深厚软土中刚柔复合桩基沉降计算及设计分析
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摘要
在沿江、环湖和沿海地区，广泛分布着深厚软土。采用常规桩基础时，不考虑基础底板下地基土的地基承载力，布桩密度往往较大，软土的结构性遭到破坏，同时可能会产生严重的挤土问题，使环境受到影响。为了在确保安全的前提下，尽量发挥桩土体体系的力学性能，做到施工方便，经济合理，可以采用刚柔复合桩基对地基进行处理。
刚柔复合桩基应用的关键是控制基础沉降，本文首先在分析和总结已有各种沉降计算方法的基础上，结合刚柔复合桩基中刚性桩和柔性桩的受力特点，提出了一种刚柔复合桩基沉降计算的新方法—极限应力法：在修正应力法的基础上，假设刚性桩的实际承载力达到其设计承载力极限值，则桩土应力比易于确定，从而可得复合桩基的总沉降量。该方法概念清晰、计算简单，经过工程实例验算表明计算结果与实测值符合良好。另外，在比较了住宅类建筑荷载设计值与建筑物实际发生荷载的差异后，提出了按荷载设计值计算所得沉降应大于沉降实测值30％的观点，可以作为判断沉降计算方法是否偏不安全的一个依据。
其次，采用有限元计算程序，对刚柔复合桩基进行了三维有限元分析，考察了在不同荷载水平下，不同刚柔性桩比例的情况下，复合地基的平均沉降量、土体的沉降等值线和应力等值线以及刚性桩和柔性桩桩顶荷载比值随不同基础荷载水平的变化规律，得出了一些具有实际指导意义的结论：当总桩数不变，长桩比例增加到一定程度时，再增加刚性长桩的数量对地基整体沉降几乎没有什么效果；刚柔桩分布一定，柔性桩实际承载力小于其极限承载力时，外加荷载的增加，刚性单桩和柔性单桩所承当荷载的比值基本不变。
最后，本文对深厚软土地区刚柔复合桩基设计工作中的几个重要内容进行了分析和归纳，不仅总结出复合地基安全系数与柔性桩复合承载力发挥度以及柔性桩复合地基承载力对建筑物总荷载比值的关系，并给出了可供查用的数值计算表，而且还对褥垫层的材料、模量和厚度作了分析，提出推荐采用碎石、毛石片、砂混合垫层加素砼垫层，垫层模量的取值推荐采用20～40MPa，以充分发挥桩和土体的作用，另外，本文还对柔性短桩设计明确提出了在充分发挥材料承载力基础上，按柔性短桩下卧层承载力来确定其长度的原则。
Deep and thick soft soil is extensively distributed along the river and wreath lake and etc. When introduced general pile foundation without thinked the toft power under the foundation board, piles needs so many that the structure of soft soil is destroyed and possibly crushed soil problem be caused. For the sake of insuring the safety and as far as possible developing a mechanics function for pile-soil system, we can use rigid-soften composite piles foundation to handle the soft soil.
The key to apply rigid-soften composite piles foundation is to control its settlement. Firstly, on the base of analysis and summarize already existing every kind of means to calculate the settlement of the foundation, and combinating stress peculiarity of the rigid pile in rigid-soften composite piles foundation, lodge a new method named utmost stress to calculate the settlement of it. It was proved useful with the practical example. Besides that, bring forward a criterion that the calculation of the settlement must be bigger than the observation of it for 30% to discriminate a method between safe and unsafe.
Secondly, by using the great FEM programme, analyzes the mechanism of bearing and deformation of rigid-soften composite piles foundation. Draw a conclusion: exist a specific value, when the number of the rigid pile less than it, increase the number of the rigid pile, effect of reducing the settlement of rigid-soften composite piles foundation is distinct, on the contrary, when the number of the rigid pile more than it, increase the number of the rigid pile, effect of reducing the settlement of rigid-soften composite piles foundation is indistinct.
Finally, analyze and sum up some important design's constitutes of the rigid-soften composite piles foundation. Put an table forward to calculate the safety coefficient. Commend a modus operandi for design of the padding. Besides, confirm a principle of according as the bearing under the end of the soften pile to determine the length of the soften-short pile.
刚柔复合桩基应用的关键是控制基础沉降，本文首先在分析和总结已有各种沉降计算方法的基础上，结合刚柔复合桩基中刚性桩和柔性桩的受力特点，提出了一种刚柔复合桩基沉降计算的新方法—极限应力法：在修正应力法的基础上，假设刚性桩的实际承载力达到其设计承载力极限值，则桩土应力比易于确定，从而可得复合桩基的总沉降量。该方法概念清晰、计算简单，经过工程实例验算表明计算结果与实测值符合良好。另外，在比较了住宅类建筑荷载设计值与建筑物实际发生荷载的差异后，提出了按荷载设计值计算所得沉降应大于沉降实测值30％的观点，可以作为判断沉降计算方法是否偏不安全的一个依据。
其次，采用有限元计算程序，对刚柔复合桩基进行了三维有限元分析，考察了在不同荷载水平下，不同刚柔性桩比例的情况下，复合地基的平均沉降量、土体的沉降等值线和应力等值线以及刚性桩和柔性桩桩顶荷载比值随不同基础荷载水平的变化规律，得出了一些具有实际指导意义的结论：当总桩数不变，长桩比例增加到一定程度时，再增加刚性长桩的数量对地基整体沉降几乎没有什么效果；刚柔桩分布一定，柔性桩实际承载力小于其极限承载力时，外加荷载的增加，刚性单桩和柔性单桩所承当荷载的比值基本不变。
最后，本文对深厚软土地区刚柔复合桩基设计工作中的几个重要内容进行了分析和归纳，不仅总结出复合地基安全系数与柔性桩复合承载力发挥度以及柔性桩复合地基承载力对建筑物总荷载比值的关系，并给出了可供查用的数值计算表，而且还对褥垫层的材料、模量和厚度作了分析，提出推荐采用碎石、毛石片、砂混合垫层加素砼垫层，垫层模量的取值推荐采用20～40MPa，以充分发挥桩和土体的作用，另外，本文还对柔性短桩设计明确提出了在充分发挥材料承载力基础上，按柔性短桩下卧层承载力来确定其长度的原则。
Deep and thick soft soil is extensively distributed along the river and wreath lake and etc. When introduced general pile foundation without thinked the toft power under the foundation board, piles needs so many that the structure of soft soil is destroyed and possibly crushed soil problem be caused. For the sake of insuring the safety and as far as possible developing a mechanics function for pile-soil system, we can use rigid-soften composite piles foundation to handle the soft soil.
The key to apply rigid-soften composite piles foundation is to control its settlement. Firstly, on the base of analysis and summarize already existing every kind of means to calculate the settlement of the foundation, and combinating stress peculiarity of the rigid pile in rigid-soften composite piles foundation, lodge a new method named utmost stress to calculate the settlement of it. It was proved useful with the practical example. Besides that, bring forward a criterion that the calculation of the settlement must be bigger than the observation of it for 30% to discriminate a method between safe and unsafe.
Secondly, by using the great FEM programme, analyzes the mechanism of bearing and deformation of rigid-soften composite piles foundation. Draw a conclusion: exist a specific value, when the number of the rigid pile less than it, increase the number of the rigid pile, effect of reducing the settlement of rigid-soften composite piles foundation is distinct, on the contrary, when the number of the rigid pile more than it, increase the number of the rigid pile, effect of reducing the settlement of rigid-soften composite piles foundation is indistinct.
Finally, analyze and sum up some important design's constitutes of the rigid-soften composite piles foundation. Put an table forward to calculate the safety coefficient. Commend a modus operandi for design of the padding. Besides, confirm a principle of according as the bearing under the end of the soften pile to determine the length of the soften-short pile.
引文
[1] 浙江大学等，地基及基础，中国建筑工业出版社，1991
[2] 龚晓南，复合地基理论及工程应用．浙江大学出版社，2002
[3] 行业标准，建筑地基处理技术规范，JGJ79-2002
[4] LEONARDO, ZEEVAERT, FOUNDATION ENGINEERING FOR DIFFICULT SUBSOIL CONDITIONS(SECOND EDITION), NEWYORK, CINCINNATI, TORONTO, LONDON, MELBOURNE, NOSTRAND REINHOLD COMPANY, 1982
[5] J. A. HOOPER, REVIEW OF BEHAVIOUR OF PILED RAFT FOUNDATION, CIRIA REPORT, CONSTRCTION INDUSTRY RESEARCH AND INFORMATION ASSOCIATION, LONDON, 1979
[6] BINGUET. J, LEE. K. L, BEARING CAPACITY ANALYSIS OF REIN FORCED EARTH SLAB, JOURNAL OF THE GEOTECHNICAL ENGINEERING DIVISION ASCE, 1978
[7] POULOS.H.G.AND DAVIS, E.H.PILE FOUNDATION ANALYSIS AND DESIGN, NEW YOEK, WILEY, 1980
[8] K．HORIKOSHIAND M．ERANDOLPH著，干腾君 邓安福译，矩形筏基筏土刚度的确定方法，地下空间，VOL．19 NO．3 1999
[9] VAMIMPE，W．F．地基土的加固技术及其新进展，中国建筑工业出版社，1992
[10] ROWE，R．K．软粘土上的加筋堤坝，全国第三届土工合成材料学术会议特邀报告，1992
[11] 刘景政等，地基处理与实例分析，中国建筑工业出版社，1998
[12] 黄绍铭等，按沉降量控制的复合桩基设计，工业建筑，1992(8)
[13] 应永法 章雷，复合桩地基构想，复合地基，2000，11(1)．-27-30
[14] 唐朝文，刚性桩与柔性桩复合桩基的受力与变形性状研究，硕士学位论文，浙江大学，2002
[15] GEDDES, J.D., STRESSES IN FOUNDATION SOIL DUE TO VERTICAL SUBSURFACE LOADING, GEOTECHNIQUE 16, NO.3, 1966
[16] 行业标准，建筑桩基技术规范，JGJ94-94
[17] 国家标准，建筑地基基础设计规范，GB 50007-2002
[18] 李静文，联合应用Boussinesq和Mindin解求桩土复合地基中的应力及其沉降，地基处
理，NO．4，1993
[19] 董建国，赵锡宏，桩箱(筏)基础沉降计算新方法，岩土工程学报，VOL．18，NO．1，1996
[20] 国家标准，建筑地基基础设计规范，GBJ7-89
[21] 徐文忠，地基压力图的简化和沉降值近似计算，VOL．3，NO．3，1991
[22] 曾小强，考虑各向异性的软土地基沉降计算分析，硕士学位论文，浙江大学，1994
[23] 张土乔，水泥土的应力应变关系及搅拌桩破坏特性研究，博士学位论文，浙江大学，1991
[24] 宰金珉，复合桩基沉降计算方法研究，南京建筑工程学院学报，NO．59，2001
[25] 任光勇，桩基在竖向荷载作用下的压缩量和稳定性研究，硕士学位论文，浙江大学，2003
[26] 董建国，高层建筑桩筏基础设计中几个问题，结构工程师，NO．4，1997
[27] 宰金珉，按单桩极限承载力设计复合桩基的研究，南京建筑工程学院学报，NO．23，1992
[28] 董建国、赵锡宏编著，高层建筑地基基础，上海同济大学出版社，1997
[29] 博嘉科技编著，有限元分析软件—Ansys融会与贯通，中国水利水电出版社，2002
[30] 张兴才，复合桩基桩土共同作用和沉降分析及其在多层住宅中的应用，硕士学位论文，中国矿业大学，2001
[31] 唐朝文等，不同垫层材料对刚—柔复合桩基受力变形性状的影响，工业建筑，VOL．33，NO．12，2003
[32] 陈竹昌，桩与承台下地基土共同受力的设计，岩土工程师，VOL．2，NO．1，1990
[33] 邓超，，长短桩复合地基在高层建筑中的应用，建筑施工，VOL．25，NO．1，2003
[34] 龚晓南等，刚柔组合桩复合地基的沉降计算，太原理工大学学报，VOL．33，NO．6，2002
[35] 浙江省标准，建筑软弱地基基础设计规范，DBJ10-1-90
[36] 毛前，龚晓南，桩体复合地基柔性垫层的效用研究，岩土力学，VOL．19，NO．2，1998
[37] 李建光，组合桩复合地基沉降变形研究及优化设计探讨，硕士学位论文，成都理工大学，2002
[38] 叶观宝，司明强，半刚性复合地基沉降实用计算方法的探讨，水文地质了程地质，NO．4，2001
[39] 杨军龙，龚晓南，长短桩复合地基沉降计算方法探讨，建筑结构，VOL．32，NO．7，2002
[40] 连长江，基于复合本构模型的桩土复合地基变形特征和固结特性分析，硕士学位论文，同济大学，2000
[41] 施建勇，邹坚，深层搅拌桩复台地基沉降计算理论研究，岩土力学，VOL．23，NO．3，
2002
[42] 石旭光，刚柔组合桩复合地基性状的三维弹性分析，硕士学位论文，浙江大学，2001
[43] 宰金珉，高层建筑与群桩基础非线性共同作用——复合桩基理论与应用研究，博士学位论文，同济大学，2000
[44] 杨军龙，长短桩复合地基沉降计算，硕士学位论文，浙江大学，2002
[45] 赵京文，化建新，北京纺机厂高层住宅地基处理方案对比分析，福建建筑，NO．2，1995，
[46] 王约翰等，沉降控制理论在高层房屋加层中的应用，土木工程学报，VOL．33，NO．4，2000
[47] 宰金珉，桩土明确分担荷载的复合桩基及其设计方法，建筑结构学报，VOL．16，NO．4，1995
[48] 张京京，复合地基沉降计算等效实体法分析，硕士学位论文，浙江大学，2002
[49] 段继伟，龚晓南等，单桩带台复合地基的有限元分析，地基处理，VOL．5，NO．2，1994
[50] 丁浩江等编著，弹性和塑性中的有限单元法，机械工业出版社，1989
[51] 宰金珉，复合桩基沉降计算方法研究，南京建筑工程学院学报，NO．4，2001
[52] 刘金砺编著，桩基础计算与设计，中国建筑工业出版社，1990
[53] 管自立，稀桩基础设计实例分析与探讨(一)，建筑结构，NO．10，1993
[54] 宰金珉，建筑物采用复合桩基时最大可建层数的估计，工业建筑，VOL．31，NO．11，2001
[55] 管自立，稀桩基础设计实例分析与探讨(续)，建筑结构，NO．11，1993
[56] 杨敏等，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，NO．4，1995
[57] 龚晓南编著，土塑性力学，浙江大学出版社，1992
[58] 龚晓南编著，复合地基理论与实践，浙江大学出版社，1996
[59] 侯学渊，杨敏编著，软土地基变形控制设计理论和工程实践，同济大学出版社，1996
[60] 刘金砺等，竖向荷载下群桩变形性状及沉降计算，岩土工程学报，VOL．17，NO．6，1995
[61] 黄绍铭等，减少沉降量桩基的设计与初步实践，第六届土力学及基础工程学术会议论文集，同济大学出版社，1991
[62] 龚晓南，复合地基发展概况及其在高层建筑中的应用，土木工程学报，VOL．32，NO．6，1999
[63] 温晓贵，复合地基三维性状数值分析，博士学位论文，浙江大学，1999
[64] 龚晓南，关于复合地基沉降计算的一点看法，地基处理，NO．2，1998
[65] 王启铜，柔性桩的沉降(位移)特性及荷载传递规律，博士学位论文，浙江大学，1991
[66] 闫明礼等，CFG桩复合地基在工程中的应用，中国建筑学会地基基础学术委员会学术会议论文集，中国建筑工业出版社，1990
[67] 龚晓南，地基处理新技术，陕西科技出版社，1997
[68] 曾国熙等编著，地基处理手册，中国建筑工业出版社，1988
[69] 刘利民等，复合桩基工作性状的非线性分析，土木工程学报，VOL．34，NO．1，2001
[70] 安关峰，桩基沉降的时效分析，地下空间，NO．2，2000
[71] 龚晓南，土工计算机分析，中国建筑工业出版社，2000
[72] 张聚山等，刚性桩复合地基的工程实例，建筑结构，NO．5，1997
[73] 国家标准，岩土工程勘测规范，GB50021-94，中国建筑工业出版社，1995
[2] 龚晓南，复合地基理论及工程应用．浙江大学出版社，2002
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[27] 宰金珉，按单桩极限承载力设计复合桩基的研究，南京建筑工程学院学报，NO．23，1992
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[67] 龚晓南，地基处理新技术，陕西科技出版社，1997
[68] 曾国熙等编著，地基处理手册，中国建筑工业出版社，1988
[69] 刘利民等，复合桩基工作性状的非线性分析，土木工程学报，VOL．34，NO．1，2001
[70] 安关峰，桩基沉降的时效分析，地下空间，NO．2，2000
[71] 龚晓南，土工计算机分析，中国建筑工业出版社，2000
[72] 张聚山等，刚性桩复合地基的工程实例，建筑结构，NO．5，1997
[73] 国家标准，岩土工程勘测规范，GB50021-94，中国建筑工业出版社，1995