群桩-承台下土共同工作的原位试验研究
|
摘要
目前工程界普遍采用的高层建筑设计方法是把上部结构、基础和地基隔离开来分别考虑。对于桩基础则假定建筑物荷载全部由桩支撑，再按照规范提供的经验公式或在桩的静载荷试验基础上定出的单桩承载力，计算出桩数。桩位布置时兼顾建筑物荷载分布的不均匀性作适当调整，以便使每根桩的承载力得到充分发挥。此外，桩基础的计算一般不考虑桩间土和承台(或基础板)的荷载分担作用。这种方法由于忽视桩-土-承台(或基础板)的共同作用，与实际情况不相符合，其结果往往造成设计过于保守，造成很大的浪费。随着桩基础的计算分析近年来的发展，许多工程技术人员和学者力图找出更为科学有效的设计方法以取代现有的，传统的桩基础设计方法。而合理可行的桩基础设计方法又依赖于对桩-土-承台(或基础板)共同作用问题的全面了解，特别是对桩-土-承台(或基础板)共同作用机理的认识。
某电厂工程拟建新机组。根据初步设计，主厂房采用天然
太原理工大学硕士研究生学位论文
地基难以实现。鉴于这样的情况，该工程选用钢筋混凝土预制
方桩，为柱一桩式群桩基础。为了节约工程造价和向设计提供可
靠的设计参数，揭示承台与桩、土的协同工作机理和获得桩基
设计的技术与经济分析资料，同时也为今后工程桩的优化设计
和施工提供依据，进行了现场群桩测试，本论文结合此次现场
原位实测研究及理论分析，探讨了高层建筑承台一桩一土共同作用
的机理，通过对承台下土反力的测试以及对其分析，得出桩一承
台基础的承台底土反力沿轴线呈马鞍形分布的规律，通过对测
试结果的分析并运用回归分析总结出此场地桩承台荷载分担比
的数学公式。同时通过对桩身应力的测试分析，阐述了群桩中
桩的荷载传递规律。通过对桩顶荷载的测试分析得出群桩中角
桩受荷最大、边桩次之、内桩最小的结果。结合桩顶、桩侧、
承台下土反力的测试数据，综合讨论了群桩、承台、土共同工
作的一些原理。最后选用考虑共同作用的群桩沉降计算方法进
行桩基的沉降计算，并与规范所推荐的群桩沉降计算方法进行
比较，从沉降的角度对桩一土一承台的共同作用进行了讨论。
Presently the designing method adopted popularly in engineering field for tall buildings is to calculate the superstruc -ture, foundation and soil separately. For pile-group foundation, designers often assume that the building loads all supported by pile stakes, they reckon the number of the pile stakes according to experienced formula which specification afforded or single pile stake bearing capacity based on experimental of dead load. The furnish of pile is adjusted accounted through characteristic of inequable of construct load in order that every pile stake play a fully role in. Furthermore, the calculation of pile group foundation doesn't take undertaking of cap and soil between the pile stake into account. This segregation cannot conform to the reality and it could make the designing plan wasted. With the development of model
about calculation of pile group foundation, researcher try to find the
new design method to replace the conventional design method. But the advisable design method is based on understand -ing about mechanism of the interaction among the pile and the cap & the soil. In coordination with the tests on site and analysis of theory, the essay sets forth the mechanism of the interaction among the pile and the cap & the soil of tall buildings. The distribution rule of the force between cap and soil in pile-cap foundation is saddle shape along its axis. A empirical formula estimating the proportion of load carried by piles and cap in this area is presented. Furthermore, through tests of axis force of pile, the rule of load transference of pile is summarized. Eventually the interaction among pile and soil and cap is analyzed by contrasting different manner of settlement.
某电厂工程拟建新机组。根据初步设计，主厂房采用天然
太原理工大学硕士研究生学位论文
地基难以实现。鉴于这样的情况，该工程选用钢筋混凝土预制
方桩，为柱一桩式群桩基础。为了节约工程造价和向设计提供可
靠的设计参数，揭示承台与桩、土的协同工作机理和获得桩基
设计的技术与经济分析资料，同时也为今后工程桩的优化设计
和施工提供依据，进行了现场群桩测试，本论文结合此次现场
原位实测研究及理论分析，探讨了高层建筑承台一桩一土共同作用
的机理，通过对承台下土反力的测试以及对其分析，得出桩一承
台基础的承台底土反力沿轴线呈马鞍形分布的规律，通过对测
试结果的分析并运用回归分析总结出此场地桩承台荷载分担比
的数学公式。同时通过对桩身应力的测试分析，阐述了群桩中
桩的荷载传递规律。通过对桩顶荷载的测试分析得出群桩中角
桩受荷最大、边桩次之、内桩最小的结果。结合桩顶、桩侧、
承台下土反力的测试数据，综合讨论了群桩、承台、土共同工
作的一些原理。最后选用考虑共同作用的群桩沉降计算方法进
行桩基的沉降计算，并与规范所推荐的群桩沉降计算方法进行
比较，从沉降的角度对桩一土一承台的共同作用进行了讨论。
Presently the designing method adopted popularly in engineering field for tall buildings is to calculate the superstruc -ture, foundation and soil separately. For pile-group foundation, designers often assume that the building loads all supported by pile stakes, they reckon the number of the pile stakes according to experienced formula which specification afforded or single pile stake bearing capacity based on experimental of dead load. The furnish of pile is adjusted accounted through characteristic of inequable of construct load in order that every pile stake play a fully role in. Furthermore, the calculation of pile group foundation doesn't take undertaking of cap and soil between the pile stake into account. This segregation cannot conform to the reality and it could make the designing plan wasted. With the development of model
about calculation of pile group foundation, researcher try to find the
new design method to replace the conventional design method. But the advisable design method is based on understand -ing about mechanism of the interaction among the pile and the cap & the soil. In coordination with the tests on site and analysis of theory, the essay sets forth the mechanism of the interaction among the pile and the cap & the soil of tall buildings. The distribution rule of the force between cap and soil in pile-cap foundation is saddle shape along its axis. A empirical formula estimating the proportion of load carried by piles and cap in this area is presented. Furthermore, through tests of axis force of pile, the rule of load transference of pile is summarized. Eventually the interaction among pile and soil and cap is analyzed by contrasting different manner of settlement.
引文
【1】 陈仲颐，叶书麟编．基础工程学．北京：中国建筑工业出版社，1996
【2】 高大钊，赵春风，徐斌．桩基础的设计方法与施工技术．北京：机械工业出版社，1999
【3】 Toml inson M J(1977)．桩的设计和施工，朱世杰译。北京：人民交通出版社，1984
【4】 华南理工大学，东南大学，浙江大学等．地基及基础(第三版)．北京：中国建筑工业出版社，1998
【5】 《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，1997
【6】 刘金砺主编桩基设计施工与检测．北京：中国建材工业出版社，2001
【7】 刘金砺．桩基础设计与计算．北京：中国建筑工业出版社，1990．7
【8】 建设部标准，建筑桩基技术规范(J GJ94—94)。北京：中国建筑工业出版社，1995
【9】 赵明华，李刚，曹喜仁等．土力学地基与基础疑难释义．北京：中国建筑工业出版社，1998
【10】 H．F．温特科恩，方晓阳主编，钱鸿缙等译，基础工程手册，中国建筑工业出版社，1983。
【11】 H.G. Poulos, E.H. Davis, Pile Foudation Analysis and Design, Series in Geotechnical Engineering, John Wiley&Sons, New York, 1980。
【12】 J. D. Geddes, Stress in foundation soil due to vertical subsur-
face load, J. Ceotechnique, Vol. 16,1966。
【13】 S.J. Hain, I.K. Lee, The analysis of flexible raft-pile systems, J. Geotechnique, Vol. 28, No.1, 1978。
【14】 M.F. Randolph, C.P. Wroth, An analysis of the vertical deforma tion of pile groups, J. Geotechnique, Vol. 29, No. 4,1979。
【15】 M.W.O' Neil, R.A. Hawkins, L.J. Mahar, Load transfer mechanisms in piles and pile groups, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 108, No. Gt12,1982.12。
【16】 R.W. Cooke, G. Price, K. Tarr, Jacked pile in London caly:interact tion and group behaviour under working condition, J. Geote chnique, Vol. 30, No. 2,1980。
【17】 H.G. Poulos, M.F. Randolph, pile group analysis:A study of two methods, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 109, No. 3,1983.3。
【18】 Y.K. Cheung, L.G. Tham, D.J. Guo, Analysis ofpile group by infini te layer method, J. geotechnique, Vol. 38, No. 3,1988。
【19】 佟世祥，亚粘土群桩的承载能力及变形特性的模型试验，第三届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1981。
【20】 冯国栋，刘祖德，黄绍铿，群桩基础的荷载传递参数之确定，第五届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1990。
【21】 杨克己，李启新，王福元，基础-桩-土共同作用的性状与承载力研究，岩土工程学报，Vol．10，No．1，1988．1。
【22】 刘金励，袁振隆，群桩及承台土反力性状和有关设计问题，第五届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1990。
【23】 何颐华，金宝森，王秀珍，雷光木，高层建筑箱基加满堂摩擦群桩
的研究，第四届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1986。
【24】 刘金励，袁振隆，粉土中钻孔群桩承台-桩-土的相互作用特性和承载力计算，岩土工程学报，Vol．9，No．6，1987．11。
【25】 刘金励，袁振隆，张国平，钻孔群桩在垂直荷载下的破坏特性，第四届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1986。
【26】 何颐华，金宝森，高层建筑箱型基础加摩擦群桩的桩土共同作用，岩土工程学报，Vol．12，1990．5。
【27】 赵锡宏等，上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论，同济大学出版社，1989。
【28】 宰金珉，复合桩基设计的新方法，第六届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1994．10。
【29】 COYLE. H. M, REESE L C. Load transfer for axially load piles in clay [J]. J soil Mech Found Div Proc ASCE, 1992(2):1-12.
【30】 陈如桂。桩土弹塑性体系的理论与应用研究[D]。长沙：中南工业大学，1997。
【31】 POULUS H G。An approximate numerical analysis of pile-raft foundation[J]. J Num Anal Mechs In Geomechs, 1994,18:73-92。
【32】 TA L D, SMALL J C. Analysis of pole raft system in layered soils[J]. Int Jnl Num Anal Mechs In Geomechs, 1996,20。
【33】 费勤发，马海龙，分层总和法在桩非线性中的应用—变形总和法[J]，上海力学，1997。
【34】 COOKE. R.W. The settlement of frietion pile foundations [J]: Proc Conf on Tail Buildings Kuala Lumper, 1974。
【35】 杨嵘昌，宰金珉，广义剪切位移分析桩—土—承台非线性共同作用原理[J]，岩石工程学报，1996，16(6)。
【36】 徐明定，徐锐。层状土中轴向受荷桩—土相互作用分析，岩土力学数值分析方法，[A]。陆陪炎，史永胜，第六届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C]。广州：广东科技出版社，1998，296—301。
【37】 杨敏，艾智勇。桩土相互作用理论研究与按沉降控制设计桩基础的工程实践，岩土力学述职分析与解析方法[A]。陆陪炎，史永胜，第六届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C]。广州：广东科技出版社，1998，43-57。
【38】 董建国，赵锡宏，高层建筑地基基础—共同作用理论与实践[M]。上海：同济大学出版社，1997。
【39】 方世敏：上部结构与地基基础共同作用的子结构分析方法，建筑结构学报，1980年第4期
【40】 孙更生，郑大同．软土地基与地下工程．北京：中国建筑工业出版社，1984。
【41】 宰金珉，宰金璋．高层建筑基础分析与设计．北京：中国建筑工业出版社，1994。
【42】 赵明华。倾斜荷载下基桩的受力研究：[博士学位论文]．长沙：湖南大学土木工程学院，2001。
【43】 贺武斌。承台—群桩—土共同作用的试验研究：[硕士学位论文]．太原理工大学土木系，1999。
【44】 蔡跃。高层建筑桩筏基础与湿陷性黄土共同作用的实验研究及理论分析：[硕士学位论文]．西安建筑科技大学
【2】 高大钊，赵春风，徐斌．桩基础的设计方法与施工技术．北京：机械工业出版社，1999
【3】 Toml inson M J(1977)．桩的设计和施工，朱世杰译。北京：人民交通出版社，1984
【4】 华南理工大学，东南大学，浙江大学等．地基及基础(第三版)．北京：中国建筑工业出版社，1998
【5】 《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，1997
【6】 刘金砺主编桩基设计施工与检测．北京：中国建材工业出版社，2001
【7】 刘金砺．桩基础设计与计算．北京：中国建筑工业出版社，1990．7
【8】 建设部标准，建筑桩基技术规范(J GJ94—94)。北京：中国建筑工业出版社，1995
【9】 赵明华，李刚，曹喜仁等．土力学地基与基础疑难释义．北京：中国建筑工业出版社，1998
【10】 H．F．温特科恩，方晓阳主编，钱鸿缙等译，基础工程手册，中国建筑工业出版社，1983。
【11】 H.G. Poulos, E.H. Davis, Pile Foudation Analysis and Design, Series in Geotechnical Engineering, John Wiley&Sons, New York, 1980。
【12】 J. D. Geddes, Stress in foundation soil due to vertical subsur-
face load, J. Ceotechnique, Vol. 16,1966。
【13】 S.J. Hain, I.K. Lee, The analysis of flexible raft-pile systems, J. Geotechnique, Vol. 28, No.1, 1978。
【14】 M.F. Randolph, C.P. Wroth, An analysis of the vertical deforma tion of pile groups, J. Geotechnique, Vol. 29, No. 4,1979。
【15】 M.W.O' Neil, R.A. Hawkins, L.J. Mahar, Load transfer mechanisms in piles and pile groups, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 108, No. Gt12,1982.12。
【16】 R.W. Cooke, G. Price, K. Tarr, Jacked pile in London caly:interact tion and group behaviour under working condition, J. Geote chnique, Vol. 30, No. 2,1980。
【17】 H.G. Poulos, M.F. Randolph, pile group analysis:A study of two methods, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 109, No. 3,1983.3。
【18】 Y.K. Cheung, L.G. Tham, D.J. Guo, Analysis ofpile group by infini te layer method, J. geotechnique, Vol. 38, No. 3,1988。
【19】 佟世祥，亚粘土群桩的承载能力及变形特性的模型试验，第三届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1981。
【20】 冯国栋，刘祖德，黄绍铿，群桩基础的荷载传递参数之确定，第五届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1990。
【21】 杨克己，李启新，王福元，基础-桩-土共同作用的性状与承载力研究，岩土工程学报，Vol．10，No．1，1988．1。
【22】 刘金励，袁振隆，群桩及承台土反力性状和有关设计问题，第五届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1990。
【23】 何颐华，金宝森，王秀珍，雷光木，高层建筑箱基加满堂摩擦群桩
的研究，第四届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1986。
【24】 刘金励，袁振隆，粉土中钻孔群桩承台-桩-土的相互作用特性和承载力计算，岩土工程学报，Vol．9，No．6，1987．11。
【25】 刘金励，袁振隆，张国平，钻孔群桩在垂直荷载下的破坏特性，第四届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1986。
【26】 何颐华，金宝森，高层建筑箱型基础加摩擦群桩的桩土共同作用，岩土工程学报，Vol．12，1990．5。
【27】 赵锡宏等，上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论，同济大学出版社，1989。
【28】 宰金珉，复合桩基设计的新方法，第六届土力学及基础工程学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1994．10。
【29】 COYLE. H. M, REESE L C. Load transfer for axially load piles in clay [J]. J soil Mech Found Div Proc ASCE, 1992(2):1-12.
【30】 陈如桂。桩土弹塑性体系的理论与应用研究[D]。长沙：中南工业大学，1997。
【31】 POULUS H G。An approximate numerical analysis of pile-raft foundation[J]. J Num Anal Mechs In Geomechs, 1994,18:73-92。
【32】 TA L D, SMALL J C. Analysis of pole raft system in layered soils[J]. Int Jnl Num Anal Mechs In Geomechs, 1996,20。
【33】 费勤发，马海龙，分层总和法在桩非线性中的应用—变形总和法[J]，上海力学，1997。
【34】 COOKE. R.W. The settlement of frietion pile foundations [J]: Proc Conf on Tail Buildings Kuala Lumper, 1974。
【35】 杨嵘昌，宰金珉，广义剪切位移分析桩—土—承台非线性共同作用原理[J]，岩石工程学报，1996，16(6)。
【36】 徐明定，徐锐。层状土中轴向受荷桩—土相互作用分析，岩土力学数值分析方法，[A]。陆陪炎，史永胜，第六届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C]。广州：广东科技出版社，1998，296—301。
【37】 杨敏，艾智勇。桩土相互作用理论研究与按沉降控制设计桩基础的工程实践，岩土力学述职分析与解析方法[A]。陆陪炎，史永胜，第六届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C]。广州：广东科技出版社，1998，43-57。
【38】 董建国，赵锡宏，高层建筑地基基础—共同作用理论与实践[M]。上海：同济大学出版社，1997。
【39】 方世敏：上部结构与地基基础共同作用的子结构分析方法，建筑结构学报，1980年第4期
【40】 孙更生，郑大同．软土地基与地下工程．北京：中国建筑工业出版社，1984。
【41】 宰金珉，宰金璋．高层建筑基础分析与设计．北京：中国建筑工业出版社，1994。
【42】 赵明华。倾斜荷载下基桩的受力研究：[博士学位论文]．长沙：湖南大学土木工程学院，2001。
【43】 贺武斌。承台—群桩—土共同作用的试验研究：[硕士学位论文]．太原理工大学土木系，1999。
【44】 蔡跃。高层建筑桩筏基础与湿陷性黄土共同作用的实验研究及理论分析：[硕士学位论文]．西安建筑科技大学