桩筏基础简化分析方法

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1、目 录一、研究背景一、研究背景二、现有分析方法和软件二、现有分析方法和软件三、群桩地基中的应力三、群桩地基中的应力四、四、桩地基中的变形和沉降计算桩地基中的变形和沉降计算五、地基压缩性指标的确定五、地基压缩性指标的确定六、群桩基础的分析模型六、群桩基础的分析模型七、桩筏基础相对刚度七、桩筏基础相对刚度八、软件开发八、软件开发九、典型工程应用九、典型工程应用十、结论十、结论一、研 究 背 景软弱地基上桩筏基础需解决的问题：软弱地基上桩筏基础需解决的问题：n桩筏基础承受巨大竖向和水平向荷载桩筏基础承受巨大竖向和水平向荷载n高层建筑大底盘桩筏基础高层建筑大底盘桩筏基础n桩厚筏基础桩厚筏基础n变厚度桩

2、筏基础变厚度桩筏基础n群桩沉降计算群桩沉降计算n地基土压缩性指标的确定地基土压缩性指标的确定To 目录桩筏基础承受巨大竖向和水平向荷载高层建筑：单柱荷载大，风荷载、地震荷载高层建筑：单柱荷载大，风荷载、地震荷载工业建筑：上海外高桥电厂二期工程锅炉，工业建筑：上海外高桥电厂二期工程锅炉，单柱荷载单柱荷载1万吨，水平荷载万吨，水平荷载2千吨千吨 上海金山石化上海金山石化10万立方米油罐，直万立方米油罐，直 径径82m，荷载，荷载268kPa。Return高层建筑大底盘桩筏基础n主楼和裙楼建造在大底盘桩筏基础上，主楼和裙楼建造在大底盘桩筏基础上，主楼和裙楼基础不设沉降缝，采用后浇主楼和裙楼基础不设沉

3、降缝，采用后浇带方式。带方式。n需要控制主裙楼沉降差，了解主裙楼交需要控制主裙楼沉降差，了解主裙楼交界处局部应力、主裙楼的相互影响、筒界处局部应力、主裙楼的相互影响、筒体集中荷载下筏板的内力。体集中荷载下筏板的内力。Return桩厚筏基础n结构物荷载增加，变形要求严格，筏板结构物荷载增加，变形要求严格，筏板 厚度加大，超出了薄板理论适用条件：厚度加大，超出了薄板理论适用条件：上海金茂大厦板厚上海金茂大厦板厚4m 上海宝钢上海宝钢1锅炉板厚锅炉板厚9m 上海外高桥电厂二期工程锅炉板厚上海外高桥电厂二期工程锅炉板厚4.75mReturn变厚度桩筏基础n工业建筑中烟囱基础、锅炉基础、大工业建筑中烟囱

4、基础、锅炉基础、大 型油罐基础等型油罐基础等n高层建筑中梁板式基础、主裙楼基础高层建筑中梁板式基础、主裙楼基础 变厚度等变厚度等n需要了解厚度变化位置的局部应力及需要了解厚度变化位置的局部应力及 其对整个桩筏基础的影响其对整个桩筏基础的影响Return群桩沉降计算n三类沉降计算方法三类沉降计算方法：半经验的等代实体墩基法，半经验的等代实体墩基法，桩筏基础的整体分析方法，经验的方法桩筏基础的整体分析方法，经验的方法n第一类方法计算简单，应用较多：桩基规范和上第一类方法计算简单，应用较多：桩基规范和上海地基基础规范等海地基基础规范等n第二类方法计算复杂，应用较少：弹性理论法、第二类方法计算复杂，应

5、用较少：弹性理论法、边界元法、有限元法等边界元法、有限元法等n第三类方法是基于地区的经验，在大量调查统计第三类方法是基于地区的经验，在大量调查统计基础上提出的经验公式，受地区局限基础上提出的经验公式，受地区局限国家桩基规范法存在问题n应力计算偏大应力计算偏大n压缩层厚度偏大压缩层厚度偏大n压缩模量取值偏大压缩模量取值偏大To 研究背景t地基土压缩性指标的确定n沉降计算及群桩分析关键沉降计算及群桩分析关键n一般要求按照压缩曲线确定，取值困难一般要求按照压缩曲线确定，取值困难n土层自重应力超过压缩试验范围土层自重应力超过压缩试验范围n无粘性土难以获得可靠的压缩曲线无粘性土难以获得可靠的压缩曲线To

6、 目录二、现有的分析方法和软件n弹性法弹性法 基于各向同性弹性半空间的基于各向同性弹性半空间的Mindlin解解 建研院的建研院的JCCAD，北京理正的桩基，北京理正的桩基CADn沉降控制桩基设计理论沉降控制桩基设计理论 适用于中低层建筑适用于中低层建筑 同济大学的启明星同济大学的启明星n有限元有限层法等方法有限元有限层法等方法 没有商业化软件没有商业化软件 建研院桩基CAD软件理论基础n中厚板模型，梁板式筏板采用不同单元中厚板模型，梁板式筏板采用不同单元n桩刚度确定：桩刚度确定：单桩静载荷试验单桩静载荷试验PS曲线曲线 弹性理论相互影响系数法弹性理论相互影响系数法n使用情况：计算结果和实际情

7、况相差较使用情况：计算结果和实际情况相差较 大，设计院应用较少大，设计院应用较少理正桩基CAD软件n薄板理论和梁理论相结合，板和梁采用不薄板理论和梁理论相结合，板和梁采用不同单元同单元n桩的刚度确定：弹性理论法桩的刚度确定：弹性理论法n使用情况：角桩反力偏大，应用较少使用情况：角桩反力偏大，应用较少国外软件n国外软件主要为通用的岩土工程和结构工国外软件主要为通用的岩土工程和结构工程软件，比如程软件，比如SAP84、PLAXIS、FINAL等等n由于规范的不同，国外软件很难在国内打由于规范的不同，国外软件很难在国内打开市场开市场To 目录三、群桩地基中的应力n采用常规有限元法和复合单元法分析群桩

8、采用常规有限元法和复合单元法分析群桩地基应力地基应力n采用弹性理论法分析群桩地基应力采用弹性理论法分析群桩地基应力n获得桩端荷载传递系数表达式获得桩端荷载传递系数表达式n建立桩端应力计算模型建立桩端应力计算模型群桩应力计算模型 t桩端荷载传递系数 08403351 22300012700001410.lddS.nlg.dl.dldS.apatt群桩桩端附加应力随桩长地变化 00.10.20.30.40.5-1.5-1-0.500.511.5X/B桩端平面附加应力系数H/B=1 l/d=24H/B=2 l/d=48H/B=3 l/d=72H/B=4.2 l/d=100承台面积相同、桩数不同桩端附

9、加应力 00.050.10.150.2-1.5-1-0.500.511.5X/B平均附加应力系数n=64 Sa/d=3n=49 Sa/d=3.5n=36 Sa/d=4.2n=25 Sa/d=5.3n=16 Sa/d=7持力层和桩侧土体模量比变化对桩端平面附加应力的影响00.10.20.30.40.5-1.5-1-0.500.511.5X/B桩端附加应力系数Es2/Es1=1Es2/Es1=2Es2/Es1=4Es2/Es1=10Es2/Es1=100桩土相对刚度对桩端平面以下附加应力 00.050.10.150.2-1.5-1-0.500.511.5X/L桩端平面附加应力系数K=10000K=

10、5000K=2500K=1000K=500K=100不同承台长宽比下的桩端平面附加应力系数 00.10.20.30.4-1.5-1-0.500.511.5X/B桩端附加应力系数35群桩 长度方向35群桩 宽度方向44群桩 长度方向群桩应力分析结论n复合单元法中引入分区积分技术，单元划分灵活，节点数和单元数较少，计算时间较短n群桩将大部分应力传到了桩端平面，水平方向扩散的应力很小n所提出的应力计算模型具有计算简便、准确、概念清晰的优点，避免了其它方法十分繁琐的缺点To 目录四、群桩地基的变形和沉降计算n单桩变形规律n群桩的变形规律n群桩沉降计算方法单桩沉降规律020406080100120140

11、050001000015000荷载P(kN)沉降(mm)桩顶沉降桩端沉降01020304050607080050001000015000桩身轴力（KN）深度（m）1200180024003600420054006600780090001020011400单桩沉降组成比例02040608010000.20.40.60.811.2荷 载 比(P/Qu)沉降比(%)群桩沉降规律02468020406080100120桩长细比桩端沉降(cm)桩端沉降桩顶沉降群桩沉降组成n群桩中单桩沉降群桩中单桩沉降Sj由桩身压缩由桩身压缩Spj和桩端和桩端沉降沉降Sbj组成，即组成，即 SjSbjSpjn桩身压缩通过

12、静载荷试验或者单桩理论桩身压缩通过静载荷试验或者单桩理论分析确定分析确定n桩端沉降通过分层总和法计算桩端沉降通过分层总和法计算群桩桩端沉降计算方法t各种方法计算的群桩沉降比较工程号项目实测上海规范国家规范简易理论本文工程一最终沉降6.7cm16.9cm8.7cm7.7cm7.1cm压缩层厚度69.06m69.06m36.4m21m压缩层相对厚度1.9BR1.8Be1.9BR1.8Be1.0BR0.97Be0.6BR0.56Be工程二最终沉降3.722.4cm5.8cm4.6cm4.8cm压缩层厚度46.8m46.8m21.5m10.8m压缩层相对厚度2.2BR1.94Be2.2BR1.94Be

13、1.0BR0.89Be0.5BR0.43Be工程三最终沉降10.621.6cm14.2cm10.6cm压缩层厚度37.7m37.7m12.78m压缩层相对厚度2.7BR1.5Be2.7BR1.5Be0.9BR0.5Be国家桩基规范沉降计算存在的问题n桩端应力偏大n压缩层厚度偏大n压缩模量偏大0.50.60.70.80.91040080012001600压力（kPa）孔隙比自重应力自重应力+附加应力群桩中单桩PS曲线01002003004005000500010000荷载P(kN)沉降S(mm)单桩桩顶群桩中中心桩群桩中角桩群桩地基的变形和沉降计算方法分析结论n设计荷载下，单桩桩顶沉降主要由桩身

14、压缩组成，桩端沉降很小n群桩桩顶沉降主要由桩端沉降组成，桩身压缩较小n本文群桩沉降计算方法分析合理，与实测值吻合n在相同荷载下，群桩沉降远大于单桩沉降，群桩中单桩PS曲线反映了群桩中单桩刚度To 目录五、群桩分析时压缩性指标的确定n粘性土可以主要根据高压固结试验的ep曲线和原位试验（静力触探和标贯试验）确定n无粘性土主要根据原位试验（静力触探和标贯试验）确定粘性土Es1-2和Es之间的关系21)47.00039.0(szsEE012340200400600800自 重 应 力（kPa）压缩模量比（Es/Es1-2）abc根据压缩试验和原位试验估算的不同土质的压缩模量土 层 编 号 及 层 名

15、平 均 深 度 (m)Ps(MPa)qc(MPa)N(击 数)Es1-2(MPa)Es(MPa)Ec,s(MPa)Eps,s(MPa)Eqc,s(MPa)EN,s(MPa)(3-1)淤 泥 21 1.00 0.93 3.6 4.21 4.30 4.7 4.25 7.5 5.7(8-2-1)粉 质 粘土 粉 砂 互 层 66 3.27 1.68 16 6.29 10.0 15.8 12.61 9.13 14.6(9-2)中 砂 77 11.93 12.7 50 7.43 25.0 21.2 38.24 32.8 31.7 标贯击数和比贯入阻力随深度变化0102030405060708002040

16、60标贯击数N比贯入阻力Ps（5MPa）土层深度(m)K404K450K405J431J43301020304050607080010203040压缩模量（MPa）土层深度（m）静力触探估算标贯击数估算根据统计经验估算To 目录六、群桩基础分析模型群桩中单桩非线性刚度pjbjjjjSSPSPKPjj桩桩顶荷载Sjj桩桩顶沉降 筏板下桩的平均荷载P薄板壳理论薄板壳理论薄板单元薄板单元厚板假定厚板假定厚板假定厚板假定薄板假定薄板假定薄板假定薄板假定三维实体等参元三维实体等参元三维弹性理论三维弹性理论单元构造单元构造中厚板壳理论中厚板壳理论中厚板壳单元中厚板壳单元单元构造单元构造单元构造单元构造筏板

17、单元构造途径板单元的构造16节点三维实体节点三维实体单元中引入单元中引入Reissner厚板的厚板的假定，获得了适假定，获得了适用于任意截面、用于任意截面、厚薄板通用的三厚薄板通用的三维实体退化板单维实体退化板单元元单元的分区积分 mmkkTeddJJ1111111BDBK该单元具有以下特点：同一个单元可以包括桩、该单元具有以下特点：同一个单元可以包括桩、土、孔穴等多种材料，使单元数量大大减少，土、孔穴等多种材料，使单元数量大大减少，降低计算工作量降低计算工作量单元适用范围n厚薄板通用厚薄板通用n变厚度筏板变厚度筏板n考虑地基和桩的水平刚度作用考虑地基和桩的水平刚度作用n同一个单元内可以考虑几

18、种不同材料同一个单元内可以考虑几种不同材料n适用于大型复杂结构的分析适用于大型复杂结构的分析群桩分析方法的特点n变厚度筏板变厚度筏板n厚板和薄板厚板和薄板n高层建筑主楼和裙楼整体分析高层建筑主楼和裙楼整体分析n考虑相邻基础的相互作用考虑相邻基础的相互作用n计及地基和桩的水平刚度计及地基和桩的水平刚度n考虑地基的非均质性、不等厚、缺失等考虑地基的非均质性、不等厚、缺失等n计算参数为常用的土工参数，容易确定计算参数为常用的土工参数，容易确定n适用于常规设计的桩适用于常规设计的桩基基变厚度筏板分析实例一筏板平面及平面图变厚度筏板分析实例一筏板有限元模型变厚度筏板分析实例一沉降等值线变厚度筏板分析实例

19、一Mx弯矩变厚度筏板分析实例二梁板式筏板柱距8m，梁高1.8m，梁宽0.6m，板厚0.7m、1.0m、1.8m变厚度筏板分析实例二梁板式筏板变形变厚度筏板分析实例二梁板式筏板弯矩厚筏分析单柱最大竖向荷载单柱最大竖向荷载1.28万吨万吨 单柱最大水平荷载单柱最大水平荷载1800吨吨筏板厚度筏板厚度4.75m工程桩概况n工程桩采用工程桩采用f75014mm SP钢管桩，桩长钢管桩，桩长70mn工程桩持力层为工程桩持力层为-2层中下部的粉质粘土层中下部的粉质粘土粉砂层粉砂层n单桩极限承载力为单桩极限承载力为9000KN基础板沉降及不均匀沉降控制标准基础板沉降及不均匀沉降控制标准 整体倾斜小于整体倾斜

20、小于1/500 柱出平面沉降小于柱出平面沉降小于1.5 cm设计要求筏板挠度图 桩顶反力随板厚的变化01000200030004000-25-20-15-10-50510152025水平距离(m)桩反力(KN)板厚1m板厚2m板厚3m板厚4m板厚5m板厚6m1#柱位置4#柱位置非地震荷载作用下板中正弯距Mx包络图地震荷载作用下板中最小剪力Qx包络图To 目录七、桩筏基础的相对刚度PRRaRRRRPmKLSBHEK423)1(12相对刚度对不均匀沉降的影响00.050.10.150.20.25012345KRP最大不均匀沉降Kp/qB(1-vR2)Sa均 布 荷 载9个 集 中 荷 载6个 集

21、中 荷 载4个 集 中 荷 载相对刚度对最大沉降的影响0.10.150.20.25012345KRP最大沉降Kp/qB(1-vR2)Sa均布荷载9个集中荷载6个集中荷载4个集中荷载相对刚度对筏板最大弯矩的影响00.020.040.060.08012345KRPMmax/qB2)桩顶反力随相对刚度的变化00.20.40.60.811.21.41.6012345KRP桩顶荷载/单桩平均荷载00.20.40.60.811.21.41.60246810KRP桩顶荷载/单桩平均荷载相对刚度介于12时桩顶反力分布比较均匀按照桩顶反力确定的筏板厚度314)76.22.2(aRRpRRSBEmKLHTo 目录

22、九、软件开发软件主要特点n分析方法先进，可以考虑各种地基以及筏板；分析方法先进，可以考虑各种地基以及筏板；n和和PKPM、TBSA等结构分析软件完全接口，直接从等结构分析软件完全接口，直接从上述软件分析结果中读取数据或者人工直接输入；上述软件分析结果中读取数据或者人工直接输入；n和和CAD绘图软件完全接口，从绘图软件完全接口，从CAD文件中读取基础文件中读取基础图、桩位图等或者人工直接输入；图、桩位图等或者人工直接输入；n数据采用鼠标、键盘、文件三种方式输入，实时修改数据采用鼠标、键盘、文件三种方式输入，实时修改和显示，输入简单，界面友好；和显示，输入简单，界面友好；n有限元网格自动划分，具有

23、整体加密和局部加密功能；有限元网格自动划分，具有整体加密和局部加密功能；n输出内力、应力、沉降、桩顶反力等的云图、等值线输出内力、应力、沉降、桩顶反力等的云图、等值线图、剖面图、局部区域平均值等，输出直观；图、剖面图、局部区域平均值等，输出直观；n该软件已经成功应用于近十余个国家和省市重点工程该软件已经成功应用于近十余个国家和省市重点工程分析设计。分析设计。软件九、典型工程应用n上海外高桥二期工程锅炉基础设计上海外高桥二期工程锅炉基础设计 国内最大的锅炉基础国内最大的锅炉基础n上海金山石化上海金山石化10万立方米有关基础设万立方米有关基础设计计 国内外软土地基最大的有关基础国内外软土地基最大的

24、有关基础n杭州市双牛大厦主裙楼整体设计杭州市双牛大厦主裙楼整体设计To 目录十、结论n本报告方法可应用于非均质、层状地基上的截面任意变化厚薄板、异形基础板、变厚度板、主楼和裙楼整体式筏板的分析，具有计算简便、土性参数容易确定、分析结果符合实际的特点；n群桩应力计算模型反映了群桩的应力扩散规律，按照本文模型确定的群桩应力和有限元及弹性方法计算结果基本一致，但本文方法计算更加简便；n群桩的沉降由桩身压缩和桩端沉降组成，桩端沉降占的比例较大；由此获得群桩中单桩PS曲线正确地反映了群桩中单桩的工作性状；本文沉降计算方法和常规方法比较发现，常规方法存在压缩层厚度偏大、所得的沉降也偏大的不足；n土层自重应力和附加应力水平大于100200kPa时，粘性土的压缩模量按照高压固结试验、静力触探和标贯试验的结果综合确定；砂性土的压缩模量应以静力触探和标贯试验估算为主；n桩筏相对刚度对筏板的变形、内力和桩反力等影响很大；变厚度分析表明，当板的刚度较大时，局部板的厚度降低对变形和内力影响较小，但是在变截面的位置会出现应力集中现象，应力变化非常剧烈，局部位置应力超过了混凝土强度；n桩对筏板的水平向约束使得筏板的不均匀沉降降低，减小了筏板的内力；n高层建筑主裙楼整体分析表明，板厚和桩位布置合理，不设沉降缝，采用后浇带的方法完全可行。谢谢大家！