高层建筑桩筏基础智能化控制原理与方法

Realize pile-soil interaction to exert fully supporting capacity of subgrade and control difference settlement of raft are research hotspots and difficulties about theory research of piled raft foundation of high-rise building. Its sixty-four-dollar question is big difference and disproportion of supporting stiffness of pile-soil system, and not solved well. Active control theory of piled raft foundation advanced by applicant could solve the question of pile-soil interaction for end-bearing pile, and achieve remarkable achievements. Active control theory could not be used to control difference settlement of raft, It is hard to calculate the supporting stiffness of pile-soil system well and truly with existing system info. This project advance intelligent control concept of piled raft foundation of high-rise building, and focus on the research how to reduce intelligently upper error between calculated value and actual value. The research include content as follows: study the pile support which can be adjustable to adjust the supporting stiffness of pile-soil system in all time, establish set of equations of superstructure-pile-soil-raft-support, make control software, establish integrate intelligent control system of piled raft foundation, and proved it by model test. Anticipative production can ensure the piled raft foundation be the optimum state which the total deformation is controllable, capacity of subgrade is made most, difference settlement of raft is zero in all time from build to use. The application foreground of project is worth expecting.

实现桩土共同作用，充分发挥地基土承载力以及有效控制筏板差异沉降是高层建筑桩筏基础设计理论研究的热点与难点，其核心是桩土支承刚度差异过大及分布不均的问题，目前尚未很好解决。申请人提出的桩筏基础主动控制理论可较完善解决端承型桩桩土共同作用问题，已取得显著成果，但很难同时将其应用于筏板的差异沉降控制，原因是目前理论研究水平无法在设计时准确计算地基基础的支承刚度。本项目提出高层建筑桩筏基础智能化控制的概念，着眼于智能化消除桩筏基础后期出现的计算与实际误差研究，包括自主研制刚度可调式桩顶支座，实现桩土支承刚度全过程按需可控调节；建立考虑桩筏整体刚度可调的上部结构-桩-土-筏-支座共同作用方程，并编制控制软件；建立完善的桩筏基础智能化控制系统，并进行试验验证。本项目预期研究成果可使高层建筑桩筏基础在建造与使用全过程中始终保持整体变形可控、地基承载力充分发挥、差异沉降为零的最优化状态，具有良好应用前景。

常规桩筏基础的整体刚度受控于上部结构形式、筏板厚度以及地质条件等因素，如果需要对桩筏基础的整体刚度进行优化与调整，现有技术手段往往效果不好、限制过多且代价巨大，使得常规桩筏基础在解决某些技术难题和应用于部分领域时碰到较大困难，制约了桩筏基础的进一步发展。为解决上述问题，在上一个基金项目成果的基础上，本项目通过室内试验、理论分析、数值模拟以及现场测试等研究手段，进一步对桩筏基础的主动及智能控制开展研究，主要研究内容和取得的主要结果如下：①通过自主创新，完成了被动式刚度调节装置的系列化试验和全过程可控的主动式刚度调节装置的研制，奠定了桩基支承刚度主动控制及智能控制的硬件基础；②以桩土共同作用理论为基础，建立了考虑桩基支承刚度可控的桩筏基础整体分析模型，提出了桩基支承刚度可控调节计算方法，编制了计算程序，初步实现了在简单工况下桩筏基础的整体智能控制；③考虑岩土参数的不确定性，建立地基土极限承载力和单桩竖向承载力的安全度稳定水平的计算方法，分析表明，地基土内摩擦角对地基土极限承载力和单桩竖向承载力的安全度稳定水平的影响最大；④将鲁棒性设计方法应用在桩土共同作用分析中，通过具体算例针对考虑桩土共同作用的摩擦型桩筏基础，研究桩筏、地基土承载力在较高利用率情况下设计安全度的稳定水平；⑤开展设置全过程可控的主动式刚度调节装置桩筏基础的模型试验，分析桩筏基础主动及智能控制技术的实际工程效果，总结其工作性状；⑥通过现场实测与分析，验证桩筏基础主动控制技术的合理性与可靠性。结果表明，桩筏基础主动控制技术的实施，使地基土承载力得到充分发挥，建筑物总沉降和差异沉降均满足设计要求。通过本项目的实施，完善了桩筏基础的主动控制理论和设计方法，初步实现了简单工况下桩筏基础的智能控制，对桩筏基础理论的完善和发展起到了积极的推动作用。