第1章 绪论
1.1 课题背景与研究意义
目前，建筑结构设计常把上部结构和地基基础作为两个独立系统分别考虑。在基础设计中，上部结构被看成没有刚度的散体，基础作为上部结构的固定支座，在荷载作用下求解上部结构的内力和基础固定端的反力，用弹性地基梁法计算该反力作用在基础上产生的内力。上述常规的设计方法只考虑了基础和地基的相互作用，忽略了上部结构对基础的约束作用，导致计算的基础弯矩和纵向弯曲偏大，使基础设计偏于保守，产生浪费；同时，没有考虑基础的差异沉降在上部结构产生的次应力，因而在上部结构的某些部位就可能低估了结构内力，偏于不安全，甚至出现工程事故。考虑地基、基础和上部结构之间的共同作用，才能反映建筑物与地基基础协同工作的实际情况。
多层建筑与地基基础共同作用就是把上部结构、基础与地基三者看成一个整体，并要满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变形协调和力的平衡条件。利用共同作用分析三者的内力和变形的方法就称为共同作用分析方法。利用共同作用分析方法和理论进行工程设计称为共同作用设计方法。共同作用设计方法与常规设计方法是不同的。常规设计方法先把上部结构隔离出来，并用固定支座来代替基础，求得上部结构的内力和变形以及支座反力，而在支座处是没有任何变形的；接着把支座反力作用在基础上，用材料力学方法求得地基反力，并假定地基反力是线性分布来分析基础，从而获得基础的内力和变形；再把地基反力作用在地基或桩上来设计桩数或校核地基的强度和变形。这种常规设计方法人为地把基础和上部结构分开计算，忽略基础的变形和位移，计算结果与实测结果有明显的区别，有的按常规设计方法设计的工程甚至会出现部分重要构件破坏。
另一方面，多层建筑与地基基础共同作用的现场实测表明：不管是箱形基础还是片筏基础，桩箱基础还是桩筏基础，基础底板的钢筋应力总是很小，远远小
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于钢筋的允许应力[1，3，4，5]，说明常规设计方法不考虑地基基础与上部结构的共同作用，造成基础设计的浪费。为此，对常规的设计方法提出疑问，而地基基础与上部结构的共同作用问题是在工程实践中客观存在，应予研究和应用。通过地基基础与上部结构的共同作用理论与实践的研究，文献[1]明确指出研究地基基础与建筑物的共同作用的目的是：
1．建筑物与地基基础共同作用分析符合实际工程，计算结果与现场实测结果比较一致；
2．对于无桩的建筑物基础底板设计，共同作用分析比较合理；
3．对于有桩的建筑物，共同作用分析可以充分利用桩间土的承载力，以减少桩数。
1.2 国内外研究现状
多层建筑与地基基础共同作用学科是一门新兴的应用学科，它是随着建筑物的大量兴建及计算机技术迅速发展而产生的新学科。早在50年代，梅耶霍夫(G.G.Meyerhof)[6]首先提出框架结构与土的共同作用概念，1953年弗朗西斯(A.J.Francis)[7]首先研究单独基础上的多层多跨框架结构的共同作用。岑米斯基(S.Chamecki)[8]，格罗斯霍夫(H.Grosshof)相继研究单独基础上多层多跨框架结构的共同作用。当跨入60年代，萨玛(H.Sommer)[9]提出一个考虑上部结构刚度计算基础沉降、接触应力和弯矩的方法，随着有限元和计算机的发展，中凯维茨和张佑启(0.C.Zeinkeiwicz and Y.K.Cheung)[10]应用有限元研究地基与基础的共同作用，普齐米尼斯基(J.S.Przemieniecki)[11]提出子结构的分析方法，为哈达丁(M.J.Haddadin)[12]首次利用子结构的分析方法研究地基基础与上部结构共同作用打下基础。翌年，克里斯琴(J.T.Christian)[13]在多层建筑的规划与设计会议上阐述多层建筑与地基基础共同作用问题。从事该课题的研究人员日益增多，例如，李和哈里中(I..K.Lee and LH.B.Harrison)[14]，海恩和李(S.J.Hain and I.K.Lee)兰纳斯和伍德(W.J.Lamach and L.A.Wood)[15]，胡柏(J.A.Hooper)金和钱得拉斯肯(G.J.W.king and V.S.Chandrsekarm)[16]、华杜和弗拉萨(L.J.WardleandR.A.Frazer)，胡柏和伍德(J.A.Hooper and L.A.Wood)[17]等人。对于有桩的多层建筑，共同作用分析方法先在单桩与土的共同作用展开，1966年由Cnyle和Reese[18]提出荷载传递法。1963
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年由Appolonia和Romnaldi[19]首先提出弹性理论法，此后Salas和Belzunce[20]在1965年，Nair[21]在1967年，Poulos和Davis[22]在1968年均对单桩在竖向荷载作用下用弹性理论法研究单桩与土的共同作用。剪切位移法最初由R.W.Cooke[23]在1974年在试验和理论分析基础上提出的。在群桩沉降分析中，1957年zeevaert[24]首先提出一种把桩基和浮基础结合起来的设计方案，它的沉降计算很复杂，它要求建筑物的沉降与地面沉降相匹配，这种多层建筑与地基基础共同作用的设计方法可用43层高的拉丁美洲大厦的基础设计来示范，他的设计方法和思想并没有引起人们的充分注意。1967年K.Terzaghi和R.B.Peck[25]假定桩群的总沉降按等效的实体基础作初略估算来考虑桩与桩间土的共同作用，1968年H.G.Poulos[26]用弹性理论法对桩群作沉降分析以考虑桩土的共同作用。迄至1977年，在印度召开第一次“土与结构物共同作用”国际性会议[27]。论文集中反映该课题在当时的新水平。以后，对共同作用课题越来越引人注目。几乎涉及到所有工程问题。例如在第十、十一届国际土力学及基础工程会议(1981，1985)和第三、四、五届国际土质力学的数值方法会议(1979，1982，1985)均有一个“土与结构物共同作用组”进行讨论，“土与结构物共同作用”专著相继出版，例：塞尔瓦杜雷(A.PS.Selvadurai)[28]1979年出版的(Elastic analysis of soil-foundation interaction》以及普洛斯(H.G.Poulos and E.H.Clavis)[29]1980年出版的《Pile foundation analysis and design》。1981年普洛斯(H.G.Poulos)在第十届国际土力学与基础工程会议上作了土与结构物共同作用的总报告[30]详述了土与结构物共同作用的发展和前景。土与结构物共同作用的理论在多层建筑基础设计中的应用逐渐发展。在1977年东京的国际土力学与基础工程会议上，Burland等人[31]在讨论会上指出：“传统的工程师常考虑需要多少根桩才能承担建筑物的荷载(重量)或要求设计者减少沉降到某个容许值需要多少根桩才是最好的，但是，回答第二个问题需要多少桩数的人总是明显少于回答第一个问题需要多少桩数的人。他在这次会上把桩视为“Settlement reducers”1985年A.Fredriksson等人[32]提出了“Foundation on creep piles”的概念，对房屋基础作了共同作用分析。Burland等人1986年在文献[33]中指出：“在一定的环境下，可以使用少量承载力充分发挥的桩把粘土地基上的片筏基础的沉降减少到一个合适的水平，这样的桩称为减小沉降桩“settlement reducing piles”。1986年Price，G[34]等人利用共同作用原理对
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11层高层建筑桩筏基础作了设计尝试，提出“减小基础应力桩”(stress reducing piles)的概念。1989年底结构封顶的56层多的法兰克福展览会大楼采用补偿式摩擦桩基来减少建筑物的沉降，减少角桩和边桩的长度来限制角桩和边桩的的承载力，使筏基底板的弯矩大大减小[35]，但其预估沉降比实测沉降大得多。
在国内，60年代初，张问清对建筑物箱形基础与地基的共同作用的理论进行研究工作。在多层建筑箱形基础与地基的共同作用理论研究的基础上，从1974年起在京沪豫等地区对九幢高层建筑箱形基础与地基共同作用进行比较全面的现场测试研究工作，研究表明[1，3]：对于补偿箱(筏)基础，发现上部结构刚度对箱(筏)基础的刚度是有贡献的；把箱(筏)基础和上部结构分开的常规设计方法使基础设计太保守；基础底板钢筋应力并未随层数的增加(即荷载增加)而增加，而是呈正弦形变化，箱基顶板钢筋应力由于中性轴上移至上部结构而出现拉应力；同时常规设计方法也不能解释由于箱(筏)基础的变形和刚度的影响引起的上部结构最下面几层，特别是底层边、角柱(或墙)产生的“次应力”，次应力值可达到常规设计的1.5倍左右，有时会使底层的边、角柱(或墙)开裂，影响建筑物的使用寿命。
这阶段的研究积累宝贵的经验和难得的数据，并比较系统地检验理论的正确性，为我国《多层建筑箱形基础设计与施工规程》(JGJ6-80)的编制创造有利条件，使我国的多层建筑箱形基础设计提高到一个新的水平。1981年在上海同济大学召开“多层建筑与地基基础共同作用学术交流会”，检阅我国当时在该课题的研究水平。例如，上海同济大学张问清、赵锡宏课题组[36]提出扩大子结构法计算多层建筑结构刚度，北京张国霞课题组[37]，建研院何颐华课题组[38]，北京工业大学叶于政课题组[39]相继对多层建筑与地基基础共同作用进行理论和实践的研究。上海同济大学朱百里等参加这次会议。朱百里，曹名葆，魏道垛[40]同时在同济大学学报发表“框架结构与地基基础共同作用的数值分析”文章，考虑地基的非线性。ZhaoXihong，Cao mingbao，Lee I.K.&Valliappan(赵锡宏、曹名葆、李和威利阿磐[54]在第5届国际岩土力学数值方法会议发表建筑物和地基以及桩周土硬化和软化的共同作用的论文。
1982年、1986年、1990年我国第一、二、三届岩土力学解析与数值方法会议和1983年、1987年、1991年我国第四、五、六届土力学及基础工程学术会议
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上均设有共同作用专题组进行讨论。特别在1993年召开第一届结构与介质相互作用学术会议，共同作用课题不但在岩土工程中得到发展，而且应用到其他学科中去。1985年董建国、路佳等对共同作用原理在多层建筑地基基础中的应用进行首次尝试[41，42]。随着建筑物越造越高，多层建筑与地基基础(包括箱、筏、桩)的共同作用研究也得到深入发展，赵锡宏等著的《上海多层建筑桩筏与桩箱基础设计理论》[3]反映80年代后期该课题组的理论和实践研究成果。在该书中指出：“在桩筏或桩箱基础能够满足建筑物荷载条件下，如果增减10%的桩数对基础的沉降影响甚微。”实测表明：在上海，对于常规的桩距，筏或箱底分担的荷载为10～28%的建筑物荷载。明确指出对于常规设计减少桩数利用桩间土的承载力的可能性。共同作用分析难度大，通过理论和实践结果的分析，这期间已得到一些定性的结论，可用于工程实践。90年代董建国等[43]对共同作用在实际中的应用提出建议，杨敏[44]对上部结构与桩筏基础共同作用作了深入的理论和实验研究，黄绍铭、裴捷等[45]的减少沉降桩的研究与其在多层建筑的应用以及疏桩工程的设计均是上部结构与地基基础共同作用理论在多层建筑基础设计上的应用。在此期间“土与结构物共同作用”专著相继出版，例：宰金抿和宰金璋著的《多层建筑基础分析与设计—土与结构物共同作用的理论与实践》[46]。董建国和赵锡宏著的《多层建筑地基基础共同作用理论与实践》[1]以及赵锡宏等著的《带裙房的多层建筑与地基基础共同作用设计理论与实践》[47]。
1998年在我国第八届土力学及基础工程学术会议上以及2000年在“21世纪多层建筑基础工程学术研讨会”会议上，利用桩箱(筏)基础与地基共同作用的理论和实践研究成果，提出的建筑物的变形控制设计理论、方法及其应用均成为讨论的热点，文献[48-53]概括这些方面的研究。建筑结构与地基基础共同作用课题的研究，涉及到上部结构、基础和地基三者本身特性的结合，由于影响因素很多，互相结合成一个整体进行研究，确实相当复杂和困难，特别是因为地基土系三相土，地基土是分层的，且为半无限体，确定多层建筑与地基墓础共同作用课题为三维问题。其复杂和困难还表现在建筑物的施工和使用期间，地基变形的变化规律，建筑物刚度的变化，它们之间的相互影响，地基的差异变形引起建筑物内部荷载和应力的重分布，在施工期间的施工条件对地基变形和建筑物刚度的影响，高低建筑物基础的差异沉降，桩箱(筏)基础的差异沉降和变形规律，桩与箱(筏)
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