桩土相互作用理论的进展与应用

第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉桩土相互作用的理论进展与工程应用天津大学土木工程系郑刚教授第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉桩土相互作用设计的发展桩土相互作用设计发展涉及到的问题第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉桩土相互作用设计的发展桩土相互作用设计发展涉及到的问题第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉70年代以来，桩基础的设计思想出现了较大的飞跃。由承载力控制设计逐渐过渡到满足承载力要求的前提下，以控制沉降（特别是差异沉降）为目的来设置桩。出现了一些经典的设计案例。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉Horikoshi&Randolph(1998)对荷载均匀的筏基，提出仅在基础中心16-25%范围内布桩，可得到较为优化的设计和均匀的沉降。对荷载不均匀的桩筏基础，可采用不同的桩长来得到最优化设计(Reul&Randolph,2004).国内刘经砺等也提出类似思想。进一步发展到柔性桩与刚性桩的组合使用近年来……第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉针对框架（或外框内筒、框架-剪力墙）结构建筑物经常出现边柱沉降小、中柱（或内筒）沉降大的情况，Flemming等1990年首次提出了在边柱下面设置具有一定模量的可压缩垫块，使边柱从而可产生较大的沉降，从而减小边柱与内柱的沉降差。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉可压缩垫块第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉1998年，Cao等针对地震区或可能承受较大风荷载作用的减少沉降量桩基，为减少桩身过高的竖向应力和相应分担的水平荷载，提出了将桩脱离筏板一定高度（称为disconnectedpile）的做法，并进行了放置在硬粘土上桩筏基础的筏板-桩-土相互作用分析。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉Cao,X.D.,Wong,I.H.,Chang,M.F.Behaviorofmodelraftsrestingonpile-reinforcedsand.JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2004,130(2):129-138.第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉桩筏脱离情况下不同布桩方式、不同桩长时筏板-桩-土的相互作用。主要是基于减少沉降控制桩基础可能受到过大水平力的问题。实质上类似于国内的刚性桩复合地基，只不过前者的桩顶与筏板之间不设置褥垫层，而是筏板下原位的土体。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉一些例子第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉MesseTurmTower,Frankfurt(Sommeretal.,1991;Tamaro,1996;El-MossallamyandFranke,1997).TheMesseTurmtower256m高,当时是欧洲最高的建筑物。建于1988~1990。采用了中心部分6m厚、边缘处3m厚的筏板。按桩达到极限承载力设计，承担60%的建筑物荷载。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉采用天然地基方案，沉降40~50cm，差异沉降将达15cm。采用了64根桩，桩径1.3m，长度26.9~34.9m.桩中心距3.5~6D。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉TheWestend1Tower是一幢51层、208m高。采用桩筏基础。设置40根桩，桩长30m，桩径1.3m。筏板中部厚4.5m，边缘处厚3m。底板置于法兰克福硬粘土上。土的再压缩模量62.4MPa（Frankeetal.1994).Westend1Tower,FrankfurtFrankeetal.(1994)andFranke(1991).第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉ResidentialbuildingsinSwedenHansbo(1993)其中一幢楼设计采用常规设计（桩基础安全系数3），桩数211根，28m长。另外一幢楼采用徐变桩“creeppile”的概念进行设计。桩作为减少沉降量的元件（settlementreducer）安全系数仅为1.25。仅设置104根桩，26m长。后者沉降并不比前者大。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉CommercialbuildinginSaoPaulo,BrazilPoulos(1994b)Akasaka某多层商业建筑占地44.5m×26.75m.柱下独立基础。在荷载较大的独立基础下设置桩以减少沉降。以SP11基础为例，最大沉降不超过30mm。不设置桩时，沉降50mm。采用了直径520mm预制桩，桩长12m，设置10根桩时则为20mm。最后采用了6根桩。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉法兰克福日本中心大楼High-risebuildingJapan-Center,Frankfurt塔楼占地37m×37m，与筏板基础存在偏心。采用了局部布桩解决偏心，同时又可避免在塔楼与纯地下室部分之间设置沉降缝。建筑物总重600MN，有效重量400MN。桩承担了300MN，占总荷载的70~75%。沉降7cm作用，整体倾斜1:1000。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉High-risebuildingSony-Center,Berlin建筑物场地下土主要为砂和泥灰岩。建筑物近邻新建成的地铁隧道。基础底面在泥灰岩之上。为减小沉降，采用了直径1.5m、桩长15m~25m的桩，。建筑物竣工后沉降3cm。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉国内的一些研究与实践第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉常规桩与传统复合地基中“桩”的结合传统复合地基与桩基的结合桩-基础间新的连接构造方式的研究与工程实践第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉常规桩与传统复合地基中“桩”的结合目前的发展一个重要趋势是，出现了传统桩基础中桩与复合地基中各类“桩”的柱体的结合，而形成很多新的复合桩体，呈现了“柔性桩、半刚性桩向刚性桩的发展”。例如，在常规水泥搅拌桩中心压入预制芯桩、在粉喷桩中静压压入预制桩、搅拌桩中施工沉管灌注桩、在悬喷桩中插入型钢等以获得较高的单桩承载力，研究表明，当芯桩尺寸适当时，摩擦型复合桩体可获得不小于与水泥土桩外围尺寸相同的灌注桩的承载力[2]。日本也采用在悬喷桩中心插入钢管用于桥梁桩基的抗震加固、在大直径水泥土桩中插入钢管形成钢管水泥土桩等。此外，还有在砂石桩中插入预制桩形成“砂芯砂石桩”[3]，以加快地基固结从而减少复合地基工后沉降和差异工后沉降。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉传统复合地基与桩基的结合其特点是，同一建筑物基础下同时采用钢筋混凝土桩、水泥土桩等共同承担荷载。即桩基础中，对桩间土采用复合地基范畴中的各类桩进行加固，期望提高桩间土承载力从而提高桩间土的分担作用。例如：钢筋混凝土桩、粉喷桩、砂桩组合形成的多元复合地基，钢筋混凝土桩、水泥土桩组成二元复合地基等。有人称之为“刚柔复合桩基[4]”，并在杭州某一12层的高层建筑下应用了有效桩长9m、桩径600mm的深层水泥搅拌桩44根，桩径分别为500mm和600mm、桩长36.5m的钻孔灌注桩60根。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉桩-基础间新的连接构造方式的研究与工程实践桩顶嵌入承台或基础:荷载由承台直接传递给桩，再经桩传递给土。不考虑土的分担作用。这是传统的桩基础。桩顶嵌入筏板:荷载由基础直接传递给桩和土，考虑土的分担作用，主要指复合桩基。疏桩基础、将桩作为减少沉降构件（settlementreducer）来设置的减少沉降桩基础等也可归为这一类。桩顶与基础之间设置褥垫层，荷载经基础（此时似乎不宜称为承台了）由褥垫层分配给桩与土的。一般指刚性桩复合地基。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉2002年陈遇珺、刘妍（导师郑刚）在其与天津市勘察院合作进行的现场试验中进行了现场足尺试验，在桩顶与承台之间设置一定高度净空，对此桩顶与承台之间预留一定高度净空时桩土分担荷载的情况进行了研究。郑刚等2004年在《岩土工程学报》报道了这项研究成果。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉01002003004005000100200300400500600700P(kN)(kN)土总反力桩顶反力PpPsLoadsharingbetweenpileandsoilincaseB第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉01002003004000200400600800P(kN)(kN)PsPpLoadsharingbetweenpileandsoilincaseC第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉厦门嘉益大厦（宰金珉、裴捷等）30层，100米高在深厚的花岗岩残积土中，埋藏着大小不一的大量孤石。设计者大胆地提出了在桩顶设置弹簧垫的设想，有了此弹簧垫，不管人工挖孔桩的桩端是否落在孤石上，也不管桩周摩阻力有多大，它都起到类似于摩擦桩受力后产生刺入变形的效果，保证筏板下的地基土能发挥作用，筏板产生较均匀沉降第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉采用隔震垫作为桩顶弹簧垫（由中国生产的隔震垫在日本已应用到28层高层建筑的隔震设计中）。为了保证其竖向变形能力，要求其竖向刚度k=18t/mm;极限变形量为6cm嘉益大厦的基坑开挖始于2002年11月，2003年5月底板施工完成，2004年5月大楼顺利封顶。到2004年8月，大楼内外填充墙及墙面抹灰已基本完成。最大沉降量为37.05mm，平均沉降量为25.64mm，筏板下的土压力分布也比预想的要小，最大点为300kPa,平均为140kPa；桩顶弹簧（隔震垫）的压缩变形量最大值为23.3mm，平均为14.1mm。第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉桩土相互作用设计的发展桩土相互作用设计发展涉及到的问题第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉桩土的长期相互作用问题非均质地基的桩土相互作用问题长短桩使用时的桩土相互作用问题不同直径桩使用的桩土相互作用问题刚性桩与非刚性桩的混合使用的桩土相互作用问题刚性承台、柔性路堤下桩基的使用的桩土相互作用问题桩、承台（基础）不同连接方式的使用的桩土相互作用问题动荷载下或循环荷载下的桩土相互作用问题超深开挖条件下的桩土相互作用问题第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉桩土的长期相互作用问题第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，2006，湖北武汉第二届全国岩土工程与学术大会，20