（岩土工程专业论文）路堤荷载下刚性桩复合地基的荷载传递性状与变形规律研究.pdf

摘要 摘要 以c f g 桩、p t c 管桩为代表的刚性桩在国内高速公路软土地基处理中正得到越来越广泛的应用， 对其承载机理以及变形规律的研究也在逐渐深入的展开，且己取得众多有益的研究成果，本文在综 合前人已有成果的基础上，采用现场试验、数值模拟以及理论分析的手段继续对该类型桩体复合地 基在路堤荷载下的性状进行了深入细致的分析，所做的主要工作可归纳为以下几个方面： ( 1 ) 回顾了刚性桩复合地基在国内外的应用现状，对非排土施工工艺下刚性桩的挤土效应问题 进行了系统归纳，总结了该类型桩体复合地基在路堤荷载下的承载及变形计算的相关研究成果，指 出了尚需进一步解决的问题及深化研究的方向。 ( 2 ) 通过现场沉桩试验的分析，研究了非排土施工工艺下刚性桩单桩及群桩施工对桩周土的扰 动影响，现场数据表明群桩的挤土效应是各单桩施工的综合影响的结果。成桩后不同休止期的桩周 土静力触探试验的结果表明，桩周土强度瞬间降低很多，但随着时间的增长逐渐恢复，群桩的扰动 影响远甚于单桩。对填土卸载前后的桩周土强度分析后认为，经过填土加载后，桩周土强度提高， 土体的各项物理力学指标均得到显著改善。 ( 3 ) 采用平面有限元的分析手段，深入研究了路堤荷载下刚性桩复合地基的承载机理，重点探 讨了土拱效应、拉膜效应以及桩体应力集中比等量值的影响因素，分析了桩帽在刚性桩复合地基体 系中作用。同时借助带帽单桩等效处理范围内的计算模型，提出了一桩士应力比计算公式，通过算 例和参数分析以及与有限元计算结果的对比，认为该公式是具有一定合理性的。 ( 4 ) 采用平面有限元的分析手段，继续对路堤荷载下刚性桩复合地基的沉降规律进行了较为 系统的探讨，重点研究了各组成材料的模量及桩长、桩间距、桩帽等因素变化时，复合地基沉降的 响应情况，并着重探讨了有无桩帽对沉降的影响，结果表明下卧层模量较低的情况下改变桩帽或调 节桩间距对总沉降影响不大，此时应主要通过改变桩长来实现对工后沉降的控制，下卧层模量大时 则无论调节桩帽尺寸或桩间距还是桩长都会对总沉降产生明显影响，只是在桩长增大到一定程度后 影响就不在显著。 ( 5 ) 对刚性桩复合地基沉降计算方法进行了初步的探讨，重点研究了已有复合模量法、桩间土 应力两种计算方法在该类型复合地基中的适应性问题，通过与现场实测以及数值模拟结果对比后认 为，两种方法均具有一定的适应性，但对c f g 桩，后一种计算方法更接近实际结果。 ( 6 ) 对连盐高速公路c f g 桩和p t c 管桩两个刚性桩试验段现场观测成果进行了分析，进而对 两个试验段刚性桩复合地基的加固效果进行了评价以及对比分析，结果认为由于众多原因使得p t c 管桩的加固效果要优于c f g 桩。 ( 7 ) 刚性桩复合地基承载力可由面积比法或应力比法计算，通过对c f g 桩试验段的单桩复合地 基静载试验结果与使用以上方法计算的面积比法结果对比，发现该法是有一定精度的；另外通过面 积比法的计算结果或复合地基静载试验成果可从应力比法计算公式中反算极限填土高度或极限桩土 应力比，供初步设计参考。 关键词：刚性桩；施工扰动；桩帽；路堤；承载机理；沉降分析；有限元；现场试验 a b s t r a c t r i g i dp i l e sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h es o f tg r o u n di m p r o v e m e n to f h i g h w a ye n g i n e e r i n gi nc h i n 乱 t h eb e a r i n gm e c h a n i s ma n dd e f o r m a t i o nr u l eo fr i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a v ea l s ob e e nd e 印l y d i s c u s s e d , a n da b u n d a n ta c h i e v e m e n t sh a v eb e e no b t a i n e d , b a s e do nt h e s er e s e a r c h , t h i sp a p e ra i m s 砒 a n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr i g i d p i l ec o m p o s i t eg r o u n d u n d e re m h a n k m e mb yf i e l d e x p e r i m e n t s , n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra 糟a s f o l l o w s ： o ) t h es t a t eo fr i g i dp i l ec o m p o s i t eg r o u n d i sr e v i e w e d d r i v e ne f f e c to fn o n - d i s p l a c e m e n t c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e si ss u m m a r i z e d , m a n yr e l a t i v es t u d i e so nb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nf o rt h e k i n do fp i l eu n d e re m b a n k m e n ta r es u m m e di | p ，t h e nt h ep r o b l e m st h a ts h o u l db ef u r t h e rs o l v e da n dt h e n e x tr e s e a r c hg o a la r ei n t r o d u c e d ( 2 ) b yt h ea n a l y s i so f f i e l de x p e r i m e n td u r i n gp i l ed r i v e n , t h ed i s t u r b a n c eo f r i g i dp i l ec o n s 协d c f i o no n s o i l sa r o u n dp i l e su n d e rn o n = d i s p l a c e m e n ta i n v e s t i g a t e df o rs i n g l ep i l ea n dp i l eg r o u p t h eo b s e r v e dd a t a s h o wt h a tp i l eg r o u p sd r i v e ne f f e c ti sac o m p r e h e n s i v er e s u l to f e v e r ys i n g l ep i l e s t a t i cp e n e t r a t i o nt e s t sa t d i f f e r e n tt i m es h o wt h a tt h es o i ls t r e n g t ha r o u n dp i l eh a sag r e a td e c l i n e , b u tg r a d u a le l e v a t i o nw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft i m e p i l eg r o u p sd i s t u r b a n c ee f f e c ti sm o r en o t a b l et h a nt h es i n g l ep i l e s w m lt h e e m b a n k m e ma d d e da n dr e m o v e d , s o i ls u e n g t t la r o u n dp i l ei se n h a n c e d ；t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp h y s i c sa n d m e c h a n i c sg e tar e m a r k a b l ei m p r o v e m e n t ( 3 ) p l a n ef i n i t ee l e m e n tm e t h o df f e m ) i si n t r o d u c e dt oi n v e s t i g a t eb e a r i n gm e c h a n i s mo fr i g i dp i l e c o m p o s i t eg r o u n du n d e re m b a n k m e n t s o i la r c h i n ge f f e c t , m e m b r a n ee f f e c te n dp i l es t r e s sc o n c e n t r a t i o n a t eh i g h l i g h t e d , a n dt h er o l eo f p i l ec a pi nt h ec o m p o s i t eg r o u n di sa n a l y z e d b yt h ee q u i v a l e n tt r e a t m e n t a r e ao fs i n g l ep i l ew i t hp i l ec a p , a ne q u a t i o nc o m p u t i n gt h es t r e s sr a t i ob e t w e e np i l ea n ds o i li si n t r o d u c e d , t h ec o n t r a s tb e t w e e nt h ep a r a m e t e ra n a l y s i sa n df e mr e s u l ts h o ws u c ha ne q u a t i o nh a si t sr a t i o n a l i t y ( 4 ) b yt h em e a n so fp l a n ef e m ，t h es e t t l e m e n tr u l eo fr i g i dp i l ec o m p o s i t eg r o u n di sd i s c u s s e d , t h e s e t t l e m e n tr e s p o n s e so ft h eg r o u n du n d e rt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r es t u d i e d , t h e s ep m a m a t o r sa r e c o m p r i s e db ye v e r ym a t e r i a lm o d u l e ，p i l ec a ps i z e , p i l ed i s t a n c e ，p i l el e n g t ha n ds oo n , m e a n w h i l e ，p i l e w i t hc a po rw i t h o u ta r ea n a l y z e d , t h er e s u l t ss h o wt h a tt o 诅is e t t l e m e n to n l yh a sam o r eo rl e s sv a r i e t yu n d e r al o w e rm o d u l eo fs u b l a y e rs o i lb yt h ec h a n g eo fp i l ec a po rp i l ed i s t a n c e ，i nt h i sc 峨e m b a n k m e n t s e t t l e m e n ta r e rc o 删o ns h o u l db em a i n l yc o n t r o l l e db yp i l el e n g t h ，w h e nt h es u b l a y e rh a sag r e a t m o d u l e ，t h ea d j u s t m e n to f p i l ec a p ，p i l ed i s t a n c ea n dp i l el e n g t ha l lh a v eas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h et o t a l e m b a n k m e n ts e t t l e m e n t ( 5 ) ap r i m a r yd i s c u s s i o no nt h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n f o rr i g i d p i l ec o m p o s i t eg r o u n du n d e r e m b a n k m e n ti sp u tf o r w a r d , t w oc a l c u l a t i o nm e t h o d sa r ea n a l y z e d , n a m e l yc o m p o s i t em o d u l em e t h o da n d t h em e t h o do fs u b s o i ls t r e s sa r o u n dp i l e b yc o n t r a s tw i t hf i e l do b s e r v a t i o na n df e m , t h er e s u l ts h o w st h a t b o t hm e t h o d sh a v ef l e x i b i l i t y , b u tt h el a t t e ri sb t t o rc l o s e dt oa c t u a lr e s u l t ( 6 ) t h eo b s e r v e dr e s u l t sf r o mt w oe x p e r i m e n ta r e a sa l ea n a l y z e d , i n c l u d i n gc f gp i l ea n dp t cp i l e w i t hp i l ec a p t h ee f f e c to f r e i n f o r c e m e n to nt h e s ea 璋鹄a r ee v a l u a t e de n dc o m p a r e d , a n dt h er e s u l t ss u g g e s t t h a tt h er e i n f o r c e m e n te f f e c to f p t cp i l ei sb e t t e rt h a nc f gp i l e t h em e t h o d so f c a l c u l a t i n gb e a r i n gc a p a c i t yf o rr i g i dp i l ec o m p o s i t eg r o u n dp r e s e n t e di nt h ep a p e r ma r e ar a t i om e t h o da n ds t r e s sr a t i om e t h o d b yc o n t r a s tw i t hs t a t i cl o a de x p e r i m e n to fs i n g l ep i l e c o m p o s i t eg r o u n df o rc f gp i l e , b o t hm e t h o d sh a v es o m ep r e c i s i o n i na d d i t i o n , h a r n e s s i n gt h er e s u l to f s t r e s sr a t i om e t h o d , 龃u l t i m a t ee m b a n k m e n th e i g h tc a l lb ec o m p u t e d , o n l yi f t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y o f s u b s o i lc o u l db ek n o w nb ys t a t i cl o a de x p e r i m e n to ra r e ar a t i om e t h o d k e y w o r d s ：r i g i dp i l e ；c o n 刚n l c d d i s t u r b a n c e ；p i l ec a p ；e m b a n k m e n t ；b e a r i n gm e c h a n i s m ； s e t t l e m e n ta n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e d ；丘e l de 坤e r i m e n 乜 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 导师签磊丝练 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景与意义 公路是国民经济持续发展的基础，进入2 1 世纪以来，我国公路建设又迎来了良好的发展机遇， 到2 0 0 5 年底全国公路通车总里程就达1 9 2 万公里，其中高速公路近4 1 万公路，预计以后这个数字 还会持续增加。然而，从己建成高速公路的应用情况来看，不少问题也已经暴露出来，“桥头跳车” 现象就是其中突出问题之一。所谓“桥头跳车”实际是由桥台和临近路堤因为结构不同而产生的不 均匀沉降所致，车辆在通过此处时会产生明显颠簸现象，严重影响了行车的安全及舒适，尤其对线 形要求高、设计时速大的高速公路而言更是如此。 通常对软弱地基的处理多采用真空预压、超载预压或碎石桩、水泥搅拌桩等柔性桩复合地基处 理，对路桥连接处设置一过渡段，以此来满足高速公路线形标准，但以上软土处理方法均有明显的 局限性：真空或超载预压法需要一较长工期，制约了施工进度，影响了工程的经济效益，而水泥搅 拌桩等柔性桩复合地基虽然造价较低，但加固深度有限，且桩体本身存在一有效桩长的问题，桩长 增加到一定程度后加固效果不明显。规范1 1 1 规定，软土地基中高速公路桥头段工后沉降不大于1 0 c m ， 结构物段工后沉降不大于2 0 c m ，而一般路段的工后沉降则不大于3 0c m ，可见规范对桥头段工后沉 降的控制非常严格，在软土地基深厚且桥头段填土较高的情况下，采用柔性桩等常规软土处理方法 可能难以满足沉降要求，这时可以考虑采用c f g 桩等低强度混凝土桩或管桩加固软土地基。北欧的 一些国家通常在桥头相当长的一段路段采用桩承路堤方法处理，保证桥与路的连续平稳过渡。近 来国内已有采用诸如c f g 桩、素混凝土桩、管桩等刚性桩复合地基来处理“桥头跳车”问题的报道 p 叫，从最终加固效果看，采用刚性桩还是取得了很好的加固效果，主要原因就在于刚性桩的承载力 较柔性桩大，通过加筋垫层或其他如桩帽等附加结构的设置可将路堤荷载更为有效地传递到下卧层 强度更大的土层中，工后沉降量及差异沉降量小，稳定速度快，加固深度不受施工机械以及有效长 度概念制约，桩身能全长发挥作用，和其他地基处理方法比较起来施工工期更短，造价也相对比较 适中的突出优点，同时在路桥连接处采用变桩长的方式设置过渡段，保证了路桥连接的连续性，因 此更能有效解决“桥头跳车”问题。 目前复合地基承载力以及沉降计算理论多是基于刚性基础建立的，没有考虑基础刚度的影响， 而理论分析和和工程实践均表明基础刚度大小对复合地基性状有很大影响。在房屋建筑中无论是条 形基础还是筏板基础，本身均具有较大的刚度，这种基础下复合地基的沉降较为一致，而在路堤和 堤坝中，桩体复合地基能刺入路堤中，桩土沉降是不一致的，在长期的实践中人们发现，在建筑工 程中逐步积累起来的复合地基沉降及承载力计算用于路堤等柔性荷载下的复合地基，计算值与实测 值往往有很大差异。水泥土桩、碎石桩等柔性桩在国外内应用较早，仅江苏省已建和在建高速公路 使用水泥土桩统计就超过了1 5 亿延米”j ，针对这类桩体复合地基在高速公路中的应用，不少学者已 经做了大量细致的研究工作，提出了一系列承载力或沉降计算方法，其具体设计方法已有公路路 基设计规范1 及公路软土地基路堤设计与施工规范 t l 做参考。而以c f g 桩、管桩等为代表的 刚性桩复合地基由于国内应用较晚，对其在高速公路软土地基上的有效应用尚处于摸索阶段，承载 力以及沉降计算方法还在进一步的研究之中。国外由于这种路堤桩应用较早，如芬兰和瑞典就广泛 采用路堤桩来增加路堤的承载能力和减小路堤沉降量b j ，因此对其承载机理的研究已经较为成熟， 国外不少学者 1 3 1 都对此进行过试验或解析方面的研究，出现了不少研究成果，对其设计方法已经编 入相关国家的基础设计规范中，如英国设计标准b s 8 0 0 6 i l ”等，然而近来部分学者的研究成果【l l o j 认为现存的路堤桩设计方法仍然是有其局限性的，如假设填土荷载全部由桩帽承担，忽略桩闻土的抗 力作用等，因此在吸收国外已有研究成果的同时有必要进一步对刚性桩的合理应用加以深入研究， 提出适合高速公路路堤柔性荷载下的c f g 桩等刚性桩加固软土地基的施工及设计方法。 正是出于上述考虑，课题组在连盐高速公路连云港段选择部分高填土桥头段作为刚性桩试验段， 采用c f g 桩、预应力混凝土薄壁管桩处理桥头段深厚软土地基。以期通过现场试验监测、数值模拟 和理论分析，深入研究p t c 预应力管桩、c f g 桩在高速公路工程中的应用问题，提出一套适合高速 壅堕查堂墅主堂垡丝皇 公路工程建设特点的理论及实用方法。对路堤柔性基础下刚性桩复合地基的承载力、沉降、破坏模 式、桩土应力比、孔隙水压力、桩侧摩阻力和垫层效应等工作性状展开深入全面的研究，并考虑不 同桩土相对刚度、置换率、桩长、垫层刚度及厚度等因素的影响，提出柔性基础下复合地基承载力 和沉降计算方法，以便类似工程的推广应用。 当前预应力管桩、c f g 桩等刚性桩在江苏还处于探索应用阶段，在连云港高速公路建设中尚处 于空白，因此本课题的研究不仅具有理论价值，同时还有着广阔的工程应用前景，将为江苏省特别 是连云港地区高含水量深厚海相软土区高速公路建设提供可靠的科学依据和工程实践指导。 1 - 2 刚性桩复合地基研究现状 c f g 桩、预制混凝土桩等刚性桩处理软土地基的加固研究目前正全面展开，其中对打入式预制 桩挤土效应的研究开展的最为深入，理论及试验成果非常丰富，但对沉管振动法施工的c f g 桩的挤 土效应则见诸报道的较少，虽然两者在非排土施工工艺下对桩周土的扰动具有很大的可比性，但毕 竟这种施工方法形成的c f g 桩属于就地成桩工艺，和打入式预制桩还是有一定的差别，尤其表现在 后期复合地基承载力以及成桩质量上。近年来对路堤荷载下刚性桩复合地基研究的其他集中点则体 现在刚性桩复合地基的承载机理、承载力计算以及沉降计算方面，不少学者做了相关的研究，得出 了许多有益的研究成果。 1 2 1 沉桩过程的挤土效应 软土地基中采用非排土施工工艺打入桩体时会对桩周软土产生很大的扰动，致使饱和软粘土结 构破坏，强度丧失，地表隆起与地基侧移，同时在饱和软粘土中产生很大的超静孔隙水压力，经扰 动后的软粘土强度此后随超静孔隙水压力的消散以及结构性恢复而缓慢恢复。 ( 1 ) 沉桩引起的超静孔隙水压力 国外对沉桩在桩周软土的产生的超静孔隙水压力研究较早，开展得工作也较多。p o u l o s 与 d a v i s 1 ”，r a n d o l p h ：f 1 c a r t c r l l ”，s e e d 和r e e s e 1 ”，p e s t a n a 2 0 1 等人均有相关的研究成果，测试及研究 结果表明沉桩引起的超静孔隙水压力值较大，最大值甚至超过有效上覆应力，超静孔隙水压力值随 距桩距离的增加而降低，p o u l o s i l 7 1 的研究还认为预制桩沉桩后产生的孔压与土体灵敏度有关，灵敏 度高孔压值也较大。 国内在此方面也有诸多研究研究成果，不少学者开展了相关试验及理论研究，如刘熙峰j 、唐 世栋口2 。l 、h w a n 9 1 2 “、谢世波1 等，研究成果可汇总概括为：超孔隙水压力随离桩的距离的增加 而降低；超孔隙水压力在浅部最小，随深度的增加，超孔隙水压力随之增大；超孔隙水压力的 消散速度在靠近地表最快，向下逐渐减缓，靠近桩尖处速度有所加快；最大超静孔隙水压力一般 超过有效应力：单桩施工对桩周土的影响存在一临界范围：群桩施工引起的超静孔隙水压力是 各单桩施工综合累加及消散的结果。另外姚笑青嗍、王伟【2 7 】、徐永福”】还从解析角度研究了沉桩挤 土效应，给出了超静孔压的理论计算公式。 ( 2 ) 沉桩引起的土体位移 非排土施工工艺沉桩将挤出与桩同体积的土体，因此将在桩周土中引起的侧向位移、地表隆起 现象，不少学者对此进行了关注，并通过试验手段对土体位移规律开展了相关研究。h a g e r t y 和p e c k p l 认为压桩时灵敏度高的土体隆起量比灵敏度低的土体小，在一般粘性土中桩周土体隆起量与桩在土 体内总体积之比为0 5 ，c o o k e 和p r i c e 3 0 1 、h w a n 9 1 2 4 1 、h o u s e l 和b u r k e y t ”】等人通过现场沉桩试验 均观测到了土体发生位移的现象，并得出了诸如位移影响范围，隆起程度等定性规律，如移随距桩 越远，水平位移越小，地表隆起量发生在数倍桩径范围之内等。 ( 3 ) 沉桩对桩周土强度的影响 沉桩能在桩周软土中产生很大的超静孔压，桩周土体还会出现侧移、隆起等现象，因此单纯从 现场上看，就可以认为排排土施工工艺打入的桩体将对桩周土强度产生很大影响。s e e d 【l 埘等人研究 了闭口桩打入有机粉质粘土中的情况，结果表明桩周土强度随时间增长，其对桩身附近土样试验结 果如下表1 1 所示，可以明显看出土体强度的增长。 2 第一章绪论 表1 1 土样试验结果( s e e d ，1 9 5 5 ) 打桩后间隙期天不排水强p z k n m 2含水量， 峰值 1 2 04 8 1 重塑 5 5 峰值 1 6 1 4 3 6 重塑 ， 峰值 1 8 3 34 1 1 重塑 | h o l t z a n d l o w i t z 3 2 j 的观测结果表明在桩周一定范围内，沉桩时土体的不排水抗剪强度骤然减小， 在超静孔隙水压力完全消散之后得到极大的恢复。o r r j ea n db r o m s 驯研究则表明在桩周一定范围之 外( 2 3 倍桩径) 地基土强度及含水量不受影响，当群桩中桩间距小于四倍桩径时，桩周土体恢复很 慢，甚至还会随时间增长而下降。 ( 4 ) 沉桩对桩体强度的影响 桩体承载力的发挥取决于桩体自身强度，对混凝土等刚性桩则与桩周土提供的侧摩阻力以及端 阻力有关，由于沉桩过程将在桩周土中产生很大的挤压应力，这一应力作为广义应力又作用在桩周 土体中，因此不可避免会对桩周土强度产生影响，进而导致了桩体强度有随桩周土强度而恢复的逐 渐增长的现象。对这一现象的研究，国内外也出现了诸多定性定量的研究成果，此外对象c f g 桩等 采用就地成桩工艺形成的刚性桩还存在桩身材料本身的随时间胶结硬化的问题，研究表明c f g 桩由 于粉煤灰的活性后期发挥较快，它的承载力在后期增长较快 3 4 - ”j 。 e i d e z 6 1 等人在实际工程中发现，桩打入粘性土后，桩体的承载力会随时间增加( 图1 1 ) ，分析 原因主要在于沉桩引起的超静孔隙水压力的消散导致桩周土含水量改变所致，s e e d 和r e e s e i l 州也作 出了这样的分析。 广 ，一一 f 口佃4 0 0 哪册唧 沉桩后间隙期( 小时) 图1 1 桩体承载力随时间的增长曲线( e i d e 等，1 9 6 1 ) 国内对单桩承载力的时效问题也有诸多研究成果，姚笑青。3 ”给出了上海某工程单桩承载力与超 静孔隙水压力消散之间的关系( 图1 2 ) ，可以看出两者有极大的关联性，于是认为超孔隙水压力的 消散是桩承载力增长的主要因素。 芒 静 越 霹 出 赢 船 壬 州 3 查堕查竺婴主兰堡堡苎： 图1 2 超静孔压消散及桩基承载力随时间的发展( 姚笑青，1 9 9 4 ) 考虑时间效应的单桩承载力问题还有其他的一些探讨，多为同一土质下根据大量试桩资料统计 分析得出的结果，如高层建筑分析与设计”3 和桩基工程手册。1 分别提出如下公式： 见= q ，o + a ( 1 + l g t ) ( 包，一q ，o ) 包，= 包o ( 1 + 口，) 式中q ，为时刻t 的单桩承载力；q ，为单桩极限承载力；q ，o 为单桩初始承载力：q 口为极 限承载力提高系数，对上海软土取0 2 6 3 ：= 戗a t + b ) ，a , b 为与桩径、桩长及土质有关的经验系数。 此外，胡中雄【柏j ，王伟1 也有单桩承载力时效方面的研究，前者集中于上海地区资料的统计，后者 则基于理论分析。 沉桩对桩周土的影响的分析国内外成果还有很多，这里不再列出，总结这些既有研究，主要集 中在以下几方面： ( 1 ) 利用v e s i c 圆柱孔扩张理论研究沉桩过程的挤土效应，即沉桩过程中桩周土体应力分布情况、 超孔隙水压力及打桩应力，在具体研究当中，多数是注意到了圆柱孔扩张理不能考虑深度方向亦已 证明存在超孔压线性增加的事实，从而对其进行必要的修正，以期使其更加复合现场试验成果。 ( 2 ) 利用现场试验成果对单桩及群桩施工时超孔压的发生发展消散过程进行全过程跟踪，分析 其在水平及深度方向变化规律，研究单桩及群桩施工时这种规律的差异性，还对可能影响超孔压的 其他因素如桩长、桩径等进行平行试验作对比，进而为合理施打方式及桩间距的确定提供依据，此 外就是对沉桩引起的土体位移的监测分析。 ( 3 ) 对沉桩过程进行全过程的数值模拟 4 2 1 1 4 ”，由于打桩过程是个复杂程序，牵涉到很多影响因 素，因此要真正用有限元手段在现实际打桩过程也非常困难，通常要加以许多简化。但它也可以得 出一些定性的结论。 。 1 2 2 刚性桩复合地基承载机理及承载力计算方法 ( 1 ) 剐性桩复合地基承载机理 采用刚性桩处理高速公路软土地基，通常采用如下两种结构型式( 图1 3 及图1 4 ) ，这一结构 型式由路堤加筋垫层刚性桩( 带帽或不带帽) 组成，刚性桩一般为c f g 桩、低强度混凝土桩或管 桩，根据路堤荷载大小及刚性桩强度需要决定设置桩帽与否。目前这一结构型式已在不少工程中得 到应用，国外的有伦敦s t a n s t e d 机场的铁路连接线加宽工程，芬兰和瑞典也广泛采用这一结构型 式。近年来国内也有诸多高速公路采用刚性桩加固软土的报道，如沪宁高速公路的拓宽( 预制管桩) m j 、广东新台高速公路( c f g 桩) 3 1 ，杭甬高速公路( 预制管桩) 1 等。 霹 加筋垫层 图1 3 无桩帽刚性桩复合地基体系图1 , 4 带桩帽刚性桩复合地基体系 目前对这一体系承载机理的研究已经出现了众多的研究成果，一般认为可路堤荷载是通过土拱 效应、土工合成材料的张拉膜效应以及加筋垫层的似刚性垫层的架越作用在桩、土之间进行分配的。 土拱效应首先由t e r z a g h i l 9 】于1 9 4 3 年通过著名的“活塞门“试验发现，并创立了土拱理论，路 4 第一章绪论 堤填料下的土拱效应可以这样解释：在路堤荷载作用下，由于桩土间刚度差异的存在，两者将产生一定 的差异沉降，桩间软土顶面的路堤土柱将产生相对于刚性桩或桩帽顶部路堤土柱的更大的竖向变形， 随着这种差异沉降的发展，桩帽顶部一定范围内的路堤填土中逐渐产生越来越大的剪切应力，致使桩 顶以上一定范围内路堤填料产生应力重分布，大主应力更偏向桩体，于是在填土内部形成一稳定的 压力拱，一部分桩间土路堤的荷载通过土拱传递到桩帽上，这就是所谓路堤拱效应。 对土拱效应的研究已经在试验、理论以及数值模拟方面取得了诸多成果，模型试验方面有： t e l t a g h i 9 的“活塞门“试验，l o w o 所做的桩梁上砂填料的平面土拱效应，h e w l e t t t “1 在正方形布置 的四根桩顶部所做的砂填料的空间土拱效应等；理论方面则多尝试考虑土拱效应的桩体荷载分配计 算方法，这方面的研究有：对桩间土顶部路堤土条的的平面分析形成的t e r z a g h i 理论 9 1 、l o w ”1 的 二维士拱理论、h e w l e t t m l 的空间土拱理论以及英国国家规范b s 8 0 0 6 给出的考虑土拱效应的计算方 法【l ”以及贾宁1 4 6 的改进h e w l e t t 法，这些理论研究成果均考虑到了路堤填料性质、桩帽以及桩间距 等参数，但忽略了桩间软土和桩体模量的影响以及加筋材料的使用可能带来的土拱效应的削弱，设 计中均假定路堤荷载已通过土拱效应以及加筋垫层传递大了桩帽上，因此应用上还是有一定局限性 的。针对这些问题，不少学者在数值模拟方面进行了相关分析，如h a r t 1 3 采用快速轴对称拉格郎日 方法对单桩模型进行了分析，对桩体模量和土工合成材料张拉刚度对土拱效应的影响进行了分析， 贾宁( 4 6 n 针对h a r t 计算中未能考虑桩帽的作用以及软土固结这一的因素不足，沿用单桩轴对称计算 模型考虑了桩体打穿及未打穿软土层情况下地基土固结及桩托板对路堤桩体系承载和变形特性的影 响，r u s s l ”1 认为桩承式路堤是一个真三维问题，采用轴对称分析并不能准确反映土拱特性，因此他采 用了三维有限单元方法模拟了单根桩及其等效处理范围内路堤桩的特性，在两种路堤情况下比较了 一次加载及瞬时加载时各种设计方法计算的应力减小比的差异。指出现存的设计计算方法均高估或 低估了实际应力减小比的值。徐峰1 建立的桩承式路堤计算模型同样存在不能考虑格栅及地基软土 固结的问题： 此外对刚性桩复合地基顶部的土工合成材料拉膜效应也有学者做了定性定量研究，如b s 8 0 0 6 州 提出了具体的设计计算方法，饶为国1 以及贾宁【帕】也提出了相关的计算公式，他们的研究是基于 j o s i l ”的思路，假定加筋材料在两桩间的形状为抛物线，据此进行计算分析。 ( 2 ) 刚性桩复合地基承载力计算方法 复合地基承载力计算主要有两种方法：其一为先分别确定桩及桩间土承载力，然后按某一原 则将这两部分加以叠加，另一种则是把桩及桩间土当作一复合土体按整体计算复合地基承载力，如 通过复合地基抗滑稳定确定复合地基承载力等。第一种方法的复合地基承载力设计一般有两类：其 一为桩与桩间土强度按某一组合进行叠加，其二则为桩间土强度乘以某一放大系数，也可以分为面 积比法和应力比法两类。按第二种方法中的稳定分析法中土体强度指标的选取也有两种：其一为分 别选取桩体强度及桩间土强度，其二为统一选用复合土体强度指标。 面积比法可用如下公式统一表7 示( 4 9 1 ： p q ，= 蜀 m p e ：+ x 2 a 2 ( 1 一所) p 矿 式中p 。为单桩极限承载力；p ，为天然地基极限承载力； 为复合地基破坏时，桩体发挥其极 限强度的比例，若桩先破坏，则值为1 ，否n d , 于1 ； 为复合地基破坏时桩间土发挥其强度的比 例，若桩间土先破坏则其值为l ，否s u d , 于1 ；k l 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；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，视工程情况而定：m 复合地基面积置换率； 上式中的系数k i 反映了复合地基中单桩承载力与单桩静载试验所得极限承载力的差异，一般而言， 此值大于l ，主要原因在于桩间土的应力的增加以及相邻桩体的荷载使得桩体的侧限应力增大导致 了桩体的极限承载力提高，相对而言k 2 的影响因素更多，如施工扰动、土体性质以及桩体材料与桩 周土体的相互作用等等，其值可能大于1 也可能小于1 。 5 东南大学硕士学位论文 规范【5 ”给出得c f g 桩复合地基承载力标准值采用如下公式计算： ，t2 ”( r k a p ) + ，( 1 圪，t ，t2 【1 + m 白一1 ) 】吼，t 。式中六j 为桩间土承载力标准值( 好a ) ；为桩间土强度发挥系数，一般在o 9 - 1 o 之间；r i 单 桩承载力标准值( k p a ) ；单桩截面面积( m 2 ) ；研为面积置换率；n 为桩土应力比 关于单桩承载力的取值，一般根据现场单桩静载试验计算，在无试桩资料的情况下，初步设计 阶段可采用静力触探试验来估算承载力，对于静力触探试验来估算承载力的问题，国内已经有了相 关规范可以计算，如建筑桩基技术规范p 1 1 以及其他一些经验计算方法口2 1 等，另外柔性基础下由 于桩土刚度的差异，桩将产生上刺入，从而在桩上部一定范围内产生负摩阻力，因此单桩承载力并 不能完全发挥作用，计算中应考虑这种影响。影响桩间土承载力标准值的因素主要在于成桩的施工 工艺上，一般刚性桩成桩有排土和非排土两种，对于前者成桩过程对土的扰动较小，桩间土承载力 与天然地基承载力相比变化不大，但对非排土成桩工艺，由于成桩过程中的挤土效应显著，因此对 桩间特别是软粘土的强度有显著影响，其承载力值已经不同于原状土，桩间软的承载力一般随 着超静孔隙水压力的消散以及结构性的恢复而随时间缓慢恢复，单桩承载力也随时间的发展而缓慢 增长。 1 2 3 剐性桩复合地基变形性状 复合地基的沉降一般认为由两部分组成，即加固区沉降和下卧层沉降两部分。由于加固区由桩 土共同组成，因此两部分的具体计算方法也不一样，加固区沉降计算主要有复合模量法、应力修正 法、桩身压缩模量法，下卧层则主要采用分层总和法进行计算，它的沉降计算关键点在于其顶面的 附加应力如何计算问题。 ( 1 ) 加固区沉降计算 复合模量法 该法主要特点在于将加固区竖向增强体与土体视为一复合土体，采用复合模量来评价复合土体 的压缩性，用分层总和法计算加固区沉降量，复合模量可采用如下两公式计算： = 等e s e 印= 聊易+ ( 1 一m 皿。 式中：为复合地基的复合模量，m p a ；e 为天然地基土的复合模量，m p a ；厂蛳为复合地 基承载力，k p a ：，为天然地基承载力，k p a ；岛为桩体模量，m p a ；最为土体模量，m p a ；m 为 复合地基面积置换率o 应力修正法 该法考虑复合地基一般置换率较低，近似忽略桩体的存在，根据桩间土实际分担的荷载求算地 基的附加应力，进而按照桩间土的压缩模量计算加固区变形。 桩身压缩模量法 该法根据复合地基中桩体实际分担的荷载，按照桩体变形模量计算桩体的压缩变形，并将桩体 6 第一章绪论 压缩量作为复合地基加固区沉降量，若桩体有刺入下卧层的变形，则还应加上下刺入。 在以上加固区沉降计算方法中，应力修正法忽略了复合土体中桩体的存在，不考虑桩土之间的 相互作用，且公式本身需要确定复合地基桩土荷载分担比，而这个比值影响众多，很难合理选用， 尤其对于桩土刚度相差较大的情况更是如此。因此该公式仅在桩间距较大，桩土模量比较小的情况 较为适用。桩身压缩模量法是基于材料力学求压缩杆件变形的方法计算桩体的压缩量，它忽略了桩 间土对桩体压缩变形的制约作用，计算中桩侧摩阻力的分布、桩端阻力的大小都很难确定，且同样 存在需确定桩土荷载比的问题。复合模量法概念明确，应用简单，在复合地基沉降计算中应用较为 广泛，是建筑地基处理技术规范”1 推荐采用的沉降计算方法，但是该法的理论前提便是桩土变 形协调，这在刚性基础下应用较为合理，但用在路堤等柔性基础下，研究表明计算结果与实测结果 往往有较大的出入”，这是由于在柔性基础下桩体通常会发生向路堤以及下卧层的上下刺入变形， 桩士变形是不协调的，对本文研究的刚度较大的刚性桩而言，这种不协调会更加明显。 ( 2 ) 下卧层沉降计算 下卧层沉降计算主要采用分层总和法，而分层总和法计算的关键就在于附加应力场的确定问题。 目前这种附加应力的确定主要有压力扩散法、等效实体法、改进g e d d e s 法当层法。压力扩 散法是借用验算下卧层承载力是否满足要求所采用的简化计算法，扩散角的选定是近似的，它与双 层地基中压力扩散角数值并不相同；等效实体法将加固区视为等效的实体深基础，假定加固区四周 摩阻力均匀分布，用复合地基顶面压力扣除摩阻力，即得下卧层顶