桩筏基础的特点及其分析设计方法综述.doc

桩筏基础的特点及其分析设计方法综述摘耍：综述了桩筏基础的受力特性及结构特点，重点论述了桩筏基础 研究现状特别是其理论模型分析，介绍了其基本设计方法和设计中相 关问题，并对实际工程应用做了简要分析关键词：桩筏基础 群桩效应 承台土分担比复合桩基■亠刖5近年来，随着高层建筑的大量建造，对建筑基础形式的优化选择越来 越显得重要由于高层建筑承受的竖向荷载大，水平向作用受风荷载 和地震作用的影响较明显，并且高层建筑的刚度比较大，因此在结构 设计中，对基础的承载和沉降控制能力以及抗倾斜能力要求越来越 高目前，高层建筑的基础形式多种多样，有箱型基础、筏板基础、 桩基础、桩筏基础、桩箱基础等其中，桩筏基础开始成为承担高层 建筑结构大载荷的主要基础形式本文主要介绍了桩筏基础的受力特 性及其结构特征，结合国内外研究现状，重点论述了桩筏基础设计方 法及其采用的理论模型，并结合设计中常见问题，提出了相应解决方 案1.桩筏基础受力特性及其结构特征桩筏基础属于混合基础型式，顾名思义它是由桩基和筏基共同组成， 桩基在筏基的下面桩和筏板共同承受上部结构传来的荷载筏板基 础可成片覆盖于建筑物地基的较大面积，整体刚度大，满足软弱地基 承载力要求，减少地基的附加应力和不均匀沉降，增强结构物的整体 抗震性能。

桩基础具有承载力高、沉降量小、稳定性好、便于机械化 施工、适应性强等特点将二者结合起來，能保证在承担上部结构载 荷的同时，更能有效的控制基础沉降，同时可以承受风荷载和地震荷 载引起的巨大水平力，抗倾覆能力强，因此桩筏基础作为承担大载荷 结构一种基础形式具备较突出的优势筏版基础有平板式和梁板式两种，以后者最常用筏版基础有些类似 于楼板而且桩筏是一个整体，共同作用，由此可知桩与筏是刚性连 接桩作为控制基础沉降和承担部分上部荷载，不应支于基岩，另外, 桩与筏板间要有敷垫层这样就可以和筏板一起共同作用了，因此，桩 筏基础中的桩应为摩擦桩桩筏基础为桩、筏板、地基土三部分组成的复合结构，传力机制复杂 因此，桩筏基础的设计也非常复杂，除了桩基和筏板基础各自的工作 特性而外，还要考虑上部结构、桩基、筏板基础的共同作用问题，同 时还和地基土的性状有关（淤泥和密实砂）例如，在软土地基中采 用预制桩，最初的荷载分配就可能是暂时的，当打桩引起的超孔隙水 压力消散后，可能使桩间土固结，结果会造成筏（箱）基底与地基土 脱离悬空，变成上部荷载全部由桩來承担乂如采用钻孔灌注桩则筏（箱）底分担的荷载又会比采用预制桩大上部结构、桩基、筏（箱） 基础的共同作用可以用一个基本方程（矩阵）来分析，同时还要分析 共同作用的性状。

在确定桩底进入持力层深度时，尚应考虑特殊土、 岩溶以及震陷液化等影响2.桩筏基础设计理论研究桩筏基础的研究经历了从地基土模型理论研究、筏板理论分析研究和 桩基础载荷沉降研究的单一研究到桩一筏一土共同作用理论发展过 程目前最为合理的理论假设是“上部结构一承台(箱基或筏基)一 桩”三者共同作用分析，这也是《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》(JGJ 9—99)所确定的分析方法2.1地基土模型理论地基土承载着基础和上部结构，建立有效模型对基础设计研究具有重 要意义，其模型经历了从简单的文克勒模型向复杂的有限压缩地基模 型等模型的发展，这一发展使得地基土模型更趋近于实际土条件1) 弹性地基梁板模型弹性地基梁板模型(Winkler模型)假定地基上任一点所受压力与该 点的沉降成正比，比例系数即为基床系数其特征函数最简单的表 达方式(1)式中，k—基床系数， P—基础底面某点的地基反力，S—地基在该点的沉降量，根据这个假定，地面上某点的沉降与作用在其他点上的压力无关相 当于把地基视作由无数分割开的小土柱组成，进-涉用…根根弹簧代 替土柱则变成一群不相连的弹簧体系弹性地基梁板模型仅依靠筏板 和群桩的刚度来抵抗挠曲，整体挠曲相对较大。

它忽略了地基土的连 续性，然而正是由于地基土的连续性，地基中的附加应力才得以向旁 边扩散，使基底以外的地表发生沉降所以计算中也就没有考虑应力 扩散从而使得计算结果偏不安全，故仅适用于上部结构刚度不大、建 造于软土地基上的建筑物2） 倒楼盖模型该模型假定地基反力呈线性分布，上部结构是刚性的，各柱之间没有 沉降差异，此法是以柱子视为较支座，直线分布的基底净反力以及除 去柱竖向集中力所余下的其他各种作用（包括柱传来的力矩）作为已 知荷载这种模型只考虑了柱间局部弯矩，没有考虑到基础筏板整 体弯曲和地基变形协调条件，因而所得最不利截面的弯矩最小该模 型适用于地基刚度很大、变形量很小，或者上部结构刚度很大、基础 挠度较小的情况3） 弹性半空间■有限压缩地基模型Boussinesq首先给出了竖向集中力作用均匀各向同性弹性半空间表 面时的应力与应变的理论解答,明德林（Mindlin）在此基础上推导出 竖向或水平荷载作用在半无限弹性体内部时任一点的位移与应力数 学解，分别以位移基本解或应力基本解为出发点，就形成不同的分析 方法然而，地基土往往成层分布，各层内土的性质比较均匀，而 各层间差别比较大，而且由于沉积物的沉积中的取向问题，因此会出 现土体同层内，在水平方向各向同性，而和竖直方向性质存在差异。

这就构成了层状横向各向同性弹性半空间地基模型2.2桩基础载荷沉降理论桩基础载荷沉降理论研究的是桩力的传递与变形协调的规律；研究的 耍点在于确定桩身轴向荷载沿深度如何变化，桩侧摩阻力沿桩深度如 何分布，桩在不同深度处的竖向位移随深度的变化规律等桩筏基础 的整体沉降计算是设计中很重耍的一部分，国内外学者对其计算理论 和计算方法进行研究提出了两类方法，一类是从桩筏基础的受力机理 着手得到“建议理论法”；另一类是从弹性理论着手，结合实测结果推 导的半经验半理论公式实际工程中，通常使用大规模的群桩基础承载上部较大的载荷，群桩 的承载变形特征是群桩中基桩的承载性能和群桩中基桩之间的相互 作用的整体反应，因此对桩基础的研究包括了单桩载荷传递理论研究 和群桩的载荷传递理论研究1)单桩载荷沉降单桩载荷沉降分析是进行桩基础承载性能分析的基础竖向荷载作用 下单桩的沉降由以下三个部分组成：%1 桩身弹性压缩引起的桩顶沉降；%1 桩侧荷载传递到桩端平面以下引起土体压缩，桩端随土体压缩产生 的沉降；%1 桩端荷载引起土体压缩所产生的桩端沉降根据桩的具体受力状态，耍采用不同的分析方法当荷载水平较低时, 桩端未发生明显的塑性变形，而桩侧土与桩身之间也尚未产生滑动， 此时可近似地运用弹性理论计算单桩的沉降S；而当荷载水平较高 时，桩端土将发生明显的塑性变形，此时单桩的沉降组成将发生明显 的变化，需要进行塑性分析以计算单桩的沉降。

从目前国内外有关单 桩承载力和沉降计算研究的文献来看，弹性理论法、载荷传递分析法、 剪切变形传递法和数值计算分析法已经或逐步发展成为常用的单桩 承载性能分析方法2）群桩载荷沉降桩筏基础是由一组群桩及一块承台板组成，群桩桩顶与承台相连，并 且由承台将荷载传递到各基桩的桩顶，形成共同承受上部荷载的群 桩—承台体系竖向荷载作用下的群桩基础，由于承台、桩、土相互 作用，其基桩的承载力和沉降性状往往与相同地质条件和设置方法 的同样单桩有显著差别，这种现象称为群桩效应因此，群桩基础的 承载力常不等于其中各基桩的相应单桩承载力之和对群桩的载荷沉降研究起步于上个世纪50年代周东等介绍了深基 坑排桩锚固优化设计理论、设计程序以及工程应用对群桩受力分析 的研究方法，比较常用的包括：等代实体深基础法、沉降比法、弹 簧板法、荷载一沉降曲线简化法、简化有限单元法、有限元与边界元 藕合法等最初的研究主要限于模型研究，根据模型试验的成果，提 出采用群桩效率系数和沉降比来评价或估计群桩的承载力和沉降量 的经验方法随着工程实践和大量桩基工程沉降资料的观测，计算沉 降量需按建筑物的等级乘以经验系数，经验系数一般取值范围为1.0 —1.1之间。

2.3结构与地基基础共同作用分析结构与地基基础共同作用的计算方法考虑了上部结构对基础的影响， 柱底固端力作为作用于基础上的外荷载，在基础底面与地基土之间位 移连续与协调的原则下，进行基础与地基两者的分析计算其主耍 特点就是统一考虑建筑物上部结构、基础和地基三者的共同作用，从 而比较真实的反映出建筑物的实际工作状态，可以概括为模型试验、 原型测量和理论方法三类其中，大多数模型试验仅限于某个局部地 域模拟，以验证某一计算模型，整体模型试验较少原型测量包括激 振试验和强震观测两方面，这部分试验主要研究了桩筏基础的共同作 用工作性态，研究了在不同土质条件下，桩基侧阻力分布，桩距等参 数变化对共同作用的影响李伟 介绍了筏板和地基土共同作用下的基础沉降控制和工程应用I. Anastasopoulos提出了地基基础和上部结构共同作用下的分析理 论，其理论分析的简化性使得在结构基础设计初期得到广泛应用 土一结构动力相互作用的计算方法总体上分为两大类：解析法和数值 方法黄菊清、何春保、莫海鸿通过离散，将桩筏基础与地基的共同作用 化为桩、筏、土的共同作用问题，在土的Boussinesq解和Mindlin 弹性理论解的基础上，推导得到了不同荷载分布情况下的积分解答。

同时利用板的弹性理论，得到了地基上筏板的理论解在此基础上， 利用桩、筏、土之间的力与位移协调，采用半解析、半数值方法，给 出了桩筏基础与地基共同作用理论推导过程对于简单结构和均匀地基，可以通过解析法求得精确解，在上部 结构及地基模型较为复杂时用解析法分析实际问题有很大的困难，因 而解析法与工程实际相比有很大的局限性数值方法成为主要的理论 分析方法数值方法又可以分为很多种，如:有限元法、边界元法、 有限差分法、离散元法等其中有限元通用性强，编程方法比较成熟, 它可以真是地模拟地基和结构的力学性能，能够处理各种复杂的几何 形状和荷载工况，能够考虑结构周围土体的变形以及加速度沿土体剖 面的变化，可以考虑土体的非线性特点，经过适当的处理，利用各种 透射边界，还可以模拟地震波在无限体土体模型中的的传播因此有 限元方法成为应用最广泛最有效的方法桩筏基础有限元分析方法是在板的有限元的分析基础上，在刚度矩阵 中加上桩的刚度，以建立桩-土-筏板的整体刚度矩阵当考虑上部结 构影响时，可在总刚度矩阵中叠加上部结构刚度矩阵，并通过力的平 衡和变形协调条件来建立分析的基本方程，进行位移和内力的求解从 而从整体上进行基础分析。

用有限元方法分析土一结构动力相互作用问题的数值方法起源于60 年代末，Wilson和Smer较早将有限元应用于这一领域随着电子 计算机的飞速发展，经过国内外专家学者的辛勤劳动，有限元形态已 经相当丰富，理论基础相当完善，并且开发了一批优秀的通用和专用 有限元分析弓I擎，女HANSYS、ABAQUS、ADA、MSC 四 ASTRAN、 MsCARC等不过对丁考虑地基模型的高层钢结构地震响应分析还 缺少专门的研究总之，有限元是一种能较为精确地模拟真实情况的 方法从理论上讲，有限域和无限域内波动问题都可以用有限元离散 来模拟王伟、杨敏 根据已有的竖向荷载下刚性板桩筏基础分析结果提出了 一种竖向荷载下桩筏基础的通用分析方法该方法在筏板计算中采用 厚薄板通用有限元方法进行分析，其突出优点是可以分析由任意桩 长、桩半径和刚度特性的桩群以及任意厚度和几何外形的筏板组成的 竖向受荷桩筏基础；且不需要划分桩土体单元，仅需要板单元划分的 有限元计算数据，所以计算数据的准备工作量少；应用较方便，且保 持较高的分析精度和方法的通用性，同时避免了桩筏基础分析中选择 厚板或薄板理论的盲目性江杰等提出一种桩筏基础相互作用的简化分析方法。