樁筏基礎(chǔ)非線性共同作用分析及變剛度調(diào)平設(shè)計

1、第28卷企業(yè)技術(shù)開發(fā)企DEVELOPMENT業(yè)技術(shù)開發(fā)TECHNOLOGICALOFENTERPRISE2009年7月2009年7月Jul.2009樁筏基礎(chǔ)非線性共同作用分析及變剛度調(diào)平設(shè)計何摘江1，傅冬平2（1.湘潭國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，湖南湘潭411103；2.醴陵市環(huán)境保護(hù)局，湖南株洲412200）要：樁筏基礎(chǔ)的承載力、位移特征分析，尤其是建立在樁-土-筏共同作用基礎(chǔ)上的以減小沉降差為目的的變剛度調(diào)平分析是目前樁筏基礎(chǔ)設(shè)計的難點與熱點。文章利用樁筏基礎(chǔ)的非線性共同作用分析方法和分析程序，分析了樁筏基礎(chǔ)當(dāng)筏板厚度和樁距、樁長、樁徑變化時，筏板的位移特性和樁頂?shù)姆戳捌浞植家?guī)律，得到了一些

2、有意義的結(jié)論。利用本文的分析結(jié)果，進(jìn)行樁筏基礎(chǔ)的變剛度調(diào)平設(shè)計，以達(dá)到減少樁筏基礎(chǔ)筏板沉降差的目的。關(guān)鍵詞：共同作用；位移特征；樁頂反力；樁筏基礎(chǔ)；變剛度中圖分類號：TU473文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2009）13-0038-03Nonlinearinteractinganalysisofpiled-raftfoundationandvariablerigiditydesignmethodforbalancesettlementHEJiang1，F(xiàn)UDong-ping2（，；，）Abstract:Theanalysisonthebearingcapacityandthedi

3、splacementcharacteristicsofthepile-raftfoundation,especiallyvariablerigidityanalysisforbalancesettlementwhichisbasedoninteractionanalysisofpile-soil-raftandaimingatreducingthedisplacementdifferenceoftheraft,isthedifficultandfocalpointofcommonattentioninthedesignofthepile-raftfoundation.Usedthenonlin

4、earinteractionanalyticalmethodandprogram,thedisplacementcharacteristicsoftheraftandthecounterforceanditsdistributiononthepileheadareanalyzedwhenthethicknessoftheraftandthespacing,thelength,thediameterofthepilearechanged,andsomevaluableconclusionsareobtainedinthispaper.Basedontheconclusionsobtainedin

5、thispaper,thepile-raftfoundationcanbedesignedwiththevariablerigiditydesignmethodforbalancesettlementandtheobjectiveofreducingthedisplacementdifferenceoftheraftcanberealized.Keywords：interaction；displacementcharacteristics；counterforceonthepilehead；pile-raftfoundation；variablerigidity1概述然后應(yīng)用變形協(xié)調(diào)及靜力平衡

6、條件，建立整個體系共同作用的方程。采用子結(jié)構(gòu)法分析上部結(jié)構(gòu)。利用廣義協(xié)調(diào)元方法6樁筏基礎(chǔ)以其整體性好、抗震性強(qiáng)、承載力高、能有效調(diào)節(jié)地基不均勻沉降而日益成為高層建筑中的一種理想基礎(chǔ)。樁筏基礎(chǔ)的承載力、沉降分析、尤其是建立在樁-土-筏共同作用基礎(chǔ)上的以減小沉降差為目的的調(diào)平分析是目前樁筏基礎(chǔ)設(shè)計中的難點與熱點1-3，清楚地了解樁筏基礎(chǔ)的工作性狀對滿足設(shè)計目標(biāo)至關(guān)重要。本文利用文獻(xiàn)4、5中的層狀地基中上部結(jié)構(gòu)-樁-筏-土非線性共同作用分析方法和分析程序，分析了樁筏基礎(chǔ)當(dāng)筏板設(shè)計參數(shù)和樁設(shè)計參數(shù)變化時，樁基樁頂反力的分布規(guī)律及筏板的位移特性，得到了一些有益的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上闡述了變剛度調(diào)平設(shè)計的方法

7、、方向及步驟，最后給出一個算例。，建立薄厚板通用矩形單元，推導(dǎo)出單元剛度矩陣和總剛矩陣，建立筏板的控制方程。采用分層地基模型來反映樁-地基土的層狀特性，利用剪切位移法推導(dǎo)出樁-樁、土、土-樁及土-土的相互作用柔度，進(jìn)而得到樁土體系的剛度矩陣和樁土體系的控制方程。假定筏板與地基只在節(jié)點上接觸且不分離。根據(jù)靜力平衡條件和位移協(xié)調(diào)條件，將上部結(jié)構(gòu)控制方程和樁土體系控制方程與筏板控制方程進(jìn)行耦合，得到上部結(jié)構(gòu)樁筏基礎(chǔ)與地基土共同作用方程。（KB+KP+KPS）w=SB+W-RPS式中：KPS為處理后的樁土體系剛度矩陣，KB為處理后上部結(jié)構(gòu)剛度矩陣。2考慮上部結(jié)構(gòu)-樁-筏-土共同作用的分析方法及方程先對

8、上部結(jié)構(gòu)、筏板、樁土體系等各部分進(jìn)行分析，3筏板位移及位移差特征通過計算分析表明，筏板位移及位移差與筏板厚度、收稿日期：2009-06-29作者簡介：何江（1969），湖南醴陵人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：建筑工程技術(shù)與管理。樁基設(shè)計參數(shù)變化的影響規(guī)律如下：筏板厚度在一定范圍內(nèi)，隨著厚度的增加，樁筏基礎(chǔ)的總體沉降和沉降差有所減小。當(dāng)筏板厚度超過一定第28卷何江，等：樁筏基礎(chǔ)非線性共同作用分析及變剛度調(diào)平設(shè)計39程度后，再增加其厚度，則總沉降會有所增大。在厚度不很大時，采用增加筏板厚度來減小樁筏基礎(chǔ)沉降差可以取得較好的效果。隨著樁間距逐漸增大，樁長、樁徑逐漸減小，樁筏基礎(chǔ)的總體位移及位移差都逐

9、漸增大。如果樁距在范圍內(nèi)（一般小于8d），總體位移及位移差增加的幅度不顯著；在樁距超過一定范圍，增加的幅度將比較顯著。當(dāng)樁長、樁徑超過一定范圍后，增加樁長、樁徑，總體位移及位移差減小的效果甚微。同時分析計算表明，對于樁筏基礎(chǔ)的總體沉降，上述各因素的影響皆較大，但對于沉降差，筏板厚度的影響最為顯著，其他因素影響相對較小。4變剛度調(diào)平設(shè)計的方法分析表明，對于均勻布樁的樁筏基礎(chǔ)，無論筏板厚度如何，樁長、樁距、樁徑如何，都有兩方面的特征：一是樁筏基礎(chǔ)沉降呈現(xiàn)“盆底型”的沉降曲線，即中間大，四周小；二是樁頂反力呈現(xiàn)“倒盆底型”的分布規(guī)律，即角樁反力大于邊樁，邊樁大于內(nèi)部樁。在樁筏基礎(chǔ)設(shè)計中，對上述認(rèn)識的

10、不同，處理問題的立腳點不同，就形成了兩種似乎對立的布樁方式：“外強(qiáng)內(nèi)弱”的布樁方式和“內(nèi)強(qiáng)外弱”的布樁方式。如果從減小沉降差的角度出發(fā)，顯然應(yīng)采用“內(nèi)強(qiáng)外弱”的布樁方式。由于地基的不均勻沉降是產(chǎn)生上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力和筏板整體彎矩的主要原因，若能使基礎(chǔ)筏板在上部結(jié)構(gòu)和樁土共同作用下保持接近水平面的狀態(tài)，則上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力可基本消除，筏板所受到的整體彎矩也可基本消除。相對于過去加大基礎(chǔ)筏板厚度的常規(guī)做法，采用“內(nèi)強(qiáng)外弱”的布樁方式有很大的優(yōu)越性，它不僅能有效減小上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力，不會增加基礎(chǔ)對不均勻沉降的敏感性，而且實現(xiàn)“內(nèi)強(qiáng)外弱”的方式多，可根據(jù)工程實際情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。上述“內(nèi)強(qiáng)外弱”的設(shè)計方法實際

11、上是變剛度調(diào)平設(shè)計方法的一種實現(xiàn)手段，下面簡要介紹變剛度調(diào)平設(shè)計的方向、內(nèi)容及步驟。4.1變剛度調(diào)平設(shè)計的方向上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力以及筏板的彎矩在很大程度上取決于樁筏基礎(chǔ)的沉降差，分析表明，調(diào)節(jié)沉降差可行途徑有調(diào)整筏板的厚度，調(diào)整筏底樁的布樁方式及設(shè)計參數(shù)。本文以調(diào)整布樁方式為手段來使基礎(chǔ)各處沉降均勻，使樁筏基礎(chǔ)的沉降差趨于最小，從而使上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力及筏板彎矩減小。所以優(yōu)化方向就是以樁筏基礎(chǔ)變形量作為控制標(biāo)準(zhǔn)，以調(diào)整筏板厚度、筏底樁的布樁方式及設(shè)計參數(shù)為手段，使樁筏基礎(chǔ)造價最低。4.2變剛度調(diào)平設(shè)計的內(nèi)容基本數(shù)據(jù)10層53跨框架，柱網(wǎng)7.2m7.2m，底層及第二層層高5.4m，其它層層高3.9m；

12、框架柱截面：第一層、第二層為0.8m0.8m，以上各層均為0.6m0.6m，框架梁截面尺寸為0.3m0.65m。樓面荷載（包括恒荷載和活荷載）和墻體荷載簡化到框架梁上，取均布力q=40kN/m?？蚣芙Y(jié)構(gòu)、筏板、樁均為鋼筋混凝土材料，混凝土強(qiáng)度等級均為C30。矩形筏板平面尺寸為LrBr=38.4m24.0m，筏板厚度為tr1.1m。地基土分為三層。土層厚度及壓縮模量分別為：第一層：3m厚粉質(zhì)粘土，壓縮模量E1-2=6.5MPa，泊松比u=0.35，容重=19.6kN/m3；第二層：9m厚粉質(zhì)夾砂粘土，壓縮模量E1-2=7.2MPa，泊松比u=0.35，容重=18.2kN/m3；第三層：36m厚粉

13、質(zhì)粘土混卵石，壓縮模量E1-2=7.6MPa，泊松比u=0.35，容重=21.1kN/m3；樁筏基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)的初步確定前述分析表明，對均勻布置的樁基，基礎(chǔ)沉降呈“盆底型”，為達(dá)到減小沉降差的目的，筏底中央位置樁土支撐體系剛度有待加強(qiáng)，四周樁土支撐體系剛度減弱。為便于比較，樁的設(shè)計參數(shù)為：樁長L18m，樁徑d0.6m，樁距在s4d的基礎(chǔ)上進(jìn)行抽樁，在抽樁時保證每柱下有樁，筏底樁的平面布置如圖1所示。采用前述共同作用分析方法，進(jìn)行筏板位移及樁頂反力分布計算比較，記均勻布樁為工況一，抽樁分析為工況二。021006129004224001536000001200圖1樁平面布置圖兩種工況的樁筏基礎(chǔ)的位移

14、及位移差計算結(jié)果如表1所示。表1表明，采用“內(nèi)強(qiáng)外弱”的布樁方式，樁筏基礎(chǔ)的40企業(yè)技術(shù)開發(fā)表1均勻布樁與內(nèi)強(qiáng)外弱布樁筏板位移及位移差比較項目平均位移（mm）最大位移（mm）最小位移（mm）位移差（mm）偏差54.529.3170.7-46.652009年7月用本文的分析結(jié)果，進(jìn)行樁筏基礎(chǔ)的變剛度調(diào)平設(shè)計，可達(dá)到減少樁筏基礎(chǔ)筏板沉降差的目的。參考文獻(xiàn)：1懂建國，趙錫宏.高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用理論與實踐M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.2張建輝.層狀地基上樁筏基礎(chǔ)的分析方法及其布樁優(yōu)化研究D.重慶:重慶建筑大學(xué)，1999.11.3陳俊，鄒銀生，趙海平.樁筏基礎(chǔ)“內(nèi)強(qiáng)外弱”布樁方式探討J.基建

15、優(yōu)化，2005，26(3):78-80.analysisofinteractionofsuperstructure-pile-raft-soilsysteminlayeredsoilpartI:FormulationofinteractionequationJ.KeyEngineeringMaterials,2009,Vols.400-402:651-658.5LongYuqiuandXinKegui.Generalizedconformingele-mentforbendingandbuckinganalysisofpateJ.FiniteElementinAnalysisandDesign

16、,1989,5:15-30.辛克貴.廣義協(xié)調(diào)元N.土木工程學(xué)報，1987，20(1)，6龍馭球，1-14.平均位移、最大位移及最小位移都分別增加了54.5，29.3及170.7，但是樁筏基礎(chǔ)的位移差減小46.6，這樣筏板的彎矩也將大為減小。發(fā)生該現(xiàn)象的原因在于筏底樁土支撐體系的剛度。發(fā)生了變化，本例板角位置抽樁比較多。上述現(xiàn)象還表明，采用均勻布樁時，用樁160根，采用“內(nèi)強(qiáng)外弱”的布樁方式用樁100根，樁減小了37.5，樁筏基礎(chǔ)的不均沉降減小了46.1，但這是以增加基礎(chǔ)的總體沉降為代價。5結(jié)論本文利用樁筏基礎(chǔ)的非線性共同作用分析方法和分析程序，分析了樁筏基礎(chǔ)當(dāng)筏板厚度和樁距、樁長、樁徑利變化時

17、，筏板的位移特性和樁頂?shù)姆戳捌浞植家?guī)律。（上接第20頁）況，按照圖2電機(jī)正反轉(zhuǎn)主電路和圖3通過RS232電纜把PLC輸入/輸出接線圖進(jìn)行電路安裝，程序?qū)懭隤LC，通過測試符合控制要求。裝入現(xiàn)場，電機(jī)啟停靈活，各行程開關(guān)、電磁閥動作靈活，系統(tǒng)工作正常。小車運(yùn)料控制系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后達(dá)到了穩(wěn)定，控制狀態(tài)良好。參考文獻(xiàn)：1賈德勝.PLC實用子程序M.北京:人民郵電出版社，2006.1.2李穩(wěn)賢，田華.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)M.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.3謝克明，夏路易.可編程控制器原理與程序設(shè)計M.北京：電子工業(yè)出版社，2002.4張運(yùn)波,劉淑榮.工廠電氣控制技術(shù)M.北京:高等教育出版社，2004.5呂汀，石紅梅.變頻技術(shù)原理與應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.6殷興光，孫瑜.PLC在液體混合裝置中的應(yīng)用J.機(jī)電一體化，2004，(3).4結(jié)論實踐證明,本設(shè)計所采用日本三菱公司生產(chǎn)的小型可編程控制器FX1s-20MR的硬件配置和程序設(shè)計是完全可行的,在實踐中取得了令人滿意的效果。所設(shè)計的以PLC為核心的小車運(yùn)料控制系統(tǒng)，性能可靠、操作簡單方便、易于維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，還能容易地隨時修改可編程控制器程序,達(dá)到了預(yù)期效果。!美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)迄今替代航空燃油的最佳可再生植物燃油最近，美國密切根技術(shù)大學(xué)化工專業(yè)的教授分析研究了芥藍(lán)（Camelina）從種植到最后制成航空燃油應(yīng)用全采