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1、摘要摘要桩筏基础具有整体性好、承载力高、调节不均匀沉降能力强等优点，被广泛应用于高 层建筑基础工程中。桩筏基础的分析设计方法研究一直是岩土工程中的研究热点，其中筏 板厚度的确定更是桩筏基础设计中的关键问题，目前设计院的设计人员在确定桩筏基础筏 板厚度时基本采用经验法，有一定的局限性，并且经济性不佳。本文针对此现象，对桩筏 基础筏板厚度的确定进行了研究。回顾了国内外关于桩筏基础中的应力计算，桩筏共同作用以及筏板的分析等方面的研 究现状，介绍了浙江大学自行研制开发的桩筏基础分析设计软件P OGAP的编制原理及基 础理论。接着借助桩筏基础分析设计软件对杭州某工程的基础进行分析计算，考察长板厚 度对基
2、础沉降、桩顶反力与筏板内力的影响，并对筏板厚度进行了优化分析。最后着重介 绍并评估了目前国内计算桩筏基础筏板厚度的几种方法，在此基础上提出了一套基于桩筏 相对刚度的筏板厚度确定方法，并引用三个工程实例对该方法进行验证，发现该筏板厚度 计算方法基本可以应用于工程实践。关键词：桩筏基础：筏板厚度；优化分析；桩筏相对刚度II摘要AbstractP iled-raft foundation is widely used in high-rise buildings due its good integrity,high bearing capacity and the ability of contr
3、olling differential settlement.Study of analysis method for piled-raft foundation has always been very important in geotechnical engineering,and the determination of raft thickness is the most crucial problem in the design of piled-raft foundation.Up to now,empirical approach is most frequently used
4、 in designing institute.However,it has some limitation and poor economy.Because of this,research on determination of raft thickness in piled-raft foundation is carried out.In this paper,research status both at home and abroad is firstly reviewed about the vertical stress and settlement of foundation
5、,pile-raft interaction and raft analysis.The design principal of software P OGAP produced by Zhejiang University is introduced.Using P OGAR the piled-raft foundation of a practical project in Hangzhou is analyzed,the effect of raft thickness on foundation settlement,pile reaction,and raft internal f
6、orce is investigated,and optimal analysis on raft thickness is carried out.In the end,three kinds of methods of calculating raft thickness in China is introduced and evaluated,based on which a new method of determining raft thickness is proposed.Three practical projects is quoted to verified the new
7、 method,proving that the method is able to be applied to practical engineering.Keywords:piled-raft foundation;raft thickness;optimal analysis;relative rigidity of pile and raft.Ill致谢致谢本文是在陈仁朋老师的指导下完成的，从论文的选题至定稿，陈老师都倾注了大量 的心血，陈老师学问渊博，为人正直，治学严谨,无论其对待学术还是工程的态度，都是 学生学习的楷模，陈老师的严格要求，将使我终生受益，而且，生活上，陈老师给了我们
8、 很大关心与帮助，让我逐渐独立，众多的实践经验，为我走向社会奠定了基础，值此论文 完成之际，谨向陈老师致以最崇高的敬意.本文能够厥利完成，还得益于师弟王作洲和同学魏鉴栋的大力雷助，在此，向他们表 达最真诚的感谢.感谢2006级土木工程硕士班全体同学，团结的集体，和睦的气氛是我们能够安心学 习、愉悦生活的保障.特别感谢我的父母，岳父、岳母和妻子是他们一直支持着我，虽然家里有两个小孩，却从来没有给我压力，让我安心的学习.最后，感谢评阅我的论文的各位专家、教授，感谢你们在百忙之中对我论文的指导.结论第一章绪论1.1 研究背景世界经济的快速增K以及我国改革J T放取得的巨大成就极大地促进了高层 建筑和
9、大型工业建筑的兴起和发展，主要集中在沿海经济发达地区，这些地区的 地质普遍具有地基土体软弱、厚度深的特点，同时建筑物分布密集，周边环境复 杂，上部结构荷载高、分布不均匀，对基础的要求严格。桩筏基础具有整体性好、竖向承载力高、基础沉降小、调节不均匀沉降能 力强的优点，同时可以承受风荷载或者地震荷载引起的巨大水平力，抗倾覆能 力强，一直以来是软土地区高层建筑的一种主要基础型式。随着经济的发展，城市用地的紧缺，高层建筑建造得越来越高，体型越来越趋于复杂，功能要求 多样，许多建筑建造在十分软弱的地基之上，与之相适应的是桩筏基础也发生 了变化，给分析设计提出了许多新的要求。总结起来有以下几点：（-）桩筏
10、基础竖向和水平向承载力分析高层建筑的重量随着层数的增 加而增加，其基础竖向荷载大而集中。与此同时，风荷载和地震荷载作用引起 的倾覆力矩成倍增长。因此高层建筑要求其地基和基础结构必须能承受较大的 竖向和水平向荷载，以确保建筑物在风荷载和地震荷载作用下具有足够的稳定 性；（二）高层建筑大底盘桩筏基础分析以往在高层建筑的主楼和辅助建筑 之间往往设置沉降缝，单独设置桩筏基础，满足主楼和辅助建筑单独沉降的要 求，避免基础和结构出现裂缝等情况。沉降缝的设置不仅会使结构造价增加，而且影响建筑物的功能。现代化的商贸中心、金融中心、旅游宾馆以及一些高 层公寓往往不是孤立的一幢高层建筑，而是与一些裙房、辅助建筑甚
11、至是几幢 不同高度的高层建筑组成的一个建筑群。由于建筑功能的需要和为了充分利用 地下空间，常常要求将这种建筑群建在一个“大底投”基础上。在软土地区，这种大底盘基础部分是桩箱基础，更多的是桩筏基础。由于大底盘基础上高层 建筑主楼和辅助建筑的高度相差很大，造成荷载的差异也很大。各种建筑的结 构形式都不同，对基础的要求也不同，基础结构的刚度很不均匀。建造在深厚 软弱地基上的建筑物，由于基础的沉降大，主楼和辅楼不均匀沉降成为设计需 结论要考虑的一个重要问题。对于这种基础，需要对主楼和辅助建筑的沉降和不均 匀沉降控制、桩基反力分布确定、基础内力计算、主楼辅楼连接的局部应力分 析及设计构造等进行深入的研究
12、，不断积累工程经验；图1.1上海世博500KV地下变电站（挖深34m）（三）异形基础的计算：异形平面形状的桩筏基础，如果上部结构刚度比较 大，地基比较均匀，根据规范规定，可按局部弯曲计算，否则应计算整体弯曲应 力。而整体弯曲应力的计算方法在规范中没有做出明确的规定，计算比较困难。随着我国现代化建设的发展，国内外的交流日益增多，中外文化互相渗透，建筑 师的思想更加开放和活跃，高层建筑的平面设计更加丰富新奇，与之相适应的桩 筏基础平面形状趋于复杂。同时也给桩筏基础设计带来了更大困难。因此异形平 面形状桩筏基础的沉降、不均匀沉降，桩反力，筏板的内力分析是亟待解决的问 题；（四）桩一厚筏的分析：对于桩
13、筏基础底板的设计计算，一贯遵循的是薄板 理论。随着建筑层数的不断增加，底板也不断变厚，对这些重要建筑物或者构筑 物底板的分析是设计中十分重要的环节，采用薄板理论分析会带来较大误差，不 能满足工程安全和经济需要。因此采用厚板理论分析显得尤为必要，研究厚板的 工作性状、应力和应变等，为设计提供准确数据；（五）变厚度桩筏基础分析:变厚度的桩筏基础在实际工程中应用相当广泛。高层建筑中，上部结构的荷载和结构体系往往差异较大，对基础的刚度和沉降有 不同的要求，为了节约造价，往往裙楼的筏板比较薄，主楼的筏板比较厚，形成 变厚度的筏板。另外在一些工程中，梁板式筏板应用较多，柱网用地梁连接成网 格状整体，降低柱
14、网中间筏板的厚度，以节约造价。软弱地基上建造的大型油罐 2结论和烟囱等构筑物，在受力集中的筏板边缘的厚度往往大于筏板中间的厚度，在避 免大幅降低筏板的整体刚度的基础上，节约工程造价。如果按薄板理论分析，由 于理论所限，不能正确反应板的实际变厚度情况，往往得不到正确的结果；（六）地基摩擦力和桩的水平承载力：在风荷载或者地震荷载作用下，桩筏基础承担了很大的水平向荷载。在分析上部结构的水平变形时，往往假 定基础固定，忽略基础的水平变形。基础的水平承载力由地下室侧壁的土压 力、桩的水平承载力和筏板下的地基摩擦力提供。考虑桩筏相互作用时，不 能仅仅只考虑竖向的相互作用，同时应该考虑水平向的相互作用，及其
15、对基 础内力的影响。即使没有风荷载或者地震荷载的作用，地基的摩擦力和桩的 水平承载力对筏板的内力还是会产生一定的影响。摩擦力和桩的水平反力对 筏板的中性轴产生的弯矩总是和筏板的整体弯矩方向相反，降低了基础的内 力和变形。以上所总结的都是目前软土地区桩筏基础分析和设计中一些需要进一 步研究的问题。面对这些问题以及桩筏基础应用越来越广的情况下，亟需一 种既能很好的解决以上这些问题又能方便计算的桩筏基础分析设计方法以及 相配套的计算软件。众所周知，在桩筏基础的设计当中，筏板厚度的确定至关重要。目前设 计院中设计人员基本都是根据工程经验粗略的确定筏板厚度，这样的做法具 有一定的局限性，没有很好的考虑筏
16、板厚度对基础沉降、桩顶反力等的影响，同时往往无法很好的考虑经济性。除此之外，筏板厚度的确定还可借助有限 元方法等较为繁琐但考虑全面的计算方法，此类方法确定的筏板厚度基木适 用于工程，并且不会造成太大的浪费，但在实际工程中，很难有时间去做到 如此精细而复杂的计算。针对上述情况，工程中亟需一种能同时很好的考虑 合理性与经济性的筏板厚度简化计算方法。1.2 桩筏基础分析设计方法研究现状121桩筏基础中群班一士相互作用研究群桩与土的共同作用分析一般有三条分析途径：第一条途径是半经验的 等代实体墩基法，土中附加应力的计算可采用Boussinesq解，也可采用Mindlin 解；第二条途径是基于单桩与土的
17、共同作用分析的基础上，以弹性理论的应 3结论力叠加原理，把在弹性介质中两根桩的分析结果，通过引入一个“相互作用系 数”，而扩展到一组群桩中去;第三条途径是采用变分方法或数值方法整体分析 群桩与土的相互作用。宰金J R.、刘金砺3,4)等认为群桩基础的沉降就其发生 的部位可划分为桩间土的压缩变形和桩端平面以下地基土的整体压缩变形。宰金氓重新整理了佟世祥的在粉质粘土内摩擦群桩模型试验结果，发现在通 常桩距(Sa=37d)条件下，桩数n的增加使地基的主要压缩区段逐渐下移。对较 小的群桩(n9)则主要为桩端下土层的压缩量，荷载水平提高上述特征也基本不变。戴冠民 认为浙沪软土地区的重要建筑物和工业设备基
18、础桩基沉降可以由桩间土压缩 变形和桩端土的整体压缩变形之和表示，也可以用桩身弹性压缩、桩端贯入 变形、桩端土的整体压缩变形之和表示，无论哪种表示方式，均以桩端土的 整体压缩为主。杨敏阳在分析极限荷载下群桩沉降时发现，桩间上沉降和桩端 沉降的比值随着桩数的增加而减小。洪毓康等团对一个短桩基础建筑物的沉降 观测表明，虽然短桩基础的沉降量较大，但是施工结束后两年多来，地基反 力变化不大，且群桩桩侧摩阻力发挥较小，由此判断短桩基础的沉降主要是 由桩尖下的软弱下卧层的压缩变形引起，桩的刺入变形量很小。董建国和赵锡宏等提出了根据柱筏基础受力机理和外荷载的大小，采用 不同的沉降计算模式，称之为简易理论法口卬
19、支当外荷载P小于等于群桩外侧 总抗剪力T时，桩和土共同形成复合地基。桩长范围内的土体压缩量以桩本身 的压缩量代替，桩基沉降由桩身压缩和桩端下土的压缩量组成。压缩层深度 取为桩端下一倍的承台宽度。当外荷载P大于群桩外侧总抗剪力T时，桩群长 度范围内的桩间土和桩群周围土的整体性受到破坏，采用等代实体深基础计 算模式。桩基沉降由桩端下土的整体压缩组成，桩端平面为实体基础底面，附加应力取为外荷载和桩间土在内的群桩实体的重量之和减去总抗剪力在桩 端平面产生的应力。应力随深度分布仍按照Boussinesq解确定。常规设计，当 桩长大于50 m时，一般总是抗剪力远远大于外荷载，采用第一种模式计算。P oub
20、s【川基于弹性理论,通过大量的计算机运算,提供了许多参数曲线和表格，这些图表使得在工程设计中应用弹性理论分析桩基沉降及其它性状成为一种 得以实施的较完整的体系，受到各国学者的重视。Randolph and Wroth(1979)1,21 绪论和Chow(l987a)l”l提出了荷载传递曲线法，Chow(1987)口】则提出混合解法，单桩采用荷载传递法，桩间相互作用应用Mindlin解计算。杨敏四等从弹性理 论出发，并考虑桩筏基础的实测结果推导了半经验半理论的沉降计算方法，但是计算参数包括弹性模量、泊松比、沉降修正系数、沉桩影响范围等，较 难确定，很大程度上依赖于地区经验。许多学者对群桩基础的应
21、力进行了研究。韩杰和叶书麟用有限元分析 了复合地基的应力特性，研究了桩土分担比和桩体的应力集中现象。张雁和 黄强回用有限元分析了半刚性复合地基的应力和沉降规律，发现地基从无桩 到有桩、枇体强度从低到高、桩数从少到多，地基中的垂直应力扩散范围、扩散深度逐渐增加。桩群具有应力集中和应力扩散的双重作用，应力集中指 的是桩基础的高应力主要分布在班周小范围和桩端以下土体中，和浅基础相 比，水平向附加应力扩散范围小了许多；应力扩散指的是桩基础将桩上大部 分荷载往深层土体传递，造成了桩端的高应力。韩靖和李宁曾采用有限元 的数值模拟功能研究了柔性到刚性群桩的荷载传递规律，同时考虑了桩土接 触面服从Mohr-C
22、oulomb屈服准则。黄绍铭等按照Geddes公式对群桩(7x7,37x37)和单桩的地基应力进行了计算口9网,表明群桩应力的影响深度大大超过 单桩，桩群的平面尺寸越大，桩数越多影响深度亦越深，而且应力随着深度 收敛得越慢；桩群的影响宽度大大超过单桩，桩数越多，影响宽度越大，群 桩对水平向的应力具有集中作用;受应力叠加的影响，群桩桩端平面的竖向应 力比单桩明显增加，因此群桩中每根桩的单位端阻也比单桩大。由于侧摩阻 力的削弱作用，使得群桩中端阻力占桩顶总荷载比例大于单桩。桩越短，这 种情况越明显。对群桩而言，总荷载通过桩将其相当大的部分直接传到了桩 端平面。楼晓明明等采用弹性理论的方法计算了下卧
23、层附加应数，并认为按 照下卧层实际附加应力计算沉降和实测资料相符，实体墩基法算沉降偏大。杨敏也分析了减少沉降桩基础中的附加应力分布，同样发现随桩数的增加,桩端应力逐渐增加。近年来，群桩与土的共同作用分析出现了一新的分析方 法，如Shen el al.应用变分法分析群班问题，土的模型分别采用荷载传递曲 线模型或弹性半空间模型。考虑地基十中水的存在，上海交大王建华等Q000)|24)采用积分方程法单桩 5结论分析扩展到群桩分析，研究了饱和软土中群桩的固结与流变特性，假定土粘 弹性，认为流变的影响起显著作用，并考虑了刚性和柔性承台两种特殊情况 得到桩的沉降、轴力和桩侧剪应力随时间变化的规律。但该方法
24、只能用于求 解数较少的情况。P oulos and Davis(1980)附研究了周围土体沉降对端承群桩 影响，将士的固结变形按太沙基一维固结理论计算，然后根据桩土位移变形 协调或滑移进行弹性与弹塑性分析。在此基础上，Chow等回研究了周围体固 结对摩擦群桩产生的负摩擦力。1.2.2桩筏基础中班土筏相互作用研究基岩图1.2桩土筏共同作用示意图桩一土一筏一上部结构共同作用研究开始于上世纪50年代，科学工作者在 大量的理论分析、模型试验、现场测试的基础上，提出了许多分析和设计方法。MeyerhofU953)R7l提出估算框架结构等效刚度的公式以考虑共同作用，尔后,Chemecki(1956)【2M
25、研究单独基础上多层多跨框架结构的共同作用，60年代，Sommer(1965)回提出了一个考虑上部结构刚度计算基础沉降、接触应力和弯矩 的方法。随着有限元和计算机的发展，申凯维茨和张佑启阿应用有限元研究地 基基础的共同作用，Ottaviani(1975)阳)分别对33和5、3的群班共同作用进行了 三维线弹性有限元分析，分析中不考虑自重应力场。工S.P rzemieniecki(1968)1321 提出子结构的分析方法，进入80年代以后，共同工作的理论得到了越来越多科 技工作者的重视。Haddadin(1971)网首次利用子结构的分析方法研究了地基基础 6结论与上部结构共同作用，第十、十一届国际土
26、力学及基础工程会议(1981,1985)和 第三、四、五届国际土质力学的数值方法会议(1979.1982,1985)均设立了一个“土 与结构共同作用”组进行讨论。80年代后期到90年代，共同工作理论向实用化 的方向发展，先后建成了英国议会大楼，德国法兰克福展览大楼等具有代表性的 应用共同工作理论进行设计的工程。与此同时，基于桩筏共同工作机理的优化设 计方法也开始出现。国外关于桩筏基础共同工作的研究主要集中在理论分析和模型实验上，但上 部结构的多变性、地基土质的复杂性，使得理论分析和模型难真实反映结构的实 际受力特性，必须进行现场的原位测试，通过对实测结果的分析研究来提示桩筏 基础共同工作的机理
27、。我国对于桩筏基础共同.L作理论的研究始于50年代末期，经过近四十年的 研究和探索，在深度和广度方面都有非常大的进展，而且在原型试验研究等方面 超过了国外。我国的研究工作主要是从试验研究入手的，不仅进行了室内外的模 型试验，而且还进行了大规模的大型现场实测。197小1977年间，同济大学张问 清教授和赵锡宏教倒】授领导的课题组先后对上海康乐路12层住宅、上海华盛路 12-13层住宅、上海市胸科医院外科大楼和上海市四栋高层建筑(软土地基)进行 了基坑回弹、沉降、基础内力及基底反力等内容的测试测试研究；1980/990年,中国建筑科学研究院何颐华闾领导的课题组和同济大学赵锡宏教授领导的课题 组分别
28、对北京和上海地区的多栋高层建筑进行了砂土地基和软土地基的现场原 位测试，取得了一系列宝贵的实测资料。1981年在上海同济大学召开“高层建筑 与地基共同作用学术交流会”，上海同济大学张问清课题组M提出扩大子结构法 计算高层结构刚度，北京张国霞课题组UK,建科院何颐华课题组国j,北京工业 大学于政课题组网相继对高层建筑与地基基础共同作用作了理论和实践的研 究。1985年董建国等对共同作用原理在高层建筑地基基础中的应用作了首次尝 试，赵锡宏等著的上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论反映了当时国 内该课题的研究水平，董建国等四对共同作用在设计上的应用提出了建议，并 提出了桩基沉降计算的简易理论法，杨敏阿
29、对上部结构与桩筏基础共同作用作 了深入的理论和试验研究，宰金俄网提出考虑桩周土弹塑性的广义剪切位移法，7结论刘金砺等分析了桩土变形模型进行变刚度调平设计。黄绍铭、裴捷等的减少 沉降桩的研究与其在多层建筑中的应用以及疏桩工程的设计均是共同作用理论 在基础设计中的应用。郑刚对多高层建筑广义桩土相互作用理论与设计方法 进行了研究。陈云敏等阿从工程设计的需要出发，考虑任意形状的筏板基础，研究开发了桩筏共同作用的分析软件，陈仁朋M将筏板下平均附加应力乘以桩 端荷载传递系数得到桩端下的附加应力,然后按Boussinesq解计算下卧层的附加 应力。1.3 桩筏基础筏板厚度确定方法研究现状总体来说，目前确定桩
30、筏基础筏板厚度的方法大致可以分为两类，即经验法 与理论计算法，(1)经验法筏基板厚可先用经验进行估算，但不可小于规范规定的值。估算板厚的方法 根据每个结构设计人员的经验不同，板厚也随建筑层数、荷载大小和筏板单元的 宽度变化，变化范围也较大，一般在0.3时3m。无论估算板厚有多少，都要将 估算的厚度代入规范中的公式验算冲切应力，如果不能满足冲切承载条件，则通 过增大板厚保证承载力。其中的冲切验算主要依据于高层建筑箱形与筏形基础 技术规范J GJ 3-2002、建筑桩基技术规范J GJ 94-94。(2)理论计算法通过查阅文献，发现确定桩筏基础筏板厚度的理论计算方法大体可以分为基 于筏板弯矩的计算
31、方法与基于桩筏相对刚度的公式法，对这两类方法的介绍及评 估具体见本文第四章。1.4 本文的主要工作目前设计院的设计人员在确定桩筏基础的筏板厚度时基本采用经验法，具有 一定的局限性，并且经济性不佳，本文主要针对此现象，对桩筏基础筏板厚度方 法的确定进行了研究。论文各章的研究内容主要分为：第一章是绪论部分，首先介绍了本文的研究背景，包括桩筏基础的特点，桩 筏基础分析设计中需要考虑的重点问题以及班筏基础征板厚度确定问题的提出。第二部分介绍了桩筏基础分析设计方法以及桩筏基础筏板厚度确定方法的研究 8结论现状;第二章介绍了深厚软基桩筏基础分析设计软件P OGAP的编制原理及计算方 法，主要包括软件的计算
32、理论部分和软件的技术支持等；第三章用P OGAP对杭州桐庐安置小区工程的桩筏基础进行了分析计算，重 点考察基础沉降、桩顶反力和筏板内力的情况,之后对筏板厚度进行了优化分析,着重分析筏板厚度对基础沉降、桩顶反力以及筏板内力的影响；第四章着重介绍了国内目前用的比较多的几种筏板厚度确定方法,并对每一 种方法进行了评估，最后在此基础上提出了一套新的基于桩筏相对刚度的筏板厚 度确定方法，并借助三个具体的工程实例对本文筏板厚度计算方法进行验证；第五章是结论与展望部分。9林筏基础分析设计方法及配套软件介绍第二章桩筏基础分析设计方法及配套软件介绍2.1 引言本章将详细介绍浙江大学桩筏基础设计分析软件的计算理论
33、、原理，荷载组 合以及软件设计特点均。2.2 计算理论与原理本节将介绍桩筏基础分析设计软件对基础内力和沉降分析原理和方法，以及 采用的一些计算公式。用浙江大学岩土工程研究所提出的简化桩土共同作用分析 方法分析桩筏基础沉降和内力的关键步骤有三个：第一、确定桩端位置下卧层的 沉降;第二、根据下卧层的沉降和单桩的P-S曲线获得群桩中单桩的P-S曲线;第三、基础的有限元分析。2.2.1 下卧层沉降计算桩筏基础桩端下卧层沉降采用等代实体墩基按分层总和法计算，计算包括下 卧层附加应力计算、沉降经验系数计算和总沉降的确定。（1）下卧层附加应力计算根据建筑桩基技术规范（J GJ 94-94）规定，对于桩中心距
34、小于或者等于 6倍桩径的桩基，其下卧层沉降的计算可以采用等效作用分层总和法。等效作用 面位于桩端平面，作用面积为承台或者基础板投影面积，等效作用附加应力近似 等于承台或者基础板底平均附加应力。下卧层附加应力计算采用3。邓加es夕解，条形荷载、矩形荷载、圆形荷载等面线荷载采用8。.由小夕解积分得到。具体计 算如下式；3P z3cr.=-r（2-1）-lit R5式中：下卧层附加应力；P作用在原点的竖向力；R计算点至原点的距离，R=G+/+z2；x、y、z计算点的坐标。10林筏基础分析设计方法及配套软件介绍(2)沉降经验系数确定由于桩位的复柒性和基础板的多样性，按分层总和法计算得到的下卧层沉降 要
35、进行修正。桩基内任意点的最终沉降按下式计算：S=WW，S(2.2)式中：S桩基的最终沉降；S 按分层总和法计算出的桩基沉降量：吠桩基沉降计算的经验系数；九一桩基等效沉降系数。其中W的确定可采用两种方法：A、若当地有可靠的经验时，根据经验值确定。B、若当地无可靠的经验时，按规范第5.4.10条确定如下：非软土地区和软土地区桃端有良好持力层时勿取1；软土地区且桩端无良好持力层时，当桩长/25m时，3取(5.9/-20)/(7/-100)o桩基等效沉降系数也可按下式简化计算：nb=vBJLc(2-4)式中：一矩形布桩时短边布桩数。当小计算值小于1时，取以等于1。C,G,G根据群桩不同距径比(桩中心距
36、与桩径之比)SJd,长径比/Id及基础长宽度比旦确定。2.2.2 群桩中的单桩P-S曲线群桩中单桩刚度分析是桩筏基础沉降分析的关键性步骤。群桩中单桩刚度分 析的关键问题是如何考虑下卧层变形对单桩刚度的影响。本软件采用刚度修正法 分析单桩刚度。为说明方便起见，定义如下符号:II桩筏其础分析设计方法及配套软件介绍P作用在基础板上的总荷载：pt第t根桩的桩顶反力；S.第k根桩桩顶沉降；S；第k根柱桩端沉降（下卧层沉降）;工第2根桩桩身压缩量；K群桩中第2根桩的单桩刚度：n总桩数。1口_ _ Skpit丁勇图2.1单桩变形示意图群桩中第4根桩的刚度&可以定义为：Kk=（2-5）Sk群桩中单桩的沉降表示
37、为既=S；+4（如图2.1所示），由于单桩沉降主要 由枇身压缩引起，A可以近似地根据单桩的P-S曲线得到，即当P已知时，由单 桩的P-S曲线可求出怎（与）。但要注意的是，S；不是由A唯一确定的，而是 由群桩中各桩引起的。实测及计算结果表明，绝大部分桥的桩顶反力均在平均桩 桩反力户二二附近，因此在计算桩的刚度（时不妨假定：nP _把上式代入K&公式可得：Pk=-=P（2-6）n12林径基础分析设计方法及配食软件介绍PinKl5(p)+a/P/)(2-7)2.2.3 基础的有限元分析本软件采用16节点实体退化等参元对任意形状变厚度板进行分析，该单元 考虑了板的横向剪切效应，是厚薄板通用的等参单元。
38、假设基础板对地基的作用 是连续的分布荷载，数值分析时没有引入其它任何简化假定，能更真实地描述实 际情况，实体退化等参元可以准确地考虑地基的水平刚度。(1)16节点退化实体等单元16节点40自由度的退化板壳单元能够细致地描述板的三维几何形状，见图2.2在三维实体等参元中，单元中任意点的坐标按下式插值得到:(2-8)式中，M为插值形函数，n为等参元节点数。单元中任意点的位移可以类似地由节点位移表示为：4=1wj Wk山位移-应变关系，单元中任意一点的应变为:(2-9)空团A=l(2-10)桩筏从础分析设il方法及限登软件介绍上式中，=卜.34八门，四是单元应变f 移关系矩 阵，WM 用他 由于伏一
39、般为常系数矩阵，可以提到积分外边。式(2-30)组集后得(2-31)式。(2)弹性地基模型文克尔模型假设仅受荷区域发生沉降，这与土介质的连续性态是不一致的。弹性半空间模型起源于经典的连续介质力学的成果，应用于土与结构的相互作 用。介质土的性质由地基土的变形模量瓦和泊桑比巴表示。均匀各向同性弹性 空间表面作用集中力时，表面任意点的位移解为：=叫p(2-32)式中，为3x3的方阵，各元素为：:I2nG,R二川号 一 gN17桩筏从础分析设计力法及配费软件介绍八(f)x13 4 呜 R2(2-35)21 2兀G,炉(2-36)“-1 4一次(2-37)22 2nGs W二(1-2从)y25 4 9
40、R2(2-38)鱼辿三4g R2(2-39)口 _d,)y32 4nGs R2(2-40)3W 2nG,R(2-41)式中，R,x,y分别为荷载作用点到位移计算点位置矢量的模和坐标分量。把地 基看成是弹性半空间，则在接触分布力的作用下，地基表面任意节点（七,）处的 位移可以表示为：闻=应向（2少）式中，4为一3x3的柔度矩阵，由下式确定：同=阿=几小龄。（2-43）式中，e为围绕节点/的单元，Q为单元e所占的平面区域，为/节点在单元e中 的序号。遍历地基表面所有节点，并组集可得：司=可0（2-44）式中，为地基表面上所有节点位移矢量为地基表面上节点接触分布力强度矢量，对（2-44）式求逆得q,
41、代入（2-28）式可得:k=同1（2-45）18班筏基础分析设il力法及配套软件介绍(3)对称而处理类似于一般的有限元分析,基础板有限元分析耗时最多的步骤是线性方程组(2-25)的求解，特别是当线性方程组的系数矩阵为满阵的时候。许多工程基础 板往往存在一个或两个对称平面，充分利用对称性可大幅度地减少计算量。对于Winkler地基，对称面的处理和一般有限元法相同，只需在式(2-25)中 引入对称约束条件即可。对于弹性地基，式(2-25)需要做适当的修正，确保积 分核中包含对称分布荷载的作用。应当注意的是,引入对称分布荷载作用后,柔度矩阵引为一奇异矩阵，(2-26)式不可以直接求逆，需要经过处理。
42、2.3软件技术231软件组成模块与功能本软件主要结构是三个有机模块，它们分别为前处理、有限元分析和后处理。三大模块在软件中被有机地结合再一起，整个软件的分析流程如下：前处理模块包含两个部分：模型建立和网格自动剖分。模型建立程序是用VC+语言编写的，而网格剖分部分是用C语言编写。前处理模块的主要功能是：一、建立桩筏基础模型，包括筏板、基桩、土层、荷载、相邻基础等；二、将筏板模型离散为有限单元模型；三、根据筏板荷载和相邻基础的影响分析桩端沉降；四、根据一定的荷载组合方式，把桩传递的荷载和其它集中荷载转化为等 效节点荷载，根据桩端沉降和单桩P S曲线确定群桩中单桩刚度；五、生成有限元分析需要的数据格
43、式。软件的有限元分析模块是一个通用的有限元分析程序，有很强的功能，在本 软件中主要是负责对筏板进行内力和变形分析。软件的后处理模块主要是对有限兀分析的结构进行必要的统计，如获得桩的19桩征凡础分析设计方法及配套软件介绍反力，筏板的最值沉降，最值内力等，并可以显示结构的变形图、效果图，各种 云彩图和各种等高线图。2.3.2软件的开发环境桩筏基础分析软件P OGAP是在P IH系列微机上开发的，其内存和扩展内存 为64MB、主频550MHz,硬盘容量12GB。桩筏基础分析软件将结构化编程和面向对象的编程技术相结合，实现了多 种语言混合编程的模块化设计思想。整个分析软件分成三大模块：主控模块、网 格
44、自动剖分模块、有限元分析模块。其中主控模块采用VC+语言编写，在V6.0 编译环境下编译成可执行文件。主控模块的功能是完成所有输入、输出用户界 面，其三维图形技术采用目前流行OpenGL图形库。网格自动剖分模块采用VC+语言编写，有限元分析模块用Fortran语言按Fortran 90标准编写，用Visual Fortran 6.0编译器编译连接。软件充分利用了C语言编写界面简单方便，色彩丰富的优 点，又发挥了Fortran语言计算速度快，计算精度高的优点。桩筏基础分析软件可在Windows 95或Windows 98操作平台上运行,其开发运 行环境如图2.3示。图2.3开发运行环境20I.程
45、实例计算及镀板度优化分析第三章工程实例计算及筏板厚度优化分析3.1 概述第二章重点介绍了深厚软基桩筏基础分析设计软件 P OGAP的编制原理及功 能特点，本章运用P OGAP对杭州地区的一个工程桐庐滨江安置小区工程桩 筏基础进行分析计算，得到基础沉降、筏板内力及桩顶反力的分布情况。在此基 础上改变筏板厚度进行分析，研究了板厚对基础沉降、桩顶反力及筏板内力的影 响，为桩筏基础最优筏板厚度的取值提供了依据。3.2 工程概况桐庐滨江安置小区工程位于桐庐县城滨江区块，总建筑面积为190891 m20 由桐庐滨江建设有限公司投资，浙江省工程咨询有限公司代建，汉嘉设计集团股 份有限公司设计，浙江建银项目管
46、理咨询有限公司监理，中天建设集团有限公司 施工总承包，勘察单位为浙江省化工工程地质勘察院。该建筑工程高层有地下室 一层，主楼地上26层，地下室埋深约5.0 m,多层建筑6+1层，为半地下室，高 层采用框架一剪力墙结构，单柱最大轴力13000 kN；多层为框架结构，单柱最 大轴力3000 kN。实测地下水稳定水位埋深范围为5.4 m7.4 m,水位高程为6.7 m8.72m,地下水位主要为第（2）层砂质粉土中的孔隙水，其第（3）层卵石为 主要含水层。本工程采用钻（冲）孔灌注桩，直径为800 mm,桩身混凝土等级为C25,单桩竖向抗压承载力特征值为2200 kN,桩底采用注浆处理以提高桩端承载力。
47、以3层卵石层为持力层（穿越3-1淤泥粉质粘土层进入下层卵石层），施工时以 确保桩底标高在-6.500（黄海高程）为第一控制标准，以要求穿越3-1淤泥质粉 质粘土层全截面进入下层卵石层不小于2.5 m为第二控制标准,有效桩长约为15 m基础混凝土采用C30,也可采用后期60天强度，主楼采用桩筏基础，筏板 厚度为1500 mm,桩顶嵌入筏板100 mm。基础总竖向荷载采用最不利组合，其 值为201479 kN（包括基础自重），以均布荷载的形式作用在筏板上。图3.1给出 了基础平面及班位布置情况。21I.程实例计算及径板厚度优化分析图3.1基础平面及桩位布置图3.3 地质条件在工程勘探深度范围内，通
48、过野外钻探记录描述、土工试验、野外原位测试 及工程地质剖面图等综合评定,该工程建筑场地主要持力层底层岩性分析评价如 下：第（1）层:杂填土,层厚0.30-1.50 m,层顶埋深0.00 m,层底标高13.7414.95 mo灰黄色，松散，湿，由粘性土、粉土夹部分角砾及少量碎石组成，表面有正 在拆迁的建筑垃圾、碎层及未拆除的原有旧房和基础。剪切平均波速Vs=94.3 rn/s.第（2）层：砂质粉土，层厚5.60-10.50 m,层顶埋深0.30-1.50 m,层底标 高3.4977.74 m。灰黄色，稍密，很湿，干强度低，中等压缩性，低韧性，摇振 反应迅速，无光泽，由粉土、粉细砂及少量粘性土组成
49、。剪切平均波速Vs=l 18.8 m/s,标准贯入标准值N=5.6击/30 cm（杆长未修正），建议地基土承载力特征值 fak=100 kP a.第（2-1）层：淤泥质粉质粘土，层厚L50U.00m,层顶埋深7.30-9.00 m,层底标高2.95U.98 mo灰色，流塑，干强度中等，高压缩性，中等韧性，摇振 反应无，稍有光泽。剪切平均波速Vs=114.0 m/s,标准贯入标准值N=4.1击/30 cm（杆长未修正），建议地基土承载力特征值如=90 kP a。第（3）层：卵石，层厚4.6013.60 m,层顶埋深6.00-18.80 m,层底标高 10.55-5.66m灰黄色，稍密中密，饱和，
50、山卵石、圆砾、细砂及粘性土组成,22.程实例il*及长板印度优化分析卵石母岩以砂岩为主，含量在50%左右，磨圆度好，颗粒大小在2.08.0 cm不等，局部含漂石，主要由粘性土胶结，胶结一般，级配差，该层下部漂石含量增多。剪切平均波速V$=195.4 m/s,重型动探修正标准值N635=12.0击/10 cm,建议地 基土承载力特征值*=260 kP a。第（3-1）层:淤泥质粉质粘土，层厚0.604.00 m,层顶埋深14.0016.30m,层底标高46匕-0.94 m。灰色，流塑，干强度中等，高压缩性，中等韧性，摇振 反应无，稍有光泽。剪切平均波速Vs=127.8 m/s,标准贯入标准值N=