（岩土工程专业论文）素混凝土桩复合地基试验研究及变形稳定性分析.pdf

中文摘要 摘要 复合地基是目前使用最广泛的地基处理技术之一，随着对地基处理要求的不 断提高，复合地基处理技术也在不断的发展当中，素混凝土桩复合地基因其具有 的高承载力、小变形和广泛的适应性以及良好的经济和社会效益在近年来得到了 迅速的发展。 本文回顾了复合地基的应用和发展情况，简要介绍了素混凝土桩复合地基的 基本概念，同时在素混凝土桩复合地基的试验研究、有限元分析和理论分析方面 做了一些分析和探讨，主要做了以下工作： 试验研究。 通过素混凝土桩复合地基的现场试验，测得了素混凝土桩复合地基中的桩土 应力曲线及荷载与变形的关系曲线，由此得到了素混凝土桩复合地基的桩土应力 比和荷载分担比。试验表明，在桩端持力层承载力较好的情况下，桩项应力、桩 间土应力、桩的荷载分担比和桩土应力比都随荷载增大而相应增大；素混凝土桩 复合地基的沉降曲线为缓变形曲线且总变形远小于规范规定的上限值。试验表明 素混凝土桩复合地基具有良好的承载特性和变形特性。 有限元分析。 利用a n s y s 6 1 有限元分析软件，对天然地基、素混凝土桩复合地基和刚柔 组合桩复合地基的承载特性和变形特性进行了对比分析。有限元分析表明，素混 凝土桩复合地基和剐柔组合桩复合地基的承载特性和变形特性与天然地基有很大 的不同，两者均可有效加固天然地基。 理论分析。 分析了复合地基的各种计算方法之后，提出了采用综合变形模量的概念来计 算复合地基变形的计算公式。根据有限元分析的结果，探讨了刚柔组合桩复合地 基的承载力和变形计算的实用方法。 介绍了复合地基的破坏模式之后，推导了素混凝土桩复合地基整体稳定性分 析的圆弧法公式，分析表明素混凝土桩复合地基有利于提高天然地基的抗滑稳定 性；另一方面完善了洞室复合地基稳定性的计算方法。 实例分析。 通过两个典型的工程应用实例对素混凝土桩复合地基的设计、施工和检测方 法都作了较为详细的介绍和分析，对类似的工程有一定的参考价值。 关键词：素混凝土桩复合地基，试验研究，有限元分析，变形，稳定性 英文摘要 a b s t r a c t n o w a d a y s ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s o n eo ft h em o s tw i d e l yu s e ds o i li m p r o v e m e n t t e c h n o l o g i e s ，w i t hh i g h e ra n dh i 曲e l d e m a n dt os o i li m p r o v e m e n t ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n t e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gc o n t i n u o u s l y p l a i nc o n c r e t ep 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 n d e v e l o p e dr e c e n t l yb e c a u s e o fi t sh i 曲b e a r i n gc a p a c i t y , l i t t l es e t t l e m e n t ，硒d ea d a p t a t i o n ， g o o de c o n o m i c a la n d s o c i a lb e n e f i t t h i sd i s s e r t a t i o nh a ss u m m a r i z e dt h e a p p l i c a t i o n ，d e v e l o p m e n t a n dr e s e a r c ho f c o m p o s i t ef o u n d a t i o na n di n t r o 血c e dt h eb a s i cc o n e e p t a tt h es a m et i m e ，t h e r ea r cs o m e a n a l y s e s a n dd i s c u s s i o n sa b o u t 出et e s tr e s e a r c h ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h e o r y a n a l y s i s o t e s t r e s e a r c h b y i n s i t et e s tt op l a i nc o n c r e t ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，p i l es t r e s sc u r v e ，s o i ls t r e s s c l l r v ea n dl o a d i n g s e t t l e m e n tc d r v ew e r eg o t ，t h e np i l e - s o i ls t r e s sr a t i oa n dl o a ds h a r i n g r a t i ow e r ea l s og o t t h et e s ts h o w s ，w h e nt h eb e a t i n gc a p a c i t yo fs u p p o r t i n gc o u r s eo f p i l e s e n di sg o o d ，s t r e s so nt h et o po fp i l e ，s o i ls t r e s sb e t w e e np i l e sa n dt h el o a ds h a r i n g r a t i ow i l le n h a n c ew i t h1 0 a d se n h a n c i n g t h el o a d s e t t l e m e n tc u r v ed e f o r m ss l o w l ya n d t h et o t a ls e t t l e m e n ti sm u c hs m a l l e rt h a nt h eu p p e rl i m i tv a l u ew h i c hc o d eh a sr e g u l a t e d t h et e s ts h o w st h a tp l a i nc o n c r e t ep i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ( p c p c f ) h a sg o o d c h a r a c t e r so f b e a r i n g c a p a c i t ya n ds e t t l e m e n t f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s u s i n ga n s y s 6 1 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e , t h ed i s s e r t a t i o n h a sm a d ea n c o m p a r a t i v ea n a l y s i st ot h eb e a r i n gc a p a c i t ya n d s e t t l e m e n to fn a t u r a lf o u n d a t i o n ，p c p c f a n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o no f r i g i d f l e x i b l ec o m p o s i t ep i l e s ( c f r c p ) t h ec o m p a r a t i v e a n a l y s i ss h o w st h a t ，t h et w oc h a r a c t e r so f p c p c fa n dc f r c pa r ed i f f e r e n tf r o mt h o s eo f n a t u r a lf o u n d a t i o n t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa l s os h o w sb o t hp c p c fa n dc f r c pc a l l r e i n f o r c et h en a t u r a lf o u n d a t i o ne f f i c i e n t l y t h e o r ya n a l y s i s a f t e r a n a t y s i s i n g a l lk i n d so fs e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o do fp c p c f , t h e d i s s e r t a t i o nh a sc o m eu pw i t h u s i n gc o m p o s i t ed e f o r m a t i o nm o d u l u s t od e d u c et h e c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fp c p c f a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h e d i s s e r t a t i o nh a sc o m eu pw i t h p r a c t i c a lc a l c u l a t i n gm e t h o do fb e a t i n gc a p a c i t ya n d s e t t l e m e n to f c f r cp i l l 重庆大学硕士学位论文 a t i e ri n t r o d u c i n gf a i l u r em o d e lo fp c p c f t h ed i s s e r t a t i o nh a sd e d u c e dt h ec i r c u l a r a r cm e t h o df o r m u l ao fp c p c f st o t a ls t a b i l i t ya n a l y s i s t h ea n a l y s i ss h o w st h a tp c p c f c a ni m p r o v et h es t a b i l i t yo fn a t u r a lf o u n d a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sa l s o p e r f e c t e ds t a b i l i t yc a l c u l a t i o n m e t h o do f c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw h i c h h a sc a v e r n s e x a m p l e sa n a l y s i s b yt w ot y p i c a le x a m p l e so fp c p c f ，t h ed e s i g nm e t h o d ，c o n s t r u c t i o nm e t h o da n d l o a d i n gt e s tm e t h o dw e r e i n t r o d u c e da n da n a l y s i s e di nd e t a i l ，w h i c hc a nb er e f e r e n c e dt o s i m i l a r p r o j e c t s k e y w o r d s ：p l a i n c o n c r e t ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n , t e s tr e s e a r c h ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s e t t l e m e n t ，s t a b i l i t y 1 绪论 1 绪论 1 1 地基处理简介。删 随着我国经济的不断发展，很多地方尤其是地处改革开放前沿的沿海地区建 设用地日益紧张，土质较好利于兴建建筑的场地已基本使用完毕，大量新建建筑 不得不选址于土质软弱的沿海滩涂、江河冲积平原以及其它土质软弱地区。而另 一方面，现代建筑的高度越来越高，体型越来越复杂，导致建筑荷载日益增大且 不均匀，有些建筑对变形要求还较高，天然地基已难以满足要求。因此，对于那 些土质软弱、不能适应建( 构) 筑物强度或变形的要求，或者由于动力荷载作用 而可能产生液化、失稳或者震陷等灾害，或者由于吸水而会沉陷，或者由于吸水 而会膨胀失水而会下陷的场地必须进行人工加固处理。通常需要对天然地基进行 处理，才能在其上修建各种建筑。这种对不良场地进行补强加固的方法即为地基 处理。 1 1 。1 地基处理技术的发展 地基处理技术在我国有着悠久的历史，据史料记载，早在3 0 0 0 多年前，我国 古代劳动人民就开始采用竹子、木头及麦秸等束加固地基。向软土中夯入碎石等 材料以挤密软土也早在2 0 0 0 多年前就有记载。此外，利用夯实的灰土和三合土等 作为建筑物垫层，在我国古代建筑中就更为广泛。比如经历了多次地震具有1 0 0 0 多年历史的西安小雁塔，就是采用了分层夯实的3 m 多厚的黄土垫层，陕西扶风 塔的垫层也是采用了分层夯实的拌和了石灰的黄土，在万里长城的建设中，石灰 也常常被用来加固软弱地基。 现代地基处理技术应从1 9 世纪3 0 年代在欧洲开始应用砂桩算起。后来德国 s s t e u e r m a n 在1 9 3 0 年提出采用振冲法加密砂性土原理。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。1 9 6 0 年左右在英国开始将振冲法应用于加固粘性土地 基。不久，在德国、美国和日本也用于加固软粘土地基。1 9 7 6 年下半年，南京水 利科学研究所和交通部水运规划设计院共同研究振冲法加固软填土地基技术， 1 9 7 7 年试制出我国第一台1 3 k w 的振动水冲器，1 9 7 7 年9 月首先用于南京船厂船 体车间软粘土地基加固，加固深度1 3 1 8 m 。 建国后尤其是改革开放以来，地基处理技术得到了迅速的发展，回顾我国地 基处理技术的发展历程，大概可以分为以下两个阶段： 第一阶段：上个世纪五十年代至六十年代，为起步应用阶段。这一一时期因为城 市建设和：l 业建设的需要，我国从前苏联引进了大量地基处理技术，出现了一个 重庆大学硕士学位论文 地基处理技术引进和_ 丁l ：发的高潮。主要有砂石垫层法、砂桩挤密法、石灰桩法、 灰土桩法、化学灌浆法、重锤夯实法、堆载预压法和井点降水法等应用于工业与 民用建筑。使用最为广泛的是垫层法等浅层处理法。由于是处于起步阶段，受当 时对地基加固机理认识水平和实践经验的限制，既有成功之经验，又有盲目照搬 之教训。 第二阶段：上个世纪七十年代至今，为应用、发展、创新阶段。伴随着改革开 放，沿海地区大批工业项目和高层建筑的兴建，大量国外先进地基处理技术被引 进，大大促进了我国地基处理技术的应用和研究，并结合我国自身特点，初步形 成了较为完整的地基处理技术体系，一些领域还达到了国际领先水平。石灰桩、 碎石桩、强夯法、深层搅拌法、真空预压法、砂井法、塑料排水带法、土工织物 等都得到了广泛的应用和大量的研究。近年来由于环境保护臼益受到重视，利用 工业废渣和城市建筑垃圾处理地基也得到了进展，如采用生石灰和粉煤灰开发了 二次桩复合地基，利用废钢渣开发了钢渣桩复合地基，利用城市垃圾开发了渣土 桩复合地基，利用粉煤灰和碎石混凝土开发了水泥粉煤灰碎石桩复合地基。 近年来地基处理领域中另一个引人注目的发展是大桩距( 桩距一般大于5 6 d ) 的桩长较短的钢筋混凝土疏桩复合地基的出现，这是一种介于传统意义上的 桩基和复合地基之间的新的地基基础形式，由于采用了较大的桩距，使得桩和桩 间土能共同承担上部衙载。合理的布桩设计既能控制建筑物的沉降在允许范围之 内，又能降低：1 = 程造价。 1 1 2 地基处理方法的分类 地基处理的方法很多，按时间可分为临时处理和永久处理；按处理深度可分 为浅层处理和深层处理；按处理土对象可分为砂性土处理和秸性土处理，饱和土 处理和非饱和土处理：也可按照加固机理分类。按照加固机理可以分为以下几种： 排水固结法：如堆载预压法，真空预压法，电渗排水法等； 胃换法：如换土垫层法，褥垫法等； 深层密实法：如强夯法，振冲密实法等； 加筋法：如加土工织物法，加筋土法，树根桩法等； 复合地基法：如碎石桩法，水泥土搅拌桩法，素混凝桩法等； 灌浆法：如高压喷射灌浆法，劈裂灌浆法，电化灌浆法等： 冷热处理法：如冻结法，烧结法等。 1 1 3 地基处理方案的选择 地基处理的方法很多，每种方法都尤其特定的使用范围，因此，必须结合实 际：r 程情况加以选择。选择处理方案时主要应考虑以下几方面的内容： 结构条件：如建筑物的体型、剐度和结构受力体系，荷载大小和分布情况， 1 绪论 基础类型和埋深，基底压力和天然地基承载力及变形容许值等； 地基条件：如地形及地质成因，地基成层情况，软弱土层厚度、埋深及分 布情况，持力层位置及状况，地下水情况及地基土的物理了和力学性质等； 环境影响：在地基处理施工中应考虑对环境可能产生的影响，如采用强夯 法和挤土类桩施工时可能会对临近建筑物和居民生活产生干扰；采用堆载预压法 时将会有大量土方运迸运出，既需要大量的堆放场地又不能妨碍交通、污染道路； 采用真空预压法时，往往会使临近建筑物周围地基产生附加下沉； 施工条件：如施工用地条件、工期要求和工程材料供应情况都有可能限制 某些地基处理方法的使用。 除此之外，地基处理方案的选择还受施工机械的有无、施工的难易程度和工 程造价等因素的影响，在实际工程中应对上述各方面的因素进行综合考虑，确定 一个最优方案进行实施。 1 2 复合地基的概念和分类”1 自复合地基一词1 9 6 2 年首次在国外提出以来，已有4 0 多年的历史，随着复 合地基技术的发展和推广应用，目前复合地基已与浅基础和桩基础一道成为工程 中常用的三种地基基础型式。这三种基本的地基基础型式中，浅基础和桩基础的 承载力和沉降计算理论比较成熟，工程实践积累也较多，而复合地基虽然是近年 束发展最快的一种地基处理方法，但其承载力和沉降计算理论还在发展之中，尚 不成熟。 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。复合地基中若增强体方向不同，复合地基的性状也不同。桩体复 合地基中，桩体是由散体材料组成还是由粘结材料组成，以及粘结材料桩的刚度 大小，都将影响复合地基的荷载传递性状。按照复合地基的工作机理可将复合地 基分为以下几类： 厂散体材料桩复合地基：如碎石桩复合地基 f 竖向增强体复合地基1厂柔性桩复台地基：如水泥土搅拌桩复合地基 jl 粘结材料桩复合地基1厂c f g 桩复台地基 复合地基1l 刚性桩复合地基 素混凝土桩复合地基 l 水平向增强体复合地基：如加筋土复合地基l 复台桩基 1 3 素混凝土桩复合地基的应用与研究现状 1 3 1 素混凝土桩复合地基的提出 自从d a v i s 和p o u l o s 于1 9 7 2 年”3 首次提出桩筏基础的概念以来，包括 b u r l a n d ( 1 9 7 7 ) 巴c o o k e ( 1 9 8 6 ) c h o w ( 1 9 8 7 ) r a n d o l p h ( 19 9 4 ) 唑k i m ( 2 0 0 1 ) 1 1 1 ， 重庆大学硕士学位论文 t aa n ds m a l l ( 1 9 9 6 ) ”，p o u l o s “”等许多研究人员接着迸行了大量的研究，导致在 很长时间内桩筏基础在高层建筑的基础形式选用中处于统治地位。桩基础虽然有 效，但是桩间土的承载力被自白浪费掉了，尤其是当桩间土的承载力较好时，尤 其显得可惜；另一方面，当天然地基处于岩溶发育等地质条件复杂地区时，桩的 施工较为困难，簏工人员的安全和桩基的质量都不易得到保证，因此复合地基便 应运而生。复合地基可以较为充分的利用桩间土的承载力，因而它一出现就受到 了重视和广泛应用。早期的复合地基多为碎石桩复合地基和水泥土搅拌桩复合地 基等，这些复合地基可以在一定程度上提高天然地基的承载力，但是随着现代建 筑向高处发展，建筑的体型和结构目盏复杂，这些传统的地基处理方法己不能满 足承载力和变形的要求。究其原因，主要是桩体的刚度太小，不能有效地将桩身 应力向深处传递；其次，施工质量也不稳定，离散性大。比如，碎石桩桩身在距 桩预距离2 d 3 d 左右处为高应力区，因周围土体的围箍作用有限，容易发生鼓胀 破坏，即使增加桩长也不能提高地基承载力。在此情况下，寻找一种承载力高且 变形小的地基处理方法是大势所趋。而素混凝土桩复合地基就是这一趋势下的产 物。素混凝土桩复合地基是在天然地基中设置一定比例的素混凝土桩体，使桩和 桩间土共同承担上部结构荷载，以满足地基强度、变形和稳定性的要求。因为桩 身的混凝土强度一般不大于c 2 5 ，混凝土强度相对较低，所以也可以将这种复合 地基称为低强度素混凝土桩复合地基，以前还有人将其称为低标号素混凝土桩复 合地基。素混凝土桩是一种高粘结强度刚性桩，可以将荷载传递到较深层地基中， 当桩端持力层土质较好时，还可发挥端阻作用，因此素混凝土桩复合地基克服了 散体桩复合地基和柔性桩复合地基的缺点，既能提高地基的承载力又可使地基变 形得到有效控制；同时其施工质量也较为稳定，施工质量可以得到保证。 1 3 2 素混凝土桩复合地基的优点 索混凝土桩复合地基因其具有下述优点而得到迅速发展和应用： 适用范围广。就土性而言，既适用用于高填土( 特别是含碎石、块石的填 土层) 、深厚淤泥土、泥炭土、粉土和砂土等软弱地基的加固处理，也适合于各类 硬土层( 如冲洪积土、坡积土和残积土) 的加固处理，在桩基等难于使用的岩溶 地区，也有一定的适用性；就基础形式而言，既适用于条形基础、独立基础，也 适用于箱形基础和筏板基础：既适用于工业厂房，也适用于民用建筑；不仅适用 于承载力较低的土，对承载力较高但变形不能满足要求的地基，也可用来减少地 基变形。 承载力提高幅度大且大小可调。处理后的地基的承载力可大幅提高，可从 加固处理前的6 0 2 6 0 k p a 提高到1 6 0 5 5 0 k p a ，可满足一般高层建筑的要求。素 混凝十桩可沿桩身全长发挥侧阻，当桩端迸入地质条件较好的持力层时，还可很 4 1 绪论 好地发挥端阻，既提高了复合地基的承载力又减小了地基的变形。通过调整桩身 混凝土强度和桩体空间分布，还可以调整复合地基承载力的大小。 沉降变形小。大量复合地基载荷试验和已建建筑物沉降监测资料都表明， 素混凝土桩复合地基的沉降尤其是工后沉降( 施工完成后的沉降) 都较小，通常在 1 0 4 0 m m 之间，能满足建筑物的变形要求。 可以用来减小不均匀沉降。可以根据上部结构荷载的变化调整桩的长度、 置换率或者使桩进入不同的持力层，复合地基可以提供不同的承载力，从而可以 使不均匀沉降得到减小。 具有良好的经济效益和社会效益。据测算，与其它类型桩基相比，平均可 节约造价三分之一以上，施工工期缩短三分之一左右。另外，采用螺旋钻孔灌注 等工艺，既可基本避免噪音污染，又不会对相邻建筑产生不利影响。 由此可见，素混凝土桩复合地基具有技术先进、经济合理等优点，推广应用 这种地基处理技术将产生良好的经济效益和社会效益。 1 3 3 素混凝土桩复合地基的应用现状 素混凝土桩复合地基因其良好的适应性和经济性，在我国江苏、浙江、福建、 河北、湖北、四川和广东等省都有应用”“”“”。“。建筑物的用途既有住宅和办公 楼，又有仓库、试验大楼、厂房、体育中心和油库等；房屋层数既有单层，也有 多层和高层甚至超高层。这些工程实践既将这一地基处理理论成功应用于实际工 程，也为理论研究提供了技术资料和实际经验，在工程实际应用中反映出来的问 题又为理论研究指明了方向。本文选取其中的两个例子简单介绍如下： 深圳沙头角保税区员工配餐中心 沙头角保税区员工配餐中心位于深圳市盐田区沙头角保税区西侧，占地面积 约3 5 0 0 m 2 ，层高为3 层，独立基础。场地为填海造陆而成，场地软弱地层厚度平 均为1 1 3 m ，从上往下依次为：人工填石层( q 1 1 1 1 ) ，平均厚度5 5 m ；含有机质粉 细砂层( q ”) ，平均厚度2 7 m ；含粘性土卵石层( q 3 l + p 1 ) ，平均厚度3 1 m ：其下 为粉质粘土层( q “) 、凝灰岩风化带( j 3 ) 以及断层破碎带。人工填石层又火山碎 屑岩块和碎石组成，若采用强夯加固处理，因填石尺寸大，所需能量级大，施工 时将对北部工业厂房产生不利影响，且不能解决含有机质粉细砂层可能液化的问 题；填石层的存在对桩基施工有困难，且场地分布有断层破碎带，适合桩基的持 力层深度较大。考虑以上各种因素后，采用了素混凝土桩复合地基加固方案，振 动沉管施工工艺。设计桩长1 3 0 m ，桩径4 5 0 r a m ，以粉质粘土层作持力层，桩端 进入持力层1 o m 左右，素混凝土桩单桩竖向承载力特征值见= 3 0 0 k n ，混凝土 强度等级c 1 0 ，褥垫层厚度3 0 0 m m 。复合地基载荷试验时采用2 m 2 m 压板加载， 每个压板下覆盖四根素混凝土桩，当加至设计荷载1 8 0 k p a 时，对应沉降为2 o o 重庆大学硕士学位论文 1 1 6 3 m m ，平均为6 3 6 m m ，相对变形平均值s b = 6 3 6 2 0 0 0 = 0 0 0 3 ，小于建 筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) ”规定的不大于0 o l 的要求。另外，基础 承台间土及外围停车场填土采用砂桩复合地基，砂桩长6 o 8 5 m ，复合地基承 载力特征值l 。=。o 1 8 0 k p a 该工程采用素混凝土桩加固独立基础下地基，振动沉管工艺可以穿透较厚人 工填石层，承台间地基采用砂桩加固既提高了地基的承载力，又消除了地基液化 的可能性，取得了良好的加固效果。 深圳好年华大厦 好年华大厦位于深圳市罗湖区老东门建筑密集地段，为旧城改造项目，该大 厦地上2 0 层、地下室1 层半，基础平面尺寸4 4 0 m x2 5 4 m ，采用筏板基础，筏 板厚度1 3 m 。地质勘察报告揭露，一层地下室部分处于古泥质砂砾层，取地基 承载力特征值正。= 1 6 0 k p a ，二层地下室部分处于砂质粘性土层，取厶= 2 2 0 k p a 。 因场地地下水丰富，微风化岩埋藏深，且周边建筑物密集，桩基础特别是人工挖 孔桩不适宜，最后采用素混凝土桩和深层水泥土搅拌桩联合加固方案。一层地下 室部分素混凝土桩长2 7 m ，桩径4 1 0 m m ，单桩竖向承载力特征值r 。= 7 2 0 k n ，桩 端持力层为砂质粘性土层下部；水泥土搅拌桩长1 0 m ，桩径6 0 0 n n n ，单桩竖向承 载力特征值月= 1 7 0 k n 。二层地下室部分素混凝土桩长1 5 2 4 m ，桩径4 1 0 m m ， 单桩竖向承载力特征值r = 4 8 0 k n ，桩端持力层为砂质粘性土层上部；水泥土搅 拌桩长1 0 m ，桩径6 0 0 m m ，单桩竖向承载力特征值r 。= 1 7 0 k n 。本工程中所用混 凝土强度等级为c 2 5 ，深层水泥土搅拌桩水泥掺量为2 4 0 k g m 。工程中所有素混 凝土桩均采用长螺旋钻内泵送高压混凝土工艺成桩，具有成桩速度快，效率高且 质量可靠的优点，而且噪音小，基本上不会对周边居民生活造成影响。设计要求 桩顶级配碎石褥垫层厚度2 0 0 m m ，按 碎石( 1 3 c m ) ：石屑：中粗砂：水 = 5 ：3 ：1 ：1 的比例配置，分层夯实，夯填度( 即褥垫层夯实后厚度与虚铺厚度之比) 不大于 0 9 。按上述方案对地基进行处理后，一层地下室部分复合地基承载力特征值厶 达到了3 4 0 k p a 以上，二层地下室部分达到了3 6 0 k p a 以上，核心筒部分通过加密 水泥土搅拌桩，复合地基承载力特征值疋。达到了4 0 0 k p a 以上。 该例说明，在地下水丰富、桩基难于使用的地区，使用素混凝土桩复合地基 后，大幅提高了天然地基的承载能力，并且按照上部结构荷载的不同，复合地基 提供的承载力也有所不同。索混凝土桩和水泥土搅拌桩的联合使用，形成了长短 桩复合地基，使复合地基内部网4 度形成过渡梯度，既调动了深层地基土的承载力， 又调动了浅层地基土的承载力，较充分地利用了天然地基的承载力，节约了工程 造价。 上述工程实例表明，采用素混凝土桩加固地基可以大幅提高天然地基的承载 绪论 力，如与碎石桩、砂桩、水泥土搅拌桩以及强夯法等联合使用，可以更好地发挥 索混凝土桩的优点，灵活运用这些地基处理方法，可以取得良好的加固效果和经 济效益。 1 3 4 混凝土桩复合地基的研究现状 素混凝土桩复合地基是在碎石桩复合地基大量使用后才出现的，因此对它的 研究历史要短得多。碎石桩复合地基的研究成果较多。”，素混凝土桩复合地 基只是最近一二十年才开始有相关研究文献报道。 林最俭。2 1 通过素混凝土桩复合地基在福州的两个工程地基加固中的应用对比 发现，与浅层地基加固、深层搅拌桩复合地基和复合桩基相比，素混凝土桩复合 地基具有技术可靠、节约投资的特点，较传统桩基节约投资2 0 2 5 ，较复合桩 基节约投资l o 1 5 。 王显华”通过分析工程实例表明，深圳地区的花岗岩残积士质较好，采用 素混凝土桩复合地基是可行的，且经济效益明显。 刘奋勇。”通过由素混凝土桩和搅拌桩组成的混合桩型复合地基的试验研究测 得了混合桩型复合地基的应力比和荷载分担比等。 张小敏1 通过通过分析桩一土一垫层的相互作用，讨论了刚性桩复合地基的沉 降特性，借助半无限弹性空问中的g e d d e s 解和m i n d l i n 解，得到了刚性桩复合地 基的一种变形计算方法。 傅朝方“”的研究表明，桩侧的正摩擦力有助于桩的稳定，而负摩擦力会降低 桩稳定的临界荷载，应重视桩侧负摩擦力的影响。赵明华。”1 运用最小势能原理 导得了部分或全部埋入桩计入桩侧摩阻力时基桩屈曲问题的理论解。 王明华”通过将岩溶顶板简化为变截面固端梁和悬臂梁，推导了岩溶顶板抗 弯稳定的临界厚度。 江静贝。”采用i d r e s s 。“等人编写的被广泛应用的基于l y s m e r 方法。2 1 的二维有 限元程序q u a d 4 输入人工地震波和e 1c e n t r o l 地震波对四种常见的复合地基进 行了计算，结果表明不同置换率的加固效果有一定的区别，但是在加固区地震反 应减小的同时，附近未加固区的地震反应相应增大，而且由于开挖造成的影响比 由于加固造成的影响大。 李宁。”采用数值试验模型，对不同种类的复合地基进行了全面系统的分析， 探索了单桩复合地基相互作用的机理、荷载传递性状和附加应力分布规律。邢仲 星”4 。也采用平面三角形单元和d u n c a n c h a n g 模型。”对刚性桩复合地基进行了有 限元分析。y a m a m o t o “7 和j u n g ”也采用有限元方法对复合地基进行了数值分析， y a m a m o t o 采用刚塑性有限元的分析结果与模型试验结果相当一致。 总而言之，复合地基的研究是当今岩士工程研究中的一个热点，相关的研究 重庆大学硕士学位论文 成果不断发表，多元复合地基以及多种地基处理方法的综合应用正吸引着越来越 多的科研工作者的注意。不过从总体上来说，这些研究水平还远远不能跟上工程 实践的发展，当前还有很存在的问题需要解决。 1 4 存在的问题 由于素混凝土桩复合地基的研究历史很短，而其应用发展又很快，因此尚有 以下一些问题需要解决。 复合地基的应力场和位移场 要想从根本上掌握素混凝土桩复合地基的工作机理，就必须了解其应力场和 位移场。然而限于当前的测试手段，在不扰动地基土的前提下，还没有可行的办 法测定复合地基的应力场和位移场。因此一般都是采用数值分析方法模拟，但是 数值方法通常都是建立在一些理论假设的基础上的，数值分析的参数也不易准确 取值，这些都将在一定程度上影响数值分析的准确性和有效性。 沉降计算方法 由于素混凝土桩复合地基是在天然地基中设置了桩体，导致其沉降变形规律 与天然地基有很大的不同。根据目前的沉降计算方法计算所得沉降值与实际沉降 值相比还有较大差距。 稳定性分析 在岩溶发育等地质条件复杂地区若采用桩基易发生工程事故，而且工期长质 量也不易得到保证，因而越来越多地采用了素混凝士桩复合地基。但是当前对素 混凝土桩复台地基在岩溶发育及深厚淤泥地基中的稳定性研究还很少。在我国大 多数的大中城市都有不同的抗震设防要求，因而搞清在水平及竖向地震力作用下 素混凝土桩复合地基的地震反应和工作性状以及破坏模式具有重大意义，然而目 前学术界对素混凝士桩复合地基的抗震性能在认识上还有很大的分歧。 承载力修难问题 现行行业标准建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) ”第3 o 4 条规定， 经处理后的地基，当按地基承载力确定基础底面积及埋深而需要对地基承载力特 征值进行修正时，基础宽度的地基承载力修正系数应取零，基础埋深的的修正系 数应取1 0 。这种规定对软弱土层来说没有什么不妥，但是对于土质较好的土层， 如密实的砂土、粉细砂、细中砂等，会导致当基础埋深越大、土质越好时，复合 地基经深宽修正后的承载力可能反而低于天然地基经深宽修正后的承载力，这显 然是刁；合理的。例如，某工程”天然地基承载力特征值为1 7 0 k p a ，基础埋深j 5 m ， 进行深宽修正后的承载力特征值为5 4 0 k p a ，未达设计要求，故用复合地基法处理， 然而按照上述规定，处理后的复合地基承载力特征值为3 8 5 k p a ，比处理前还低， 1 绪论 显然不合理。 质量检测方法 建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) “”第9 4 2 条( 强制性条文) 规定 复合地基的质量检测必须采用复合地基载荷试验，而现行国家标准建筑地基基 础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 。”第7 2 8 条( 强制性条文) 规定复合地基的质 量检测除可以采用复合地基载荷试验外，也可以采用增强体的载荷试验结果和其 周边土的承载力特征值结合经验确定。但是实际上这两种方法确定的复合地基承 载力并不一致，因为两者的安全度是不一样的，有时会出现复合地基载荷试验检 测合格而单桩承载力载荷试验检测却不合格的现象。究其原因主要是因为前者的 安全系数是2 0 ，而后者的安全系数中国建筑科学研究院认为应该是1 5 0 1 7 5 ， 导致出现上述问题。除此之外，素混凝土桩复合地基载荷试验检测方法还存在以 下一些问题： a 载荷板宽度不同时所测定的复合地基承载力不同 如在某试验中“0 3 ，对两台单桩复合地基载荷试验相对变形s b = o 0 1 对应的 复合地基承载力特征值厶= 2 0 0 k p a ，而四桩复合地基s l b = 0 0 1 对应的复合地 基承载力特征值厶= 3 3 5 k p a ，两者相差很大。与两台单桩复合地基载荷试验相比， 在土反力基本相等的情况下，四桩复合地基载荷试验s 6 = o 0 1 对应的桩项反力 平均高6 7 4 。因此，四桩复合地基载荷试验确定的复合地基承载力比单桩复合 地基载荷试验确定的地基承载力安全度低很多。 b 褥垫层的影响 褥垫层的影响包括褥垫层应力扩散、褥垫层厚度、密实度、褥垫层侧面约束 条件等对复合地基检测结果的影响。因常规压板宽度多在3 m 以内，因此褥垫层 应力扩散对复合地基检测有较大影响，将给出偏大的承载力。当褥垫层厚度大、 密实度较差且单桩承载力较高时，将可能出现桩顶向褥垫层中的刺入破坏，导致 沉降突然增大。而当褥垫层较薄、密实度大、单桩承载力较低时，将可能类似于 无褥垫层时的破坏。褥垫层的侧面约束条件、褥垫层厚度和密实度对褥垫层本身 的压缩量有影响。当载荷板宽度较小时， 总沉降量中所占的比例可能较大。最后， 这种影响就更明显，褥垫层的压缩量在 因为通常复合地基载荷试验和实际筏板 基础相比还有一个尺寸效应的问题，载荷试验时压板下的褥垫层厚度与实际筏板 基础下的褥垫层厚度应有所区别才对。 1 5 本文的任务 在现场试验的基础上，分析素混凝土桩复合地基在岩溶地区的承载特性； 通过有限元模拟分析，揭示素混凝土桩复合地基以及组合桩复合地基的承 9 重庆大学硕士学位论文 载和变形特性； 探讨素混凝土桩复合地基载荷试验变形计算方法和刚柔组合桩复合地基承 载力及变形计算的实用方法： 采用圆弧分析法分析素混凝土桩复合地基群桩的稳定性，推导相关的计算 公式；完善复合地基中岩溶顶板临界厚度的计算方法。 2 素混凝十桩复合地基基本概念 2 素混凝土桩复合地基基本概念 2 1 素混凝土桩复合地基的组成 素混凝土桩复合地基是一种由桩和桩间土以及桩顶褥垫层组成的人工地基。 其桩身混凝土强度等级般为c 1 0 c 2 0 ，少数达到了c 2 5 ，故又可称为低强度素 混凝土桩复合地基。它和普通桩基础的区别主要有两个方面：是素混凝土桩不 配钢筋，二是桩体本身并不直接和基础接触，在基础和桩之间铺设有褥垫层，上 部结构是通过褥垫层将荷载传递到桩和桩间土的。在荷载作用下，桩身分别向褥 垫层和下卧层刺入，桩土共同承担荷载，如图2 1 所示。与碎石桩等散体桩相比， 索混凝士桩桩身强度高，可将荷载向深处传递，因而素混凝土桩复合地基能提供 较高的地基承载力。 下卧层 褥垫层 p 4ilj l 基础 l n + “n ，。n 桩 一桩 闻 土 下卧层 褥整屡 图2 1 素混凝土桩复合地基j 二作示意图 r 9 2 。1c o m p o n e n t o f c o n c r e t ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 2 。2 素混凝土桩复台地基的几个基本概念州 为便于对本文的理解和表述，对文中涉及的些概念作出解释和说明如下。 2 2 1 面积置换率 在复合地基中，若桩的横截面积为彳。，该桩所对应或所承担的复合地基面积 为“，则将复合地基面积置换率辫定义为： 埔= a 。一( 2 1 ) 桩体的平面布置形式最常见的是正方形和等边三角形两种。除此之外，还有 长方形布置，也有的布置成网格状，形成连续墙形状，如图2 2 所示。图中复合 地基置换率( 文中如无特殊浇明，所有置换率均指面积置换率) 分别为： 桩体正方形布置时：m = z d 2 ( 4 t 2 1 桩体等边三角形布置时：m = 耐2 ( 2 蚤2 ) ( 2 2 口) ( 2 2 6 ) 重庆大学硕士学位论文 ( a ) 正方形布置 b1 牛 looo l ooo d ， oo 000 十 _ d i 0 o ooo ( b ) 等边三角形布置 r 且l ! i ( c ) k = 方形布置( d ) 网格状布置 酬2 2 桩体平面布置形式 f i 9 2 2a r r a n g e m e n to f p i l e s 桩体长方形布置时：m = 耐2 ( 4 1 1 1 2 ) ( 2 2 c ) 桩体网格状布置时：拼= 掘+ 6 一d ) d ( a b ) ( 2 2 d ) 2 2 2 桩土应力比 对复合土体单元，在荷载的作用下，桩和桩间土受力如图2 3 所示，图中吒 丁耵+ “i i 土桩土 蚓2 3 桩土应力比 f i 9 2 3p i l es o i ls t r e s sr a t i o 为桩顶应力，盯。为桩间土表面应力，则桩土应力比”为： n = 盯。o r ， ( 2 3 ) 实际上，由于桩间土的应力并不是荤数，随桩鼯及 与桩的距离不同而不同，因而桩土应力比并不是一个常 数，因此，在本文中所指的桩土应力比为平均桩土应力 比。一般情况下，桩土应力比与桩体材料、桩长和面积 置换率有关。通常在其它条件楣同时，桩体材料刚度越 大，桩士应力比越大；桩越长，桩土应力比越大：置换 率越小，桩士应力比越大。 。# 。 。 。 1 o 0 o r o 0 o r ；f l 2 素混凝土桩复合地基基本概念 2 2 3 桩( 土) 荷载分担比 复合地基中，桩( 土) 的荷载分担既可用桩土应力比表示， 荷载分担比吒( 以) 表示： 5 r = 0 p 5 s = ps p 也可以用桩( 士) ( 2 4 d ) ( 2 4 b ) 式中：只桩承担的荷载( k n ) ； 只桩间土承担的荷载( k n ) ： p 总荷载( k n ) 。 当置换率m 确定了以后，桩( 土) 荷载分担比和桩土应力比可以相互表示。 当测得荷载分担比屯、t 后，由计算得到桩顶应力为： 桩间土应力为 p 5 p p 6 p 2 彳2 j p 6 。p 6 。 吒2 孑2 。( 1 - m ) a ( 2 5 ) ( 2 6 ) 则桩土应