控制差异沉降的复合桩基优化设计方法_乔志炜

第2卷 第5期 地下空间与工程学报Vol.2 2006年10月 Chinese Journal of U nderground Space and Engineering Oct.2006

文章编号:1673-0836(2006)05-0818-04

控制差异沉降的复合桩基优化设计方法*

乔志炜,宰金珉,黄广龙

(南京工业大学土木工程学院,南京 210009)

摘 要::目前以变形为控制条件的复合桩基设计理论是桩筏基础研究中的热点问题,而人为合理的调整地基土刚度和桩基支承刚度的方法是控制复合桩基差异沉降的有效手段之一。文章以复合桩基非线性设计理论为基础,从优化设计的角度出发,考虑上部结构、基础和地基的共同作用,讨论了设置变刚度垫层、改变桩长、桩径、桩距及布桩方式对基础差异沉降和内力的影响,并提出了复合桩基优化设计的发展方向。

关键词:复合桩基;差异沉降;共同作用;变刚度

中图分类号:TU473文献标识码:A

O ptimu m Design of Co mposite Pile Found ation

to C ontrol th e Differential S ettlement

QIAO Zh-i wei;ZAI Jin-min;HUANG Guang-long

(College of Civil Engineer ing,N anj ing Univer sity of Technology,N anj ing210009) Abstract:For composite pile foundation,the differential settlement control becomes more and more important now.And adjusting the rig idity of subsoil and the piles is one of the effective ways to make the settlement balanced.

Considering the interact ion of superstr ucture-pile foundation-ground,some problems of optimum desig n are discussed in this paper,showing how the stiffness change o f piles and the ex istence of cushion w ith variable stiffness influence the differ ential settlement.

Keywo rds:composite pile foundation;differ ential settlement;interaction;variable r igidity

1 引言

建筑物的沉降一般可分为平均沉降和差异沉降。在过去的基础设计中,人们一般仅考虑如何控制平均沉降而忽略了对差异沉降的控制。这在规范中也有所反映,如《建筑地基基础设计规范GB 50007-2002》和《建筑桩基技术规范JGJ94-94》。它们对平均沉降的控制是定量的,而对于差异沉降只是定性的控制。实际上,差异沉降是一个比平均沉降更为关键的控制因素。在上部结构荷载分布不均、土层分布差异较大时,差异沉降的控制显得尤为重要。过大的差异沉降不但容易造成建筑物的开裂和倾斜,严重的甚至危及建筑物的安全。另外,差异沉降还是导致基础内力和上部结构次应力增大、板厚与配筋增多的根源。充分发挥桩土的承载作用,克服差异沉降已成为高层建筑基础设计的优化目标。因此,如何采取措施使建筑物的差异沉降最小是当前桩筏基础设计中迫切需要解决的问题之一。

2 复合桩基差异沉降控制的概念

目前在高层建筑桩基础的设计中,普遍采用均匀等长、等直径布桩的方法,不少学者及工程设计人员对此提出了质疑,并进行了一系列比较深入的探讨和研究[1-4]。

宰金珉(1995)提出了桩-土荷载明确分担的整体承载力与沉降量双重控制下的复合桩基非线性设

*收稿日期:2006-03-15

作者简介:乔志炜(1981-),女,江苏南京人,硕士研究生,主要从事桩土共同作用方面的理论研究和工程应用。

计方法,并在他的专著《复合桩基理论与应用》一书中给出了工程应用的途径和实例。周正茂(1995)提出了 外疏内密 的布桩方式,削弱边角桩,使基础内力趋于均匀,较好地改善了基础和上部结构的受力状态。刘金砺(2000)提出了桩基变刚度调平优化设计的概念和方法,该方法主要通过增减桩长来调整桩土的刚度分布,在减小差异沉降、筏板内力与配筋方面取得了满意效果。张建辉等(2001)提出了基于差异沉降最小的桩筏基础的布桩分析,得出了布桩方式对差异沉降、筏板弯矩的影响十分显著的结论。

现场实测结果亦表明:按等刚度设计的桩基,尽管桩数不少,但基础的碟形沉降仍不可避免,特别是在框剪、框筒、筒中筒的结构中这一现象更为明显。最理想的分析方法是同时考虑地基土刚度和桩基支承刚度,在上部结构、基础和地基的共同作用分析过程中,通过设置变刚度垫层、改变桩的直径或适当调整桩的位置,使基底反力和桩顶反力的联合反力分布更加合理,从而有效的控制差异沉降,实现复合桩基的优化设计。

3 上部结构与基础和地基的共同作用分析

上部结构与基础和地基共同作用的基本方程如下:

[K B+K+K's]{U}={Q}+{S B}+[K's]{W'}(1)式中[K B]为上部结构边界刚度矩阵;[K]为基础结构刚度矩阵;[K's]为地基刚度矩阵的扩充式; {U}为位移向量;{Q}为基础结构的荷载向量; {S B}为上部结构的边界荷载向量;{W'}为附加变形的扩充式。

上部结构与基础和地基的共同作用是把上部结构、基础、地基三者作为一个整体考虑,并且三者之间必须同时满足静力平衡条件和变形协调条件。同时,它们在外荷载的作用下又相互制约,每一部分的刚度变化都对其他部分的工作性状产生影响。

(1)上部结构刚度的影响

在地基、基础和荷载条件不变的情况下,增加上部结构刚度虽然可以减小基础的内力和相对扰曲,但却是以增加自身次应力为代价;且由于受到使用功能的约束,上部结构的刚度贡献也是有限的。

(2)基础刚度的影响

在上部结构刚度与地基条件不变的情况下,基础内力随其刚度增大而增大,相对扰曲则随之减小;相反,上部结构中的次应力却随基础刚度的减小而明显增大。因为基础的差异沉降增加,必然在上部结构中引起更大的次应力。可见,若从减少基础内力出发,宜减小基础刚度;若就减少上部结构次应力而言,宜增加基础刚度。因此,选择基础方案时还需考虑结构类型。

(3)地基刚度的影响

地基刚度减小,基础的内力和相对扰曲随之增加;相反,地基刚度增加至相当大的程度时,上部结构刚度对基础内力已没有什么影响。因为此时的平均沉降和差异沉降均已很小,不需要上部结构来帮助减少差异沉降,当然上部结构的次应力也可以忽略[5]。

通过(1)式的共同作用分析可知,上部结构、基础和地基的刚度分布直接影响基础的沉降分布情况。因此,对上部结构、基础和地基的刚度分布进行调整,有可能使基础的差异沉降减至最小。

4 控制差异沉降为目标的复合桩基优化设计

根据上述共同作用分析,控制差异沉降的途径有以下三种:

(1)加强上部结构刚度,即(1)式中的[K B]。但由于受到使用功能的约束,该方法很难实现;

(2)调整地基的刚度,即(1)式中的[K's],最简单的方法就是在基底下设置变刚度垫层[6];

(3)调整基础的刚度,即(1)式中的[K],可以通过增加筏板厚度或调整桩基支承刚度来实现。增加筏板的厚度可使荷载向筏板的边缘转移,迫使基础沉降趋于均匀。但筏板厚度过大会导致基础造价大幅提高,因此增加筏板的厚度并不是减小差异沉降的理想方法。而调整桩基支承刚度的方法主要通过改变布桩方式,增减桩长、桩径和桩距使桩顶反力合理分布,呈现边缘处较大、中间略小的分布情况,这一方法可有效的控制差异沉降。

下文主要讨论调整地基土刚度和桩基支承刚度这两种方法,以寻求复合桩基优化设计的途径。

4.1 地基土刚度分布的人为调整

近年来,在桩基的设计研究及施工中,承台下土的固结是导致基础的总沉降和差异沉降较大的原因。过大的沉降变形必然导致基础内应力的增大,特别是在软土地基中该问题更加突出。解决这一问题的有效方法就是在基础下设置不同材料的垫层,调动基底反力重新分布,以达到减少基础内力和差异沉降的目的。

文献[7]通过实验得出:当基底下不设置垫层或全范围内设置垫层时,基底反力分布边缘大内部

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