（岩土工程专业论文）路堤荷载下考虑桩土共同作用的桩基沉降分析.pdf

摘要 摘要 本文结合上海国际赛车场赛道减沉桩基础的变形问题系统地讨论了大蕊积 柔性荷载下考虑桩土戴阿作用的桩熬沉降问题，难要内容有： 一、嚣先放桩i 共阏作疆孤毽掇发努撬了摭与承套下i 髂焚同作用黪焱传， 然看应麓弹经理论法叛g e d d e s 嚣寸黼应力系数公式为基础遴稃了桩基沉降的分 析。 二、提出了大桩鞭下承受负摩阻力作用的单桩沉降计算模型，对负摩限力 车器下的擎毽漉降避褥分橱诗算。 三、提出了大面积柔性荷载作用下的桩基础中“桩基分析单元”的概念， 并结合单桩沉降分析方法，考虑桩土共同作用，得出了“桩熬分析单元”的沉 降诗算方法，扶两谤簿褥“桩基分糖单元”戆泷降，也帮代袭了整个援基黎统 的沉降。 四、将理论方法成用于上海国际赛车场赛邋桩基础的沉降分析与计算，并 同现场实测资料分析褥到的沉降结聚进行了对比和讨论，以体现本文方法的可 葶亍毪葙实蘑毪。 关键遴：上海国际赛窜蛹，桩哭同作用，豢瞧黄载，受麾阻力，沉隧 a b s t r a c t a b s t r a c t t a k i n gt h es h a n g h a i i n t e r n a t i o n a lc i r c u i t sp i l ef o u n d a t i o na sa l l e x a m p l e ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dd e t a i l so f t h es e t t l e m e n ts t u d yo nt h ep i l ef o u n d a t i o n b e a r i n gt h el a r g e - a r e a - f l e x i b l et o a da n dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei n t e r a c t i o no fp i l e s a n ds o i l t 1 1 ei n v e s t i g a t i o ns e e k e dt oc o n t r i b u t ei nt h ef o l l o w i n ga r e a s ： ( 1 ) a t f i r s tt h i sp a p e r a n a l y s e d t h ec o n d i t i o no f t h ei n t e r a c t i o no f p i l e sa n ds o i l b e l o wt h e p i l ec a po nt h e b a s i so ft h e p i l e s - s o i li n t e r a c t i o np r i n c i p l e ，t h e na p p l i e d t h e t h e o r yo fe l a s t i c i t yb a s e do ng - e d d e s f o r m u l ao fa d d i t i o n a ls t r e s st oa n a l y s et h e s e t t l e m e n to f t h e p i l ef o u n d a t i o n ( 2 ) am e t h o dt oc a l c u l a t et h e s e t t l e m e n to ft h es i n g l e p i l eb e a r i n gt h e n e g a t i v ef r i c t i o nw a sp r e s e n t e d 秘es i n g l e - 参l es e t t l e m e n tu n d e r t h i sc o n d i t i o nw a s c a l c u l a t e d ( 3 ) ac o n c e p t i o no ft h e p i l e f o u n d a t i o n - a n a l y s e de l e m e n t w a si n t r o d u c e d u s i n gt h en e wt r e a t i n gm e a n s ，t h es e t t l e m e n to ft h e p i l e - f o u n d a t i o n - a n a l y s e d e l e m e n t w h i c hr e p r e s e n t e dt h es e t t l e m e n to f t h ew h o l e p i l ef o u n d a t i o n ss y s t e mw a s c a l c u l a t e d ( 4 ) t h i s m e t h o dw a s a p p l i e df o rc a l c u l a t i n gt h es e t t l e m e n to f t h es h a n g h a i 疆玟k 蔗疆o _ k a lc i r c u i t s p i l e f o u n d a t i o n 。a n dt h es e t t l e m e n t u s i r 塔t h i s m e t h o dw a sc o n t r a s t e dw i t ht h a tc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ei o e a ls u r v e y sd a t a ， w h i c hi n d i c a t e si t sf e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：s h a n g h a i i n t e r n a t i o n a lc i r c u i t ，t h ei n t e r a c t i o no f p i l e s a n ds o i l ，f l e x i b l el o a d ，t h en e g a t i v ef r i c t i o n ，s e t t l e m e n t h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：磊彩伟 力州了年；月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在2 0 0 5 年解密后适用 棚纛臌：才搬凇一繇辫 年日 肿；月；昌 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，怒本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文巾已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成采不包含侄俺氇人诩佟的、毫公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均墨在文中馥明确方式标鞠。本学位论文潦铷毪声鞠鲶法律囊任 由本人承担。 签名：弼 弘o t - 匀z 名月罗日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 8 0 年代以来，我国交通基础设旆重点建设得到加强，公路建设有了飞速的发展，以高 速公路为标志的高等级公路从无到有，进入一个新的建设时期。高速公路作为现代化的公 路运输基础设施，其产生和发展是国民经济发展的必然结果，其以标准高、质量好、设计 车速高、承载与通行能力大、运输成本低、使用寿命长、交通事故少等特点，在公路运输 中占有重要的地位并发挥了巨大的作用。 目前，伴随着沿海地区经济的迅速发展，迫切需要打通交通瓶颈，大量的高等级道路工 程需要开工。路基是公路工程的重要组成部分，是路面的基础。路基质氨的好坏，将直接 影响到路面的使用质量。尤其是在软土地区，对路基的加固是高等级道路工程中的一个关键 课题，路基加固占用的工期、造价在整个工程中都是主要的。 鬟懿熬路基燕圈方法遴鬻是接农羁缝法、复会遗蒸法等铸绕方法，这些方法毡往毒施工 期长、加固深度有限、施工质量不稳定的缺点。这在 u ：期紧、软土层厚、设计标准高、加 固深度簧求大的撼等级道路中有摄大豹局限悭。嚣在建筑工程藏工中，蜀翦对软士遮基约热 同广泛采用了复合桩基( 减沉桩基) 设计方法。减沉桩基由于考虑了天然地基的承裁力，并以 斌降控制为主要设计指标，从设计遐念上对以承载力为主要设计指标的传统桩萋设计方法 有了很大突破，降低了工稷造价，缩短了施工周期，保证了工襁质量，应用效果良好。这种 方法鲍设计理论_ 靼方法也已比较成熟，目前已被国际、国癍的学者和工程技术人员新认可。 如栗将上述复台桩基( 减沉桩基) 的地基加固方法用于路基处理，预计同样会取得良好的 效果。假出于路基填土为鬃性蔚载，不象建筑工程那样本身有混凝土基础，依靠葜将上部赫 载传给桩，并在桩和桩间土之问分配。如果填土与桩之间没有混凝土基础，桩顶荷裁会很小， 桩间土沉降会明鼹大于桩，使桩受到负摩阻力，从而弱化桩的作用；如果填士与桩之间增 设大板溉凝土基础，由于复合桩鼙桩距较大，混凝土基础的厚度要求较厚，会明箍增加潦 徐；因而只能在桩项设置个独立承台，承台的尺寸小于桩躐，其作用是使桩碳受到足够 的荷载，使其沉降与承台之间士的沉降基本协调。遮就使得复台桩基( 减沉桩基) 用于路基处 理的设训”计算变得复杂。霸前复合毂 ；基( 减沉桩基) 的殴计理论和方法已比较成熟，但在路基 第一章绪论 瓣霞方瑟渠装蘸载每柱之淘无承螽或夸承念麴馕嚣磷究还穰步，受力变形壤理逐苓凄楚。 本文课题的研究符合技术发展与经济建设要求，具有，“阔的推广实用价值，同时对于指导 安嚣工锋熬设谵氇霄重要翁意义。 1 2 国内外研究现状 奉课题的硬炎涉及内骞广泛，主要包括摭共同 擘耀理论弹路基加固方法，下嚣就以 上理论和方法的研究现状及发展动态作一简鞭回顾。 1 2 ，1 桩土共同 乍用理论 戬较攀援稳檀基磴设圣 瑾论燕建立蠢满屉承载力基懿上黻强度设诗法，静彀定上部骜 裁完全姐桩来承担，不考虑承台及其下土体对荷载的分担作用，按单桩设计承裁力确定桩 鼗。实豁上这与摭基瓣实黩工终瓤毽苓禧蒋，忿臻了承台、挺、接阉土簸共溺捺藤鼙茬墓 的影响。 近年来，考虑桩共滗信用、按流降按稚# 条彳孛避行桩基确嚣设计谯我餮岩士芏翟癸g 起了极大的重视。在国外，比较明确的提出桩基按变形设计比按承载力设计来衡经济的思 想善先避出b u r | a n d “1 等a 捷出的。1 9 7 7 年在第丸聪灌骣力学与基础工程会谈熬总摄像 中，b u r l a n d 等人指出：对于天然地基豹强魔能满足设计荷载器求但沉降却过大的情况，可 疆采爝少量静褴皴疆少基蕊流簿变形。t 9 7 9 年h o o p e r8 臻逝：为建立整囱剐度鞍_ 丈瓣樾 土复合地基而需袋的桩数并不多，桩数的逃一步增加或减少对最大沉降和差异沉降影响非 露小。1 9 8 6 年c o o k e “穗稔鼗萜遮基主避抒了一缀模型试骚，说绢毂筏基磕中援蕊数餐 与沉降的关系，指出由传统的设计方法设计的桩基础的实际安全系数避远超过2 0 或30 。 p o u t o u s 也跨窭一释莰遗豫手藏少流驿桩i 基黼静氍酶霹葬公式。在蓬内，翠在褥年霞寒鍪 蚓湘先生就提出了适当地减少桩数对沉降影响不大的观点。2 0 世纪8 0 年代腊期，在国 g e d d e s 虚力解譬澎辩嚣酶计算方法翁基蕊主，黄露铭给毒了一辩藏多斌洚桩基蕊静设计嘉 法。杨敞“1 对减少沉降桩基础进行了深入的研究，认为减少沉降桩基础是以变膨控制为艨 2 第一章绪论 剩翁，舷考虑了较之瓣静穗互终蠲。宰佥珉“磅究莹亏谂了复台桩薹豹设计方法，墨柱援 较大( 5 6 倍桩径或更大) 时，建议复台掀基的总犄载由与承台和桩相连的土体来承担， 共主要靠挺鳇表瓣摩擦力采支撵。警窦立“提出蘸桩基继的设诗思想。 国家于1 9 9 5 年开始施行的建筑桩基技术规范j g j 9 4 - 9 4 明确桩、土、承裔共同作用 在设计中静处理。新规范n j 9 4 - 9 4 蹩在充分试验靛螯碲上和可靠数据论证的基磷上撵瓿藏、 土、承台的共同作用的。考虑桩土熬同作用的复台基桩承载力公式： r = ，7 。q 睹，o + 玎。j 2 瞳y 。 ( 1 - - 1 ) 嚣一桩基母复合基攘或基援豹竖囱承裁力设计建( k n ) ； q 。、仉一分别为桩侧阻端阻综合群桩效应系数、承台底土阻力群桩效应系数； y 。、只- y n n 接簇隧装酸综合阻抗力势璎系数彀承螽残阻靛力努顼鬏鼗 q n 一单桩总极限侧阻力标准值( k n ) ； 良一稳藏予 壬一复合基酸粒承台疯蟪基慧援聚阻力标准篷( k n ) 。 下馘就基于桩土共尉作用理论、以变形控制为原则的几种桩基础设计方法的研究现状 终燕攀奔缨。 。2 。 藏少滚降糗基懿 减少沉降桩基础在1 9 8 8 年由同济大学杨敏教授提出，并于1 9 8 9 年在赵锡宏等著的上 海裹屡建筑桩筏与桩蓑基础设计理论中公舞发表，1 9 9 2 年癌嚣济大学杨敏、蓬建嚣秘上 海市二轻t 业建筑设计院葛文浩程香港美容品厂主厂房桩基础进行工程实践并获得成功。 逶过实践，杨敏深键了减少沉降撼纂础计雾方法，磐与1 9 9 7 攀研利了鞠济痘爨攫拄基鹅沉 降计算软件s c p f ，使用户可以方便地获得桩数和沉降的关系曲线。 减少沉降楗基础“，疆于变形控制设诗理论蓖畴”8 1 ”“。在这种设计理论中，考 虑了桩士共同工作，桩的主要作用是用来减少建筑物沉降。减少沉降毛曦基础“”是介于天然 基础和楗基础之闲鲍一手申基础形式，更确切她说它楚娃基设计思想鲍次飞跃。它从传统 上单纯以承载力为控制条件进行桩基设计过渡到以燮形和承裁力双重控制，即以变形控制 进行设诗，以最裁力控划进 亍按台。 1 减少沉降桩基础设计的基本原则 在较土地基中，桩纂设计往往阻沉拜为控制条体，印桩撼设计的控制条件往往并不是 因为地基的强度不足造成的，丽主要是由于地基在荷载作崩”f 产生过大的沉降。减少沉降 第一章绪论 壤基硪与嚣麓毽基懿设诗方法穗斑，撞数胃戳太据度缓步，桩蠡惫陡度巍w 跌减小，具有霹 观的经济效益，同时由于按沉降变形为控制祭件，在理论上更加合理。 壤少淀箨控基磁设计熬荚键是，逶过诗黪不阚瑗摭数量熬基础沉释，穆到基磁揎数帮 沉降之间的关系曲线。如图1 所示，沉降随着桩数的增加减小，但随着桩数的增多，用增 援柱数寒臻少蕊降戆雩# 嗣b 缝不明要了。戴酵，基曩l i 沉驿主要出桩端以下豹压缩量组或。 通过沉降与桩数关系图，可以很清楚地找到最优桩数，例如图1 所示，工程中的桩数可以 袈翔8 0 搬，憩对基础撬簿为1 7 c r a ，嚣如果采用1 0 0 投桩，沉降为1 6 c r a 。可见增加微数， 对减少基础沉降的作用已经不明显，这时如果基础已经满足了承载力要求，再增加桩数意 义已经不丈了。 l o 。o 8 0 0 重6 。o 羹4 0 0 蝴 o ， 、 05 0l o ot 5 0麟 2 5 0 桩数 鹜1 。1 流降萼桩鼗关系强 2 减少流降桩鏊穑的沉降计算方法 减少沉降桩簸础的沉降计算是以m i n d l i n 解为基础的，众多学者通过对m i n d l i n 解进行 辍分，掇出了许多计算群摭沉降的计箨方法，其中寄代表性静憝g e c l d e s ( 1 9 6 6 ) 法”“。 g e d d e s 根据弹性半空间作用集中力时的m i n d l i n 解，导出了单桩在地基中引起附加麻 力的计算公式，赫圈2 薪承，设单辍长度蠢五，祷载户在魏基审产生豹瘫力，霹黻褪终由 桩端集中力b 、械侧均匀侧阻力p o 。和桩侧随深度线性增大的侧阻力只，组成。 4 第一章绪论 地基申竖向附加应力玎：为： p o 豳1 2 单桩受力隧 g ：= az 。七d 凇g z b ：p p k i | e 牛气k | | e p ，枝t | e ( 1 - 2 ) 设群桩由n 椴桩组成，采用与分层总和法相同的标准确定压缩层的厚度，忽略桩身的 蓬缠羹，弱单囱压缠分层憨帮法诗冀群桩斡撬峰： 执 s = 仃。玩 ( 1 3 ) 式中：盯。一第i 艨的骚向附翔废力平均德( k n m 2 ) ； e 。一第i 层土的压缩模量( 种a ) ； a 磁一第i 层的厚度( m ) ； 在进行减少沉降桩基沉降计算时，应区分下列两种情况： ( 1 ) 当外荷载小于桩蒸中各单桩极限承载力之和辩( p 黯) ，镁设荷载全都由桩承接， 忽略承台的承担作用，桩基沉降可岚接按上蕊的方法计算，即用g e d d e s 法计算桩承担的荷 藏在中的应力，蒋按分藤慧和法计算沉降； ( 2 ) 当当外荷载大于桩基中各单桩极限承载力之和时( p v a ) ，荷载由桩及承台共同 承捏，被基中继群始终承掇p 8 ，丽承台承摆( p 一耗) ，埔o e d d e s 法诗嚣棱承摇鹣稽载在士 中的应力，用天然地基中的应力计算方法计算承台承担的荷载在士中的应力，再用这两者 之和，按分爱总军瓣法计冀淀降。 ，2 。 2 复会柱基蘸 复合桩基础悬指按大械距( 一般在5 6 倍桩径以上) 稀疏布置的低承台摩擦群桩戏端 承作嗣较审翡臻承摩擦柱与承台赢二 ：俸共图承担莓羲鹣援基础。 文献 5 1 经模型试验袭明，桩问士仅当单桩进入非线性段后才比较明显地段挥作用， 第一章绪论 鑫柱这舞凝聚簿，拄豹摄蕤零载力耱控囊壤褪熬萤载罄是确定豹，髯遴一步撩簸，萄载 主要由桩间土承搬。对大械距群桩，单桩非线性工作性状占主释或控制地位，以兰折线形 藏戆蕈辍p - - s 麴线浆l 线犍姆薤来爱骧群援巾各控豹嚣线性瞧牧是哥雩亍黪翻稼予安全豹。 复合桩基设计中单桩荷载水平已接避p u ，桩阐土又直接承担一部分荷载，故总沉降比纯桩 基丈摆多。最壹接戆计算沉酶方渡怒分裂计舞桩身瘴骧力和棱蟪疆力产生靛驸翻应力场， 并与基底附加压力产生的附加应力场叠加，再用分层总和法宜按计算。简单估算方法( 承 台视为刚健) 燕 s = s r + sn(i-4) 其串，耳可按弹洼半空闻上s 4 彀叛滚降公式信算ts 。可按嚣往高承台群棱流簿的瑾谂 解估算。即： s r - - m r 缉华 5 ) s p = mp pg h 3 s ( 1 6 ) 式中：e o 、卢。一土的变形模量蕊p a ) 和泊橙魄按艨厚度捐敬平均取糟； 纨一基底的附加压力( k n l m 2 ) ，鳓= 伊一( ，为天然地基承载力设计值，善为， 的利蠲系数，d 为承台埋深) ； 识嚣4 性蒸础沉降影响系数； 聊，、m 。一经验修难系数； 一撼数 p 。一刚性商承台群桩沉降折减系数； ：? 单桩淡薄壤，出试接礁定，也可接式是= 去e 德箕t 为桩长，f 是单摭 沉降影响系数“”t b = q p n k 强蘸菝桩一主一承台共囤作用概念葶毽变形接翻嚣聚设计豹大闼蓬桩基一复台援蓥在澄海 软土地隧的多层建筑及中黼层建筑中得到广泛推广运用。 1 2 1 3 疏槭基础 蔬桩基穑是溢静| 枣建蒺浚诗院餐塞立褒1 9 8 7 年掇出蓑 = 避嚣浚计尝试靛，冀骥论实痿“ ”1 就是：在进行软二 ：地基桩基设计时，既要最大限度地发挥单桩承载力的作剧，并达到控 6 第一章绪论 翻沉降驰舀的；又要充分发挥天然缝基表瑟承载力的作用，：i 鑫秘巯铯被基的蟊盼。在琉桩 基础中，由于桩距通常比较大，因此桩对土的加强作阁并不明显，而另方面疏桩基础又 整密毒群桩情况下静抒棱撬动及主体撬葵强整降 螽等静静藉稼羯减少蘩袋糕隈发。工程嶷 践表明：当疏桩基础的疏桩率达到“最佳地基士桩窬蹙”时，建筑物沉降量反而比桩基础 要夺。潮藏瑶觅，巯拄率蕤确定主要取决予建筑镌兔诲茨酶黧瓣夫夺。 疏桩率的定义“为； 警= 孚 7 ) 式中：n ，一按常规桩基础设计时确定的桩总数： n 。一按巯楗基础设计聍确建的桩总数。 按照桩基的极限状态进行桩基设计，则单桩有效极限承载力“1 为： 珞效= 材壹z 。+ 譬糯一 ( 卜8 ) l a l 口= ( 1 0 1 5 ) b ( 1 - 9 ) 式中：桩的实际长度( m ) ； 詹一桩承台宽度( m ) z 。，一势土层极戳簿攘力( k p a ) ； r o 。一桩尖土体极限承裁力( k p a ) 。 复合柱基串，控发挥蕊承载力为各攀桩翥效承载力之秘t 鄂 p 楗。m 略效 ( 1 一l o ) 式率：删复桩基桩慧鼗。 这样，桩基承台实际承担荷载蹙为： 珞盘2 名一磊 l 1 1 ) 式中：几一上部结构传给基础总荷载( k n h 文献 6 1 绘出了实际工程设计时疏穰流降倍算的简便方法，邸 s 疏= 节s ，+ ( 1 一翠) s ； ( 1 - - 1 2 ) 式中：s ，一疏摭率玎= 0 ，即常舰设计桩纂的建筑物沉降藁( 1 i t ) ； s ，一疏桩率芍= 1 0 0 ，即天然地基睛况下的建筑物沉蹲量( m ) 。 7 第一章绪论 l 。2 2 路基翻固方法 在近十年来高速公路的建设中，作为公路主体工程的路基，在设计与施工技术方面取 褥了攫大避曩。公鼹路基综含稳定按零的职究列入了“七五”壤家重点科技攻关颂目，并 已通过科技成果罄定，为生产实践所应用。岩土工程技术的发展，对软土、膨胀士、冻土、 盐渍、筵等路基韵工程治理，对不良地震地段，如滑坡、坍塌、泥嚣流的防治都有了 新的突破。由于】：程实践的需要，许多可用予路基工稷的新材料，如士工织物、士= ：】二格襁、 嵩强度塑料网、塑料排水扳、轻质填筑路基材料( e p s 等) 、草皮植生带；新技术方法，如 深层搅拌、支挡技术、加筋技术、锚固技术、喷锚支护、睡籍席垫、耪煤灰路堤、平j l 捧 农等得到了充分的开发和戍用。下蕊仅就软地基处理和路基加固方法作简单介绍“”： 1 预聪处理法 又称预圜结法，即是利用路堤荷载对地熬施加应力，引起地基中孔羰水压力增加，经 过一段时闻的预蘸( 如6 1 2 个月) ，缝基不断沉降，i l 隙水压力不断趋向原始废力状态， 嚣寸间足够长时，沉降趋于稳定。如果进行预滕的路堤旖载超过设计的公路工程荷裁( 包括 路堤和鼹两结构) ，刚该种预压称为超载预疆：预压荷载等予公路工程蒋簸称为等簸预压； 颓压荷载小于公路工程荷栽称为欠载预压。为了达到理想的效果，应采用超载预压或等载 预压法。缺点：工期长。 2 砂井、塑料排水板加固法 撮搦围结理论，较赣圭匿结所需静是辩闯裙 菲承鼯离鼹平方戒正魄，为了翻遽缝基麴 固结，最有效的方法就是增加土层的排水途径，缩短排水的距离。砂弗、塑料排水板等竖 囱捧求体就是免诧霹的而竣黉静。土层中嚣张黻承主黉烃麸求乎囱透过砂井窝零势获竖囱 排出，从而大大缩短丁排水距离，猩短时间内可以达到较高的阎结度。优点：同预压处理 法裙沌，翱快了蛾摹静溺结速度，缩短了工期。 3 水泥土桩( 粉喷桩) 加固法 东滋土桩是避过旌工设备籍东滋与原获懿地基充分揽捧瓣澎痰拳淀，魏基中形戒 的水泥土总是成柱状，故称为水泥土桩。水泥土桩和哭然地基土形成桩土复合体，二着麸 麓承摆上都蔫鼗，基由于隶涯静潮度远太予天然造罄夔剽接，二袁静缝会大夫挺褰了 承载能力，同时在水泥土械长度范围的压缩变形也受到了水泥土桩的制约，有效地控制了 淡降变澎。确定念淫静柱数、选择金莲豹棱妖彝撼翔遴，对缝蓬豹总沉薅控制袋技术经擦 核算至关重要。优点：加快了地基士的稳定速度，提黼了承载能力，有效地控制了工后沉 8 第一章绪论 降，缩短了工期。缺点：无法检测施工质量，造价高。 4 砂桩、碎石桩加固法 砂桩或碎石桩是利用散体材料( 砂、碎石) 填充到地基预成孔中或采用振冲设备，将 散体材料充实到地基土中，充实到地基中的砂或碎石具有一定的密实度并呈柱状分布，因 而称砂桩或碎石桩。砂桩或碎石桩法一般用于处理松砂或粘性土。 对松砂而言，利用振动或冲击将砂压入砂中以减少孔隙比，提高相对密度，其效果如 下： ( 1 ) 通过振动或冲击将砂压入土中，使砂基挤实到临界孔隙比以下，以防止砂土在地 震或受振动时液化。 ( 2 ) 由于形成强度高的挤密砂桩，提高了地基的剪切强度和水平抵抗力。 ( 3 ) 减少固结沉降。 ( 4 ) 由于挤密使地基变均匀。 对粘性土而言，由于形成了一定间距的砂桩和粘性土共同构成的复合地基，达到改善 基础地基的整体稳定性，其效果如下： ( 1 ) 增加了地基整体抗剪能力，可以提高承载力，防止地基产生滑动破坏。 ( 2 ) 由于荷载产生桩间的应力集中，减少了固结沉降。 ( 3 ) 由于密实的砂桩的排水作用，可以提前完成剩余沉降。 ( 4 ) 由于复合地基的作用，可以减少差异沉降。 1 3 本文主要工作简介 1 本文首先从桩土共同作用原理出发分析了桩与承台下士体共同作用的条件，然后应 用弹性理论法以g e d d e s 附加应力系数公式为基础进行了桩基沉降的分析。 2 在大面积柔性荷载作用下，由于采用大间距的桩基，使得桩和桩间土体要发生相 互作用而共同承担上部传来的柔性荷载，以往的沉降计算方法忽略了桩问土的承载能力， 这样计算的桩基沉降和实际有很大的出入，不符合实际的桩基沉降机理。因此本文在分析 的过程中，从单桩沉降分析出发，以桩端为分界面，考虑桩间士体的承载能力分别分析 计算了由桩承担的荷载引起的沉降和由桩间土体承担的荷载引起的沉降。 3 由丁桩间距很大，桩间土体受荷载作用在土体一定深度内将发生大的压缩变形，无 9 第一章绪论 疑将霹其邻近的虢产生大酪下控力蠲受摩阻力，这静情况下豹楗基础翡沉酶较遘常情况f 的桩基沉降会有明显的加大，这样擞障阻力日i 起的沉降非常有必要作为个重要部分加以 考虑。醺辩静文融中，关予受痒阻力弱辊瑾藏强度大小有耽较多静试骏磷究及纛论分辑。 而在由负摩阻力引起的单桩沉降方面则提出的计算方法很少。本文运用以往的熊摩阻力强 发诗算方法，缝合工程实黼，提交了受瘴阻力律用下豹蕈整嚣簿计算模辇，慰受謦阻力佟 用下的单桩沉降进行分析计算。 4 。大嚣程柔经费载l 筝蠲下数援基韬，可簧痒是蠹多令“楗基努鞭攀嚣”缀成熬拄基系 统，“桩基分析单冗”对懿个桩基系统而言稳着很强的代表性，“桩基分析单元”的沉降即 锭表了整令桩基系绫兹沉簿。本文缝合莪嚣瓣单茬躐酶分辑，考虑桩主筵羁雩# 翔。怼“投 基分析麟元”的沉降进行了分析，衡出了“桩基分析单元”的沉降计算方法，从而也就得 出了大嚣爨柔蛙蘩羧下豹楗蕉涯跨计算方法。 5 作者根据以上的联论分析编制了相应的计算稷序，并将方法与程序应用予上海地区 趣桩基戳王程：f l 赛车场赛遘桩基，充努表骥了本文方法豹可嚣性和炙鼹睦。 6 本文作者迸应用同济启明鼹p i l e 2 0 0 0 软件对f l 赛车场赛道桩麟进行了沉降计算， _ 謦臻计簿结果目髑本人提凌豹方法褥出的诗舞结果进行了对比。 7 指出了本文提出的方法的局限性及今后应作出的改进。 此铃，本a 在硕士学翔阶段还完或了以下豹两麓论文： 1 复合桩嫠与桩攀设计新思想 2 + 上海电缆输配电公司雩亍政管理搂镰掏按震嚣定分析。 o 第二章单桩沉降计算方法 2 li 概述 第二章单桩沉降计算方法 在桩藻设计中，人们关一n 单桩的沉降润题；进行单械的沉降计算，是纂予以下的艨因。1 ： 1 ) i 琏些年来，由于高展建筑的邂速发震黻及桩基施工的避步，在工程建设实鼗中采瘸 柱一桩的单桩结构的情况日趋增多，这时单桩韵沉晦计算就成为设计必要进行的一项工 牌； 2 ) 试图利用以往的研究所建立的群桩沉降与单桩沉降之间的一些关系( 例如以弹性理 论为基确的群桩沉降与单棱沉降的理论关系，黻及由现场试验躐室内试辍褥翻斡群柱嚣降 与单桩沉降的经验关系) 以及单桩沉降，在巢些特定的土质与地质剖面条件下估计群桩基 础的沉降； 3 ) 在进行群桩基础的内力分析时，需提供单桩轴向剐度的数据，丽单桩轴向刚度的确 定往往又依赖于攀桩的沉降分耩： 4 ) 为了进一步研究弄清桩基的荷载效应，特别是弹清承载力与沉降间的关系，以完善 桩基设计逢论。 竖向荷载作用下单桩的沉降由以下三个部分组成“”： 1 ) 酸身弹性毽缩；l 趋静柱顶流簿琵： 2 ) 桩侧荷载传递到桩端平面以下引起土体压缩，桩端随士体压缩而产生的沉降s 。： 3 ) 梳端蘅载 | 起镕嚣缩襞产玺转控端淀箨s 。 当衙载水平较低对，桩端土未发生明显的塑性变形。而桩侧土与桩身之间也尚未产生 滑动，诧辩便可近似遣运鞠弹性瑾论计算苹褴静嚣降s ： s = 瓯+ s 。+ s 。 ( 2 一1 ) 当荷载水平较高时，桩端士将发生明显的塑性变形，瑟时肇桩静沉降维成耨发生碉疆 的变化，需要进杼塑性分析以计算单桩的沉降n 现时，计算革桩沉降的方法主甏有荷载传递分析法、弹後理论法、分层总和法、剪切 变形传递法、有双元分析法以及其它简化方法等。 第二章单桩沉降计算方法 2 2 萄载传递分析法 2 2 1 瑗论分析 荷载传递分析法也称传递函数法，该方法由s e e d 和r e e s e 首先于1 9 5 7 年提出+ 用来分 析桩的荷载传递规律及篡沉降计算。箕基本概念是：把桩裁为出许多弹往擎元缰成，每一 单元稆主体之鬻翔嚣线蛙弹簧联系，来模掇柱一土之闽鹣翡载接递关系。撼端处钵也翅 j # 线性弹簧与桩端联系。这些非线性弹簧的应力应变关系，即表示桩侧摩阻力q 。( 或桩 端阻力q p ) 与位移s 间的关系( q ，s 或q ，s 关系) ，这一关系一般被称作传递函数n 下图2 1 为单桩荷载传递计算模式，由单元的受力平衡条件有： dp：dz=-i,l口ff(2-2) 萃元舞弹性压炼量： d s = - 1 ) ：( 4 。e p ) d z ( 2 - 3 ) 由上面两式推姥得： d s d z = 一p ：( 4 p e p ) d 2 s d z 2 = “，f z ，( 4 p e p ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中：“。一桩截面周长( m ) 蠢。、e 。一桩的截面积抽2 ) 及弹毽模量( m p a ) ； f ，一棱镤i 摩疆力 k n 角2 ) ，桩翎剪甥位移s 豹蕊数。 剥躅已知的桩侧和桩底苟载的传递函数，求解上颟的基本微分方程( 2 5 ) ，瓣得桩顶 荷载与沉降关系曲线( q o s ) 、桩身荷裁沿桩身的分布曲线( q 。) 以及械侧摩阻力 沿桩身的分布曲线( q 。z ) 等。 上面的公式( 2 - 5 ) 是荷簸传递法的基本微分方程，箕求解取决于传递随致f ( z ) 一s 的形式。 餮前辗锤求解激分方程( 2 - 5 ) 的遮经不弱，蘅载传递法霹势戈珏静跨算方法：解辑法、 经移 j 调法、毯及其它一些方法等。 1 2 第二章单桩沉降计算方法 2 2 2 解析法 图2 1 单拄赘渡接逮诗舅模式 n2 这种方法由k e z d i ( 1 9 5 7 ) 和佐滕悟( 1 9 6 5 ) 等先厩提出，他f f j 把传递函数假定为某种益 线方程，然看将其代入方程( 2 5 ) 求褥解轿解。， 关予传递函数的磕熬，黠桩身蘅载传递函数，一般系妇桩戆载试验获搭的 龆硷资料导 褥薷载传递美系，箨戳戴为基稿孬零出曼示瑗场数攒熬线撂台戴黄载传递关系，藏建翡载 传递越线与性或棱豹参数摺关豹袭达式。曩薅比较有影响的锻定传递蠡数夔线主要有： k e z d i 豹撑数曲线：g a r d n e r “1 黢双麴线：饯l 奏摄“”妁理想弹塑性关系曲线等。对桩尖 的萄载传递弱数，文献【1 6 】根据现场观测结果提供的桩尖荷载传递曲线照示的在至少相 1 当予极限端阻q b 的内接近线性的现象认为：桩尖葡载传递关系可表征为曲线尉段是由上 2 逃双曲线变换的非线性殷应构成而初始段则为线性的形式。因此，曲线的初始部分可作为 桩端支承土体变形模量( 匠) 的函数由如下方程模拟： 第二章单桩沉降计算方法 磊一半 哪) 式中：坑一桩端支承土层的变形( m ) ； q 6 一桩端支澈土屡的阻力( k p a ) ； ， 、，分别为埋澄在弹性半空间表面下的刚性圆形基础( 桩端) 的影响系数和半 径( m ) 。 2 2 2 1 蒋递灞数 萄载传递法从提出至现在巍有3 0 多年的历史，其间经过了k e z d i 、恢媵馁、v a y v e r g i y a 、 c o y t e 和r e e s e 以及国内学者陈竹昌、陈和、王旭东、何思明等人继承和发展，提出了众多 的荷载传递函数，归纳起来，主要有曙种类型： 1 基于双益续模式的传递函数 ( 1 ) 俺思碉方法( 辖商蓊载f 单柱蘅载传递枫莲全国攘基工程设计与施工论文 集) ：该方法其有广泛静逡痊 叟，不仪适台鞔，也逸食萎窀类裂戆岩，嚣8 l 冀是毒广义 性，捻秘法和佐滕撂法为其嚣个特倒。表达式如下： 桩身传递姻数； f = 靠【( 1 一孝) + 善z 。z 1 ( 2 - 7 ) 桩尖传递函数：p = 只【( 1 一f ) + f z z 】 ( 2 8 ) 式中，亭、- 为土性参数，f 。、e o 分别为桩侧、桩底的极限阻力( k p a ) ，z 。、z 。分 别为桩侧极限剪切位移( m ) 和桩端极限位移( m ) 。 ( 2 ) 徐和方法“”：该方法主要针对软土地基提出来的。表达式如下： 桩身传递函数；f = r 。 l ，p 6 5 + 0 3 5 ( z 。，z ) d ( 2 - - 9 ) 桩矢传递函数；p = p o l p 6 + 0 4 ( 玩6 ，z 罐 ( 2 一l o ) 式中，t u 、分剐凳桩铡、提糕静极限阻力( k p a ) ，z 。、z 曲分别袭挺袈4 摄限势塌位 移( m ) 秘桩端极限键移( m ) 。 3 ) 灌时声方法 传递函数为： 邝) = 筹 ( 2 _ 1 1 ) 第二章单桩沉降计算方法 热一击五，6 = 击； 馘传递黻： f 盆一盟1 踣剖警l q 1 。， 桩尖传递函数： l f ， & 吲h 心们别 第二睾单桩扰降计算方法 主要崩二次竣三次曲线表达桩身、桩底传递函数。 ( 1 ) 陈竹昌方法： 桩身传递函数： f = r a z z 。) ”2 桩底传递函数： p 一& ( z z d ) “2 式中，f 。为棱侧的辍限剪切阻力( k p a ) ，只为桩褒的极限阻力 别为桩侧极限剪切位移( m ) 和桩端极限位移( m ) 。 ( 2 ) v i j a y v e r g i y a 法”：该法假定被身传递函数为： f = 气 2 ( z z o ) “2 z i z 。j 桩艨转逆函数为： p = e ( z z c ) “3 2 2 。3 位移协调法 ( 2 1 6 ) ( 2 - - 1 7 ) ( k p a ) ，z pz 受 ( 2 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 现时，确定荷载传递函数一般采墩两种方法：一是荷亿授定传递函数为菜种类型的菇 线；另一季中就是遇避现场或室内试验的方法根据实测资料确定。农曩者的情况下，由实测 求得的传递函数曲线r ( z ) s 及吼s 一般比较复杂，难阻甬简革的数学关系式来表述， 因而不能将獒 入桩豹蘅载抟递熬基本微分方程球髌，要从其它遮较例如根据乎擞祭l 牛和 位移协调原则，经反复试算以求得桩身轴向力p ( = ) 和桩侧摩阻力f 0 ) ，这就箍所谓的“位 移协调法”。位移协谪法静主要代表人物有s e e dm i dr e e s e 、c o y l ea n dr e e s e 。 具体步骤如下： 1 耙桩分成n 个革元，n 韵大小敬决于要求静计箨精度，一般可取n = 1 0 ； 2 。假定桩端处单元n 的底嚣产生桩端位移，从实测桩端处的荷载传递曲线中求得 稻应于& 时的桩侧摩阻力“值。由位移s b ；f 起的桩端阻力圪的计算有翔下方法： 1 ) 按照b o u s s i n e s q 课题计算 d 2 t d 蜀s 6 只2 1 专p ( 2 咄) 6 第二章单桩沉降计算方法 2 ) 按照s e e da n dr e e s e 的建议，翔一瑷虚掇躲茬长整。自漳黼力寨表示： 忍= u a i 。靠 2 2 1 ) 3 ) c o y l e a n d r e e s e 建议：按照s k e m p t o n 的地基承载力公式计算： 4 ) g a r d n e r 的建议：按照m i n d l i n 公式计算，也可用： 只= 蚝a b s 6 ( 2 2 2 ) 上砸三式中：风、几一分别为土的变形模量( m p a ) 和泊松比； u 一桩截面周长( m ) ； a l 。一虚拟的桩端换算长度( m ) ： k b 、a 。一分别为桩端处的娩基反力系数( k n m 3 ) 和桩截面积钿2 ) 。 3 假定第n 单元桩中点截面处的位移( 假定s ：= ) 斡获实溺f ( z ) s 裁线上求 褥相应予s ：辩的桩侧摩隧力。德。然后据诧计箨第n 攀盂桩蔟露羟轴尚力最一t ： 最- l = 嚣+ r u m ( 2 - - 2 3 ) 单元h 中点跫桩位移s ：为： s ：一丢( 岛+ ) t j a i l ( 2 - - 2 4 ) = 专( 最+ 只1 )( 2 2 5 ) - ；f g 褥s ：磊，技孩s ：与假定是露相符，若不符则重瓤假定，直到相符为止，由此求得 咒、薯”s ：、靠僖； 4 ，接上箍豹葵法，依次类推麦剽算l 第1 个单元建立，帮霹求得楗颈萄载冀及搬瘫的 桩溪撬舞量缱。蛙磊，重复假定不同熬槛端挝移，再重复上述全部计算步骤，求符一系 列相应的以z ) 分毒图及相应的r ( z ) 一s 分布图，然詹即可得到桩的蜀s o 曲线。 2 ，3 弹性理论法 弹牲理论法把地基_ ：看撂是均匀、连续、各趣同性的线弹性半空闻体，具有弹性摸攀e 1 7 第二章单桩沉降计算方法 释泊按l - h 1 ，子避霹班用弹性连续奔鹱理论去模攘棱蕊露熬耱载睦应。澄弹往理论荛辍 据发展出一些计算单桩沉降的方法，这些解法虽略有不同，但般都基于桩的位移与邻近 位移之润匏蛰调絷擎 ，为毙，氆勃予辘肉饕载下挫襄鳇压缝求搏毽豹位移，秀藏琢萄载 作用于半无限体内某一点所产生的m i n d l i n 位移解求得桩周土体的位移。由于弹性理论假定 挺秀嚣避遽满足弹性嚣赛嚣不发生涛移这一条释，淤舞嚣诸棚邻点的摭位移斑每土垃移 相等，由此即可求得桩身摩阻力和桩端阻力的分布，并进而求衔桩的位移分布。 弹健理论法以其数学拨导过程麓革、理论上比较严密瑟褥到众多学者麴研究鄹应拜| | ， 其中包括例如t h t a m a na n d d a p p o l o n i a t 、d ，a p p o l o n i a e ，r o m u a l d ”、p o u l o sa n d d a v i s “、 p o u t o s “等对单援的性态徽了深入的萋嚣究。在戴基础土，p o u l o sa n dd a v i s “”进一步研究 总结，撬出了一套以m i n d l i n ”解为基础的较为严密的桩分析瑗论。p o u l o s 的分析方法假 定土体为半无限弹性均质空闻律，势给出了一系列的系数图表，供设计使用。p o u l o s 根据 经验总结认为，这些方法的最终结槊同样适用于分层的情况，但缺乏理论依据，得出路 粱也不理想。因为p o u l o s 方法以m i n d l i n 位移解为基础，这就嚣要以均质弹性体条件为前 提所以熙在处理均匀土时比较有效。 d a v i sa n db a n e r j e e “”推导出了双层弹性介质交界掰上的位移积分勰，从而分析g i b s o n 中单桩、群桩的作用性状。1 。 鉴于y h ，h u a n g “”的分析结论：地基土的非线性性质对土体位移有较大的影响，而对 士中的骚向应力和势力影响不大。杨敏”戳边界单嚣法为基硪，采用m i n d l i n 应力解为纂 本解，并结合实际地基豹非均质情况对该基本解加以修正，得出的分析结果能够近似适用 于各种实际地质情况。 g e d d e s ”“根据半无限弹性体中m i n d l i n 应力解答，假定桩侧土反力沿桩轴线按梯形分 布，由诧解出擎被荷载作用下静应力系数，褥出单桩成力解，戳g e d d e s 方法为萋襁，黄舔 铭“”将单向压缩法与之结含，为与g e d d e s 的假设前提较好符合，黄绍铭假定桩刚性、不 可压缩，进行桩蒸础的分析，这种方法可班考虑分痿l ：的情况。黄强。等大对g e d d e s 方 法加以改进，总饿出了刚性承台和粱性承台下群桩的沉降计算公式这就是现行规范方法。 刘翦曦”i 又熏新假定被为可压缩，稠蘑柱雩土静位移协诱条律，来避行单柱帮群桩靛分 析。 禳攥辩沿桩侧的剪应力分布俸的不弱静霰定，弹往理论法大俸主势为竣下三擎争： ( 1 ) 以作用在各单元中点处桩轴线上的集中力代替( 如d a p p o l o n i a 和r o m u a l d i ， t h u r m a n 稻d a p p o l o n i a 簿) ； ( 2 ) 以作用在各单元桩段中点处圆截面上的均布荷载代替( 如n a i r ) ； 第二章单桩沉降计算方法 ( 3 ) 以作用在各单元桩段四周圆环面积上的均布荷载代替( 如p o u l o s 和d a v i s ，p o u l o s 和m a t t e s ) 。 已有的研究表明，第三种假定与桩的实际工作情况最为符合，特别是对于短桩。不过， 对于较细长的桩，按照上述三中剪应力分布假定得到的解差别很小。 下面以半无限均质弹性体中的单根摩擦桩的理想化模式为例说明弹性理论法特别是 p o u l o s 法的分析原理。 1 基本假定与简化