岩土工程中的变刚度协调变形和内力问题探讨

摘 要：本文首先分析了桩基础和浅基础中的变刚度协调变形和内力问题，进而针对基坑和边坡提出了“变刚度抗滑桩”的概念，并对其内涵进行了探讨。

关键词：变刚度 变刚度抗滑桩 变形 内力 边坡 基坑

中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（c）-0067-01

1 桩基础变刚度协调变形和内力

当前在高层建筑桩基的设计中，多数采用均匀等长等直径布桩，即等刚度设计。均匀布桩的初始竖向支承刚度是均匀分布的，设置于其上的刚度有限的基础（承台）受均布荷载作用时，由于土与土、桩与桩、土与桩的相互作用导致地基或桩群的竖向支承刚度分布发生内弱外强变化，沉降实测表明，尽管桩数不少，但碟形沉降仍不可避免，特别是框剪、框筒、筒中筒结构更明显。碟形沉降是差异沉降，承台基底反力出现内小外大的马鞍形分布，差异沉降是导致基础内力和上部结构次应力增大、板厚与配筋增多的根源[1～3]。

为避免上述负面效应，突破传统设计理念，通过调整地基或基桩的竖向支承刚度分布，促使差异沉降减到最小，基础或承台内力和上部结构次应力显著降低。这就是变刚度调平概念设计的内涵，它旨在减小差异变形、降低承台内力和上部结构次内力，以节约资源，提高建筑物使用寿命，确保正常使用功能[1～3]。

充分合理发挥桩土的承载作用，克服和减小差异沉降成为高层建筑基础设计的优化目标。上部结构由于受到使用功能的制约，一般很难对其进行调整。对于筏板和其它形式基础，可通过变化板厚、设置肋梁、缩小墙距（箱基）等来调整基础刚度分布，但费用往往较高。因此，变刚度调平设计主要是针对地基处理和桩基。调整地基、桩土刚度分布不仅可行而且调平效应显著，是变刚度调平设计的核心。提出以调整桩土支承刚度分布为主线，根据荷载、地质特征和上部结构布局，考虑相互作用效应，采取增强与弱化结合、减沉与增沉结合、局部平衡、整体协调，实现差异沉降、承台（基础）内力和资源消耗的最小化[1～3]。

保证筏板的零差异沉降是建筑物结构体系保持最优状态的根本措施，而实现这一措施最有效的方法就是合理布置与调整地基与桩基的支承刚度；桩基支承刚度在平面分布上的布局基本原则就是支承刚度增大的区域对准上部荷载集度大的区域，同时有利于减少乃至完全消除整体和局部的不均匀沉降[4]。另外，空间变刚度等沉降群桩设计方法的实质也就是尽量减少差异沉降[5]。

2 浅基础变刚度垫层协调变形和内力

天然地基基础的内力取决于地基反力的大小与分布。在基底下设置变刚度垫层，人为合理地调整地基土刚度，使其在基底平面内变化，将可能减少不均匀沉降，从而减少基础内力，改善地基和基础的工作状态，降低基础的弯矩，减小板厚，节省造价，要做到这一点，最简单的方法，就是在基底下设置变刚度垫层[6～7]。

3 “变刚度抗滑桩”的提出和分析

以上述前人的研究为基础，及基于作者对桩基础、基坑支护桩、边坡抗滑桩、地层结构所进行的研究[8～18]，作者这里提出了“变刚度抗滑桩”的概念。作者提出的“变刚度抗滑桩”主要包含以下几层意思：（1）实际中的滑坡体在空间上往往是不均匀的，包括地层结构、地层厚度、滑坡推力等在三维空间上是不均匀的。这就需要在三维空间上采用变刚度抗滑桩，以协调抗滑桩的变形和内力，达到安全、经济、科学、合理防治滑坡的目的。（2）变刚度抗滑桩以工程地层学、地层结构效应理论、地层结构力学、卸荷岩土体力学为基础[10～18]。（3）变刚度抗滑桩充分利用岩土地层的自稳能力，充分利用抗滑桩间的土拱效应，将土拱地层及抗滑桩后一定范围的地层也看成抗滑结构的一部分，考虑这些地层与抗滑桩形成的组合刚度[10～18]。

作者在变刚度抗滑桩方面已进行了一定的研究[10～17]，进一步的研究成果将另文发表。

参考文献

[1]刘金砺，迟铃泉.桩土变形计算模型和变刚度调平设计[J].岩土工程学报，2000，22（2）：151-157.

[2]王涛，高文生，刘金砺.桩基变刚度调平设计的实施方法研究[J].岩土工程学报，2010，32（4）：531-537.

[3]JGJ94-2008，中华人民共和国行业标准，建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]宰金珉，周峰，梅国雄，等.自适应调节下广义复合基础设计方法与工程实践[J].岩土工程学报，2008，30（1）：93-99.

[5]陈祥福.桩基设计的历史性突破-空间变刚度等沉降群柱设计[C]//会议论文，2001.

[6]宰金珉.地基刚度的人为调整及其工程应用[C]//第八届土力学及岩土工程学术会议论文集.北京：万国学术出版社，1999：235-238.

[7]周峰，宰金珉，梅国雄，等.天然地基变刚度垫层的概念与方法[J].四川建筑科学研究，2009，35（4）：116-119.

[8]蒋建平，刘文白.岩土结构面体系、效应与应用[M].人民交通出版社，2010.4.

[9]蒋建平.大直径灌注桩竖向承载特性[M].上海交通大学出版社，2007.1.

[10]蒋建平，刘文白.岩土工程地层结构效应与层组参数[M].人民交通出版社，2011，1.

[11]蒋建平，马恒.岸坡被动桩承载性状三维有限元分析[J].水运工程，2012（7）：58-66.

[12]蒋建平.“地层结构力学”的提出和基本理论框架[J].科技资讯，2012（5）：54-54.

[13]蒋建平.卸荷土体力学与卸荷岩土体力学的提出及其基本理论框架[J].科技资讯，2012（10）：40-40.

[14]蒋建平.深基坑坑底加固体的刚度效应研究[J].工程力学，2011，28（6）：130-140.

[15]蒋建平，路倬，高广运.板桩码头浚深改造方案研究[J].应用基础与工程科学学报，2011，19（2）：279-287.

[16]蒋建平，毛海英.基于地层结构效应的竖向受荷桩与地层共同作用研究.科技资讯，2011（11）：31.

[17]蒋建平，马恒.抗滑桩-边坡体系中桩与地层协同工作研究[J].科技资讯，2011（12）：110.

[18]蒋建平，黄智勤.岩土工程中的地层结构效应理论探讨[J].科技资讯，2011（12）：47.

推荐访问： 刚度 内力 变形 协调 探讨