浅论高层建筑与群桩基础非线性共同作用——复合桩基理论与应用研究

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1、同济大学博士学位论文高层建筑与群桩基础非线性共同作用——复合桩基理论与应用研究姓名：宰金珉申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：赵锡宏2000.7.1内容提要本文对于高层建筑与群桩非线性必同作用这一复杂课题从理论到实践进行系统深入的探讨，完成了复合桩基理论与应用研究。t主要内容如下：1．针对本课题的关键难点，首次将剪切位移法推广到塑性阶段，创立桩周土非线性模型一一广义剪切位移法，给出桩周近域非线性位移场的分段解析表达式。为简便地应用弹性模型模拟远场桩间土，首次提出点源问题近似积分的等积变换法，直接从明德林课题出发，建立半空间内任一深度上矩形域分布

2、荷载作用下，任一点处的应力、位移反应的近似显式解析解，可直接建立地基的柔度矩阵。另一方面，从扎列茨基关于第三类非饱和土固结与蠕变问题的基本解出发，经等积变换法，对土骨架具有指数型或阿贝尔型蠕变核函数的第三类非饱和土，首次导出表面矩形域竖向分布荷载作用下固结蠕变耦合沉降的解析表达式，可直接建立反映固结蠕变过程的地基柔度矩阵此外，建立并进一步完善层状横向各向同性弹性半空间的有限层元法，将三维问题化为一维问题，以模拟层状桩间土。以上工作为以半解析数值方法分析桩土非线性共同作用奠定了基础。2．将广义剪切位移法与有限层元法和有限元法相结合建立单桩与承台和土体相

3、互作用分析的半解析数值法I，分析单桩和带承台的单桩的非线性工作性状，与试验结果吻合良好，在积累地区经验后可部分代替单桩静载试验，为群桩非线性分析做出可靠的准备。3．进一步建立群桩与承台(包括上部结构)和土体共同作用的半解析数值法II，并与试验结果对比验证：特别是详细模拟低承台群桩在各桩荷载先后达到凡以后的整体表现，得到规律性的认识。深入分析加载至极限状态的低承台群桩模拟试验结果，并与数值模拟进行多工况的对比分析。结果表明，各桩荷载先后接近和达到P。后，承台底土才充分参加工作，承担后续加荷的主要部分，进入以土体承载为主要表现的正常使用极限状态，单桩的非

4、线性性状起着控制作用；进一步加载，直至产生过大沉降而逐步达到破坏，经历三种可能的整体承载力极限状态，其中g=rip。+fuA为第一种承载力极限状态，但Q-s曲线为渐进式破坏的缓降型。这种充分发挥桩与土体承载作用的复合桩基构成纯桩基与天然地基之间过渡型的基础形式。4．在数值模拟和试验结果分析的基础上对大间距低承台群桩，提出以分段线性的方式反映单桩的非线性性状，桩、土刚度矩阵不耦合，建立简化的复合桩基半解析数值方法ⅡI；针对多种工况，进行大量数值模拟，对结果的深入分析得到规律性的认识，为总结出新的设计方法奠定基础。5．突破单桩工作荷载不大于巴的传统限制，

5、并减少桩数，保证其接近或达到只，将剩余荷载明确交由桩间土承担，对整体承载力的第一种极限状态和正常使用极限状态(变形要求)进行双重控制，建立了按单桩极限承载力设计复合桩基的新方法。深入研究复合桩基沉降计算方法，得到能反映桩数、桩径、桩距、桩长等重要参数影响的简明实用计算方法，并为优化设计提供了条件。给出分别按强度条件和变形条件得到的最大建造层数的简明表达式。中外八个工程实例的对比分析验证了新设计方法的合理性、可靠性和先进性，表明可取得非常显著的经济效益。6．以极限承载力理论和土体绕桩滑动极限阻力理论为基础，首次得到承台底土体反映桩的遮拦作用的极限承载力

6、提高值的理论解，完善了复合桩基承台下土体的强度理论分析，并往!{^1，复合桩基承载力总体安全度提高8-10％，增加了重要的安全储备。7．提出人为调节基底土和桩基的支承刚度分布的方法，以调整桩土综合反力分布，达到减少差异沉降的目标，解决合理布桩的问题。通过试验结果和工程实例的分析验证这种方法的合理性、可行性。8．对特大桩距的复合桩基首次提出塑性支承桩——卸荷减沉桩的概念和应用原则。塑性支承桩是指在桩顶荷载P达到Pu之后，其支承荷载恒为P。，不参与新的荷载分配：其支承刚度具有自适应性和任意的可调性，抗变形能力取决于基底土。这就可能通过调节基底土反力来调整

7、变形，从而使局部和整体差异沉降减少到接近于零，使上部结构与基础都达到最优的工作状态。9．完全按照本文提出的设计方法与塑性支承桩的概念，设计施工了一个大柱距图书馆(地上9层，地下1层)的工程项目，同时进行了大型现场测试研究。结果表明基底土反力分布达到预计结果，呈边缘、角部较大，中心部较小的形式，总沉降尚不足20mm，最大倾斜差异沉降8ram，倾斜率O．22／1000，整体挠曲沉降差2ram，底板挠曲率0．03／1000，考虑到基底面积为37×50m2可认为差异沉降已接近于零。桩基工程比传统桩基设计节约投资63％。该工程实践的圆满成功客观全面地验证本文的

8、工作的合理性、先进性和广阔的应用前景。10．复合桩基设计理论的实质就是突破常规限制，令单桩工作于极限承载力条