桩筏基础

桩筏基础（共7篇）

篇1：桩筏基础

，

习惯上将这块板称为筏，称这类基础为桩筏基础。筏可做成梁板式或平板式。

桩筏基础主要适用于软土地基上的筒体结构、框剪结构和剪力墙结构，以便借助于高层建筑的巨大刚度来弥补基础刚度的不足。不过，若为端承桩基，则可用于框架结构。

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篇2：桩筏基础

桩筏基础设计中对于筏板厚度的取值，一般是先按建筑层数估算筏板厚度，常规是按层数x50mm来估算，

譬如说一幢十八层的小高层住宅，则先按18x50mm=900mm设定筏板厚，然后再根据排桩情况，分别验算角桩冲切，边桩冲切及墙冲切，群桩冲切，

一般情况均为角桩冲切来控制板厚，但在这里主要强调一个短肢剪力墙结构下的群桩冲切，短肢剪力墙结构由于墙体不封闭，故取值群桩冲切边界时有相当大的困难，而群桩冲切由于桩群重叠面积较大，应是一种不利状态。

篇3：桩筏基础弹塑性分析

1 计算程序和模型

线性扩展Drucker-Prager (简称D-P) 地基模型是有限元软件ABAQUS模拟土的本构关系的一种弹塑性模型。有关线性扩展D-P模型的基本原理、参数选取及其与莫尔-库仑模型参数之间的拟合转换关系详见文献[3]和[4]。

桩笩基础平面布置如图1所示, 在筏板上加均布荷载q进行分析。其中筏板面积为8.4×8.4m2, 厚度为1.0m。筏板下均匀布置49根钢筋混凝土预制桩, 桩长为10m, 桩截面尺寸为0.4×0.4m2。筏板和桩身均采用C25混凝土, 把它们作为弹性均质材料, 弹性模量和泊松比分别为E=2.55×104MPa、v=0.2。桩和土采用空间八节点实体单元模拟, 筏板采用四节点厚板单元模拟。

地基土分4层, 地基土的材料本构关系采用线性扩展D-P弹塑性模型。地基土为地质勘察报告所提供的表1中原始有关数据。通过对地质勘察报告中提供的莫尔-库仑参数进行拟合, 可转换得到表2中线性扩展D-P地基模型的各计算参数, 其中β为p-t应力平面中的坡度。

2 桩笩基础工作特性

2.1 桩筏基础的共同作用

图2是筏板基础、高承台群桩基础和桩筏基础的荷载-沉降曲线。除了筏板基础下无桩基础、高承台群桩筏板不与土接触外, 其他条件与桩筏基础相同。从图2可见, 所有基础的荷载-沉降曲线都显示出非线性关系, 但只有S/d=6的高承台桩基达到极限承载力, 而不能收敛。筏板基础沉降虽然超过实际沉降允许范围, 但还可以继续承受荷载而不会破坏, 因此对筏板基础设计往往是沉降不能满足要求。在相同的沉降下, 桩筏基础承载力显著地大于筏板基础的承载力, 并且桩数越多, 其承载力提高的越多;在相同的荷载作用下, 桩筏基础沉降又显著地小于筏板基础的沉降。因此筏板基础加桩后可以显著地加大容许承载力和减少沉降。

由图2和图3可知, 在S/d=6时, 在沉降较小时, 高承台群桩基础和桩筏基础的Q-s曲线重合, 说明此时桩筏基础的荷载主要由桩承担, 随着荷载的增加, 沉降的增大, 桩筏基础承载力比高承台群桩基础的承载力大得越多, 这是由于随着荷载的增加, 桩筏基础的桩承载力达到极限, 后续增加的荷载主要由筏下土承担。在S/d=3时, 高承台群桩基础与桩筏基础的承载力相差不大。其原因是在荷载作用下, 由于桩与土界面的相互作用, 在桩间距较小的情况下, 使得桩夹持桩间土下降, 使得筏下土承载能力得不到发挥。因此桩筏基础只有在桩的荷载几乎发挥到极限承载力后, 继续增大荷载, 使桩端发生刺入变形, 筏下土的荷载承担能力才能发挥。并且桩间距越大, 筏下土的承担作用越容易发挥出来。

图4是S/d=6时, q=500kPa桩筏基础的沉降图, 图5是S/d=3时, q=500kPa桩筏基础的沉降图。由图4可以看出, 在S/d=6、q=500kPa时, 桩的沉降为136.5mm时, 桩端和土的差异沉降达到为90.3mm, 桩间土发生较大的压缩, 桩端发生明显的刺入变形。从图5可知, 由于桩—土相互作用及桩与桩间的夹持裹挟作用, 在S/d=3时桩筏基础表现出桩和桩间土形成一个整体, 一起沉降, 这意味着群桩的桩和桩间土有着同样的变形。因此桩筏基在常规桩间距时, 采用实体深基础计算桩筏基础沉降是适用的;但对于S/d≥6, 采用实体深基础计算桩筏基础沉降则不再适用。

2.2 桩身侧摩阻力分布规律

图6是桩距与桩径之比S/d=3、筏板上均布荷载q=1120kPa时桩身侧摩阻力分布。从图6可知, 在桩顶处, 侧阻力始终保持在很低的水平, 对于中桩甚至出现负摩阻力, 说明由于承台的存在, 桩顶土产生沉降, 使得桩顶与其桩周土相对位移减少, 限制了桩身上部侧摩阻力的发挥。无论何种情况下, 在桩端部桩身侧摩阻力显著的增大, 呈现明显的增强效应, 这一现象称之为“桩侧阻力的强化效应”, 这与收集到的国内外大量试桩资料相符合[5], 并且从模型试验和理论上证明了这一现象的存在[6]。

图7是S/d=3时, 桩侧总摩阻力与沉降的关系曲线。由图可知, 随着沉降的增加, 桩侧总摩阻力逐渐增大, 中桩由负摩阻力变为正摩阻力, 在沉降小于90mm时, 桩侧总摩阻力显示出角桩最大、边桩次之、中心桩最小分布规律。但在沉降大于90mm以后, 中桩桩侧总摩阻力继续成线性增大, 但角桩和边桩的桩侧总摩阻力增加就不显著, 说明此时, 角桩和边桩的侧摩阻力快达到极限状态, 出现桩侧摩阻力向内部桩转移的重分布现象。在基础沉降大于100mm以后, 出现边桩侧摩阻力比角桩大的现象, 这是由于此时角桩和边桩的侧摩阻力已经达到极限状态, 中桩周围土由于受到周围桩对它的约束作用多于角桩, 从而边桩的桩侧总摩阻力超过角桩的桩侧总摩阻力。

图8是在不同S/d的条件下, 中桩桩侧总摩阻力与沉降的关系。由图可知, 疏桩基础 (S/d≥6) 侧摩阻力的发挥值远大于常规桩距基础 (S/d=3、4) 。S/d=6的桩筏基础和S/d=4的桩筏基础在沉降为80mm时, 两者的比值接近2.34。但在桩距S/d=6的桩筏基础和S/d=7的桩筏基础达80mm时, 两者的比值接近1.09。因此在桩距达到6d以后, 桩—桩、桩—土相互作用及桩与桩间的夹持作用降到最低, 此时群桩效应非常小, 中桩的摩阻力可以充分发挥出来。实测结果也表明桩土相互影响的距离约为6d[59], 这和本文分析的结果相一致。由以上可知, 和常规桩距相比, 疏桩基础可以有效地避免因群桩效应而引起的桩身侧摩阻力的严重衰减, 对承载力的发挥明显优于常规桩距的桩筏基础。

2.3 桩顶反力分布规律

图9和图10是不同的S/d条件下, 边桩与中桩桩顶反力比值和角桩与中桩桩顶反力比值随荷载变化的曲线。在S/d不变的条件下, 角桩与中桩桩顶反力和边桩与中桩反力比值随着荷载的增加而显著减少。这是由于角桩侧阻的发挥先于内部桩, 因而随荷载增大, 内部桩分担荷载的份额逐渐增大, 而角桩分担份额相对减小。因此角桩与中桩桩顶反力和边桩与中桩桩顶反力比值并不是一成不变的, 它随荷载的增大而逐渐变小。其规律是随荷载增大, 各桩荷载趋于均匀分布。在荷载不变的条件下, 角桩与中桩桩顶反力和边桩与中桩反力比值随着S/d的增加而减少, 在S/d≤5较为明显, 在当S/d>5则变化不大。总体来看在筏板均布荷载q≥500kPa, S/d≥6时各桩荷载趋于均匀分布, 此时可以忽略桩筏基础的群桩效应, 认为各桩反力相同, 各桩能承担的荷载几乎能同。大量实测结果表明桩与土相互作用影响的距离远小于弹性理论显示的结果, 约为6d[9];此处再次证明, S/d≥6, 桩筏基础的群桩效应非常小了。

2.4 桩土荷载分担比

图11是在不同的S/d条件下, 筏下土荷载分担比与荷载的关系曲线。从图中可知, 筏下土荷载分担比随桩距的增大、荷载水平的提高而增加。由荷载为70kPa、桩间距S/d=3变化到荷载为700kPa、S/d=7时, 筏下土荷载分担比由14.1%增加到51.2%。同时可以看出, 桩间距S/d=3时, 筏板上荷载由q=70kPa增至q=700kPa荷载时, 筏下土荷载分担比只增加了4.2%, 变化非常的小;桩间距S/d=7时, 筏板上荷载由q=70kPa增至q=700kPa荷载时, 筏下土荷载分担比增加了27%。因此在大桩距时, 筏下土荷载分担比随荷载提高而增大的幅度大;小桩距时, 增大的幅度非常小。由此可见和常规桩筏基础相比较疏桩基础可以大幅度地提高筏下土荷载分担比。

分析还表明承台土反力总值与桩端桩刺入量 (桩尖相对桩端土面的突变位移) 间呈较好的线性关系。因此, 保证桩有一定的刺入量是承台参与工作的重要条件。

3 结论

由本文分析可得到如下结论:

⑴桩筏共同作用:筏板基础加桩后可以大大提高容许承载力和减少沉降。在荷载不大、沉降较小的情况下, 桩笩基础的荷载主要由桩承担, 随着荷载的增加、沉降的增大, 桩笩基础的桩承载力达到极限, 后续增加的荷载主要由筏下土承担。

⑵桩身侧摩阻力分布规律:在桩顶处, 侧阻力保持在很低的水平, 承台对上部侧阻力存在“削弱效应”。角桩和内部桩 (边桩和中桩) 的摩阻力随桩间距S/d的增加而减少。

⑶桩顶反力分布规律:角桩和内部桩 (边桩和中桩) 桩顶反力的比值随桩间距S/d的增加而减少;桩与土相互影响的距离约为6d。当S/d≥6, 在上部结构荷载达到一定程度, 桩端土产生一定的塑性变形之后, 各桩所承担的荷载趋于均匀分布, 此时可以忽略桩笩基础的群桩效应, 中、边、角桩可以同时达到各自的极限承载力。

⑷桩土荷载分担比:桩土荷载分担比随着桩间距S/d的增加而减少, 增加桩距可以显著提高筏下土的荷载分担比, 因此和常规桩笩基础相比较, 疏桩基础可以大幅度地提高筏下土荷载分担比。

摘要：采用线性扩展D-P模型对桩笩基础下的地基土进行弹塑性模拟, 建立了桩笩基础系统的ABAQUS程序三维有限元模型, 经分析得到了桩笩基础的一些工作特性。

关键词：桩笩基础,线性扩展D-P模型,弹塑性地基模型

参考文献

[1]董建国, 赵锡宏.高层建筑地基基础—共同作用理论与实践.上海:同济大学出版社.1997

[2]王莺歌.共同作用数值分析中弹性与弹塑性地基模型比较[J].内蒙古科技与经济, 2005, 9:128-129.

[3]顾太华.桩筏基础的弹塑性分析及设计方法研究[D].广州:华南理工大学建筑学院, 2006.

[4]Hibbitt, Karlsson&Sorensen.inc.ABAQUS Theory manual.Vresion6.4[M].Pawtucket, 1997.

[5]刘利民等.桩基工程的理论进展与工程实践.北京:中国建材工业出版社, 2002

篇4：桩筏基础

【关键词】高层建筑；结构设计；基础 ；桩筏基础；设计

【中图分类号】TU470 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0212-02

一、前言

高层建筑基础想要牢固，就应该采用一些整体性好，并且能满足地基承载力和建筑物容许变形要求，而且能调节不均匀沉降的基础形式；采用筏板基础或者带柱基的筏板基础是可以的，必要的时候也可以采用箱形基础。

二、高层建筑基础的要求

能力。

三、在进行基础设计时，应该注意如下问题

1.在中国国内目前的高层建筑基础设计普遍都是直接采用电算程序得到的各种荷载效应的标准组合，以及同一地基或桩基承载力特征进行设计，高层建筑边角竖向结构较大轴力主要就是风荷载和地震作用引起的，把此永久作用和短期作用等同的来看，边角竖向结构的基础就会被加大了，中部竖向结构基础不能够增强的原因就是由于相应重力荷载的长期作用，某些高层建筑的地下室底部横向墙体八字裂缝典型盆式差异沉降，这样的现象发生跟前面的因素有直接的关系。

2.在嵌岩高层建筑结构基础时候，采用砂质或者其他材质褥垫层在基础周边和底面设置，垫层的厚度范围是50毫米到10毫米之间，肥槽填充混凝土的做法是不能采用的。根据受冲切承载力计算来确定平板式筏基的板厚，不平衡弯矩作用在冲切面上的附加剪力是应该需要考虑的，而且板的厚度不能低于400米。筏形基础应的顶面和底面配置双向钢筋网片，钢筋之间的间距能低于于150毫米，比300毫米大也不好；钢筋的受力直径不能比12毫米小。柱宽比梁板式筏基梁宽大的时候，可以采用在柱边用肋梁加腋，这样的话就会满足构造的要求。在梁高取值梁板式筏基的时候应该把底板厚度包括在内，正截面受弯及斜截面受剪承载力是梁截面应该满足的，应对基础梁顶面柱下局部受压承载力进行验算。应该根据地基土的承载力、上部结构的布置及其荷载的分布等因素来确定筏板基础的平面尺寸，偏心距的计算可以取消。

3.在设计桩基的时候要因地制宜的设计，在选桩的型号上，成桩的工艺方面，承载力取值的方法上，各地各自的经验都比较成熟，而且很规范。在选择桩基和设计承台的时候，要根据上部结构类型、荷载大小、桩穿越的土层、桩端持力层土类、地下水位、施工条件和经验、制桩材料供应条件等因素来综合的考虑。

4.应该根据地基土承载力和上部结构布置以及荷载大小等因素来确定箱形基础的平面尺寸。

四、高层建筑桩筏基础作用影响因素的分析

1、弹性模量Es地基 和相对刚度K p 的桩影响

（一）对高层建筑产生影响的平均沉降，如果有较大的弹性模Es的桩间土，那平均沉降就会在高层建筑上发生；相对刚度小的桩，那高层建筑的平均沉降就会加大。

（二）在影响高层建筑差异沉降的时候，起了决定性的作用是筏基刚度，不明显的影响，在Es 和Kp上呈现出来了。

（三）上部荷载的影响，在被桩筏分担的时候，越小的弹性模量的桩间土Es，分担荷载的筏基，就会产生很大的比例；弹性模量桩的Ep越小，那分担荷载的筏基，其比例就越大。

2、桩长和桩间距的影响

（一）桩长的影响

影响桩筏分担荷载的桩越长，就会有很小的比例来分担荷载的筏基。对桩顶反力分布以及筏基内力大小有关桩的长度变化的影响是不明显的。高层建筑的桩越长，差异沉降的建筑物比例就越小，但是桩的长细比对建筑物的差异沉降不是影响的上部结构刚度和筏板厚度主要因素。

（二）桩间距的影响

影响高层建筑差异沉降的平均沉降，在10 以内的s/d，均会稍微增加高层建筑的差异沉降和平均沉降，说明没有急剧的影响；对桩筏分担上部荷载的影响，桩间距增大，对桩筏分担上部荷载具明显的影响。桩间距增大，角桩反力和边桩反力明显减小；当s/d 达到某值时，桩顶反力分布趋于均匀，即内部桩反力均等于角桩反力、边桩反力。s/d 增大，桩分担上部荷载的比例大大减小，而筏板分担上部荷载的比例将大大增加。如果桩间土有较高的承载力，那么可通过增大桩间距来充分发挥桩间土的承载力；对桩顶反力分布的影响桩间距增大，对桩顶反力分布的影响也是明显的。

3、抽桩对基础沉降及筏基分担上部荷载的影响

我们得知，通过实际经验，这个影响甚微，如果抽去同样数日的内部桩对基础沉降和筏基分担荷载的。而如何同样数目的角桩和边桩抽去的话，这个影响将增大，充分显示，在桩筏基础设计中，合理布桩的重要性，角桩和边桩密一些，内部桩疏一些，可以达到充分发挥桩筏基础的效果和节省的目的。适当增大桩间距，对桩间土的承载力，我们可以充分利用，其实质是减少桩数，在抽桩过程中，抽筏基下什么部位的桩对基础沉降及筏基分担上部荷载的影响少一点呢？

五、高层建筑桩箱（筏）基础与地基共同作用的设计建议

1、目前出现的共同作用实践的例子，就是减少沉降桩或桩间距大于6 倍桩径的疏桩即符合桩基。对于非嵌岩端承桩，桩间距离加大，桩数减少，让筏（或箱）底的地基承载力充分发挥，这种方法是可行的。

2、若常规设计被采用的话，可适当减少桩承担的荷载，在Pp=P-PwA-（5-10）%P=（95-90）%P-Pw·A式中，P：上部总荷载（包括箱（筏）基）；Pp：表示桩承担的荷载；Pw：表示浮力；A：箱（筏）基础平面面积。

3、可采用S=20CM～30CM的方法，这样可适当加大高层建筑桩（筏）基础的容许沉降。

六、结束语

篇5：浅析桩筏基础的优化设计

采用桩筏基础的作用:1)控制建筑物的沉降和不均匀沉降;2)提高地基的承载力。调查表明,深厚土层特别是深厚软土层中的桩筏基础的失效,绝大多数是由于总体沉降或差异沉降过大造成的。在这种情况下,采用以承载力控制设计的思路显然是不合理的。我们知道,桩筏基础的沉降量一般可以分为三部分:桩体压缩量、桩端对下卧土层的刺入量和下卧土层的压缩量。筏下布桩,对减少基础和上部结构总的沉降量和沉降差(调平)有明显效果,即使是短桩基础,其减沉与调平效果依然存在。

1 减沉设计

1)桩长及桩身断面选择:选择桩长应尽可能穿过压缩性高的土层,桩端持力层压缩性应相对较低,在承台产生一定沉降时桩仍可充分发挥并能继续保持其全部极限承载力;选择桩身断面应使桩身结构强度确定的单桩容许承载力与地基土对桩的极限承载力二者匹配,以充分发挥桩身材料的承载能力。2)承台埋深及其地面尺寸的初步确定:首先按外荷载全部由承台承担时其极限承载力仍有一定安全储备的原则,先初步确定承台的埋深及其底面尺寸,然后确定减沉设计的用桩量,再验算承台的初步尺寸,并给予调整。3)不同用桩数量时桩基沉降计算:根据初定的承台埋深及其底面尺寸,原定若干种不同的用桩数量方案,分别计算相应的沉降量,从而得到沉降s与桩数n的关系曲线,减沉桩基础的桩距一般应大于6d,桩的分布与建筑物竖向荷载相对应。4)按建筑物容许沉降量确定实际用桩数量:根据沉降s与桩数n的关系曲线,按建筑物容许沉降量确定桩基实际所需的用桩数量。

减沉桩基础桩距较常规桩筏基础布桩要大,一般至少大于(4～6)d(d为桩径),故其介于天然地基浅基础与桩基础之间。因而减沉桩基础也称之为控制变形疏桩基础。对于减沉桩筏基础的沉降计算则应结合当地经验考虑桩土共同作用。

上部结构—基础—地基(桩土)共同工作分析方程通常表达为:

([k]st+[k]F[k]s(p,s)){U}={F}st+{F}F (1)

其中,{F}st为上部结构荷载;[k]st为上部结构刚度凝聚;{F}F为厚筏或其他形式基础的荷载;[k]F为厚筏或其他形式基础的刚度;[k]s(p,s)为地基或桩土的刚度凝聚;{U}为基础位移。

尽管式(1)中各项的计算都很复杂,但是运用目前的既有方法都是可以解决的。要考虑的问题是:就目前采用连续介质弹性理论计算所得到的沉降偏离实测值过大,计算一般显著大于实测,这样就使得共同工作分析成果的实际价值降低。如何运用共同工作分析的成果优化设计是我们在共同工作分析中要重视的问题,而优化设计的关键是尽量减小差异沉降,从而降低筏板内力和上部结构次应力,减小筏板配筋和用浆量,提高桩筏基础的可靠性。为此,我们提出变刚度调平设计的概念和方法,这也是发展控制变形设计的一个重要方面。

2 变刚度调平设计

当前高层建筑桩筏基础设计中多数运用均匀等长、等直径布桩。沉降实测表明,尽管桩数不少,单碟形沉降仍不可避免,特别是框剪、框筒、筒中筒结构更明显。这是由于地基是一个完整的三维体,作用在某一点处的荷载在其余各点处也会产生位移,各点相互作用的结果,使得中间部分沉降最大,而角点沉降相对较小。筏板中心与筏边、角点的沉降差是导致基础内力和上部结构次应力、板厚增加、配筋增多的根源。调平设计概念源于桩筏基础中有关沉降差控制要求。由于对桩筏基础沉降,尤其是沉降差计算结果的可行性与合理性方面的困难,在过去相当长的时期,人们大多是被动地增加筏板厚度,这对相对较小的筏板有效;或增加筏底布桩的数量、几何尺度(桩长与桩径)、增大桩筏基础的整体刚度,通过降低沉降的绝对值而满足对沉降差的设计标准。这样的结果必然是桩筏基础工程量庞大,刚度过剩,存在相当大的浪费。而变刚度调平设计则是改变桩的平面布置,调整桩距、桩长、桩径,使筏板各点沉降值趋于均匀一致。

Burland(1977年)等提出采用所谓的“减小沉降的桩”,并建议这样的桩的韧性特征应予以保证。Padfield & Sharrock(1983年)讨论了旨在减小差异沉降的中部桩群的应用。Flerning(1992年)等人提出仅在柔性筏板中部设置桩群的方法。Randolph(1994年)指出,假如在设计上已达到优化,甚至一个较为柔性的筏板也可产生最小限度的差异沉降。这一设计概念在国内称之为变刚度调平设计。在承受均匀荷载的柔性筏板下,如果能谨慎地形成上述接触压力分布的话,筏板差异沉降将极大地减少。研究表明,在段板的中部占段板面积16%～25%的区域内,设置桩群,并使桩群的刚度近似等于无桩筏板的刚度,则桩筏基础的差异沉降即可忽略不计。桩群总的承载力大约为总荷载的40%～70%,其与桩群面积比和土的泊松比有关。这一方法的有效性得到了由K.HORIKOSHI,MERANDOLPH进行的离心模型试验结果的验证。

进一步研究表明,桩的总承载力发挥的强度与桩的极限承载力的比值m不应超过0.8,以避免沉降差明显增加,在m<0.8范围内,最合适群桩实际分担荷载相当于2.5倍～3倍群桩区域上的总荷载,仅为整个筏板上总外荷载的40%～70%。

对无限大地基上的局部区域,其沉降应与该区域的荷载成正比,而与其刚度成反比。地基局部区域沉降较大,是该处荷载较大而刚度较小所致。削减该处的荷载或增大该处的刚度就可以减少该处的沉降。高层建筑桩筏基础的荷载分布是由上部结构确定的。而上部结构由于受到功能的限制,一般很难进行调整,只能调整基础的刚度,对于桩筏基础,可通过变化板厚、设置肋梁、缩小墙距等调整基础刚度分布,但费用往往很高。因此减少某处的沉降或进行调平设计主要是针对筏底布桩与筏底地基土。

调整地基桩土刚度分布不仅可行而且调平效果显著,是变刚度调平设计的中心内容。首先,主裙楼的地基基础可采用不同形式,以适应上部结构荷载的分布状况。当采用桩基和复合地基时,可通过调整布桩及处理范围形成桩土变刚度分布。是改变桩的平面布置、桩数、桩长、桩径以改变桩土刚度,还是采用复合地基改变筏底地基土和桩—土界面的性质,选择的标准只能是技术可行性与经济合理性。

变刚度调平设计的步骤是:1)按建筑物性质、荷载、地质条件等进行初始布桩并确定板厚。2)进行上部结构、桩筏基础与地基共同作用分析,绘制沉降等值线。3)对沉降等值线进行分析,当天然地基总体沉降不大而局部沉降过大时,根据具体条件,对沉降过大部分采用局部加强处理。对沉降较大的部位,应适当加密布桩或视土层情况适当增加桩径桩长,重新形成刚度体系。4)进行共同工作迭代计算,直至沉降差减到最小。

3 结语

1)桩筏基础设计是双控的,从优化角度理解,承载力和沉降条件仅仅是两个约束条件。在特定条件下,承载力和沉降往往只是其中一个起主控作用。在深厚软黏土地基上的桩筏基础,沉降往往是设计的主控要素,应提倡沉降控制设计的设计思想。2)以沉降控制为原则的减沉设计与变刚度调平设计,改变了传统桩基设计概念,取桩基与天然地基之长,达到扬长避短的作用。

参考文献

[1]赵锡宏.上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论[M].上海:同济大学出版社,1989.

[2]刘金砺,迟铃泉.桩土变形计算模型和变刚度调平设计[D].北京:中国建筑科学研究地基基础研究所论文,2000.

[3]陈明中.群桩沉降计算理论及桩筏基础优化设计研究[D].杭州:浙江大学博士学位论文,2000.

[4]赵春洪,赵锡宏.上部结构—筏—桩—地基共同作用分析的新方法[J].建筑结构学报,1990,11(2):69-76.

[5]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京:高等教育出版社,2004.

篇6：桩筏基础

桩土共同作用已成为研究的热点[1,2]。为实现经济、有效地按需调整桩筏基础的整体刚度, 近年来, 林树枝和周峰提出了在桩顶与筏板之间设置专门研制的变形调节装置来调整、优化桩筏的支承刚度, 称之为两阶段变刚度桩筏基础[3,4]。通过桩顶设置变形调节装置, 两阶段变刚度桩筏基础克服了天然地基上筏板基础沉降及差异沉降过大、常规端承型桩筏基础无法发挥筏板底部表层地基土承载力的问题。在沉降和差异沉降控制方面, 两阶段变刚度桩筏基础与常规端承型桩筏基础相当, 但是前者可充分发挥良好的地基土承载力, 在满足整体安全度的前提下, 显著减少桩数和筏板内力, 表现出明显的优越性和经济性, 具有良好的发展前景。

2 设计概念

2.1 常规端承型桩筏基础

根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第3.3.1条, 端承型桩:在承载力极限状态下, 桩顶竖向荷载由桩端阻力承受, 桩侧阻力小到可忽略不计。这类桩的桩身一般穿越软弱土层, 桩端设置在密实砂类、碎石类土层中或位于中等风化、微风化及花岗质岩石顶面, 桩顶竖向荷载绝大部分由桩端阻力承受, 基础沉降量很小。

2.2 两阶段变刚度桩筏基础

两阶段变刚度桩筏基础的工作状态分为两个阶段[3,4]。第一阶段为桩基础“小刚度”阶段, 为使桩基支承刚度与地基土刚度相匹配, 通过在桩顶安装变形调节装置, 将桩的支承刚度调节到一个合适的量值, 桩基础和地基土可以协调变形共同工作, 形成广义的复合桩基受力机制。该阶段桩筏基础的沉降量大小主要由地基土的支承刚度来控制。第二阶段为桩基础“大刚度”阶段, 该阶段地基土承担的荷载已经接近或达到设计允许值, 这时将变形调节装置的空腔采用高强材料填充密实, 变形调节装置退出工作, 桩基础的支承刚度达到大刚度水平, 后续增加的荷载主要由桩来承担, 该阶段为桩基础主要承载阶段, 桩筏基础的后续沉降主要由桩基础的支承刚度来控制。

3 三种基础模型的模拟分析

为了考察两阶段变刚度桩筏基础的桩土工作特性与天然筏板基础以及常规端承型桩筏基础的区别, 本文建立了三个模型, 三个模型地质情况均相同。通过模型结果的对比分析[5], 进一步探讨两阶段变刚度桩筏基础的主要工作机理。

3.1 模型建立

三个模型所采用的场地土分二层土体, 上层土体为残积砂质粘性土, 厚9m。下层土体为全风化花岗岩, 厚11m。土体尺寸均为45m×45m×20m。模型场地土下表面给定边界条件x=0, y=0, z=0, 土体四周给定边界条件x=0, y=0。根据试验测试结果, 变形调节装置轴向刚度值约为16000k N/m, 因此弹性模量E=KL/A= (16000×0.15) / (3.14×0.52) =3057KN/m2, 即3.057MPa。

第一层残积砂质粘性土土体采用莫尔-库伦本构模型, 不考虑土体剪胀性, 膨胀角设为0。同时不考虑塑性变形的应变, 即绝对塑性应变设为0。所以, 残积砂质粘性土是一个理想的弹塑性莫尔-库伦本构模型。

具体参数见表1:

模型Ⅰ模拟天然筏板基础工况。如图3所示, 土体上表面有一筏板, 筏板尺寸为15m×15m×1.5m。在筏板上表面施加均布面荷载。

模型Ⅱ模拟常规端承型桩筏基础工况 (以下简称“常规桩基”) 。如图4所示, 土体上表面有一筏板, 筏板尺寸为15m×15m×1.5m。在筏板下表面有9根桩, 桩径为d=1m, 桩间距为5d, 边桩中心到筏板边距离为2.5d, 桩长为10m, 进入全风化花岗岩持力层1m。

模型Ⅲ模拟两阶段变刚度桩筏基础工况 (以下简称“复合桩基”) 。如图5所示, 土体上表面有一筏板, 筏板尺寸为15m×15m×1.5m。在筏板下表面有9根桩, 桩径为d=1m, 桩间距为5d, 边桩中心到筏板边距离为2.5d, 桩长为9.85m, 进入全风化花岗岩持力层1m。筏板与桩之间设有变形调节装置, 变形调节装置直径d=1m, 厚0.15m, 第一阶段 (小刚度阶段) 弹性模量为3.057MPa, 第二阶段 (大刚度阶段) 弹性模量为3×104MPa

三个模型荷载加载情况:在筏板上施加面荷载, 分六个分析步进行加载, 每个分析步荷载均为100k Pa, 分析步中加载为线性加载, 分析步步长固定为0.1s。桩顶设置变形调节装置模型中, 变形调节装置在第4个分析步开始时退出工作, 即在面荷载达到300k Pa时桩基础进入大刚度阶段。

3.2 数值模拟结果分析

对三个模型数值模拟的结果进行分析对比, 从桩土荷载分担比、变形调节装置的变形与沉降两方面, 研究两阶段变刚度桩筏基础的桩土工作特性。

(1) 桩土荷载分担比

桩、土分担上部荷载的比例反映了桩与承台相互作用的发挥程度。图9为三个模型的桩土荷载分担比。天然基础的上部荷载均由地基土体承担;常规桩基, 由桩来承担主要荷载, 随着荷载的增加, 桩身压缩以及桩端向下少量刺入土中, 土体被压缩, 参与分担上部16%荷载, 从最终的桩土荷载分担比来看, 常规桩基表现出明显的端承桩特性。

而两阶段变刚度桩筏基础的荷载分担比却有着非常明显的两阶段特征。第一阶段, 土体分担约90%的上部荷载, 而桩仅分担约10%的上部荷载, 而且这种比例几乎是保持不变的状态, 说明桩筏基础可以通过桩顶设置变形调节装置弱化桩的支承刚度, 使土体成为第一阶段荷载分担的主体。当变形调节装置注浆锁死后桩筏基础与常规端承桩基础无异, 基础进入第二阶段, 桩土荷载分担比迅速发生改变, 土体荷载分担比较迅速降低至46%, 桩荷载分担比迅速增加至54%。这个阶段的荷载增量主要由桩承担, 部分荷载增量由土体分担, 桩与土体共同相互作用。

显然, 常规桩基无法发挥地基土的承载力的作用, 造成浪费, 但是两阶段变刚度复合桩基础可充分发挥良好的地基土承载力, 在满足整体安全度的前提下, 可适当减少桩数, 表现出优越的性能和经济性。

(2) 桩侧摩阻力

图10为常规桩基和复合桩基桩侧摩阻合力。复合桩基第一阶段侧摩阻力为负摩阻力, 随荷载增大而增大, 最大值为-6326KN, 这是由于第一阶段土先被压缩, 对桩产生向下的侧阻力;第二阶段, 侧摩阻合力随荷载线性减小, 由负转正, 线性增大最终达到2318KN, 这是由于第二阶段变刚度后, 土基本不被压缩, 侧摩阻力逐渐减小, 并由负值转为正值。

常规桩基侧摩阻力随着荷载的增加不断增大, 虽然是模拟端承桩, 但是由于桩端持力层的弹性模量值比实际情况偏小, 模型计算时桩发生向下少量刺入变形, 导致侧摩阻力不断增大。

常规桩基产生负摩阻力的条件: (1) 类情况为桩周土在自重作用下固结沉降或浸水导致土体结构破坏、强度降低而固结 (湿陷) ; (2) 类情况为外界荷载作用导致桩周土固结沉降, 如桩周存在软弱土层, 邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载或大面积地面堆载 (包括填土) ; (3) 类情况为因降水导致桩周土中有效应力增大而固结。

复合桩基产生负摩阻力是因为, 第一阶段为“小刚度”阶段, 端承型桩顶部设置变形调节装置, 在上部荷载作用下, 变形调节装置产生竖向变形, 使端承桩的刚度弱化, 此时上部荷载主要由地基土承担, 地基土的沉降较大, 相对桩有向下位移, 对桩产生向下的摩阻力。第二阶段为“大刚度”阶段, 上部荷载增量主要有桩承担, 地基土沉降量很小, 桩侧摩阻力逐渐有负转正。两阶段变刚度复合桩基在加载过程中, 大部分处于负摩阻力状态, 因此计算时不能忽略负摩阻力对基桩的影响。

应当注意到, 本章关于桩侧负摩阻力的讨论都是基于桩长为10m的模型, 桩身大部分范围受负摩阻应力作用, 其影响不可忽略。而对于不同桩长的工况, 尤其是桩长较长的情况, 地基土的受荷变形主要体现在表层一定深度内, 因此其桩侧负摩阻应力的影响范围相对有限, 则不同桩长的桩侧摩阻力的特性有待进一步研究。

(3) 沉降

如图11, 在上部荷载的作用下, 天然筏板基础和常规桩基在筏板面荷载作用下表层土沉降线性增长, 最终沉降量约为177mm和23mm。复合桩基土沉降呈现显著的两阶段特性, 第一阶段土沉降随荷载线性增长, 其增长较快, 斜率与天然筏板基础接近。这是因为桩顶变形调节装置刚度远小于桩的刚度, 通过在桩顶设置变形调节装置, 使得桩的支承刚度弱化, 即桩和变形调节装置的竖向组合刚度可以调节到一个较低的水平 (图12所示第一阶段刚度, 约为15000KN/m) ;第二阶段土的沉降仍呈线性增长, 但增长缓慢, 其斜率与常规桩基接近, 最终沉降量约为75mm。这是因为第二阶段“注浆”后, 桩的支承刚度达到端承桩的“大刚度”水平 (图12所示第二阶段刚度, 约为2400000KN/m) 。显然, 由图12可见桩顶设置变形调节装置的复合桩基础, 其竖向组合刚度具有明显的两阶段变刚度特性, 在刚度变化前后, 其工作性状呈现显著不同。

4 结论

通过三个模型的桩土荷载分担比、桩侧摩阻力以及筏板下地基土沉降的结果分析对比, 得到以下结论:

(1) 两阶段变刚度桩筏基础是介于天然筏板基础与常规复合桩基基础的一种新型基础形式。从桩土荷载分担比、桩侧摩阻力以及筏板下地基土沉降等方面可以看出其具有非常明显的两阶段特性, 且曲线具有明显的转折点。

(2) 通过数值模拟结果分析, 证实了两阶段变刚度桩筏基础的“两阶段”工作机理:第一阶段为“小刚度”阶段, 该阶段上部荷载主要由地基土承担, 桩筏基础的沉降量较大。第二阶段为“大刚度”阶段。变形调节装置的空腔采用高强材料填充密实, 变形调节装置退出工作, 后续增加的荷载主要由桩来承担, 该阶段为桩基础主要承载阶段。

(3) 两阶段变刚度桩筏基础对筏板应力集中现象具有优化作用, 减小差异沉降和筏板内力, 改善筏板的受力状态, 起到了变刚度调平设计作用。

(4) 两阶段变刚度桩筏基础改变了桩土承担荷载的顺序, 上部荷载先由土体承担, 然后再由桩土共同承担, 解决了端承桩型复合桩基基础无法利用表层土体良好承载力的问题。

参考文献

[1]张雁, 刘金波.桩基手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[2]刘金砺, 高文生, 邱明兵.建筑桩基技术规范应用手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[3]林树枝, 郭天祥, 何波.两阶段变刚度端承桩复合桩基的设计及应用[J].福建建筑, 2010 (5) :1-4.

[4]林树枝, 周峰.设置变形调节装置桩筏基础工作机理及应用领域[J].福建建筑, 2010 (12) :1-3.

篇7：桩筏基础

李俊才等[1]通过原位测试得到了高层建筑疏桩筏板基础的沉降特性、桩顶压力分布、桩间土压力分布、筏板内钢筋轴力分布,并分析了桩与桩间土承担竖向荷载的比例。巢斯等[2]根据上海金茂大厦和环球金融中心桩筏基础的实测沉降资料,论证超高层建筑的桩筏基础为弹性体,并采用偏心受压公式和高层建筑与地基基础共同作用理论方法进行对比计算,论证按弹性体计算桩顶反力的合理性.曾友金等[3]提出了考虑土-桩-筏相互作用的迭代分析方法,获得筏板的内力和桩身轴力等。崔春义、Ruel.O、Luca de Sanctis等[4,5,6,7]通过数值方法研究了桩筏基础的固结沉降与承载力问题。

本文通过建立三维有限元数值分析模型,对高层建筑-桩筏基础-地基共同作用的问题进行模拟,着重分析高层建筑桩筏基础荷载分担问题。

1 计算模型建立

本文以某小区高层建筑桩筏基础问题为原型,采用ABAQUS有限元程序建立三维有限元静力分析模型,研究在上部结构荷载作用下桩筏基础荷载分担情况。建筑总高33m,为了减少数值计算的工作量,将0～15m高度范围内采用实体单元模拟,15m以上采用分布荷载模拟结构质量。考虑到问题的对称性,将结构和地基取一半进行模拟。筏板边缘到模型边界距离为12m,桩底到模型底部距离为20m,计算模型的底部为固定边界,四周为侧限的边界,限制向外侧的位移。

筏板厚0.5m,悬挑1.5m。桩与筏板刚性连接,桩径0.5m,桩体主要布置于墙下。桩筏基础和上部结构为混凝土结构,在上部结构荷载作用下,混凝土材料处于线弹性范围,混凝土材料弹性参数为:弹性模量25 000MPa,泊松比0.2。地基为均质粉土,采用Mohr-Coulomb模型模拟地基土体的力学性质,土体力学参数通过采取现场原状土进行三轴试验得出,土体黏聚力为35kPa,内摩擦角为37°,计算中采用相关联的流动准则。为了模拟桩筏基础与地基土体的相互作用,在土与结构两种刚度差异较大材料接触区域建立接触面,并采用罚函数法描述两者的接触作用。

共建立6个数值分析模型,分析距径比和桩长等因素对桩筏基础荷载分担的影响,分别是桩长为40m,距径比为4.0,5.2,6.3,9.4等情况;距径比为6.3,桩长为20,30,40m等情况。建立的有限元分析模型如图1所示,桩筏基础的形状如图2所示。

2 筏板受力和基底压力分布

本文计算了在上部结构使用荷载作用下,桩筏基础的筏板受力和基底压力。上部结构、桩筏基础、地基共同作用下,筏板内横向中线的弯矩分布和基底压力分布如图3,4所示。从筏板弯矩结果可见,筏板内未产生较大的整体弯曲,主要在支座位置产生局部弯曲;筏板的基底压力表现为边缘大、中间小的形式。根据筏板弯矩和基底压力的计算结果,桩筏基础表现出刚性基础的特性。随着上部结构荷载的增大,筏板底土压力逐渐增大,如图5所示。桩筏基础的桩间距对筏板中部基底压力的影响如图6所示。计算结果表明,桩距径比越小,基底压力越小,筏板承担的荷载更小。

3 桩筏荷载分担

桩筏荷载的分担情况可采用桩筏系数αpr来反映,桩筏系数表示的是桩筏基础中所有桩体承担的荷载与筏板上部总荷载的比值:

式中:∑Rp为桩筏基础中所有桩体承担的荷载;R为当前上部结构荷载。计算了桩筏系数随荷载比R/Rt,的变化情况,Rt为上部结构最大荷载,图7a为桩长40m,不同距径比的结果,图7b距径比为6.3,不同桩长的结果。

从计算结果可见,桩筏系数随着荷载比的增大而增大,即上部结构荷载越大,桩体所承担荷载的比例增大,且R/Rt>0.45后,桩筏系数增大相对较缓慢,最终桩筏系数介于0.69～0.87,表明桩体承担了较大的荷载,筏板仅承担了13%～31%的上部荷载。

一定桩长条件下,桩距径比对桩筏系数影响较显著,距径比越大(即桩数越少),桩筏系数越小,桩体所承担荷载的比例越小如桩长为40m,荷载比R/Rt=1的情况下,距径比sa/d为9.4时,桩筏系数αpr为0.69,距径比sa/d为4时,桩筏系数αpr为0.87,筏板承担的荷载减少18%。一定距径比下,桩长对桩筏系数的影响较小,桩长增大,桩承担的荷载略有增大,筏板所承担的荷载略有降低。如距径比sa/d为6.3,荷载比R/Rt=1的情况下,桩长为20m时,桩筏系数为0.78;桩长为40m时,桩筏系数为0.81,筏板承担的荷载减少3%。

4 结语

本文通过有限元数值模拟方法对高层建筑桩筏基础的荷载分担问题进行了研究,重点分析了桩间距和桩长等因素对荷载分担的影响,得到以下结论。

1)使用荷载作用下,筏板在支座位置产生局部弯曲,而未产生较大的整体弯曲,筏板基底压力边缘大、中间小,桩筏基础表现为刚性基础的特性。

2)桩筏系数随着荷载比的增大而增大,即上部结构荷载越大,桩体所承担荷载的比例增大。R/Rt>0.45后,桩筏系数逐渐趋于稳定,介于0.69～0.87,桩体承担了较大的荷载,筏板仅承担了13%～31%的上部荷载。桩距径比对桩筏系数影响较显著,距径比越大,桩筏系数越小,桩体所承担荷载的比例越小,距径比sa/d从9.4减小到4.0时,筏板承担的荷载减少18%;而桩长对桩筏系数的影响较小,桩长增大,筏板所承担的荷载略有降低,桩长从20m增大到40m时,筏板承担的荷载减少3%

参考文献

[1]李俊才,纪广强,宋桂华.高层建筑疏桩筏板基础现场实测与分析[J].岩土力学,2009,30(4):1018-1022.

[2]巢斯,赵锡宏,张保良.超高层建筑桩筏基础的桩顶反力计算研究[J].岩土力学,2011,32(4):1138-1142.

[3]曾友金,章为民.桩筏基础相互作用分析[J].岩土力学,2004,25(S):315-320.

[4]崔春义,栾茂田,赵颖华.基于ABAQUS桩筏基础共同作用特性弹塑性分析[J].武汉理工大学学报,2009.31(6):60-64.

[5]崔春义,栾茂田,杨庆.结构-桩筏-地基体系时间效应的三维数值分析[J].岩土工程学报,2007,29(8):60-64.

[6]Ruel O.Numerical study of the bearing behavior of piled rafts[J].International Journal of the Geomechanics,ASCE,2004.2(1):59-68.