桩基沉降计算方法及存在的问题

 桩基沉降计算方法及存在的问题

一、目前桩基沉降计算方法及存在的问题­

        1、目前桩基的计算方法­

        对于群桩基础（桩距小于和等于6倍桩径），在正常使用状态下的沉降计算方法，目前有两大类。一类是按实体深基础计算模型，采用弹性半空间表面荷载下Boussinesq应力解计算附加应力，用分层总和法计算沉降；另一类是以半无限弹性体内部集中作用下的Mindlin解为基础计算沉降。后者主要分为两种：一是Poulos提出的相互作用因子法；第二种是Gedes对Mindlin公式积分而导出集中力作用于弹性半空间内部的应力解，按叠加原理，求得群桩桩端平面下各单桩附加应力和，按分层总和法计算群桩沉降（如《上海地基基础设计规范》DGJ08-11-1999，《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002）。­

        上述方法存在如下一些些问题：­

        （1）实体深基础法，其附加应力按Boussinesq解计算与实际不符（计算应力偏大），且实体深基础模型不能反映桩的距径比、长径比等的影响；­

        （2）相互作用因子法不能反映压缩层范围土的成层性；­

        （3）Geddes应力叠加-分层总和法要求假定侧阻力分布，并给出桩端荷载分担比；­

        （4）­所有的计算方法都依赖经验参数，以上计算方法均是以弹性力学的基本原理为基础，计算的可靠性与经验系数关系密切；

        （5）不能考虑上部结构刚度对变形的影响。

        2、旧规范沉降计算方法存在的问题

        旧规范的沉降计算方法——等效作用分层总和法的一个科学、实用的计算方法，能反映群桩基础的各因素对沉降的影响，如桩的距径比、长径比、桩数等。其存在的问题是对于长桩，特别是桩侧土较好的长桩基础，计算沉降量与实测值误差较大，统计结果发现计算值大，而实测值小。造成这种现象的原因是上部结构的荷载借助于侧摩阻力传至承台投影面积以外，使桩端平面的计算附加应力远小于实际受力。而旧规范的经验系数依据局限于上海地区的资料，当时的超高层建筑很少，对应的长桩基础很少，经验系数存在一定的局限性。

二、调整的内容

        新规范维持了旧规范的基本计算方法，针对旧规范沉降计算中存在的问题进行了调整。

        1、对于桩中心距不大于6倍桩径的桩基，调整了沉降经验系数。

        2、桩的沉降计算考虑施工工艺的影响，原因是群桩基础的变形是桩基影响范围内土的变形，而不同的施工工艺对土的影响不同。

        3、增加了单桩、单排桩、疏桩基础基础沉降计算。

三、规范推荐的计算方法

        对于桩中心距不大于6倍桩径的桩基础计算，新规范维持了旧规范的基本计算方法，规范共涉及8条，即规范5.5.6至5.5.13条，具体详见规范。

        对于规范推荐的计算方法，应重点理解以下几方面内容。

        1、计算方法假设的理解

        地基基础工程的计算方法基本都有假设条件，规范推荐的沉降计算方法主要假设如下：

        （1）将作用在承台底的附加压力，借助于群桩等效传递到桩端平面。此假设存在的问题是承台底的附加压力明显大于桩端平面的附加压力，桩越长、桩侧土的性质越好，附加荷载传至承台投影面积外的比例越高，桩端的附加应力较承台底越低。

        （2）等效作用面积为承台的投影面积。实际上，由于桩侧摩阻力向群桩外包线外传递，桩端等效作用平面大于承台投影面积，桩侧土越好，误差越大。

        （3）不考虑桩身压缩。群桩在荷载作用一定产生压缩，但其占总沉降的比例很小。

        （4）没有考虑布桩因素如Sa/d、l/d、Lc/Bc对沉降的影响。

       对于以上假设存在的问题，规范推荐的计算方法从以下几方面进行完善：

        （1）用沉降经验系数ψ来修正前3条假设产生的误差。这需要全国各地、各种条件下的桩基沉降资料，不逐步完善、提高经验系数的相对准确度。

        （2）用等效沉降系数ψe来修正假设4。

        2、基础中点的沉降计算方法

        桩基础中点的沉降计算，规范推荐采用公式的第一项系数4是不考虑上部结构刚度的情况下的结果，即基础中心点的沉降是角点沉降的4倍。实际上，由于受上部结构刚度的影响，基础中心点的沉降量与角点的沉降量比均小于4。当然，一些实测资料显示基础中心点的沉降量与角点的沉降量比大于4，一般发生在框架—核心筒结构。造成的原因是，核心筒部分荷载水平远高于平均水平。

         3、桩基等效沉降系数ψe

         桩基等效沉降系数ψe是弹性半无限体中群桩基础按Mindlin解计算沉降量ωM与按等代墩基Boussinesq解计算沉降量ωB之比，用以反映Mindlin解应力分布对计算沉降的影响。

1）ωM和ωB

        （1）运用弹性半无限体内作用力的Mindlin位移解，基于桩、土位移协调条件，略去桩身弹性压缩，给出匀质土中不同距径比、长径比、桩数、基础长宽比条件下刚性承台群桩的沉降数值解：

 （2）运用弹性半无限体表面均布荷载下的Boussinesq解，不计实体深基础侧阻力和应力扩散，求得实体深基础的沉降：

（3）两种沉降解之比：

        相同基础平面尺寸条件下，对于不考虑群桩侧面剪应力和应力不扩散实体深基础Boussinesq解沉降计算值ωB和按不同几何参数刚性承台群桩Mindlin位移解沉降计算值ωM二者之比为等效系数ψe。按实体深基础Boussinesq解计算沉降ωB，乘以等效系数ψe，实质上纳入了按Mindlin位移解计算桩基础沉降时，附加应力及群桩几何参数的影响，称此为等效作用分层总和法。