英语原文共 9 页
连续荷载作用下桩基础力的再分布研究
Vladimir SEDIN1, Kateryna BIKUS, Vladislav KOVBA PSACEA
乌克兰第聂伯河工程部
摘要
在实验室中进行了对元件连续荷载下的桩基础力的再分布研究。在研究中取一段桩基础作为研究对象。以不同的静荷载组合，不考虑构成桩基础的元件(由桩和板组成的格架)对桩基础一段模型进行荷载试验。这证明了桩侧表面某一段上的侧摩阻力与桩的额外沉降与荷载是由平板荷载造成的。实验结果表明，在相同沉降速率下，使用连续单元使得基础的承载能力比标准桩基础的承载能力高出13%。
关键词：桩基础，筏板基础，附加侧摩阻力，连续荷载。
1、引言
桩筏基础通常设计用于高层建筑物的整体结构或者上层建筑之下。标准桩基础的施工和维护有两个完全不同的方面组成：首先，由于软土沉降以及其下方存在的空心空间，在维护期间不使用桁架。其次，由于结构本身具有一定的沉降速率，因此桁架本身提供的承载能力在维护期间并没有被使用。但是在不同的沉降速率下桩基础组成部分(沿侧面以及桁架下的脚后跟支撑器)的情况十分的复杂。I.博伊科教授强调，这种桩基系统不能同时生效，否则会导致基础施工超支。
因此岩土工程师在建造桩基时，应考虑到地表下土体的最大潜力，在整个维护期间不断平衡，以达到高可靠率。如今，许多国家为了解决这个问题所采用的一个有效方法是使用桩基础并充分利用其中每一个组成部分，并控制基础中的应力和应变。在工程中，可以通过使用连续荷载的筏板基础来实现这一点。这个过程由Gonzalez F.，Brandl H.等科学家进行调查。在Bakholdin B.V.，Berman V.I.，Fellenius B.H.，Bozozuk M.，Correa J.J.，Rodriguez的科学论文中证明了这些结构的装载不可避免地通过在桩侧表面的某些分段的附加侧摩阻力而与桩沉降相关联。由于岩土工程是一个可能充满自然地质和地下资源的领域，所以目前最重要的是充分发挥桩基的承载力。
2、目的
根据先前对桩基础的应力和应变状态的数值模拟(首先对单独的板面进行加载，然后和桁架一起附加荷载)，由于附加的侧摩阻力的影响，桩沉降是十分明显的。这项研究的目的是研究在实验室条件下，桩基础中的力是如何根据连续结构的荷载和先前的静态荷载(在加入筏板之前)而改变的。为了实施案例研究，有必要对桩基模型段进行三次不加入其构件(桩和板组成的桁架)的荷载试验。
3、模型调查的规划与技巧
进行了在实验室条件下对桩基础结构的连续荷载桩基力重分布的实验。采用一段桩基作为实验样本。桩模型直径为25毫米，长度为640毫米(图1)。储罐是由以下元件组成的金属圆筒：圆形部分与钢板底部分开的壳体。罐的内部尺寸为500x800毫米(图1)。在罐中填充沙土，每层20毫米，并用3kg的手动压模(干燥土壤密度rho;d=1.41g/cm3，含水量W=0.09)夯实。
通过提取土壤薄片样本来控制土壤密度。
图1.测试设施；测试设施布局：1-圆柱形水箱；2-桩模型；3-筏板模型；4-机械负载表；5-液压千斤顶；6-偏转仪(观测板沉降)；7-指标(观测桩沉降)；8-用于平衡板沉降的机架；9-固定插孔支架(12毫米板)；b-照片
图2.放置于规则单元格土体中的桩模型(a)筏板构造；(b)：d-桩直径，3d,5d和7d-单元格尺寸(桩之间的距离)R-单元格半径。
表面上，根据计划中应用的方法，在桩基的桩内部分离出方形单元。其边缘变成半径为R的圆(图2a)。因此，制造了三种不同尺寸的具有放置桩模型开口的筏板结构(图2a)。考虑到桩的直径(d)和桩之间的距离等条件，筏板的可选择的直径为3d，5d和7d(图2b)。如果直径为75毫米，土壤上荷载作用面积为38.4cm2,(图3a)，直径125毫米，土壤上荷载作用面积为116cm2(图3b)直径175毫米，土壤上荷载作用面积为234.7cm2(图3c)。
图3.筏板模型的尺寸取决于桩的直径(d)和桩之间的距离：a-3d，(75毫米);b-5d(125毫米);c-7d(175毫米)。
通过液压千斤顶对筏板模型施加5t的静荷载，该千斤顶安装在筏板上，并与其一起放置于锚式支架的止动杆系统上(图1)。在每个阶段用机械负载计监测施加在板段上的负载。机械负载计的灵敏度从最大测量标记开始不超过0.02%，它们安装在液压千斤顶和筏板之间。每个荷载阶段持续到桩的沉降变得相对稳定为止。在施加荷载之后立即读取读数，并以三十分钟为间隔重复读取。在两个偏转仪的帮助下记录筏板的垂直沉降，装置的停止精度选择为0.01毫米。用偏转仪记录沉降(图1)。将两个装置记录的读书的算术平均值作为桩变形的测量值。
4、测试程序定义
进行了三组不同荷载组合的静荷载试验。在第一次和第三次实验中，对桩基础的构建施加连续荷载，首先对无桩筏板进行加载，随后加入钢板桩(图3b,d)。第三次实验中，装载了无桩筏板。
图4桩基础构件的荷载组合布局：a-第一次测试；b-第二和第三次测试的第一阶段；c-第三次测试的第二阶段；d-第二次测试第二阶段和第三次测试的第三阶段。
2.1第一次测试-加载钢板桩
第一次测试只有一个阶段(图4a)；钢板桩。以标准桩基础性能对该段的应变和应力状态进行模拟，测试结果按照100%取用，以在进一步的测试中评估其性能。图5现实了基于对桩基沉降的观察，板段沉降对三个直径的板的加载S=f(P)的依懒性。
图5.“加载-沉降”图表三种不同尺寸的板段的第一段测试：1-75毫米;2-125毫米;3-175毫米
2.2第二次测试-加载板段：第一次，无桩板段，第二次，有桩板段。
第二次测试包括两个阶段(图4b,c)。在第一阶段，装在无桩板段。沉降大约为2毫米.第二阶段，施加和第一阶段同样的荷载，并使用有桩板段。于是就有了有桩板段被加载的情况(图4b)。第二次测试可以看做板置于桩加固地基上（桩可以视为第一和第二次试验的加固元件，是基础构造元件）。
图6显示出了在第二次测试过程中，对于三种不同直径类型的板段的依赖程度S=f(P).
图表上的曲线（垂直虚线之前）是第一阶段：直径为75毫米的板在承受了1.31KN的荷载之后的沉降大约是2毫米；对直径为125毫米的板施加的荷载为4.85KN(图6b);对直径是175毫米的板施加的荷载为9.87KN(图6c).曲线（在垂直虚线之后）是第二阶段（使用了桩的地基沉降）。对三种类型直径的板段进行试验，直至达到最大沉降：在最大荷载之下（直径75毫米承受的最大荷载为5,72KN(图6a)，直径125毫米承受的最大荷载为9.46KN(图6b)，直径175毫米承受的最大荷载为16.76KN(图6c)）板和桩一起使用时的沉降大约为7毫米。
图6“荷载-沉降”图。板段的第二次测试：(a)75毫米,(b)125毫米,(c)175毫米;1-板沉降2-板由于附加荷载的沉降3-板桩的沉降
对直径为175毫米的格构板进行加载时，由于桩周围的挤压，以及板在某个深度的附加接触土应力，桩的沉降为0.03毫米(图6c)。
2.3第三次测试。桩基础段的构件连续荷载，板桩结构额外负载。
第三次测试包括三个阶段(图4b,c,d)。第一阶段类似于第二次测试中的板负载测试(图4b)。第二阶段是特殊的，因为在板受到一定荷载的情况下，桩要被单独加载知道沉降为2毫米。在第三阶段对板桩结构以及装载了作为独立结构桩的板段进行加载(图4d)。
图7现实了第三次实验中，对于三种不同规格的板段的依赖图S=f(P)。测试的目的是在于达到最大平均沉降：对75毫米的板施加6.01KN的荷载(图7a)；对125毫米的板施加9.94KN的荷载(图7b)；对175毫米的板施加17.33KN的荷载(图7c)，之后，三种板达到的最大沉降约为7毫米。
在第三次实验的第二阶段中(图7b,c)，在对125毫米和175毫米直径的板段进行加载时，观察到了由于周围土壤产生的附加接触应力引起的桩位移。直径越大，桩周围的附加接触土应力作用的面积越大。此外，当直径为175毫米的板发生最大桩位移时(图7c),处于同样状态的直径为75毫米的板，桩却没有位移。
图7,“荷载-沉降”图。板段的第三次测试：75毫米(a)125毫米(b)175毫米(c)；1-第一阶段板段的沉降，2-第一阶段桩的沉降，3-第二阶段桩的荷载，4-板桩结构的沉降。
5、结论
将第一次测试的发现与结果进行合理的比较与评估，由于该段所进行的实验，是以标准桩基础的标准来进行的，所以其应力和应变状态在我们的研究之中以100%取用。
实验结果表明，在桩基础结构元件上施加连续组合荷载可以使整个基础承受更多的荷载：尺寸为75毫米的板结构相比第一次可以多承受5%，尺寸为125毫米的板结构可以多承受8%以及尺寸为175毫米的板结构，它可以多承受4%的荷载。
荷载组合实验的第三次实验中，在基础上额外装载了桩结构，这证明了额外的桩能够使基础拥有比第二次实验更高的承载能力：尺寸为75毫米的板结构的承载能力比第一次试验高出10%，尺寸为125毫米的板结构的承载能力高出13%，尺寸为175毫米的板结构要高出7%。
表一给出了不同尺寸桩基段的荷载效率。
表1.不同直径桩基段的荷载百分比。
|
板直径 |
75mm |
125mm |
175mm |
|
Ⅱ |
比第一次实验高出5% |
比第一次实验高出8% |
比第一次实验高出4% |
|
Ⅲ |
比第一次实验高10% |
比第一次实验高出13% |
比第一次实验高出7% |
在实验室条件下进行的此项试验能够证明，板结构上施加的荷载在桩侧表面上的某一段上引起的侧摩阻力也为桩基础增加了额外的荷载以及变形。
此项试验还验证了先前研究中进行的数值模拟的正确，并证明了对于筏板结构来说土壤受荷载的面积越大（利用使用不同直径的板来实现），桩的摩擦效应（额外的侧摩阻力）越大。
因此，对桩基础元件施加连续荷载，因此引发的基础预应力状态是可以利用的，甚至在这之前，在结构之中产生的结构荷载也是可以利用的。同时为桩基础提供额外荷载（减少桩侧负摩阻力）并且能够改善板下的土壤性质。
地震作用下“土-桩基础-框架”系统的振动分析
Piotr ALAWDIN1, George BULANOV2
1波兰绿山城大学
2白俄罗斯明斯克 RUP 'Instytut BelNIIS'
摘要
本文针对结构单元的弹塑性和脆性行为，提出了可变形地基上钢筋混凝土和复合空间框架结构的抗震加固有限元分析。基础由土壤中的一组桩组成。本文使用弹性半空间理论来描述土壤的反应。假设桩的变形是弹性-完全塑性的，其中承载力由土壤或桩本身的测试结果确定。本文提出了一个抗震稳定性极限分析的例子。
关键词：抗震稳定性极限分析，土壤-结构相互作用，框架，桩基础，弹塑性和脆性元素
- 引言
在许多不停地技术上我们都需要考虑土壤-结构的相互作用。通常，考虑土壤-结构相互作用的抗震结构设计是一个非常复杂的问题，需要有足够长的计算时间并且具有大量的不确定性，和假设性因素。作为代替方案，我们在工作中提出了结构的抗震稳定性分析，需要考虑到其构件的弹塑性和脆性行为。在本文中，考虑到土壤-结构相互作用，建议进行这种结构的抗震稳定性分析。
基于弹性半空间理论的计算，绘制了土壤-地基-结构相互作用体系土壤部分的刚度矩阵。假设桩的变形是弹性-完全塑性的，其中承载力由土壤或桩的本身测试结构确定。
2.数学模型
2.1优化问题的数学公式
在可变作用下考虑土壤-结构相互作用的完全弹性塑性和弹性脆性单元构成的结构的承载能力问题的公式如下。找到荷载F的系数（安全系数）mu;，以及剩余的力的矢量，即
mu;→max,
Se(t)=f(mu;F(t)),
Ksq KdEpd=0,
Phi;pl(Se(t) Spr,S0,pl) le;0,
Phi;br(Se(t),S0,pl) le;,iisin;Ibr,
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资料编号：[3858]</p
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