基于Mindlin应力解的桩筏基础设计分析方法研究

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英文题名：Study on the Design Method of Pile-raft Foundation Based on Geddes' Stress Formula 作者：吕一平 论文级别：硕士 学科专业名称：岩土工程 学位年度：2003 导师：陈云敏 ; 凌道盛 学科代码：081401 学位授予单位：浙江大学 论文提交日期：2003-02-01

摘要

如何分析软弱地基中桩筏基础的内力和沉降一直是岩土工程中的一个重要课题，也是工程设计中非常关键的一部分，许多岩土工作者对此进行了系统的研究。本文对桩筏基础的工作性状进行了研究，着重分析了新规范中用Geddes解分析桩筏基础内力和沉降的方法，探讨和解决了在实际应用过程中还存在的一些不完善的地方，并将它与传统的几种分析方法进行了比较。
     群桩应力的确定是整个分析的基础。本文采用了Geddes对桩侧摩阻力分配形式的简化假定和对Mindlin解的二次积分公式来分析下卧层的附加应力，弥补了传统的实体墩基法不能分析长短桩等较为复杂的桩基形式的不足。对于这种方法在分析桩端应力时出现应力集中的现象，对Mindlin解重新积分来修正附加应力系数公式，以避免这种现象；由于弹性半空间和实际情况之间的模型误差会带来附加应力差距，通过大量的计算分析提出了修正系数m、n，并给出了m、n随桩径、计算点深度变化的函数关系，最终使得应力的计算结果与有限元的计算结果十分吻合，而计算相对比较简便。
     桩端摩阻力分配系数α、桩侧均布摩阻力分配系数β是确定附加应力的关键。本文分析了α、β对下卧层附加应力的影响并讨论了荷载分配系数α、β的计算方法。由于传统的计算荷载分配系数的方法本身存在缺陷，造成α、β值不唯一，而且不能考虑桩端下土层的性质，与实际情况存在相当大的差距。本文认为桩侧阻力分布形式对下卧层附加应力的影响不大，从桩的剪应力和桩体位移间的对应关系方程上求解了桩端荷载分配系数，相对比较合理，在大多数情况下是可以为工程所接受的。还讨论了从原位试验出发确定荷载分配系数的方法。
     建立了桩筏基础的整体分析模型。基桩对基础板的作用被等效为一个点弹簧，用16节点实体退化等参元对筏板进行分析。通过单桩的荷载沉降曲线确定群桩中单桩的刚度，并可用逐次逼近的方法求解桩顶反力和基础沉降，避免了对刚度的非理性调整。
     最后，将本文的方法用于分析上海的一幢高层建筑，并将它与新规范上的实体墩基法及其他的分析方法相比较，分析结果具有符合实际的特点，具有广阔的应用前景。
The internal force and the settlement of pile raft foundation in soft soil are very important problems in geotechnical engineering,and they are also key technologies in engineering design. Many researchers study these problems carefully. In this paper,the design method of pile raft foundation in soft soil is studied,especially the method for analysis of pile raft foundation by using Geddes' stress formula,some problems which exist in application are discussed and resolved. The paper also compares this method with traditional National Code of Pile Foundation Design ( NCPFD ).
    The distribution of vertical stress is basic in analyzing. The paper analyzes the vertical stresses in soil based on Geddes' assumption and stress formula,because the equivalent deep foundation is not appropriate when the lengths of piles are different. But the stress of bottom of pile is not accurate,so this paper modifies the fomula by integrating the Mindlin formula. Considering the model of elastic analysis method is different from the practice,correction factors nu n are introduced to get more accurate stress in soil. The result of this method agrees well with that estimated by FEM.
    Load ratio coefficients a and P are important to calculate vertical stresses. In this paper the influence of a and P is presented and the methods of calculation are discussed. Since there are some deficiencies in the traditional way,the result differs greatly from the practice. Based on the assumption that the form of skin friction is not significant,the paper calculate the coefficients through the corresponding equation between shearing stress and displacement,it is appropriate under many conditions.
    The model of pile foundation is developed based on the above theory and method. The pile is simplified as a nonlinear elastic spring. The raft is simulated by the 16-node degenerated element. Single stiffness is presented through Q-S curve,and the load of the top of pile is computed by circulating many times,so it can avoid man-made rectification.
    At the end of the paper,the application of the method is introduced on a project. It is shown that,compared with others,the design method is close to the practical situation.

引文

1．史佩栋，高大钊，钱力航，高层建筑基础工程科技发展现状与展望，21世纪高层建筑基础工程，中国建筑工业出版社，2000年。
    2．钱力航，孔繁峰，《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》的新内容与21世纪基础工程技术的思考，21世纪高层建筑基础工程，中国建筑工业出版社，2000年。
    3. Poulos, H.G. (1989). Pile behaviour — theory and application. Geotechnique 39, No.3, 365-415．
    4. Poulos, H.G. & Davis, E.H. (1980). Pile foundation analysis and design. New york: Wiley.
    5. Poulos,H.G. and Davis,E.H.,(1968a). The settlement behaviour of single axially loaded incompressible piles and piers. Geothchnique, 18:350-370.
    6. Poulos,H.G.(1968b).Analysis of the settlement of pile groups. Geotechnique, 18:449-471.
    7. Poulos,H.G.,and Mattes,N.S.,(1969).The behaviour of axially loaded end-bearing piles. Geotechnique,19,No.2,285-300.
    8. Poulos,H.G.(1979).Settlement of single piles in nonhomogenuous soil. J. Geotech. Engrg. ASCE, 105 No. GT5,627-641.
    9. Butterfied,R. & Banerjee, P.K.(1971), The elastic analysis of compressible piles and piles groups, Geotechnique 21, No. 1, 3-60.
    10. Buterfied, R. & Banerjee, P.K.(1971), The problem of piles group-pile cap interaction, Geotechnique 21, No2, 135-142.
    11. Chow, Y.K.(1986).Discrete element analysis of settlement of pile groups. Computers and Structures,Vol.24,No 1,157-166.
    12. Chow, Y.K.(1987a).Axial and lateral response of pile groups embedded in nonhomogeneous soils. International journal for numerical and analytical methods in geomechanics,Vol. 11,621-638.
    13. Chow, Y.K.(1987b).Iterative analysis of pile-soil-pile interaction. Geotechnique, No.3, 321-333.
    14. Chow, Y.K.(1989).Axially loaded piles and pile groups embedded in a cross-anisotropic soil. Geptechnique,39,No,2,203-211.
    
    
    15. Chow, Y.K. &The, C. I.(1991). Pile-cap-pile-group interaction in non-homogeneous soil .J. Geotech. Engrg. ASCE,Vol. 117 ,No. 11,1655-1668.
    16. Davis,E.H. and Poulos,H.G.(1968).The use of elastic theory for settlement prediction under three-dimension conditions. Geotechnique, 18:68-91.
    17. Davis,T.G. and Banarjee,P.K.(1978). The displacement field due to a point load at the inteface of a two layer elastic half-space. Geotechnique,28,No. 1,43-56.
    18. Lee,C.Y.,Poulos,H.G.(1990).Axial response analysis of piles in vertically and horizontally non-homogeneous soils. Computers and Geotechnics,9,133-148.
    19. Lee,C.Y.(1991a).Discrete layer analysis of axially loaded piles and pile groups. Computers and Geotechnics, 11,295-313.
    20. Lee,C.Y.(1991b).Finite-layer analyses of axiall loaded piles.J. Geotech. Engrg. ASCE, Vol. 117, No.11,1706-1722.
    21. Lee,C.Y.(1993a). Pile group settlement analyses by hybrid layer approach.J. Geotech. Engrg. ASCE, Vol. 119,No.6,984-997.
    22. Lee.C.Y.(1993b). Settlement of pile groups-practical approach. J. Geotech. Engrg. ASCE, Vol. 119,No.9,1449-1461.
    23. Mindlin ,Raymond D.(1936). Force at a point in the interior of a semi-infinite solid.Physics, Vol7,195-202.
    24．徐志英，以明特林(Mindlin)公式为根据的地基中垂直应力的计算公式，土木工程学报，Vol．4，No．4，1957：485-496。
    25．周闻一，关于“以明特林(Mindlin)公式为根据的地基中垂直应力的计算公式”的讨论，土木工程学报，Vol．5，No．6，1958：455-458。
    26. Geddes.J.D.(1969b).Bousinesq-based approximations to the vertical stresses caused by pile-type subsurface loadings. Geotechnique, 19,No.4,509-514.
    27. Geddes J D.(1966).Stresses in foundation soils due to vertical subsurface load. Geotechnique,16:231～255.
    28．杨敏，王树娟，王伯钧，周融华，使用Geddes应力系数公式求解单桩沉降，同济大学学报，Vol．25，No．4，1997：379-385。
    29．杨敏，王树娟，王伯钧，周融华，考虑极限承载力下的桩筏基础相互作用分析，岩土工程学报，Vol．20，No．5，1998：82-86。
    
    
    30．杨敏，王树娟，桩筏基础相互作用下土中应力场的变化规律，岩土工程学报，Vol．21，No．1，1999：26-30。
    31．楼晓明，洪毓康，陈强华，群桩基础地基中的竖向附加应力性状研究，岩土工程学报，Vol．18,No．4，1996：20-25。
    32．《桩基工程手册》编写委员会：桩基工程手册，北京：中国建筑工业出版社，1995。
    33．中华人民共和国建设部，建筑地基基础设计规范(GB 50007—2002)，中华人民共和国建设部，2002。
    34．陈仁朋，软弱地基中桩筏基础工作性状及分析设计方法研究，浙江大学博士学位论文，2001年6月。
    35．张忠苗，基于桩顶沉降和桩端沉降的受力分析及用桩端注浆提高桩承载力的研究，浙江大学博士学位论文，1999年11月。
    36．张忠苗，基于桩顶沉降和桩端沉降的钻孔桩受力分析研究，岩土工程学报，1997，19(4)：88-93．
    37．俞济棠，桩筏基础的地基应力与沉降分析，浙江大学硕士学位论文，2001年3月。
    38．阳宝吉，任臻，周小刚，带裙房的高层建筑基础地优化设计，土木工程学报，第31卷第5期，1998年10月。
    39．宰金珉、宰金璋，高层建筑基础分析与设计，中国建筑工业出版社，1993年。
    40．中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部，独基、条基、钢筋混凝土地基梁桩基和筏板基础设计软件，PKPM系列微机建筑工程CAD系统软件编制原理与使用说明，1999(4)。
    41．陈仁朋，凌道盛，陈云敏，群桩基础沉降计算中的几个问题，土木工程学报，Vol．33,No．5，2001。
    42. Cooke,R.W.,Price,G. and Tarr,K. Jacked piles in London clay—interaction and group behavior under working conditions.Geotechnique,1980(30).No.2,97-136.
    43．凌道盛，陈云敏，丁皓江，任意基础板的有限元分析，岩土工程学报，2000(4)。
    44．陈云敏，凌道盛，陈仁朋，退化单元及其在基础板分析中的应用，21世纪高层建筑基础工程学术研讨会论文集，北京：中国建筑工业出版社，2000年7月。
    45. X.Xu,R.F.Cai,A new plate sheel element of 16 nodes 40 degrees of freedom by relative displacement method, Communications in Numerical Methods in Engineering, 1993,9:15～20.
    46．凌道盛，张金江，项贻强，徐兴，虚拟层合单元及其在桥梁工程中的应用，土木工程学报，1998(3)。
    
    
    47．中国建筑科学研究院，建筑桩基技术规范(JGJ94-94)，中华人民共和国建设部，1995。
    48．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。
    49．黄绍铭，王迪民等，减少沉降量桩基的设计与初步实践，第六届全国土力学基础工程学术论文集，上海，1991。
    50．刘惠珊，疏桩基础的沉降计算新法，第五届全国地基学术讨论会论文集，武夷山，1997，P427-432。
    51．宰金珉，地基刚度的人为调整及其工程应用，中国土木工程学会第八届土力学与岩土工程学会论文集，万国学术出版社，1999。
    52．刘金砺，迟铃泉，桩土变形计算模型和变刚度调平设计，岩土工程学报，Vol．22 No．2，2000(3)：151-157。
    53．上海市民用建筑设计院，上海市标准地基基础设计规范(DBJ08-11-89)，上海市建设委员会，1989。
    54．郝玉龙，王立忠，陈云敏等，深厚软土水泥搅拌桩复合地基沉降分析及控制，岩土工程学报，2001(6)，Vol．23，No．3，P345-340。
    55．赵锡宏，董建国，袁聚云，桩基减少桩数与沉降问题的研究，建筑结构学报，Vol．33 No．3，2000(6)：71-74。
    56．夏正中，地基变形及有效压缩层深度的计算方法，岩土工程学报，Vol．6 No．1，1984(1)：18-31。
    57．洪毓康，陈强华，陈冠发．高层建筑下短桩基础原位测试研究．高大钊主编：软土地基理论与时间．北京：中国建筑工业出版社，1992：106-116。
    58．戴冠民．浙沪软土地区摩擦群桩的沉降分析与控制，工业建筑，Vol．28 No．3，1998(9)：25-30。
    59．周正茂，桩筏基础设计方法的改进及其经济价值，岩土工程学报，第20卷第6期，1998年11月，P70-73。
    60．立作勤，摩擦桩的荷载传递及承载力的一些问题，岩土力学，第11卷第4期，1990年12月，P1-12。
    61．严平，多高层建筑基础工程的极限分析，浙江大学博士学位论文，1997。
    62．沈珠江，软土工程特性和软土地基设计．岩土工程学报，1998，20(1)：100～111。
    63．杨敏，上部结果与桩筏基础共同作用的理论和试验研究，同济大学博士学位论文，1989。
    
    
    64．郭宏磊，蒋永生，丁大钧，桩筏筏板的设计方法探讨，东南大学学报，Vol．26 No．6，1996(11)：127-129。
    65．陈晓平，茜平一，桩筏基础设计的系统分析方法研究，水利学报，第10期，1995年10月，P35-40。
    66．茜平一，陈晓平，高红升，高层建筑带桩基础优化设计，土工基础，第8卷第1期，1994年6月，P21-24。
    67．东南理工大学，东南大学，浙江大学，湖南大学合编，地基与基础，中国建筑工业出版社，1991。
    68．阳吉宝，高层建筑桩筏和桩箱基础的优化设计，工程勘察，1996年第1期，P23-24。
    69．陈云敏，陈仁朋，凌道盛，桩筏基础简化分析方法，21世纪高层建筑基础工程学术研讨会论文集，北京：中国建筑工业出版社，2000年7月。