（岩土工程专业论文）高速铁路cfg桩筏复合地基桩土应力比研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 c f g 桩一筏复合地基是我国2 0 世纪8 0 年代末开发的一项新的地基加固 技术，由于其良好的经济性和适用性，在建筑物地基处理方面得到了广泛的 应用。其在铁路方面的应用近期已经开始，但其理论研究还远远的落后于工 程实践，其承载力及沉降计算还不完善，特别是桩土应力比的研究还处于起 步阶段，其计算方法主要还是借鉴其他桩型的桩土应力比公式进行计算。针 对上述问题，本文从现场试验、数值模拟、理论分析等方面对c f g 桩一筏复 合地基的桩土应力比进行了研究和探讨。本文主要研究内容如下： 1 介绍了选题背景和本文的创新点，着重研究了c f g 桩筏复合地基的 理论基础以及现阶段国内复合地基桩土应力比的研究情况。 2 对现场试验进行了详尽的阐述，分析了桩土应力比随褥垫层厚度、 桩长、桩间距、桩径及荷载水平等影响因素的变化规律。 3 使用p l a x i s 有限元软件对c f g 桩一筏复合地基桩土应力比进行分析。 采用p l a x i s2 d 模块对c f g 桩筏结构进行了2 d 简化，对路堤填筑、超载预 压18 0 天进行计算，并与实测结果进行比较。分析了桩土应力比随桩间土压 缩模量、下卧层压缩模量、褥垫层压缩模量、桩身模量、桩间距、桩径等影 响因素的变化规律。 4 对荷载作用下c f g 桩复合地基的变形特性进行了分析，在此基础上 探讨了桩侧摩阻力与桩土相对变形的关系，引入“等沉面概念，假定桩与 桩间土均是理想线弹性体，桩侧摩阻力沿桩长直线分布，进而根据桩土垫 层变形协调条件，推导得到c f g 桩一筏复合地基桩土应力比计算新公式。应 用所得公式对复合地基试验的桩土应力比进行了计算，计算结果与试验结果 和有限元计算结果较为接近。 关键词c f g 桩；桩筏结构；高速铁路；有限元；桩土应力比 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 m li n l l i ii m j ! , , i m = _ram) mm m 鼍曼曼曼曼曼曼曼曼 a bs tra c t c f gp i l e r a f tc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni san e wm e t h o dt h a ti sa p p l i e di n r e i n f o r c i n gt h es o i f t s o i lf o u n d a t i o ni nt h el a t e19 8 0 si nc h i n a d u et o i t s e c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dg o o df e a s i b i l i t y , i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nc i v i l e n g i n e e r i n g i th a sb e e nu s e di nr a i l w a yr e c e n t l y ，b u ti t sa c a d e m i cr e s e a r c ht r a i l s t h ep r o j e c tp r a c t i c e i t sb e a r 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 ni si m p e r f e c t ， e s p e c i a l l yt h ep i l e s o i ls t r e s s r a t i or e s e a r c hi sa tt h es t a r t s t a g e ，a n d o t h e r p i l e s o i ls t r e s sr a t i om e t h o di su s e d a c c o r d i n gt o a b o v ep r o b l e m ，t h i sp a p e r s t u d y a n da n a l y z et h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i oo fc f gp i l e - r a f tc o m p o s i t e f o u n d a t i o nb ys p o te x p e r i m e n t ，f e ma n a l y s i sa n dt h e o r ya n a l y s i s m a i nc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s 1 i n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do ft h ea r t i c l ea n di n n o v a t i o ni n c l u d e di nt h e t h e s i s ；a n df o c u s e so nc f gp i l e r a f tc o m p o s i t eg r o u n dt h e o r e t i c a lb a s i s ，a sw e l l a st h er e s e a r c ho fp i l e s o i ls t r e s sr a t i on o w a d a y sa th o m e 2 af i e l dt e s ti sc o n d u c t e df o rs o f ts o i lc f gp i l e - r a f tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n w i t ht h i st e s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a n g i n go ft h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i ow h e n t h et h i c k n e s so fc u s h i o n ，t h el e n g t ho ft h ep i l e ，t h ed i s t a n c eo ft h ep i l e ，t h e d i a m e t e ro ft h ep i l ea n dt h ed e g r e eo ft h el o a dc h a n g e 3 f i n i t ee l e m e n tp r o c e d u r ep l a x i si su s e dt oa n a l y z et h ep i l e s o i ls t r e s s r a t i oo fc f g p i l e r a f tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n u s i n gp l a x i s2 dt os i m u l a t ec f g p i l er a f t s t r u c t u r es i m p l i f i e d ac o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e nt h er e s u l t so f e m b a n k m e n to v e r l o a d i n gf o r18 0d a y sb yf e ma n dm e a s u r e dr e s u l t s ，a n d a n a l y z e dt h ec h a n g i n go ft h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i ow h e nc o m p r e s s i o nm o d u l u so f s o i lb e t w e e np i l e s ，c o m p r e s s i o nm o d u l u so fc u s h i o n ，c o m p r e s s i o nm o d u l u so f s u b l a y e r ，m o d u l u so fp i l e ，t h el e n g t ho ft h ep i l e a n dt h ed i s t a n c eo ft h ep i l e c h a n g e 4 t h ed e f o r m a t i o np e r f o r m a n c eo fc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e r l o a d i n gw a sd i s c u s s e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i l el a t e r a lf r i c t i o na n d t h ep i l e s s o i lr e l a t i v ed e f o r m a t i o nw a ss t u d i e d b ya d o p t i n gt h ec o n c e p to ft h e e q u a ls e t t l e m e n ts e c t i o n ，t h ep i l e sa n dt h es u r r o u n d i n gs o i lw e r ea s s u m e dt ob e l i n e a re l a s t i cm a s s e s ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n so fp i l e1 a t e r a lf r i c t i o n sw e r ea s s u m e d t ob el i n e a r o nt h eb a s i so ft h ed e f o r m a t i o nc o o r d i n a t i o n c o n d i t i o no f p i l e s o i l c u s h i o na n dt h e1 0 a d t r a n s f e rm e t h o d ac a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h e p i l e s o i ls t r e s sr a t i oo fc f gp i l e r a f tc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw a sp r o p o s e d a n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 fi 页 t h ee q u a t i o n sa r eu s e dt oa n a l y z et h ep r a c t i c a lp r o j e c t ；t h er e s u l tc a l c u l a t e db y t h ep r o p o s e df o r m u l ai sc l o s et ot h er e s u l to ft e s ta n dt h er e s u l to ff e m k e y w o r d sc f gp i l e s ，p i l e r a f t ，h i g h s p e e dr a i l w a y ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， p i l e - s o i ls t r e s sr a t i o 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：，参屋l 班l指导老师签名：7 、，7 日期：弘c o 年，月多日日期：羽c ，o 年g 月5日 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 参加了c f g 桩一筏复合地基现场试验，获得了监测数据，对监测数 据进行了分析总结，得出了c f g 桩一筏复合地基桩土应力比受部分因素的影 响情况。 2 利用p 1a x is 有限元软件对现场试验进行了数值模拟，经过与实测数 据对比论证了模拟的合理性，并在此基础上对c f g 桩一筏复合地基进行了有 限元计算数据的分析，补充分析了各种因素对c f g 桩一筏复合地基桩土应力 比的影响。 3 通过对桩身应变及桩身轴力现场试验结果进行分析，建立计算模型， 推导出了高速铁路e f g 桩一筏复合地基桩土应力比的解析表达式。将解析表 达式计算结果与现场实测值及有限元模拟计算结果比较，证明本解析计算公 式在京沪高速铁路李窑试验段的工程、地质条件下，是适用的。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出贡献的个人和集 体，。均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：，多殿吹 日期：7 - - 0 o 年莎月多日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼曼曼曼詈曼曼曼曼曼曼皇曼詈量曼曼蔓, 曼曼皇舅皇鼍曼寰曼曼! ! 曼曼!i i 鼍皇曼曼鼍皇蔓 第1 章绪论 1 1桩土应力比的研究现状 桩体与地基土通过变形协调共同承担上部荷载是复合地基的一个基本特 征。通常将桩顶的平均应力与桩间土的平均应力的比值叫做桩土应力比。它是 反映桩体和桩间土协同工作的一个很重要的指标，也是复合地基承载力和沉降 计算的重要参数。复合地基常被用来加固软弱土地基，但由于复合地基的作用 机理复杂，涉及到多种介质、多个界面、多种变形的协调问题，在设计时桩土 应力比的选择一直是一个有待解决的问题【l 】。很多学者从不同方面通过试验研 究、利用有限元研究、利用解析解法对复合地基的桩土应力比进行了研究和探 讨。 1 1 1试验研究 金宗川等【2 通过改变垫石层厚度对石灰桩单桩复合地基进行模型试验研 究，分析了桩、土荷载传递特性，桩、土应力变化规律以及桩土应力比随深度 的变化等荷载特性。 化建新等【3 】通过模型试验研究，探讨了垫层土类及垫层厚度对桩土应力比 的影响，发现桩土应力比随垫层厚度增大而减少，随垫层填料粒径的增大而增 大。 马时冬【4j 在泉厦高速公路试验段对水泥搅拌桩复合地基的桩土应力进行 了实测，指出在不同的荷载刚度、水泥掺量和面积置换率的情况下，桩土应力 比值相差不大，但桥台和通道墙体基础下的桩土应力比值比填土路堤下的大。 吴建奇，张帆等【5 】通过对水泥粉煤灰碎石桩的室内模拟试验研究，发现了 桩土荷载分担比的变化规律。 李海芳等【6 】介绍了采用低强度混凝土桩复合地基处理桥头跳车问题，同时 通过现场载荷试验、桩项和桩间土的土压力测试以及沉降监测，较全面地研究 了低强度桩复合地基承载力和桩土受力特性以及沉降变化规律，指出在填土荷 载下桩土应力比的变化过程不同于刚性荷载板下的变化过程，并提出路堤填土 存在拱效应。 叶观宝【7 】等在高速公路水泥土搅拌桩复合地基载荷试验的基础上，现场量 测了桩项应力和桩间土应力，得到桩土应力比的曲线，并结合桩间土的室内三 轴试验，分析了桩土应力比曲线产生的机理。 李海芳【8j 通过实际工程试验段的实测研究和载荷试验认为刚性荷载板下 和路堤填土荷载下的桩土应力比的特征是完全不同的。分析认为差别主要源于 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 皇曼曼曼曼曼舅 ：= = m = m = m = in = m l = m ! 曼曼曼! 皇曼皇 两个方面其一是刚性载荷板下桩间土和桩项的变形是不同的其次是路堤荷载 远小于荷载试验所施加的荷载，不能像载荷试验那样使复合地基进入塑性变形 阶段，桩土应力比的峰值难以表现出来，最终可能趋于一稳定值。 方磊等【9 】通过模型试验对柔性基础下复合地基的桩顶应力、桩间土应力、 桩端承载力进行了测试，研究了不同工况下桩土应力比的变化规律，并与刚性 基础下复合地基桩土应力比进行了对比分析，结果表明桩土应力比随着桩底持 力层强度的提高而增大，随着桩间土密实度的增大而减小，随着上部荷载的增 加而逐渐趋于稳定。分析还表明，在桩端持力层强度较大时，无论桩间土填料 密实还是松散，刚性基础下的桩土应力比都大于柔性基础的情况。原因是柔性 基础复合地基对桩土应力比有调节能力，可以在一定程度上减小桩体应力，并 使桩间土的承载力得到充分发挥。 李国维，杨涛【lo 】通过现场试验研究了路堤荷载下粉喷桩的桩土应力比变化 规律，结果表明柔性基础下桩土应力比要比刚性基础下小得多，它随荷载增加 先减小后增大呈波浪形变化。 陈小庭等【l l 】利用现场试验的方法研究了管桩在不同褥垫层设置方式的情 况下桩土应力比的变化特性，通过试验数据发现桩土应力比峰值点为分界点， 桩土应力协调分两阶段，由土体瞬时沉降引起的应力协调是桩土协调工作的第 一阶段，由主固结引起的为第二阶段，并对褥垫层设置提出了合理的建议。 1 1 2利用有限元研究 有限元法是一种可以求解复杂工程问题的数值方法，它是建立在现代计算 机技术和工程问题基本理论基础上，对理论推导无法解决、室内试验难以实施 的工程问题进行数值模拟的一种研究手段。在对复合地基研究的过程中，有限 元能够较全面地反映复合地基中桩和桩间土的相互祸合作用及其非线性特征， 同时还可以考虑桩、桩间土和褥垫层等不同介质的各种分布情况，在分析各种 因素对复合地基力学性状的影响时具有较大的优越性。 吴永红【l2 j 考虑土体的非线性，用轴对称弹塑性有限元法分析了碎石桩单桩 带台复合地基桩土应力比与外荷的关系、桩身荷载传递特性和承台下土的反力 分布，所得的桩土应力比随荷载得变化与实测结果有所不同，呈单调下降并趋 于稳定。 李宁【1 3 】利用数值试验的方法，研究了四种模量的代表性群桩复合地基施加 褥垫层后的承载性状，分析了褥垫层在复合地基中的加闭机理和作用，提出了 利用褥垫层对复合地基承载力进行优化设计的基本方法和思路。 窦远明等 1 4 1 在分析现场观测结果和有限元计算结果得基础上，对柔性荷载 作用下水泥土桩复合地基得承载力与沉降特性进行了分析研究，得出桩土应力 比随时间、荷载性质、面积置换率等因素变化的规律，以及沉降随时间、荷载 变化的特性，并分析了桩顶处存在得刺入变形和土拱效应对复合地基承载力的 影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 i i i i i ii i i i _ 一_ i 曼曼舅曼曼曼皇曼皇皇 马学宁【l 副用m o r h c o u l o m b 准则判断土体屈服并进行应力修正，利用 d u n c a n c h a n g 模型修改各种不同材料的非线性切线模量，研究了刚性基础下 碎石桩复合地基得桩土应力比与临界桩长、置换率以及地基附加应力分布之间 得关系。 j h a n 【lo j 对桩承式加筋路堤的性状进行了数值分析研究，采用典型单元体 和d u n c a n c h a n g 模型，讨论了对地基总沉降量、不均匀沉降量、土拱比、桩 土应力比以及加筋体应力的影响。结果表明：随着路堤填土高度、加筋体刚度 以及桩体模量的增大，桩土应力比和加筋体的张力也随之增加，同时加筋体的 最大张力出现在桩侧处。 雷学文等【l7 j 采用有限元法对粉喷桩单桩复合地基的承载特性进行数值试 验，分析了在整个加荷过程中单桩荷载传递特性和该复合地基的桩土应力比的 变化规律，同时分析了褥垫层厚度及其变形模量对桩土应力比的影响。 娄国充等【l 驯列利用有限元法对桩复合地基的承载性状以及桩长、置换率、 褥垫层厚度的影响规律进行了计算分析，并对桩复合地基的设计计算提出了一 些新的观点。 何结兵等【l9 j 利用有限元程序对桩复合地基的承载与变形特性进行数值分 析，通过多种方案计算，分析研究了在不同的荷载水平、桩长、置换率、桩土 模量比、桩间土地质条件等因素下，桩土应力比和桩土荷载分担的规律。 杨虹【2 u j 利用弹性、d u n c a n - - z h a n g 非弹性两种本构模型，编制二维有限元 程序，分析了复合地基中的桩土刚度比、置换率、桩长及路堤刚度等对地基沉 降、侧移及桩土应力比分配的影响。 m i m i a me s t e w a r t 2 1 对桩承式路堤的土拱效应以及土拱比的计算方法进 行了归纳总结，指出上述方法均未考虑桩间土的压缩性。接着采用数值方法分 析了桩间上压缩性对土拱比的影响。 雷金波等【2 2 j 采用非线性有限元方法，对带帽控沉疏桩复合地基力学性状进 行了较深入的数值模拟分析，研究了在有无桩帽、垫层材料及厚度、桩体长度、 桩中心间距、桩帽大小、加固区和下卧层土体变形模量比、基础刚度等各因素 的影响下复合地基承载力和沉降的变化，得到了带帽疏桩复合地基力学性状的 一些基本规律。 1 1 3利用解析解法研究 傅景辉等【2 3 】通过分析桩一土一垫层的共同作用，讨论了刚桩复合地基的工 程特性，推导出在荷载作用下，当桩端土层为文克勒地基时的桩顶荷载、土体 表面荷载、桩体沉降、土体沉降、受荷后垫层厚度等的计算公式，并根据推导 出的应力比公式对应力比的多种影响因素进行了探讨。 迟跃君等【2 4 】对垫层的破坏模式进行探讨，建议了垫层的一种破坏模式，给 出了桩土应力比与垫层参数之间的关系式，为刚性桩复合地基设计中垫层参数 的取值带来帮助。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 蔓曼曼皇曼曼曼皇曼鼍曼曼曼曼笪曼皇曼皇曼曼曼i mmmm。 _ i i 曼曼曼曼舅! ! 曼! ! 曼曼 刘杰、张可能 25 】根据桩土侧向变形及竖向变形协调条件，且将桩土相互作 用问题视为空间问题，应用弹性理论导出了桩及桩周土的应力应变关系，得出 了桩体材料屈服时桩土应力比的计算式。 沈才华【2 6 】认为砂垫层主要是由于其自身的极限破坏滑动性调节桩顶桩土 应力比的发挥情况。因此作者假设桩端不发生刺入破坏，选择砂垫层进行分析， 通过砂垫层极限破坏理论，推导出砂垫层作用下增强体顶部桩土应力协调方 程。 董道洋【2 7 】习从理论角度介绍了一种桩土应力比计算方法，并指出在c f g 桩复合地基设计中，应针对不同的地质情况，结合结构计算对地基的要求，计 算桩土应力比值，然后进行复合地基设计方案比选，确定最佳布桩间距。同时 可以根据计算所得的桩周土项面的竖向压力p 值，对设计方案进行验算。 迟跃君，宋二祥等【2 8 】等利用解析解对刚性桩复合地基在竖向荷载下的工 作特性进行了较为深入的研究分析，着重讨论了桩土应力比及荷载分担比等随 复合地基荷载、垫层厚度、垫层模量、桩长、桩间距、桩间土模量和桩端土抗 力系数等因素变化的规律。计算结果表明，竖向荷载作用下，桩土应力比随复 合地基荷载、垫层模量、桩长、桩间距的增大而增大，随垫层厚度和桩间土体 模量的增加而减小，同时也表明复合地基的设计参数有合理的取值范围。 h i r o s h im i k i 2 9 】针对悬桩和端承桩二种情况，分别提出了路堤荷载下低置 换率水泥搅拌桩复合地基设计计算方法。其中对于悬桩情况，仍采用刚性基础 下复合地基的复合模量法对于端承桩情况，则根据模型试验结果提出假设的桩 项和桩间土荷载分担比例，然后再分别计算桩顶沉降和桩间土沉降。并通过数 值分析和工程实践对该方法进行了对比验证。 李海芳【3 0 】在杨涛的基础上提出了改进的位移分布模式，考虑桩土相互作 用，通过力学推导，利用假定的桩项处桩侧摩阻力发挥水平系数r ，得到了路 堤荷载下复合地基桩侧摩阻力、加固区桩间土压缩量和桩土应力比的解析表达 式。根据桩侧摩阻力的解析解，给出了加固区压缩量的简化算法。 朱世哲等【3 l 】研究了带垫层的刚性桩复合地基桩土应力比的计算方法，考虑 了桩顶刺入垫层和桩端刺入下卧层的情况，并分别假设垫层为理想弹性体和理 想弹塑性体两种情况下，推导出桩土应力比的计算公式。 陈云敏【3 2 】基于单桩等效法处理范围内堤身土体受力平衡，改进了传统的 h e w l e t t 极限状态空间土拱效应分析方法，求得了桩体荷载分担比的解析表达 式，研究了桩间距、桩帽大小和填料内摩擦角对桩体荷载分担比的影响。 m r a i t h e l e ”】介绍了近年来在欧洲应用得较多的土工织物袋装砂石桩复合 地基在公路、铁路及水利等软基工程的应用，并讨论了复合地基承载力和变形 性状的主要影响因素。 郑俊杰等【3 4 】选取常用的双折线荷载传递函数，推导出一组轴向荷载一沉降 曲线的解析算式，从而用其来表征桩的荷载沉降曲线选取双曲线函数来表征 地基土的荷载一沉降曲线，推导出了水泥土桩复合地基中考虑桩一土相互作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的桩土应力比的解析算式，并讨论相关参数对桩土应力比的影响。研究结果表 明，水泥土桩复合地基桩土应力比不仅与桩周土的特性有关，而且还受到桩体 尺寸、弹性模量和复合地基所受的总荷载的影响。 雷金波等p5 j 采用等沉面思想，考虑桩帽顶和桩端发生上、下刺入变形现象， 推导出带帽桩复合地基复合桩土应力比的隐式计算公式，分析过桩间距对复合 桩土应力比的影响，得出桩帽间土体所分担的荷载随桩间距的增大而增大。 陈仁朋 3 6 1 等建立了土桩路堤变形和应力协调的平衡议程，分析了三者协 调工作时路堤、桩、土的荷载传递特性，获得了路堤的土拱效应、桩土荷载分 担、桩和土的沉降等结果。 许峰等【37 】提出了一种综合考虑路堤填料中的土拱效应和桩土的荷载传递 性状的解析解法。研究了置换率、桩身模量、桩径、桩端土刚度和桩侧摩阴力 发挥系数对沉降和荷载分担比等的影响。 目前，对于刚性桩复合地基桩土应力比解析计算的研究多集中在少数部分 因素的影响下桩土应力比计算，对全部重要影响参数进行分析并提出相应计算 公式的研究不多。 1 2 c f g 桩一筏复合地基 c f g 桩复合地基1 4 u j 试验研究是建设部“七五 计划课题，于l9 8 8 年立题 进行试验研究，并应用于工程实践。c f g 桩是由水泥、粉煤灰、碎石，按要求 配合比加水搅拌浇筑后形成的具有较高强度的无筋桩，成桩后与地基土共同承 载外荷载，组成c f g 桩复合地基。c f g 桩具有较高强度，在复合地基中具有 排水、固结、挤密作用，与桩项褥垫层协调作用后，能大幅提高复合地基承载 力，减少地基沉降，具有成本较低、加固效果良好，质量稳定等优点。c f g 桩 复合地基成套技术，于19 9 4 年被建设部列为全国重点推广项目，并被国家科 委列为国家级全国重点推广项目。19 9 7 年被列为国家级工法，并制定了中国 建筑科学研究院企业标准，现己列入国家行业标准j g j 7 9 2 0 0 2 建筑地基 处理技术规范，该规范于2 0 0 3 年1 月1 日在全国范围实施。为了进一步推广 这项新技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并列入“九五 国家重点攻关项目。19 9 9 年1 2 月通过了国家验收。 桩筏复合地基体系【53 】由桩、土、褥垫层和钢筋混凝土板组成，该方法具 有以下特点： 1 承担力提高幅度大、可调性强。c f g 桩长可以从几米到2 0 多米。并且 可全桩长发挥桩的侧阻力，桩承担的荷载占总荷载的百分比可在4 0 一- 7 5 之 间变化，使得复合地基承载力提高幅度大并具有很大的可调性【45 1 。 2 适用范围广。在基础形式方面，可用于条形基础、独立基础、筏基和 箱型基础；在土性方面，可用于填土、饱和与非饱和粘性土，可用于挤密效果 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 较好的土，也可用于挤密效果较差的土层【4 5 1 。 3 c f g 桩复合地基具有刚柔相济的受力特征。对柔性桩，它们主要是通 过有限的桩长( 6 1o ) d 传递垂直荷载，当桩长大于某一数值后，桩传递荷载的 作用已显著减小。而c f g 桩则像刚性桩一样，可全桩长发挥侧阻，桩落在好 的上层上还具有明显的端承作用。这样就可以通过增加桩长或改变桩端持力层 的方式，使其进入较坚硬的上层来提高c f g 桩复合地基的承载力，以满足不 同的设计要求【4 h4 制。 4 挤密效应。经过对c f g 桩复合地基加固前后桩间土的物理力学性质进 行试验分析，表明，桩间土的物理力学性质得到了较大提高，一般含水量降低 1 4 19 ，天然容重增加1 0 3 2 2 ，孔隙比降低1 3 以上，压缩系数减 小11 5 2 。同时发现，在加固区范围内，c f g 桩对粘性土或粉土的工程性 质改善较明显，而对砂类土基本没有改变，但振密效果较显著【4 5 t4 7 5 们。 5 排水作用p 。文献 4 5 表明c f g 桩桩体材料的渗透性与混合料中粉煤 灰和水泥的用量有关，经实验测试，c f g 桩桩体的渗透系数一般在10 3 10 - 1 c m s 范围内，而桩间土的自然土层的渗透系数一般在1 0 西10 - 4 c m s ，远比 桩体的渗透性小，所以桩体具有良好的透水性，桩体的排水作用，有利于孔隙 水压力消散，有效应力增加，c f g 桩复合地基在成桩初期，桩体实际上己构成 了固结排水通道，加速了桩周土的固结过程，桩体的排水效果较明显。 6 复合地基变形稳定，沉降量小。c f g 桩相当于在天然土中加了竖向增 强体，地基复合模量大，在上部荷载相同条件下其地基变形相对较小【5 1 1 。 7 褥垫层是复合地基的核心，它保证桩土共同承担上部荷载；调整桩土 应力比；减少基础底面的应力集中，防止基础的剪切破坏；调整桩土水平荷载 的分担，保证桩在水平荷载作用下不会断裂。因c f g 桩桩体模量大于桩间软 土，所以其在荷载下的压缩变形小于桩间软土。首先，褥垫层的存在使得桩体 在竖向荷载作用下向褥垫层刺入，而垫层材料的流动补偿使得桩间土与基础底 面始终保持接触，从而使桩间土承载力得到充分的发挥，达到桩土共同承担荷 载的目的。其次，褥垫层的存在减少了基础底面的应力集中，这是因为垫层的 流动补偿保证桩土共同工作，使得桩体承担的荷载有所减少。实测资料表明桩 土应力比随垫层厚度增加而减少【5 们。 8 c f g 桩不配筋，并可掺入工业废料粉煤灰，具有经济、环保效果【5 2 1 。 1 3 c f g 桩一筏复合地基在高速铁路中的应用 在国内，c f g 桩被大规模的应用在高层建筑地基处理上，现阶段在有砟轨 道路基和一些高速公路的软土路基上也得到了较多的应用。而将c f g 桩用于 高速铁路无砟轨道的地基处理在国内外尚处于尝试阶段。高速铁路路堤首次引 进c f g 桩技术是在2 0 0 2 年，部控科研项目2 0 0 2 g 0 1 高速铁路软土地基沉 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 皇曼曼舅曼曼寰曼笪皇曼皇皇曼皇皇曼鲁皇曼孽毫寰曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼璺曼皇曼曼曼蔓曼皇i 一一一i ! 曼曼皇曼 降控制试验研究在上海安亭试验工点进行了c f g 桩复合地基试验并取得了 一系列研究成果。武广客专、沿海铁路等均采用了c f g 桩地基处理方法，其 设计采用的计算方法主要为建筑地基处理技术规范规定的方法。广深线采 用c f g 桩处理涵洞基础、京津城际线采用在c f g 桩顶设置c 3 0 钢筋混凝土板 的结构型式。京沪高速铁路也采用了设置5 0 c m 厚钢筋混凝土板的桩筏结构体 系。 铁路路基与建筑基础相比，主要存在以下差异【6 8 】：首先，铁路路基传统上 被认为是一种柔性基础，荷载与桩及桩间土的相互作用关系不确定性因素较 多，还没有形成公认的计算理论和设计方法，而建筑基础则是典型的刚性基础， 通过垫层传递到桩和桩间土上的荷载比较明确；其次，建筑荷载为静荷载，工 后阶段桩间土应力比基本能够维持建筑完工后的平衡状态，而高速铁路地基承 受动荷载，桩土应力关系在工后阶段变化的可能性比较大，桩的上刺和下穿会 破坏路基的完整性和下卧层的稳定性，对沉降控制不利；第三，高速铁路路基 对工后沉降要求更为严格，标准远高于建筑地基。高速铁路中，由于其基础一 旦出现变形或破坏，其整治和修复较困难，资金和人力投入很大，维修耗时长， 对无咋轨道的变形控制较有砟轨道更严格。我国对无砟轨道的路基工后沉降要 求一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 m m ；路桥或路隧交界处的差异沉降 不应大于5 m m ，过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于 1 10 0 0 t 6 9 】。刚性基础下复合地基性状分析已有了一些相对完善的理论和方法， 而在柔性基础下复合地基性状分析在理论和方法上都还不成熟。 鉴于高速铁路c f g 桩复合地基的作用机理、计算理论等尚未成熟，也没 有相关经验可供参考，从我国高速铁路和客运专线的发展现状来看，开展c f g 桩的相关试验工作十分必要。在京沪高速铁路开展c f g 桩相关试验工作，一 方面可优化c f g 桩复合地基设计参数，指导京沪高速铁路c f g 桩设计与施工； 另一方面，可以通过试验工点的测试，研究分析提出高速铁路荷载作用下的 c f g 桩复合地基的计算方法和设计原则或验证目前采用设计计算方法的合理 性，为编制相关规范提供依据，更好地指导我国的高速铁路建设。 1 4 本文主要研究内容 c f g 桩一筏复合地基桩土应力比是复合地基承载力和沉降计算的重要参 数，但其研究还处于起步阶段，其计算方法主要还是借鉴其他桩型的桩土应力 比公式。本文在归纳前人研究和应用成果的基础上，结合现场试验、有限元数 值模拟和解析计算公式推导，就高速铁路c f g 桩一筏复合地基桩土应力比的 一系列问题进行分析和探讨。具体内容如下： 1 完成c f g 桩一筏复合地基现场试验，对现场试验数据进行分析整理， 研究了荷载水平、加载持续时间、沉降变形、褥垫层厚度、桩长及不同部位对 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼毫曼曼皇曼皇曼曼舅曼曼鼍曼孽。一n , 一 i ii l l 一 一i i i 曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼寰曼曼笪! ! 皇鼍 桩土应力比的影响； 2 利用有限元软件对现场试验进行数值模拟，在合理建模及参数确定的 基础上，比较了现场试验及数值模拟结果；对c f g 桩一筏复合地基桩土应力 比的影响因素进行了补充分析。研究了加固区土层压缩模量、下卧层土层压缩 变化、褥垫层压缩模量、桩身模量、桩间距、桩径等因素对桩土应力比的影响。 3 通过对c f g 桩一筏复合地基桩身应变及桩身轴力现场试验结果的分析 研究，在考虑桩土相互作用的情况下，从力学角度分析c f g 桩一筏复合地基 桩侧的摩阻力分布及加固区压缩量，从而推导出c f g 桩一筏复合地基桩土应 力比的解析表达式。 要霍銮塞銮耋罂圭堑圣耋耋堡誊耋要：蓦 第2 章c f 6 桩一筏复合地基现场试验 21 试验段工程地质概况 本现场试验为高速铁路正线：京沪客专北段一京徐段，选择d k i9 0 + 1 2 4 d k l 9 0 + 3 5 62 段作为试验段。本段位于天津特大桥与青沧特大桥之间，李窑铺 轨基地左侧。地形平坦，地势开阔，线路以填方通过，路堤填高为68 72 m 。 地质纵断面见图2 1 所示，自上而下主要地层情况见表2 1 。【7 0 l 地下水具 硫酸盐侵蚀，环境作用等级为h 1 。地震动峰值加速度为0 1 0 9 ( 地震基本烈度 为度1 。土壤最大冻结深度o7 m 。 图2 - 1 地质纵断面图 表2 1 试验现场层地质条件 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 桩筏结构试验段设置及元器件布置 试验工点位于天津特大桥与青沧特大桥之间，共分四个区，试验段各区情 况见下表： 表2 2 试验段各区情况一览表 ad k l 9 0 + 1 2 4 1 4 02 2 8 1 7o 5 o 5 0 5 o 4 0 6 m 碎石垫层 + 两层土工格栅 0 5 m 钢筋混凝土板 + o 15 m 碎石垫层 0 5 m 钢筋混凝土板 + o 15 m 碎石垫层 0 5 m 钢筋混凝土板 + 0 15 m 碎石垫层 各区均设主、副两个断面，相互校核，以保证试验数据的准确性。 2 2 1试验元器件布置简介 本试验在c f g 桩桩顶、桩间土两桩中心及四桩中心设置土压力盒，用于 监测c f g 桩桩顶平面内桩顶、桩间土位于钢筋混凝土板下，碎石垫层下表面 处的土压力值。本试验选用智能土压力盒，精度高，可靠性好，能进行远距离 受控的数据自动识别、自动监测、自动存储和自动传输，后期人工工作量小。 对桩板和路堤填筑施工无任何干扰，有利于填筑质量的保障和施工进度的加 快，便于元器件的保护。各区土压力盒布置见2 2 2 2 2 4 节中相关布置图。 本试验为了观测桩土差异变形、c f g 桩桩体变形和路堤整体变形，安装了 单点沉降计、液位沉降计和沉降板等三种变形监测元器件。 单点沉降计由位移计、锚头、法兰沉降盘、测杆等部件组成，适用于测量 锚头与沉降盘之间土体的变形位移。 连通液位沉降计是一种智能数码电感调频的总线型位移计，由液缸、浮筒、 精密液位计、保护罩等部件组成。适用于测量参考点与测试点之间土体的相对 位移，主要用于路堤、大坝的单点沉降、线形沉降和剖面沉降等精密测量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼皇曼皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼! ! ! 曼! ! ! 皇皇曼曼曼曼i i in|i n 。：= m = | = m = m = i =。曼曼鼍曼 表2 3 单点沉降计埋设情况 表2 - 4 液位沉降计埋设情况 沉降板监测沉降板埋设点处土层的沉降。沉降板埋设在路堤项面，预压土 之下，用于测量路堤表层的沉降量。 观测系统由钢底板、金属测杆( 巾4 0 m m 镀锌铁管) 及保护套( 由7 5 m m p v c 管) 组成。钢底板尺寸5 0 c m 5 0 c m 1c m ，采用水准仪按二等测量标准测量 沉降板沉高程变化。精度基本满足要求，可靠，但后期读数人工工作量大，读 数时受风等气候条件的干扰影响大。地面上的沉降板和保护管对路堤填筑施工 有一定干扰，施工期间存在沉降管的保护工作。 表2 - 5 沉降板安装情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 2b 区c f g 桩筏结构简述 桩径o 5 m ，间距1 8 m ，正方形布置，每排18 根桩，共2 7 排。桩项标高 3 9 5 m ，桩底标高19 4 m ，桩项设o 15 m 厚碎石垫层，其上在中心2 3 9 m 范围 内设o 5 m 厚钢筋混凝土板，钢筋混凝土板两侧各设置4 5 m 宽、0 6 m 厚的碎 石垫层夹两层土工格栅。桩筏结构断面示意图如图2 2 所示。 b 区土压力盒布置如图2 3 、2 4 所示，图中：“口”表示土压力盒，“o ” 表示桩。土压力盒施工安装如图2 5 所示。 图2 - 2 桩筏结构断面示意图 0 0 0 0 o 0 图2 3b 1 区土压力盒局部布置图 0 0 线 0 路 基 由 心 线 图2 4b 2 区土压力盒局部布置图 0 o 0 0 0 o 0 illijllui 00 i，lllliq 000 0 0 o 0 0 0 0 o 要霎耋兽銮：鎏吉至耋兰耋簦兰圣矍：薹 豳悉 团蠢 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 o o oo oo 图2 7c 2 区土压力盒局部布置图 2 2 4 d 区c f g 桩筏结构简述 桩径o 4 m ，间距1 6 m ，正方形布置，每排1 8 根桩，共2 8 排。桩顶标高 3 9 5 m ，桩底标高1 9 4 m ，桩顶设o 1 5 m 厚碎石垫层，其上设o 5 m 厚钢筋混凝 土板。d 区土压力盒布置如图2 8 、2 - 9 所示，图中：“口表示土压力盒，“0 ” 表示桩。 d 1 t y 一1 1 2 引 ooooo ooo oo 0 00 0o 0 0 00 oo 0 o000o 0 0 00 o0 0 00 0 0 0 0 图2 8d 1 线 0 o 0 0 d 2 一t y 一 0 oo 0 0 0 o 誉 击0 审0 一id d 1 t oo 00 00 00 1 6 1 7 1 8 ) 区土压力盒局部布置图 。 。 0 2 t y 2 一 o oooooo o ooooo o 0oooo o oooo0 o00o 2 鼎1 9 8 0 ) o 。 图2 - 9d 2 区土压力盒局部布置图 踌肩 线路中线 o o o o o o o o o o o oo i o o l i o o ，i o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 路基 中心 线路中路肩 o o o 路基 vi禽t 中心线， 路中缛“0 0 路肩 母mi m 0 o o 0 0 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼舅皇曼皇曼曼! 曼! 曼曼! 曼! 曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼i ：。：。m m = n = m m = 。= 。= m m = 。= l = i = m 曼曼曼 2 2 5单桩静载试验 单桩静载试验是高速铁路c f g 桩质量控制体系及检测方法研究子课 题中试验内容，是北方交通大学王连俊教授负责的科研课题。本文在2 3 1 及 2 3 6 小节中引用了此试验报告中部份数据，并以荷载分担比曲线形式表示， 以示区分。 本次试验主要依据建筑地基处理技术规范要求进行。试验采用慢速维 持荷载堆载法，由大梁、配重组成反力系统，高压油泵及千斤项施加荷载至桩 项，通过反力系统共同作用，对承压板施加竖向压力。本次复合地基加载试