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变刚度复合地基变形控制设计理论研究

茅晓辉  
【摘要】:复合地基的受力机理复杂,影响地基变形的因素很多,诸如天然地基物理特性、桩身强度、桩间距、桩长、桩身尺寸、上部结构刚度等都会对复合地基的变形产生影响。针对这些问题,综合运用理论分析、数值模拟等方法,对不布桩模式下的地基变形情况进行了系统研究,对各种因素影响规律进行了分析。在此基础上,给出了控制复合地基变形的优化设计方法,最后通过工程实践证明该方法适用、经济,满足工程精度要求。 对地基单一受力区域三维分层中的桩基础,运用分层材料介质的广义Kelvin基本解的边界元法,就单桩位移和群桩共同作用进行了理论分析,并建立了分层地基中桩基础边值问题的边界积分方程;对地基相邻受力区域按照刚性基础分析,假定被影响刚性基础的基底与地基紧密接触,将接触面划分为n个矩形网格,在上部荷载与相邻区域基础荷载影响下,考虑基础埋深和建筑物高度对倾斜的影响,建立了刚性基础地基反力和整体倾斜基本方程,应用迭代法对相邻区域共同作用进行分析。 本文采用FLAC3D有限差分程序,考虑桩身长L、桩直径D、桩间距S、上部刚度K、复合地基的置换率m等影响因素,对应不同布桩模式建立了8组共39个数值模型,分别就均布荷载和非均布荷载两种受力模式下的地基变形特征展开系统数值模拟研究,并对各种影响要素进行理论分析。数值模拟研究结果表明: (1)水平方向变形特征:①桩顶位置在所有变刚度模式下的各关键竖向变形均符合指数衰减特征,最大变形值位于荷载形心,最小值则位于基础端角,其次是板边。水平方向变形等值线均呈现同心圆形状,与基础形状及加载区域形状关系不密切。②桩底位置由于剪切位移的连续性,表现出较好的自适应调节能力,在所有变刚度模式中未出现变形突变,桩底变形情况受桩长影响最大,桩距、桩径对变形无影响,随土层深度增加,变形逐步过渡为平滑的碗形。 (2)竖向变形特征:①桩顶位置变形表现为“同心圆柱”,而且这种情况会一直持续到约桩长一半。②桩底位置由于不存在上部刚度约束,其变形情况与平面、竖向布桩形式有关。 (3)应力分布特征:①复合地基4个端角桩顶位置的主应力、竖向反力呈现高度应力集中,使得该范围复合地基进入承载力极限状态,但是变形受邻域影响仍会继续发展,变刚度模式对该范围调节能力有限。次一级应力集中现象出现板边中部,形成一个环绕基础的应力带;地基内部应力水平受地基竖向刚度变化影响较大,表现为随刚度加强而聚集;变桩长模式对调整应力分布最为有效的,变桩径、变桩距模式影响不大;②桩底位置应力特征表现为桩身将竖向荷载传递至土层深部,竖向应力水平在桩端位置有所提高。 (4)变桩长对地基变形调节能力最强。随着荷载形心区域桩长的增加,边缘区域和角点区域地基变形量都会明显减小;边缘区域和角点区域桩长增加同样会减小中心区域的地基变形量,且各个关键点的变形总量与复合地基的整体桩身体积置换率成线性反比关系。 (5)最佳控制地基变形的布桩模式为:在均布荷载计算模式下,中区、边区、角区的桩长(其他设计参数一致)满足5:4:3规律;在非均布荷载作用下的中区、边区、角区的理想桩长则是5:4:3乘以各自区域的荷载大小比例系数。 (6)桩径、桩距的调整导致复合地基应力水平的变化异常复杂;无论改变桩径、桩距对基础局部倾斜没有影响;变桩径模式提高了局部地基刚度,竖向反力向刚度较大区域聚集,桩土共同作用减弱,局部地基变形量反而有增大趋势。 在此基础之上以先“放”后“抗”为原则,本文给出了系统的变刚度复合地基设计解决方案。简单的归纳为:中、边、角;5:4:3;内强外弱;共同作用;整体考虑;相邻兼顾;反复迭代。 本文得到的一些规律性的结论和设计理念,在满足整体承载力前提下,对复合地基的变形控制、最小化变形差,降低基础和上部结构次应力,提高建筑物耐久性和使用寿命及开拓岩士工程设计思路等方面具有重要指导意义。


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