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超高层建筑桩基础承载性能的试验研究与模拟分析

陈辉  
【摘要】:近年来,随着超高层建筑(≥100m)的迅猛发展,超长大直径钻孔灌注桩以其具有较高单桩承载力的优点在工程上的应用越来越广泛。尽管超长桩已被大量使用,但对这类桩的荷载传递机理到目前为止还不很清楚,迄今还没有较好地符合实际的计算方法。目前的规范是基于中短桩试验研究基础上建立的,对于超长大直径钻孔灌注桩的设计,存在适应性问题。因此,论文选择“超高层建筑桩基础承载性能的试验研究与模拟分析”具有重要的理论意义和实用价值。 首先,论文在国内外众多学者研究工作的基础上,对超高层建筑桩基础的发展、理论现状进行阐述,对超长桩工程性状特征及桩端后压浆技术对桩基性状改善规律进行了总结,同时对桩基沉降理论的国内外研究现状进行了分析,指出了超高层建筑桩基础的发展方向;其次,对河北开元环球中心工程和中国国际贸易中心三期工程的试桩进行了系统的试验研究;然后,依据河北开元环球中心试桩的参数,利用ANSYS有限元数值模拟软件,选用Drucker-Prager模型对单桩承载力进行了接触分析;最后,论文就超长大直径桩基优化设计的问题进行了探讨。论文取得的主要认识和结论如下: (1)在国内外高层建筑桩基础研究现状分析和已有工程实践经验的基础上,总结了超高层建筑桩基础的主要特点和发展趋势:①超长大直径钻孔灌注桩,其荷载沉降曲线在达到极限荷载前,一般整体变化比较平缓,转折点不是很明显;②对于超长桩而言,应取适当的桩径才能充分发挥桩长的作用;③与短桩相比,超长桩极限承载力的发挥需要有较大的桩顶沉降,故超长桩的极限荷载宜根据桩顶沉降来确定;④桩端后注浆明显提高了超长大直径钻孔灌注桩的承载性能。 (2)通过河北开元环球中心工程和中国国际贸易中心三期工程的桩基工程实践,提出了超长桩荷载传递特性以及桩体沉降的规律:①桩身轴力随深度逐渐减少,并在不同的土层以不同的速度递减;②随着桩顶荷载的增加,荷载从上向下传递,亦即上部土层的摩阻力先于下部发挥作用,上部土层的摩阻力首先达到极限,并逐渐往下传递;③各土层的侧摩阻力随着桩顶荷载的增大而逐渐增大;④试桩桩侧摩阻力所占比重很大,而桩端阻力所占比重较小(桩端阻力占总荷载的1%~3%),具有明显的摩擦桩特点;⑤实测的桩侧阻力比规范给定的值大很多倍,而桩端阻力的计算结果则比规范小很多,就桩端承载力而言,仍具有很大的应用潜力。 (3)依据河北开元环球中心试桩的试验参数,利用ANSYS有限元数值模拟软件,选用Drucker-Prager模型对单桩承载力进行接触分析,对群桩受力性能进行模拟计算,模拟结果认为:①ANSYS中用DP材料的接触分析可以比较准确的模拟超长大直径钻孔灌注桩的单桩承载力性能,桩身轴力分布、桩周土体沉降以及桩身位移均与静载荷试验结果基本一致;②群桩模拟计算结果表明,由于桩与承台的共同作用,使群桩产生了碟形沉降和马鞍形应力分布,其对上部高层结构极为不利,因此,基础设计时,应考虑避免和减少群桩效应; (4)论文就超长大直径桩基优化设计的问题进行了探讨:①认为共同作用整体分析方法是优化设计最理想的方法,也是优化设计的发展趋势,宜在概念设计的基础上进行上部结构一基础一桩土的共同作用分析,优化细部设计;②对于工程桩的设计来说,应该首先利用相关地质资料,估计土体中桩身极限摩擦阻力和桩端极限承载力,其次利用静载试验所获得的桩身侧阻和桩端阻力的分布和发挥程度进行优化.


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