刚性桩复合地基中两种不同的计算方法

复合地基中两种不同的分析计算方法

李娜

（华南理工大学 土木与交通学院 广东 广州 510640）

摘要：提出了现有的两种复合地基设计分析方法，即传统的倒楼盖法，及基于有限元分析软件优化的面弹簧法，通过实际工程来对比分析此两种设计方法的不同适应条件，及其计算结果的对比，最后提出基于有限元分析的面弹簧法更接近于实际工程情况，更为安全，并具有较好地技术效果和经济效益。

关键词：复合地基；倒楼盖法；面弹簧法；非线性。 中图分类号： 文献标识码：A

0 引言

复合地基的理论与应用是目前土木工程中比较活跃的研究领域。近十多年来，复合地基技术得到了较大的发展。因此在实际工程中对于复合地基的设计方法的不断改进和完善也有了越来越多的方法。

1复合地基设计方法

目前在复合地基的设计过程中，使用比较多的有两种方法：基于弹性的倒楼盖法和基于非线性有限元分析的面弹簧法，这两种方法考虑不同的设计假设前提，对复合地基进行设计，以下详细介绍此两种方法在复合地基中的应用，以及各自的优缺点。

1.1倒楼盖法

复合地基中对于筏板基础结构[1]，底板的受力由上部结构荷载和地基土的共同作用决定，但由于计算手段的局限性，地基土对底板的实际作用往往难以真实模拟，传统设计方法采用倒楼盖法[2]等近似、简化的方法进行设计。倒楼盖法认为：在荷载作用下，地下室底板作为一个整体（姑且认为它完全刚性），即基础的抗弯刚度极大，原来是平面的基底，沉降后依然保持平面。因此，在荷载作用下，基础将均匀下沉，受到均匀不变的基底反力作用。当地基变形时，各个柱子只能同时下沉，对条形基础来说，相当于在柱位处提供了不动支座，在地基反力作用下，犹如倒置的连续梁（不计柱脚的抗角变能力），并采用楼盖设计的方法进行底板设计。传统设计方法的流程可由下图1来表示。

上部结构传来的荷载上部结构传来的荷载

图1 倒楼盖法设计过程图例 基底反力Fig.1 pour floor method design process

下面是传统的设计方法在实际工程中的应用实例。

1）工程概况：本工程位于清远市某小区的一栋30层的纯剪力墙结构体系，两层地下室和一层商业中心，结构体系总高85.6m，首层建筑面积1216.9mm2。

2）地质概况：场地岩土类型及性质，按底层成因类型和岩土层性质，各岩土层特性如表1所示，桩端持力层为微风化石灰岩面层；

3）基础选型与地基处理：本工程拟采用刚性桩复合地基，复合地基承载力特征值不小于390kpa，其中刚性桩采用长螺旋高压混凝土灌注桩，其单桩竖向承载力特征值取8000KN,以圆砾层作为桩端持力层，以粉质粘土作为复合地基的原土层，地基承载力特征值不小于200kpa。

4）筏板设计概况：本工程刚性桩采用C20素砼，成桩直径d=500mm，以微风化石灰岩基岩面为桩端持力层，桩长以到达基岩面为准。筏板混凝土强度等级为C35，筏板采用无梁楼盖结构体系，标高为-8.200m，底板厚度为1.7m。筏板外挑2m，筏板桩位布置如下图所示，经加固处理后复合地基承载力为415kpa，核心筒下为490kpa。

SAP2000中分析计算沉降采用荷载的标准组合，用于配筋计算时采用荷载基本组合。

表1 各岩土层特性表

Table.1 The geotechnical layer features list

5）构建模型

倒楼盖法模型设计中筏板整体模型如下：

图2 倒楼盖法整体模型

Fig.2 pour floor method overall nodel

6)分析结果：

筏板的内力结果：核心筒处X方向最大弯矩Mmax=2013KN·m，Y向最大弯矩为Mmax=1363 KN·m。

（

a）X方向 （b）Y方向

图3 弯矩云图

Fig.3 Bending moment of convective

由计算结果我们可以清晰地知道：在所有墙柱的部位都出现了较大的负弯矩，而在柱之间部位出现正弯矩，因倒置的原因，我们既可根据此弯矩值来计算配筋。但因为倒楼盖法将柱作为其倒置后的底部支撑，且默认其与基础完全固支，所以倒楼盖法无法真实的体现结构体系的沉降关系图。但因基础设计的很多条件无法真实的模拟，所以工程中还是多应用传统的倒楼盖法进行设计，但是传统的倒楼盖设计方法存在着很多不足之处。

1、 传统的倒楼盖设计方法将地下室底板作为一个完全刚体的整体来处理，实际中由于

基底土体的性状的差异，底板的变形应呈现一定的波浪形。 2、 传统的倒楼盖设计方法认为地下室底板受到均匀不变的基底反力作用，并以此作为

依据进行底板设计。在实际情况中由于结构布置、场地土强度不均等因素，底板下

的基底反力是变化的。

3、 倒楼盖设计方法无法考虑土的非线性特性，得出的基底反力更多的依赖于工 程师的经验，对于上部结构来说往往过分偏于不安全。

2.1面弹簧法

2.1.1：基于非线性分析的有限元分析技术

可以改进地基土与筏板相互作用的模拟，有限元分析可以更好的指导筏板结构的设计，

提高结构安全性、经济型。

有限元分析的基本方法原理：用壳单元或实体单元模拟筏板基础底板，对模型进行合理的剖分；用弹簧单元或实体单元模拟地基土，并根据相应的地质资料确定弹簧单元或实体单元的本构曲线；输入各种荷载工况；提取分析结果，查看单元应力，并对截面进行积分可得相应的内力结果，然后根据结果进行设计。工程仍取前述工程概况进行设计，广东省地基基础设计规范

[2]中建议：考虑上部结构刚度影响最多不超过5层，根据工程师经验，本分析

在软件中建立了包括筏基、二层地下室、和三层地上结构的模型，以考虑上部结构对筏板受力和沉降

[3]的影响。

图 4 面弹簧法整楼模型

Fig.4 The whole floor model of face spring method

地基土弹簧本构关系曲线：采用面弹簧近似模拟地基土的本构[4]。其中对土的本构的定义如下图所示，且可根据原位压板试验的数据进行调整，反映场地土的不均匀性。本工程弹簧本构根据现场压板试验结果如图表所示：

图6 土弹簧本构曲线

Fig.6 Soil spring constitutive curve

2.1.2分析结果

筏板沉降的具体数值如表2所示：

表2 沉降统计表

Table.2 Settlement statistics

筏板沉降的最大值（mm） 17.27 筏板沉降的最大位置 筏板沉降的最小值（mm） 核心筒处 6.10 筏板最大沉降差（mm） 11.17 筏板的受力云图：核心筒处X方向最大弯矩为，Mmax=4973KN·m，Y方向Mmax=3147KN·m

（a）X方向 （b）Y方向

图7 弯矩云图

Fig.7 Bending moment of convective

基于有限元设计的面弹簧的基础设计可以解决的问题：

1、可以考虑土的非线性本构(本构曲线可由现场压板试验得到)； 2、底板的单元剖分可以模拟底板的真实变形；

3、对底板单元的局部处理可以模拟真实场地土的情况，并可以拓展应用到复合桩基中。 4、可针对地基土各项参数进行分析，考察参数敏感性。

3结束语

根据两种不同设计方法的比较可以看出：根据工程的实际经验可判断核心筒往往为结构最不利的部位，但是由于倒楼盖法中将上部结构的荷载均匀的分布于筏板的表面，

因此核心筒处所得结果往往低于实际情况，而目前的工程设计是通过工程师的工程经验来判断核心筒处的弯矩是否合理来进行配筋，从而满足实际要求。然而，面弹簧法中却可以真实的模拟结构的上部荷载，将其真实的加在各墙柱底部，同时又可以考虑地基土的非线性，从而更为接近实际情况。而由以上计算分析结果可以得出倒楼盖法所得核心筒处的弯矩仅仅只是面弹簧法所得结果的50%不到，由此，可以判断此种传统的设计方法对于结构的设计是不利的。同时，倒楼盖法的假设前提，也限制了其无法计算得到结构的沉降。而面弹簧法则可以较真实的模拟结构的沉降。实际结果也更为安全，从而得到更好的经济效果。

参考文献：

【1】《建筑地基基础设计规范》，GB 5007-2002.

【2】《广东省建筑地基基础设计规范》。

【3】刘杰，张可能. 复合地基荷载传递规律及变形计算[J]. 中国公路学报，2004，17

（1）：20-24.

【4】杨涛，殷宗泽. 复合地基沉降的复合本构有限元分析，岩土力学，1998，19（2），

19-25. 【5】. 冯瑞玲，谢永利，方磊. 柔性基础下复合地基的数值分析[J]. 中国公路学报，

2003，16（1）：40-42

作者简介： 姓名 李娜 性别 女 出生年月 1985,7,1 结构工程—复合地基的相关研究 籍贯 主要从事工作 陕西 渭南 结构设计 单位 华南理工大学高层所 职称 在读硕士 研究方向 联系电话

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