（岩土工程专业论文）软土刚性桩复合地基工作性状研究.pdf

中文摘要 软土刚性桩复合地基工作性状研究 摘要 刚性桩复合地基目前在我国得到了广泛的应用，取得了显著的经济效益和社 会效益，但是对其研究还较少。本文以刚性桩复合地基现场试验为基础，利用解 析方法和数值方法，对复合地基的工作性状进行了研究，并对承载力和沉降计算 方法进行了讨论和完善。 首先，针对浙江省宁波市沿海软土地区，进行六组素混凝土单桩和四 复合地基的现场载荷试验，其中两组进行三桩复合地 结果进行比较与分析。试验揭示了软土刚性桩复合地 特点与发展规律以及桩土应力随时间的变化特点等。 部分的荷载 软土刚性桩 时，分析了 进行修f 。 应用刚 基桩土应力测试，并 基变形发展规律、应 组三桩 对试验 力分布 复合地基中的桩体分担了大 ，但是桩间土先达到极限承载力。在现场试验的基础上，提出了适 复合地基的承载力计算方法，并给出了计算方法中参数的建议值。 现有的沉降计算方法，建议对计算方法中软土层的复合模量提高系 性桩复合地基桩一士一垫层共同作用原理，在桩间土采用双折线非线 性弹性本构模型的前提下，推导了复合地基在荷载作用下桩顶应力、桩间土表面 应力、桩体变形、桩间土沉降和垫层变形的计算公式，给出了桩土应力比和复合 地基沉降的计算表达式。与试验对比表明解析法给出的结果可靠。在这一解答的 基础上对桩土应力比特性做了详细的计算分析，为工程实践提供了理论依据。 最后利用三维有限元程序a b a q u s 探讨了刚性桩复合地基在竖向荷载作用 下，不同垫层厚度、垫层模量、桩长、土体模量等因素对复合地基芦啦曲线、桩间 土竖向应力、桩的刺入量、桩身轴力、桩侧摩阻力等的影响规律。通过数值方法 进一步揭示了刚性桩复合地基的工作性状。 关键词：复合地基剐性桩软土地基工作性状承载力计算沉降计算 同数 英文摘要 r e s e a r c ho nb e h a v i o r so f r i g i d p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i ns o f t c l a y a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r i g i d p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n h a sb e e nu s e di n m a n y e n g i n e e r i n gp r o j e c t sw h i c hs h o wm a n yg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ，b u tt h e r e s e a r c ho ns u c hc o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dt h ek n o w l e d g eo ni t sb e h a v i o r sa r es t i l l i n a d e q u a t e t h i sp a p e r i si n t e n d e dt o s t u d yt h eb e h a v i o r so fr i g i dp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o na n dt od e v e l o pm e t h o d sf o ri t sb e a t i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n b ye x p e r i m e n t a l 、t h e o r e t i c a l a n dn u m e r i cm e a n s t h e f o l l o w i n g a r et h em a i n c o n t r i b u t i o n s t h ef i r s t ，s o m ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e d ，i n c l u d i n g6g r o u ps i n g l e c o n c r e t ep i l e sa n d4 g r o u p3 - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n s p l a t el o a d i n gt e s t sa n d2g r o u p 3 - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n s s t r e s st e s t s t h ed e f o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no f s t r e s si n t h e c o m p o s i t e f o u n d a t i o nw a s m e a s u r e d a c c o r d i n g t ot h e s e m e a s u r e m e n t s ，i ti s r e c e i v e dt h a tt h ep i l e ss h a r e di nm o s t l yl o a da n dt h es o i l sr e a c hs t a t eo fl i m i tb e a r i n g c a p a c i t ye a r l i e r b e s i d e s ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o na d a p t t os o f tc l a yi sg a i n e d a t t h es a m et i m e ，t h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n sa r ea n a l y z e da n dt h ea d v i c ei sp u tf o r w a r di t n e c e s s a r yt om o d i 匆t h e m o d u l u so f c o m p o s i t ef o u n d a t i o no f s o f tc l a yl a y e r t h es e c o n d ，b a s e do nt h eb i l i n e a rn o n l i n e a re l a s t i cm o d e lf o rs o i la n dt h e a n a l y s i so f i n t e r a c t i o no f p i l e s o i l c u s h i o n ，t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n so fl o a dd i s t r i b u t i o n a n ds e t t l e m e n to ff o u n d a t i o nc a l lb eg a i n e d t h e n ，t h es t r e s sr a t i oa n dt h es e t t l e m e n to f f o u n d a t i o nc a nb e t h e r e b y o b t a i n e d i ti s p r o v e d c r e d i b l e w i t l l c o n t r a s t e dt o e x p e r i m e n t a t i o n sr e s u l t s a tt h es a m et i m e ，t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es t r e s sr a t i oa r e i i 英文摘要 d i s c u s s e dt o o a tl a s t ，s o m ec o n c l u s i o n sw i t hp r a c t i c a la n da c a d e m i cv a l u ec a nb e o b t a i n e d f i n a l l y , b e h a v i o r so f t h er i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ei n v e s t i g a t e db y t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t ht h ec o m p u t e rp r o g r a ma b a q u s f a c t o r s i n f l u e n c i n gb e h a v i o r so f t h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rv e r t i c a ll o a da r es t u d i e d ，t h e i n f l u e n c ef a c t o r sw e r ec o n s i d e r e d ，s u c ha sc u s h i o nt h i c k n e s sa n dm o d u l u s ，p i l el e n g t h ， s o i l m o d u l u s ，e t c b a s e do nt h e s ea n a l y s e s ，m e t h o d s o fs e t t l e m e n te v a l u a t i o na r e p r o p o s e d k e y w o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，r i g i dp i l e ，s o f tc l a yg r o u n d ，b e h a v i o r s ，b e a r i n g c a p a c i t yc a l c u l a t i o n ，s e t t l e m e n t c a l c u l a t i o n 1 1 1 - 主要符号与说明 r a ： r u ： 主要符号与说明 直_ j ，k p a 应变， 泊松比 重度，k n m 3 土的内摩擦角，。 土的粘聚力，k p a 侧壁摩擦力，k p a 土的压缩模量，m p a 桩的弹性模量，m p a 垫层弹性模量，m p a 桩闽土压缩模量，m p a 桩端土压缩模量，m p a 复合地基极限承载力，k p a 单桩极限承载力，k p a 天然地基极限承载力，k p a 复合地基承载力特征值，k p a 处理后桩间土承载力特征值，k p a 复合地基中桩承担荷载，k p a 复合地基中土承担荷载，k p a 复合地基竖向荷载，k p a 下卧层上竖向荷载，k p a 桩问土平均附加应力，k p a 褥垫层传给桩体的极限承载力， k p a 单桩竖向承载力特征值，k n 单桩极限承载力，k n 。：垫层厚度，m m 忽：垫层压缩后厚度，n l m a ：桩截面面积，m 2 d ：桩径，1 1 n 上：桩长，m “：桩周长，m j ： 复合地基总沉降，m j l ：加固区变形，m s 2 ：下卧层变形，m 比：桩身压缩量，m 艿。：桩底沉降，m 占：桩与桩间土相对位移，m j 。：桩与桩间土相对位移极限值，m t ： 桩土截面错动刚度，k n m 3 匙：基床系数，k n m 3 f ： 土中剪应力，k n m 2 f 。：桩侧摩阻力极限值，k n m 2 聊：复合地基置换率 九： 桩土应力比 五：桩体极限承载力发挥系数 如：桩间土极限承载力发挥系数 屯：桩体承载力发挥度 卢：桩问土承载力折减系数 口： 桩间土强度提高系数 f ：复合模量提高系数 ：沉降计算经验系数 - _ _ _ ： _ - - i - _ - 盯 s 西如哳如品啦肿肿肼缸血雕砧口此 软土剐性枇复合地基工作性状研究 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济的发展，我国土木工程的建设规模将进一步扩大。如何在保证 工程质量的前提下，真正做到技术先进、经济合理、安全适用、节约能源、保护 环境，是摆在每一个土木工程科技人员面前值得探讨和研究的课题。复合地基技 术能够较好的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，因此具 有比较经济的优势。近些年来，复合地基技术在房屋建筑( 包括高层建筑) 、高等级 公路、铁路、堆场、机场、堤坝等土木工程建设中得到了广泛的应用，已经取得 了良好的社会效益和经济效益。同时也存在对复合地基的理论研究远远跟不上实 践发展需要的现实，对复合地基进行深入的研究具有重要的理论意义和现实意义。 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( 天然地基土体或被改良的天然地基 土体) 和增强体两部分组成的人工地基( 龚晓南，2 0 0 2 ) 。在荷载作用下，基体和增 强体共同承担荷载的作用。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合 地基和竖向增强体复合地基。若不考虑水平向增强体复合地基，则竖向增强体复 合地基可称为桩体复合地基或简称为复合地基。根据桩体复合地基中竖向增强体 的性质，桩体复合地基又可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和 刚性桩复合地基。 刚性桩复合地基( 图1 - 1 ) 是复合地基的一种，是在地基的基土中置入桩身刚度很 图1 1 刚性桩复合地基示意图 浙江大学颂上学位论文第一章缔论谢成2 0 0 5 年2 月 大的桩( 桩体一般不配筋) ，如素混凝土桩或水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) ，与基土形 成复合体，并在复合体与基础之间铺设一定厚度的砂石垫层，用以调节桩一土间 的荷载分配，使桩与桩问土共同承担荷载，从而对不满足承载力或变形要求的地 基进行加固。 最早提出刚性桩复合地基设计思想的是中国建筑科学研究院的黄熙龄院士， 中国建筑科学研究院地基基础研究所于1 9 9 2 年开发成功的c f g 桩复合地基即最 早的刚性桩复合地基。 刚性桩复合地基由于能比较充分的利用土的承载能力，并且用料省，旌工简 单，工期快，质量容易控制，因此较普通桩基经济得多，工程造价一般为一般桩 基基础的1 3 1 2 ( 阎明礼等，1 9 9 6 ；阎明礼等，2 0 0 1 ) 。表1 - 1 给出了北京地区c f g 桩复合地基与常用的三种桩型施工工期和造价的对比，可见刚性桩复合地基在经 济性方面具有明显优势( 李洪船等，1 9 9 9 ) 。而与散体材料桩和柔性桩复合地基相比， 因为刚性桩复合地基中的桩体具有很大的刚度，桩端阻能得到更大的发挥，桩体 能将荷载向更深土层传布，故能大幅度提高地基承载力，即使在软土地区，也可 获得较高的地基承载力，实测的资料表明承载力较天然地基提高1 5 - 3 5 7 倍( 阎明 礼等，1 9 9 2 ) 。同时刚性桩复合地基的变形模量也较大，因而沉降变形小。因此较 之其他类型的复合地基，刚性桩复合地基能大量的应用于非软土区2 0 层以上高层 建筑的地基处理中。 表1 1c f g 桩复合地基与桩基经济性对比( 录自李洪船等，1 9 9 9 ) 刚性桩复合地基在我国北方地区的高层建筑工程中已经得到了广泛的应用。 仅就北京市和河北省的不完全统计，有3 0 0 多栋高层建筑采用了这种地基加固技 术，其中绝大多数为2 0 - 3 0 层剪力墙住宅建筑，并有1 5 栋3 1 3 5 层的超高层( 阎明 礼等，2 0 0 1 ) 。近年来，刚性桩复合地基在处理深厚软土地基的工程中也得到了应 用。不仅在建筑工程中，在道路工程中也开始用刚性桩复合地基处理软弱地基。 软土是指沿海的滨海相、三角洲相、溺谷相、内陆平原或山区的河流相、湖 泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的孔隙比大( 一般大于1 ) 、天然含水量高( 接近或 软土刚性桩复合地基工作性状研究 大于液限) 、压缩性高( 口l 一2 o 5 m p a l ) 和强度低的土层，一般具有高灵敏度。淤泥 和淤泥质土是工程建设中经常会遇到的软土，在我国的东南沿海地区有j 一泛的分 布。在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大 于液限。天然孔隙比大于等于1 5 的粘性土，称为淤泥；当天然孔隙比小于1 5 但 大于1 0 时称为淤泥质土。当土的有机质含量大于5 时称为有机质土；大于6 0 时称为泥炭。这类土的工程特点是承载力低，能提供给桩体的极限摩阻力也相应 的较小，工程性状差，天然地基承载力仅6 0 8 0 k p a 左右，难以满足普通建设工程 的需要。 因此在软土地区进行建设时通常需要进行地基处理。采用桩体复合地基是工 程上优先选用的地基加固方法。对散体材料桩复合地基，如碎石桩复合地基，桩 身材料依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体，单独不能形成桩体，其承载力主 要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧摩阻力。由于软土所 能提供给散体材料桩的围箍作用和桩侧摩阻力小，因此散体材料桩复合地基在软 土场地很难达到加固地基的目标要求。对柔性桩复合地基，如水泥搅拌桩复合地 基，虽然桩体具有了一定的粘结强度，但是由于桩体的刚度限制，其加固的深度 有限，而在软土场地中又需要桩体有一定的长度以获得较大的侧摩阻力并要求桩 端能够进入承载力较高的土层以作为持力层，这些是柔性桩复合地基很难克服的。 正如前文所述，刚性桩复合地基的桩体刚度较大，能更好的提高软土地基的承载 力并减少沉降，故能较好的满足对软土地基进行加固的要求。 刚性桩复合地基被列为全国重点推广项目，取得了显著的经济效益与社会效 益。国内从8 0 年代末开始研究应用这种地基加固技术，然而和很多新开发的工程 技术一样，其发展也是理论落后于实践。其竖向荷载作用下的工作性能与设计理 论还有待深入的研究，同时也缺乏大量的现场试验。特别是软土刚性桩复合地基 工作性状的研究更是落后于实践的发展。因此开展竖向荷载作用下的软土刚性桩 复合地基工作性状的理论和试验研究，具有重要的学术价值和应用价值。本文就 此展开工作。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 谢成2 0 0 5 年2 月 1 2 刚性桩复合地基研究应用现状 1 2 1 试验研究 从现在已有的文献资料来看，对刚性桩复合地基进行的试验研究主要是单桩 复合地基试验，试验内容大多是测定p s 曲线，其中部分试验测试了桩土应力比， 而对群桩复合地基的现场测试较少。试验场地以北方地区的居多，东南沿海软土 场地的现场试验较少。其中有代表性的试验有： ( 1 ) 阎明礼等( 1 9 9 2 ，1 9 9 6 ) 对不同桩身模量情况下的大比例单桩复合地基模型 进行了载荷试验。试验结果表明：仅仅桩身模量改变的情况下，复合地基的荷载 一沉降曲线基本相同。这表明桩体材料刚度的变化对剐性桩复合地基承载性能影 响不大。同时，阎明礼等在静三轴仪中对用桩体材料制成的圆柱体试件所做不同 围压下的三轴压缩试验表明，高粘结强度材料在不同围压下的应力应变曲线几乎 重合，围压对其压力变形关系没有影响。在破坏之前，应力与应变呈线性关系， 其变形模量远大于土体的变形模量。张燕等( 1 9 9 3 ) 认为，在实际工程中桩体材料的 强度一般控制在1 0m p a 左右比较合适。 ( 2 ) 阎明礼等( 1 9 9 2 ) 在中国建筑科学研究院地基基础研究所模型实验室进行了 3 组大比例的模型试验，试验共包括3 9 个单体试验。 第一组试验首先对不同桩长情况下单桩复合地基沉降特性进行了对比。结果 表明：加荷初期不同桩长情况下的沉降曲线差别不大，但在较大的荷载下，沉降 随着桩长的增大而减小，加大桩长能够明显提高承载力。其次，试验分别对4 桩 复合地基和6 桩复合地基分别进行了桩土应力比的测试，并考查了不同垫层厚度 情况下的桩土分担情况。 第二组针对上部土质较好，下部土层相对较软时的复合地基进行了一组9 桩 的复合地基试验。试验测定了复合地基的变形场及基底反力。 第三组对比了不同桩长情况下的9 桩复合地基变形场。试验测得了桩土受力 时程曲线、桩的上下刺入、垫层、加固区以及下卧层的变形，桩间土的深层变形 曲线等。 上述3 组试验比较了不同桩长、垫层厚度对桩土分担的影响，以及桩长、桩 数对复合地基变形场的影响，同时还与天然地基进行了对比。试验结果对研究桩 软土刚性桩复台地基工作性状研究 土分担以及刚性桩复合地基的深层变形特性具有指导意义。 ( 3 ) 阎明礼等( 1 9 9 2 ) 对桩端持力层不同的单桩复合地基进行了现场载荷试验。 其中一组桩端土落在较硬的透镜体上，而另一组没有。试验表明：相同荷载下， 端土较硬的复合地基其沉降明显较小。这表明桩端土强度的变化对刚性桩复合地 基承载力的影响很大。 ( 4 ) 张燕等( 1 9 9 3 ) 对福州地区深厚软土中采用低强度混凝土桩复合地基的两栋 楼进行了实测，测出了4 8 0 天内的筏板下地基土反力及建筑物沉降。该试验中， 桩间土为饱和淤泥，地基容许承载力为4 5 k p a ，桩径4 0 0 m m ，桩长1 2 m ，桩端持 力层为中细砂和淤泥互层土，承载力为2 0 0 k p a 。观测结果表明( 表1 2 ) ，对于前期 欠固结的淤泥土，在荷载作用下将发生固结及剪切流变，地基土的平均压力很小， 主要依靠桩承担荷载。 表1 - 2 淤泥土中桩土分担特性( 录自张燕等，1 9 9 3 ) ( 5 ) 龚晓南等( 1 9 9 5 ) 对不同置换率的“双灰”低强度混凝土单桩复合地基沉降 进行了对比。这里的“双灰”低强度混凝土桩指的是在碎石体中加入适量的砂、 粉煤灰、石灰和少量水泥加水拌和制成的一种具有粘结强度的低强度混凝士桩。 这种桩型加固土体则形成刚性桩复合地基。试验表明：“双灰”低强度混凝土桩复 合地基能很好的起到加固土体的作用，地基的承载力显著提高而沉降则降低。 ( 6 ) 化建新等( 1 9 9 8 ) 通过改变垫层的材料和厚度，做了9 组单桩复合地基的试 验，测得各级荷载下的桩土应力比。对褥垫层的性质与厚度进行了讨论，并建议 c f g 桩复合地基的褥垫层采用1 0 0 2 0 0 r a m 厚，碎石层为宜。 ( 7 ) 黄涛等( 1 9 9 9 ) 通过试验研究总结了c f s ( 水泥粉煤灰钢渣桩) 复台地基的设 计、监测和加固效果，其中特别对c f s 桩复合地基的承载力特性、附加应力、桩 土应力分担比、荷载分担比各自特征和相互关系进行了分析论述，与类似的c f g 桩复合地基做了简单的对比。 ( 8 ) 李春灵等( 1 9 9 9 ) 通过有、无边载作用下c f g 桩复合地基静载荷试验的对 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 谢成2 0 0 5 年2 月 比，分析了边载对复合地基的影响。试验结果表明：边载增大了土的分担作用， 对提高复合地基承载力具有明显作用，并指出刚性桩复合地基的深度修正系数对 于强度较高的土取1 0 偏安全，建议可根据不同的土性，结合工程经验适当提高深 度修正系数。 ( 9 ) 郭忠贤等( 2 0 0 1 ) i 蘑过对素混凝土桩复合地基载荷试验测定了桩顶反力、桩 间土反力，研究了桩、土受力特征。分析了复合地基的桩土应力比，桩、土荷载 分担比，桩体应力集中系数和桩间土应力减少系数的变化规律。 ( 1 0 ) 池跃君等( 2 0 0 3 ) 在两种土质中各进行了1 组9 桩复合地基试验。在桩间土 及桩身分别埋设压力盒和钢筋计，对刚性桩复合地基桩间土不同深度的竖向应力、 桩身轴力、侧摩阻力进行了观测。所得结果揭示了桩间土竖向应力c r ：、桩侧摩阻 力的分布规律以及荷载传递的全过程。试验结果可以为刚性桩复合地基沉降计算 的假定提供合理依据，同时，能够为荷载传递机理的研究带来帮助。 ( 11 ) 朱世哲( 2 0 0 4 ) 对刚性桩处理的路基进行了现场试验研究，主要分析了在复 杂的地质条件下，如有杂填土或填塘情况下刚性桩复合地基的性状。观测了路基 沉降，土体沉降和孔隙水压力的变化。 此外，王步云等( 1 9 9 7 ) ，张聚山等( 1 9 9 7 ) ，岂连生( 1 9 9 9 ) ，黄涛( 1 9 9 9 ) ，娄国允 f 2 0 0 1 ) 对单桩复合地基桩土分担比进行了测试。 1 2 。2 解析方法 求解刚性桩复合地基的解析解十分困难，其原因在于垫层的加入和桩土界面 的错动，以及桩间土本构关系的复杂性。因此一些学者作出各种假定并简化力学 模型，以能够对刚性桩复合地基体系进行求解，为迸一步的理论探讨和理解刚性 桩复合地基的工作特性有很大帮助。 ( 1 ) 阎明礼等( 1 9 9 2 ) 假设基础中点下( 垫层底) 附加应力所产生的压缩变形等于 该点桩的刺入变形，在弹性范围内分别求出了土层的压缩沉降与桩的沉降量，然 后利用变形协调的关系求出了桩土荷载分担比。在求土层的压缩沉降时采用分层 总和法，求桩的沉降时用等效剪切模量法。 ( 2 ) 王长科、郭新海( 1 9 9 6 ) 在对基础 定垫层可压缩，桩问土为均质体。垫层、 一垫层一复合体体系共同作用的分析中假 桩、桩间土的力学模型均采用弹簧模式， 软土日4 性桩复合地基工作性状研究 h 2 平( 1 - 1 ) 。：群 m ：， 了两审p 乏可+ 耳+ 瓦 土界面错枷岐2 参。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 谢成2 0 0 5 年2 月 ( 5 ) 王年云( 1 9 9 9 ) 在探讨垫层所能采用的最大厚度时假定垫层符合t e r z a g h i 破 坏模式。当桩顶向垫层刺入时，垫层内土体的滑动面形状会出现两类：第一类， 当垫层厚度相当大时，承台底面不与滑动面接触，桩顶垫层内土体的滑动面形状 符合t e r z a g h i 对数螺旋线的破坏模式；第二类，当垫层厚度不大时，承台底面与 滑动面相割。该文认为承台底面和滑动面顶点刚接触时的垫层厚度是比较合适的 厚度，并基于第一种滑动面形状，利用t e r z a g h i 极限承载力公式给出垫层内摩擦 角与垫层最大厚度的关系。 ( 6 ) 傅景辉、宋二祥( 2 0 0 0 ) 考虑基础一垫层一桩一土的共同作用，求得桩土应 力比。求解中假定：基础具有足够大的底面积，桩等间距布置；上部结构在基础 底面产生的压力经垫层调整后，分别以均布荷载的形式作用于桩顶及土体表面； 垫层与土为均质弹性体；只考虑附加应力作用；考虑桩土界面错动，此时桩侧摩 阻力与桩土相对位移关系如图1 - 2 所示，表达式为： 邹瓯时仁扣鼢 当j 氏时f = f 。 在以上假定的基础上先利用桩体微单元 竖向受力平衡微分方程求出桩侧摩阻力f 的表达式，然后采用分层总和法计算不同深 图1 2 桩侧摩阻力相对位移关系 度桩间土的沉降，最后利用桩土界面剪力与位移协调的关系以及垫层处的边界条 件求出桩体微分方程的解，进而求出桩土分担比和荷载。 文献没能考虑土体的非线性。 ( 7 ) 沈伟等( 2 0 0 1 ) 对群桩复合地基中桩、土、垫层的基本单元进行了求解。该 解答对桩间土应力与变形采用弹性理论求解，不再采用分层总和法。求解时分别 对桩、土列竖向受力平衡方程，然后利用桩土界面剪力与位移协调的关系以及垫 层处位移协调关系进行求解。 ( 8 ) 池跃君等( 2 0 0 1 ) 针对垫层设计参数的取值问题，建议了刚性桩复合地基砂 垫层的一种破坏模式。假定桩顶向垫层刺入且发生破坏，符合m a n d e l 与s a i e n c o n 破坏模式，产生了极限平衡区而处于极限平衡状态，给出了桩土应力比与垫层参 软土刚性桩复合地基工作性状研究 数之间的关系式： = s q n q ( 1 - 3 ) 式中，s = 1 m ，为形状修正系数，m 是h d 和内摩擦角妒的函数：q 为与垫层厚 度日、桩径d 、垫层内摩擦角妒有关的系数，陔式反映了三者对桩土应力比的影响 作用。 ( 9 ) 池跃君等( 2 0 0 2 ) 根据桩、土和垫层的共同作用，推导出大面积群桩中桩、 土的荷载传递基本微分方程并给出解答。该方法提高了计算速度，土性参数均为 常规指标。该方法还考虑了桩侧摩阻力随侧向土压力的变化以及垫层、土体压缩 模量随压力的变化。 ( 1 0 ) 朱世哲( 2 0 0 4 ) 推导了带垫层的刚性桩复合地基桩土应力比的计算公式，将 垫层分为弹性体和理想弹塑性体两种情况，并考虑t l 目f j 性桩刺入垫层和下卧层的 情况，对公式进行了分析，推导出了刚性桩桩顶刺入垫层深度的计算公式。 1 2 3 数值方法 ( 1 ) 杨军等( 1 9 9 1 ) 采用三维有限元程序对2 4 m 宽条形基础下的刚性桩复合地 基进行了计算。计算采用了d u n c a n - c h a n g 非线性弹性模型。计算中对比了有、无 垫层情况下的桩土分担比及桩身轴力。 ( 2 ) 阎明礼等( 1 9 9 2 ) 分别采用二维轴对称、三维有限元程序对其进行的刚性桩 复合地基模型试验进行计算。计算采用d u n c a n - c h a n g 模型，轴对称有限元中采用 四节点等参元，同时兼容三角形单元；三维问题中采用八节点等参元。计算内容 为不同荷载级别下9 桩复合地基模型试验的变形场、竖向应力等值线，并与无垫 层的桩基础进行了比较，给出了刚性桩复合地基端阻力随影响因素( 基础宽度b 、 桩i n j 距) 的变化规律。 ( 3 ) 李春灵( 19 9 9 ) 采用三维八节点等参元对其进行的无边载情况下的刚性桩复 合地基模型试验进行了计算。该计算中土体、垫层为d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性材料： 桩体为线弹性体；底板刚性；桩土界面及荷载板与垫层间不发生相对滑移。计算 内容为不同级别荷载下9 桩复合地基模型试验的变形场、竖向应力等值线、桩身 轴力。 ( 4 ) 阎雪峰( 1 9 9 9 ) 采用李春灵( 1 9 9 9 ) 相同的计算模型，通过改变桩身模量的方 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 谢成2 0 0 5 年2 月 法来计算桩土模量比变化时复合地基的沉降和变形。计算中土体模量晟= 1 4 m p a ， f 桩土模量比导从5 到2 0 0 0 0 之间变化。 止s ( 5 ) 郑东明等( 1 9 9 9 ) 采用八节点轴对称有限元对不同垫层厚度情况的刚性桩复 合地基分别进行了计算。计算了桩土应力比与垫层厚度的关系，以及桩身轴力在 不同垫层厚度下的变化情况。计算视承台、桩体为线弹性，土体为非线性，并采 用d u n c a n c h a n g 模型，垫层为d r u c k e r - p r a g e r 理想弹塑性模型，并认为桩与周围 土不发生错动。 ( 6 ) 李宁、韩煊( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 对复合地基中褥垫层的作用进行了计算分析。对 比了几种不同桩身模量的群桩复合地基加褥垫层后的承载性状。计算模型采用三 维有限元，土体为线弹性，桩土界面用1 6 节点接触单元，并服从m o h r - c o u l o m 破 坏准则。 ( 7 ) 葛忻声( 2 0 0 3 ) 用数值分析方法建立了高层建筑刚性桩复合地基的整体弹塑 性模型，其中土体采用空间八节点等参元，上部结构的梁、柱构件采用三维梁单 元模拟，桩则采用三维管单元模拟。土体选用d r u c k e r - p r a g e r 理想弹塑性模型，桩 及梁柱取为线弹性模型。文中考虑上部结构的刚度、桩土模量比、垫层、置换率 等因素的变化对刚性桩复合地基所产生的影响。 ( 8 ) 朱世哲( 2 0 0 4 ) 结合现场试验进行建模，并进行有限元计算模拟，得出刚性 桩复合地基应用于路基工程时地基土的附加应力分布，复合地基压缩沉降变化， 桩体受力以及超孔隙水压随时间变化等，并和实测情况进行了分析比较。文中地 基土视为理想弹塑性体，土体模型采用m o h r - c o u l o m 模型。 1 3 刚性桩复合地基承载力及沉降计算方法研究现状 1 3 1 刚性桩复合地基承载力计算方法 刚性桩复合地基工程实践积累较少，刚性桩复合地基技术尚在发展过程中， 其承载力计算理论也在发展中。如同其他的桩体复合地基一样，刚性桩复合地基 承载力计算思路也是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力，再根据一定的 原则叠加这二部分承载力得到复合地基的承载力。 龚晓南( 2 0 0 2 ) 提出桩体复合地基的极限承载力p 。f 普遍表达式可用下式表示： 软士刚性桩复合地基工作性状研究 p 。f = k i 丑m p p f + 心五( 1 - 埘) 办( 1 - 4 ) 式中p 。f 单桩极限承载力( k p a ) ； p 。f 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与单桩极限承载力不同的修 正系数，一般大于1 0 ； k 2 反映复合地基中桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力不 同的修正系数；其值视具体工程情况确定，可能大于1 0 ，也可能 小于1 0 ： 五复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，可称为桩体极限承 载力发挥系数； 五复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例，可称为桩间土极 限承载力发挥系数； 脚复合地基置换率。 若能有效的确定复合地基中桩体和桩间土的实际极限承载力，而且破坏模式 是桩体先破坏引起复合地基的全面破坏，建筑地基处理技术规范建议在初步设 计阶段可以按下式计算承载力： ：聊争+ ( 1 一m ) 气( 1 - 5 ) 式中局k 复合地基承载力特征值( 1 【p a ) ； 州面积置换率； 见单桩竖向承载力特征值( k n ) ； 爿。桩的截面积( m 2 ) ； 芦桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值； 瓜处理后桩问土承载力特征值( k p a ) ，宜按当地经验取值，如无经验 时，可取天然地基承载力特征值。 1 3 2 刚性桩复合地基沉降计算方法 同承载力计算，刚性桩复合地基的沉降计算思路也遵循复合地基的沉降计算。 而就目前的认识水平，复合地基沉降计算水平要远远落后于工程实践的需要。目 浙江火学颂十学位论文第一章绪论谢成2 0 0 5 年2 月 前，对各类复合地基在荷载作用下应力场和位移场的分布情况研究较少，实测资 料更少，复合地基的沉降计算理论还很不成熟，正在发展中。不少学者结合自己 的工程实践经验提出过一些沉降计算方法。复合地基的变形计算多采用经验公式 “词明礼，张东冈0 ，2 0 0 1 ) 。 在各类实用计算中，往往把复合地基变形分为两个部分，加固区的变形量j l 和下卧层的变形量s z ，地基应力场近似的按天然地基进行计算。下面仅就目前应 用于刚性桩复合地基及对刚性桩复合地基沉降计算能够提供帮助的计算方法作一 个总结。 ( 1 ) 复合模量法：复合模量法将复合体看作若干层天然均质地基，只是压缩模 量都相应扩大f 倍。加固层和下卧层均按分层总和法进行沉降计算。当基底附加应 力p o 不大于复合地基承载力时，总沉降量5 为( 阎明礼，1 9 9 6 ) s ：s i + s 2 ) ：y 芝n ( z 。瓦一五一。瓦一) + 艺笔生( 五瓦一弓一，a i 一。) 】( 1 - 6 ) 户lb 1 2 , j ii = n i + l1 2 。s i 式中，矗为第i 层土的压缩模量，f 为模量提高系数，f 最。为复合模量； 1 ，n 2 为加固区、下卧层的分层数；五、弘1 为桩问土表面分别至第i 层和第i - 1 层底面的 距离；i 、一0 5 i _ 1 为桩间土表面分别至第f 层和第i - i 层底面范围内的平均附加应力 系数；少为沉降计算经验系数，根据地区沉降观测及经验确定。 复合模量的计算方法有三种： 第一种 ? 一盘 ， ， j s k 式中，正。k 为复合地基承载力特征值( k p a ) 第二种： f = 甜 1 + 聊( ”一1 ) ( 1 6 ) 血为天然地基承载力特征值( k p a ) 。 ( 1 7 ) 式中，m 为面积置换率： 为桩土应力比；口为桩问土强度提高系数，取决于土的 性质、施工工艺、置换率及土体强度恢复期。 第三种： f 最，= 州& + ( 1 一聊) 疋 ( 1 - 8 ) 式中，昂、乓分别为桩土模量。其中假定桩与土体变形量相等，桩没有上下刺入。 以上复合模量计算方法中，第一种已经被列入新修订的建筑地基处理技术 规范。 软_ = 剐性桩复合地基t 作性状研究 ( 2 ) 阎明礼( 1 9 9 6 ) 认为复合地基中桩间土受力正不超过桩间土承载力时，用呱 计算复合地基变形，其结果是偏于安全的，对单桩或桩数较少的复合地基则相当 接近。由此假定：复合地基应力分布可按半无限弹性体计算；加固区的变形s l 由 桩问土所受荷载引起；桩底下卧层的变形s 2 由复合地基总荷载引起。复合地基的 总沉降s = s 】+ s 2 。 加固区的变形可以根据桩间土分配的均布荷载按一般地基沉降计算方法进行 计算。此时将桩间土平均附加压力以作为基底附加应力，加固区土层分为n 层， 则加固区s t 的计算公式为 = 宝争( 毛虿气。石) 0 - 9 ) 式中参数同式( 1 6 1 。 下卧层j 2 的计算如下：附加应力分布用复合地基总平均荷载d k 按角点法计算 求得，而后用分层总和法求出s 2 。 工程中应用这种方法时，由于桩间土受力正很难确定，所以张东网1 j ( 1 9 9 3 ) 建议 在复合地基所受平均外荷等于复合地基承载力时，取天然地基承载力a 作为桩间 土荷载值。但是实际上，桩间土荷载值往往不等于天然地基承载力矗。 ( 3 ) 阎n 猬卒l ( 1 9 9 6 ) 对( 2 ) 中的总沉降s 做以下修正 州s + s 2 脚喀鲁鱼+ 艺j - i 孕s l 叫 m 式中，a o - 。为桩间土应力盯。在加固区第i 层土产生的平均附加应力；卸。j 为基底 附加应力p o 在第，层下卧层产生的附加应力。按角点法求得：最，、岛为加固区与 下卧层土层的压缩模量：h 。胁为加固区与下卧层各土层的厚度；妙为沉降计算经 验系数，根据地区沉降观测及经验确定。 以上( 2 ) 和( 3 ) 两种方法属于应力修正法。 ( 4 ) 等效实体基础法( 龚晓南，2 0 0 2 ) 将复合地基加固区视为一等效实体，作用 在下卧层上的荷载作用面与作用在复合地基上的相同，基础沉降由下卧层的压缩 引起，加固区部分没有变形。变形计算采用分层总和法，此时传至下卧层顶面的 荷载要扣除实体周边摩阻力。 ( 5 ) 黄绍绍等( 1 9 9 1 ) 建议利用g e d d e s 解计算复合地基土层中的应力。复合地基 浙江大学硕士学位论文第一章绪论谢成2 0 0 5 年2 月 总荷载为p ，桩体承担佛，桩间土承担p s = p - p p 。桩间土承担的荷载在地基中产生 的竖向应力由b o u s s i n e s q 解得到，且不考虑桩的存在。桩体承担的荷载在地基中 所产生的竖向应力采用g e d d e s 法计算。然后叠加两部分应力得到地基中的竖向应 力。再采用分层总和法计算复合地基加固区和下卧层土层压缩量。g e d d e s 解详见 文献( g e d d e s ，1 9 6 6 ) 。 另外，许多学者利用解析分析的方法对刚性桩复合地基的沉降计算进行研究， 得到了很多对工程实践有指导意义的计算公式； ( 1 ) 王长科、郭新海( 1 9 9 6 ) 将垫层、桩、桩间土简化成弹簧模式，利用力平衡 方程、变形协调方程求解出基础所承担荷载与变形的关系。 ( 2 ) 娄国充( 1 9 9 8 ) 以桩基复合地基为对象，将复合地基视为垫层、桩和桩间土 所组成的一个工作体系。考虑其各部分的工作特性及其相互影响，给出了刚性桩 复合地基荷载与沉降的关系。 ( 3 ) 李春灵( 1 9 9 9 ) 利用b o u s s i n e s q 解和g e d d e s 解相结合的方法给出了桩间土与 下卧层应力的计算方法，然后进行沉降计算。 ( 4 ) 黄文峰、李广信( 1 9 9 9 ) 考虑了刚性板下桩与基土沉降相等的变形协调关系， 应用半无限均质弹性体中的m i n d l i n 解答，得到基土为均质线弹性材料时，带垫层 柔性单桩复合地基的荷载一沉降关系、桩土应力比及柔性桩的有效桩长等结果， 该解答可以应用到刚性桩复合地基中。 ( 5 ) 傅景辉、宋二祥( 2 0 0 0 ) 通过分析桩一土一垫层的共同作用，讨论了刚性桩 复合地基的工程特性，并给出了沉降计算的公式。 ( 6 ) 董必昌、郑俊杰( 2 0 0 2 ) 从c f g 桩复合地基的沉降变形出发，考虑了刚性桩 的负摩阻力，并给出了沉降计算公式。 ( 7 ) 张小敏、郑俊杰( 2 0 0 3 ) 通过分析桩一土一垫层相互作用，讨论了刚性桩复 合地基的沉降特性。借助半无限弹性空间中的g e d d e s 解和m i n d l i n 解，求出了考 虑刺入变形的复合地基中的竖向附加应力，从而得出刚性桩复合地基的一种沉降 计算方法。 除了这些现有的刚性桩复合地基的沉降计算方法以外，一些柔性桩及桩土相 互作用的沉降计算方法也是值得借鉴的。主要有：李静文( 1 9 9 3 ) 以b o u s s i n e s q 、 m i n d l i n 和g e d d e s 解为基础求桩土相互作用下的地基中的应力及沉降。章胜南( 1 9 9 4 ) 软- i - n i l 性桩复合地基工作性状研究 利用荷载传递函数法对无垫层的复合地基桩土应力比，荷载和沉降特性进行了分 析。马海龙等( 1 9 9 6 ) 运用m i n d l i n 解和浅基础中的分层总和法，建立了桩一承台一 土共同作用矩阵方程，并对其求解，从而可得到沉降、桩土应力比和侧摩阻力分 布规律。宰金t 民( 1 9 9 6 ) 在将剪切位移法推广到塑性阶段从而得到桩周土非线性位移 场解析表达式的基础上，建立了上部结构一承台群桩一土共同作用的增量矩阵 方程形式，并求解了荷载沉降曲线。刘利明( 1 9 9 7 ) 对柔性桩受集中荷载下的沉降作