开挖和回填对沉降分析的影响

1 引言

估算群桩的沉降有许多方法，Poulos(2022)对群桩沉降的计算方法作了总结，但大多数传统的方法都忽略了地基可能涉及到开挖和回填，此外，通常也忽略了地层表面不是水平的事实，而这两个因素影响着沉降分析之前的土的初始应力分布。

MIDAS Geotech将于2022年7月26日举办一场网络讲座《The Effect Of Cut And Fill For 3D Settlement Analysis》，使用GTS NX分析位于边坡地带的桩筏系统，介绍定义非均匀土层的不同方法以及展示开挖和回填对沉降分析结果的影响。

2 桩筏系统的3D分析

桩筏基础(Piled Raft Foundation)是高层建筑普遍使用的基础型式，因此桩筏基础的受力以及沉降分析一直是桩基础领域的研究课题，研究者们试图寻求可靠的方法分析和预测桩筏基础在载荷作用下的应力和变形。早期的研究大都基于现场试验和简化的弹性解给出建议，随着岩土工程数值模拟技术的发展，现在能够更全面地考虑桩筏基础的受力特性，包括土的塑性变形(可以使用复杂的本构模型)以及桩-筏-土之间的相互作用。除了GTS NX，我们目前主要使用的桩筏系统分析工具还有：(1) Plaxis 3D; (2) RS3和RSPile; (3) Group;

以及Settle3。

总的来说，桩筏基础似乎存在着相互矛盾的设计方法 论。一种理论认为，桩筏基础中的桩承受大部分载荷，筏板只承受小部分载荷；另一种理论则认为，桩筏基础中的筏板主要承受地基载荷，桩的作用主要是为了减少差异沉降。根据我有限的工程实践经验以及从岩土工程师的角度出发，个人比较偏向于第一种理论，因为大部分建筑的地基土是均匀的，桩基本上均匀布置，除非有特殊载荷，否则桩的尺寸(包括直径和桩长)在设计时是一样的，没有减少差异沉降的目的，另一方面，桩改善了土的力学性能，提高了地基土的承载力，如果土的承载力不足，建筑物将会产生较大的沉降量。

当进行桩筏基础模拟时需要考虑以下事项：

(1) 桩是作为结构元还是作为实体元？由于桩的几何尺寸与周围土体单元的尺寸相比很小，因此大多数模拟软件使用结构元代替真实桩的几何形状，典型的例子如FLAC3D，但也可以使用实体元模拟真实桩的尺寸，例如Plaxis3D使用体积元(volume elements)模拟3D桩。

(2) 桩与筏之间是否需要设置界面元？界面元用来模拟土-结构之间的相互作用。默认情况下，桩与筏板是刚性连接，也就是说，筏板发生变形，土体才发生变形，反之亦然。这实际上又返回到先前提及的设计方**，取决于设计工程师的设计理念。不过，为了揭示土-结构的相互作用，建议设置界面元进行分析。