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1、软弱地基中桩筏基础工作性状、分析设计方法及软件,浙江大学岩土工程研究所,陈云敏 陈仁朋 凌道盛,目 录,一、研究背景二、现有分析方法和软件三、群桩地基中的应力四、桩地基中的变形和沉降计算五、地基压缩性指标的确定六、群桩基础的分析模型七、桩筏基础相对刚度八、软件开发九、典型工程应用十、结论,一、研 究 背 景,软弱地基上桩筏基础需解决的问题：桩筏基础承受巨大竖向和水平向荷载高层建筑大底盘桩筏基础桩厚筏基础变厚度桩筏基础群桩沉降计算地基土压缩性指标的确定,To 目录,桩筏基础承受巨大竖向和水平向荷载,高层建筑：单柱荷载大，风荷载、地震荷载工业建筑：上海外高桥电厂二期工程锅炉，单柱荷载1万吨，水平荷
2、载2千吨 上海金山石化10万立方米油罐，直 径82m，荷载268kPa。,Return,高层建筑大底盘桩筏基础,主楼和裙楼建造在大底盘桩筏基础上，主楼和裙楼基础不设沉降缝，采用后浇带方式。需要控制主裙楼沉降差，了解主裙楼交界处局部应力、主裙楼的相互影响、筒体集中荷载下筏板的内力。,Return,桩厚筏基础,结构物荷载增加，变形要求严格，筏板 厚度加大，超出了薄板理论适用条件：上海金茂大厦板厚4m 上海宝钢1锅炉板厚9m 上海外高桥电厂二期工程锅炉板厚4.75m,Return,变厚度桩筏基础,工业建筑中烟囱基础、锅炉基础、大 型油罐基础等高层建筑中梁板式基础、主裙楼基础 变厚度等需要了解厚度变化
3、位置的局部应力及 其对整个桩筏基础的影响,Return,群桩沉降计算,三类沉降计算方法：半经验的等代实体墩基法，桩筏基础的整体分析方法，经验的方法第一类方法计算简单，应用较多：桩基规范和上海地基基础规范等第二类方法计算复杂，应用较少：弹性理论法、边界元法、有限元法等第三类方法是基于地区的经验，在大量调查统计基础上提出的经验公式，受地区局限,国家桩基规范法存在问题,应力计算偏大压缩层厚度偏大压缩模量取值偏大,To 研究背景,地基土压缩性指标的确定,沉降计算及群桩分析关键一般要求按照压缩曲线确定，取值困难土层自重应力超过压缩试验范围无粘性土难以获得可靠的压缩曲线,To 目录,二、现有的分析方法和软
4、件,弹性法 基于各向同性弹性半空间的Mindlin解 建研院的JCCAD，北京理正的桩基CAD沉降控制桩基设计理论 适用于中低层建筑 同济大学的启明星有限元有限层法等方法 没有商业化软件,建研院桩基CAD软件理论基础,中厚板模型，梁板式筏板采用不同单元桩刚度确定：单桩静载荷试验PS曲线 弹性理论相互影响系数法使用情况：计算结果和实际情况相差较 大，设计院应用较少,理正桩基CAD软件,薄板理论和梁理论相结合，板和梁采用不同单元桩的刚度确定：弹性理论法使用情况：角桩反力偏大，应用较少,国外软件,国外软件主要为通用的岩土工程和结构工程软件，比如SAP84、PLAXIS、FINAL等由于规范的不同，国
5、外软件很难在国内打开市场,To 目录,三、群桩地基中的应力,采用常规有限元法和复合单元法分析群桩地基应力采用弹性理论法分析群桩地基应力获得桩端荷载传递系数表达式建立桩端应力计算模型,群桩应力计算模型,桩端荷载传递系数,群桩桩端附加应力随桩长地变化,承台面积相同、桩数不同桩端附加应力,持力层和桩侧土体模量比变化对桩端平面附加应力的影响,桩土相对刚度对桩端平面以下附加应力,不同承台长宽比下的桩端平面附加应力系数,群桩应力分析结论,复合单元法中引入分区积分技术，单元划分灵活，节点数和单元数较少，计算时间较短群桩将大部分应力传到了桩端平面，水平方向扩散的应力很小所提出的应力计算模型具有计算简便、准确、
6、概念清晰的优点，避免了其它方法十分繁琐的缺点,To 目录,四、群桩地基的变形和沉降计算,单桩变形规律群桩的变形规律群桩沉降计算方法,单桩沉降规律,单桩沉降组成比例,群桩沉降规律,群桩沉降组成,群桩中单桩沉降Sj由桩身压缩Spj和桩端沉降Sbj组成，即 SjSbjSpj桩身压缩通过静载荷试验或者单桩理论分析确定桩端沉降通过分层总和法计算,群桩桩端沉降计算方法,各种方法计算的群桩沉降比较,国家桩基规范沉降计算存在的问题,桩端应力偏大压缩层厚度偏大压缩模量偏大,群桩中单桩PS曲线,群桩地基的变形和沉降计算方法分析结论,设计荷载下，单桩桩顶沉降主要由桩身压缩组成，桩端沉降很小群桩桩顶沉降主要由桩端沉降
7、组成，桩身压缩较小本文群桩沉降计算方法分析合理，与实测值吻合在相同荷载下，群桩沉降远大于单桩沉降，群桩中单桩PS曲线反映了群桩中单桩刚度,To 目录,五、群桩分析时压缩性指标的确定,粘性土可以主要根据高压固结试验的ep曲线和原位试验（静力触探和标贯试验）确定无粘性土主要根据原位试验（静力触探和标贯试验）确定,粘性土Es1-2和Es之间的关系,根据压缩试验和原位试验估算的不同土质的压缩模量,标贯击数和比贯入阻力随深度变化,To 目录,六、群桩基础分析模型,群桩中单桩非线性刚度,Pjj桩桩顶荷载Sjj桩桩顶沉降 筏板下桩的平均荷载,筏板单元构造途径,板单元的构造,16节点三维实体单元中引入Reis
8、sner厚板的假定，获得了适用于任意截面、厚薄板通用的三维实体退化板单元,单元的分区积分,该单元具有以下特点：同一个单元可以包括桩、土、孔穴等多种材料，使单元数量大大减少，降低计算工作量,单元适用范围,厚薄板通用变厚度筏板考虑地基和桩的水平刚度作用同一个单元内可以考虑几种不同材料适用于大型复杂结构的分析,群桩分析方法的特点,变厚度筏板厚板和薄板高层建筑主楼和裙楼整体分析考虑相邻基础的相互作用计及地基和桩的水平刚度考虑地基的非均质性、不等厚、缺失等计算参数为常用的土工参数，容易确定适用于常规设计的桩基,变厚度筏板分析实例一筏板平面及平面图,变厚度筏板分析实例一筏板有限元模型,变厚度筏板分析实例一
9、沉降等值线,变厚度筏板分析实例一Mx弯矩,变厚度筏板分析实例二梁板式筏板,柱距8m，梁高1.8m，梁宽0.6m，板厚0.7m、1.0m、1.8m,变厚度筏板分析实例二梁板式筏板变形,变厚度筏板分析实例二梁板式筏板弯矩,厚筏分析,单柱最大竖向荷载1.28万吨 单柱最大水平荷载1800吨筏板厚度4.75m,工程桩概况,工程桩采用f75014mm SP钢管桩，桩长70m工程桩持力层为-2层中下部的粉质粘土粉砂层单桩极限承载力为9000KN,基础板沉降及不均匀沉降控制标准 整体倾斜小于1/500 柱出平面沉降小于1.5 cm,设计要求,筏板挠度图,桩顶反力随板厚的变化,非地震荷载作用下板中正弯距Mx包
10、络图,非地震荷载作用下板中正弯距Mx包络图,地震荷载作用下板中最小剪力Qx包络图,To 目录,七、桩筏基础的相对刚度,相对刚度对不均匀沉降的影响,相对刚度对最大沉降的影响,相对刚度对筏板最大弯矩的影响,桩顶反力随相对刚度的变化,相对刚度介于12时桩顶反力分布比较均匀,按照桩顶反力确定的筏板厚度,To 目录,九、软件开发,软件主要特点,分析方法先进，可以考虑各种地基以及筏板；和PKPM、TBSA等结构分析软件完全接口，直接从上述软件分析结果中读取数据或者人工直接输入；和CAD绘图软件完全接口，从CAD文件中读取基础图、桩位图等或者人工直接输入；数据采用鼠标、键盘、文件三种方式输入，实时修改和显示
11、，输入简单，界面友好；有限元网格自动划分，具有整体加密和局部加密功能；输出内力、应力、沉降、桩顶反力等的云图、等值线图、剖面图、局部区域平均值等，输出直观；该软件已经成功应用于近十余个国家和省市重点工程分析设计。,软件,九、典型工程应用,上海外高桥二期工程锅炉基础设计 国内最大的锅炉基础上海金山石化10万立方米有关基础设计 国内外软土地基最大的有关基础杭州市双牛大厦主裙楼整体设计,To 目录,十、结论,本报告方法可应用于非均质、层状地基上的截面任意变化厚薄板、异形基础板、变厚度板、主楼和裙楼整体式筏板的分析，具有计算简便、土性参数容易确定、分析结果符合实际的特点；群桩应力计算模型反映了群桩的应
12、力扩散规律，按照本文模型确定的群桩应力和有限元及弹性方法计算结果基本一致，但本文方法计算更加简便；群桩的沉降由桩身压缩和桩端沉降组成，桩端沉降占的比例较大；由此获得群桩中单桩PS曲线正确地反映了群桩中单桩的工作性状；本文沉降计算方法和常规方法比较发现，常规方法存在压缩层厚度偏大、所得的沉降也偏大的不足；,土层自重应力和附加应力水平大于100200kPa时，粘性土的压缩模量按照高压固结试验、静力触探和标贯试验的结果综合确定；砂性土的压缩模量应以静力触探和标贯试验估算为主；桩筏相对刚度对筏板的变形、内力和桩反力等影响很大；变厚度分析表明，当板的刚度较大时，局部板的厚度降低对变形和内力影响较小，但是在变截面的位置会出现应力集中现象，应力变化非常剧烈，局部位置应力超过了混凝土强度；桩对筏板的水平向约束使得筏板的不均匀沉降降低，减小了筏板的内力；高层建筑主裙楼整体分析表明，板厚和桩位布置合理，不设沉降缝，采用后浇带的方法完全可行。,谢谢大家！,
