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第二届土木工程修复与维护国际会议

无桩筏板基础结构的可持续设计

作者：Tan Kim Leong a* and Chan Swee Huat b*

“新加坡建筑局和马来西亚诺丁汉大学共同发布”

摘要：

本摘要是研究“软土中桩筏的承载和沉降特性”的工作报告四个部分中的第一部分。传统的桩筏设计方法中通常是忽略筏板的承载和沉降的。因此，设计中通常没考虑土壤-结构相互作用环境，就选择有效筏板尺寸，这个选择就导致了设计偏于保守，较为昂贵的桩筏基础结构费用，资源滥用和整体工作效率低下，昂贵且不可持续的工作过程等各方面的缺陷。该报告评估了传统的桩筏设计方法所面临的问题和局限性，并提出了可能的替代设计方法，根据桩筏承载和沉降标准从而得出既有效又实用的最佳木筏尺寸。然后，该模型将用于下一阶段的桩筏基础研究工作之中，以用于研究桩筏中的任何重要贡献及其通过相似参数的贡献水平等。通过使用FEM等土力工程软件，在短期和长期的荷载设计要求下进行的分析工作和图表等资料，将用于支持最为高效的桩筏尺寸模型的设计工作，桩筏结构一般建立在均质正常固结的软黏土上，并且覆盖一定厚度的硬土地层。因此，本文中的所有介绍仅涵盖不排水条件下的无桩筏基础设计，因为从强度来看，粘土会随着时间的推移而更加固结，并且从长远来看会变得更牢固和更坚固。另外，本文为了完整起见，开发了可持续设计图以及自解释流程图作为快速参考设计指南。

关键词：无桩筏基础;桩筏基础筏贡献因子；设计图；总容许负荷；土壤-结构相互作用；负荷-沉降曲线

1、引言

1.1、背景

筏式基础支撑多个柱或承重墙，以便将大致均匀的载荷传递至地基上。通常来说，基础结构设计的作用是承载上层结构的力，必要时要加入桩以达到沉降减少和承载力增强的作用。

桩筏是由桩，筏和土壤这三个要素而组成的基础系统。由于桩筏的三维特性以及桩，土壤和木筏之间的复杂相互作用，因此对桩筏进行完整的细节分析并不是一件容易的事。

在传统的设计方法中，桩筏基础设计通常会忽略筏的任何承载贡献，并且假定桩承担了所有效应组合。

结果就是，传统的堆积筏设计通常是保守的。由于实际安装的桩比需要的桩更多并且更长，因此在这种常规设计中，桩筏的总沉降通常很小。但显然，我们可以通过考虑木筏的贡献来获得更经济更节约资源的解决方案。

简而言之，之前已经完成了的部分工作将有助于加快整个堆放式筏研究工作的进度。因此，当前的工作将仅专注于筏板基础本身，研究的结果也将用于下一阶段的工作中，以研究可在软黏土条件下使用的浮动桩筏基础设计中的筏板的工作效率。该基础支持大型结构，例如储罐，高炉和低层至中层建筑。

因此，研究工作的目的是研究筏板本身工作的有效性及其在桩筏基础上的重要的贡献水平，希望我们的研究能节省和减少对材料和资源的浪费，从而有助于建设更清洁，更绿色的环境。

1.2、问题定义

研究工作的最终目的是能根据特定的岩土工程方面的资料，为非桩筏和桩筏结构生成一些合理的基础设计图。

在正常情况下，施工后立即检测粘性土的极限承载力这一过程至关重要。因为土壤这时处于未排水的状态。从长远来看，随着土壤逐渐固结，土壤会变得更坚固，由于粘土有随着时间的推移而固结并变得更能承载的性质，因此工程上很少检查其长期稳定性，也是因为该原因，在本研究工作中将不予考虑长期效应。

为了确定各种不同大小和厚度（有无桩）的方形基础的最佳尺寸，我们对不同桩长和间距以及土壤参数的范围进行了确定，分析，研究和软件分析，从而确定了其沉降和承载力之间的关系。该模型加载了均匀分布的荷载，并放置在软粘土地面上。用于分析短期总垂直沉降对应允许的总载荷的关系，并且建立了10kPa到40kPa的土抗剪强度的图表。这些研究的结果将方便用户直接选择最佳模型。

总沉降很少会造成破坏，但差异沉降却会造成很大的破坏。但是，我们却可以通过更为谨慎的设计来尽量减少这种情况的发生。正如Terzaghi和Peck所强调的那样，大多数建筑物完全可以承受20毫米的差异沉降。这些不同建筑的沉降量也不太可能超过平均总沉降量的75％，因此，将最大沉降量设计值定在25毫米左右将是隔离基础上建筑物的安全指南。

1.3、目的

这项正处于研究阶段的工作的目的是：

--在荷载-沉降关系下研究筏板结构基础的厚度和尺寸对于筏板结构的影响；

--研究普通固结黏土下不同类型的不排水土抗剪强度对筏板基础短期行为的参数影响；

--绘制一系列关于短期总垂直沉降的便于快速参考的设计图（目前仅在筏基础上），设计依据是在筏尺寸范围内允许的总抗剪强度与允许的土壤总抗剪强度的对应关系。这种设计题对于很多实验者来说具有快速参考的使用价值，尤其是对于建筑设计师和建筑从业者；

--发展倾斜板基础设计学说的工作流程方法论。

2、新加坡地质

2.1、总体情况

新加坡岛包括离岛在内的面积约为700公里。气候炎热潮湿，降雨量范围从西南地区的1600mm到中部地区的2500mm。根据其地质状况，即岩石风化极其严重。正因如此，我们可以在其中发现各种类型的次土壤，其范围从低洼地区的非常柔软的泥炭到海洋地区的粘土，砂岩和花岗岩等坚硬的岩石。

3、开发设计和工作流程图

3.1、用于参考的图表

图3.1.1说明了需要解决的基本问题。该图显示了以普通固结粘土为基础的筏板基础的横截面。确定了以下各范围的实验参数以便进行软件分析工作和学术研究工作：

-方形木筏尺寸，L = 5x5、10x10、20x20 m 2

-方形木筏厚度，t = 5％L，10％L，15％L

-顶层不排水土壤的剪切强度，Cu = 10、20、30、40 kN / m 2

-顶层不排水土壤的杨氏模量，E = 300 Cu kPa〜（3,6,9,12 MPa）

-短期最大垂直沉降，delta;=10，25，50和100mm（但是，注意力应集中在25mm上。）

3.2、有限元模型

由于实验模型是具有两个轴对称的属性，所以实验只使用了模型的四分之一部分（见图3.2.1）。首先假定它是完全嵌入的，并且筏的重量与土壤的重量相同，这一目的是为了研究筏的厚度对实验的影响。将垂直均匀分布的载荷作为总载荷施加到模型上，将边界放置在足够远的位置，以免限制或约束目标区域的移动。

3.3、数值分析

为了制造一种斜混凝土钢筋筏基础结构，我们利用了基于有限元方法的结构模型进行了数值分析研究。用有限元方法对土壤和地基进行建模，这种方法可以非常精确地处理土壤与结构的相互作用关系。我们用这种方法对短期沉降进行了理论计算，并且对照已经证实的成熟方案的设计图进行验证。

4、事实调研

4.1、筏板厚度

实验设置了典型的筏板尺寸，并且筏板尺寸用于评估筏板厚度的灵敏度。我们建立了显示负荷沉降曲线的4个曲线图（如图4.1.1至图4.1.4）。这些曲线图覆盖了从5％L到15％L的木筏厚度。

总而言之，这四张曲线图显示了具有一致性的结果，并证明了筏板的厚度对载荷沉降方面的影响很小。然而，可以预见的是，增加木筏的厚度肯定会减少差异沉降现象和筏板上施加的载荷。

相反，这不一定意味着薄的筏板就是最佳选择，因为随着厚度的增加，筏的弯曲应力通常会降低，应力随着筏板厚度的增加而减少可能意味着所需钢筋的减少以及所需混凝土体积的增加，这表明所需筏板厚度可能必须基于两种材料的最佳体积来确定。另外，增加筏板厚度将增加静载荷并导致施加于筏板的载荷全部减小。

4.2、木筏尺寸

为了研究木筏尺寸的有效性，实验均匀地在筏板上施加了竖向荷载，为了方便研究，实验将结果显示在这3个图表上（图4.2.1至图4.2.3）。

必须引起注意的是，木筏本身重量（导致因素：厚度和尺寸）的增加会降低其上允许施加的载荷。因此，我们可以得出结论，较小的木筏尺寸可能更为有效，这可能是由于较小的尺寸的木筏与黏土接触的面积更小，这也导致土壤内孔隙水压力的消散的更快，土壤固结的速度更快，从而可以更为有效地达到土壤排水条件。而对于较硬的土壤，土壤固结效率甚至更高。实验总结了这些结论，并显示在图4.2.4中。

4.3、筏板的关键沉降点

通过对筏板的厚度和大小的研究之后，实验过程发生了变化，我们选择了5m x5m x0.5m的重要经典筏板模型并通过使用3D Plaxis Foundation该软件来研究筏板的关键沉降，结果如图4.3.1所示。

实验确定了三个关键的总垂直沉降点以供研究：

i）筏板中心点；

ii）目标边缘点；

iii）目标对角点。

然后将载荷均匀地分布在木筏上，并且将实验结果绘制成两个折线图，如图4.3.2和图4.3.3所示。

图4.3.2-这些通过分析得到关键结果的折线图显示，最关键的总垂直沉降点出现在木筏的中心，分别是对角线中心和边界中心。

图4.3.3-该折线图进一步地证明了，最严重的总垂直沉降点产生于中心-对角线方向

这些发现与其他同样研究桩筏基础设计的文献所提供的理论惊人的一致（由ASCE学生成员Widjojo A. Prakoso和ASCE研究员Fred H. Kulhawy共同提供）

4.4、筏板的性能参考

通过考虑筏板中心，1/4边缘和顶端边缘的位移我们以平均位移为参考位移来表示筏板本身的位移类型。

从图4.4.1所示的曲线图中，显示了在25mm垂直沉降曲线上的载荷-筏板长度比，并且位移显示了类似典型的筏形向下放置轮廓的碟形曲线。

因此，这一现象表明筏板模型的受力模型是具有不均匀的总垂直沉降形式的柔性结构基础。此外，从筏板中心到筏板边缘的平均沉降量的差异约为60％，这与Terzaghi＆Peck共同提出的平均沉降量的差异可能不超过75％的结论相一致（具体请参阅第1.2段）。

5、关于未确定的土壤条件的发现

5.1、设计阶段对承载力的考量

实验为研究极端情况选择了两种不同尺寸的筏子（5m x 5m和20m x 20m），并且绘制了分析结果，分别显示在4张图表中（图5.2.1至图5.2.4）。

筏板的竖向沉降量随着筏板的大小增加而增加。我们可以很明显的看到，较小的木筏沉降速度更快。这可能是由于接触拱腹的面积较小导致孔隙水压力变大和固结速率更快所致。

6、当前研究工作的成果-倾斜筏板设计

6.1、设计图表的研制和验证其可行性

已经完善的设计图表（见图6.1.1）为概念设计，招标和成本估算等用途或预测总允许载荷提供了较为宽松的设计，以防止由于在软粘土环境中“超载”而带来的工程事故。

设计图表根据筏的大小及其理想情况下的总沉降量提供了上限和下限载荷沉降的频谱。

图6.1.2和图6.1.3显示了与短期沉降理论计算情况的比较，以验证新开发的设计图的准确性。

进行的理论计算已证明所开发的设计图是有效的。

6.2、设计教学途径

设计教学途径以图6.2所示的自解释流程图表示。

7、结论

到此为止，短期效应内正常固结软黏土条件下专属的筏板基础的研究工作已经全部完成。

根据进行各种研究工作而得到的参数，我们已开发出了用于预测最大垂直沉降的允许载荷的简单设计图表（见图6.1.1）。

图6.2还建立了倾斜木筏板基础设计的方法流程图。

8、未来的研究工作的方向

该倾斜木筏地基系统的研究结果将会被用于研究木筏对桩筏基础的实际载荷贡献。若有考虑将筏板的荷载贡献纳入桩筏基础的设计中将有望节省建设成本，特别是用于浮动桩筏设计的成本。

因此，相同的筏模型尺寸也将被用于桩筏基础系统研究的下一阶段，以考虑到筏的所有承载贡献的思考来开发更合适的简化设计图，并且完成一整个系列的方法流程。

致谢

作者非常感谢他的研究项目主管Ir Chan Swee Huat博士，感谢他在研究项目历程中的不懈努力，付出的时间和耐心的指导。

最后，作者还要感谢大会出版这篇文章。

参考文献：

Contribution To Piled Raft Foundation Design (By Widjojo A. Prakoso, Student member, ASCE, and Fred H. Kulhawy, Fellow, ASCE)

Design Charts for Piles Supporting Embankments on Soft Clay (By

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