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太原理工大学硕士研究生学位论文 用有限元分析复合地基的水平受力机理和性能 摘要 随着我国国民经济的飞速发展，我国基础工程的建设规模日益扩大， 难度不断提高。土木工程功能化、城市建设立体化、交通高速化和改善综 合居住条件成为现代土木工程的特征。土木工程领域中，与上部结构相比 较，地基不确定因素多、问题复杂、难度大。越来越多的天然地基都不能 满足工程要求，因而复合地基这种地基处理技术也由此得到了极大的发展。 复合地基技术能够较好利用增强体和天然地基两者共同承担建( 构) 筑物荷 载的潜能，而且相对经济适用。另一方面，与复合地基的应用实践相比， 复合地基的理论却滞后于实践的发展，从而严重制约了这类地基处理方法 的发展和完善。 目前，大多数研究是围绕着刚性桩复合地基在竖向荷载作用下的工作 性状，对其在竖向荷载作用下的荷载传递机理、桩土应力分担比、合理褥 垫层厚度等均有了较深入的研究，而对其在水平荷载作用下的研究还较少， 尚处于初级阶段，为了加强对复合地基水平受力理论的研究，本文利用三 维有限单元法对单桩复合地基在水平荷载作用下的位移分布规律和接触单 元的变化规律进行了详细的分析。 文章首先介绍了复合地基的基本概念和特点以及刚性桩复合地基的应 用与研究动态，简要讨论了c f g 桩复合地基的工作机理和破坏形式，以及 c f g 桩中褥垫层的重要性。针对目前广泛使用的c f g 单桩复合地基，并且 太原理工大学硕士研究生学位论文 结合文献 1 3 中的实验资料以及建筑地基处理技术规范( j g j7 9 2 0 0 2 ) ， 利用大型通用有限元软件a n s y s 9 0 ，首先建立了一个简化的平面应变模 型，通过分析简化模型的位移变化规律和接触单元的滑移、接触压力以及 渗透值，了解程序的运作方式和结构的表现行为，掌握了非线性求解的一 些参数设置。然后建立了三维有限元计算模型，并且给出了两种建模方式 的比较：一种是从低级向高级建模，即先建立1 4 模型，采用映射网格划分 的方法，然后扫略生成体网格，最后镜面映射为整个模型；另一种是从高 级向低级建模，即直接建立高级图元，利用布尔运算，承台、褥垫层和桩 身采用映射网格划分，桩间土采用自由网格划分。通过对两种不同建模方 式的求解运行时间的比较，发现后一种建模方法提高了近四倍的求解运算 时间，同时也不会降低求解精度。所以本文决定采用后一种建模方式，具 体分析了桩顶与褥垫层之间的接触面的初始状态、滑移距离、渗透值和接 触压力值的变化过程。 研究了不同影响因素下单桩复合地基在水平荷载作用下桩项与桩身的 水平位移变化规律。其主要内容以及结论为： ( 1 ) 其他条件相同时，所施加的竖向荷载越大，桩顶与桩身的水平位移 越小；竖向荷载越小，桩顶与桩身的水平位移越大； ( 2 ) 其他条件相同时，褥垫层的压缩模量取值越小，桩顶与桩身的水平 位移越小；褥垫层的压缩模量取值越大，桩顶与桩身的水平位移也越大； ( 3 ) 其他条件相同时，褥垫层越厚，桩顶与桩身的水平位移越小；褥垫 层越薄，桩顶与桩身的水平位移越大； ( 4 ) 其他条件相同时，有埋深的基础，其桩顶与桩身的水平位移明显小 太原理工大学硕士研究生学位论文 于无埋深基础的水平位移； ( 5 ) 其他条件相同时，桩间土的压缩模量越小，桩顶与桩身的水平位移 越大，随着桩间土压缩模量的增加，桩顶与桩身的水平位移明显减小。 数值分析结果表明，竖向荷载的大小对单桩复合地基的水平位移有很 大的影响；适当厚度的褥垫层、压缩模量的选取以及基础埋置深度，都会 影响桩项与桩身的水平位移的变化规律。该结论可以对工程实践起理论指 导作用，并且为研究群桩复合地基理论的进一步发展奠定基础。 关键词：刚性桩，复合地基，水平荷载，有限元分析，单桩 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h eh o r i z o n l ：a lb e a r i n gm 匝c h a n i s ma n d b e h a 、，i o ro fc o 口o s i t ef o u n d a t i o nb y f d 姐t ee l e n 玳ta n a l y s i s a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h ef o u n d a t i o ne s t a b l i s h m e n t a n di t ss c a l ei no u rc o u n t r yb e c o m el a r g e ra n dl a r g e r , i t sd i f f i c u l tc o n t i n u o u s l y i n c r e a s e c i v i l e n g i n e e r i n gf u n c t i o n a l i z a t i o n ，t h r e e - d i m e n s i o n a l u r b a n c o n s t r u c t i o n , h i g hs p e e do ft r a n s p o r t a t i o n ，a n dp e o p l e sl i v i n g c o n d i t i o n i m p r o v e m e n th a v eb e c o m et h ec h a r a c t e r i s t i co fm o d e mc i v i le n g i n e e r i n g i nt h e f i e l do fc i v i le n g i n e e r i n g ，w i t ht h es u p e r s t r u c t u r ec o m p a r e ，al o to fu n c e r t a i n f a c t o ro ff o u n d a t i o n ，m a k et h ep r o b l e mm o r ec o m p l i c a t e d m o r ea n dm o r e n a t u r a lf o u n d a t i o nc a nn o ts a t i s f yt h ep r o j e c tr e q u e s t m e n t , a sar e s u l tc o m p o s i t e f o u n d a t i o nd e v e l o p m e n tr a p i d l y t h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nt e c h n o l o g yc a n f a i r l y m a k eg o o du s eo ff o u n d a t i o nb o t ht h es t r e n g t h e nb o d ya n dn a t u r a l f o u n d a t i o nt ob e a rt h eb u i l d i n g ( s t r u c t u r e ) l o a d s ，a n di t se c o n o m i ca p p l i c a t i o n r e l a t i v e l y h o w e v e r , i nc o n t r a s tw i t ht h ew i d eu s eo ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ， i t st h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sv e r ym u c hl a gb e h i n d ，w h i c hs e r i o u s l yr e s t r a i n st h e d e v e l o p m e n ta n db e t t e r m e n t v 太原理工大学硕士研究生学位论文 a tp r e s e n t ，l o t so fr e s e a r c hc o n c e n t r a t ei nt h em e c h a n i s ma n db e h a v i o r u n d e rv e r t i c a ll o a d s ，l e s sr e s e a r c ho nh o r i z o n t a ll o a d s i no r d e rt os t r e n g t h e n t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nh o r i z o n t a ll o a d s ，t h i sp a p e ru s et h et h r e e - d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm e t h o d st o a n a l y s i st h eh o r i z o n t a ld i s p l a c m e n ta n dc o n t a c t e l e m e n tb e t w e e n p i l e t o pa n d c u s h i o n i nt h i s p a p e r , f i r s t l y , t h e b a s i ct h e o r yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s i n t r o d u c e d ，a n dd e s c r i b et h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h er i g i dp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，d i s c u s s i n gt h ec f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw o r k i n gm e c h a n i s m a n df a i l u r em o d eb r i e f l y a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt e c h n i c a lc o d e f o rg r o u n dt r e a t m e n to fb u i l d i n g s ( j g j7 9 - 2 0 0 2 ) ，u s et h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o ds o f t w a r ea n s y s 9 0t oe s t a b l i s h2 dp l a n a rs t r a i nm o d e l , t h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h i ss i m i p l i f i e dm o d e l ，a c q u a i n tt h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h e p r o c e d u r e ，a n d t h eb e h a v i o ro ft h es t r u c t u r e t h e n e s t a b l i s h i n g t h e t h r e e - d i m e n s i o n a lc a l c u l a t i o nm o d e la n dt og i v eo u tt h ed i f f e r e n c eo ft w ok i n d s o fe s t a b l i s h i n gm e t h o d s f i n i a l y , i tb a s e do i le n t e r p r i s ei n t e g r a t e dm o d e lt o i n v e s t i g a t et h a tt h ee f f e c t so fd i f f e r e n ta f f e c t i n gf a c t o r so nt h eh o r i z o n t a ll o a d b e h a v i o ro ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，w i t hw h i c ht h ed i s t r i b u t i o nl a wo f h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta l o n gp i l eh e a d ，d r a w st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s 1 w h e nt h eo t h e rc o n d i t i o n sw e r ei d e n t i c a l ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f p i l e h e a dd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fv e r t i c a ll o a d ； 2 w h e nt h eo t h e rc o n d i t i o n sw e r ei d e n t i c a l ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f p i l eh e a dd e c r e a s ew i t h t h ei n c r e a s eo fc u s h i o nt h i c k n e s s ； v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 w h e nt h eo t h e rc o n d i t i o n sw e r ei d e n t i c a l ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f p i l e h e a dd e c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fc u s h i o nc o m p r e s s i o nm o d u l u s ； 4 w h e nt h eo t h e rc o n d i t i o n sw e r ei d e n t i c a l ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f p i l e h e a dd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fe m b e d d e df o u n d a t i o n ； 5 w h e nt h eo t h e rc o n d i t i o n sw e r ei d e n t i c a l ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f p i l e h e a dd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f p i l es o i lc o m p r e s s i o nm o d u l u s ； w i t ht h er e s u l to ft h en u m e r i c a la n a l y s i s ，v e r t i c a ll o a da tp r o p e rl e v e lw i l l e n h a n c et h eh o r i z o n t a ll o a db e a r i n gc a p a c i t yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；d u et o t h ee f f e c to ft h ec u s h i o nl a y e ri nt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，t h eh o r i z o n t a ll o a d t r a n s f e r r e d t op i l e sw i l lb ed e c r e a s e d ；t h eb i g g e re m b e d d e df o u n d a t i o nw i l la l s o d e c r e a s et h ed i s p l a c e m e n to fp i l eh e a da n dt h ep i l ew i l lb es a f e r t h e s e c o n c l u s i o n sw i l lp l a yar o l eo f g u i d a n c ef o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n dl a yd o w na b a s i sf o rf u r t h e rd e v e l o p i n gt h et h e o r yf o rc o m p o s i t ef o u n d a t i o n k e yw o r d s ：r i g i dp i l e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，h o r i z o n t a ll o a d s ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，s i n g l ep i l e v i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 1 术语 1 1 地基处理g r o u n dt r e a t m e n t 为提高地基承载力，改善其变形性质或渗透性质而采取的人工处理地 基的方法。 1 2 复合地基c o m p o s i t es u g a r e d ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n 部分土体被增强或被置换形成增强体，由增强体和周围地基土体共同 承担荷载的地基。 1 3 水泥粉煤灰碎石桩法c e m e n t - f l ya s h - g r a v e lp i l e 由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合材料加水拌合形成高粘结强 度桩，并由桩、桩间土和褥垫层一起组成复合地基的地基处理方法。 2 符号 p 。，桩体极限承载力，k p a p 。，天然地基极限承载力，k p a k 。反映复合地基中桩体实际极限承载力的修正系数，与地基土质情 况、成桩方法等因素有关，一般大于1 0 ； k ：反映复合地基中桩间土实际极限承载力的修正系数，与地基土质情 况、成桩方法等因素有关，可能大于1 0 也可能小于1 0 ； ，复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，可称为桩体极限强 度发挥度，若桩体先达到极限强度，引起复合地基破坏，则h = 1 0 x i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 若桩间土比桩体先达到极限强度，则k 1 0 ； 。复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例，可称为桩间土 极限强度发挥度，一般情况下，复合地基中，往往桩体先达到极 限强度， ，通常在0 4 1 0 之间； m 复合地基置换率，i n - a ，a ，其中“为桩体面积，a 为对应 的加固面积。 f 桩周摩阻力的极限值； s 。桩身周边长度； l 。按土层划分的各段桩； r 桩端土极限承载力； a p 桩身横断面积： l ( 0 土的侧压力系数； 纯桩土之间的摩擦角； 吒桩侧土中竖向有效应力； 气桩间土的竖向应变； 气桩体的竖向应变； l 桩顶刺入褥垫层的刺入量( m ) ； ：桩间土顶褥垫层的压缩量( m ) ； ：桩底刺入下卧层的刺入量( m ) ； a ：桩间土下卧层的压缩量( m ) ； k 第i 段桩侧土的侧压力系数； 纯第i 段桩土之间的摩擦角； 太原理工大学硕士研究生学位论文 第i 段桩侧土顶面的竖向有效应力( k p a ) ； 乃第i 段桩侧土的容重( k n ，m 3 ) ； 吒第i 段桩顶的应力( k p a ) ； 吒第i 层土项面的附加应力( k p a ) ； 等沉面以下第j 段桩体深度z j 处的应力； 等沉面以下第j 层土顶面竖向有效应力； 等沉面以下第j 段桩项应力； a s 口等沉面以下第j 段桩体的压缩量： 等沉面以下第j 层土深度z j 处土中的竖向有效应力； 等沉面以下第j 层土深度z j 处土中的竖向附加应力； 吒等沉面以下第j 层土顶面的附加应力； a s 。等沉面以下第j 层土的压缩量。面以下第j 层土顶面的附加应力； h o 褥垫层厚度( m ) ； e - 褥垫层压缩模量( k p a ) ； p “桩端平面上桩侧土中的竖向附加应力( k p a ) ； p 岫桩端处竖向附加应力( k p a ) ； c 桩端平面处单位附加力引起的刺入变形( m k p a ) ； p 总的垂直荷载i n ； p p 桩承担的垂直荷载k n ； p 。桩间土承担的垂直荷载k n ； q 基础所受水平力； q ，传递到桩上的水平力； 太原理工大学硕士研究生学位论文 q 。传递到桩间土上的水平力； p 。桩间土分担的竖向荷载； u 基础与土之间的摩擦系数，其值多在0 2 5 0 4 5 之间变化； 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：型i 查叁 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：邋日期： 导师签名：经盘迄日期：三! 12 ：芝：! 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 随着我国国民经济的飞速发展，土木工程的建设规模日益扩大，难度不断提高。土 木工程功能化、城市建设立体化、交通高速化和改善综合居住条件成为现代土木工程的 特征。越来越多的天然地基都不能满足工程要求，因而地基处理这门学科也由此得到了 极大的发展。目前，地基处理方法很多，要对各种地基处理方法进行精确的归类是很困 难的。根据地基处理的加固机理，对地基处理进行分类，大致可分为( 1 ) 置换，( 2 ) 排水固 结，( 3 ) 灌入固化物，“) 振密、挤密，( 5 ) 加筋，( 6 ) 冷热处理，( 7 ) 托换，( 8 ) 纠偏；也可根据 地基处理加固区的部位分为浅层地基处理方法、深层地基处理方法和斜坡面涂层处理方 法三大类。经过地基处理形成的人工地基大致上可以分为：均匀地基、多层地基和复合 地基“1 。而复合地基因其工艺简单、施工方便、造价低廉等优点，叉考虑到复合地基能 在一定程度上解决地基承载力不足的问题，同时也能有效地降低沉降，因此，除了已经 能很好的应用于中小型工程的地基处理中，在高层建筑的地基处理中也得到了广泛的应 用。 1 1 复合地基概述 1 1 1 复合地基的定义及分类 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然 地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地 基。广义的复合地基是根据地基中增强体的方向分为竖向增强体复合地基和水平向增强 体复合地基两大类；狭义的复合地基主要是指竖向增强体复合地基，习惯上称为桩体复 合地基。 龚晓南脚根据增强体性质将复合地基分为了三大类： 复合地基 散体材料桩复合地基，如砂桩、碎石桩、矿渣桩复合地基等 柔体桩复合地基，如土桩与灰土桩、水泥土桩、石灰桩复合地基等 刚性桩复合地基，如水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 、沉管灌注桩复合地基等 太原理工大学硕士研究生学位论文 叶书麟脚则把复合地基按成桩材料分为如下三类： f 散体土类桩复合地基，如碎石桩、砂桩复合地基等 复合地基 水泥土桩复合地基，如水泥搅拌桩、旋喷桩复合地基等 i 混凝土类桩复合地基，如树根桩、c f g 桩复合地基 事实上，即使按同一原则进行分类，不同的专家也有不同的分法。以上这些分类的 不同类型间并无严格的界限。在复合地基中，增强体的性质不同，则复合地基的工作机 理也不同。例如：对中高粘结强度桩复合地基，在基础与桩和桩间土之间必须设置一定 厚度的褥垫层，当有荷载作用时，桩体可以向上刺入到褥垫层里，通过褥垫层的流动， 补充到桩间土中，使桩间土能充分发挥其承载力，才能使桩与桩问土共同承担外荷载。 对于散体桩和低粘结强度桩复合地基，在基础与桩和桩间土之间不设置褥垫层，也可以 充分发挥桩间土的承载能力。 1 1 2 复合地基的特点 复合地基有两个基本特点：( 1 ) j l l 固区是由基体和增强体两部分组成，是非均质和各 向异性的；( 2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。前一种特征使它区别 于均质地基( 包括天然的和人工的均质地基) ，后一种特征使它区别于桩基础。基体和 增强体形成复合地基有一定的条件，在荷载作用下，通过两者变形协调，共同分担荷载。 从荷载传递机理看，竖向增强体复合地基介于均质地基和桩基础之间。当置换率等于零 时，复合地基蜕化为均质地基，当复合地基桩间土强度发挥度为零时，复合地基蜕化为 桩基。 对于均质地基和桩基础，因其实践时间较长，理论体系的发展也比较成熟。而复合 地基从6 0 年代提出到现在，不到五十年的时间，虽然其理论也是不断向前发展，但是 由于各地区自身条件的差异和桩土材料性质的差异，造成复合地基形式的千变万化，进 而不可避免地在施工过程中会遇到新的问题，当然经过了几十年的发展，人们对于复合 地基在竖向荷载作用下的荷载传递机理、桩土应力分担比、合理褥垫层厚度等均有了较 深入的研究，但在高耸塔形建筑以及高层建筑等工程中，尤其是桥梁工程中的桩基，这 类桩基设计时不仅要满足其竖向承载力要求，还要考虑其承受诸如风力，波浪力，地震 力、水压力及土压力等水平荷载，并对其水平荷载力进行验算。而对于这些水平荷载的 研究较少，还处于初级阶段，以至于人们现在仍然不能准确把握其应力、变形等性状。 在承受水平荷载下如何合理而有效的采用已有的复合地基形式，是专家学者们今后研究 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 的重点。 复合地基的作为一门新的地基处理技术，当然也可以把它看成是一门艺术，在实际 工程中它不但要遵从科学技术的一般规律，还要根据实际地质情况、投资大小来掌控其 工程造价，控制到最合理的程度，因此复合地基处理技术实质上是一个优化的问题。中 外许多学者长期不懈地进行着研究，努力找到其最优值，最大限度的减少实际工程中不 必要的“复合地基”的概念和理论体系可以说是他们共同劳动的结晶。 1 1 3 复合地基的应用及研究方向 随着地基处理技术的不断发展，近些年来，复合地基技术已经广泛应用这些工程中， 并产生了良好的社会效益和经济效益。目前，复合地基在我国主要运用于以下几类工程 中： 夺各类结构物的基础工程：低中层结构物的基础、油罐基础以及作为建筑物纠偏 措施： 公路、铁路工程：公路和铁路的路堤基础、桥墩基础以及作为路堑、堤坝的斜 坡稳定措施； 防水、防汛工程：地下防渗墙、重力挡墙； 地震工程：在地震中作为减少液化和管涌措施： 隧道、地下工程：竖井与项管交接处的局部加固，隧道开挖起始块的加固，以 及开挖工程的一般加固措施； 临时工程的挡墙、防渗墙、抗滑动等措施。 就如同每一种新生事物在它刚出现的比较短的时间里，都会由于不太适应环境而产 生这样或是那样的问题。复合地基作为一种较新的地基处理技术在推广应用过程中也产 生过一些问题。如有关复合地基的应力场和位移场方面的理论还很不成熟，未能合理控 制施工后沉降量，施工后沉降量过大造成工程事故等。针对这些实际工程中遇到的新问 题，就需要尽可能的提出一些新的理论来完善旧有的已经不适用的理论，使其能更好的 应用于工程实践中。因此仍需加强对复合地基设计计算理论的研究。一般对于复合地基 的研究主要是集中在以下几个方面“1 ： 夺各类复合地基荷载传递机理，荷载作用下应力场和位移场的分布特征； 夺各类复合地基承载力计算方法及计算参数的确定； 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 各类复合地基沉降计算方法及计算参数的确定； 夺复合地基按沉降控制设计理论； 夺复合地基优化设计理论； 夺动力荷载作用下复合地基性状； 夺复合地基与上部结构共同作用性状： 各类复合地基承载力和沉降可靠性分析： 夺复合地基测试技术等； 本文主要是研究c f g 刚性桩复合地基水平荷载作用下的受力性能与机理。 1 2 刚性桩复合地基的应用及研究动态 1 2 1 刚性桩复合地基的应用简介 与很多技术的发展过程相同，刚性桩复合地基也是应用远早于其理论的出现。据 h u g h e s 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) g i 用m o r e a u ( 1 8 3 5 ) 等的资料介绍，碎石桩最早在1 8 3 5 年由法国 在b a y o n n e 建造兵工厂车间时使用，加固后的实际沉降量只有未加固的四分之一。德国 s s t e u e r m a n 在1 9 3 0 年提出振冲碎石桩加密砂性土的原理，1 9 3 3 年德国j k e e l l e r 制成了 第一台振冲器，并于1 9 3 5 年在纽伦堡用于加固松散粉砂地基，后来在美国、欧洲、日 本等地得到应用，振冲法在我国应用始于1 9 7 7 年，目前己在全国各地推厂使用。 砂桩在1 9 世纪3 0 年代起源于欧洲，但因长期缺少实用的设计计算方法，先进的施 工工艺和施工设备，使其应用和发展受到很大的影响。第二次世界大战后，前苏联对砂 桩的研究取得了较大的进展，二十世纪5 0 年代初引入我国，随之得以在工业交通水利 等建设工程中都得到了应用。在软土中使用，有成功的经验，也有达不到预期效果的教 训。 深层搅拌法是通过特制机械一各种深层搅拌机，沿深度将固化剂( 水泥浆，或水泥 粉或石灰粉，外加一定的掺合剂) 与地基土强制就地搅拌形成水泥土桩或水泥土块体( 与 地基土相比较，水泥土强度高、模量大、渗透系数小) 加固地基的方法。二次大战后， 美国首先研制成功水泥深层搅拌法，制成水泥土桩称为就地搅拌桩( m i x e d i n p l a c e p i l e ) 。我国于1 9 7 7 年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院引进、开发水泥 深层搅拌法，制成双搅拌轴、中心管输浆陆上型深层搅拌机，于1 9 8 0 年正式应用于工 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 程实践。1 9 8 5 年，浙江省建筑设计院在衢州市新建八层大楼工程中应用深层搅拌法加固 人工杂填土，扩大了深层搅拌法的土质适用范围。1 9 9 2 年交通部一航局引进、开发海上 深层搅拌技术，并投入台港西港池二期工程的基础施工，试验运行一次成功。 在我国，考虑到复合地基的荷载传递特性，又在碎石桩复合地基的基础上发展了c f g 桩( 水泥粉煤灰碎石桩) 复合地基技术。为了消纳建筑垃圾渣土工业废料或应用廉价石 灰，开发了钻孔旁扩桩挤密法( 又称渣土桩d d c 技术等) 夯填法。以及利用石灰和粉煤灰 的二灰混凝土桩复合地基技术，针对沿海地区，尤其是在旧城改造中，单纯用桩开发软 弱下卧层的承载力造成高造价等特点，1 9 8 7 年上海市民用建筑设计院及温州市建筑设计 院等单位做了很多努力，提出了发展疏桩技术。疏桩，又称减小沉降量桩( 其桩距为5 - 6 倍桩径以上) ，并在多层建筑中己得到成功应用，可以说是地基基础工程实践与理论的 又一突破嘲。 随着复合地基设计计算理论的发展，c f g 桩复合地基越来越受到工程技术人员的重 视，并逐步应用在工程建设中：据文献报道，1 9 8 8 年南京轻涂胶印车间采用c f g 桩复 合地基处理后，地基承载力提高了2 0 0 ，沉降减小到预计沉降的2 0 ，造价比桩基础 工程节约6 0 多万元：1 9 9 0 年天津蓟县电厂冷却塔也采用c f g 桩复合地基，地基承载力 由1 2 k p a 提高到2 2 0 k p a 提高幅度达1 8 3 ，工程造价比预计节约2 1 0 万元；1 9 9 4 年平顶 山市海南大厦( 共2 3 层商住楼) 采用c f g 桩复合地基，承载力由原来的1 6 0 k p a 提高到 3 0 0 k p a ，提高1 8 8 。9 0 年代中期以后，刚性桩复合地基的应用更是越来越多，据统计， 1 9 9 5 年仅北京地区在高层建筑( 1 8 层以上) 应用c f g 桩复合地基的就有1 0 0 幢以上。1 9 9 8 年，河北辛集市奥林大厦，4 层框架结构，独立基础，采用素混凝土桩复合地基，地基 承载力由原来的1 l o k p a 提高到2 5 0 k p a ，提高了2 2 7 ；2 0 0 0 年，石家庄市第三人民医 院高层住宅楼，地下2 层地上2 6 层，筏板基础，采用素混凝土桩复合地基，地基承载 力由1 5 0 k p a 提高到4 0 0 k p a ，提高了2 6 7 以上。用此方法处理地基的例子还有很多， 在此不一一列举m ，。 1 2 2 刚性桩复合地基的研究动态 自1 9 6 2 年在国际上首次提出复合地基( c o m p o s i t cg r o u n d 或c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 以来，人们对这种地基处理方式的应用和研究不断深入。在1 9 8 1 年6 月召开的第十届 国际土力学及基础工程会议上，有4 6 篇论文专门讨论了“地基处理技术”，并成为大会 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 中的1 2 个重要议题之一；1 9 8 3 年在我国江苏无锡举行了“振冲加固法经验交流学术 讨论会”；在1 9 8 3 年召开的第八届欧洲土力学及基础工程会议上所讨论的主题就是“地 基处理”，1 9 8 4 年在日本东京召开了“复合地基强度和变形讨论会”；1 9 8 6 年在我国上海 宝钢召开了第一届全国地基处理学术讨论会；1 9 9 0 年在我国河北承德召开了“复合地基 学术讨论会；1 9 9 2 年在我国山东秦皇岛召开了第三届地基处理学术讨论会；1 9 9 6 年在 我国浙江江杭州举行了“复合地基理论与实践学术讨论会”；国际土力学及基础工程学会 下成立了“地基处理学术委员会”，于1 9 9 7 年1 月在该学术委员会下正式创办了“地基处 理”( g r o u n di m p r o v e m e n t ) 期刊：我国于1 9 8 4 年在中国土木工程学会土力学基础工程学 会下成立了“地基处理学术委员会”，并组织编著了地基处理手册和出版了“地基处 理”期刊。1 9 8 7 年由中国建筑科学研究院地基所主编了中华人民共和国行业标准建筑 地基处理技术规范( j g j 7 9 9 1 ) ，2 0 0 2 年又发布了新的建筑地基处理技术规范 ( j g j 7 9 2 0 0 2 ) m ，同时废止了旧规范。复合地基作为一种地基处理方式正在飞速的向 前发展。 但是，复合地基的理论研究仍然滞后于复合地基的工程实践，进行复合地基理论研 究将有助于加深对复合地基工作机理的认识。如前文所讲，c f g 刚性桩复合地基作为复 合地基的一个生力军，已经越来越多地应用于工程实践中。但是相对于实践所取得的成 果，其理论研究尤其是水平荷载作用下的研究尚处于初级阶段，还没有一套适合于自身 的完整的设计计算理论。 文水平荷载作用下c f g 桩复合地基的性状【8 】较早的基于室内的试验模型试验 对c f g 桩单桩复合地基在水平承载特性进行初步探讨。 文 c f g 桩及其复合地基水平荷载作用下的性状【9 】通过室内模型试验方法，对 无筋c f g 桩承受水平荷载的性状进行了试验分析，并对是否会产生断桩作了评价。 文刚性桩复合地基抗震性能的有限元分析【1 0 考虑地震作用下土一桩一一上部 结构之问的相互作用，采用三维有限元分析方法，对刚性桩单桩复合地基地震响应进行 时域内的模拟计算与分析研究，分析了这种复合地基与桩基础地震响应的差异，并对影 响刚性桩复合地基抗震性能的一些因素进行了研究，得出了一些对刚性桩复合地基的抗 震设计有参考价值的结论。 文刚性桩复合地基水平受力性能有限元分析【1 1 】应用静力弹塑性有限元方法分 析了群桩刚性桩复合地从在水平荷载作用下的反应规律，考察了不同设计参数对复合地 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 从水平受力性能的影响，得到了水平荷载作用下桩身内力为分布规律。 文刚性桩复合地基地震响应的简化分析方法【1 2 基于动力文克尔地基理论，提 出了单桩复合地基的地震响应分析模型，推导了其地震响应的动力微分方程组，并构造 了有限差分的求解方法，研究并探讨了不同影响因素变化下的地震响应性状，得到了一 此有益于工程设计的规律性结论。 文刚性桩复合地基在水平荷载作用下工作性状的模型试验【l a 对带褥垫层复合 地基在水平荷载与竖直荷载共同作用下的工作性状，进行了一系列模型试验，并在试验 的基础上分析了不同垂直荷载、不同褥垫层厚度对水平荷载作用下的桩顶、桩身及褥垫 层顶部水平位移的影响，揭示了基础褥垫层桩在水平荷载作用下的相互作用机理。 文水平荷载作用下复合地基的设计参数优化f 1 4 用有限元方法建立了复合地基 刚性桩在水平荷载作用下的三维有限元模型，以桩的最大拉应变为目标函数，采用零阶 优化法，定量地分析了各种因素影响下单桩复合地基的最优设计。 以上研究表明，人们对复合地基的水平承载特性已经有了一定的认识，但是由于各 地区自身条件的差异和桩土材料性质的差异，造成复合地基形式的千变万化，进而不可 避免地在施工过程中会遇到新的问题，而且采用这种地基处理方法的建筑物尚未经历地 震的考验，因此，由于条件限制，现阶段的研究也仅仅是做一下静力荷载下的模型试验， 对于诸如地震力等其他形式的水平力的受荷特性还有待进一步的研究。 1 3 本文的研究思路和主要工作 1 3 1 本文的研究思路和方法 如前所述，刚性桩复合地基作为一种行之有效的方法已经广泛应用于工程实践当 中。如c f g 桩复合地基技术，它合理地利用工业废料，造价较低，且与散体材料桩复 合地基相比，能更大幅度地提高地基承载力，可用于高层建筑的地基处理，因此在我国 的建筑工程中得到广泛应用，其中包括位于地震多发区的大量2 0 层左右的高层建筑。 这些优点使得复合地基技术具有较强的生命力，并得到越来越多的应用。 目前，大多数研究是围绕着刚性桩复合地基在竖向荷载作用下的工作性状“”“”，对 其在竖向荷载作用下的荷载传递机理、桩土应力分担比、合理褥垫层厚度等均有了较深 入的研究，但在高耸塔形建筑以及高层建筑等工程中，尤其是桥梁工程中的桩基，这类 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 桩基设计时不仅要满足其竖向承载力要求，还要考虑其承受诸如风力、波浪力、地震力、 水压力及土压力等水平荷载，并对其水平荷载力进行验算。而对于水平荷载的研究还较 少，尚处于初级阶段，目前仍不能给出令人信服的回答。 另一方面，为了获得地基的设计参数或对地质力学性状的评估，比较有效的方法有 类比法、解析法、现场测试法、物理模拟法和数值模拟法。类比法适用于有历史经验纪 录的类似现场，而对历史经验较少的现场，它得到的结论是不可靠的，甚至是错误的； 解析法在简化的前提下，给出一些最简单问题的解，它对复杂的介质、复杂边界或动态 问题，常常无能为力o ”；现场测试的工作往往只能在一个很小的范围内进行，很难以小 范围内的测试代表复杂的大范围的工程。而且对于现场测试和物理模拟，进行这方面的 研究常用的方法是室内模型试验和现场原位观测。室内试验常常由于试验条件复杂，所 需成本较高，工况组合也有限，实测材料也较少，受到实验场地、尺寸、边界条件的限 制，而且所得到的结果也不全面，仅为若干测点上的应变，破坏状态无法重复再现等等， 结果不能长期保留，大量研究成果也大都不能直接应用于工程实际，而与之相对的有限 元数值分析，能够将绝大部分昂贵的实体模型试验用虚拟的“无成本”的计算机数值模 拟试验替代，而且其试验条件简单，可以模拟各种载荷作用，且能把各种工况组合，并 可得到任意点的位移、应力、变形和塑性状态等试验无法直接测得的内力分布，试验结 果可永久保留，试验状态可重复再现，所以采用数值分析方法分析、模拟复合地基各种 受力情况是切实可行的方法。 在岩土工程中常用的数值分析方法有动力有限元分析法【1 8 】、边界单元法“”，动力文 克尔弹性地基梁法( b d w f ) 1 2 0 】f 2 1 1 1 2 2 1 | 2 3 ，半解析公式法，离散元法及块体单元法、耦合 方法等。在这些方法中，动力有限元分析法在岩土工程中的应用最为广泛。 1 3 2 本文所做的主要工作 首先针对文 2 5 中对c f g 桩复合地基的所建立的模型，以及参数的选取存在一些不 妥之处。在建模过程中，单桩桩长3 2 m ，与实际工程中的桩长差距太大，解域底部距离 桩径1 0 倍桩径，文中桩径取值为1 6 0 r a m 也偏小了，这就使得分析结果的准确性值得商榷。 本文参考文 1 3 中的试验模型以及文 2 5 ，并且基于建筑地基处理技术规范中的有 关规定，对c f g 桩复合地基模型进行了修正，期望模型更接近实际，所得到的有限元分 析结论更有意