[建筑土木]桩筏基础优化设计试验研究

[建筑土木]桩筏基础优化设计试验研究内容摘要：

传来的上部结构荷载，使得桩周土的侧摩阻和端阻的发挥与桩基础明显不同；同样，由于桩对桩周土的约束作用，桩间土承载力的发挥将随筏板上作用荷载的增加则增加。 同样，与桩筏基础承载性能和沉降性能一样，桩筏基础桩土荷载传递与场地地质条件、布桩方式、桩径、桩长、桩距和上部总结刚度和荷载分布有关，如何选取合适的布桩方式，使桩筏基础工作时，桩承担的荷载和桩间土承担的荷载达6 到最优，实现桩筏基础承载性能和沉降性能最优，从而实现桩筏基础用桩量最小和筏板厚度最小，创造良好的社会经济效益。 关于该领域的研究也是目前 桩筏基础研究的热点问题。 关于桩筏基础优化方法的研究 就桩筏基础优化而言，可以从不同的角度进行分析，但其优化的核心主要集中于在满足上部结构承载性能和沉降要求的前提下，使桩筏基础的用桩量最小和桩筏基础的总沉降量或筏板的差异沉降最小，采用的研究方法有方案比选法、理论分析法和有限元模拟法。 方案比选法主要根据场地地质条件和上部结构特点，通过布桩方案的变化，研究桩筏基础承载性能、桩土荷载分担比例、桩土荷载传递规律、桩筏基础总沉降和差异沉降，根据试验结果，总结桩筏基础的优化方案。 该方法直接对桩筏基础的工作 性状进行模拟，所得结论可信度高，但试验成本较高。 理论分析法是在已有的试验成果和现场监测基础上，采用解析方法建立桩土相互作用的相关公式，通过对现场试验成果和监测成果的反分析，取得相关计算参数，在此基础上对未知的桩筏基础进行模拟，得到桩筏基础的优化方案。 该方法在试验基础上得到，具有理论意义和应用价值。 有限元模拟法也是在已有的试验成果和现场监测基础上，通过建立桩土有限元模型，利用已有的试验成果和监测成果数据，确定有限元模型的相关参数，然后对桩筏基础进行优化。 该方法理论严密，计算精度高，具有很大的应用价值。 在实际应用中，以上方法常与数学和运筹学中的优化方法相结合，运用综合手段对桩筏基础进行优化。 问题的提出 如前所述，近些年来关于桩筏基础优化设计方面的研究非常活跃，取得了丰硕的研究成果，总体来看，有以下问题需要解决： （ 1）上部结构 刚度：从已有的研究成果来看，桩筏基础的桩土荷载分担比例与筏板上作用的荷载有关，而在地基基础相互作用中，上部结构刚度对桩筏基础的桩土相互作会产生影响。 如果在桩筏基础桩土相互作用研究中，不考虑上部结构刚度的影响，那么所得到的研究成果会与桩筏基础的实际工作状况不符。 用所得到的规 律去指导桩筏基础优化设计会在一定程度上与实际不符，因此，进行桩筏基础优化设计试验研究与工程应用 时，应考虑上部结构对桩筏基础的影响。 （ 2）筏板荷载分布：从已往的试验成果来看，桩筏基础上作用的荷载多为7 均布荷载，桩筏基础相互作用的规律主要是均布荷载下得到的规律或以此为基础而得到的规律，而从已往既有建筑物桩筏基础现场监测成果来看，桩筏基础桩土相互作用规律与均布荷载试验条件下的桩土相互作用规律有一定偏差。 因此，在桩筏基础桩土相互作用研究中，如果不考虑筏板荷载分布特点而进行桩筏基础研究，那么所得的桩土相互作用规律与实 际会有偏差。 对于桩筏基础，若对其进行优化设计，则必须客观地研究桩筏基础的桩土相互作用，并在此基础上分析研究桩筏基础的承载性能、沉降性能和桩土荷载传递规律。 在桩筏基础的优化设计中，无论采用理论分析方法还是采用有限元方法，均离不开试验得到的桩土相互作用规律，所以，对桩筏基础进行优化设计试验研究，解决以上问题尤为必要。 本课 主要 研究内容 综上所述，桩筏基础可实现桩土共同承担基础荷载，如何在满足结构对承载力和沉降要求的前提下实现用桩量最小和筏板的差异沉降最小，是人们关心的热点问题，这就需要对桩筏基础的工 作性状有全面清晰的认识。 尽管在已往的研究中，不少学者通过室内模型试验、解析方法和有限元分析方法等对二者的工作性状进行了研究，由于地基土的复杂性和上部结构 基础 桩 土相互作用的复杂性，目前的分析还不足以完全揭示其规律，因此，进行大比例尺带上部结构高层建筑桩筏基础模型试验，对桩筏基础的承载性状、总沉降和差异沉降分布、桩土应力分布、桩土荷载传递规律、桩土荷载分担比例进行研究，为进一步的理论研究提供试验依据具有理论和现实意义。 本文通过大比例尺（ 1： 10）模型试验和有限元模型数值分析，研究了带上部结构高层建筑桩筏 基础在布桩方式、桩长、桩径和桩距改变的条件下的工作性状，以揭示桩筏基础在不同布桩方式下的桩土相互作用规律。 本文工作内容如下： （ 1）对不同布桩方式带上部结构桩筏基础进行了大比例尺（ 1： 10）野外现场模型试验； （ 2）研究了不同布桩方式带上部结构桩筏基础筏板总沉降和差异沉降；地基土在地面标高位置和桩端平面标高位置筏板外侧地基沿水平方向沉降分布规律；地基土在桩端平面标高位置、桩端平面标高以下 2m、 4m、 6m 深度位置筏板区域内地基土沿竖直方向沉降变化规律； （ 3）研究了不同布桩方式带上部结构桩筏基础在不同荷载级 别下桩顶和桩间土应力分布规律； （ 4）研究了不同布桩方式带上部结构桩筏基础在不同荷载级别下桩身轴力变8 化规律，分析了桩筏基础桩周土侧摩阻分布特征和桩土荷载传递规律； （ 5）研究了不同布桩方式带上部结构桩筏基础的桩土荷载分担比，分析了不同荷载级别下桩筏基础的桩土荷载分担比分布规律； （ 6）研究了不同布桩方式带上部结构桩筏基础的工作性状和上部结构 基础 桩 土相互作用规律，得出试验条件下桩筏基础优化设计结论。 （ 7）根据变桩距桩筏基础模型试验成果，建立了有限元模型，对不同桩长、不同筏板厚度和桩长与筏板厚度共同改变 的桩筏基础进行了研究，分析了筏板沉降、差异沉降和桩土反力分布，并得出桩筏基础相关优化结论。 9 第 2 章 桩筏基础优化模型试验设计 为实现桩筏基础优化设计，研究不同布桩方式桩筏基础的承载性能、沉降特点和桩土相互作用规律，本次试验采用现场大比例尺模型试验。 考虑到上部结构桩筏基础 桩 土相互作用的复杂性，模型试验以实际工程为依据，按原型工程的实际荷载、上部结构实际刚度和桩筏基础的实际尺寸进行相似计算，而地基土则与现场地基情况相一致。 本次模型试验包括以下内容：单桩静载荷试验、带台单桩静载荷试验、天然地基筏板基础 和桩筏基础。 桩筏基础的布桩方式分为均匀布桩、变桩长布桩、变桩径布桩和变桩距布桩。 单桩、带台单桩的最大加载量达到破坏荷载。 而天然地基筏板基础和桩筏基础的最大加载量均匀达到上部结构的最大工作荷载。 试验目的 通过对单桩、带台单桩、天然地基筏板基础和不同布桩方式桩筏基础进行现场大比例尺模型试验，研究不同布桩方式桩筏基础的桩土相互作用规律，确定不同布桩方式桩筏基础的承载性能、沉降特点和桩土荷载传递规律，为桩筏基础优化设计提供试验依据。 本次模型试验拟达到以下试验目的： （ 1） 单桩、带台单桩和天然地基筏板基 础的承载性能； （ 2）不同布桩方式桩筏基础的承载性能； （ 3）不同布桩方式桩筏基础筏板总沉降和差异沉降； （ 4）不同布桩方式桩筏基础对地基土竖直方向和水平方向的沉降影响范围； （ 5）不同布桩方式桩筏基础桩土荷载分担比例； （ 6）不同布桩方式桩筏基础桩土荷载传递规律。 模型 试验 设计 场地地质条件 试验场地 位于 鹿泉市高迁村与栾城县东尹村交界处，与西边的 107 国道相距1km， 距离石家庄市区 20km。 该场地为 河北省建筑科学研究院试验基地，模型10 试验 场地原为面积约 1500m2 的干枯鱼塘，塘底平整且低于 自然地面约。 鱼塘周围原为农田和垃圾填埋场。 为 掌握 试验场地的地质条件，试验前对场地进行了岩土工程勘察，共布置钻孔 6 个，孔深 ； 探井 2 个，井深 ； 钻探总进尺。 共取原状土样 37 件，扰动样 10 件，标准贯入试验 37 次。 钻孔土样进行室内常规试验，探井土样进行浸水固结试验和剪切试验，砂样进行天然坡角试验。 场地地层为第四系冲洪积层，在钻探揭露 20m深度内，按其岩性和物理力学指标 将地层 划分为 10 层。 自上而下分 述如下 ： ①层粉质粘土：杏黄 黄褐色，含氧化铁、氧化铝、具孔隙，可塑状态， 属中等压缩性土。 层厚 ，平均厚度。 ②层粉土：黄褐色，含氧化铁和姜石、混砂。 稍湿，夹粉砂透镜体，中密，属中等压缩性土。 层厚 ，平均厚度。 ③层细中砂：黄白色，夹粉土透镜体，中密。 层厚 ，平均厚度。 ④层砾砂：黄白色，含卵石，级配较好，成分为长石石英，中密。 层厚，平均厚度。 ⑤层粉土：黄褐色，含云母氧化铁及姜石，湿，中密。 层厚 ，平均厚度。 ⑥层粉质粘土：褐黄色，含多量 姜石，可塑状态，属中等压缩性土。 层厚，平均厚度。 ⑦层粉土：黄褐色，含多量姜石，下部混砂，稍湿，中密。 层厚 ，平均厚度。 ⑧层细砂：黄白色，上部为粉砂，中下部为细砂，局部为中砂，密实。 层厚，平均厚度。 ⑨层粉土：褐黄色，混砂，含 云 母 和 氧化铁，湿，中密，可塑状态。 层厚，平均厚度。 ⑩层细砂：黄白色，夹中砂，成 份以 长石 和 石英 为主 ，中密。 层厚 ，平均厚度。 两个探井 共 取 土样 8 件，室内 进行 浸水固结试验，结果 表明仅 ①层粉质粘土湿陷系数略大于 ， 其余土样均不具湿陷性， 因此 判定 ①层粉质粘土具轻微湿陷性，试验场地属Ⅰ级（轻微）非自重湿陷性场地。 场地地下水初见水位 ，稳定水位 16m，地下水 类型属 上层滞水。 通过对 试验场地土样 进行物理力学指标统计 分析 ，各层地基土物理力学性指标如表 21 所示。 11 表 21 试验场地地基土物理力学性质指标 层序 层厚 /m 土性描述 w/% γ /kN m3 e IL Es /MPa φ c/kPa ① 粉质黏土 180 38 ② 粉 土 试验模型设计 试验原型 本次模型试验以原型工程为基础，原型工程为地上 22 层（地下 1 层）的高层建筑，框剪结构，桩筏基础，筏板平面尺寸为 43m 43m，基础埋深。 上部结构中心跨为核心筒，剪力墙结构；框架柱网纵横向均为 8m，每边各 5 跨。 首层高 ，其余层高 ，总高约。 上部结构总荷载为 325000kN，筏板基础厚 ，自重为 66560kN。 桩采用钻孔灌注桩，桩径 1500mm，桩长 20m。 模型试验设计 模型比尺选择所涉及的因素包括：试验模型制作的难度和费用、加载设备条件、量测精度要求等。 一般来说，模型比尺愈大，量测精度愈高，但模型制作成本及试验周期愈长，加载设备条件亦高。 尤其是本项模型试验将在野外场地进行，如模型比尺过大，所要求的加载装置如锚桩、钢梁及现场吊装费用十分可观，且加载千斤顶量程也受到限制；但模型比尺过小，桩的绝对尺寸不大，几何上难以反映桩筏刚度的差别，其制作与测量误差可能使试验成果的规律性失真。 综 合上述因素，经过相似分析，取模型试验比例尺为 1： 10。 模型筏板和桩身材料采用细石混凝土，上部结构用钢筋混凝土平面框架代替，其刚度与上部结构刚度等效，平面框架柱与筏板用螺铨连接，模拟固定支座。 模型桩为混凝土桩，桩径 150mm250mm，桩长。 对于埋深效应的模拟，采用在筏板周边堆置 2～ 3 层铁砖。 筏板上作用的荷载按中国建筑科学研究院建筑结构软件 PKPM 计算确定，并按模型比例换算后作用于等代框架顶部节点处。 模型桩桩顶地基土为粉质粘土，厚 ；桩端土为粉土，厚 ；粉土 以下地层为中细砂层，中密，厚约 ，其主要物理力学参数见前文场地地质资料。 由于原型与模型同样置于无限大范围的地基上，桩筏两个体系的几何相似使整个模型只是部分几何相似，是一种非正态模型 [69][103][104]。 而正是由于桩筏都置于相同的地基中，上述试验模型符合物理相似关系 （λ E=）。 因此 ，模型试验方案的选择是通过单因素变化，对比研究不同布桩方式桩筏基础的工作性状。 模型试验包括单桩、带台单桩、天然地基筏板和桩筏基础，桩筏基础模型分12 为均匀布桩、变桩长布桩、变桩径布桩 和 变桩距布桩 4 种方式。 模型试验 平面布置见图 21，天然地基、单桩和带台单桩试验参数见表 22， 不同桩筏基础模型试验布桩参数见表 23。 表 22 天然地基、单桩和带台单桩试验参数表 项 目 载荷板面积 /m2 承台面积 /m2 桩径 /mm 桩长 /m 天然地基 单 桩 150 带台单桩 150 表 23 桩筏基础模型试验参数表 项 目 桩径 /mm 桩长 /m 桩数 /个 桩距 均匀布桩 150 61 变桩长布桩 150 44 变桩距布桩 150 44 变桩径布桩 150～ 250 37 图 例 ：4000核心筒4000 图 例 ：40004000桩长 2m 图例 ：4000桩长40002m （ a）天然地基筏板基础 （ b）均匀布桩桩筏基础 （ c）变桩距布桩桩筏基础 40004000图例 ： 桩长 2m 3m 4m 图例 ： 1400040002 3桩型 （ d）变桩长布桩桩筏基。