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。     

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。     

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。     

考虑基础刚度影响的风机梁板式桩筏基础模型试验研究

梁板式桩筏基础作为新型风机基础,前景广阔,适当优化结构,可节约成本。采用大型室内模型试验,研究了梁板式桩筏基础在不同筏板刚度情况下的受力变形特性,同时讨论了桩土荷载分担比的关系。研究表明,在工作荷载范围内,适当增大筏板刚度,桩平均轴力增加,外圈桩承担的荷载增大,内圈桩的轴力减小,环梁及肋梁弯矩减小,但继续增加刚度,对桩身轴力、环梁弯矩、肋梁弯矩的影响并不大;随着荷载的增大,土体承担的荷载比逐步增大,趋于稳值。随着梁板式基础刚度增加,基础内外差异沉降减少,但是达到一定刚度后再增加刚度对变形影响较小。梁板式基础刚度的变化会影响基底反力分布的均匀性,且存在一个最优刚度,使基础底部反力分布最为均匀,本次试验中12梁的梁板式基础基底反力比6梁和实体基础更均匀。桩基的分布和梁的分布存在相互影响,改变梁的分布会影响桩顶力,而桩基在梁底下又会使梁的应力产生重新分布。研究成果可为设计桩筏基础提供参考依据。     

高层建筑疏桩筏板基础现场实测与分析

桩基础设计时如何考虑桩间土的承载能力,目前还是一个难题,通过对南京大学MBA大楼疏桩筏板基础的原位测试,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、筏板内钢筋轴力的分布,分析了桩与桩间土承担竖向荷载的比例,肯定了高层建筑应用疏桩基础的可能性,其现场实测结果可供高层建筑基础设计及理论研究作参考。     

桩筏基础相互作用分析

提出了考虑土-桩-筏相互作用的迭代分析方法,可获得筏板的内力和桩身轴力等.考虑了桩筏基础下群桩效应作用的群桩桩顶反力分布、群桩桩端力分布及桩与桩相互作用等问题,使得计算的群桩单桩刚度较合理.同时,具有能考虑土的非线性、成层地基及利用单桩静载试验成果反演分析所得参数运用于群桩分析等特点.采用的8节点等参板单元可适用于分析平面不规则形状及变厚度的薄筏板和厚筏板.用笔者提出的方法对桩筏基础实例进行了分析,研究了桩长对该桩筏基础相互作用的影响,并与实测成果及其他学者研究成果进行了对比,表明了该方法能较合理地分析桩筏基础相互作用.     

高速铁路沉降控制复合桩基的性状试验研究

基于沉降控制设计理念,无砟轨道京沪高速铁路地基处理采用筏板+垫层+疏桩的方法,形成复合桩基以实现有效减少工后沉降和充分利用地基承载力的优化加固方案。为探索该新方法沉降控制机制,选用CFG桩开展了复合桩基现场试验研究,对复合桩基在高速铁路路基填筑、静置、预压卸载过程中的地基沉降变形、桩和桩间土土压力、筏板顶与底部压力进行了长期观测,分析了路基沉降变形、桩-土应力比和荷载分担比以及筏板的受力随填筑高度和固结时间的变化规律。研究表明：筏板＋垫层＋疏桩联合加固地基方案在初期充分发挥了桩间土承载作用,导致桩与桩间土产生差异沉降;随着垫层的调节作用,筏板可集中发挥桩体的承载能力及显著提高桩顶应力集中程度,地基土沉降主要发生在加固区范围内,从而揭示了复合桩基在路基荷载下的承载机制和变形特性。现场试验结果可为指导高速铁路CFG桩复合桩基设计参数的进一步优化提供试验依据。     

竖向荷载下刚性板桩筏基础分析方法

根据群桩中桩侧摩阻力分布规律,在桩筏基础中基于弹性理论中的变形协调关系、桩体物理方程和力的平衡关系,推导了竖向荷载作用下桩筏基础的荷载和位移之间的刚度矩阵,从而提出了一种刚性板下桩筏基础的分析方法。刚性板桩筏基础分析中考虑了4种相互作用,分别为桩-土-桩、桩-土-板、板-土-桩和板-土-板相互作用。基础中各桩可具有不同的桩长、桩半径和刚度等特性。应用该方法不需要划分桩-土体单元,分析中的计算矩阵仅与基础中桩数和筏板下土节点数量相关而与其他变量无关,分析过程简洁通用。通过与各种分析方法的比较验证,证明该方法是合理可行的。     

考虑上部结构的桩筏基础非线性共同作用分析

当前虽然已有考虑桩筏非线性的设计,但仍无人在此基础上,考虑上部结构。因此考虑上部结构,进一步认识其与桩筏基础非线性共同作用机理,优化桩筏基础设计,具有重要的现实意义。本文以子结构法凝聚上部结构的荷载及刚度,以平面壳体单元模拟筏板,按有限层法模拟桩土之间的弹性相互作用,用广义剪切位移法模拟桩的非线性工作性状,建立了一种考虑上部结构共同作用的桩筏基础非线性分析方法,并编制了分析程序。通过实例分析,探讨了上部结构与桩筏基础非线性共同作用的机理,研究了合理布桩方式,探讨了以差异沉降为目标的优化设计的可能途径。     

风机梁板式桩筏基础承载特性大型模型试验研究

梁板式桩筏基础与传统桩筏基础一样具有较高的承载力和变形控制能力,且较传统桩筏基础能够节约成本,具有重要经济效应,因而成为了新兴的基础形式被应用于风电基础中。然而目前该基础仍采用传统桩筏基础的设计方法进行计算,造成了巨大的浪费。为了弥补目前梁板式风机基础设计方法的缺陷,采用大型室内模型试验对梁板式风机基础的受力变形特性进行研究,分析了竖向荷载作用下梁板式风机基础内梁、桩、土体等的受力机制及特性。研究表明,在工作荷载范围内,梁板式桩筏基础体系处于弹性状态,且梁板式桩筏基础具有一定的柔性,中央与边缘存在一定的差异沉降。桩-桩相互作用及桩-土相互作用对具有一定柔性的梁板式桩筏基础受力变形特性具有重大的影响,应该修正现行设计时不考虑这几个因素的缺点。     

Three-dimensional analysis of bearing behavior of piled raft on soft clay

The piled raft has proved to be an economical foundation type compared to conventional pile foundations. However, there is a reluctance to consider the use of piled rafts on soft clay because of concerns about excessive settlement and insufficient bearing capacity. Despite these reasons, applications of piled rafts on soft clay have been increased recently. Current analysis methods for piled rafts on soft clay, however, are insufficient, especially for calculating the overall bearing capacity of the piled raft. This study describes the three-dimensional behavior of a piled raft on soft clay based on a numerical study using a 3D finite element method. The analysis includes a pile–soil slip interface model. A series of numerical analyses was performed for various pile lengths and pile configurations for a square raft subjected to vertical loading. Relatively stiff soil properties and different loading types were also used for estimating the bearing behavior of the piled raft. Based on the results, the effect of pile–soil slip on the bearing behavior of a piled raft was investigated. Furthermore, the proportion of load sharing of the raft and piles at the ultimate state and the relationship between the settlement and overall factor of safety was evaluated. The results show that the use of a limited number of piles, strategically located, might improve both bearing capacity and the settlement performance of the raft.     

陆上风轮机梁板基础受力特性简化分析

提出一种多向荷载同时作用下的刚性桩筏基础简化计算方法,基于Mindlin解,分析桩顶面-桩顶面、桩顶面-土表面、土表面-土表面的相互作用关系。推导多向荷载下桩土体系柔度矩阵,得到刚性桩筏基础的受力和变形的关系,通过与有限元对比证明了文中方法的正确性,在此基础上对耦合荷载作用下的风机基础的受力和变形特性进行分析。研究表明,耦合荷载作用下风机基础将会产生竖向不均匀沉降,并会引起桩顶轴力的的巨大的差异。     

Integral equation method for analysis of piled rafts with dissimilar piles under vertical loading

In a piled raft, the length and arrangement of piles has a significant effect on the stresses and deflections of the raft. The use of piles with different dimensions and properties below a raft is an innovative concept and can optimize the design of a piled raft. In this study, an integral equation method with a fictitious pile model was adopted to analyze the piled raft foundation with dissimilar piles. The Fredholm integral equations of the second kind were obtained for this problem. The loads shared by piles and subsoil, the load transfer, and the settlement of the piled raft were obtained using numerical calculation. The results from the present method were compared with those in the literature. An optimization technique was introduced to design piled rafts with dissimilar piles. The stiffening effect of piles on the surrounding soil is also discussed as compared the conventional interaction factor approach.     

考虑基坑开挖影响的群桩基础竖向承载性状数值分析

对土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,用接触面单元模拟桩-土相互作用,利用ABAQUS建立桩筏基础--地基--基坑开挖三维有限元分析模型。对基坑开挖影响下的群桩基础竖向承载性状进行了分析,讨论了桩顶反力分布、桩身轴力、桩侧摩阻力以及开挖引起的桩身水平位移及其弯矩的变化规律,并进行了考虑基坑开挖与不考虑基坑开挖的群桩基础竖向承载性状的对比分析。通过研究,取得了基坑开挖对高层建筑桩筏基础影响的基本认识,这些认识对于改进桩筏基础设计理论有一定的参考意义。     

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。     

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。     

上海中心大厦桩筏基础的安全性分析与评价

以金茂大厦和上海环球金融中心的成功设计经验为依据,从设计角度分析和评价中国第一高楼--上海中心大厦桩筏基础的性状及安全性。类比分析大楼的重量、水浮力和桩土分担,并着重对桩承载力和桩顶反力、筏板厚度和弯矩、建筑物沉降等进行计算和评价,综合分析认为上海中心大厦的桩筏基础具有较高的安全度。其分析思路、计算方法及所得结论可为今后超高层建筑桩筏基础的设计和性状研究提供参考     

Design method of piled-raft foundations under vertical load considering interaction effects

The paper has proposed a design method considering interaction effects for a piled raft foundation. In this method, the raft is considered as a plate supported by a group of piles and soil. The ultimate load capacity of the pile group is taken into account in calculating the settlement when the foundation is subjected to a large vertical external load. In addition, this method supports estimation of the nonlinear behaviour of the piled raft foundation by considering the nonlinear behaviour of the piles.A step-by-step procedure to apply the proposed method to calculate the settlement and distribution of the bending moment of the piled raft foundation is introduced. To verify the reliability of the proposed method, models of a 16-pile raft and a 9-pile raft with different pile lengths embedded in homogeneous silica sand were tested in a centrifuge and comparisons were made between the results of the proposed method, the results of centrifuge tests, and those of Plaxis 3D. Good agreement between centrifuge modelling and the proposed method is demonstrated, thus showing the potential of the proposed method.