还剩38页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
摘要桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造,是最古老、最基本的一种基础类型,也是目前土木工程中利用最为广泛的一种,高层建筑占到70%以上在工程设计当中,利用土木工程力学方面的知识进行合理的桩基础设计是很重要、很有基础性意义的工作如何选择合理的桩基础形式,对于保证安全,节约投资、降低造价起着举足轻重的作用在本文中笔者根据上部结构荷载和场地地质条件,确定了桩型、桩几何尺寸和承台埋深,然后进行桩基计算分析计算了单桩竖向极限承载力标准值、单桩竖向承载力特征值和复合基桩竖向承载力设计值,确定了桩数及承台底面尺寸;通过桩身结构设计计算确定桩身配筋;再进行了桩顶作用验算、基桩承载力验算和单桩桩身强度验算;接着进行承台设计通过受弯计算确定承台配筋,通过受冲切验算桩基承台厚度及受剪验算、桩基础沉降验算;最后根据《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》介绍了桩基础施工及工程质量检查和验收的过程,并绘制了施工图关键词
1.预制桩基础
2.承台设计
3.沉降验算
4.基桩承载力验算
5.施工操作AbstractPilefoundationisakindofcreationofhumanbuildingsonsoftsoilfoundationisatypeoffoundationistheoldestthemostbasicbutalsoincivilengineeringatpresentbyusingoneofthemostextensivehigh-risebuildingsaccountedformorethan70%.Intheengineeringdesignthecivilengineeringmechanicsknowledgepilefoundationdesignisveryimportantitisthebasicmeaningofwork.Pilesfoundationhowtochooseareasonabletoensuresafetysaveinvestmentreducethecostofplayadecisiverole.Inthispapertheauthoraccordingtotheupperstructureloadandthegeologicalconditiontodeterminethetypeofpilepilecapdimensionanddepththenthecalculationofpilefoundation:analysisandcalculationofthevaluethebearingcapacityofsinglepileverticalultimateverticalbearingcapacityofsinglepilebearingcapacitydesignvalueandthevalueofcompositepileverticaldeterminethenumberofpilesandthesizeofthepier;pilestructuredesigncalculationofpilereinforcement;thenthecheckingofbearingcapacityandstrengthofsinglepileandpiletopsettlementcalculationcheckingeffectofpilefoundation;thentheplatformdesign:theflexuralcalculationtodeterminethepilereinforcementthepunchingandshearingcalculationcheckingthepilecapthickness;finallyaccordingtothetechnicalcodeforbuildingpilefoundationJGJ94-2008introducedtheprocessofpilefoundationconstructionandengineeringqualityinspectionandacceptanceanddrawtheconstructiondrawings.Keyword:
1.Precastconcretepilefoundation
2.Designofpilecaps
3.Settlement calculation
4.Pilebearingcapacitycalculation
5.Constructionoperation目录TOC\h\z\t332211HYPERLINK\l_Toc388477026第1章绪论1HYPERLINK\l_Toc
3884770271.1引言1HYPERLINK\l_Toc
3884770281.2基础工程技术的国外动态1HYPERLINK\l_Toc
3884770291.3新型桩基的发展1HYPERLINK\l_Toc
3884770301.4桩基向大直径超长方向发展2HYPERLINK\l_Toc
3884770311.5桩基向工厂预制化发展2HYPERLINK\l_Toc
3884770321.6桩基向新施工技术方向发展2HYPERLINK\l_Toc
3884770331.7桩基向组合桩方向发展3HYPERLINK\l_Toc
3884770341.8向高强度桩方向发展3HYPERLINK\l_Toc
3884770351.9桩基新设计方法4HYPERLINK\l_Toc
3884770361.10桩基施工中存在的问题4HYPERLINK\l_Toc
3884770371.11总体评估5HYPERLINK\l_Toc388477038第2章7HYPERLINK\l_Toc
3884770392.1工程概况7HYPERLINK\l_Toc
3884770402.2地质条件7HYPERLINK\l_Toc
3884770412.3土层参数7HYPERLINK\l_Toc388477042第3章9HYPERLINK\l_Toc
3884770433.1基础选型9HYPERLINK\l_Toc
3884770443.2桩的选型9HYPERLINK\l_Toc
3884770453.3桩基础设计9HYPERLINK\l_Toc
3884770463.4单桩承载力确定9HYPERLINK\l_Toc3884770473.
4.1单桩竖向极限承载力标准值的确定9HYPERLINK\l_Toc
3884770483.
4.2单桩竖向承载力特征值计算10HYPERLINK\l_Toc
3884770493.5确定桩数和承台尺寸10HYPERLINK\l_Toc
3884770503.6计算单桩承受外力11HYPERLINK\l_Toc
3884770513.
6.1桩数验算11HYPERLINK\l_Toc
3884770523.
6.2在偏心竖向荷载作用下11HYPERLINK\l_Toc
3884770533.7桩身结构设计计算11HYPERLINK\l_Toc
3884770543.8桩基中各单桩水平向承载力验算12HYPERLINK\l_Toc
3884770553.9单桩桩身强度验算13HYPERLINK\l_Toc
3884770563.10承台板设计13HYPERLINK\l_Toc
3884770573.
10.1抗弯验算15HYPERLINK\l_Toc
3884770583.
10.2冲切验算15HYPERLINK\l_Toc
3884770593.
10.3抗剪承载力计算16HYPERLINK\l_Toc
3884770603.11桩基础沉降验算18HYPERLINK\l_Toc
3884770685.2展望26HYPERLINK\l_Toc388477069参考文献27HYPERLINK\l_Toc388477070致谢28第1章绪论
1.1引言桩基础是一种历史悠久、应用广泛的深基础基础,随着工业技术和工程建设的发展,桩的类型和成桩工艺、桩的设计理论和设计方法、桩的承载力与桩体结构的检测技术等方面均有发展,以使桩与桩基础的应用更为广泛,具有很强的生命力改革开放三十几年来随着我国经济的持续增长改革开放三十几年来随着我国经济的持续增长城市建设向高空发展市内交通向多层次立体化发展桩基础的发展也越来越快,桩基础已然成为高层建筑和各大型建筑最为重要的一部分
1.2基础工程技术的国外动态近年来,国外基础工程技术的研究方向主要集中在高层及超高层建筑的需求建筑物基础的多种利用、基坑工程的新技术、基础工程节材以及提升持久性等方面进入21世纪以来,随着城市土地资源的紧张和科技的进步,超高层建筑的建设呈爆发式增长,建设重心已经由北美转向东亚和中东,建筑有效高度超过600m,并有突破1000m的趋势截至2010年底,已经建成并投入使用的全球10个超高层建筑中的9座分布在以中国为代表的东亚地区和以迪拜为代表的中东地区,其中中国两岸三地占据7座;中东地区以迪拜为代表,目前全球最高的高层建筑迪拜塔160层,高度达到828m,高度超过1000m的Nakheel tower也在设计中,即将开始建设目前相当一批有效高度超过600m甚至超过1000m的高层建筑也在规划设计中,全球各地正在掀起超高层建设的热潮
1.3新型桩基的发展1桩端(侧)压为注浆技术效果好速度快,可节省大量成本,减少建筑物的整休沉降和不均匀沉降,所以近年来注浆也越来越多的得到发展和广泛应用,它适用于桩端加固和桩侧土固化2挤扩支盘灌注桩,由于其对摩擦型桩的桩侧摩阻力的提高效果很好且经济效益明显,几年也得到了较愉的发展,它适用于黏性土为主的摩擦型桩基3预应力混凝土竹节桩最早出现在日本,为了适应环太平洋洋地震带的频繁需要,在管桩桩身上设计每2m有一条宽为5cm的凸出混凝土肋环,移竹节妆预应为管桩,为了在深厚软土层中,改善桩基侧软土介质,提高单桩承载力我国近年提出了一种扩大头带肋填砂预应力管桩,它在原管桩的基础上增加钢质扩大头,并在管桩成型时浇注出一定宽度的混凝土肋,沉桩时大头和肋形的桩侧空隙用砂填充,这样就形成了桩头大桩侧灌砂的预应力管桩适用于淤泥质土层4大直径筒桩,由于采用环形桩尖,形成大直径环浇混凝土薄壁筒桩,具有搞水平力好的特点,应用于音桩竖向荷载不高的提防工程中5就地取材碎石型锤击灌注桩,由于现场锤击成孔,现场碎石浇灌被广泛应用于残坡积的土层加固基础中6大直径钻埋空心桩在已经钻好的大直径孔内沉放预制桩壳,形成空心桩主要应用于桥梁深桩基础中,而大直径和预拼工艺也是当前桥梁深桩基础工程的发展趋势
1.4桩基向大直径超长方向发展随着高层、超高层建筑物以及跨江、跨海等特大桥梁的建设,上部结构对桩基础承载力与变形的要求越来越高,桩的直径越来越大,桩长越来越长,使桩出现了向超长、大直径方向发展的趋势例如上海环球世贸中心、金茂大厦都采用了桩长超过80米的钢管桩,温州世贸中心采用了80~120m不等的钻孔灌注桩,杭州钱塘江六桥采用的钻孔灌注桩更长达130m,襄樊西部铁路桩基础最长达139m日本日本横滨跨径460m的横断大桥桩基础嵌岩扩孔至直径达10m,我国江西贵溪大桥的桩基础直径也达到
9.5m
1.5桩基向工厂预制化发展近年来,一些类型的桩正向着工厂化生产的趋势发展,而工厂化生产也促使这些桩型在工程建设中被广泛的应用
1.6桩基向新施工技术方向发展随着人们对建筑施工环境保护要求越来越高,一些施工新工艺新技术得到了快速的发展1对于预制桩和钢桩的施工,为了避免打入法施工工艺带来的噪声、振动以及压入法带来的挤土效应对临近建筑物及地下管线等产生的不良影响,埋入法施工工艺得到了开发和应用北京地区采用的植桩法,即先用长螺旋钻孔,穿过硬夹层或可液化层,然后将预制桩放入孔内,最后锤击沉桩使桩端进入设计要求的持力层,同时预应力管桩压桩也由锤击打入式转向预压式或抱压实施工2由于正循环钻孔桩泥浆处理污染环境,所以出现了成套工艺的泵式反循环钻进系统,泥浆循环全部进入钢制的泥浆箱同时出现了全套取土型的贝诺特关注桩施工方法3由于钻孔桩存在沉渣问题,持力层扰动问题和泥皮问题,所以出现了桩侧和桩端后注浆的施工技术4由于打桩挤土问题在城市化过程中日益突出,出现了打桩施工边监测边设计的信息化施工新方法5在围护桩施工中出现了钻孔咬合桩,地下连续墙等施工新技术6新的自动化打桩机械不断出现
1.7桩基向组合桩方向发展1刚柔复合桩组合,刚性桩一般采用混凝土桩且是长桩,打到较好的持力层,柔性桩一般采用水泥搅拌桩且为短桩、摩擦桩型刚性桩起到控制沉降的作用,柔性桩起到变形协调的作用刚柔复合桩桩顶与碎石混凝土混合势层直接接触,垫层上面为刚性混凝土基础,柱基设计按复合桩设计2长短桩组合及桩身材料同为混凝土桩,但根据上部荷载的特点和地质条件选择不同的桩长和不同的持力层优点是可以调整基础荷载受力基本均匀,缺点是不同的桩长会带来不同的沉降,特别是对主楼和裙楼交界处的应力协调不利,应特别注意3咬合桩组合可以是灌注桩之间的组合;可以使混凝土桩与水泥搅拌桩之间的咬合;也可以是预制桩与现浇桩之间的咬合,可以是内包也可以是外包,形成了一系列的组合桩目前咬合桩主要使用在基坑支护桩中4桩长度方向的组合,即同一根单桩中上部桩为混凝土桩,下半部为钢桩这样有利于将桩打入持力层较坚硬的岩土中,反之根据桩的轴力上大下小的特点,也有组合桩采用单桩桩身中上部采用高配筋高强度的混凝土,桩的中下部采用低配筋低强度的混凝土,以适应不同地质条件中桩的受力特点有时为了减少挤土,桩下部采用H型钢桩,桩上部采用混凝土预制桩等
1.8向高强度桩方向发展随着对打入式预制桩要求越来越高,诸如高承载力、穿透硬夹层、承受较高的打击应力及快速交货等要求,普通钢筋混凝土桩(简称R.C桩,混凝土强度等级为C25~C40)已满足不了上述要求,故预应力钢筋混凝土桩(简称P.C桩,混凝土强度等级为C40~C80)和预应力高强度混凝土桩(简称P.H.C桩,混凝土强度等级不低于C80)使用越来越多PHC管桩在欧美、日本、前苏联及东南亚诸地区大量采用日本使用的预制混凝土桩几乎均为PHC桩从1970~1992年间,日本管桩的年产量在520~830万吨之间最近十几年来,我国管桩行业经历研制开发期、推广应用期、调整发展期和快速发展期等四个时期以珠江三角洲和长江三角洲为基地,由南向北,由东向西,沿海沿江沿湖,向内陆地区健康而快速地发展,在产品品种和产量上均达到世界前列具体地体现在布局面广;产品品种与规格齐全;生产技术成熟;国产化装备和原材料完全满足生产需要;配套应用技术日趋完善;应用领域不断扩大;依靠技术进步求效益、求发展;质量意识不断强化,质量保证体系日趋完善;企业向多元化规模化发展到2003年全国管桩生产企业达220家,全国管桩年产量约
1.4亿m苏州混凝土水泥制品研究院金舜教授级高工等提出管桩发展的建议进一步开发磨细矿物掺合料在管桩中的应用技术;进一步开发钢纤维混凝土在管桩中的应用技术;开发钢管混凝土管桩、长管桩以适应重大工程需要;开发余浆的综合利用技术;推广碎石砂在管桩生产中的应用重视管桩桩身混凝土的耐久性;在PHC桩生产中推广应用“管桩水泥”
1.9桩基新设计方法桩基的设计理论与方法不断吸取其他学科先进成果,取得了非常迅速的发展,如电子计算机和数值计算方法的巨大成就,岩土力学、结构工程、施工技术领域的研究成果,给桩基科学注入了新的活力,并形成和发展了许多新的设计理论疏桩设计理论、复合桩设计理论、桩基与上部结构建筑协同作用理论、桩端(侧)压力注浆设计理论、桩的水平抗力及抗震理论、桩基环境效应理论都得到不断地发展利用建立某区域试桩数据库和城市地层柱状图及岩土参数数据表进行初步设计,并利用现场测桩数据进行施工图设计的反馈优化设计是信息化桩基设计的一个重要方向另外,针对工程经济效益及环境保护因素的控制,桩基的优化设计理论与方法也得到快速的发展,但目前仍在完善中
1.10桩基施工中存在的问题在桩基施工技术取得长足进步和巨大成就的同时也存在不少问题近年施工事故时有发生也令人震惊如武汉市某一18层的商品楼建筑面积
1.46万m2采用夯扩桩基础在结构封顶后进入内装修和楼地面施工时大楼出现不均匀下沉倾斜方向也出现变化不到数日楼顶水平位移就达到
2.884倾斜度达
4.49%因无法抢救而只好爆掉这是一起中外建筑史上罕见的事故专家分析事故原因认为除了桩体施工质量存在一系列严重缺陷外更重要的原因是桩型选择不当他们形象地指出将夯扩桩打在淤泥质土层中无异于将“一把筷子插到稀饭里”又如南京某大厦在人工挖孔桩及基础开挖期间抽降地下水而未采取相应措施造成毗邻单位厂房墙体严重开裂地面下沉厂房内的机器严重受损最后经法庭裁决以建设方赔偿受害方人民币1400万元而告终这是我国对忽视桩基施工对周围环境引起危害者绳之以法的首例大案上述两例只是较大的事故其他还有限于在的薄弱环节施工者对之事先未加防护或认真对待;其二是施工时掉以轻心操作不当管理不严归根结底是由于施工队伍的素质包括思想、文化、专业及职业道德跟不上形势的需要实践证明对于一支素质优良的施工队伍即使设计、地质或桩型本身有问题也能防患于未然因此当务之急是全面提高桩基施工队伍的素质以迎接更艰巨的任务
1.11总体评估我国目前应用的桩型具有以下特点:大中小直径并存就地灌筑与预制并存机械成孔与人工开挖并存锤击、振动与静压并存以及接近90年代国际水平的工艺与传统工艺并存等等这既是由于地域大、地质条件复杂、工程性质不同等客观实际需要也是由于我们特别重视桩型经济性所致它们既符合我国当前的国情也是发展中国家应采取的技术政策和社会主义市场经济规律的具体反映经验证明对于各种打入桩尤其是沉管桩施工须慎之又慎才能杜绝隐患;另一方面可以预料桩型的发展还将会因各地日益严格的环保要求而兴衰如果以桩型体系中存在的诸多先进因素或以桩所支承的建筑物的最大高度和桥梁的最大跨度及其技术复杂程度等作为衡量一国一地桩基施工水平的主要指标那么根据我国现状偏保守地说我国的桩基施工技术水平至少已具有发达国家80年代中期或末期的水平因此我们可以欣喜地说我们只用了20年时间就走了发达国家发展桩基经历的百年历程我国现在与发达国家在桩基施工技术上的差距主要是:施工事故频繁巫应加大整治力度;现场文明程度和施工对环境造成的危害还需进一步分别改善和控制;一批新桩型包括能承受超量竖向和横向荷载的巨型灌注桩矩形或条形或称Barrette以及硬土地基的大深度灌注桩等都有待研究开发否则会与国外的差距将会拉大第2章
2.1工程概况某工程总建筑面积14086m2无地下室,建筑平面尺寸为
38.5m×
30.5m,设架空地下室一层地上15层框架剪力墙结构,底层层高
4.5m,以上各层层高均为
3.0m工程重要性等级为一级已知上部框架结构由柱子传来的荷载Nmax=
3396.8kNMmax=193kN·m,Vmax=75kN·m
2.2地质条件场地土自地表向下依次由杂填土、硬塑红粘土、淤泥质粘土、粉土、稍密粉细砂、及三叠系中统关岭组中厚层状泥质白云岩构成,下覆基岩为中风化白云岩钻探深度范围内无地下水
2.3土层参数表2-1地基土层参数岩土层编号土层厚度m天然重rkN·m3承载力特征值(kPa)内摩擦角φ(°)粘聚力CkPa)压缩模量MPa变形模量MPa杂填土
①
1.5m
17.580—
12.
0015.
003.00—硬塑红粘土
②
2.8m19200—
11.
628.
705.2—淤泥质粘土
③
9.5m
17.50150—
12.
0016.
002.80—续表2-1岩土层编号土层厚度m天然重rkN·m3承载力特征值(kPa)内摩擦角φ(°)粘聚力CkPa压缩模量MPa变形模量MPa粉土
④
8.50m
20.0170—
19310.0松散状粉细沙
⑤
2.7m
19.50110—
2007.5—稍密粉细沙
⑥
1.8m
20.50160—
25010.5密实粉砂
⑦
3.5m
21.6176—
26.
6014.03强风化白砂岩
⑧揭露
10.20m
26.11—650第3章
3.1基础选型由于建筑结构荷载大.分析研究表明,在柱荷载作用下天然地基难以满足承载力要求,场地分布的杂填土及硬塑的红粘土不具备作持力层条件,粉细砂强度低厚度薄,也不具备作持力层条件,故拟采用粉土,以粉土作持力层,采用独立基础结合桩基础
3.2桩的选型桩型选择要做到经济合理、技术可行,除了应满足建筑物结构荷载、变形的要求,同时应考虑成桩的可能性及对环境的影响拟建建筑物基础的选型应综合考虑设计、施工、场地条件等各方面的因素钢筋混凝土预制桩具有质量稳定、混凝土强度高、耐打性好、桩身承载力高、施工进度快、施工现场整洁、安全可靠、经济环保的优点综合考虑本工程场地以粉土作为持力层,桩长较短.采用钢筋混凝土预制桩,即经济又满足承载力要求
3.3桩基础设计上部结构传来不利荷载基本组合为轴力Nmax=
3996.8kN;Mmax=193kN·m,Vmax=75根据地质条件以粉土做持力层,所以桩类型为端承摩擦桩地下水位于承台底面,承台埋深
1.5m承台厚
0.8m桩的尺寸为400mm×400mm桩尖进入持力层
1.6m桩插入承台10cm所以桩长14m桩身混凝土强度等级C30,C=
1.5x104kN/m承台混凝土强度C
303.4单桩承载力确定3.
4.1单桩竖向极限承载力标准值的确定查《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》表
5.
3.5-
1、
5.
3.6-1杂填土=20kPaL=
1.5m硬塑红粘土=35kPaL=
2.8m淤泥质粘土=25kPaL=
9.5m粉土=50kPaL=
1.6m=1300kPa由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》
5.
3.5-1=4×
0.4×
1.5×20+
2.8×35+
9.5×25+
1.6×50+
0.4×
0.4×1300=
912.8kN
3.
4.2单桩竖向承载力特征值计算由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》式=
456.4kN
5.
2.2-1考虑承台效应的复合桩基竖向承载力特征值按《建筑桩基技术规范》计算
5.
2.5-
13.5确定桩数和承台尺寸由于桩数未知,承台尺寸未知,先不考虑承台质量,初步确定桩数,带布置完后再计算承台质量,验算桩数是否满足要求由最不利荷载标准组合轴力Nmax=
3996.8kNMmax=193kN·m,Vmax=75kN·mn根取n=9(根);桩距S=3d=3×
0.4=
1.2m承台尺寸取
3.4m×
3.4m桩位平面布置图,承台底面尺寸如下图图3-1平面图mm图3-2立面图mm
3.6计算单桩承受外力
3.
6.1桩数验算承台及承台上土的天然重度取kN·m-3=20×
3.4×
3.4×
1.5=
346.8kN=
4343.6/9=
482.6kN考虑承台效应的复合桩基竖向承载力特征值按《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》
5.
2.5-1=
456.4+
0.06×
172.4×
3.4×
3.4-9×
0.4×
0.4=
561.08kN即满足:
3.
6.2在偏心竖向荷载作用下作用在承台底的弯矩:M+Hd=193+
1.5×75=
305.5kN·m由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》
5.
1.1-2式
525.1kN由于該承台是正方形承台,所以在边角的桩所受偏心弯矩最大,由上面的分析计算可知
525.1kN即满足≤
1.2R=
673.3kN
3.7桩身结构设计计算由于桩长14m,则可不用分两节生产,采用两点吊立的强度计算来进行桩身的配筋计算吊点在位于桩顶
0.207L处(L为桩身长度)起吊时桩身的最大负弯矩为
0.0214ql3其中k=
1.3延桩长每米自重q=
1.2×
0.4×
0.4×25=
4.8kN/m
1.2为恒载分项系数,桩身混凝土强度等级C30HRB335级钢筋故
0.0214×
4.8×14×14=
20.13kN·m桩身有效截面高度
0.4-
0.03=
0.37m
0.
0250.099桩身受拉主筋185mm2选用2Φ20mm的HRB335级钢筋因此整个截面主筋配筋为4Φ20mm的HRB335级钢筋(1256mm2)其配筋率:
0.85%(满足预制桩最小配筋率
0.8%)≥
0.23%满足配筋其他构造筋见施工图桩身强度:
1.0×15×400×370+300×912=
2493.6kN≥R
3.8桩基中各单桩水平向承载力验算根据《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》其中,
1.5b+
0.5;EI=
0.85由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》表(
5.
7.5),取m=
6.0,相应单桩在地面处水平位移为10mm已知:;==
6.67;
0.31%;
1.5b+
0.5=
1.5×
0.4+
0.5=
1.1=
0.0121EI=
0.85×3××
0.0121=
3.08×则:=
0.46换算深度=
0.46×14=
6.5m;4时取=
4.0查表《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》;取
0.940;桩顶约束情况为固接根据《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》估算预制桩单桩水平承载力特征值则:
239.2kN基桩水平承载力特征值应考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应,可按下列公式确定:由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》:
5.
7.3-
15.
7.3-
65.
7.3-
75.
7.3-
85.
7.3-
95.
7.3-
30.06×
172.4×
3.4×
3.4-9×
0.4×
0.4=
104.7kPa
3.4+6=
9.4m
0.60×
2.05+0+
0.015=
1.245则=
1.245×
239.2=
297.80kN满足kN即水平承载力满足要求
3.9单桩桩身强度验算由于桩顶以下5d范围的桩身螺旋式箍筋间距不大于100mm,且符合《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》规定时:查《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》:则:=
0.85×
14.3×400×400+
0.9×300×452=
2066.8kN≥N=
482.6kN(满足要求)
3.10承台板设计承台的平面尺寸为
3.4m×
3.4m,图3-3mm布置图如右图3-3厚度由弯曲、冲切、局部承压等因素综合确定初步拟定承台厚度800mm,其边缘厚度为600mm,其承台顶平台边缘距柱的边缘为300mm,混凝土强度采用C30,保护层取100mm,钢筋采用HRB335级钢筋其下做100mm厚C
7.5级素混凝土垫层
3.
10.1抗弯验算计算各排桩的竖向反力及净反力kN净反力
502.4kNkN净反力kNkN净反力kN故X-X轴截面桩边缘处最大弯矩应采用桩的净反力计算
502.4+
459.8+
417.5×
1.2-
0.4-
0.2=
827.82kN·m承台计算截面处的有效高度700mm(加100mm素混凝土垫层)4380mm2配置1818钢筋,间距180mm钢筋中心间距4580mm2Y-Y截面桩边缘处最大弯矩应采用桩的净反力计算=
502.4×3×
0.8=
1205.76kN·m承台计算截面处的有效高度700mm
6379.7mm2配置1822钢筋,间距180mm6842mm
23.
10.2冲切验算
3.
10.
2.1柱对承台的冲切验算柱的截面尺寸为800mm×800mm对于柱下矩形独立承台受柱冲切的承载力可按《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》计算右图3-4;;=2×[
1.33×
0.8+
0.6+
1.33×
0.8+
0.6]×
1.0×1430×
0.7=
7455.45≥kN故承台受柱冲切承载力满足要求
3.
10.
2.2角桩冲切验算由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》(
5.
9.8-1)式mm;mm;mm;图3-4由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》式如图3-5当≤800mm时,取
1.0[
0.89×
0.7+
0.6/2+
0.89×
0.7+
0.6/2]×
1.0×1430×
0.7=
1781.8kN≥
502.4kN单桩最大净反力满足要求图3-
53.
10.3抗剪承载力计算计算承台截面的抗剪承载力(如图3-6)图3-6mm承台保护层厚度为100mm;因为≤800mm,所以剪切承载力截面高度影响系数则;对A-AB-B两个截面计算宽度,[1-
0.5×
0.2/
0.6×1-
0.8/
3.4]×
3.4=
2.97m因为承台选用C30混凝土,则kPa;由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》式
5.
9.10-2由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》式
5.
9.10-
11.0×
1.22×14300×
2.97×
0.7=
3567.5kN≥3×
502.4=
1507.2kN所以承台受剪承载力满足要求
3.11桩基础沉降验算建筑平面尺寸为
38.5m×
30.5m计算矩形桩基中点沉降时,桩基沉降量可由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》计算在荷载效应准永久组合下承台底的平均附加压力=kPa——平均附加应力系数,根据矩形长宽比a/b及深宽比,按《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》附录D选用;乘以
1.5挤土效应系数
1.5×
9.878=
14.7由《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》查表得=
0.9桩基等效沉降系数可按下列公式简化计算,按《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》附录E确定;=
0.0495;=
1.587;=
9.638==表3-1沉降计算土分层厚度mMPamm(MPa)mm总沉降s(mm)
110.
00100.
23880.
00000.
588285.
49049.
8788.
61723.
567110.
00210.
21610.
23881.
1764154.
72766.
979110.
00320.
18660.
21611.
7647200.
40844.
605110.
00430.
15970.
18662.
3529228.
69042.
851110.
00540.
13880.
15972.
9411248.
45201.
992110.
00650.
12230.
13883.
5294262.
70041.
436110.
00760.
10890.
12234.
1176272.
90341.
02817.
50870.
09820.
10894.
7058281.
24481.
12117.
50980.
08920.
09825.
2941287.
40240.
8280.
77.
509.
790.
08390.
08925.
7058291.
35110.
531110.
5010.
79.
70.
07730.
08396.
2941296.
10530.
4560.
810.
5011.
510.
70.
07260.
07736.
7647298.
89420.
268114.
0312.
511.
50.
06750.
07267.
3529302.
06250.
228114.
0313.
512.
50.
06310.
06757.
9411304.
96230.
208114.
0314.
513.
50.
05920.
06318.
5294307.
30720.
1680.
514.
031514.
50.
05750.
05928.
8235308.
77500.105即最终的沉降量s=
2.3567cm小于规范的允许值,即满足沉降要求第4章混凝土预制桩的施工
4.1混凝土预制桩的制作1混凝土预制桩可在施工现场预制,预制场地必须平整、坚实2制桩模板宜采用钢模板,模板应具有足够刚度并应平整,尺寸应准确3钢筋骨架的主筋连接宜采用对焊和电弧焊,当钢筋直径不小于20mm时,宜采用机械接头连接主筋接头配置在同一截面内的数量,应符合下列规定
①当采用对焊或电弧焊时,对于受拉钢筋,不得超过50%;
②相邻两根主筋接头截面的距离应大于35dg(主筋直径),并不应小于500mm;
③必须符合现行行业标准《钢筋焊接及验收规程》JGJ18和《钢筋机械连接通用技术规程》JGJ107的规定4预制桩钢筋骨架的允许偏差应符合表4-1的规定表4-1预制桩钢筋骨架的允许偏差项目允许偏差(mm)主筋间距±5桩尖中心线10箍筋间距或螺旋筋的螺距±20吊环沿纵轴线方向±20吊环沿垂直于纵轴线方向±20吊环露出桩表面的高±10主筋距离距桩顶±5桩顶钢筋网片位置±10多节桩桩顶预埋件位置±35确定桩的单节长度时应符合下列规定
①满足桩架的有效高度、制作场地条件、运输与装卸能力;
②避免在桩尖接近或处于硬持力层中时接桩6灌注混凝土预制桩时,宜从桩顶开始灌筑,并应防止另一端的砂浆积聚过多7锤击预制桩的骨料粒径宜为5~40mm8锤击预制桩,应在强度与龄期均达到要求后,方可锤击9重叠法制作预制桩时,应符合下列规定
①桩与邻桩及底模之间的接触面不得粘连;
②上层桩或邻桩的浇注,必须在下层桩或邻桩的混凝土达到设计强度的30%以上时,方可进行;
③桩的重叠层数不应超过4层10混凝土预制桩的表面应平整、密实,制作允许偏差应符合表4-2的规定11本规范未作规定的预应力混凝土桩的其他要求及离心混凝土强度等级评定方法,应符合国家现行标准《先张法预应力混凝土管桩》GB/T
13476、《先张法预应力混凝土薄壁管桩》JC888和《预应力混凝土空心方桩》JG197的规定表4-2混凝土预制桩制作允许偏差(mm)桩型项目允许偏差(mm)钢筋混凝土实心桩横截面边长±5桩顶对角线之差≤5保护层厚度±5桩身弯曲矢高不大于1‰桩长且不大于20桩尖偏心≤10桩端面倾斜≤
0.005桩节长度±20钢筋混凝土管桩直径±5长度±
0.5%L管壁厚度-5保护层厚度+10,-5桩身弯曲(度)矢高L/1000桩尖偏心≤10桩头板平整度≤2桩头板偏心≤
24.2混凝土预制桩的起吊、运输和堆放1混凝土实心桩的吊运应符合下列规定
①混凝土设计强度达到70%及以上方可起吊,达到100%方可运输;
②桩起吊时应采取相应措施,保证安全平稳,保护桩身质量;
③水平运输时,应做到桩身平稳放置,严禁在场地上直接拖拉桩体2预应力混凝土空心桩的吊运应符合下列规定
①出厂前应作出厂检查,其规格、批号、制作日期应符合所属的验收批号内容;
②在吊运过程中应轻吊轻放,避免剧烈碰撞;
③单节桩可采用专用吊钩勾住桩两端内壁直接进行水平起吊;
④运至施工现场时应进行检查验收,严禁使用质量不合格及在吊运过程中产生裂缝的桩3预应力混凝土空心桩的堆放应符合下列规定
①堆放场地应平整坚实,最下层与地面接触的垫木应有足够的宽度和高度堆放时桩应稳固,不得滚动;
②应按不同规格、长度及施工流水顺序分别堆放;
③当场地条件许可时,宜单层堆放;当叠层堆放时,外径为500~600mm的桩不宜超过4层,外径为300~400mm的桩不宜超过5层;
④叠层堆放桩时,应在垂直于桩长度方向的地面上设置2道垫木,垫木应分别位于距桩端
0.2倍桩长处;底层最外缘的桩应在垫木处用木楔塞紧;
⑤垫木宜选用耐压的长木枋或枕木,不得使用有棱角的金属构件4取桩应符合下列规定
①当桩叠层堆放超过2层时,应采用吊机取桩,严禁拖拉取桩;
②三点支撑自行式打桩机不应拖拉取桩
4.3混凝土预制桩的接桩1桩的连接可采用焊接、法兰连接或机械快速连接(螺纹式、啮合式)2接桩材料应符合下列规定
①焊接接桩钢钣宜采用低碳钢,焊条宜采用E43;并应符合现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81要求接头宜采用探伤检测,同一工程检测量不得少于3个接头
②法兰接桩钢钣和螺栓宜采用低碳钢3采用焊接接桩除应符合现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81的有关规定外,尚应符合下列规定
①下节桩段的桩头宜高出地面
0.5m;
②下节桩的桩头处宜设导向箍接桩时上下节桩段应保持顺直,错位偏差不宜大于2mm接桩就位纠偏时,不得采用大锤横向敲打;
③桩对接前,上下端板表面应采用铁刷子清刷干净,坡口处应刷至露出金属光泽;
④焊接宜在桩四周对称地进行,待上下桩节固定后拆除导向箍再分层施焊;焊接层数不得少于2层,第一层焊完后必须把焊渣清理干净,方可进行第二层(的)施焊,焊缝应连续、饱满;
⑤焊好后的桩接头应自然冷却后方可继续锤击,自然冷却时间不宜少于8min;严禁采用水冷却或焊好即施打;
⑥雨天焊接时,应采取可靠的防雨措施;
⑦焊接接头的质量检查,对于同一工程探伤抽样检验不得少于3个接头4采用机械快速螺纹接桩的操作与质量应符合下列规定
①安装前应检查桩两端制作的尺寸偏差及连接件,无受损后方可起吊施工,其下节桩端宜高出地面
0.8m;
②接桩时,卸下上下节桩两端的保护装置后,应清理接头残物,涂上润滑脂;
③应采用专用接头锥度对中,对准上下节桩进行旋紧连接;
④可采用专用链条式板手进行旋紧,(臂长1m卡紧后人工旋紧再用铁锤敲击板臂,)锁紧后两端板尚应有1~2mm的间隙5采用机械啮合接头接桩的操作与质量应符合下列规定
①将上下接头钣清理干净,用扳手将已涂抹沥青涂料的连接销逐根旋入上节桩Ⅰ型端头钣的螺栓孔内,并用钢模板调整好连接销的方位;
②剔除下节桩Ⅱ型端头钣连接槽内泡沫塑料保护块,在连接槽内注入沥青涂料,并在端头钣面周边抹上宽度20mm、厚度3mm的沥青涂料;当地基土、地下水含中等以上腐蚀介质时,桩端钣板面应满涂沥青涂料;
③将上节桩吊起,使连接销与Ⅱ型端头钣上各连接口对准,随即将连接销插入连接槽内;
④加压使上下节桩的桩头钣接触,接桩完成
4.4锤击沉桩1沉桩前必须处理空中和地下障碍物,场地应平整,排水应畅通,并应满足打桩所需的地面承载力2桩锤的选用应根据地质条件、桩型、桩的密集程度、单桩竖向承载力及现有施工条件等因素确定,也可按本规范附录H选用3桩打入时应符合下列规定
①桩帽或送桩帽与桩周围的间隙应为5~10mm;
②锤与桩帽、桩帽与桩之间应加设硬木、麻袋、草垫等弹性衬垫;
③桩锤、桩帽或送桩帽应和桩身在同一中心线上;
④桩插入时的垂直度偏差不得超过
0.5%4打桩顺序要求应符合下列规定
①对于密集桩群,自中间向两个方向或四周对称施打;
②当一侧毗邻建筑物时,由毗邻建筑物处向另一方向施打;
③根据基础的设计标高,宜先深后浅;
④根据桩的规格,宜先大后小,先长后短5打入桩(预制混凝土方桩、预应力混凝土空心桩、钢桩)的桩位偏差,应符合表4-3的规定斜桩倾斜度的偏差不得大于倾斜角正切值的15%(倾斜角系桩的纵向中心线与铅垂线间夹角)表4-3打入桩桩位的允许偏差mm项目允许偏差带有基础梁的桩
(1)垂直基础梁的中心线
(2)沿基础梁的中心线100+
0.01H150+
0.01H桩数为1~3根桩基中的桩100桩数为4~16根桩基中的桩1/2桩径或边长桩数大于16根桩基中的桩
(1)最外边的桩
(2)中间桩1/3桩径或边长1/2桩径或边长注H为施工现场地面标高与桩顶设计标高的距离6桩终止锤击的控制应符合下列规定
①当桩端位于一般土层时,应以控制桩端设计标高为主,贯入度为辅;
②桩端达到坚硬、硬塑的黏性土、中密以上粉土、砂土、碎石类土及风化时,应以贯入度控制为主,桩端标高为辅;
③贯入度已达到设计要求而桩端标高未达到时,应继续锤击3阵,并按每阵10击的贯入度不应大于设计规定的数值确认,必要时施工控制贯入度应通过试验确定7当遇到贯入度剧变,桩身突然发生倾斜、位移或有严重回弹、桩顶或桩身出现严重裂缝、破碎等情况时,应暂停打桩,并分析原因,采取相应措施8当采用射水法沉桩时,应符合下列规定
①射水法沉桩宜用于砂土和碎石土;
②沉桩至最后1~2m时,应停止射水,并采用锤击至规定标高,终锤控制标准可按本规范有关规定执行9施打大面积密集桩群时,可采取下列辅助措施
①对预钻孔沉桩,预钻孔孔径可比桩径(或方桩对角线)小50~100mm,深度可根据桩距和土的密实度、渗透性确定,宜为桩长的1/3~1/2;施工时应随钻随打;桩架宜具备钻孔锤击双重性能;
②应设置袋装砂井或塑料排水板袋装砂井直径宜为70~80mm,间距宜为
1.0~
1.5m,深度宜为10~12m;塑料排水板的深度、间距与袋装砂井相同;
③应设置隔离板桩或地下连续墙;
④可开挖地面防震沟,并可与其他措施结合使用防震沟沟宽可取
0.5~
0.8m,深度按土质情况决定;
⑤应限制打桩速率;
⑥沉桩结束后,宜普遍实施一次复打;
⑦沉桩过程中应加强邻近建筑物、地下管线等的观测、监护10预应力混凝土管桩的总锤击数及最后
1.0m沉桩锤击数应根据当地工程经验确定11锤击沉桩送桩应符合下列规定
①送桩深度不宜大于
2.0m;
②当桩顶打至接近地面需要送桩时,应测出桩的垂直度并检查桩顶质量,合格后应及时送桩;
③送桩的最后贯入度应参考相同条件下不送桩时的最后贯入度并修正;
④送桩后遗留的桩孔应立即回填或覆盖
⑤当送桩深度超过
2.0m且不大于
6.0m时,打桩机应为三点支撑履带自行式或步履式柴油打桩机;桩帽和桩锤之间应用竖纹硬木或盘圆层叠的钢丝绳作“锤垫”,其厚度宜取150~200mm12送桩器及衬垫设置应符合下列规定
①送桩器宜做成圆筒形,并应有足够的强度、刚度和耐打性送桩器长度应满足送桩深度的要求,弯曲度不得大于1/1000;
②送桩器上下两端面应平整,且与送桩器中心轴线相垂直;
③送桩器下端面应开孔,使空心桩内腔与外界连通;
④送桩器应与桩匹配套筒式送桩器下端的套筒深度宜取250~350mm,套管内径应比桩外径大20~30mm,插销式送桩器下端的插销长度宜取200~300mm,杆销外径应比管桩内径小20~30mm对于腔内存有余浆的管桩,不宜采用插销式送桩器;
⑤送桩作业时,送桩器与桩头之间应设置1~2层麻袋或硬纸板等衬垫内填弹性衬垫压实后的厚度不宜小于60mm13施工现场应配备桩身垂直度观测仪器(长条水准尺或经纬仪)和观测人员,随时量测桩身的垂直度第5章结论与展望
5.1结论1本文对拟建场地工程地质条件进行了分析、评价,论证了基础方案,选择出最合理基础型式——桩基础,并结合实际的场地条件和当地的施工技术条件选择混凝土预制桩,并进行了设计2场地地下水的类型主要由第
①层杂填土孔隙潜水、第
④层粉土、第
⑦~
⑧层承压水和基岩风化裂隙水组成上部潜水主要受大气降水和涨潮时地表水的补给,下部承压水与闽江水有密切水力联系3拟建建筑物的基础所采用的混凝土预制桩直径选用400mm,采用一柱九桩型式4上部框架结构由柱子传来的荷载Nmax=
3396.8kNMmax=193kN·m,Vmax=75kN·m计算单桩的承载力=
561.08kN满足要求,水平承载力=
297.80kN≥kN满足要求,桩身强度
2066.8kN≥N=
482.6kN满足要求,柱对承台的冲切
7745.45≥满足要求,角桩冲切
1061.6kN≥R=
502.4kN满足要求,承台抗剪验算
3567.5kN≥3×
502.4=
1507.2kN满足要求,桩基沉降沉降量s=
2.3567cm满足要求5预制桩施工方法选用钻孔静力压入方法基桩承载力应通过桩的静载荷试验确定6为确保建筑物的正常施工和安全使用,建议从建筑物基础施工至竣工使用后的一定时间内,设置适当数量的观测点进行长期观测工作
5.2展望在进入21世纪之际,桩基础技术发展中至少有以下一些动向值得我们关注基于各方面的需要,桩径越来越大,桩长越来越长但是建筑的需要我们不光单纯的考虑技术的发展,更多的我们应该关注环境与建筑的和谐人们的生活质量越来越高,对生活的环境也要求越来越高未来任何建筑的设计必将离不开环保与自然和谐相处的大主题因此未来桩基础能够因地制宜,合理利用自然环境,保护好生态环境,做到绿色建筑的宗旨必将是未来发展的主题而桩基础又是对环境影响很大的因素,特别是对地下环境的改变是很彻底的所以未来桩基础必将向着安全、绿色、和谐的主题、与时俱进为人们提供更好的生活参考文献
[1].预制钢筋混凝土方桩图集(97G361)
[2].建筑桩基础技术规范(JGJ94-94)
[3].混凝土结构设计规范(GB50010-2002)
[4].建筑地基基础设计规范(GB50007—2002)
[5].地基基础设计与计算/朱浮声,人民交通出版社2005年第一版
[6].建筑地基设计与施工/侍倩.化学工业出版社2011年第一版
[7].基础工程400例》/彭安宁.地震出版社1999年第一版
[8].土力学/卢廷浩.河海大学出版社2002
[9].桩基础的设计方法与施工技术/高大钊.机械工业出版社
[10].桩基工程/张忠苗.中国建筑工业出版社
[11].建筑桩基技术规范应用手册http://lib.stdu.edu.cn/hwweb/opac/openlink.phptitle=%E5%BB%BA%E7%AD%91%E6%A1%A9%E5%9F%BA%E6%8A%80%E6%9C%AF%E8%A7%84%E8%8C%83%E5%BA%94%E7%94%A8%E6%89%8B%E5%86%8C/刘金砺高文生邱明兵编著.北京:中国建筑工业出版社
2010.
[12].混凝土结构http://lib.stdu.edu.cn/hwweb/opac/openlink.phptitle=%E6%B7%B7%E5%87%9D%E5%9C%9F%E7%BB%93%E6%9E%84/程文瀼...[等]主编第5版.北京:中国建筑工业出版社
2012.
[13].高层建筑结构地基基础设计http://lib.stdu.edu.cn/hwweb/opac/openlink.phptitle=%E9%AB%98%E5%B1%82%E5%BB%BA%E7%AD%91%E7%BB%93%E6%9E%84%E5%9C%B0%E5%9F%BA%E5%9F%BA%E7%A1%80%E8%AE%BE%E8%AE%A1/王幼青编著.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社
2007.
[14].Bandy.B.H.G.Brown.E.F.·RockMechanicsforundergroundMining·GeergeAllenandVnwin,1985年
[15].[美]艾伦.威廉斯.DesignofReinforcedConcreteStructures.中国水利水电出版社.2002致谢非常感谢 张昀青老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导,从最初的定题,到资料收集,到写作、修改,到论文定稿,她们给了我耐心的指导和无私的帮助为了指导我们的毕业论文,她们放弃了自己 的休息时间,她的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩,也是我们学习的榜样在此我向她表示我诚挚的谢意 同时, 感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助, 是他们教会了我专业知识,教会了我如何学习,教会了我如何做人,正是由于他们我才能在各方面取得显著的进步,在此向他们表示我由衷的谢意附录荷载作用下可液化地基中桩基础的动态行为摘要在本文中,用一个完全耦合的三维动态分析研究了桩基础在液化场地的动态行为临界状态边界面塑性模型用来模拟土骨架,而一个完全耦合的(U-P)的方法来分析土壤位移和孔隙水压力另外,在本研究中考虑到液化过程渗透系数的变化和渗透系数与孔隙水压力比值有关,桩基础离心试验的结果是要证明该模型在动态负载下,桩的能力和对桩基础在此状态下可靠性进行分析,然后,验证模型被用于参数研究参数的研究是通过改变桩长、输入运动的频率、桩头的固定性、液化土层的相对密度和厚度进行的三种不同的液化土层的土壤剖面被应用在本研究在一般情况下,参数的研究表明桩头固定性,液化的土层厚度和输入运动的频率这是大大影响液化场地桩基础性能最重要的几个参数关键点►先进的结构模型被用来模拟土壤和渗透率的变化►通过模拟离心试验验证桩土模型的结论►参数研究是为了确定桩基地震反应的灵敏度关键词液化桩基础完全耦合的三维动态分析桩的动态行为
1.绍介在地震荷载作用下桩基础的状态是广泛影响结构性能的一个重要因素设计程序用来评估地震荷载下桩的行为,然而应用这些程序很多情况所涉及的液化场地的因素是不确定的,因为上层建筑与周围的土壤上施加不同的桩动态负载,所以桩在液化土层的性能比非液化土层的情况要复杂得多,随着时间的推移而且由于周围土壤的刚度和剪切强度逐渐减小,又由于土壤的非线性行为,也会引起孔隙水压力的产生液化是造成地震损坏建筑设施最大的原因之一,这种在大地震中被损坏的桩基被大量报道出来,如1964年阿拉斯加,1989年洛马-Prieta,1995年兵库県南部液化土层中桩基的地震响应预测是困难的而且有很多不确定性,涉及桩基础上部结构相互作用的机制然而,在近几十年来各种各样的离心机振动台试验和各种数值计算方法已被广泛采用,以便更好的观察液化地基中桩基础的动态行为,这些研究可以分为三类:野外观察、实验测试和数值模拟
1.1实地观察这些研究主要是调查桩破坏的表现形式和计算桩的侧向位移的分布1964年在Niigata地震中许多桩基础就未能阻止周围土体的液化根据Hamada研究,在一幢四层高的建筑物附近的地面移动约
1.1m,且直径为35厘米长6-9米的混凝土桩最大侧向位移为约70厘米大量的横向位移造成对桩基础的液化和非液化层的界面造成严重损坏Mori等人在1993年北海道南西冲地震中进行挖掘调查,在竖井内部检查的结果显示桩遭受了严重破坏,他们得出结论认为损伤通常发生在三个不同的位置即在桩头(用于固定桩头部分),在桩帽下面1-3米的深度和在液化层和非液化层的接触面这种观察结果已经被其他人证实了,如立川、社本、和大西等人
1.2实验室试验Wilson等人做的这些研究包括一些动态的离心机试验和振动台试验桩及土壤和上层建筑对桩承平台结构的地震反应的研究在位于液化的土壤中进行了一系列的单桩和群桩离心机测试以观察p-y桩嵌入液化砂的问题此外yao等人的离心机试验结果表明:p-y曲线是高度依赖于随时间而引起土壤的液化在桩侧阻力减少了而孔隙水压力增加即使在大的相对位移下也只有很少的桩侧阻力影响用于大型振动台试验的桩在土壤瞬时液化状态之前,桩的设计非常重要,因为动态土压力结论表明峰值响应就是在这种状态下产生的其他研究者如阿卜顿和Dobry、Suzuki、Dungca、Bhattacharya、田村和时松和Han等人,还利用振动台试验研究了液化地基中桩基础的动态行为
1.3数值模拟数值模拟工具的有效性,对于分析液化问题变得更加重要但用于实验的物理模型在模拟方面突出潜在的缺点,由于二维和三维数值模拟是计算复杂和费时的,大多数研究人员和设计师更愿意使用基于有限元或有限差分方法和一维温克勒方法对桩基进行抗震分析香川、姚根上、藤井等人以及Liyanapathriana和普乐施开发的这些方法,使得在对周围土壤的液化分析处理过程中得以考虑Miwa、LiyanapathiranaandPoulos、Chang等表明一维的方法大约是能够预测液化地基中桩基础的最大侧向位移和最大弯矩的,然而很明显温克勒模型不能准确地模拟原型模型,因为弹簧和阻尼系数随着时间改变的它是难以估计到精确值的,FinnandFujita、Klar、Oka、Uzuoka、ChengandJeremic、Comodromos等人,用三维有限元方法来模拟桩在液化土层中的状态,这些模型具有不同的预测精度和确定性在某些论文中完全耦合的方法(U-P或U-P-U方法)已经被采用,而在其他非耦合方式中已经习惯了分开计算土骨架位移和孔隙水压力的产生根据本研究在该领域三维模型能够模拟大部分现象,观察比一维模型更加准确总的来说,考虑到先前的研究在嵌入可液化场地桩基的性能可以得出结论这些研究中有明显缺乏了解的机制此外,应当指出在先前的研究中土壤渗透性液化过程的变化并没有被考虑在建模当中然而,它通常表明土壤渗透性的改变是液化的过程因此,在本研究中它的目的是把渗透率变化考虑在模拟土壤和桩结构中本文提出的方法采用了完全耦合的三维动态分析与精心校准的本构模型和数值验证方法,以模拟桩嵌入液化土中更准确的动态行为
2.数值计算公式在这项研究中由Zienkiewicz和Shiomi提出了U-P完全耦合的计算公式,可用于土骨架建模和孔隙流体U-P公式观察土骨架的运动(U)和孔隙水压力的变化(P),此公式也适用于动力问题,其中高频振荡并不适用,比如在地震荷载作用下的土层使用有限元法对空间离散化,u-P公式如下其中M为质量矩阵,U为固体位移向量,B是应变-位移矩阵,σ为有效应力张量,Q表示离散梯度算子的耦合运动和流动方程,P为孔隙水压力向量,S是压缩性矩阵,H是渗透性基质向量F(S)和f(P)包括体积力,外部载荷和流体通量的影响上述方程的数值积分使用Newmark算法执行和实施这些程序使用OpenSees框架这是一个面向对象的有限元分析程序模拟地震工程(OpenSees)开放式系统是一种用于结构和岩土工程系统地震反应的仿真软件,全面持续发展的软件在这项研究中,一些来自UCD计算力学的工具元素和材料模型可这采用个软件所采用的元素和材料模型在下面的章节中讨论
3.砂土本构模型材料模型是液化土动态行为的数值模拟中最重要的部分之一用全面的本构模型,具有不循环和循环荷载排水或不排水饱和砂土的行为模型的模拟能力,促进了在涉及液化问题的精确建模因此,本研究通过Dafalias和Manzari开发的一个临界状态的两表面塑性使用模型这种模型的最显着的特点是它可以利用对同一土壤和一组广泛孔隙比和初始应力状态材料参数的能力但应该注意的是,初始应力状态,孔隙比和材料进化装载的所有阶段(见参考文献关于材料模型的详细信息)这种模式拥有15个参数其功能分为6大类这些参数由内华达州沙Shahir校准和地球科技公司使用在VELACS项目的过程中进行测试经过校准的参数列于下表功能参数参数指标值弹性G
0150.0ν
0.05临界状态M
1.14c
0.78λc
0.027e
00.83ξ
0.45屈服面m
0.02塑胶模h
09.7ch
1.02nb
2.56膨胀性A
00.81nd
1.05纤维-剪胀zmax
5.0cz
800.
04.在液化土壤渗透率的变化许多研究表明由于土骨架的结构变化引起液化现象渗透系数会显著增加发生液化时土壤颗粒失去接触和联系而这种变化创造了额外的水通路在一些调查据报道中这类新而且较大的流动通路的产生降低了孔隙形状因子和曲折参数,液化过程中增大渗透性并因此导致渗透系数显著增加Arulanandan和Sybico基于测量电阻的变化与饱和砂沉积在液化离心机中测试得出的结论是“动态渗透率的饱和砂土在液化时比它的初始值增加了6-7倍”JafarzadehandYanagisawa由饱和砂柱的振动台模型试验所排出的水的体积测量表明,在激发时平均渗透系数是5–6倍于其静态值Manzari和Arulanandan利用可变渗透性在他们的数值模拟中,在他们的研究中,超孔隙水压力和沉降预测是令人满意的但横向位移并没有模拟得相当好Balakrishnan使用10倍增加渗透系数的数值模型,用调整后的结果与离心模拟试验测量土壤液化时比较同时根据Taiebat等人和ShahirPak使用常量值的渗透系数在数值分析结果相比土壤沉降测量值要小得多Shahir和Pak得出结论在观测数值模型的渗透率变化,捕获孔隙压力和沉降在可液化土体中的反应是必要的因此,在这项研究中,渗透系数的变化,已使用由Shahir和Pak建议的方法,其中提出了渗透系数和超孔隙水压力比(RU)有直接的关系被考虑在液化层的数值模拟中这种关系如下1在PWP建立阶段=1(在液化状态)1(在整合阶段)其中ki为初始渗透系数,kp是激发过程中渗透系数,RU被定义为当前的孔隙水压力和静水孔隙压力比初始有效垂直应力(RU=Δu/σv0)之差的比值α,β1,β2α,β1,β2为材料参数这些参数是20,
1.0和
8.9这基本上意味着,渗透系数增加了高达20倍的初始液化过程但应当注意的是,对于α建议值是由维文中报道的值一致的,因为20的峰值几乎是等效于10倍的平均值。