向荷载作用下的变形 过程在可视面一侧全程拍摄，并利用p o s t v i e w 图像分析处理软件将所拍摄的数 码照片进行分析得到桩基础在观测面上桩土相互作用位移场的变化情况。同时利 用电测设备对桩身进行电测，也得到桩身轴力、侧摩阻力的变化规律。 2 采用a b a q u s 软件建立无台单桩、带台单桩和桩顶预留净空单桩三维有 限元模型，分析了竖向荷载作用下群桩基础和预留净空基础中独立基桩的工作原 理。首次研究了桩顶预留净空值的改变对桩基础轴力、侧摩阻力及变形的影响， 揭示了预留净空值大小与基础受力沉降机理的关系，该结论可以引入到桩顶预留 净空群桩理论中，在工程实践中可通过调整预留净空值达到合理精确控制差异沉 降和调控土体荷载分担量的目的。 3 采用a b a q u s 软件建立考虑土体固结效应的大桩距桩筏基础和桩项预 留净空群桩基础的三维实体模型，对比分析了两种群桩基础的内力和变形随时间 的变化规律，重点讨论了预留净空群桩基础在降低承台差异沉降以及减少桩身轴 力方面的优势，并预测了土体长期固结效应对桩身内力变形的影响。 4 本文建立了简化的高层带裙房框架的高层一筏板一群桩一土体的三维流 固耦合模型，通过改变裙房筏板下桩顶与筏板的连接构造方式，研究了桩顶预留 净空桩在减少因不均匀荷载及筏板变刚度等因素引起的差异沉降方面的优势，为 未来高层建筑结构控制差异沉降提供了一种新思路。 5 在对桩顶预留净空桩基础的实验研究和理论分析基础上，针对工程实践 本文提出了一种新型的预留净空桩施工方法，既发挥了预留净空的作用又能防止 桩顶与筏板之间发生水平变位等问题，便于工程实践应用。 关键词：桩顶预留净空桩基础、桩筏基础、可视化模型实验、三维有限元模型、 差异沉降、高层建筑 a bs t r a c t t h ed i f f e r e n tc o n n e c t e dm a n n e r so fp i l e sa n dr a f t ( c a p ) h a v ea ni n f l u e n c eo n p i l e dr a f t sb e a r i n gc a p a c i t y , d e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n dl o a ds h a r i n go fp i l e sa n d s o i l m u c hw o r kh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e ri n c l u d i n gp e r f o r m i n ga ne x p e r i m e n t a la n d n u m e r i c a la n a l y s i so nc o n v e n t i o n a lp i l e dr a f ta n dp i l e dr a f tw i t hg a pb e t w e e nt h ep i l e t o pa n dc a p ，b o t ht a k e ni n t oa c c o u n tt h ei n f l u e n c eo fc o n s o l i d a t i o no fs o i l t h e f i n d i n g sr e v e a lt h a t t h ec h a n g ew i t ht i m eo fp i l ei n t e r n a lf o r c e ，s h a f tr e s i s t a n c e ， d e f o r m a t i o na n dl o a ds h a r i n go ft h et w ot y p eo fp i l e dr a f t t h er e s e a r c ha n df i n d i n g s o ft h i sp a p e ri n c l u d i n g ： 1 t h i sp a p e rd e s i g n e dak i n do fe x p e r i m e n ta b o u tv i s u a lm o d e lt e s to fp i l e dr a f t o n eo ft h ef o u rs i d e so fm o d e lt a n ki sp l e x i g l a s s ，w h i c hm a k ei tp o s s i b l et oo b s e r v e t h ed e f o r m a t i o no fp i l ea n ds o i lw h e nl o a d i n g h i g hp r e c i s ed i g i t a lp i c t u r e sw e r e t a k e nt oa n a l y z et h ed e f o r m a t i o nf i e l do f p i l ea n ds o i lb yu s i n gp o s t v i e w a tt h es a m e t i m e ，t h es t r a i na n ds h a f tr e s i s t a n c ec a n b eo b t a i n e db y t h ew a yo fe l e c t r i c a l m e a s u r e m e n t 2 t h e3 dn u m e r i c a lm o d e li n c l u d i n gs i n g l ep i l ew i t h o u tc a p ，s i n g l ep i l ew i t h c a pa n ds i n g l ep i l ew i t hg a pb e t w e e nt h ep i l et o pa n dc a ph a v eb e e nb u i l tu pb y a b a q u ss o f t w a r ea n dt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f t h e s ek i n d so fs i n g l ep i l em o d e l s u n d e rt h ev e r t i c a ll o a dh a db e e nd i s c u s s e d p u te m p h a s i su p o nt h ei n f l u e n c eb y v a r i a t i o na b o u tv a l u e so ft h i sg a pi np i l e dr a f t si n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o n i t f o u n do u tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev a l u e so fg a pa n di n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o no f p i l e dr a f t a l s o ，t h ea c c u r a t ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tv a l u ea n dl o a ds h a r er a t i oo f s o i l a n dp i l ec a nb ec o n t r o l l e db yp r e s e t t i n gt h ev a l u eo f t h i sg a pi nt h ef u t u r e 3 t h e3 dn u m e r i c a lm o d e l so f p i l e dr a f ta n dp i l e dr a f tw i t hg a pb e t w e e np i l et o p a n dc a pc o n s i d e r i n gt h es o i l sc o n s o l i d a t i o nh a db e e nb u i l tu pu n d e rt h eh e l po f a b a q u s t h er u l e sa b o u tt h e s et w ok i n d so f m o d e l s i n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o n a l o n gw i t ht i m ev a r i a t i o nh a db e e nf o u n do u t t h ea d v a n t a g eo f t h es e c o n dp i l e dr a t t o nr e d u c i n gt h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t w e r ee m p h a s i z e d s i m u l t a n e o u s l y , t h e i n f l u e n c eo fs o i l sl o n gt e r mc o n s o l i d a t i o nu p o nt h ei n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o n w e r ef o r e c a s t e d 4 t h i sp a p e rb u i l tu pa l l3 dn u m e r i c a lm o d e lw h i c hh a do n ec h i pt a l lb u i l d i n g w i t ha n n e x - p i l e dr a f t s o i ls y s t e m b yc h a n g i n gt h ec o n n e c t e dm a n n e r so fp i l ea n d c a pu n d e rt h ea n n e x ，t h ea d v a n t a g eo nc o n t r o l l i n gt h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tr e s u l t e d f r o mn o n u n i f o r ml o a do rv a r i a b l er i g i d i t yo fr a f tb yl a y i n go u tg a pb e t w e e nt h ep i l e t o pa n dc a pw a sb r o u g h tt ol i g h t , a n dt h i sv i e w p o i n t a n dm e t h o dw e r en e w 5 o t h e rt h a nt h et h e o r ya n a l y s i sa n dm o d e lt e s t , t h i sp a p e rb r o u g h tu pan e w k i n dc o n s t r u c t i o nm e t h o do nt h ep i l e dr a f tw i t hg a pb e t w e e np i l et o pa n dc a p t h i s m e t h o dc a nm a i n t a i nt h ee f f e c to fg a pa n ds t r e n g t h e nt h ec o n n e c to fp i l et o pa n dc a p ， i na d d i t i o n i tw a sv e r yc o n v e n i e n tf o rt h ec o n s t r u c t o r s k e yw o r d s ：t h ep i l e dr a f tw i t hg a pb e t w e e np i l et o pa n dc a p ，p i l e dr a i lv i s u a lm o d e l t e s t ，3 df e m ，d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ，t a l lb u i l d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 套i 撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育讥构的学位或证 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论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雾琴弦 、签字日期： 例7 年多月j j 日 学位论文版权使用授权书 本莩位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：靠欷豸 导师签名： 签字日期：砧年月：7 日 场 ? 飙枷严刖p 天津大学博士学位论文 1 1研究背景 第一章绪论 桩基础是深基础的一种，工业与民用建筑中一种常用的基础形式，它具有承 载力高、沉降速度缓慢、沉降量较小等特点，这些优良的特性很好的适应了在软 土地基上建造建筑的要求，成为工程界在软土地基上修建建筑时优先选择的基础 形式之一，近年来关于桩土相互作用的研究与工程实践得到了极大的发展。这里 的桩的概念是广义的，可指常规的钢筋混凝土桩、钢管桩，也可指作为地基加固 体并与土形成复合地基、共同承担荷载的各类“桩( 增强体) ”。 群桩基础是高层建筑物或软土地基上建筑物常用的基础型式。群桩基础的变 形受上部结构、基础和桩、土相互作用的制约，因此其计算分析十分复杂，实际 工程设计中问题较多，优化空间较大。 近年来，群桩基础的理论与实践研究很多，在桩一土相互作用方面的研究与 设计理论取得了很大的进展。就桩、土与承台( 基础) 之间的构造方式而言，大 致可分为常规桩基础、桩筏基础、刚性桩复合地基三大类。 常规桩基础的特征是桩间距较小( 一般小于6 倍桩径) ，桩顶嵌入承台( 基 础) 或者桩顶与承台( 基础) 接触但不嵌固，荷载由基础直接传递给桩和土。依 据承台的位置又分为高承台群桩基础和低承台群桩基础，承台位置的不同影响了 传力路径以及共同作用机理的差异。在本文的研究工作当中，如无特指则常规桩 基础均指低承台群桩基础。 桩筏基础也称作沉降控制复合桩基础、附加摩擦桩的补偿基础( c o m p e n s a t e d f o u n d a t i o nw i t hf r i c t i o np i l e s ) 1 1 、减少沉降量桩( s e t t l e m e n tr e d u c i n gp i l e s ) 1 2 j 等， 其最大特点就是群桩基础中的单桩主要是起控制和减少基础沉降的作用，一般都 是摩擦桩，其桩端持力层不十分坚硬，当承台产生一定沉降量时，桩能充分发挥 并始终保持其全部承载力并能有效的减少基础的沉降量，其数量和常规桩基础中 的桩数相比明显减少而桩距却显著的增大。沉降控制复合桩基础可以被看作是有 足够地基承载力的承台和较大桩距( 工程实践中按轴线形布桩时，桩距一般在 5 d , 、, 6 d 以上，d 为桩径) 的摩擦桩群组成的特种类型低承台摩擦桩基础，是介于 天然地基浅基础和常规桩基础之间的一种地基基础型式。该基础型式中的桩数较 少，桩项荷载有可能达到地基土对桩的极限支承力，桩与桩周土界面局部范围内 的土体发生屈服。因此为了确保整个基础体系有足够的安全度，均对承台自身的 第一章绪论 地基承载力提出了严格要求，即完全不计摩擦桩对外荷载的分担作用，要求承台 单独承担来自于承台底上的全部外荷载。 刚性桩复合地基是在桩项与基础之间设置褥垫层，荷载经基础由褥垫层分配 给桩和土，最典型的基础型式是c f g 桩。其中，褥垫层的作用是保证桩土共同 承担荷载，调整桩土荷载分担比以及减小基础底面应力的集中。刚性桩复合地基 中的基桩最主要的作用是与天然地基共同形成一种加强土体，从而提高整个地基 的承载力【3 1 ，如图1 1 所示。而采用桩土共同承担荷载的减沉桩、疏桩基础实质 上也是一种刚性桩复合地基，只不过后两者中桩常常被设计为发挥至接近单桩极 限承载力【4 】。复合地基与天然地基相比，可提高承载力降低沉降，具有良好的社 会效益和经济效益。 、 图1 1 刚性桩复合地基( 引自参考文献【3 】) 关于刚性桩复合地基与复合桩基，一直存在着属于复合地基还是桩基的争 议。近年来的一些新发展，特别是工程实践中的一些新做法给刚性桩复合地基与 复合桩基的讨论又带来新的课题。 一、常规桩与传统复合地基中“桩”的结合 传统的桩可指木桩、打入或压入式钢筋混凝土预制桩、成孑l ( 排土、部分排 土及不排土) 就地灌注桩( 如钻孔灌注桩、沉管灌注桩、c f g ) 、钢管桩等。 实际上，传统复合地基中的砂桩( s a n dc o l u m n ) 、砂石桩( s t o n ec o l u m n ) 、 碎石桩( g r a v e lp i l e ) 、搅拌桩( d e e pm i x i n gc o l u m n ，c e m e n tc o l u m n ，l i m e c e m e n t c o l u m n 等) ，在英文文献中多被称为土加固体( s o i lr e i n f o r c e m e n te l e m e n t ) ，一般 指对原位土进行加固形成的“柱”体或“桩体”或形成低强度、低或无粘结性柱 体。 在桩基目前的发展趋势中，出现了传统桩基础中桩与复合地基中各类“桩” 的柱体的结合，而形成很多新的复合桩体，呈现了“柔性桩、半刚性桩向刚性桩 天津大学博士学位论文 的发展【5 】”。例如，在常规水泥搅拌桩中心压入预制芯桩、在粉喷桩中静压压入 预制桩、搅拌桩中施工沉管灌注桩、在悬喷桩中插入型钢等以获得较高的单桩承 载力。研究表明，当芯桩尺寸适当时，摩擦型复合桩体可获得不小于与水泥土桩 外围尺寸相同的灌注桩的承载力【6 】。日本也采用在悬喷桩中心插入钢管用于桥梁 桩基的抗震加固、在大直径水泥土桩中插入钢管形成钢管水泥土桩等。此外，还 有在砂石桩中插入预制桩形成“砂芯砂石桩7 。，以加快地基固结从而减少复合 地基工后沉降和差异工后沉降。 二、传统复合地基与桩基的结合 其特点是在同一建筑物基础下同时采用钢筋混凝土桩、水泥土桩等共同承担 荷载。即桩基础中，对桩间土采用复合地基范畴中的各类桩进行加固，期望提高 桩间土承载力从而提高桩间土的分担作用。例如：钢筋混凝土桩、粉喷桩、砂桩 组合形成的多元复合地基，钢筋混凝土桩、水泥土桩组成二元复合地基等。有人 称之为“刚柔复合桩基【8 1 ”，并在杭州某一1 2 层的高层建筑下应用了有效桩长9 m 、 桩径6 0 0 r a m 的深层水泥搅拌桩4 4 根，桩径分别为5 0 0 m m 和6 0 0 m m 、桩长3 6 5 m 的钻孔灌注桩6 0 根。 相对于以上几种方式，近年来出现了一些新的研究与工程实践： 针对框架( 或外框内筒、框架剪力墙) 结构建筑物经常出现边柱沉降小、 中柱( 或内筒) 沉降大的情况，f l e m m i n g 9 】等1 9 9 0 年首次提出了在边柱下面设 置具有一定模量的可压缩垫块，使边柱从而可产生较大的沉降，从而减小边柱与 内柱的沉降差，如图1 - 2 所示。 1 9 9 8 年，c a o 1 0 等针对地震区或可能承受较大风荷载作用的减少沉降量桩 基，为减少桩身过高的竖向应力和相应分担的水平荷载，提出了将桩脱离筏板一 定高度( 称为d i s c o n n e c t e dp i l e ) 的做法，并对放置在硬粘土上桩筏基础的筏板 桩土相互作用进行分析。c a o 、w o n g ，i h 1 1l 】等2 0 0 4 年进行了离心模型试验，研 究了桩筏脱离情况下不同布桩方式、不同桩长时筏板桩土的相互作用。该研究 主要是基于减少沉降控制桩基础可能受到过大水平力的问题。实质上，c a o 等人 的研究的d i s c o n n e c t e dp i l e 类似于国内的剐性桩复合地基，只不过前者的桩顶与 筏板之间不设置褥垫层，而是筏板下原位的土体。 除了以上的基础型式，郑刚教授提出了在桩顶与基础之间预留净空以发挥土 承载力的构造型式【1 2 】，如图1 3 所示。郑刚教授指导的研究生【限1 4 1 进行了现场 足尺试验，在桩顶与承台之间预留一定高度净空时桩土分担荷载的情况进行了研 究。可通过调整桩顶预留净空值来事先确定欲使用的土承载力。该种桩型荷载传 递过程简单，桩与桩间土承载力发挥明确，在加荷前期，桩项预留净空可有效地 发挥土的承载力；当桩项与土接触后，桩即可主要承担随后增加的荷载，并迅速 第一章绪论 控制沉降，加载全过程桩土荷载分担情况见图1 4 。 图1 2 桩项设置可压缩垫块 枷 猢 z j 荟瑚 瞄 m o 图1 3 桩顶与载荷板之间预留1 0 m m 净空( 引自参考文献【5 】) 叠奢彰州 图1 4 加载过程桩土荷载分担 由图1 3 可见，在桩顶与载荷板接触之前，荷载完全由土承担( 当然，会由 此在桩身产生一部分负摩阻力) ，当桩顶与载荷板完全接触后，新增加的荷载则 主要由桩身承担。这样的做法，桩、土分担荷载的过程显著分为两个阶段，第一 阶段桩顶不承担荷载，荷载主要由载荷板下土体承担；第二阶段随着加载的进行， 当桩顶与载荷板完全接触后，上部荷载则逐渐由土体转移至桩身。 在国际上，新加坡的x i a od o n gc a o 和i n gh i e n gw o n 9 1 5 j 等也通过模型试验 和计算分析( 如图1 5 所示) 提出了类似的观点。桩与承台之间保留一定间隔，其 间充填土体。当桩基础受到竖向荷载作用时，承台与桩之间的土体能够率先发挥 4 天律大学博士学位抡文 作_ i j 调整承台下的桩土荷载分担比以提高地摹土的承担上部荷载的能力。 ( a ) 实验装置( b ) 讣算模型 图卜5 作用在桩体加固上l 的筏板模型实验研究( 引自参考文献 1 5 ) 虽然侧重点不同，但是这两种桩基础研究的方法都是通过桩顶与承台( 载荷 扳) 的分离使得上部结构通过承台( 载荷板) 传来的蛏向荷载首先由土体来承担 荷载传递过程简单且桩上荷载分j 羔! 明确，可以充分发挥桩与桩问土的承载作用。 对于预冒i 净空桩，还可以通过调整预留净空值柬确定散使用的i 体承载力萤值。 笔者认为，虽然这两种桩基础型式与刚性桩复合地基相似但是却比后者在提高 承载力方面有着显著的优辨。刚性桩复台地基筏板f 的褥垫层虽然能够调整筏板 的刚度，使土反力得到较充分的发挥世是褥垫层的厚度依然会影响上反力的发 挥效果且褥垫层愈厚桩身减沉的作用效果愈不明显，困此在软土中设置褥垫层 虽口增加土反力，但这是以增加沉降为代价的。 毋庸置疑，桩身与承台( 基础) 的连接方式的不同造成了群桩基础传力路径、 受力机理以及桩土共吲作_ 【 j 方面的差异。此外，桩上接触面的物理性质以及桩基 础本身的几何参数亦会对群桩基础的沉降以及承载力产生重要的影响。 12单桩基础的沉降分析研究现状 实际工程中的桩基础通常由群桩组成。从以往的研究工作中已经建立了群桩 与单桩沉降之间的理论戈系或者根据现场实验、室内实验得到二二者之间的关系， 然后利用这些关系平u 单桩沉降在某些特定的土质与地层剖丽条件下，可估计群 桩基础的沉降。把土看作种单相介质，单桩沉降的计算方法主耍有弹性理论法、 第一章绪论 荷载传递法、剪切变形传递法以及其他方法等。 目前应用线弹性理论计算弹性地基中的桩基础是桩基问题求解中最为广泛的 方法。t h u r m a n 和d a p p o l o n i a 1 6 1 ，d a p p o l o n i a 和r o m u a l d i i l 门以及s a l a s 和 b e l z u n c e l l 8 】对线弹性土体中单桩性状进行了详细研究，在此基础上p o l o u s 和 d a v i s i 悖1 进行进一步的研究和总结，提出了一套以m i n d l i n l 2 0 1 解为基础的较为系 统、简单的方法。p o l o u s 方法的基本假定是：地基为均质且各相同性的弹性无限 半空间体，土体的弹性模量和泊松比不随桩基础的加入而发生改变，桩身粗糙而 桩底端平滑，桩与土之间保持弹性接触不产生相对滑移，因而桩身位移与桩周土 体位移保持一致。半空间土体的位移采用m i n d l i n 解计算，在计算的过程中只考 虑桩受竖向荷载的作用而忽略桩身的径向变位。p o l o u s 把桩以及桩周土分为若干 段并将每段桩土进行隔离分析，对于半空间土体利用m i n d l i n 解得到土的位移方 程，对于桩身则进行离散，然后按照材料力学中杆件的求解方法建立位移平衡方 程，再通过桩土位移协调条件建立桩土共同作用的线性方程组，解之可得桩身侧 摩阻力、桩端土反力以及每段桩身的位移和轴力。 由于在p o l o u s 的方法中以作用在桩表面的真实未知力作为未知函数，求解得 到的结果作为侧摩阻力，因此在p o l o u s 的方法中把桩土分离以后假设桩所在的 孔洞不存在，在理论上不够严密并会导致一定的误差，b u t t e r f i e l d 和b a n a e r j e e 弘i j 将边界元法应用到单桩和群桩的计算中，该方法的特点是沿桩表面取未知的虚拟 力分布函数，然后把半空间的量通过奇异积分表示出来，根据桩土变形协调条件 建立桩土共同作用的积分方程，继而解得桩身的侧摩阻力、轴力以及位移。 m u k i t 2 2 l 在桩的计算中把桩和土分别按照半空间线弹性体和一根虚拟桩来处 理，其中虚拟桩的弹性模量为真实桩弹模与半空间土体的弹模之差，他用半空间 桩截面上的平均应变和虚拟桩截面上的应变相等为协调条件，利用半空间圆形载 荷基本解得到桩土共同作用的第二类f r e d h o l m 积分方程。求该积分方程的数值 解即可解决桩土共同作用问题。m u k i 的方法数值计算简单且计算量较小，因而 得到一定程度的推广。弹性理论法用来对桩土系统研究单桩在竖向荷载作用下桩 土之间的作用力与位移间的关系，进而得到桩对桩、土对土、桩对土、土对桩的 共同作用模式。与荷载传递法相比，弹性理论法得到的单桩沉降其离散性要小。 上述的弹性理论法只适用于无限半空间均质弹性体，对于非均质的弹性土体， p o l o u s l 2 3 和y a m a s h i t a 2 4 】利用经验方法对修正土体的弹性模量，然后再用m i n d l i n 解计算层状地基中的桩土位移。c h i n l 2 5 1 根据简化的边界元法利用c h a n t 2 6 1 的两层 地基基本解解决了双层地基中的单桩和群桩问题。 荷载传递法也称传递函数法，由c o y l e 和r e e s e 2 7 于1 9 6 6 年提出，其基本 思路是把桩身划分为若干个弹性单元，每一单元与土体之问用非线性弹簧联系， 6 天津大学博士学位论文 用以模拟桩土间荷载传递关系，桩端土亦用非线性弹簧与桩端相联系。桩侧摩阻 力与剪切位移之间的关系可以用这些非线性弹簧的应力一应变关系来表示，这一 关系称为传递函数。由于该法假定任意点的桩位移仅与该点的摩阻力有关，而与 桩其他位置的摩阻力无关，没有考虑土体的连续性，故这种方法不能推广到群桩 的共同作用分析。 剪切变形传递法也称剪切位移法。c o o k er w ( 1 9 7 4 ) 2 8 】提出了摩擦桩的荷载 传递物理模型，用于分析弹性地基中刚性纯摩擦桩的性状，r a n d o l p h 和w r o t h 在c o o k e 的基础上做了进一步研究。假定当荷载水平p p 。较低时，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，因此桩沉降时周围土体也随之 发生剪切变形，剪应力从桩侧表面沿径向向四周扩散到土体中。分析时假定桩侧 上下土层之间没有相互作用。此外，认为摩擦桩一般在工作荷载作用时，桩端承 担的荷载比例较小，计算中可略去不计。可以知道，剪切位移法也是要得到桩侧 位移与桩侧摩阻力、桩端位移与桩端阻力之间的关联关系，以此来分析桩基础的 性状。因此可以认为剪切位移法与荷载传递法有一定的相似性，但剪切位移法可 以得到距离桩一定位置处的位移，这一点对于在以单桩分析的基础上进一步对群 桩进行分析是有益处的。 除了以上三种主要的单桩沉降分析方法，目前常用的还有如有限单元法、边 界元法、经验方法( p o u l o s ，1 9 8 9 ) 、简化方法( d a s l 2 9 】介绍的方法、我国铁路 ( t b j 2 8 5 ) 、公路( j t j 0 2 a 8 5 ) 两规范的方法) 等，在此就不一一详述。 为了简化问题，上面三种理论在研究桩土相互作用时均未考虑土中孔隙水压 力的影响，土中应力未引入有效应力概念。考虑土体中水的存在，泰国学者 n i u m p r a d i 和k a r a s u d h i ( 1 9 8 1 ) i 驯采用积分积分方程法研究竖向荷载作用下的单桩 在饱和土体中的固结特性。假定土体为线弹性介质，利用半空间内部圆域均布荷 载作用下的解作为基本解，沿整个桩长范围内积分得到第二类f r e d h o l m 积分方 程并利用数值方法求解之，可得到桩顶沉降、桩轴线上的孔压分布以及轴力的初 始值与最终值。汪克让等( 1 9 9 4 ) 【3 l 】考虑固结的影响，采用弹塑性有限元分析了 带台单桩与饱和土的相互作用问题，发现承台下土体的固结使承台上的荷载份额 向桩上转移，从而桩身的荷载分担逐渐增加。 贺武斌( 2 0 0 3 ) 1 3 2 1 研究了沉降时间效应影响下的受竖向静荷载作用的单桩性 状，考虑土体的线性粘弹性性质，将土体的粘性阻尼系数考虑到单桩沉降分析中 去，从而将时间的概念引入单桩的沉降分析，在受静力荷载的单桩的沉降与时间 关系方面进行分析和研究，得到了桩顶沉降稳定时间值与桩侧土刚度、粘性性质、 层厚以及桩身杨氏模量、长径比等因素之间的关系。 在对桩进行研究的过程中，研究桩间土与桩的共同作用是桩土共同作用理论 第一章绪论 的主要内容。在对桩土共同作用问题的研究过程中，把桩作为弹性体进行研究， 而在考虑土体的本构模型上，以前通常将土体考虑为线性或非线性弹性体或者弹 塑性体，利用其应力一应变特征进行分析。然而在长期的沉降分析时发现，在土 体的骨架应力作用下，由于颗粒表面所吸附水的粘滞性，颗粒的重排和骨架体错 动具有时间效应，土体变形与时间有关【3 3 】。 王建华等( 2 0 0 0 ) p 4 j 采用积分方程法研究了饱和软土中竖向受荷单桩的固结 特性，假定土体为粘弹性，认为固结流变的影响起显著作用。王建华等( 2 0 0 1 ) p 5 j 利用传递矩阵一刚度矩阵法研究了层状地基中轴向受荷单桩的固结与蠕变性 状，可求得在任一时刻桩身沉降、轴力、桩侧剪力和桩轴线处的孔压。毛娜( 2 0 0 2 ) 1 3 6 j 研究了考虑固结的饱和土中单桩的变形问题，首先通过引入m c n a m e e 位移函 数以及利用积分变换得到半空间表面内部作用均布荷载和集中荷载的b i o t 固结 基本解，然后引用m e r c h a n t 土体流变模型推导出考虑固结和流变的基本解，并 得出单桩在均质地基中的变形特性。潘晋( 2 0 0 3 ) 1 3 7 1 采用有限元数值法和流变模 型理论对桩周围的土体在桩土共同作用下进行粘弹塑性分析。在具体分析过程当 中，将桩当作弹性体，土当作粘弹塑性体来处理，并在桩土界面处引入接触面单 元；远域土体引入无限元与有限元相耦合的方法对竖向荷载作用下的单桩流变特 性进行数值分析。但是由于实际工程中群桩基础的复杂性，以上考虑土体固结流 变计算单桩沉降的方法并不具备一定的代表性，还有待于进一步的研究探讨。 1 3 群桩基础的沉降分析研究现状 由摩擦桩与承台组成的群桩，在竖向荷载下，其沉降性状是桩、承台、地基 土之间相互影响的综合结果。 在高承台群桩条件下，群桩中各桩顶荷载通过侧摩阻力与端阻力传递给地基 土和临近桩，由此产生了应力重叠且改变了土和桩的受力状态，这状态反过来又 影响群桩侧摩阻力和端阻力的大小与发展过程，使之与单桩的情况不同。然而高 承台群桩侧摩阻力的荷载传递过程仍与单桩相近，即遵循随着荷载增大，侧摩阻 力从桩顶开始逐步向下发挥。 在低承台群桩条件下，除了群桩产生的应力重叠会影响侧摩阻力和端阻力 外，由于承台与其下地基土的接触及接触应力的存在，使得桩、承台、地基土之 间相互作用趋于复杂。承台不仅限制了桩上部的桩土相对位移，从而使桩上部的 侧摩阻力减小，而且还改变了荷载传递的过程，即随着外荷载的增大，侧摩阻力 从桩中、下部开始逐步向上和向下发挥p 引。同时，承台底面接触应力也改变地基 土和桩的受力状态，进而影响侧摩阻力和端阻力。因此，低承台群桩效应改变了 天津大学博士学位论文 单桩侧摩阻力从桩上部逐步向下发挥的荷载传递过程，也改变了侧摩阻力的大 小、分布、发展过程以及端阻力的大小、发展过程，同时，还使地基土受力状态 发生变化。 一般情况下，群桩的沉降包括：桩身弹性压缩引起的桩顶沉降，桩侧应力传 递到桩端平面引起的桩端沉降，桩端应力引起的桩端沉降，各桩相互影响引起的 桩端附加沉降。低承台群桩的沉降就其发生的部位可划分为桩间土的压缩变形和 桩端平面以下地基土的整体压缩变形。 群桩的上述作用，不仅使得群桩承载力不能简单的看作为孤立单桩承载力的 总和，而且使得群桩沉降及其性状同孤立单桩有明显不同。这种作用影响和制约 着群桩沉降的各组成部分之间的比例关系和发展过程。因此，与群桩的其它问题 一样，群桩沉降性状也是一个非常复杂的问题。它涉及到众多因素，一般的说来， 可能包括群桩几何尺寸( 如桩间距、桩长、桩数、桩基础宽度与桩长的比值等) ， 成桩工艺、桩基施工与流程、土的类别与性质、土层剖面的变化、荷载的大小、 荷载的持续时间以及承台设置方式等。各种影响因素对群桩沉降的影响程度也不 相同。目前，在一些试验的基础上，人们对群桩沉降的研究已经取得了一定的成 果，但是对于其中的不少因素还有必要对其进行进一步研究。 群桩与土的共同作用分析一般有三条途径：1 半经验的等代实体墩基法，土 中的附加应力既可用b o u s s i n e s q 解，也可采用m i n d l i n 解。2 基于单桩与土共同 作用的分析，以弹性理论的应力叠加原理，把在弹性介质里的两根桩的分析结果 通过引入相互作用系数而扩展到一组群桩当中去。3 采用变分法或数值方法整体 分析群桩与土的相互作用。 p o u l o s 8 】基于弹性理论通过大量的计算机运算提供了许多参数和表格，这些 图表使得在工程设计当中应用弹性理论分析桩基沉降及其它性状成为一种得以 实施的较完整体系。r a n d o l p ha n dw r o t h ( 1 9 7 9 ) p 9 1 汞1c h o w ( 1 9 8 6 a ) t 4 0 1 提出了荷载传 递曲线法，o n e i i le ta l 。( 1 9 7 7 ) 1 4 1j 和c h o w ( 1 9 8 6 b ) 4 2 】则提出混合解法，单桩采用荷 载传递法，桩间相互作用应用m i n d l i n 解计算。 宰金珉【4 3 l 、刘金砺【4 5 】【蛔等认为群桩基础的沉降就其发生的部位可划为桩 间土的压缩变形和桩端平面下土体的整体压缩变形。宰金珉重新整理了佟世祥的 在粉质粘土内摩擦群桩模型实验结果1 47 。，发现在常规桩距( s = 3 d - 4 d ) 条件下， 桩数n 的增加使地基土压缩的部分逐渐下移。当群桩中基桩数目较少时( n 9 ) ，沉降主要表现为桩端 下土体的压缩，荷载水平提高该特征也基本不变。杨刨4 8 】在分析极限荷载下群桩 沉降时发现，桩间土沉降与桩端沉降的比值随桩数的增加而减小。 当地基土质具有相当的含水量时，土体固结的影响也引入到群桩基础沉降分 9 第一章绪论 析的课题中。p o u l o s & d a v i s ( 1 9 8 0 ) t 4 9 1 研究了周围土体沉降对端承桩的影响，将采 用太沙基一维固结理论计算土的固结，然后根据桩土位移变形协调或滑移进行弹 性与弹塑性分析。在此基础上，c h o w 等研究了由于周围土体固结而导致的群 桩桩身的负摩擦力。陆建飞( 2 0 0 0 ) 1 5 1 1 对饱和土中的桩土相互作用进行了完整的 静力和动力分析，根据b i o t 固结理论得到了半空间饱和土中受竖直荷载的单桩 积分方程，利用l a p l a c e 积分变换对方程进行简化并用数值方法求解得到半空间 饱和土中单桩的任意时刻解，在单桩分析的基础上，利用圆形载荷基本解建立了 粘弹性饱和土中群桩的积分方程。通过对所得的积分方程组数值求解得到粘弹性 饱和土中垂直受荷的群桩的桩土共同作用解。程泽海( 2 0 0 3 ) 5 2 1 研究了群桩中单 桩刚度随桩端下卧层固结的变化，采用l a p l a c e 和h a n k l e 积分变换推导半透水边 界半空间地基在各种分布荷载下的固结解，并用平面应变有限元方法的计算结果 做对比分析，有一定的应用价值。 王建华等( 2 0 0 0 ) 1 5 3 采用积分方程法将单桩分析扩展到了群桩分析，研究了 饱和软土中群桩的固结和流变特性，假定土为粘弹性，认为流变的影响起显著作 用，并考虑了刚性和柔性承台两种特殊情况，得到桩的轴力、沉降和桩侧剪应力 随时间变化的规律，但该方法只能求解桩数较少的情况。 作为天然地基浅基础和常规桩基础之间的一种地基基础型式，沉降控制复合 桩基础长期以来一直受到国内外工程界和学术界的关注。h a i n & l e e 矧采用 p o u l o s 的桩弹性理论以及理想的弹塑性模型，用l o a dc u t o f l f 方法考虑桩一筏一 土之间的共同作用，指出桩基对减少沉降量的效果显著，并分析了桩数、桩身刚 度、筏刚度、土层压缩模量的变化对桩土间荷载分担比的影响。p o u i o s ，h g 和 d a v i s e h ( 1 9 8 0 ) 1 9 】根据筏一桩一土的相互作用的分析提出了仅用于沉降控制复 合桩基的沉降计算公式： p g = 只肛+ 0 9 4 6 ( p w 一只) ( 1 一d 2 ) 8 e ( 1 - 1 ) 其中： 昂一工作荷载 只一各桩极限承载力之和 如一群桩沉降与承担相同总荷载时单桩沉降的比值 岛一单桩在单位荷载下的沉降 d 土体泊松比 e 一土体不排水弹性模量 1 0 天津大学博士学位论文 心的值与桩数、桩身几何尺寸、筏板几何尺寸以及土体泊松比有关。当巴 彤 时，式中的只与名位置互换。上式沉降计算的左边部分为群桩沉降的计算，右 边部分为筏板的沉降计算，计算筏板沉降时，作用在筏板上的荷载为1 只一l 。 c l a n c y 和r a n d o l p h ( 1 9 9 3 ) 提出了一种经验和数值分析相结合的混合方法。该 方法的力学模型如图1 6 所示【5 5 ，桩身用一维杆单元模拟，在杆单元节点上设置 非线性弹簧与土体单元相连，以模拟桩土相互接触界面。筏板采用受弯板单元， 筏板与其下土体之间的接触用土弹簧模拟。 同国外相比，国内近年来对沉降控制复合桩基进行了大量翔实的研究工作。 童翊湘 5 6 j ( 1 9 7 9 ) 提出了可令桩发挥极限承载力的桩与承台下地基土共同承担上 部荷载的低承台摩擦桩基础的设计建议：当允许建筑物产生较大下沉时，仅因天 然地基强度不足而采用桩基础，可令土与桩共同承担外荷载，土的许可压力可用 2 0 - - - 3 0 k n m 3 ，余下的荷载由桩承担，同时应验算桩基的整体强度，在估算桩基 下沉量时，要考虑土与桩二者共同传来的应力。黄绍铭1 5 7 1 基于g e d d e s 应力解为 基础的桩基沉降计算理论，提出沉降控制复合桩基的设计思想和方法，在此基础 上并参考国内外有关课题领域内的研究成果，提出并逐步完善了当建筑物的荷载 不是很大，但需要限制其下沉量时采用沉降控制复合桩基的设计方法，从1 9 8 7 年开始将该设计方法应用到实际工程中，经过十余年大量工程实践应用，先后被 纳入上海市工程建设标准地基处理技术规范( d b j 0 8 4 0 9 4 ) 和地基基础设 计规范( d g j 0 8 1 1 1 9 9 9 ) 。 图1 - 6 桩筏基础数值计算简图( 引自参考文献【3 6 】) 一维杆单元，桩土弹簧单元，二维受弯板单元，土弹簧单元，桩一土 一桩相互作用，板一土一板相互作用，桩土一板相互作用 第一章绪论 此后，宰金珉( 1 9 9 4 ) 【5 8 】提出了复合桩基的设计方法，他将复合桩基定义为 大桩距( 一般在5 - 6 倍桩径以上) 稀疏布置的低承台摩擦桩或端承作用较小的 端承摩擦桩与承台底土体共同承载的桩基础，承台下各单桩可工作至接近其极限 承载力状态，形成桩土共同承载并且有明确分担的复合桩基。杨刨