桩筏基础基底土反力模型及筏板设计研究

论文摘要

在桩筏基础设计过程中,由于难以估计地基土反力支承作用的大小,一般假定建筑物的全部竖向荷载均由桩承担而忽略地基土的作用。这样做对于桩基设计来说偏于保守,甚至可能是十分浪费的,同时也使筏板设计中土反力的取值缺乏依据而存在不安全因素,甚至造成建筑物基础底(筏)板开裂而引起渗水漏水或底板破坏的情况。为了解决桩筏基础设计中桩、筏和地基土的共同工作性态的科学评价问题,本文从建立桩筏基础基底土反力模型的角度出发,研究了基底土反力的变化规律、土反力对建筑物竖向荷载的分担比以及筏板内力的计算方法。在桩筏系统研究中,多是采用Mindlin解求出土体的柔度矩阵,而Mindlin解是基于弹性半空间推导出来的,即假设地基土抗拉和抗压模量相等。桩基沉降计算表明,基于Mindlin解的方法因高估了土的抗拉模量而使计算的基础沉降值偏小,基于Boussinesq解的等代墩基法则因低估了土的抗拉模量而使计算的基础沉降值偏大。为使地基土在共同作用中的行为特征评价更为合理,本文应用了半空间问题竖向荷载下地基土的拉压模量不同弹性理论解,该理论解是通过引入Heaviside函数,利用不能承受拉应力材料的弹性理论解并结合拉压模量相等的经典Mindlin解而获得。对于地基土这样抗拉模量小于抗压模量的材料,问题的解答介于上述无拉解答与Mindlin解答之间,并可采用无拉解答与Mindlin解答的组合来表达。利用半空间问题竖向荷载下的拉压模量不同弹性理论解得到桩基础位移场,并将其应用于桩、筏与地基土的共同工作性态的分析中。本文在评价单桩非线性工作性态时采用Heydinger提出的荷载传递函数,避免了桩土界面复杂的非线性接触模拟,同时又可以考虑沉桩和土固结引起的有效应力变化以及桩加载过程的影响。筏板的模拟采用基于广义协调元思想的四边形厚薄板通用单元TMQ,克服了剪切闭锁现象。基于以上理论本文建立了考虑拉压模量不同理论桩—土—筏系统非线性共同作用的数值分析模型,并在MATLAB7.0环境下编制了大型计算程序DMTCPR。该程序基于混合法分析理论,显著地降低了内存的需求量并节约了大量的计算时间,是实现精确性与高效性较好结合的选择,使实际工程分析成为可能;程序可以考虑筏板和地基土间的接触脱离及地基土的塑性变形。为了将拉压模量不同理论本构模型耦合到桩—土—筏系统非线性有限元分析中,本文利用非线性有限元计算程序MARC的接口,根据子程序HYPELA提供的输入和输出参数,采用FORTRAN语言编制了HYPELA子程序,实现了MARC的二次开发,为拉压模量不同理论在MARC中实现奠定了基础。本文研制程序DMTCPR的分析结果与国内外研究及工程实测数据相对比,计算结果吻合较好,说明了本文模型的合理性与程序编制的可靠性。本文通过算例分析,还深入研究了拉压模量比变化对基础平均沉降、差异沉降、桩土荷载分担比、地基土反力分布、筏板内力的影响,指出桩筏基础分析时按照拉压模量相同的Mindlin解直接计算,低估了基底土反力,从而不能正确地求得筏板的内力。采用本文程序DMTCPR对软土地基区高层建筑、小高层建筑、多层建筑三类工程实例进行了分析,得出了地基土荷载分担比范围及筏板内力变化规律,在此基础上提出了工程设计建议。对于二十层以上的高层建筑,地基土可以承担的建筑物竖向荷载比例较小,一般小于10%,而且此时建筑物基础底板厚度一般较大,因而在此类桩筏基础设计中通常可以忽略基底土反力的作用;对于八层以上至十多层的小高层建筑,桩筏基础地基土承担的荷载为15%左右,此时可通过减少桩数取得明显的经济效益,另一方面因此类建筑一般采用轴线桩布置,基础底板一般较薄,在设计中应充分考虑基底土反力的作用以确保安全性;对于多层建筑,计算沉降量满足规范要求时,地基土承担荷载比例通常较大,可超过25%,基础设计时既应考虑充分利用地基土反力以降低基础工程造价,又要重视较大的基底土反力对筏板的作用,土反力的准确估算是筏板合理设计的基础。以上结论对规范的修订具有参考价值,对工程设计具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 概述
• 1.2 桩筏基础计算理论研究现状
• 1.2.1 桩筏基础性态研究方法
• 1.2.2 桩筏基础与地基土共同作用问题的研究进展
• 1.3 对现有桩筏基础分析方法的评价
• 1.4 课题来源
• 1.5 本文思路和主要工作
• 1.6 本文的创新点
• 第2章 单桩荷载—沉降的非线性模型
• 2.1 单桩传递函数的确定
• 2.1.1 确定桩侧传递函数τ-S曲线
• 2.1.2 桩端传递函数的建立
• 2.2 单桩荷载—沉降计算方法
• 2.2.1 桩身单元的划分
• 2.2.2 单元刚度矩阵及桩身总体刚度矩阵
• 2.3 单桩荷载—沉降计算方法验证
• 2.3.1 与某小高层住宅楼单桩试验数据的对比
• 2.3.2 与某多层医技楼单桩试验数据的对比
• 2.4 计算结果分析
• 2.5 结论
• 第3章 拉压模量不同理论桩筏基础非线性简化分析理论
• 3.1 桩筏系统的研究现状
• 3.2 本文分析模型
• 3.3 地基土本构模型
• 3.3.1 邓肯—张（Duncan-chang）模型
• 3.3.2 邓肯—张（Duncan-chang）模型改进
• 3.4 考虑地基土拉压模量差异的桩土地基柔度矩阵
• 3.4.1 不能承受拉应力材料半无限空间弹性理论解
• 3.4.2 竖向应力的拉压模量不同弹性理论解
• 3.4.3 竖向位移的拉压模量不同弹性理论解
• 3.4.4 本文桩土地基柔度矩阵的建立
• 3.5 筏板分析模式
• 3.5.1 概述
• 3.5.2 四边形厚薄板通用单元TMQ
• 3.6 桩筏基础非线性共同作用方程建立
• 3.6.1 筏板平衡方程建立
• 3.6.2 桩身平衡方程建立
• 3.6.3 地基土非线性平衡方程建立
• 3.6.4 桩筏基础非线性共同作用方程建立
• 3.7 关键技术处理
• 3.7.1 筏板与桩土支承体系自由度的处理
• 3.7.2 接触脱离问题的处理
• 3.7.3 桩土地基极限承载力问题的处理
• 3.7.4 相互作用平均模量的确定
• 第4章 拉压模量不同理论桩筏基础非线性分析程序编制
• 4.1 MATLAB简介
• 4.1.1 MATLAB概况
• 4.1.2 MATLAB语言特点
• 4.2 程序编制
• 4.2.1 程序说明
• 4.2.2 程序特点
• 4.3 程序框图
• 4.4 本文程序 DMTCPR验证
• 4.4.1 分析模型
• 4.4.2 与Hain&Lee（1978）计算结果的比较
• 4.4.3 与非线性有限元分析软件MARC计算结果的比较
• 第5章 桩筏基础非线性数值分析
• 5.1 计算模型
• 5.2 不同布桩方式桩筏基础非线性共同作用性状分析
• 5.2.1 基础沉降比较
• 5.2.2 地基土荷载分担比比较
• 5.2.3 基底土反力分布比较
• 5.2.4 桩顶反力比较
• 5.2.5 筏板弯矩比较
• 5.3 桩筏基础基底土反力变化规律
• 5.3.1 基底土反力随荷载的变化规律
• 5.3.2 基底土反力随桩间距的变化规律
• 5.3.3 基底土反力随桩长的变化规律
• 5.3.4 基底土反力随筏板厚度的变化规律
• 5.3.5 基底土反力随地基土压缩性的变化规律
• 5.4 拉压模量不同理论对桩筏基础共同工作性状的影响
• 5.4.1 筏板沉降随拉压模量比的变化规律
• 5.4.2 地基土荷载分担比随拉压模量比的变化规律
• 5.4.3 筏板内力随拉压模量比的变化规律
• 5.5 计算模型改进
• 5.5.1 筏板沉降随拉压模量比的变化规律
• 5.5.2 基底土反力随拉压模量比的变化规律
• 5.5.3 筏板内力随拉压模量比的变化规律
• 第6章 与工程实测数据的对比和分析
• 6.1 工程简介
• 6.2 计算参数的准备
• 6.3 筏基计算平面的简化
• 6.4 荷载等级的确定
• 6.5 计算结果的分析
• 6.5.1 基础沉降
• 6.5.2 基底土反力分布规律
• 6.5.3 地基土荷载分担比
• 6.5.4 桩顶反力分布规律
• 第7章 不同类型工程基底土反力计算分析与研究
• 7.1 某高层商务楼
• 7.1.1 工程概况
• 7.1.2 计算模型
• 7.1.3 计算参数的准备
• 7.1.4 计算结果分析
• 7.2 某小高层住宅楼
• 7.2.1 工程概况
• 7.2.2 计算模型
• 7.2.3 计算参数的准备
• 7.2.4 计算结果分析
• 7.2.5 桩数变化对桩筏工作性态的影响
• 7.2.6 筏板厚度变化对地基土荷载分担比及筏板内力影响
• 7.2.7 地基土压缩性变化对基底土反力影响
• 7.3 某多层医技楼
• 7.3.1 工程概况
• 7.3.2 计算模型
• 7.3.3 计算参数的准备
• 7.3.4 计算结果分析
• 7.3.5 多层医技楼桩筏基础的设计优化
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 课题研究评价
• 8.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果