樁筏基礎(chǔ)基底土反力模型及筏板設(shè)計(jì)研究.pdf

1、在樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，由于難以估計(jì)地基土反力支承作用的大小，一般假定建筑物的全部豎向荷載均由樁承擔(dān)而忽略地基土的作用。這樣做對(duì)于樁基設(shè)計(jì)來說偏于保守，甚至可能是十分浪費(fèi)的，同時(shí)也使筏板設(shè)計(jì)中土反力的取值缺乏依據(jù)而存在不安全因素，甚至造成建筑物基礎(chǔ)底(筏)板開裂而引起滲水漏水或底板破壞的情況。為了解決樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中樁、筏和地基土的共同工作性態(tài)的科學(xué)評(píng)價(jià)問題，本文從建立樁筏基礎(chǔ)基底土反力模型的角度出發(fā)，研究了基底土反力的變化規(guī)律、土反力對(duì)建

2、筑物豎向荷載的分擔(dān)比以及筏板內(nèi)力的計(jì)算方法。 在樁筏系統(tǒng)研究中，多是采用Mindlin解求出土體的柔度矩陣，而Mindlin解是基于彈性半空間推導(dǎo)出來的，即假設(shè)地基土抗拉和抗壓模量相等。樁基沉降計(jì)算表明，基于Mindlin解的方法因高估了土的抗拉模量而使計(jì)算的基礎(chǔ)沉降值偏小，基于Boussinesq解的等代墩基法則因低估了土的抗拉模量而使計(jì)算的基礎(chǔ)沉降值偏大。為使地基土在共同作用中的行為特征評(píng)價(jià)更為合理，本文應(yīng)用了半空間問題豎向

3、荷載下地基土的拉壓模量不同彈性理論解，該理論解是通過引入Heaviside函數(shù)，利用不能承受拉應(yīng)力材料的彈性理論解并結(jié)合拉壓模量相等的經(jīng)典Mindlin解而獲得。對(duì)于地基土這樣抗拉模量小于抗壓模量的材料，問題的解答介于上述無拉解答與Mindlin解答之間，并可采用無拉解答與Mindlin解答的組合來表達(dá)。利用半空間問題豎向荷載下的拉壓模量不同彈性理論解得到樁基礎(chǔ)位移場(chǎng)，并將其應(yīng)用于樁、筏與地基土的共同工作性態(tài)的分析中。本文在評(píng)價(jià)單樁非線

4、性工作性態(tài)時(shí)采用Heydinger提出的荷載傳遞函數(shù)，避免了樁土界面復(fù)雜的非線性接觸模擬，同時(shí)又可以考慮沉樁和土固結(jié)引起的有效應(yīng)力變化以及樁加載過程的影響。筏板的模擬采用基于廣義協(xié)調(diào)元思想的四邊形厚薄板通用單元TMQ，克服了剪切閉鎖現(xiàn)象。 基于以上理論本文建立了考慮拉壓模量不同理論樁-土-筏系統(tǒng)非線性共同作用的數(shù)值分析模型，并在MATLAB7.0環(huán)境下編制了大型計(jì)算程序DMTCPR。該程序基于混合法分析理論，顯著地降低了內(nèi)存的需

5、求量并節(jié)約了大量的計(jì)算時(shí)間，是實(shí)現(xiàn)精確性與高效性較好結(jié)合的選擇，使實(shí)際工程分析成為可能；程序可以考慮筏板和地基土間的接觸脫離及地基土的塑性變形。為了將拉壓模量不同理論本構(gòu)模型耦合到樁-土-筏系統(tǒng)非線性有限元分析中，本文利用非線性有限元計(jì)算程序MARC的接口，根據(jù)子程序HYPELA提供的輸入和輸出參數(shù)，采用FORTRAN語言編制了HYPELA子程序，實(shí)現(xiàn)了MARC的二次開發(fā)，為拉壓模量不同理論在MARC中實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。 本文研制

6、程序DMTCPR的分析結(jié)果與國內(nèi)外研究及工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比，計(jì)算結(jié)果吻合較好，說明了本文模型的合理性與程序編制的可靠性。本文通過算例分析，還深入研究了拉壓模量比變化對(duì)基礎(chǔ)平均沉降、差異沉降、樁土荷載分擔(dān)比、地基土反力分布、筏板內(nèi)力的影響，指出樁筏基礎(chǔ)分析時(shí)按照拉壓模量相同的Mindlin解直接計(jì)算，低估了基底土反力，從而不能正確地求得筏板的內(nèi)力。 采用本文程序DMTCPR對(duì)軟土地基區(qū)高層建筑、小高層建筑、多層建筑三類工程實(shí)例進(jìn)行

7、了分析，得出了地基土荷載分擔(dān)比范圍及筏板內(nèi)力變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了工程設(shè)計(jì)建議。對(duì)于二十層以上的高層建筑，地基土可以承擔(dān)的建筑物豎向荷載比例較小，一般小于10％，而且此時(shí)建筑物基礎(chǔ)底板厚度一般較大，因而在此類樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中通常可以忽略基底土反力的作用；對(duì)于八層以上至十多層的小高層建筑，樁筏基礎(chǔ)地基土承擔(dān)的荷載為15％左右，此時(shí)可通過減少樁數(shù)取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，另一方面因此類建筑一般采用軸線樁布置，基礎(chǔ)底板一般較薄，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮