基于地基土压缩理论的桩筏基础外挑筏板内力简化计算方法及应用.pdf

收稿日期:基金项目:甘肃省自然科学基金()甘肃省青年科技基金计划()作者简介:朱胜祥()男湖南株州人高级工程师硕士文章编号:()基于地基土压缩理论的桩筏基础外挑筏板内力简化计算方法及应用朱胜祥郑晓静(.甘肃路桥公路投资有限公司甘肃 兰州.甘肃公航旅永积高速公路项目管理有限公司甘肃 兰州.甘肃交建项目管理有限公司 甘肃 兰州)摘要:针对桩筏基础外挑筏板内力计算复杂的现状提出一种简化计算方法 该方法基于地基土压缩理论在一定的基本假定条件下利用地基土沉降与筏板底部受力之间存在的关系建立筏板底部均布荷载系数计算公式结合筏板顶部均布荷载系数计算在荷载叠加原理下得到筏板等效均布荷载系数进而利用结构力学的基本公式建立外挑筏板内力与筏板以下各层土体压缩量之和的简化计算公式 将该简化计算方法应用于某桩筏基础外挑筏板验算在规范允许的最大沉降量下外挑筏板的受力状态并判断其配筋是否满足要求 结果表明该简化计算方法简单实用可为类似工程提供参考关键词:桩筏基础地基土压缩理论外挑筏板内力简化计算中图分类号:.文献标志码:桩筏基础因其具有良好的整体性、抗不均匀沉降能力在高层建筑中被广泛采用 目前桩筏基础的设计是考虑桩土共同受力的 由于土体的可压缩性使桩土荷载分担比成为一个动态的过程是随时间的变化而变化的 由于土体承担荷载的前提是筏基产生一定的沉降量筏基沉降越大土体承担的荷载越大筏板面积越大土体承担的荷载越大 因此在桩筏基础设计时往往使筏板在最外侧桩基外侧外挑一定的长度通过外挑板的设置增大筏板面积以增强抗不均匀沉降能力 但是外挑一定长度后由于外挑结构顶部覆土受到土压力的作用底部支撑于土体之上桩基发生沉降的过程中筏板底部受力将发生变化所以外挑板设计过程中需要考虑其受力情况并验算外挑筏板配筋是否满足抗力要求以防止筏板发生破坏从而保证整个桩筏基础的稳定性 但是桩基沉降过程中外挑筏板底部土体将压缩外挑筏板内力随土体压缩呈动态变化 因此针对外挑板的内力求解较为复杂目前可以建立有限元模型进行计算其计算过程往往比较复杂而对其简化计算研究较少 本文给出一种桩筏基础外挑筏板内力简化计算方法该方法利用建筑物的沉降计算结果或规范规定的建筑物最大沉降量允许值来计算该外挑筏板的内力以防止筏板发生破坏可为类似工程提供参考 桩筏基础外挑筏板受力简化计算方法)基本假定假定建筑物桩基为摩擦型桩桩基均匀沉降建筑物外轮廓以外筏板均外挑外挑筏板为线弹性体筏板与桩基及建筑物外墙刚接该结构简化为第 卷 第 期 年 月兰州工业学院学报 .一悬臂结构所处地质条件水平分层筏板下方基岩以上深度范围内存在 层土其结构示意如图 所示图 桩筏基础外挑筏板剖面示意 )计算外挑筏板顶部均布荷载系数在桩筏基础施工时先将基坑开挖至筏板的底面筏板施工完成后再回填 因此筏板顶面所受的均布荷载即为筏板上所覆填土的竖向自重应力则筏板顶面所受的均布荷载系数 用公式()表示即 ()式中:为外挑筏板上方填土重度 为外挑筏板上方填土厚度)计算外挑筏板底部均布荷载系数选取单元长度板带作为计算单元基础发生沉降后筏板底部所受荷载为土体对筏板底部的力由于土体压缩是随基础沉降的动态变化过程外挑筏板底部荷载随沉降量的变化而变化且沉降量越大荷载越大 假定基础的沉降量等效于筏板以下各层土体的压缩量之和设筏板以下各层土体的压缩量之和为 则筏板底部所受的力 与筏板以下各层土体的压缩量之和 有以下关系:.当基础不发生沉降时筏板底部各层土体没有压缩量即 外挑筏板底部所受的力为 即 .当基础沉降量最大时筏板底部各层土体均不存在孔隙压缩量之和最大即 外挑筏板底部所受的力最大即 根据上述关系可假定外挑筏板底部所受的力 与筏板底部各层土体的压缩量之和 存在线性关系于是将外挑筏板底部土体简化为一组弹簧外挑筏板内力计算简化模型如图 所示图 外挑筏板内力计算简化模型 该组弹簧的线弹性系数 即为外挑筏板底部均布荷载系数根据胡克定律建立筏板底部所受力 与筏板底部各层土体的压缩量之和 之间的关系得到公式()即 ()根据土体固结沉降理论筏板底部各层土体的压缩量之和 的计算如公式()所示 ()式中:为外挑筏板下方第 层土体的压缩量即为外挑筏板下方第 层土体的厚度为外挑筏板下方第 层土体压缩前的孔隙比为外挑筏板下方第 层土体压缩后的孔隙比将公式()代入公式()得到外挑筏板底部所受的力 与外挑筏板底部第 层土体的厚度、第 第 期 朱胜祥等:基于地基土压缩理论的桩筏基础外挑筏板内力简化计算方法及其应用层土体压缩前后的孔隙比的关系其计算如公式()即 ()当筏板底部各层土体的空隙完全消失即 此时筏板以下各层土体的压缩量之和达到最大值即 带入公式()得到公式()即 .()当筏板底部各层土体的压缩量之和达到最大值后土体不再具有压缩性直至破坏 因此假设此时筏板以下某一层土体达到极限承载力 取各层岩土中极限承载力的最小值即 ()当外挑筏板底部各层土体的压缩量之和最大时即 外挑筏板底部所受的力最大即 如公式()所示 ()将公式()代入公式()得公式()即 .()由此在已知外挑筏板底部各土层的极限承载力 中的最小值、外挑筏板以下第 层土压缩前的孔隙比 及外挑筏板以下第 层土的厚度 时即可按照公式()确定土体对外挑筏板底部均布荷载系数 )外挑筏板等效均布荷载计算以竖直向下为正外挑筏板等效均布荷载为顶部均布荷载与底部均布荷载叠加值即 ()将式()、()代入式()可得公式()即 .()按照公式()即可计算得外挑筏板等效均布荷载)外挑筏板的受力计算由结构力学中悬挑结构的内力计算公式可知外挑筏板的弯矩 、剪力值 的计算如公式()、()即()()将式()带入式()、()得到公式()、()即()()().()公式()、()建立了筏板外挑结构内力与筏板以下各层土体的压缩量之和的关系式中:为外挑筏板的弯矩 为外挑筏板的剪力 为外挑筏板以下各层土体的压缩量之和 为外挑筏板以下各土层的极限承载力中的最小值 为外挑筏板上方填土重度 为外挑筏板上方填土厚度 为筏板外挑的长度 为外挑筏板下方第 层土体的厚度为外挑筏板下方第 层土体压缩前的孔隙比 工程应用实例.工程概况某 户型建筑占地面积 地上部分建筑高度.总建筑面积 .采用桩筏基础(摩擦型桩)筏板厚 筏板外挑长度为.筏板采用 混凝土(./)两层地下室基坑深度为.桩径 桩长.外挑筏板与建筑物外轮廓位置关系及坐标方向如图 所述筏板配筋按照多桩矩形板带进行弯矩计算结果如下:方向底部弯矩最大值为 .计算配筋面积(考虑):.实配钢筋 双 层 实 配 面 积:.配筋时拉通即外挑部分的配筋与筏板本身配筋相同 方向底部弯矩最大值为.计算配筋面积(考虑):.实配钢筋 双层实配面积:.配筋时拉通即外挑部分的配筋与筏板本身配筋相同经查阅地勘报告筏板顶部填土为粉土(兰州工业学院学报 第 卷./)筏板底部基岩以上范围内有两层土参数取值如下:粉土(压缩前孔隙比 .厚度 极限承载力 )次生红粘土(压缩前孔隙比 .厚度 极限承载力 )图 外挑筏板与建筑物外轮廓位置关系及坐标方向示意 为保证基础稳定防止外挑筏板发生破坏针对上述建筑物桩筏基础筏板底部范围内所在地层情况需判断在基础沉降发生后外挑筏板的受力状况及其所配钢筋能否满足要求 因此需对该外挑筏板的内力进行计算.问题求解上述工程问题符合本文提出的基本假定可利用本文提出的桩筏基础外挑筏板受力简化计算方法进行验算 同时规范要求体形简单的剪力墙结构高层建筑桩基的最大沉降量不大于 因此以允许的最大沉降量 进行验算 筏板顶面以上填土厚度为基坑深度(.)减去筏板厚度(.)即为 取单位宽度的板带进行计算简化为一个悬挑板模型计算简图如图 所示 将 ./().等参数代入公式()、()可得:.结果分析由计算结果可知在沉降量达到 的情况下外挑筏板所受最大弯矩为.最大剪力为.该弯矩值远小于由多桩矩形板带计算得到的筏板底部弯矩 .该剪力值远小于该外挑筏板的剪切抗力 .(根据地基规范.条确定 如下:(/)/(/.)/.剪切抗力计算:.)该计算结果表明外挑筏板外挑长度为 时由多桩矩形板带计算得到的筏板底部弯矩及其对应的配筋能满足外挑筏板的抗力要求在桩基发生最大沉降时外挑筏板的内力远小于筏板本身在外荷载作用下产生的内力外挑筏板不会先于筏板本身发生破坏图 外挑筏板内力计算简图 结论)针对现有桩筏基础外挑筏板内力计算较为复杂的现状提出一种基于地基土压缩理论的桩筏基础外挑筏板内力简化计算方法该方法通过建立桩筏基础外挑筏板内力与地基沉降之间的关系实现简化计算)将该简化计算方法应用于某桩筏基础外挑筏板验算计算结果表明该简化计算方法能够在沉降允许范围内推算外挑筏板的受力状态从而判断外挑筏板配筋是否满足受力要求以防止筏板发生破坏可为类似工程提供参考参考文献:高文生梅国雄周同和等.基础工程技术创新与发第 期 朱胜祥等:基于地基土压缩理论的桩筏基础外挑筏板内力简化计算方法及其应用展.土木工程学报():.周峰朱锐郭天祥等.可控刚度桩筏基础桩土共同作用的工程实践.岩石力学与工程学报():.龚晓南陈明中.桩筏基础设计方案优化若干问题.土木工程学报():.李圆诸谧琳高群.片筏基础外挑长度的计算.才智():.庞伟聪.超高层筒中筒结构桩土共同工作的原位测试分析与研究.西安:西安建筑科技大学.刘聿曾.带外挑梁的多层砖混结构房屋墙下筏板基础的实用计算法.建筑结构():.贾朋娟.黄土挖填结合区桩筏基础变形破坏特征研究.西安:长安大学.胡敏云陆雨珂陈小雨等.穿越软土层嵌岩桩筏基础沉降特征与计算方法.岩土工程学报():.杨军杨敏.桩筏基础固结沉降实用计算方法.同济大学学报:自然科学版():.吴立春宋鹏波张鹏等.高层建筑物桩筏基础内力分布和演化分析.水利与建筑工程学报():.田丹丹张富钧王国龙.考虑共同作用对结构内力影响的有限元分析.工程建设与设计():.顾晓鲁郑刚刘畅等.地基与基础.北京:中国建筑工业出版社.(.):.:(责任编辑:曾贤灏)兰州工业学院学报 第 卷