复杂环境中大规模桩筏基础的优化设计方法研究

变刚度优化设计对于复杂环境中的大规模桩筏基础始终是一个重要难题。基于有限元分析提出一种两阶段优化设计方法,该方法首先根据传统均匀布桩方案的桩顶应力分布对群桩进行分区,然后依据每个子区域桩顶应力之间的关系确定基桩数量调整系数,最后通过调整桩间距来改变各子区域的基桩数量,从而实现变刚度优化设计。运用该方法对多层土体中承担非均匀上部结构荷载的大规模桩筏基础进行变刚度优化设计,计算结果表明优化设计后筏板的差异沉降、平均整体弯矩和群桩顶部的差异应力均显著降低。该方法计算简单,应用范围广,且不受复杂土层条件、非均匀上部结构荷载以及桩基础规模大小形状的限制。     

上部结构－桩基—地基共同作用数值分析及桩基变刚度调平优化设计

本文采用有限元法对高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响进行了研究。研究表明:高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响时,基础总体沉降和差异沉降随楼层的增加呈非线性变化趋势,上部结构中存在次应力,弯矩和轴力比常规法设计偏大;随楼层的增加,桩体对荷载的分担比在减少,土体分担比在增加;随着上部结构刚度的增加,荷载向角桩、边桩集中;增加筏板厚度,能减少一定的差异沉降和基础平均沉降,从而减少上部结构的次应力,提高地基土的荷载分担比,同时筏板下桩顶反力分布更不均匀,因此需要从筏板受力,以及考虑筏下桩、土的受力来综合确定一个合理的筏板厚度,使设计安全经济;随着地基土变形模量的提高,地基土分担的上部荷载增加,桩顶反力趋向平均,筏板最大弯矩逐渐减小。桩筏基础在均匀布桩条件下呈中间大边缘小的“碟型”分布。差异沉降是由于上部结构次生应力和筏板内力产生的。通过对地基土刚度以及桩长、桩径、桩距等五种桩基刚度的调整,并分析不同刚度对基础差异沉降影响可知:改变桩长的布桩形式并结合地基土刚度调整的中心布桩形式是高层建筑桩筏基础最佳设计方案。     

多向荷载作用下层状地基刚性桩筏基础分析

提出一种多向荷载作用下层状地基中刚性桩筏基础的计算方法。基于剪切位移法,采用传递矩阵形式分析了竖向荷载下桩顶面-桩顶面相互作用;引入修正桩侧地基模量,采用有限差分法分析了水平荷载下桩顶面-桩顶面相互作用;基于层状弹性半空间理论,分析了多向荷载下桩顶面-土表面、土表面-桩顶面、土表面-土表面的相互作用关系。建立了桩土体系柔度矩阵,得到了多向荷载下层状地基中刚性桩筏基础的受力和变形的关系以及桩的内力和变形沿桩身分布规律。通过与有限元对比,验证了该方法的合理性和修正地基模量的优越性,并对多向荷载作用下的桩筏基础进行了计算分析,计算结果表明,水平力将会引起桩筏基础的倾斜。     

局部桩筏基础的设计与施工

以加拿大多伦多市某工程为例,介绍了在复杂地质条件下采用局部桩筏基础（PPRF）的设计及施工问题;探讨了设计PPRF的决定性因素;在保持PPRF设计的完整性前提下,提出了单位沉降量的准则,并用于筏板和桩的设计;计算了PPRF的滑移及转动;最后,采用有效方法对该工程采用的局部桩筏基础进行了计算分析。结果表明,PPRF的设计主要取决于侧向土压力、分布不均的建筑荷载以及地基土的非均匀承载力,工程桩应主要布置在沉降较大的区域,即位于筏板基础承受高压力而土体承载力较低的西北部。探讨局部桩筏基础的设计与施工为该类型工程的基础设计提供了一个新的解决途径。     

桩筏结构加固路桥过渡段深厚淤泥地基的现场试验研究

针对采用"预应力管桩+钢筋混凝土板"的桩筏结构加固处理高速铁路路桥过渡段的深厚淤泥地基,选择两处过渡段开展现场试验,基于实测结果分析桥台地基土的侧向位移和孔隙水压力、桩筏结构的沉降、桥台基桩的弯矩和侧向位移的变化特点及其产生原因,研究过渡段打入管桩对邻近桥台地基的影响、靠近过渡段的路基填土对桩筏结构稳定性的影响、台后路基填土对桥台基桩的侧向影响。结果表明:过渡段打入管桩会挤压邻近的桥台地基,若不采取其他措施,宜等管桩全部打完5个月后再开始钻进靠近管桩的桥台冲孔灌注桩孔;靠近过渡段的路基填土使桩筏结构先上浮然后不均匀下沉;采用桩筏结构对过渡段的淤泥地基进行加固处理后,台后路基填土仍会使下卧淤泥侧向移动而挤压桥台基桩,使桥台基桩偏移。     

往复荷载下层状地基柔性筏板-群桩共同作用分析

提出一种层状地基中柔性筏板-群桩共同作用分析方法,探讨筏板刚度对桩筏基础沉降的影响,并成功预测了往复荷载下桩筏基础的长期沉降。筏板刚度采用Mindlin板理论的有限单元法分析;桩-土体系的刚度矩阵中,桩顶面-桩顶面、桩顶面-土表面以及土表面-土表面的相互作用分析采用层状剪切位移法借助层状地基的Burmister位移解求得。基于层状地基中柔性筏板-群桩的沉降计算方法以及往复荷载下土体压缩模量的衰减特性得到了桩筏基础的长期沉降预测方法。与已有文献方法和离心模型试验结果的对比分析表明,柔性筏板-群桩共同作用方法得到的沉降值具有较高的精度。     

浅谈工程勘察准确分层的重要性--以某住宅楼地基处理质量事故为例

某住宅楼采用了深层搅拌进行地基处理,施工结束后检测发现在2m深度处绝大部分桩体断裂,经分析造成断裂的主要原因为勘察报告中未能对影响搅拌桩质量的有机质土层进行分层,导致地基处理质量达不到要求.通过分析有机质土对深层搅拌法处理地基的影响,说明了工程勘察过程中准确分层(尤其是特殊性地层)的重要性.     

树根桩在基础托换中的应用实例及几点体会

对两座坐落在承载力较低的基础上已出现不均匀沉降的居民楼 ,采用树根桩进行基础托换 ,使基础与树根桩联结为一整体 ,施工效果良好。施工中据原建筑物设置资料 ,在大楼轴线布设桩孔 ,下置钢筋笼 ,用水泥砂浆灌注成桩。树根桩具备对原建筑物影响小、所需施工场地较小、施工方便、可用于不同类型土层 ,施工中不干扰建筑物正常使用等优点 ,在我国南方浅基础下松散地层进行地基加固及浅基础托换的应用具有广阔前景     

超高层建筑桩筏基础的桩顶反力计算研究

根据上海高88层、筏板厚度为4 m的金茂大厦和高101层、筏板厚度为4.5 m的上海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。对以上两幢超高层建筑和正在建造中的高121层、筏板厚度为6 m的上海中心大厦的桩筏基础,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(混合法)进行详细对比计算,论证按弹性体计算桩顶反力的合理性,阐明《建筑桩基技术规范》(JGJ 94–2008)的3.1.8条的正确性和合理性。期望能够改变过去按偏心受压公式计算桩顶反力的传统观念,提高设计水平。     

多塔楼下整体大面积筏板基础设计及反力测试分析

多个塔楼下整体大面积筏板基础反力分布特征仅局限于室内模型试验资料。通过北京三里屯SOHO工程地基反力原位测试并与已有模型试验数据对比分析,结果表明,当地基土比较均匀、上部结构刚度较好,高层外框柱荷载及柱间距的变化不超过20%,核心筒荷载与高层外框柱总荷载相差不超过10%,且筏板厚度超过1/6柱跨时,计算高层下筏形基础的内力时,基底反力可按直线分布;裙房基础可有限扩散高层建筑荷载,实际工程的原位测试结果表明,高层荷载的扩散范围约为2跨裙房的距离,3跨裙房之外没有影响;对于多个高层建筑下整体大面积筏板基础的地基反力可应用叠加原理计算     

不同振动波形对单桩桩-筏复合地基动力响应特性研究

桩-筏复合地基是控制高速铁路等路基工后沉降的一种常用地基处理技术,然而针对其在不同振动波形荷载下的动力响应特性对比研究相对较少。基于大型模型系统,开展砂土地基中单桩桩-筏复合地基大比例模型试验研究,着重分析不同振动波形加载下单桩桩-筏复合地基的累积沉降、桩底-桩侧土动土应力比、加速度及速度传递等变化规律,初步探讨振动波形对单桩桩-筏复合地基承载特性的影响机制。试验结果表明,M波振动波形对地基累积沉降的影响较正弦波振动波形对地基累积沉降的影响略大一些,对桩底-桩侧土动应力比的影响则反之;振动响应加速度和速度随着加载频率及振幅幅值的增大而增大。相关研究成果可为单桩桩-筏复合地基的理论分析与计算提供参考依据。     

Modeling the 3D crack network and anisotropic permeability of saturated cracked soil

Cracks on a natural soil surface provide preferential pathways for water infiltration and contaminant solute transport. Before the mechanical property and permeability of cracked soil can be studied, a crack network model must first be established. Based on statistical analysis of crack geometry from field observations, a new method of representing a 3D crack network was developed. A horizontal plane of a crack network was derived using the Voronoi diagram. Each vertical crack was idealized as an inverted triangular prism. The 3D permeability tensor was determined by modeling the water flow through the crack network. A computer program was developed to generate a 3D crack network automatically and compute the permeability tensor of cracked soil at different depths. The model was verified by comparing the measured permeability and computed permeability of cracked soil. The results showed that the computed permeability was consistent with the measured permeability.     

层状地基参数的频域识别

在分析水平层状地基运动特征的基础上, 通过研究地层系统的特征值和特征向量与地层参数之间的关系, 修正测量得到的数据与理论计算结果之间的偏差, 建立了层状地基参数的频域识别方法。并利用大型振动台上的地基模型试验数据, 实施了层状地基的参数识别过程。结果表明, 该方法产生良好的地基参数估计。     

基于弹性地基梁理论的土工格室加筋体变形分析

在土工格室处理软土路基加固机制研究的基础上,针对土工格室加筋体的受力变形特点,将格室体视为置放于Winkler地基上的连续长梁,基于传统的弹性地基梁理论,建立考虑水平摩阻力影响的土工格室加筋体的挠曲变形微分方程,并给出其幂级数解答,从而得到了土工格室加筋体在集中荷载作用下的变形计算方法,为土工格室加固处理后的软土路基沉降计算提供了依据。理论与试验结果对比分析表明,在格室体变形分析中不计水平摩阻力的影响将夸大格室体在荷载作用下的竖向变形,计入水平摩阻力影响后理论与实测曲线吻合更好。     

浅埋隧道开挖引起的土体水平位移分析

对于浅埋隧道开挖引起的土体位移规律很多学者进行了研究,但对于其水平位移规律的研究却不多。在总结比较现有3种地层沉降公式的基础上,结合其中一种地层沉降理论以及土体不可压缩的假设推导出了浅埋隧道上方土体的水平位移公式,使用该公式对相关文献中的实测数据以及有限元模拟结果进行了拟合对比,证明提出的公式能够较好地预测和描述浅埋隧道开挖引起的土体水平位移规律;另外,基于所推导的地层水平位移公式以及地层沉降理论公式,得出了该方法下的土体位移矢量角公式,并与O’Reilly 和New提出的方法进行了比较,所得结果与相关学者的研究结论一致,证明了该土体位移矢量公式的适用性。此研究成果可为相关实际工程中土体水平位移的计算和控制提供理论参考。     

一维土层非线性地震反应分析的解析递推格式法

引入“结构动力学数值分析解析递推格式法”求解软土地基地震反应分析问题。就一维地基非线性地震反应分析问题,将解析递推格式方法与等效线性化方法在各种场地土的计算结果进行了比较,结果表明：(1) 对软土层地震反应分析时,两种方法计算结果差别较大; （2）入射波幅值较强时,两种方法计算结果差别较大;（3）对于中等硬度土层、入射波幅值较弱时,计算结果相似, 并验证了该方法的实用有效性。     

隧道开挖引起邻近单桩水平反应分析

隧道开挖会降低邻近桩基承载力,如何更为合理评价桩基水平附加响应是需要解决的问题。基于Pasternak双参数地基模型和三折线弹塑性荷载传递模型,采用两阶段分析法,并考虑侧向土体作用及地基土层的非均质特性,提出了更符合实际的单桩水平反应简化分析方法。通过与Winkler地基梁法及边界元法的对比分析,验证了方法的合理性。结合对单桩水平反应的多种影响因素进行参数分析,通过各因素相应的修正系数来对基准工况中单桩最大水平反应进行修正,得到计算工况中单桩的最大水平位移和最大弯矩。分析结果表明,桩基水平位移计算时可忽略侧向土体作用,而弯矩计算时应予以考虑;桩基计算工况的最大水平位移 最大弯矩 与平均地层损失比 呈现线性关系,而与隧道半径R、隧道轴线深度H、桩距隧道中心线距离x及桩身柔度系数 均呈现非线性关系。     

基于三维有限元分析的土钉支护结构优化设计研究

通过建立三维有限元模型，对土钉支护的变形和受力性能进行分析，得出土钉力的合理分布。在此基础上，考虑土钉支护的水平位移，采用遗传算法＋复合形法，对土钉支护的结构优化设计进行研究，建立了土钉支护结构的优化设计数学模型，并编制了相应的计算程序。通过算例分析，并与基于极限平衡分析的优化结果相比较，得出合理的土钉支护结构设计的参考结论。     

现浇混凝土薄壁管桩复合地基动力反应特性分析

针对目前现浇混凝土薄壁管桩复合地基动力特性分析中二维计算模型的不足,提出了一种基于等效刚度原理的简化模型。基于河海大学岩土工程研究所开发的二维动力有限元计算程序,并通过工程实例,分析了这种新型复合地基的动力特性。研究结果表明,现浇混凝土薄壁管桩复合地基在地震作用下,与原天然地基相比,地表水平向绝对加速度增大,竖直向绝对加速度显著减小;地基内部水平向受力的整体性较好,而竖直向较差。从地基的动剪应力计算结果可知,现浇混凝土薄壁管桩复合地基对抗震有利。     

深厚软土地区基坑墙底抗隆起稳定性Prandlt计算式的讨论

深厚软土地区采用Prandlt公式计算基坑抗隆起稳定性常常不满足规范要求,给基坑支护设计带来较大困惑。本文在分析基坑开挖与Prandlt公式计算地基极限承载力的力学边界条件差异的基础上,指出采用Prandlt计算式、临界宽度法和计入基坑内侧土体抗剪强度等改进计算方法的不足,提出同时考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪作用的改进计算公式。通过对4个计算公式各参数的敏感度分析,发现内摩擦角是影响基坑墙底抗隆起稳定性的首要因素,基坑挖深和支护体插入深度是主要影响因素,土体黏聚力是次要影响因素,土体重度的影响可以忽略。软土内摩擦角较小,在基坑挖深一定的条件下,只有通过加大支护体插入深度才能保证基坑墙底抗隆起稳定性,因此,考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪强度的有利作用可合理优化基坑支护设计。本文通过工程实例研究,验证了计入基坑支护体内外两侧土体抗剪强度作用的合理性;同时,根据浙江软土地区多项工程墙底抗隆起稳定安全系数计算结果的统计分析,指出目前规范取值标准偏高,在软土地区不尽合理,建议在积累工程经验的基础上,适当降低规范计算方法的标准限值。