樁基計(jì)算方法

1、樁基沉降計(jì)算方法綜述,周 健,前言,用控制沉降量的設(shè)計(jì)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按承載力設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸為工程界所接受并進(jìn)入規(guī)范，從而使樁基沉降計(jì)算成為設(shè)計(jì)關(guān)鍵。為了準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測樁基沉降，曾提出過一系列的計(jì)算方法。但由于影響樁基沉降的因素很多，至今使樁基的沉降預(yù)估仍不能令人充分相信和滿意。,樁基沉降的影響因素,樁長；樁的平面布置情況；樁與土的相對壓縮性；土層地質(zhì)情況；荷載水平和持續(xù)時間；群樁間的相互影響等。,本節(jié)內(nèi)容,樁基沉降的兩種計(jì)算

2、方法單樁沉降計(jì)算群樁沉降計(jì)算多層建筑變形控制設(shè)計(jì)方法路橋一體化設(shè)計(jì)實(shí)例,第一部分 單樁沉降計(jì)算方法,1.豎向荷載下的單樁沉降性狀,單樁的荷載由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同承受。因此，單樁的沉降性狀與樁側(cè)摩阻力性狀、樁端阻力性狀、樁-土體系的荷載傳遞性狀有關(guān)。,1.1 樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮性狀,單樁樁頂受力時樁身產(chǎn)生向下的位移，由于樁側(cè)摩阻力的存在帶動樁周土體向下移動，并在樁周土體內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力及剪應(yīng)變。剪應(yīng)變和剪應(yīng)力一環(huán)一環(huán)

3、地向外擴(kuò)散，在離樁軸nd（d為樁徑，n與荷載水平、樁周土的土性有關(guān)）的地方減小為零。（Randolph & Wroth 1978; Cooke et al 1979）,樁側(cè)土的剪應(yīng)變、剪應(yīng)力,,達(dá)到達(dá)到樁側(cè)摩阻力qs所對應(yīng)的沉降為wu樁側(cè)摩阻力qs所對應(yīng)的沉降wu ：由式可知，發(fā)揮極限側(cè)摩阻力所需位移wu與樁徑成正比。,按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)：發(fā)揮極限側(cè)摩阻力所需位移與樁徑大小無關(guān)，而受土類、土性影響。對于粘性土wu約為5~1

4、0mm；對于砂性土Wu約為10~20mm；對于加工軟化型土（如密砂、粉土、高結(jié)構(gòu)性黃土等）所需Wu較小，且qs達(dá)到最大值后隨W的增大而有所減??；對于加工硬化型土（如非密實(shí)砂、粉土、粉質(zhì)粘土等）所需wu值更大，且極限特征點(diǎn)不明顯 。,1-加工軟化型 2-非軟化、硬化型3-加工硬化型,局限性,發(fā)揮樁側(cè)摩阻力所需相對位移趨于定值的結(jié)論是二十幾年前（Whitaker, 1966; Reese, 1969）根據(jù)少量樁的試驗(yàn)結(jié)果得出的。

5、隨著近年來大直徑灌注樁應(yīng)用的不斷增多，對大直徑灌注樁承載性狀的認(rèn)識逐步深化。就樁側(cè)摩阻力而言，大量測試結(jié)果表明，發(fā)揮樁側(cè)摩阻力所需相對位移并非定值，而與樁徑、施工工藝、土層性質(zhì)與分布有關(guān)。,,不過，大量常規(guī)直徑樁的測試結(jié)果表明，發(fā)揮側(cè)摩阻力所需位移一般不超過20mm，且先于端阻力發(fā)揮出來。對于大直徑樁（d>=800mm），雖然所需位移較大，但從一般控制沉降量s=（5%~6%）d確定單樁極限承載力而言，其側(cè)摩阻力也已絕大部分發(fā)揮出來

6、了,1.2樁側(cè)摩阻力的深度效應(yīng),根據(jù)庫侖定律?=c+?*tg?可知，樁側(cè)極限摩阻力與水平側(cè)壓力?3呈線性關(guān)系，而?3隨深度的增加而增加，即?3=k0*?1，式中，k0為靜止土壓力系數(shù)，?1為自重應(yīng)力。 但實(shí)際上，當(dāng)樁入土超過一定深度（稱之為臨界深度hcr）,樁側(cè)摩阻力將不再增大。,側(cè)阻臨界深度hcr,目前砂土中模型樁試驗(yàn)所得的側(cè)阻臨界深度hcr國內(nèi)位學(xué)者所得不盡相同，但大多歸納出與端阻的臨界深度的關(guān)系 Vesic（1967）得到側(cè)阻

7、臨界深度hcr與端阻臨界深度hcp：hcr=（0.5~0.7）hcp；Meyerhof（1978）得到：hcr=（0.3~0.5）hcp的關(guān)系。,1.3樁側(cè)總極限摩阻力的計(jì)算,樁側(cè)總極限摩阻力通常取樁身范圍內(nèi)各土層的極限側(cè)摩阻力qsui與對應(yīng)樁側(cè)表面積uiLi乘積之和：qsui的計(jì)算可分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。人們根據(jù)各法計(jì)算表達(dá)式所用系數(shù)的不同將其歸納為?法，?法，?法。,,?法,?法屬總應(yīng)力法，由Tomlinson于1971

8、年提出，其表達(dá)式為： 式中，?為系數(shù)，其值取決于土的不排水剪切強(qiáng)度和樁進(jìn)入粘土土層深度比hc/d；cu為樁側(cè)飽和粘性土的不排水剪切強(qiáng)度，采用無側(cè)限壓縮、三軸不排水壓縮或原位十字板、旁壓試驗(yàn)等測定。,,?法,?又稱有效應(yīng)力法，由Chandler于1968年提出，其表達(dá)式為：據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，?=0.25~0.40，平均為0.32；σv為樁側(cè)計(jì)算土層的平均豎向有效應(yīng)力，地下水位以下取土的浮容重。,,對于該法，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：該法假

9、定成樁過程中引起的超孔隙水壓力已經(jīng)消散，因此成樁時間短的樁不可用該法；考慮到側(cè)阻的深度效應(yīng)，對于長徑比大于側(cè)阻臨界深度的樁，可用下式修正： 式中臨界長度比，對于均勻土層可?。↙/d）cr=10~15，當(dāng)硬土上覆蓋軟弱土層時，（L/d）cr從硬土層頂面算起；當(dāng)樁側(cè)土為很硬的粘土層時，考慮到剪切面發(fā)生在樁土界面，則取?=（0.5~0.75）?’。,,?法,Vijayvergiya和Focht于1972年提出了適用粘性土的?法，

10、該法綜合了?法和?法的特點(diǎn)，表達(dá)式為： 式中，?為系數(shù)，可由圖確定。,,,?系數(shù)隨樁入土深度的增加而遞減，到20m以下基本維持常量，這主要反映了側(cè)阻的深度效應(yīng)及有效應(yīng)力的影響隨深度的增加而減小。因此應(yīng)用該法時應(yīng)將樁側(cè)土的qsu分層計(jì)算，根據(jù)各層土的實(shí)際平均埋深由圖取相應(yīng)的?值。,1.4樁端阻力的性狀,1.4.1 樁端地基土的破壞模式樁端地基土的破壞與一般的房屋基礎(chǔ)相似（Vesic）整體剪切破壞局部剪切破壞刺入剪切破壞,1

11、.4.2 樁端阻力的深度效應(yīng),由于樁端阻力的計(jì)算也類似于房屋淺基礎(chǔ)的承載力的計(jì)算方法，所以理論上樁端阻力隨深度的增加而線性增大。但實(shí)際上樁端阻力與樁側(cè)阻力一樣，也存在深度效應(yīng)，即不隨著深度的增加而線性增大。 當(dāng)樁端進(jìn)入持力層的深度h小于臨界深度hcp時，其極限端阻力隨深度而線性增大；當(dāng)h大于h­cp時，則端阻力基本保持不變，其值稱之為端阻穩(wěn)值qpl。,臨界深度與端阻穩(wěn)值有以下特性：,端阻穩(wěn)值的大小僅與持力層砂的相對密實(shí)度Dr

12、有關(guān)，而與樁徑無關(guān)；端阻穩(wěn)值與覆蓋層厚度無關(guān)；臨界深度隨端阻穩(wěn)值的增大而增大；臨界深度隨樁徑的增大而增大；端阻臨界深度受上覆壓力p0影響而與端阻穩(wěn)值成不同的關(guān)系。,1.4.3 極限樁端阻力的計(jì)算,極限理論平衡公式 考慮樁底土壓縮性的極限平衡理論公式,極限理論平衡公式,Terzaghi(1943)，Meyerhof(1951)，Vesic (1963)以剛塑性理論為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的滑動面，分別提出了各自的極限樁端承載力公式，這

13、些公式可歸納成統(tǒng)一的表達(dá)式：,,Nc、N?、Nq分別反映土的內(nèi)聚力C、樁底以下滑動土體自重和樁底平面以上邊載（豎向壓力?h）影響的條基無量綱承載力系數(shù)，僅與土的內(nèi)摩擦角?有關(guān)；?c、??、?q為樁端的形狀系數(shù)；h、b分別為樁端底寬（直徑）和樁的入土深度；c為土的內(nèi)聚力；?1為樁端平面以下土的有效重度；?為樁端平面以下土的有效重度。,,考慮樁底土壓縮性的極限平衡理論公式,Vesic（1975）提出了考慮樁底土壓縮性的極限平衡理

14、論公式，他假定樁端形成了三角形壓密核，壓密核隨荷載的增加將兩側(cè)土體向外擠，從而形成了塑性變形區(qū)。該計(jì)算公式為 qpu= c Nc+ p Nq p為樁端平面?zhèn)冗叺钠骄Q向壓力。,2.單樁的沉降計(jì)算,豎向荷載作用下單樁的沉降由以下三部分組成： 樁身彈性壓縮引起的沉降 樁側(cè)荷載傳遞到樁端平面以下引起土體壓縮，樁端隨土體壓縮而產(chǎn)生的沉降 樁端荷載引起土體壓縮產(chǎn)生的樁端沉降.,當(dāng)荷載水平較低時，樁端土未發(fā)生明顯的塑性變形，而樁側(cè)

15、土與樁身之間也尚未產(chǎn)生滑移，此時便可近似地應(yīng)用線彈性理論計(jì)算單樁的沉降；當(dāng)荷載水平較高時，樁端土將發(fā)生明顯的塑性變形，此時單樁的沉降組成將發(fā)生明顯的變化，需要進(jìn)行非線性彈性或塑性分析以計(jì)算單樁的沉降。,計(jì)算單樁沉降的方法,荷載傳遞分析彈性理論法分層總和法剪切變形傳遞法有限元分析法彈性理論－傳遞函數(shù)聯(lián)合求解法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法其他簡化方法,方法一 荷載傳遞分析法,荷載傳遞分析法是單樁沉降荷載～變形分析中最常用的一種方法。這種

16、數(shù)值方法是從規(guī)定的荷載變形傳遞方式來計(jì)算樁對荷載的反應(yīng)。,基本概念,將樁離散化為一系列等長的樁段(彈性單元)，每一樁段與土之間的聯(lián)系用非線性彈簧來模擬、樁端處土也用非線性彈簧與樁端聯(lián)系。 這些非線性彈簧的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系，即表示樁側(cè)摩阻力qs(或樁端阻力qp)與位移s之間的關(guān)系，這一關(guān)系一般就稱為傳遞函數(shù)。,基本概念,利用已知的樁側(cè)和樁底荷載的傳遞函數(shù)，求解傳遞函數(shù)的基本微分方程解得樁頂荷載與沉降關(guān)系曲線、樁身荷載沿樁身的分布曲線

17、以及樁側(cè)摩阻力沿樁身的分布曲線等 。,,,解微分方程系用預(yù)訂好的方式或體現(xiàn)樁身彈性壓縮的迭代法。按照求解微分方程的途徑不同，荷載傳遞分析法可分為幾種計(jì)算方法：荷載傳遞解析法、位移協(xié)調(diào)法。以及其他一些方法等。問題的實(shí)質(zhì)在于尋求一個能實(shí)際反映樁土共同作用機(jī)理的且形式簡單的傳遞函數(shù)并用適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ蠼夂奢d傳遞的基本微分方程。,,,傳遞函數(shù)法的特點(diǎn),傳遞函數(shù)法最明顯的特點(diǎn)是將樁周土當(dāng)作文克爾地基來處理，因此任何一點(diǎn)的位移只跟該點(diǎn)土體的剪應(yīng)力有

18、關(guān)，而與其他點(diǎn)的應(yīng)力無關(guān)，忽略了樁周土的應(yīng)力場效應(yīng)，以純粹模擬樁土接觸面的變化過程,局限性,此法不能指出一點(diǎn)的應(yīng)力如何去影響周圍土體，無法計(jì)算樁與樁之間的相互作用，即群樁效應(yīng)；無法反映軟弱下臥層的影響，更無法反映樁端阻力的大小不僅影響樁側(cè)阻力的發(fā)揮，同時還影響其分布規(guī)律這一引起大家注目的現(xiàn)象。另外，運(yùn)用該法還感到困難的是，每一種傳遞函數(shù)對應(yīng)其相應(yīng)的樁側(cè)、樁端臨界位移值，兩種不同的傳遞函數(shù)其對應(yīng)的臨界位移值甚至相差很大。,方法二 彈性

19、理論法,彈性理論法把地基土看作是均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性半空間體以彈性理論一般都基于樁的位移與鄰近土位移之間的協(xié)調(diào)條件，借助于軸向荷載下樁身的壓縮求得樁的位移，又應(yīng)用荷載作用于半無限體內(nèi)某一點(diǎn)的所產(chǎn)生的Mindlin位移解求得樁周土體的位移。假定沿界面諸相鄰點(diǎn)的樁位移應(yīng)與土位移相等，由此即可求得樁身摩阻力和樁端阻力的分布，并進(jìn)一步求得樁的位移分布。,局限性,彈性理論法的缺陷在于它把地基土看著是理想的彈性體，并假定只通過變形特征值

20、Es與v就可以描述土對荷載的效應(yīng)；實(shí)際上，大多數(shù)土對于荷載呈現(xiàn)著應(yīng)力的、應(yīng)力歷史的、以及時間的效應(yīng)。另外，彈性理論法也沒有考慮樁設(shè)置后的加筋效應(yīng)對土性參數(shù)的影響。,方法三 分層總和法,分層總和法就是根據(jù)各層土的參數(shù)分別計(jì)算各層的沉降然后求得總沉降。該方法是過去計(jì)算建筑物淺基礎(chǔ)最終沉降量常用的方法，在樁基設(shè)計(jì)中，對于大直徑的單樁墩基礎(chǔ)，考慮到其樁側(cè)摩阻力的荷載承擔(dān)比相對較小，樁端底面積大且荷載承擔(dān)比也較大，因此可仿照擴(kuò)展基礎(chǔ)采用分

21、層總和法計(jì)算沉降。,以分層總和法計(jì)算單樁沉降時與計(jì)算淺基礎(chǔ)的沉降問題比較：,與淺基礎(chǔ)相比，單樁的樁側(cè)摩阻力占有一定的荷載分擔(dān)比，樁側(cè)摩阻力與樁側(cè)表明呈φ/4角擴(kuò)散到樁端面，基底計(jì)算面積大于樁端截面積。單樁沉降存在一個樁土間的耦合問題，分析時是否考慮樁土間的滑移將會對分析結(jié)果產(chǎn)生影響，而且單樁沉降還包括樁土本身壓縮這一組成部分，這些都是淺基礎(chǔ)沉降分析不需考慮的。,方法四 剪切變形傳遞法,該法假定樁產(chǎn)生豎向位移時，樁側(cè)摩阻力通過環(huán)形單

22、元向四周傳遞，樁側(cè)周圍土體的變形可視為同心的圓柱體；根據(jù)兩環(huán)面上剪應(yīng)力相等的條件可得出樁側(cè)土的剪切位移、剪應(yīng)力和環(huán)面半徑之間的關(guān)系：式中，w（r）為距離樁軸線r處土體的豎向位移；G為土體的剪切模量；rm為影響半徑；r0為樁徑；?0為樁側(cè)剪應(yīng)力,,局限性,實(shí)際上，剪切位移法也可視為傳遞函數(shù)法，只是傳遞函數(shù)不同而已。剪切位移法的傳遞函數(shù)是線性的，其摩阻力和位移的關(guān)系可直接從彈性理論導(dǎo)出，而一般的傳遞函數(shù)法則適合于比較復(fù)雜的傳遞函

23、數(shù)，尤其是非線性函數(shù)。但是，剪切變形傳遞法由于忽略的因素過多，例如地基的三向應(yīng)力狀態(tài)、地基的成層性、土參數(shù)隨深度的變化以及樁端沉降等，因此該方法在樁基設(shè)計(jì)中較少應(yīng)用。,方法五 彈性理論－傳遞函數(shù)聯(lián)合求解法,為了完整地描述單樁P～s全過程曲線，考慮樁端刺入沉降或樁土相對滑移沉降，采用彈性理論法和傳遞函數(shù)法聯(lián)合求解單樁的沉降。首先由Mindlin公式求解了樁端阻力與樁端刺入沉降的關(guān)系公式，由Pack差分迭代求解傳遞函數(shù)法中的二階偏

24、微分方程，以計(jì)算由樁土相對滑移引起的沉降。,方法六 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,單樁沉降預(yù)估的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法采用的是由Rumelhart等人提出的反向誤差傳播(BackError Propagation，簡稱BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并借助于已經(jīng)收集到的試樁資料，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它把一組訓(xùn)練樣本的輸入輸出問題轉(zhuǎn)化為一個非線性優(yōu)化問題，在其迭代運(yùn)算求解權(quán)值的過程中使用了最優(yōu)化分析中的梯度下降法。,,BP網(wǎng)絡(luò)是一個前饋網(wǎng)絡(luò)，它主要由輸入層、隱層和輸出層組成。易見它

25、有點(diǎn)類似于“黑箱”結(jié)構(gòu)，中層的隱層即相對于黑箱，當(dāng)然它比黑箱更進(jìn)一步，因?yàn)椋核梅蔷€性優(yōu)化技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)誤差最小，亦即模型更能夠反映實(shí)際。它具有大規(guī)模并行處理和分布式的信息存儲、良好的自適應(yīng)性、自組織性以及很強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能、聯(lián)想功能和容錯功能。,其它經(jīng)驗(yàn)方法,Das(1984)提出的方法 Tomlinson(1994)提出的方法 Pells和Turner(1979)嵌巖樁的沉降計(jì)算,第二部分 群樁沉降計(jì)算方法,群樁的特點(diǎn),

26、群樁效應(yīng)改變了單樁側(cè)摩阻力從樁上部逐步向下發(fā)揮的荷載傳遞過程，也改變了樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的大小和發(fā)展過程以及樁側(cè)摩阻力的分布，使地基土的受力狀態(tài)發(fā)生變化。,群樁與單樁比較,群樁沉降涉及的因素遠(yuǎn)比單樁沉降為多，例如群樁的幾何尺寸有關(guān)參數(shù)、施工工藝與流程、地基地質(zhì)條件、荷載大小和持續(xù)時間，以及承臺型式等，對于影響沉降的主要因素、單樁與群樁兩者也不相同，前者主要受樁側(cè)摩阻力影響，而后者（群樁）的沉降在很大程度上與樁端以下土層的壓縮性有關(guān)。

27、,沉降計(jì)算方法,已有的計(jì)算方法各有其特點(diǎn)和適用范圍，大致可分為：彈性理論法等代墩基法分層總和法數(shù)值計(jì)算法等,方法一 彈性理論法,其基本假定與上述單樁沉降的彈性分析的假定一樣 由于彈性理論法的主要依據(jù)是Mindlin方程的解，而Mindlin給出的是均質(zhì)彈性半空間內(nèi)作用單位豎向荷載時的位移與應(yīng)力解，這樣一來，群樁沉降計(jì)算就分別以位移法和以應(yīng)力解為基礎(chǔ)的應(yīng)力出發(fā)點(diǎn)，形成了兩種不同的的分析方法：以位移解為基礎(chǔ)的位移法和以應(yīng)力解為基

28、礎(chǔ)的應(yīng)力法。,彈性理論群樁沉降計(jì)算方法，可細(xì)分為以下幾類： 疊加法 相互影響系數(shù)法沉降比法楊敏、趙錫宏經(jīng)驗(yàn)公式其它彈性理論方法,疊加法,該法在考慮樁與樁的相互影響時，只對各樁的變形進(jìn)行疊加，并未考慮樁的存在所帶來的影響，從而過高地估計(jì)樁的相互作用；土的非線性特性使得難以精確確定的彈性模量值，往往出現(xiàn)失真現(xiàn)象；這種簡化的方法忽略了樁對土的加強(qiáng)效應(yīng)，也未考慮承臺分擔(dān)荷載對于減小沉降的作用以及承臺上土反力對于樁側(cè)和樁端的應(yīng)力和變

29、形的影響,,劉金礪指出(《樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算》，中國建筑工業(yè)出版社，1990)：該法有一個突出的特點(diǎn)，即對于樁距大、布樁不規(guī)則、樁長不一的群樁，可根據(jù)其實(shí)際幾何特征計(jì)算沉降，而等代墩基法卻不能考慮這些因素。該法多用于半無限均質(zhì)土內(nèi)具有剛性承臺的摩擦群樁的沉降計(jì)算。,相互影響系數(shù)法,在單樁分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用疊加原理把彈性介質(zhì)中兩根樁的分析結(jié)果通過引入相互作用系數(shù)α而擴(kuò)展到群樁的分析當(dāng)中。相互作用系數(shù)α的定義如下： α＝相鄰樁引起的附加

30、沉降/自身荷載 作用下引起的沉降,該兩參數(shù)均難以準(zhǔn)確確定，給出的相互影響系數(shù)圖表提供的只是一種經(jīng)驗(yàn)的近似數(shù)值，因此，這種方法遠(yuǎn)比疊加的計(jì)算粗糙；該法未考慮樁底壓縮層的成層性，對于成層性的地基，計(jì)算誤差要大一些，特別是對于樁底以下有軟弱下臥層的情況不宜采用此法計(jì)算群樁沉降；應(yīng)用該法估算群樁沉降時是直接利用單樁的荷載——沉降試驗(yàn)資料，而無需土層的壓縮模量參數(shù)。,沉降比法,沉降比法的關(guān)鍵是如何估計(jì)沉降比R，采取的途徑不外經(jīng)驗(yàn)方

31、法和彈性理論法，對這些方法的精度尚未見有關(guān)文獻(xiàn)中有評述；沉降比法中當(dāng)根據(jù)靜力試樁的Q~s曲線確定單樁的沉降時，要考慮群樁的時間效應(yīng)，除以沉降完成系數(shù)0.4~0.8，本法適用于非粘性土中群樁沉降的估算。,楊敏、趙錫宏經(jīng)驗(yàn)公式,楊敏等(1989年)根據(jù)上海地區(qū)樁基的試驗(yàn)、工程實(shí)踐,以及均質(zhì)土內(nèi)群樁沉降彈性理論提出了一個既可計(jì)算樁筏基礎(chǔ)或樁箱基礎(chǔ)沉降，又可計(jì)算樁與筏基或樁與箱的分擔(dān)建筑物荷載的比例的實(shí)用方法； 該法的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系從Poulos

32、彈性理論解與上海地區(qū)樁基沉降的實(shí)測結(jié)果作比分析后得到的，帶有地區(qū)性，有待進(jìn)一步驗(yàn)證和修正。應(yīng)用此法所得計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較吻合。,局限性,彈性理論法的特點(diǎn)是考慮了土的連續(xù)性，能進(jìn)行比較精確的分析，并可用于群樁的分析。由于實(shí)際地基土的成層非均勻性和各向異性，因此該法的適用性受到限制， 未考慮土的應(yīng)力歷史，以及時間的效應(yīng)； 未考慮樁設(shè)置后的加筋效應(yīng)對土性參數(shù)的影響。,方法二 等代墩基法,等代墩基法一般亦稱為實(shí)體深基礎(chǔ)法該計(jì)算模

33、式是將承臺下的群樁包括樁間土體看作是一個等效于墩基的一個實(shí)體深基礎(chǔ)，在此等代墩基范圍內(nèi)、樁間土不產(chǎn)生壓縮變形，如同實(shí)體墩基一樣工作，然后按照擴(kuò)展基礎(chǔ)的沉降方法來計(jì)算群樁的沉降。,方法三等效作用分層總和法,對于樁中心距小于6倍樁徑的樁基礎(chǔ)，其最終沉降量計(jì)算可采用等效作用分層總和法。等效作用面位于樁端平面，等效作用面為樁承臺投影面積，等效作用附加應(yīng)力近似取承臺底平均附加應(yīng)力。等效作用面以下的應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)直線變形體理論。 在樁

34、基沉降計(jì)算時，除了樁基等效沉降計(jì)算系數(shù)外，其余計(jì)算與天然地基計(jì)算完全一致。,方法四 數(shù)值方法,有限單元法邊界單元法混合法,有限元,有限單元法克服了其他各種方法在理論上的局限性從原則上講，它可以在計(jì)算中同時考慮影響樁基性能的許多因素，如土的非線性、固結(jié)時效性以及動力特性等；但是由于在具體計(jì)算時，所取用的參數(shù)多，準(zhǔn)備工作復(fù)雜，計(jì)算量大，費(fèi)用昂貴等原因，因此在樁基尤其是在群樁基礎(chǔ)的分析當(dāng)中采用較少。,,然而用有限單元法去分析群樁

35、基礎(chǔ)共同作用的主要機(jī)理，并以它作為指導(dǎo)原則去指導(dǎo)實(shí)際工程和校核工程的實(shí)用計(jì)算方法等等卻有著重要的實(shí)際意義。Vesic指出，我們對土的基本應(yīng)力、應(yīng)變、時間關(guān)系知識貧乏，這可能是目前有限元法受到的最大限制，也就是說，有限單元法的計(jì)算分析結(jié)果的可靠性依賴于土的本構(gòu)關(guān)系的真實(shí)性。,邊界單元法,邊界單元法用于樁基的分析，只需對樁－土界面進(jìn)行離散，在接觸面上仍采用彈性理論模擬土的性狀，建立樁－土節(jié)點(diǎn)的位移協(xié)調(diào)關(guān)系和力的平衡關(guān)系，據(jù)此來分析樁基。,,

36、邊界單元法要比有限單元法優(yōu)越，因?yàn)檫吔鐔卧ㄖ恍鑼Ω鲄^(qū)域的表面進(jìn)行單元劃分，而有限單元法則要對整個區(qū)域劃分單元。用邊界單元法同樣也可以考慮到各種參數(shù)的影響，不過在以上介紹的各種邊界單元法中，都存在著筏板為剛性的假定，這是該方法的一個嚴(yán)重不足。,混合法,混合法是將幾種方法結(jié)合起來使用而形成的方法。一般來說，混合法目前主要可分為三大類：半解析數(shù)值方法；用荷載傳遞法、剪切位移法來分析單樁，樁－土－樁之間的相互作用采用彈性理論法或剪切位移法

37、的方法有限元與邊界元的耦合分析方法。,,半解析數(shù)值方法是解析與數(shù)值手段相結(jié)合的方法，其主要特點(diǎn)是兼?zhèn)浣馕雠c數(shù)值方法的優(yōu)點(diǎn)，并在很大程度上克服了兩者的不足：一般說來，純解析方法得到的是一種理論解，它的精度高，計(jì)算量小，對無限域是一種原始模型解，但它的解題范圍有限，不同的問題方法各異，比較難掌握；而數(shù)值方法正相反，其優(yōu)點(diǎn)是解題范圍廣，適用于復(fù)雜的幾何形狀、邊界和材料特性，而且方法統(tǒng)一，易于掌握，其不足之處是給出的是一種近似解，計(jì)算工作

38、量大，難于模擬無限域等。,,而另一種混合法，即用荷載傳遞法、剪切位移法等來分析單樁受力機(jī)理，用Mindlin解或剪切位移理論來考慮群樁間的相互作用，由于荷載傳遞法能較好地反映樁側(cè)土的成層非均質(zhì)性，Mindlin解或剪切位移理論又廣為人們所熟知，因此這一類混合法是目前常用的群樁基礎(chǔ)的非線性分析方法。然而這類混合法在理論上顯然是近似的，而且必須通過必要的修正之后才能運(yùn)用到實(shí)際工程當(dāng)中去。,應(yīng)用有限元與邊界元相結(jié)合的方法來分析樁基礎(chǔ)的學(xué)者首推

39、Hain and Lee (1978)，他們將筏板用一系列的薄板單元來表示，而樁的特性則用邊界單元法來計(jì)算，為了減少計(jì)算工作，還利用了相互作用影響系數(shù)的概念，分析時土體雖然被限制為均勻的彈性半無限體，但卻可以通過“Cut-Off ”的方法來考慮群樁中荷載達(dá)到極限承載力的情況。,第三部分 多層建筑變形控制設(shè)計(jì)方法,1、多層建筑的變形控制設(shè)計(jì)理論,方法的提出：在較深厚的軟弱地基上建造多層建筑，采用天然地基淺基礎(chǔ)方案，地基強(qiáng)度要求能基

40、本滿足或相差不大，但地基變形驗(yàn)算因沉降過大無法滿足設(shè)計(jì)要求。若采用外荷載全部由樁承擔(dān)的常規(guī)樁基設(shè)計(jì)方法，則樁間土的承載力全部被浪費(fèi)，這樣的設(shè)計(jì)顯然是不合理的。,建筑物基礎(chǔ)變形控制設(shè)計(jì)理論,一種新設(shè)計(jì)方法，能夠利用樁間土的承載力，樁的設(shè)置主要是為了減少和控制建筑物的沉降，并使建筑物基礎(chǔ)滿足整體承載力的要求，這種設(shè)計(jì)思想稱為建筑物基礎(chǔ)的變形控制設(shè)計(jì)理論。 這是一種介于天然地基上淺基礎(chǔ)和常規(guī)樁基之間的基礎(chǔ)類型。,核心問題,設(shè)計(jì)計(jì)算核心是要給

41、出一個能計(jì)算樁數(shù)與沉降關(guān)系的公式，以便確定合適的樁數(shù)，使建筑物的沉降在建筑物的容許沉降量以內(nèi)，并滿足整體承載力的要求。,幾種主要的計(jì)算方法,沉降控制復(fù)合樁基 減少沉降樁基礎(chǔ)──沉降控制設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)疏樁基礎(chǔ),沉降控制復(fù)合樁基,沉降控制復(fù)合樁基實(shí)質(zhì)上是樁和承臺與地基共同作用的設(shè)計(jì)應(yīng)用。 目前已被引用到上海市標(biāo)準(zhǔn)《地基處理技術(shù)規(guī)范》（DBJ08－40－94）和上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DGJ08－11－1999）,原理,這個

42、方法是根據(jù)Geddes按彈性理論中Mindlin應(yīng)力公式積分后得到的單樁荷載在半無限體中產(chǎn)生的應(yīng)力解，用簡單疊加法原理求得群樁荷載在地基中產(chǎn)生的應(yīng)力，然后再按分層總和法計(jì)算沉降，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?；該法可以考慮樁基中樁數(shù)、樁間距、不規(guī)則布樁及不同樁長等因素對沉降計(jì)算結(jié)果的影響。,減少沉降樁基礎(chǔ)── 沉降控制設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ),減少沉降樁基礎(chǔ)在1

43、988年由同濟(jì)大學(xué)楊敏、趙錫宏提出。通過實(shí)踐，楊敏深化減少沉降樁基礎(chǔ)計(jì)算方法，并于1997年創(chuàng)造了啟明星軟件《樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算軟件》，使用戶可以方便地獲得樁數(shù)和沉降的關(guān)系曲線。,原理,該法是利用波勒斯應(yīng)用明特林公式的位移解，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)得到的半理論半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，對于建筑物上部荷載由樁承擔(dān)的樁基礎(chǔ)，得出樁基礎(chǔ)的平均沉降的計(jì)算公式；,疏樁基礎(chǔ),疏樁基礎(chǔ)是把建筑物按常規(guī)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所確定樁的數(shù)量與間距，進(jìn)行精減與疏布的樁基礎(chǔ)。 上部

44、荷載不再全部由樁承擔(dān)，而是由樁與樁間土共同承擔(dān)形成的一種復(fù)合樁基。,設(shè)計(jì)原則,疏樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可歸納為“長樁疏布、寬基淺埋”八字要點(diǎn) ；根據(jù)群樁現(xiàn)場實(shí)測表明：角樁承擔(dān)荷載最大，邊樁次之，內(nèi)部樁最小的特點(diǎn)，在進(jìn)行疏樁基礎(chǔ)布樁時，應(yīng)把原位于中心部位樁基向邊緣、角樁處離散,第四部分 路橋一體化設(shè)計(jì)實(shí)例,背景,軟土地區(qū)橋坡高填土通常會引起路基的較大沉降；與之相反，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下橋梁樁基礎(chǔ)僅產(chǎn)生極小沉降。于是在道路與橋梁的結(jié)合部位產(chǎn)生了

45、較大的沉降差，從而形成的“橋頭跳車”現(xiàn)象。,傳統(tǒng)橋頭跳車問題的治理,從減小工后沉降的角度，對橋坡軟基，進(jìn)行長時間的堆載預(yù)壓；從減小軟基總沉降的角度，采用注漿、強(qiáng)夯、深層攪拌樁、碎石樁、砂樁等地基處理技術(shù)； 從減小附加荷載的角度，對橋坡路堤的填料進(jìn)行處理；設(shè)置搭板，作為過渡段，調(diào)節(jié)路橋的不均勻沉降,路橋一體化設(shè)計(jì)思想的提出,突破傳統(tǒng)的 “橋歸橋，路歸路” 設(shè)計(jì)模式 ，設(shè)計(jì)時綜合考慮道路與橋梁的沉降 ；綜合考慮橋梁與橋坡段的沉降。盡

46、可能使橋梁與橋坡沉降協(xié)同。,一體化設(shè)計(jì)的核心問題,按沉降控制橋梁樁基設(shè)計(jì)改變原傳統(tǒng)強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)思想中樁的沉降較小的設(shè)計(jì)思路解決路橋一體化設(shè)計(jì)的矛盾焦點(diǎn)集中在一個方面，即如何控制橋梁基礎(chǔ)沉降，使之滿足要求。,一體化設(shè)計(jì)的控制指標(biāo),傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法下，以路橋間工后沉降差不超過10cm為控制標(biāo)準(zhǔn)；在一體化設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，可將此標(biāo)準(zhǔn)提高為差異沉降小于5cm，即路-橋之間沒有錯臺，差異沉降小于5cm。,一體化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程,選擇技術(shù)可行，費(fèi)用

47、低廉的橋坡軟基處理方法；對處理后軟基的沉降量，沉降速率進(jìn)行分析；采用按沉降控制的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)橋梁樁基礎(chǔ)，對橋梁樁基的總沉降量及沉降速率進(jìn)行分析；校核橋梁樁基的沉降計(jì)算與橋坡的沉降計(jì)算，調(diào)整設(shè)計(jì)方案，對施工工期做技術(shù)上的限定，使沉降差盡可能小。,路橋一體化設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)的要求。因此，要從上部結(jié)構(gòu)的分析上探討路橋一體化設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景。 從上部結(jié)構(gòu)自身要求、橋下通行的凈空要求等個方面來講都能夠滿足要求在設(shè)

48、計(jì)方法成熟后，可考慮突破現(xiàn)有規(guī)范對總沉降量的規(guī)定。,經(jīng)濟(jì)價值,橋梁沉降，相應(yīng)的可以降低對橋坡軟基的處理標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約橋坡軟基的處理費(fèi)用；采用復(fù)合樁基理念，充分挖掘橋梁小承臺樁群的承載能力，以沉降為控制標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比較，可減少橋梁樁的樁長、樁數(shù)，從而降低橋梁樁基造價；路橋的協(xié)同變形，為通車后道路的維護(hù)帶來方便，可減少后期的道路維護(hù)費(fèi)用。,目前沉降計(jì)算方法的評述,目前的樁基沉降計(jì)算預(yù)測有以下特點(diǎn)：對工程經(jīng)驗(yàn)的嚴(yán)重依賴性。對于長期沉降

49、的發(fā)展歷程，幾乎完全依賴工程經(jīng)驗(yàn)。計(jì)算理念上的簡單化。僅考慮易于解決的外部沉降問題（樁端平面下土體的整體壓縮變形），拋棄或過于簡化地處理內(nèi)部沉降問題（樁端刺入變形）,合理樁基沉降計(jì)算分析方法,合理樁基沉降計(jì)算方法應(yīng)該在完善考慮承臺—樁—土體相互作用的基礎(chǔ)上提出，而且應(yīng)該與樁基承載機(jī)理相結(jié)合。 對樁端平面以下土體的整體壓縮，采用目前方法，應(yīng)該是可行的。沉降分析的核心與難點(diǎn)就集中在樁端的刺入及樁間土壓縮變形量計(jì)算預(yù)估上。,基于樁端刺入

50、變形與樁間土壓縮的樁－土－承臺共同作用簡化分析方法,本算法不考慮樁與樁、樁與承臺之間的相互影響。單樁荷載－沉降曲線，由于加荷時間較短，近似認(rèn)為該曲線的沉降由樁身壓縮量和樁端刺入量組成。承臺板所分擔(dān)荷載在整個板底均勻分布,假定,承臺下地基土與樁分擔(dān)荷載的確定方法,樁承受荷載的確定依據(jù)單樁P-S曲線，任意選定樁所需要承擔(dān)的荷載Pp。依據(jù)第二條基本假定，則此時單樁的沉降量Sp1由樁身壓縮量及樁端刺入變形量所組成。,,承臺下地基土分擔(dān)荷載

51、的確定 依據(jù)第三條假定，板底荷載在整個板內(nèi)均勻分布，參考上海《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》按照天然地基沉降計(jì)算的分層總合法，反算樁長L范圍內(nèi)的樁間土變形量，使板底應(yīng)力作用下的樁間土壓縮量SS2＝Sp1（單樁的沉降量 ）。則此時的板底應(yīng)力σs即為樁間土分擔(dān)的荷載。,樁數(shù)的確定,從單樁的P-S曲線出發(fā)，由前面的方法得到一組單樁荷載Pp與對應(yīng)板底應(yīng)力σs的數(shù)據(jù)，由此可繪制曲線。選擇一組相對應(yīng)的數(shù)據(jù)Pp及σs，依據(jù)作用在承臺板處的荷載長期效應(yīng)組合P，

52、求樁數(shù)n有：,,基礎(chǔ)沉降量的確定方法,由荷載分擔(dān)的確定可知樁身范圍內(nèi)的變形量 樁端平面以下地基土的壓縮量由兩部分組成。一部分由承臺板板底應(yīng)力產(chǎn)生，按天然地基沉降計(jì)算方法確定。一部分由樁所分擔(dān)的荷載nPp產(chǎn)生，按上海《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DGJ08－11－1999）6.4.2條計(jì)算。樁的荷載在樁端平面以下產(chǎn)生的附加應(yīng)力按Geddes積分解疊加得到。,算法討論,本算法從單樁的p-s曲線出發(fā)，考慮到積累了大量的各種樁型、土層的單樁p-s

53、實(shí)測曲線，因此不難獲得這方面的數(shù)據(jù)。本算法的最大優(yōu)點(diǎn)在于從由承臺下地基土分擔(dān)荷載的基本條件出發(fā)考慮問題，從而可以得到任意樁荷載水平下的承臺下地基土分擔(dān)荷載量，不必將樁的受荷水平限制在極限荷載。這與實(shí)際更為符合。,路橋一體化設(shè)計(jì)方法的實(shí)踐,概述 ：高東二路跨線橋?yàn)?跨混凝土簡支梁橋。環(huán)內(nèi)坡度為6%，環(huán)外6.5%。橋坡填土高度環(huán)內(nèi)為2.438m，環(huán)外為2.996m。（跨線橋示意圖、橋坡及各墩臺的荷載見后面）填土高度不大，采用常規(guī)堆載預(yù)壓

54、方法進(jìn)行處理。,,,在缺乏經(jīng)驗(yàn)的情況下，對橋梁沉降控制指標(biāo)采用了比較保守的做法。對主跨的4、5、6號樁基礎(chǔ)，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使其沉降很小，以保證對主干道不造成影響。對邊跨，按照規(guī)范要求，以每跨50mm 沉降差至橋臺作為沉降控制指標(biāo)。為確保工程安全，對邊跨樁施工時預(yù)埋注漿管。當(dāng)樁基沉降過大時，可采取樁底后注漿的措施，控制沉降。,橋坡總沉降分析,環(huán)內(nèi)橋坡橋坡寬度8m，計(jì)算長度20m，臺后填土高度2.438m，坡度6%。取填土重度1

55、8kN/m3。臺后10m內(nèi)的沉降如圖所示（單位mm，圖中每格為1m）。壓縮層底部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。,,,環(huán)外橋坡取橋坡寬度8m，計(jì)算長度20m，臺后填土高度2.996m，坡度6.5%，填土重度18kN/m3。臺后10m內(nèi)的沉降如圖所示（單位mm，圖中每格為1m）。壓縮層底部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。,,,沉降分析,從沉降圖可見，由于填土高度較小，橋坡地基的沉降量并不大，且在橋坡填土三角形分布荷載下，最大沉降發(fā)生點(diǎn)并不在靠近橋臺部位，兩個橋坡的

56、沉降最大點(diǎn)位置均在距橋臺4m的部位；,,靠近橋臺部位的沉降量，兩端均小于5cm。從橋坡沉降的角度看，不需要橋梁沉降亦可滿足規(guī)范要求。在沉降變化比較劇烈的離橋臺6m左右范圍設(shè)置搭板即可解決該跨線橋的橋頭跳車問題；,,從摸索橋梁樁基按沉降控制設(shè)計(jì)可行性的角度，我們依然對橋梁樁基礎(chǔ)按前述控制標(biāo)準(zhǔn)采用按沉降控制來設(shè)計(jì)，所不同的是，為防止橋梁沉降過大，在邊跨樁施工時預(yù)埋注漿管。,橋梁各墩臺設(shè)計(jì)方案及沉降計(jì)算,對環(huán)內(nèi)與環(huán)外兩側(cè)墩臺采用了兩種不同的設(shè)

57、計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)：在環(huán)外一側(cè)（7，8，9墩臺），僅通過調(diào)節(jié)樁長，將荷載傳遞到不同的樁端壓縮層，實(shí)現(xiàn)各墩臺不同的沉降控制。在環(huán)內(nèi)一側(cè)（0，1，2，3墩臺），通過調(diào)整樁數(shù)及樁長，實(shí)現(xiàn)各墩臺不同的沉降控制。對于主跨基礎(chǔ)（4，5，6墩臺），嚴(yán)格按照常規(guī)橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。,,,最終確定的設(shè)計(jì)方案與常規(guī)方法設(shè)計(jì)方案比較,,樁土分擔(dān)的監(jiān)測結(jié)果,,各墩臺沉降監(jiān)測結(jié)果,,采用本文簡化算法對路橋一體化設(shè)計(jì)樁基的分析,在假定樁承擔(dān)所有附加荷載的

58、情況下， 3號墩臺樁的受荷水平分別為0.71，而此時承臺下土體依然可以分擔(dān)了12％左右的附加荷載。由此可見，其他簡化算法僅在樁達(dá)到極限承載力狀態(tài)后才考慮承臺板板底土體分擔(dān)荷載是不適當(dāng)?shù)摹Ｏ旅娌捎帽疚奶岢龅暮喕惴▽?號墩臺進(jìn)行分析。,,3號墩臺承臺板設(shè)計(jì)為10.8m×3.8m，樁端持力層為上海61層暗綠色粘性土。樁長30m，樁距4.6m，接近6d。,,,承臺板板底的平均應(yīng)力隨樁間土壓縮變化曲線,基礎(chǔ)承載力隨樁間土壓縮量的變化