桩筏基础非线性共同作用分析及变刚度调平设计

1、第28卷企业技术开发企DEVELOPMENT业技术开发TECHNOLOGICALOFENTERPRISE2009年7月2009年7月Jul.2009桩筏基础非线性共同作用分析及变刚度调平设计何摘江1，傅冬平2（1.湘潭国家高新技术产业开发区，湖南湘潭411103；2.醴陵市环境保护局，湖南株洲412200）要：桩筏基础的承载力、位移特征分析，尤其是建立在桩-土-筏共同作用基础上的以减小沉降差为目的的变刚度调平分析是目前桩筏基础设计的难点与热点。文章利用桩筏基础的非线性共同作用分析方法和分析程序，分析了桩筏基础当筏板厚度和桩距、桩长、桩径变化时，筏板的位移特性和桩顶的反力及其分布规律，得到了一些

2、有意义的结论。利用本文的分析结果，进行桩筏基础的变刚度调平设计，以达到减少桩筏基础筏板沉降差的目的。关键词：共同作用；位移特征；桩顶反力；桩筏基础；变刚度中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1006-8937（2009）13-0038-03Nonlinearinteractinganalysisofpiled-raftfoundationandvariablerigiditydesignmethodforbalancesettlementHEJiang1，FUDong-ping2（，；，）Abstract:Theanalysisonthebearingcapacityandthedi

3、splacementcharacteristicsofthepile-raftfoundation,especiallyvariablerigidityanalysisforbalancesettlementwhichisbasedoninteractionanalysisofpile-soil-raftandaimingatreducingthedisplacementdifferenceoftheraft,isthedifficultandfocalpointofcommonattentioninthedesignofthepile-raftfoundation.Usedthenonlin

4、earinteractionanalyticalmethodandprogram,thedisplacementcharacteristicsoftheraftandthecounterforceanditsdistributiononthepileheadareanalyzedwhenthethicknessoftheraftandthespacing,thelength,thediameterofthepilearechanged,andsomevaluableconclusionsareobtainedinthispaper.Basedontheconclusionsobtainedin

5、thispaper,thepile-raftfoundationcanbedesignedwiththevariablerigiditydesignmethodforbalancesettlementandtheobjectiveofreducingthedisplacementdifferenceoftheraftcanberealized.Keywords：interaction；displacementcharacteristics；counterforceonthepilehead；pile-raftfoundation；variablerigidity1概述然后应用变形协调及静力平衡

6、条件，建立整个体系共同作用的方程。采用子结构法分析上部结构。利用广义协调元方法6桩筏基础以其整体性好、抗震性强、承载力高、能有效调节地基不均匀沉降而日益成为高层建筑中的一种理想基础。桩筏基础的承载力、沉降分析、尤其是建立在桩-土-筏共同作用基础上的以减小沉降差为目的的调平分析是目前桩筏基础设计中的难点与热点1-3，清楚地了解桩筏基础的工作性状对满足设计目标至关重要。本文利用文献4、5中的层状地基中上部结构-桩-筏-土非线性共同作用分析方法和分析程序，分析了桩筏基础当筏板设计参数和桩设计参数变化时，桩基桩顶反力的分布规律及筏板的位移特性，得到了一些有益的结论。在此基础上阐述了变刚度调平设计的方法

7、、方向及步骤，最后给出一个算例。，建立薄厚板通用矩形单元，推导出单元刚度矩阵和总刚矩阵，建立筏板的控制方程。采用分层地基模型来反映桩-地基土的层状特性，利用剪切位移法推导出桩-桩、土、土-桩及土-土的相互作用柔度，进而得到桩土体系的刚度矩阵和桩土体系的控制方程。假定筏板与地基只在节点上接触且不分离。根据静力平衡条件和位移协调条件，将上部结构控制方程和桩土体系控制方程与筏板控制方程进行耦合，得到上部结构桩筏基础与地基土共同作用方程。（KB+KP+KPS）w=SB+W-RPS式中：KPS为处理后的桩土体系刚度矩阵，KB为处理后上部结构刚度矩阵。2考虑上部结构-桩-筏-土共同作用的分析方法及方程先对

8、上部结构、筏板、桩土体系等各部分进行分析，3筏板位移及位移差特征通过计算分析表明，筏板位移及位移差与筏板厚度、收稿日期：2009-06-29作者简介：何江（1969），湖南醴陵人，大学本科，工程师，研究方向：建筑工程技术与管理。桩基设计参数变化的影响规律如下：筏板厚度在一定范围内，随着厚度的增加，桩筏基础的总体沉降和沉降差有所减小。当筏板厚度超过一定第28卷何江，等：桩筏基础非线性共同作用分析及变刚度调平设计39程度后，再增加其厚度，则总沉降会有所增大。在厚度不很大时，采用增加筏板厚度来减小桩筏基础沉降差可以取得较好的效果。随着桩间距逐渐增大，桩长、桩径逐渐减小，桩筏基础的总体位移及位移差都逐

9、渐增大。如果桩距在范围内（一般小于8d），总体位移及位移差增加的幅度不显著；在桩距超过一定范围，增加的幅度将比较显著。当桩长、桩径超过一定范围后，增加桩长、桩径，总体位移及位移差减小的效果甚微。同时分析计算表明，对于桩筏基础的总体沉降，上述各因素的影响皆较大，但对于沉降差，筏板厚度的影响最为显著，其他因素影响相对较小。4变刚度调平设计的方法分析表明，对于均匀布桩的桩筏基础，无论筏板厚度如何，桩长、桩距、桩径如何，都有两方面的特征：一是桩筏基础沉降呈现“盆底型”的沉降曲线，即中间大，四周小；二是桩顶反力呈现“倒盆底型”的分布规律，即角桩反力大于边桩，边桩大于内部桩。在桩筏基础设计中，对上述认识的

10、不同，处理问题的立脚点不同，就形成了两种似乎对立的布桩方式：“外强内弱”的布桩方式和“内强外弱”的布桩方式。如果从减小沉降差的角度出发，显然应采用“内强外弱”的布桩方式。由于地基的不均匀沉降是产生上部结构次应力和筏板整体弯矩的主要原因，若能使基础筏板在上部结构和桩土共同作用下保持接近水平面的状态，则上部结构次应力可基本消除，筏板所受到的整体弯矩也可基本消除。相对于过去加大基础筏板厚度的常规做法，采用“内强外弱”的布桩方式有很大的优越性，它不仅能有效减小上部结构的次应力，不会增加基础对不均匀沉降的敏感性，而且实现“内强外弱”的方式多，可根据工程实际情况进行优化设计。上述“内强外弱”的设计方法实际

11、上是变刚度调平设计方法的一种实现手段，下面简要介绍变刚度调平设计的方向、内容及步骤。4.1变刚度调平设计的方向上部结构的次应力以及筏板的弯矩在很大程度上取决于桩筏基础的沉降差，分析表明，调节沉降差可行途径有调整筏板的厚度，调整筏底桩的布桩方式及设计参数。本文以调整布桩方式为手段来使基础各处沉降均匀，使桩筏基础的沉降差趋于最小，从而使上部结构次应力及筏板弯矩减小。所以优化方向就是以桩筏基础变形量作为控制标准，以调整筏板厚度、筏底桩的布桩方式及设计参数为手段，使桩筏基础造价最低。4.2变刚度调平设计的内容基本数据10层53跨框架，柱网7.2m7.2m，底层及第二层层高5.4m，其它层层高3.9m；

12、框架柱截面：第一层、第二层为0.8m0.8m，以上各层均为0.6m0.6m，框架梁截面尺寸为0.3m0.65m。楼面荷载（包括恒荷载和活荷载）和墙体荷载简化到框架梁上，取均布力q=40kN/m。框架结构、筏板、桩均为钢筋混凝土材料，混凝土强度等级均为C30。矩形筏板平面尺寸为LrBr=38.4m24.0m，筏板厚度为tr1.1m。地基土分为三层。土层厚度及压缩模量分别为：第一层：3m厚粉质粘土，压缩模量E1-2=6.5MPa，泊松比u=0.35，容重=19.6kN/m3；第二层：9m厚粉质夹砂粘土，压缩模量E1-2=7.2MPa，泊松比u=0.35，容重=18.2kN/m3；第三层：36m厚粉

13、质粘土混卵石，压缩模量E1-2=7.6MPa，泊松比u=0.35，容重=21.1kN/m3；桩筏基础设计参数的初步确定前述分析表明，对均匀布置的桩基，基础沉降呈“盆底型”，为达到减小沉降差的目的，筏底中央位置桩土支撑体系刚度有待加强，四周桩土支撑体系刚度减弱。为便于比较，桩的设计参数为：桩长L18m，桩径d0.6m，桩距在s4d的基础上进行抽桩，在抽桩时保证每柱下有桩，筏底桩的平面布置如图1所示。采用前述共同作用分析方法，进行筏板位移及桩顶反力分布计算比较，记均匀布桩为工况一，抽桩分析为工况二。021006129004224001536000001200图1桩平面布置图两种工况的桩筏基础的位移

14、及位移差计算结果如表1所示。表1表明，采用“内强外弱”的布桩方式，桩筏基础的40企业技术开发表1均匀布桩与内强外弱布桩筏板位移及位移差比较项目平均位移（mm）最大位移（mm）最小位移（mm）位移差（mm）偏差54.529.3170.7-46.652009年7月用本文的分析结果，进行桩筏基础的变刚度调平设计，可达到减少桩筏基础筏板沉降差的目的。参考文献：1懂建国，赵锡宏.高层建筑地基基础共同作用理论与实践M.上海:同济大学出版社，1997.2张建辉.层状地基上桩筏基础的分析方法及其布桩优化研究D.重庆:重庆建筑大学，1999.11.3陈俊，邹银生，赵海平.桩筏基础“内强外弱”布桩方式探讨J.基建

15、优化，2005，26(3):78-80.analysisofinteractionofsuperstructure-pile-raft-soilsysteminlayeredsoilpartI:FormulationofinteractionequationJ.KeyEngineeringMaterials,2009,Vols.400-402:651-658.5LongYuqiuandXinKegui.Generalizedconformingele-mentforbendingandbuckinganalysisofpateJ.FiniteElementinAnalysisandDesign

16、,1989,5:15-30.辛克贵.广义协调元N.土木工程学报，1987，20(1)，6龙驭球，1-14.平均位移、最大位移及最小位移都分别增加了54.5，29.3及170.7，但是桩筏基础的位移差减小46.6，这样筏板的弯矩也将大为减小。发生该现象的原因在于筏底桩土支撑体系的刚度。发生了变化，本例板角位置抽桩比较多。上述现象还表明，采用均匀布桩时，用桩160根，采用“内强外弱”的布桩方式用桩100根，桩减小了37.5，桩筏基础的不均沉降减小了46.1，但这是以增加基础的总体沉降为代价。5结论本文利用桩筏基础的非线性共同作用分析方法和分析程序，分析了桩筏基础当筏板厚度和桩距、桩长、桩径利变化时

17、，筏板的位移特性和桩顶的反力及其分布规律。（上接第20页）况，按照图2电机正反转主电路和图3通过RS232电缆把PLC输入/输出接线图进行电路安装，程序写入PLC，通过测试符合控制要求。装入现场，电机启停灵活，各行程开关、电磁阀动作灵活，系统工作正常。小车运料控制系统经调试后达到了稳定，控制状态良好。参考文献：1贾德胜.PLC实用子程序M.北京:人民邮电出版社，2006.1.2李稳贤，田华.可编程控制器应用技术M.北京：冶金工业出版社，2008.3谢克明，夏路易.可编程控制器原理与程序设计M.北京：电子工业出版社，2002.4张运波,刘淑荣.工厂电气控制技术M.北京:高等教育出版社，2004.5吕汀，石红梅.变频技术原理与应用M.北京:机械工业出版社，2003.6殷兴光，孙瑜.PLC在液体混合装置中的应用J.机电一体化，2004，(3).4结论实践证明,本设计所采用日本三菱公司生产的小型可编程控制器FX1s-20MR的硬件配置和程序设计是完全可行的,在实践中取得了令人满意的效果。所设计的以PLC为核心的小车运料控制系统，性能可靠、操作简单方便、易于维护、环境适应性强，还能容易地随时修改可编程控制器程序,达到了预期效果。!美科学家发现迄今替代航空燃油的最佳可再生植物燃油最近，美国密切根技术大学化工专业的教授分析研究了芥蓝（Camelina）从种植到最后制成航空燃油应用全采