桩筏基础的新型分析方法

实际工程中 ,桩筏基础的平面形状、桩的布置方式多种多样。本文针对具有非规则形状筏板、非均匀布桩的桩筏基础 ,采用筏基无单元方法[1] 对筏板进行模拟 ,以桩与桩、桩与土相互作用的新模型[2 ] 为基础 ,建立了层状地基上桩筏基础与地基共同作用的一种新型分析方法。该方法便于布桩优化分析 ,并可进行桩与土相互作用的非线性分析。工程实例计算和分析表明 ,该方法是合理可行的 ,并具有较好的实用性和可靠性     

变桩径、桩长群桩桩-土体系相互作用分析模型

基于桩与桩相互作用机制及其解析模型,针对层状地基上具有不同桩径、不同桩长、不同桩体材料的摩擦群桩进行研究,建立了几何、材料特性不同情况下承受竖向荷载的桩与桩相互作用分析模型,以及摩擦群桩刚度矩阵的计算方法。各桩完全相同的摩擦群桩,可作为其一种特殊情形。给出的计算模型对于大规模摩擦群桩的沉降分析、优化设计,以及摩擦群桩的相互作用机制的研究,具有积极意义。与基于实际工程的模型试验结果的比较表明,该模型是合理可行的。     

土-桩-筏共同作用的混合分析法

提出了一种土-桩-筏共同作用的混合分析法.将桩和桩间土简化为弹簧作用于筏板下,桩土相互作用系数基于Mindlin解和Boussinesq解,为避免桩端应力集中,在桩端面上进行应力积分,并引入修正参数来考虑桩挤开土的实际情况.筏板采用无剪切闭锁的四边形厚薄板通用单元进行有限元分析.根据桩土柔度系数得到桩土柔度矩阵,求逆后与筏板刚度矩阵耦合,形成土-桩-筏体系的刚度矩阵.桩的沉降计算和土层参数的确定与规范法一致,适用于成层地基上变桩长、变桩径情况,板单元适用于平面形状不规则的薄板及中厚板.通过计算Poulos提出的经典桩筏基础模型并与其它几种典型方法对比,表明该法合理、实用.     

桩筏基础数值分析与优化设计研究

 在软土地区, 高层建筑尤其是超高层建筑多采用桩筏基础。由于对桩筏基础中桩2土2筏如何共同作用的认识不同, 导致桩筏基础设计的差异。在充分认清桩筏基础桩2土2筏共同作用的承载机理的基础上, 寻求经济合理安全的桩筏基础设计方法, 是一个具有理论和实践意义的课题。在比较全面地把握桩筏基础实验研究、桩筏基础数值分析和桩筏基础优化设计的历史与现状的基础上, 开展了这一课题的研究工作。内容包括桩筏基础三维弹塑性有限元程序的研制、桩筏基础承载性能的计算分析和桩筏基础优化设计的系统模拟法研究。采用有限元模拟桩筏基础高应变的近场区, 无限元模拟桩筏基础的远场区, 在结构与土体界面上引入接触面模型, 由此建立起桩筏基础三维有限元计算模型并编制计算程序。借助桩筏基础三维弹塑性有限元计算程序, 计算分析了桩筏基础承载性能, 重点考察了荷载水平、桩土模量比、承台厚度、桩长、桩径、桩距、桩不同布置方式等因素的影响, 得到了一些有益的结论。在桩筏基础实验结果与桩筏基础承载性能的计算分析结论的基础上, 提出了桩筏基础优化设计的系统模拟法。该方法与众不同之处在于: (1) 采用正交设计法优化模拟方案, 减少模拟输入的方案数目; (2) 应用定性模型与定量模型相结合的多目标决策技术, 确定桩筏基础优化设计的满意解。简单算例表明, 该方法简单可行。最后, 对所研究的工作进行总结, 并提出了有待进一步研究的问题。     

基于上部结构-桩筏基础-地基共同作用的地基与基础变形分析

利用FLAC-3D程序进行三维数值计算,研究高层建筑的上部结构、桩筏基础和地基的共同作用问题。为此,假定上部结构的梁柱、底板为弹性结构,假定地基土材料为弹塑性材料,并符合Mohr-Column强度理论。根据计算结果,分析施工过程中地基及基础的变形特性,进而得到桩筏基础沉降分布、桩体变形、地基土压缩量以及基础沉降等的变化规律和发展过程。研究结果可为高层建筑的地基和基础设计提供理论依据。     

桩间距对桩筏基础结构性能影响的模型试验研究

 为研究桩间距对桩筏基础结构性能的影响,设计并进行不同桩间距的桩筏基础系列模型试验。结果表明,设置不同的桩间距可调配群桩基础中桩与筏板的分担作用,调整桩筏基础的受力性能。常规桩距桩筏基础以桩为承载主体,地基土的荷载分担次之;当桩间距大于6倍桩径后,桩较早进入塑性支承状态,地基土分担荷载能力增强,桩与筏板荷载分担的主次作用发生转换,筏板逐渐转换为基础的承载主体。随着桩间距增大,筏板内力分布由整体弯曲过渡到以局部弯曲为主。桩筏基础桩顶荷载分布规律受桩间距的影响,随着桩间距增大,桩顶荷载由角桩最大逐渐转化为中间桩最大。建议桩筏基础设计方法应考虑桩间距设置对筏板与桩土体系相对刚度、筏板内力和桩顶荷载不均匀特征的影响。     

刚性桩复合地基的桩土应力比计算方法

刚性桩的桩体刚度比较大,承担较大荷载后桩身变形较小,其桩土应力比远大于半刚性桩的桩土应力比。刚性桩复合地基设计仍沿用半刚性桩复合地基经验设计,导致刚性桩复合地基设计过于保守,问题的关键在于如何准确确定其桩土应力比。基于刚性桩荷载传递规律、桩-土-垫层变形协调条件,综合考虑了桩体的上下刺入变形、桩侧正负摩阻、桩长、桩径、土性等影响因素,推导得到了刚性桩复合地基桩土应力比简化公式,并与刚性桩复合地基室内模型试验和现场实测结果进行对比分析,该公式便于工程应用,更有利于刚性桩复合地基定量化设计和计算沉降。     

分层土体中群桩复合地基水平荷载作用下的变形性状

采用有限元方法,对复合地基中的群桩在不同土体分层状况下受水平荷载作用的变形情况进行三维有限元分析。通过比较不同层的材料特性、桩长、桩径下受水平荷载作用的最不利位置桩体轴向应变的性状,得到复合地基中桩体的断桩点随土体分层状况改变而变化的规律。     

超长大直径钻孔灌注桩群桩效应系数研究

针对超长大直径钻孔灌注群桩效应系数,研究了5种计算公式或方法,其中基于应力叠加的群桩效应系数计算公式,考虑了桩长、桩径、土层的内摩擦角以及地基土应力叠加等影响因素,适合计算超长大直径钻孔灌注群桩效应系数.然后,基于苏通长江公路大桥主5号墩超长大直径钻孔灌注群桩基础桩长、桩径和地基土层条件,分别计算了2×2群桩与3×3群桩的群桩效应系数值,并与相应类型群桩离心模型试验的群桩效应系数值进行比较.研究结果表明,计算值仅低于试验值7.2%～12.7%,说明该群桩效应系数计算公式具有一定的合理性,可为超长大直径钻孔灌注群桩设计提供参考.     

生态复合墙结构桩筏基础优化设计分析

为了研究生态复合墙结构在地基基础与结构相互作用时桩筏基础的优化设计方法,建立生态复合墙-剪力墙混合结构和纯剪力墙结构在相互作用条件下的数值计算模型,计算了结构及地基基础的内力及变形。结合计算结果,分析了相互作用对桩筏基础、地基的应力、应变等的分布规律的影响,并将两种结构计算结果对比分析,研究了筏板厚度、混凝土强度、桩长、桩径等因素的变化对上部结构、桩筏基础的应力、应变及桩顶反力、桩筏荷载分担比等的影响,为生态复合墙结构桩筏基础基于地基-基础-结构相互作用的优化设计提供了参考。     

Physical modeling of behaviors of cast-in-place concrete piled raft compared to free-standing pile group in sand

Similar to free-standing pile groups, piled raft foundations are conventionally designed in which the piles carry the total load of structure and the raft bearing capacity is not taken into account. Numerous studies indicated that this method is too conservative. Only when the pile cap is elevated from the ground level, the raft bearing contribution can be neglected. In a piled raft foundation, pile–soil–raft interaction is complicated. Although several numerical studies have been carried out to analyze the behaviors of piled raft foundations, very few experimental studies are reported in the literature. The available laboratory studies mainly focused on steel piles. The present study aims to compare the behaviors of piled raft foundations with free-standing pile groups in sand, using laboratory physical models. Cast-in-place concrete piles and concrete raft are used for the tests. The tests are conducted on single pile, single pile in pile group, unpiled raft, free-standing pile group and piled raft foundation. We examine the effects of the number of piles, the pile installation method and the interaction between different components of foundation. The results indicate that the ultimate bearing capacity of the piled raft foundation is considerably higher than that of the free-standing pile group with the same number of piles. With installation of the single pile in the group, the pile bearing capacity and stiffness increase. Installation of the piles beneath the raft decreases the bearing capacity of the raft. When the raft bearing capacity is not included in the design process, the allowable bearing capacity of the piled raft is underestimated by more than 200%. This deviation intensifies with increasing spacing of the piles.     

竖向荷载下桩筏基础通用分析方法

根据已有的竖向荷载下刚性板桩筏基础分析结果提出了一种竖向荷载下桩筏基础的通用分析方法。桩筏基础分析中考虑了4种相互作用,分别为桩–土–桩、桩–土–板、板–土–桩和板–土–板相互作用。筏板分析采用有限单元方法,以厚薄板通用四边形等参单元进行分析。该方法可以分析由任意桩长、桩半径和刚度特性的桩群以及任意厚度和几何外形的筏板组成的竖向受荷桩筏基础。应用该方法不需要划分桩土体单元,其分析复杂程度基本等同于弹性地基板基础,且分析过程简洁。通过与各种方法的比较证明该方法是合理可行的,精度上也满足要求。     

层状地基中桩基础的竖向荷载位移关系非线性分析方法

基于Winkler地基模型,推导了分层土中单桩处于线弹性和弹塑性状态的荷载传递矩阵,提出了单桩竖向位移内力非线性简化分析方法。考虑群桩中的"被动桩"与周围土体的相互"遮拦效应",对传统的桩–桩相互作用系数进行修正,并将其应用于刚性承台下受荷群桩和桩筏基础的非线性分析中。由于考虑了土体的成层性和桩土相互作用的非线性特性,计算模型更好地反映了土体的实际性状。计算结果与有限元计算值和试验结果进行对比分析,验证了本文方法的正确性,可应用于实际工程问题的分析。     

Centrifuge model tests on piled raft foundation in sand subjected to lateral and moment loads

Piled raft foundation has been widely recognized as a rational and economical foundation system with the combined effects of raft and piles. However, the behavior of laterally loaded piled raft foundation has not been well understood due to the complicated interaction of raft–ground–piles. A series of static horizontal loading tests were carried out on three types of foundation models, i.e., piled raft, pile group and raft alone models, on sand using a geotechnical centrifuge. In this paper, the influences of relatively large moment load and rotation on the overall performance of laterally loaded piled raft foundation were examined. From the centrifuge model tests, it is found that the vertical displacement due to horizontal loads is different between piled raft and pile group foundation, and this vertical displacement has significant influences on the performance of laterally loaded piled raft foundation. The horizontal resistance of the pile part in the piled raft foundation is higher than those observed in the pile group foundation due to raft base contact pressure. The vertical displacement of the foundation due to the horizontal loads affects the vertical resistances of piles, which results in the different mobilization of moment resistances between the piled raft and pile group foundations.     

用于调整差异沉降的预留净空桩筏基础模型试验研究

预留净空桩筏基础是一种新的利用桩土相互作用的形式,可用于调整建筑物筏板–桩–土相互作用和减少差异沉降。进行了砂土中常规桩筏基础和桩顶预留净空桩筏基础的模型试验研究。分析表明:在相同荷载作用下,在试验条件下,相对于常规桩筏基础来说,预留净空桩筏基础的实质作用在于可使桩间土压缩提前发生,显著提高桩间土分担荷载的比例,在可压密土中可强化桩土相互作用,桩端刺入量显著下降,使得桩土更趋于整体沉降。预留净空桩筏基础可有效利用土的承载力,减小桩顶应力过分集中,且对桩端阻力有显著的强化作用。     

桩筏基础有限元分析设计优化

运用简化的共同作用分析方法,并将采用点弹簧模拟高层建筑下桩对筏板的作用与面弹簧模拟高层建筑下桩对筏板的作用进行对比。通过不同影响因素(有限元网格划分、弹簧属性的选择)分析筏板基础的受力及变形并得出结论以供广大工程人员参考。     

Hybrid numerical tool for nonlinear analysis of piled rafts

This paper presents a hybrid numerical tool for nonlinear piled rafts analysis. The nonlinear pile behavior is represented by a hyperbolic function, which intends to simulate the variation in pile stiffness during loading. As the nonlinear behavior of piles is restricted to a very thin zone next to the pile interface, only the linear elastic effects are considered in the interaction factors between foundation elements. The influence of using Kirchhoff or Mindlin plate finite elements to model the raft is discussed. The code was compared to other well tested numerical tools, three model tests on piled raft foundation carried out at the Nagoya Institute of Technology (NIT) and also a well-known case of piled raft foundation (Hyde Park Cavalry Barracks in London). The code showed a very good agreement, proving its consistency and potential for use in piled raft analysis and design.     

桩顶与筏板多种连接构造方式工作性状对比试验研究

针对桩顶与筏板之间不同构造形式下的相互作用,对可压密土中刚性桩复合地基、常规桩筏基础和桩顶预留净空桩筏基础进行了现场模型试验,测量了筏板沉降、筏板内外不同深度地基土沉降、桩身轴力和桩间土反力,分析了不同荷载级别下筏板沉降、筏板内外不同深度地基土沉降、桩土荷载传递特性和桩土荷载分担比分布规律。与刚性桩复合地基和常规桩筏基础相比,对于桩顶预留净空桩筏基础工作性状,研究发现在桩顶与筏板接触前,桩顶预留净空桩筏基础工作性状与刚性桩复合地基相似;桩顶与筏板接触后,其工作性状与常规桩筏基础相似。试验条件下,桩顶与筏板之间接触、设置褥垫层、预留净空(或可压缩垫块)不同连接方式可显著影响桩间土的压缩及桩土相对滑移,对上述三者来说,桩身下部桩、土相对滑移量(桩端刺入量)依次减小。