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关键词：疏桩基础 竖向承载力 静力 济南论文 开题报告
论文选题的目的、意义和研究动态
一、 目的及意义
桩基础设计分别要在两种极限状态情况下进行计算，即承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。在目前的计算与设计理论基础下，承载力极限状态经过合理设计、验算是不难得到满足的，所以沉降变形的控制就成了设计中需要考虑的主导因素。对于天然地基的强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况，若采用传统的桩基设计方法，则会出现桩的数量过多、桩距过密，不仅偏于保守，而且给施工带来了一定的难度，同时也达不到很好的经济效果。在这种状况下，可以采用少量的桩用于减少基础沉降变形，从而既能满足设计要求，又能够达到一定的经济性，于是疏桩基础应运而生了。疏桩基础是把建筑物按传统桩基设计确定的桩的数量与间距(一般3倍～4倍桩径)进行精简与疏布(一般5倍～6倍桩径)的桩基础[1]，是在桩-土-台共同作用的基础上进一步减少桩数而形成的一种新型的桩基形式。疏桩基础是近年来开始的对桩基设计理论的新探索，它提出了用桩来补偿天然地基和改善天然地基的新构想。通过控制建筑物的沉降量和补偿天然地基承载力不足来确定桩的补偿量。充分发挥了桩与桩间土的承载力，反映了桩土共同作用的最新研究成果。与常规桩基相比，疏桩基础减少用桩量20% ～70%，可以大幅度地降低工程造价，具有广阔的发展前景[2] 。但由于人们对疏桩基础变形性状的认识还不够，也不太统一，限制了它的发展。认清疏桩基础的变形机理，使得这种极具发展前途的新兴的桩基能真正用于实际工程中是一个具有理论和实践意义的课题，也将是桩基发展史上的一次飞跃。
该课题是山东省自然科学基金项目，它对于使这种新兴的桩基能真正用于实际工程中具有重要的理论意义，为疏桩基础的合理应用，提供科学正确的理论依据。
二、研究动态
1、自70年代，国外对疏桩基础进行了大量的研究。近20年来，国内桩基础设计思想也非常活跃开展了大量的工程实践。2002年颁布的国家标准《建筑地基基础设计规范》提出了以控制沉降为目的设置桩基础的相关原则性规定，即：设计时应考虑上部结构-桩-土相互作用。
共同作用的研究课题已经进行了很多年，从20世纪50年代开始，上部结构、基础与地基共同作用的研究课题就引起了国内外学者的重视。
国外的研究起源于40年代，1947年G.G.Meyerhof[3]最先提出框架与土共同作用的概念，建立了估算框架结构等效刚度的公式以考虑共同作用。尔后，S.Chamecki，H.G shof[4]相继研究单独基础上多层多跨框架结构的共同作用。跨入60年代，H.Sommer[5]提出了一个考虑上部结构刚度计算基础沉降、接触应力和弯矩的方法，随着有限元和计算机的发展，0.C.Zeinkeiwicz和Y.K.Cheung[6]应用有限元研究地基基础的共同作用。1968年，J.S.PrZen1ieniec [7]提出子结构的分析方法，用来解决大型结构与计算机内存小的矛盾，从而开创了共同作用研究的新时代。1977年在印度召开了第一次“土与结构物共同作用”国际性会议，此后，共同作用课题越来越引人注目，土与结构共同作用问题在历届土力学国际会议中均列为专题讨论。90年代印度的M.N.Viladkar等人也对结构、基础和地基的共同作用进行了较为系统和深入的研究。在国内20世纪60年代初开始对共同作用问题进行研究。
70年代，我国高层建筑逐渐兴建，促使高层建筑与地基基础共同作用研究加速开展。1981年在上海同济大学召开的“高层建筑与地基基础共同作用学术交流大会”，反映了我国当时在该课题的研究水平。1989年赵锡宏等著的《上海高层建筑桩筏与桩箱设计理论》[8]反映了80年代后期共同作用的理论和实践成果，该书与此后出版的宰金珉等著的《高层建筑基础分析与设计》以及董建国等著的《高层建筑
地基基础》对推广共同作用理论在设计中的应用有着巨大的推动作用。
2、对于桩数减少与沉降的关系和如何合理地减少桩数，已经有很多学者致力于这方面的研究与探索20世纪70年代Hooper已经指出，建立竖向刚度较大的桩土复合地基，需要的桩数并不多，并且桩数的进一步减少或增加对最大沉降和差异沉降影响非常小，20世纪80年代Cooker对伦敦粘土地基进行模型试验，对桩筏基础中桩数与沉降的关系进行了较为详细的分析[9]。文献[10]对增加和减少桩数对沉降的影响进行了比较详细的分析，通过对6个工程实例进行分析，得出增加或减少桩数10%，只使沉降减少或增加3%。文献[10]还提出了一种新方法，即对桩与承台下土体共同承载的复合桩基，考虑桩的遮拦增强作用引起天然地基承载力的提高，在桩土支承体系安全度和总沉降量满足的条件下，按单桩极限承载力和承台下土体承担的荷载不超过设计承载力一半的原则来确定桩数，该设计方法已经在某工程中取得很大的经济效益[9]。从目前取得的成果来看，对桩数进行减少已经有一定的理论和时间依据，但是具体减少的数目还要进行进一步的探索。
三、共同作用机理与现有分析理论
1、疏桩基础的荷载承载机理
疏桩基础在受力机理与工作性态上不同于一般的桩基。承台的存在，限制了桩顶范围内桩一土相对位移，因而消弱了基桩上边部分的桩侧摩阻力发挥[11]。当外荷载小于复合桩基中各单桩承载力之和(P< )时，荷载几乎全部由基桩来承担;当外荷载超过各单桩承载力之和(P≥ )时，桩与桩周土界面局部范围内土体发生屈服，部分荷载开始由承台来承担;作用在承台上的荷载使得桩身范围内的土体产生压缩，桩尖产生塑性刺入，基桩承担了更多的荷载;随着荷载水平的进一步增加，桩身范围内的土体继续被压缩，桩身与土体间的相对滑移进一步发展，直至整个桩基产生塑性刺入，基础达到极限荷载而发生破坏。
由此可知，根据桩在竖向加载情况下桩的反应，把疏桩基础的荷载反应划分为两个阶段：第1阶段：单桩主要作用阶段(单桩承担上部结构传来的荷载，桩间土所承担的荷载作用相对很小);第Ⅱ阶段：桩间土起作用阶段(单桩的工作荷载接近 时，承台的土反力主要是由于各单桩达到极限状态后产生刺入沉降，桩土间出现相对位移后产生，此时如继续加载，主要是桩间土承担后续所加荷载，承台底土反力起到明显作用)。这两个阶段的划分，能够为沉降计算提供一定的依据，当桩基中所有单桩所承受的荷载均小于 时，沉降计算就可以完全按照弹性理论来进行计算，当桩基中有单桩的荷载大于 或所有单桩所承受的荷载均大于 时，就应该考虑应用弹塑性理论计算或按照弹性理论计算并进行一定的修正。
2、疏桩基础承载力的影响因素
⑴桩间土承载力的发挥情况对疏桩基础的承载力具有一定的影响，因此天然地基的承载力情况是用来确定桩数减少的主要因素之一，当浅层地基土的承载力较高、压缩性较低时，可以相对减少较多数目的桩，从而充分发挥浅层土的承载力并达到一定的经济性。
⑵桩距是影响桩间土发挥的主要因素，试验表明，当桩距大于5 d时，承台分担比η=Qs/Q(Qs 为承台底土承担的荷载)才明显增加，且当桩距为6d时，承台分担比η=0.65[8]。文中通过建立有限元模型进行分析，得出的结论与上述试验结果较为吻合。桩基类型不同，η的变化趋势不同，摩擦桩比端承摩
擦桩显著地提高了η值，也有实测表明，灌注桩比预制桩有利于提高η 值，且承台埋置深度越大，η值也越高，相同桩径时桩的长径比L/d越大，值越小。
在竖向荷载作用下，桩端阻力随着桩距的变化而变化。当桩距由3d变到6d时桩端桩阻力明显增大，但当桩距超过6d以后桩端阻力基本保持不变，且上述的变化规律不随桩身位置而变，这说明桩距达到6d以后桩端阻力的发挥已达到极限，和常规桩基相比，疏桩基础桩端阻力的发挥值提高了约1O%，同时疏桩基础能够将常规桩基中的中、边、角桩的桩端阻力进行调匀，减小桩侧摩阻力发挥水平的差别，
使受力和沉降过程能够保持同步。由此可见，桩距是影响桩端阻力、桩侧摩阻力的主要因素，也是影响疏桩承载力的主要因素，因此如何合理地进行单桩布置和确定桩距是设计中要重点考虑的问题。
3、沉降变形机理分析
疏桩基础的竖向变形主要由桩间土的变形和桩端土的压缩变形所引起，桩间土压缩变形又占总变形的主要部分，而常规大群桩小桩距的基础沉降主要表现为桩端以下地基土的压缩。有试验及数值分析表明，疏桩基础中各桩先后接近或达到其极限荷载 时，是工作性状的关键分界点。随着荷载的加大，土体开始承担全部后续荷载，沉降量加大，但桩间土压缩量基本保持不变，承台下土的受力和变形与天然地基的情况较为接近，土体的载荷曲线也明显进入非线性阶段，达到桩和地基土双重非线性工作状态。桩数是影响沉降的主要因素，它是疏桩基础能否有效地减小沉降的决定因素，当桩数较少时，桩数的增加对沉降量的减小效果明显，当桩数达到一定程度时，继续增加桩数对沉降量的减小的作用就不再显著[11] 。
通过对疏桩基础的整体平均沉降、桩间土体的压缩变形及桩端土体的压缩变形的计算和分析，可以看出疏桩基础的变形性状和常规桩基有很大差别。疏桩基础尤其是桩数较少的疏桩基础的变形是以桩间土的压缩变形为主。桩间土压缩变形所占的比例较大，而桩端下地基土的压缩量所占的比例较小。由于疏桩基础桩端土体发生了一定程度的塑性破坏，所以疏桩基础的变形性状及沉降计算都趋于复杂，桩基常规的沉降计算方法对疏桩基础已不适用，必须寻求一种能反映疏桩基础变形特点的沉降计算方法。疏桩基础改变了传统桩基础的强度控制理论，完成了由强度控制向变形控制的转变。整体沉降和桩距间的关系可以作为按变形控制理论设计桩基础的依据。
3、本课题的特色和创新之处
①工程设计中，常规群桩中的桩基在正常使用条件下，桩周土在弹性阶段工作，而新型的疏桩基础，基桩的桩周土通常处于塑性阶段工作，通过理论公式正确表达此种情况下的基桩承载力是新课题。
②由常规桩间距过渡到疏桩桩间距，桩间土由弹性工作状态过渡到塑性工作状态，研究在这一变化过程中，桩-桩相互影响的变化规律是非常新的课题。
③在上述两种创新理论的指导下，获得疏桩基础承载力的工程应用公式是目前工程设计亟待解决的课题。
研究方案：
一、 研究内容
1、 桩土协同工作的接触面的研究
桩土界面力学特性是桩基理论研究中较敏感的课题之一，其中对桩承载形状的影响是最近20年来诸多学者不断研究但尚未取得较全面和一致认识的问题。朱百里等人[12](1990)指出，在计算中，由于混凝土与土之间的材料性质相差很远，为了比较合理的反映变形的实际情况以及土与混凝土之间的荷载传递关系，需要在混凝土与土体的交界面上设置接触单元。
在土与结构的共同作用中可以分为两种情况：一种是土与结构之间只有力的传递.没有相对位移，也就没有错动和拉开。可以看成是两种材料组成的连续体，进行有限元计算的时候不存在任何问题，计算方法比较成熟;另一种是土与结构之间发生相对位移，从整体上说是不连续的，进行有限元计算的时候，就要设置接触面单元来处理这种不连续性。对于桩基础，桩与桩侧土、桩底土之间的性能相差很大，在一定受力条件下有可能在其接触面上产生错动滑移和开裂。因此，在用有限单元法进行模拟桩土相互作用的时候，就要设置接触面单元。
长期以来，许多中外学者进行了接触面方面的研究，并提出了多种接触面模型。这些模型具有一个共同的特点，就是切向变形都是根据直剪试验的 关系曲线。另外，殷宗泽等人根据他们的大尺寸接触面直剪试验结果，提出的关系曲线实际上是特定尺寸的试样剪切破坏过程逐步发展的宏观反映，但它决不表示接触面剪切变形的本构关系。总之，接触面的研究有待深入，还值得进一步改进。