摘 要

随着土木工程的发展，建筑物趋于高层化和多元化，对地基承载性能提出了更高的要求，而在软土场地的高层或超高层结构物中，桩-筏基础的应用较为普遍。本文以软土中桩基-筏板系统为研究对象，应用有限元分析软件ABAQUS开展了一系列三维有限元静力隐式分析，对软土中桩-筏系统的竖向和水平承载特性进行了研究。

本文主要研究了在竖向和水平方向静载作用下，土层弹性模量、筏板尺寸、基桩数量、群桩分布方式等因素对软土-桩基-筏板系统的竖向和水平承载特性的影响，整理承载力、桩侧摩阻力、桩身轴力以及桩身弯矩数据，并总结规律。主要研究结论如下：

（1）土体弹性模量沿深度不均匀分布将对单桩的竖向和水平承载力产生不利影响，其中对竖向承载力的影响大于对水平承载力的影响。三种土体对单桩具有不同程度的水平约束能力。

（2）筏板的存在以及筏板尺寸增大能够提高桩基的竖向承载力以及桩身最大弯矩，而对水平承载力影响很小。总结了单桩竖向抗压极限承载力与筏板尺寸的关系式。

（3）桩-筏系统的竖向承载力随着桩数增加而增长，而不受群桩分布方式影响；而桩数和布桩方式都会对水平承载力产生影响。总结了单桩平均竖向抗压极限承载力与基桩数量的幂函数关系式以及单桩平均水平极限承载力与垂直于水平加载方向桩数的二次项关系式。发现了群桩-筏系统沿水平加载方向的弯矩增大效应以及垂直于水平加载方向的弯矩中心效应。

综上所述，三组影响因素对桩-筏系统的承载力以及弯矩具有不同程度的影响，但对桩侧摩阻力以及桩身轴力影响较小。本文总结了相应的极限承载力关系式，所得成果对后续研究以及桩-筏系统的设计具有一定借鉴意义。

关键词：桩基；软土；承载特性；数值模拟

Abstract

With the development of civil engineering, there is a tendency of buildings to be high-rise and diversified, which puts forward higher requirements for the bearing capacity of foundation. Pile-raft foundation is often used in high-rise or super high-rise buildings in soft soil area. In this paper, the pile foundation raft system in soft soil is taken as the research object, and a series of three-dimensional static implicit finite element analysis is carried out by using the finite element analysis software ABAQUS. The vertical and horizontal bearing characteristics of pile raft system in soft soil were studied.

The impact of soil elastic modulus, raft size, number of piles, distribution of pile groups among others on the vertical and horizontal bearing characteristics of the soft soil-pile-raft system under vertical and horizontal static load was systematically studied in this paper. The data such as bearing capacity, pile side friction, pile shaft force and pile bending moment was collected, and the influence rule was summarized. The main conclusions are as follows:

（1）The uneven distribution of elastic modulus of soil along the depth was found to have an adverse impact on the vertical and horizontal bearing capacity of piles, and the influence on the vertical bearing characteristics was greater than that on the horizontal bearing characteristics. Soil with three different kinds of elastic modulus was found to impose different degrees of horizontal constraint on piles.

（2）It was found that the existence of raft as well as the increment of the raft size would increase the vertical bearing capacity and the maximum moment of piles, which had little effect on the horizontal bearing capacity of piles. The relationship between the vertical compressive ultimate bearing capacity of piles and raft size was summarized.

（3）The vertical bearing capacity of pile-raft system was found to increase with the number of piles, which could not be affected by the distribution of piles, while the horizontal bearing capacity of the pile-raft system would be influenced by both number and distribution of piles. The power function relationship between the average vertical compressive ultimate bearing capacity of a single pile and the number of foundation piles, and the quadratic relationship between the average horizontal ultimate bearing capacity of a single pile and the number of piles perpendicular to the horizontal loading direction were summarized. The moment increasing effect along the horizontal loading direction and the moment center effect perpendicular to the horizontal loading direction of was found to exist among the pile-raft system.

To sum up, the three groups of factors have different degrees of influence on the bearing capacity and bending moment of pile raft system, but have little influence on the side friction and axial force of pile shaft. The corresponding relationship of the ultimate bearing capacity is obtained in this paper. The results of the paper can provide reference for further research and the design of pile-raft system.

Keywords: Pile foundation; Clay; Bearing characteristics; Numerical simulation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 IV

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的及意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 竖向承载特性研究 3

1.2.2 水平承载特性研究 5

1.3 本文主要研究内容 7

1.3.1 软土中桩-筏系统的单桩竖向和水平承载特性分析 7

1.3.2 软土中桩-筏系统的群桩竖向和水平承载特性分析 7

1.4 研究的技术路线 7

第二章 三维有限元计算模型及计算参数 9

2.1 有限元分析软件选用 9

2.2 计算参数 9

2.2.1 模型尺寸 9

2.2.2 桩土本构关系 10

2.3 模型建立 11

2.3.1 创建部件 11

2.3.2 网格划分 11

2.3.3 相互作用关系 12

2.3.4 地应力平衡 12

2.3.5 模型加载 12

2.4 试验拟合验证 15

2.4.1 桩土参数 15

2.4.2 拟合结果 15

第三章 单桩承载特性数值参数分析 18

3.1 土体弹性模量的影响 18

3.1.1 土体弹性模量对单桩竖向承载特性的影响 18

3.1.2 土体弹性模量对单桩水平承载特性的影响 23

3.2 筏板尺寸的影响 26

3.2.1 筏板尺寸对单桩竖向承载特性的影响 26

3.2.2 筏板尺寸对单桩水平承载特性的影响 30

3.3 本章小结 32

第四章 群桩-筏系统承载特性数值参数分析 33

4.1 桩数及布桩方式对群桩-筏系统竖向承载特性的影响 33

4.1.1 荷载-位移曲线及承载力分析 33

4.1.2 桩身轴力传递性状分析 35

4.2 桩数及布桩方式对群桩筏系统水平承载力的影响 36

4.2.1 荷载-位移曲线及承载力分析 36

4.2.2 桩身弯矩分布性状分析 38

4.3 本章小结 43

第五章 结论与展望 44

5.1 结论 44

5.2 展望 44

参考文献 46

致谢 49

绪论

研究背景及意义

研究背景

近年来，随着我国国民经济的高速发展以及建筑功能多样化需求，基础建设以及工业、民用建筑得到了进一步的发展和强化，进而导致了上部结构荷载发生变化，如很多高层和超高层建筑物和大型结构物的出现，使得上部荷载增加，结构体系更为复杂。而基础作为建筑物的重要部分，承担了上部结构的荷载，上部荷载的变化意味着建筑物基础面临着更高的承载要求。基础结构分浅基础和深基础，设计安全、经济的基础结构体系需要考虑地基承载力和沉降准则。如果浅基础不能有效承受上部结构荷载或者产生过大沉降和变形，则需要采用深基础，将荷载传递向更深的持力层中以承受更大的上部结构荷载，而桩基础作为一种传统深基础，具有悠久的历史。

桩基础早在距今约14000年的时候就已出现，最初因为材料采取便利快捷，木桩最先应用于建筑，例如贵州、重庆地区的吊脚楼，云南傣族竹楼等。19世纪后期，随着钢筋、混凝土、砂砾等作为新工艺和新型建筑材料出现在人们的视野中，人们开始对桩基础的功能提出了更高的要求。随着建筑业的不断发展，木桩由于其承载力低，耐久性差而逐渐淘汰，桩基础以混凝土及钢筋混凝土桩为主，并随着桩基础的理论和技术的迅速发展，从较为简易的结构形式演变为当下基础工程中桩基的多种结构系统，如高强度钢筋混凝土桩、桩筏基础、桩箱基础等，并得到了更加广泛的应用。随着城市建筑朝着越来越高的方向发展，桩的应用范围呈现出多样化和丰富化的趋势。大跨度结构如国家体育场鸟巢，利用桩基础来控制地基沉降；超高层建筑例如上海中心，利用桩基础提供足够的承载力并满足沉降要求。随着施工质量和机械设备水平的提高，桩基础的承载特性、设计方法以及施工质量有了更高的标准。