（岩土工程专业论文）路堤下pcc桩复合地基群桩作用性状研究.pdf

摘要 摘要 振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩( 简称p c c 桩) 是河海大学岩土工程 科学研究所刘汉龙教授等自主开发的新型桩基技术，对深厚软土地基加固有快 速、经济和有效的提高承载力、减小沉降等优点，已经在我国东部很多地区得到 广泛应用。目前对路堤荷载下p c c 单桩复合地基承载和沉降性状的研究较多， 而复合地基群桩间的相互作用性状研究较少，群桩之间的桩土荷载分担和相互 影响关系还不是十分清楚，本文在总结前人的工作基础上，通过现场试验监测和 有限元分析方法，对p c c 桩复合地基群桩工作性状进行了研究。论文完成的主 要工作有： 1 开展了国内外刚性桩复合地基设计方法对比研究，提出了采用c o m b a r i e u 负 摩擦原理和德国道路设计规范e b g e o 来计算p c c 桩复合地基桩土荷载分担的 方法。 2 通过上海a 4 高速公路p c c 桩复合地基群桩现场试验，分析了不同填土高度 和桩间距下，p c c 桩土沉降变形、压力变化和桩土荷载分担的规律。p c c 群桩 效率系数可以借鉴港口规范中高承台下粘土中的群桩计算方法，考虑桩间土的作 用进行简化计算。 3 利用有限元软件a b a q u s ，建立三维复合地基群桩模型，分析了垫层模量、 持力层、桩体几何参数对p c c 桩群桩效应的影响，得到p c c 桩复合地基设计参 数如桩长、桩间距和持力层等选取的一般规律。 关键词：路堤荷载刚性桩复合地基p c c 桩群桩效应有限元分析 本文研究得到国家自然科学基金“现浇混凝土薄壁管桩复合地基加固机理 与计算方法研究( n o 5 0 6 7 9 0 1 7 ) 的资助 a bs t r a c t t h i n - w a l lp i p ep i l eu s i n gc a s t i n s i t uc o n c r e t e ( p c cp i l ei ns h o r t ) t e c h n i q u ei sa n e wg r o u n di m p r o v e m e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yp r o c h a n l o n gl i u e ta l ，g e o t e c h n i c a li n s t i t u t eo fh o h a iu n i v e r s i t y a san e wt y p eo fp i l e ，i th a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha s ，f a s tc o n s t r u c t i o n ，e c o n o m i z ec o n c r e t ea n di m p r o v es o i lw i t h e f f i c a c y , i n c r e a s et h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dr e d u c et h es e t t l e m e n to fd e e ps o f ts o i l m a n yr e s e a r c h e r sh a v ea l r e a d ya n a l y z e dt h es i m p l ep c cp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ， w h i l et h em e c h a n i s ma n de f f e c to fg r o u pp c c p i l e si sn o tc l e a r , i np a r t i c u l a ru n d e rt h e r o a de m b a n k m e n ti nt h eh i g hw a y t h es t u d yi sl a u n c h e dt oa d d r e s st h ec o n c e p ta n d m e c h a n i s mo fp c c g r o u pp i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n f o l l o w i n ga r et h em a i nw o r k s f u l f i l l e d 1 i n t r o d u c ed i f f e r e n te x p e r i m e n t sa n dc o n c e p tm e t h o d sf o rt 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 ；c o m p a r et h er e s u l tb yu s i n gas m a l le x a m p l e ，t h ep c cp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nd e s i g nc a nm a k eu s eo ft h e s ec o n c l u s i o n s 2 b a s e do nt h ef i e l dt e s tr e s u l t so fs h a n g h a ix i n w e ie x p r e s s w a y , a n a l y z et h ep c c p i l eg r o u pe f f e c tw i t ht h ed i f f e r e n th e i g h to fr o a de m b a n k m e n ta n dp i l es p a c i n g t h e p c cp i l eg r o u pc o e f f i c i e n tc a nb ec a l c u l a t e db yt h em e t h o do fy a n gk e y ii n c o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo fs o i ll o a db e t w e e nt w op i l e s 3 u s et h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ( a b a q u s ) t os i m u l a t et h ep c cp i l eg r o u p e f f e c tb yv a r y i n gt h ep a r a m e t e r ss u c ha st h ec u s h i o ny o n g sm o d u l e ，p i l el e n g t h ，p i l e s p a c i n g e t c k e y w o r d s ：r o a de m b a n k m e n tr i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n p c cp i l e g r o u pe f f e c t f e ms t i m u l a t i o n t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( g r a n tn o 5 0 6 7 9 0 1 7 ) i i 主要符号说明 乞：篓蓑影晌而们 q -桩顶设计总应力 彳：桩体影响面积 仙叭队心肚川 彳。： 桩顼面积 c ：桩体承载能力 o ：拱效应系数 以：等效直径 e ：桩体荷载分担比 厶，：永久性荷载和随机荷载分 项系数 日，h r ： 填土高度( 包括垫层) 朋：置换率 毛，k 2 ：桩，土体修正系数 疋： 朗肯主动土压力系数 k 。：朗肯被动土压力系数 易：复合地基极限承载力 儿r ：桩体荷载分担 菲：桩顶应力 睇： 桩顶荷载 研： 桩间土荷载 r ：p c c 桩标准承载力 s ，瓯：桩间距 s ：桩净间距 s r r ：桩间土荷载分担比 ：荷载不均匀系数 兄：桩间土提高系数 ：桩问土作用系数 a ，如：桩，土体发挥强度 矽：土内摩擦角 y ：土的重度 摘要 摘要 振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩( 简称p c c 桩) 是河海大学岩土工程 科学研究所刘汉龙教授等自主开发的新型桩基技术，对深厚软土地基加固有快 速、经济和有效的提高承载力、减小沉降等优点，已经在我国东部很多地区得到 广泛应用。目前对路堤荷载下p c c 单桩复合地基承载和沉降性状的研究较多， 而复合地基群桩间的相互作用性状研究较少，群桩之间的桩土荷载分担和相互 影响关系还不是十分清楚，本文在总结前人的工作基础上，通过现场试验监测和 有限元分析方法，对p c c 桩复合地基群桩工作性状进行了研究。论文完成的主 要工作有： 1 开展了国内外刚性桩复合地基设计方法对比研究，提出了采用c o m b a r i e u 负 摩擦原理和德国道路设计规范e b g e o 来计算p c c 桩复合地基桩土荷载分担的 方法。 2 通过上海a 4 高速公路p c c 桩复合地基群桩现场试验，分析了不同填土高度 和桩间距下，p c c 桩土沉降变形、压力变化和桩土荷载分担的规律。p c c 群桩 效率系数可以借鉴港口规范中高承台下粘土中的群桩计算方法，考虑桩间土的作 用进行简化计算。 3 利用有限元软件a b a q u s ，建立三维复合地基群桩模型，分析了垫层模量、 持力层、桩体几何参数对p c c 桩群桩效应的影响，得到p c c 桩复合地基设计参 数如桩长、桩间距和持力层等选取的一般规律。 关键词：路堤荷载刚性桩复合地基p c c 桩群桩效应有限元分析 本文研究得到国家自然科学基金“现浇混凝土薄壁管桩复合地基加固机理 与计算方法研究( n o 5 0 6 7 9 0 1 7 ) 的资助 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 。启【盘、 7 f 。7 琴 7 芦川7 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 矾呼乞固单 沙 如中 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 近年来，随着我国经济建设的飞速发展，工程建设的规模日益扩大，大型的 桥梁、道路以及高层建筑在各地在陆续建造，在改变城市风貌的同时，对地基承 载力和变形提出了新的要求。然而，土是自然、历史的产物，位于建筑物地基基 础土层的工程性质比较复杂，而且存在区域性。在土木工程中，当天然地基不能 满足建筑物承载力和沉降的要求时，要对其进行加固处理。而地基处理问题是一 个非常复杂的问题，处理方法的恰当，关系到整个工程的预算、工期和质量。因 此，选择一种既快速、经济、有效的方法加固软土成了当前土木工程界研究的一 个重要课题。 地基处理的方法很多，就道路工程的软土地基加固来说，常用方法有：灌入 固化法( 深层搅拌法，高压喷射法等) ；排水固结法( 加载预压，真空预压法等) ， 置换法( 砂石桩法，灰土桩法等) 以及复合地基法( c f g 桩复合地基，p c c 桩 复合地基等) 。各种地基处理方法由于施工方法和材料不同，有着一定的适用范 围，存在着优点和不足，然而新型的刚性桩复合地基，能够将传统的桩基础承载 力大的优点与发挥天然地基的承载作用相结合，同时还能利用柔性垫层自身变形 来减小基础底部的应力集中，最后达到提高复合地基承载力，减小基础沉降i 现浇混凝土薄壁管桩( 专利号：n o z l 0 1 2 7 3 1 8 2 和n o c n l 3 6 7 2 9 6 a , 简称p c c 桩) f 1 3 】是河海大学岩士工程研究所针对当前我国沿海地基深厚软士的特殊地质 条件，自主研发的能够快速，有效的刚性桩复合地基加固软土的方法。与粉喷桩 相比，它能加大桩体处理深度，达到2 5 米，有效地发挥了深层软土地作用，减 小基础底部的沉降；与真空堆载联合作用法相比，能减少预压时间，缩短工期； 与其他实心素混凝土桩相比，p c c 桩能发挥管桩与土体接触面积大的特性，提 高桩侧摩阻力；同时，由于p c c 桩直径大于1 米，在相同荷载下，单位面积布 桩少，能有效的减少工程量，达到经济目的。 p c c 桩复合地基已经在很多路基软土处理工程中得到广泛的应用【4 5 1 。有很 多学者在p c c 单桩和单桩复合地基荷载传递机理和沉降方面做了研究 6 4 1 ，但对 复合地基群桩工作原理和性状的研究较小，特别是路堤下复合地基群桩相互作用 的关系，还处于初步阶段。本文利用上海莘卫立交桥p c c 桩软土加固的实例， 结合国内夕b n i j 性桩复合地基群桩在路堤作用下群桩的试验和设计理论，对p c c 桩复合地基设计方法，群桩加固效果和群桩相互作用的机理进行了研究，得出了 第一章绪论 p c c 桩复合地基在软土加固中几何参数的取值范围，为工程实际做参考，具有 重要的实用价值。 第二节刚性桩复合地基加固技术 1 2 1 地基处理技术介绍 在历史条件作用下，作为长江和珠江的入海口的我国东南部沿海地区，被一 层厚厚的软土覆盖，天然地基承载力较低。然而，该地区又是我国经济发展最快 的地方，为了配合当地经济发展，大规模的高速公路网是必不可少的，因此，在 工程建设中，常常遇到软土地基加固的问题。 根据各种软土加固法的特点和工程要求，m a g n a n 对近年来常用的道路工 程地基处理方法进行了概括1 9 】见表1 1 。 裹1 1地基处理方法与适用范围 加固技术土质要求局限加固效果优缺点 预压法压缩性和渗流性工期长不定慢，经济 捧水预压法压缩性和水平和竖工期较快不定较快，不经济 向渗流性 置换法软土层厚度置换材料好快。责 碎石桩，砂桩 软土强度 试验和施工机械 好 快，贵 桩基加圈 软土强度 好很贵 电渗法化学法软土物理化学性质环境问题，耗能高不定很贵 轻质土置换压缩性和渗流性 对轻质土的保护 能得到较低贵 的沉降要求 刚性桩复合地基软士强度好贵，快 灌注桩软土强度好贵，快 从表中可以看出，随着科技的进步和加固技术的发展，新技术，如刚性桩复 合地基，轻质土等，代替传统的地基处理方法，能更好的满足工程地质条件和地 区经济发展的要求，成为了研究的重点。 1 2 2 刚性桩复合地基介绍 当地基的承载力达不到建筑物的要求时，就必须对其进行处理。按照复合地 基的加固思想，即在软土地基中设置加筋材料，形成竖向或横向的增强体人工地 基，也就是复合地基，达到较小沉降和增加承载力的目的。 起初，人们在天然地基中设置碎石，砂土等散体材料，依靠土的侧限作用， 成为桩体，形成碎石桩复合地基和砂桩复合地基。后来，随着水泥土桩复合地基 的发明和应用，加筋材料由散体变成自身具有一定的粘结强度，也就是我们所说 的柔性桩复合地基，这类桩的代表主要有水泥搅拌桩，水泥土桩。散体材料和柔 2 第一章绪论 性桩复合地基有一共同特点：桩与土体的模量差别不大，在荷载作用下，桩土体 能够达到变形协调，共同承担上部结构的荷载。然而，由于粘结物形成桩体的模 量有限，所组成复合地基的承载力不是很高；由其组成的复合地基的模量虽然较 天然地基土有较大的提高，但提高的幅度有限，复合地基体仍然有很大的沉降变 形，仍不能满足某些建筑物的承载和沉降的要求。因此，高粘结强度的材料如钢 筋混凝土，低强度混凝土等的使用，能更进一步提高了桩体自身的刚度，发挥桩 体承载大的作用，有效的减小基础沉降，成为现在重要建筑物提高承载能力和减 小沉降的首选方法。 1 2 3 刚性桩复合地基的组成、类型与应用 刚性桩复合地基桩体材料的提高主要是由水泥等粘结性材料的大量使用，这 类桩基包括素混凝士桩、c f g ( 水泥粉煤灰碎石桩) 、现浇混凝土薄壁管桩( p c c ) 等。其主要组成部分见图1 1 。 刚性桩基：和普通桩基作用相同，主要是把桩项荷载传递给桩端土层( 端承 桩) ，或通过桩侧与桩周土体的摩擦，把桩顶主要荷载传递给桩侧土体( 摩擦桩) ， 达到减小建筑物基础的沉降要求，也在桩顶设置桩帽，增加桩的置换面积，减小 桩顶对褥垫层“刺入”的作用。 褥垫层：也叫荷载传递平台，是刚性桩复合地基荷载传递的关键部分。褥垫 层一般由散体颗粒材料组成，如碎石，砂等，具有一定的强度和流动性。为了增 强褥垫层的抗拉刚度，可以在褥垫层里面设置一层或多成土工合成材料，如土工 格栅，土工织物等。褥垫层的高度和刚度是刚性复合地基设计的重要参数。 褥垫层 软土层 硬土层 土工合成材料 桩帽 刚性桩基础 图1 。1 刚性桩复合地基组成 刚性桩复合地基的应用处于初步阶段，没有具体的分类标准，可以根据刚性 桩的桩体材料和施工方法以及其优缺点，把刚性桩复合地基分为预制桩和现场成 桩n o l ，主要参数和优缺点如表1 2 所示。 表1 2刚性桩复合地基分类与特征参数 第一章绪论 成桩方法桩体类型 环境影响桩体强度( m p a ) 振动噪音是否出土 预制桩复木桩 有有无1 4 0 0 0 合地基刚桩 有 有无 2 0 00 0 0 混凝土桩有有无 1 00 0 0 - 2 00 0 0 现场成桩现浇混凝钻孔桩 无无 有浆液：2 0 0 0 - 7 5 0 0 复合地基土桩和注混凝土： 浆桩 振动成桩 有有无 c 1 5 - c 2 5 ， 9 0 0 0 - 2 5 0 0 0 石灰桩 无有无2 0 _ 2 0 0 水泥土桩无有无 5 0 1 3 0 0 c f g 桩 p c c 桩有有无2 0 0 0 0 “一”表示不同的成桩方法，对环境的影响不同。 1 2 4 刚性桩复合地基的应用 刚性桩复合地基与普通桩基础一样，具有加固深度大，能把上部荷载直接传 递到桩周土体和桩端处土质较好的地层，加上褥垫层设置，充分发挥桩间土体的 承载作用，相应的减小桩体的负荷作用，达到减小桩数，减小投入等经济目的。 与散体材料复合地基和柔性桩复合地基相比，能加固深度较大的软土，而且不受 。临界深度”的影响。因此刚性桩复合地基在沉降控制较高的工程中得到广泛应 用，主要有以下几个方面： 1 ) 用于道路软土地基加固； 道路工程软土加固主要指以填土荷载作用和路面交通荷载为主的市政道路， 高速公路和铁路，刚性桩复合地基在该类地基处理中，根据填土荷载的不同可以 分为两类： 一普通道路地基加固 一桥头连接段地基加固 桥头连接段是指普通道路或高速公路与桥梁等刚性建筑物的连接处，刚性桩 复合地基加固能够很好的适应两种不同刚度模量的路段，减小路面的沉降差异。 2 ) 用于工业厂房，高层建筑和海岸建筑的地基处理； 由于工业厂房，高层建筑对地基沉降要求较严，而上部荷载通过梁、柱等结 构主要作用在底部刚性承台上，容易产生应力集中现象。在建筑物底部设置刚性 桩复合地基可以通过柔性垫层的荷载调节作用，减少基础底部的应力集中，从而 减少不均匀沉降。 3 ) 用于大型油罐地基处理中。 大型油罐、储藏室等施加在基础上的荷载与厂房不同，属于均布荷载。随着 液面的升降，基础承受的荷载也将发生变化，通过设计刚性桩复合地基可以充分 第一章绪论 发挥刚性桩复合地基在不同荷载下的承载能力，减小不均匀沉降。 1 2 5 刚性复合地基的作用机理 刚性桩复合地基中的桩体刚度比土体大很多，在荷载的作用下，不能与土体 一起发生协调变形，因此其设计原理与散体桩，柔性桩复合地基不同。 在刚性复合地基技术中，加筋体的刚度比天然地基土体的强度大的多，褥垫 层的设置成了刚性复合地基与其他复合地基技术的不同点，它能通过自身的变形 和散体材料的流动作用来调节桩土荷载分担。这也是刚性复合地基的核心技术 【1 1 】，它的设置直接关系到桩土共同作用发挥的程度，也直接影响着复合地基的加 固效果。 褥垫层一般设置在刚性桩顶( 或桩帽) 与基础( 柔性或刚性) 之间，一般为 碎石，砂等散体材料。 图1 2 一圈性桩复合地基沉降变形 当由桩体、土和垫层构成的复合地基受到荷载时，在加荷初期，桩土体共同 分担了相同的荷载，但由于桩的模量比土大，桩间土表面发生的沉降大于桩顶， 产生了不均匀沉降，布置在桩顶处柔性垫层也随着桩土沉降差异逐渐起荷载调节 作用，由于填土( 垫层) 为散体材料，在一定的条件下可以形成土拱，利用拱效 应的受力原理或土工织物的拉膜效应，使荷载向桩体转移。当上部荷载逐渐加大 时，桩顶“刺入”垫层，褥垫层中的散体材料受到不均匀力的作用不断调整，补 充到桩问土表面上，使桩间土能与基础接触，始终参与分担荷载，这也是剐性复 合地基同桩基的区别所在。 第三节p c c 桩复合地基介绍，设计，研究与应用 1 3 1p c c 桩成桩原理 随着我国东部沿海地区经济的高速发展，基础项目建设的逐渐增多，特别是 东部高速公路网的建设。由于该地区普遍存在着低强度，高压缩性，淤泥质粘土， 第一章绪论 在工程建设中遇到大量的地基加固问题。 基于在工程建设中的问题和道路建设的时效性，河海大学岩土研究所以刘汉 龙教授领导的科研小组在经过广泛的工程实践基础上，自主开发了一项振动沉模 大直径现浇混凝土薄壁管桩( 简称p c c 桩) 软土地基加固技术【1 2 ，”】，该技术属 于刚性桩复合地基加固软土，其技术原理如下： 振动沉模现浇混凝土管桩技术采取振动沉模，自动捧土，然后现场灌注混凝 土而成管桩，其具体施工步骤为： 首先：依靠沉腔上部锤头的振动力，将内外双层套管所形成的环形腔体，在 活瓣桩靴的保护下打入预定的设计深度；然后，在腔体内现成浇注混凝土；最后， 振动拔管，在环形域中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。 在形成复合地基时，为了保证桩与土共同承担荷载，并调整桩与桩间土之间 竖向荷载及水平荷载的分担比例以及减少基础底面的应力集中问题，在桩顶设置 褥垫层，从而形成现浇薄壁管桩复合地基。 1 3 2p c c 桩复合地基设计与检测 p c c 桩的设计由以下几个方面组成： 1 ) 根据现场地质勘测报告，确定桩端持力层以及桩长； 2 ) 确定桩径和壁厚，一般p c c 桩的设计桩径为1 0 0 0 1 5 0 0 m m ，设计壁 厚为1 0 0 1 5 0 m m ； 3 ) 根据设计的复合地基承载力和变形的要求，确定合理的桩间距以及布 桩形式，一般情况下为正方形或三角形布置，桩间距为3 5 倍桩径； 。4 ) 确定桩身混凝土等级，一般采用c 1 5 c 2 5 ； 5 ) 褥垫层厚度及材料；垫层厚度一般取2 0 5 0 m m ，材料可选粗砂、碎 石等，中间布置土工格栅。 p c c 桩桩身质量常用的方法有： 1 ) 现场开挖检测：消耗较多的人力和物力，不适合大范围检测。 2 ) 动力检测：包括低应变，高应变等检测方法，现有理论都是基于实行 桩，对于空心桩的适应性，正在研究中 3 ) 静载荷试验：包括单桩静载荷试验和单桩复合地基载荷试验，通过现 场堆载，测定p c c 桩地基的承载力。与方法( 1 ) 一样，花费较大，不适用 与大范围检测。 1 3 3p c c 桩的优势与应用 根据p c c 成桩原理和实际工程中的使用，p c c 桩复合地基在加固软土地基 时，具有以下优点； 6 第一章绪论 1 ) p c c 桩属于刚性桩复合地基，桩身强度较高，桩径较大，可以用于加 固厚度为2 5 米以上软土。 2 ) p c c 桩施工采用振动沉管沉桩，施工工艺简单，施工流程清楚，所用 时间较短。 3 ) p c c 桩复合地基加固效果明显，能有效的提高承载力，减小地基沉降， 比单位面积混凝土用量比实心桩少。 同其他刚性桩复合地基一样，p c c 桩适用于各种软土地基各种结构物的大面地基 加固，根据其特有性质和优势，主要应用在以下几个方面： 1 ) 高速公路、市政道路的路基处理； 2 ) 桥头跳车问题； 3 ) 多层及小高层建筑物地基处理； 钔大型油灌等工业厂房处理； 5 ) 污水处理厂沉降池地基处理； 国江河提防的地基加固。 1 3 4p c c 桩研究现状与问题 p c c 桩复合地基加固软土技术已经在上海，南京，湖南，杭州等高速公路地 基处理上广泛采用，同时已有很多学者对p c c 桩承载能力和复合地基加固特性 性状进行了研究。 在承载力方面，p c c 桩的单桩极限承载力由外侧摩阻力和内侧摩阻力以及桩 端阻力构成。不考虑三者之间的影响可表示为： q = 如+ q 埘+ 既 = 乩厶+ 以厶g 舯j + 4 其中厶，分别是第f 层土厚度、桩的内外周长和桩长 4 。，为桩端面积 q 0 ，q - ，q 0 ，分别为单桩外、内极限摩阻力和持力层极限端阻力。 p c c 桩外摩阻力和桩端阻力可以根据规范经验公式计算1 4 1 ，内摩阻力承载机 理较复杂，虽然很多学者对管桩桩芯土作用机理做过研究【1 5 1 ，但没有得到统一结 论。总的来说，桩内摩阻力发挥为正值，对提高桩体承载能力有利。在实际工程 中，把内摩阻力忽略不计，作为安全储备。 竖向极限承载力确定的另一种方法为原型静载试验法，也就是p c c 单桩静 载试验或p c c 单桩复合地基静载试验，是到现在为止最可靠的承载力确定方法， 7 第一章绪论 它能考虑到p c c 桩与土的实际作用情况。但由于试验费用、工期、设备等原因， 往往只能对大型工程的少量桩进行试验。 在沉降计算方面，用于p c c 桩单桩和单桩复合地基沉降计算的方法较多， 许多学者在荷载传递机理方面做了较深入的研究【1 6 ，1 7 l ，归纳起来主要有： 荷载传递法：通过室内试验研究，假设桩土之间的荷载传递满足一定的函数 关系，然后计算桩体沉降。 弹性理论法：把桩体，桩芯土体和桩周土体分层若干个受荷单元，通过桩与 相邻单元的位移协调来计算桩体沉降。 随着计算机的发展，数值方法也被广泛的应用在p c c 桩的研究中，成功的 分析了桩内、外摩擦力的分布和p c c 桩复合地基垫层的作用机理，取得了一定 的成果，但由于试验仪器和施工影响等原因，较难从试验上验证。 虽然p c c 桩在作用机理和复合地基工作性状方面，从工程上和理论上取得 了较大的进展，但仍存在一些问题： 1 ) 作为刚性桩复合地基，p c c 桩在软土地基加固中，如何考虑填土( 垫层) 中拱效应的形成，以及对桩土荷载分担影响，始终是一个有待解决的问题。土工 格栅能有效的调节桩土荷载分担，但如何根据不同的承载力或沉降的要求来设计 格栅的大小和层数，也没有得到很好的解决。 2 ) 在软土地基加固中，p c c 桩是以群桩共同作用来承担建筑物荷载，桩与 桩之间的相互作用由于受到桩间土承受较大荷载的影响，而与普通桩基不同。 p c c 桩群桩效应的大小，以及对加固效果的影响也是不可忽视的。 3 ) 区别与其他桩基的主要因素一桩芯土的作用形状和承载能力的发挥，以 及发挥的程度，仍然是一个需要研究的问题。 第四节p c c 复合地基群桩问题的提出 1 4 1 复合地基群桩工作形状和群桩效应 根据建筑桩基技术规范j g j 9 4 9 4 ，群桩基础是指由2 根以上基桩组成的 桩基础，群桩基础受到竖向荷载后，由于承台、桩和土的相互作用使其桩侧阻力、 桩端阻力、沉降等性状发生变化与单桩明显不同，承载力往往不等于各单桩承载 力之和，把这种影响叫做群桩效应。 群桩效应受到桩周土体的物理力学性质，桩的几何参数桩长、桩数、桩的长 径比以及布桩形式，桩顶垫层和承台的设置，成桩方法等因素的影响而变化。由 于基桩的相互作用，使群桩整体承载力与各基桩承载力之和明显不同，给建筑物 安全带来影响，因此，在桩基础设计中必须考虑桩的群桩效应。 8 第一章绪论 研究群桩中桩、土和承台相互作用的方法主要有以下三种： 第一类是半经验等代实体墩基法，土中的附加应力用传统的b o u s s i n e s q 解或 m i n d l i n 解；第二类是在单桩与土相互作用的理论上发展起来的，以弹性理论的 应力叠加原理为基础，把在弹性介质中的两根桩的分析结果通过引入一个“相互 作用系数”，扩展到群桩地基中；第三类是采用有限元或数值分析方法分析桩群 与土的相互作用。 然而复合地基作为一种新型的软土地基加固方式，桩顶设置的柔性垫层使其 群桩的作用机理与普通刚性承台的群桩基础不同。在受到上部竖向荷载时，褥垫 层的变形量明显比刚性承台大，桩问土承载作用得到发挥，沉降增大，桩土之间 的相互作用也发生着变化如图1 3 所示，用刚性承台下的群桩理论来分析复合地 基群桩效应必将会带来误差，因此，研究刚性桩复合地基的群桩效应能更好的了 解刚性桩的加固机理与普通群桩地基的区别，以及褥垫层在复合地基群桩中的荷 载分担作用。 围1 8剐性桩复合地基变形 1 4 2p c c 复合地基群桩效应研究的意义 p c c 桩为大直径混凝土薄壁管桩，主要依靠桩内外管壁摩阻力来发挥桩的承 载作用。p c c 桩复合地基加固的软土对象为淤泥质粘土或以粘土为主的砂质软 粘土，持力层也主要以粘土为主，在地基处理中，p c c 桩为摩擦桩。根据国内 外规范和试验，粘土中摩擦桩群桩和单桩划分桩间距取6 d ( d 为桩径) 较为合适 1 1 8 。当桩间距小于6 d 时，由于桩侧摩擦力的扩散作用，群桩中各桩分布的应力 相互重叠，而群桩桩尖下的地基强度并不容许大于单桩地基强度，因此在粘土中 的群桩承载力小于单桩。对沉降来说，群桩桩尖下应力传播深度比单桩深，在群 桩中各桩受到与单桩相等的荷载时，群桩的沉降比单桩大。作为应用在软粘土中 的p c c 群桩是否有着相同的作用规律，以及如何选择单桩影响范围，将直接关 系到p c c 桩的设计计算，有着十分重要的意义。 在路堤荷载下，p c c 桩复合地基的垫层由碎石和土工格栅构成，由于桩间距 较大，桩间土体的承载能力有着较大的发挥，桩上部土体沉降将大于桩体沉降， 9 第一章绪论 出现了较大范围的负摩擦区。负摩擦区的存在等价于桩的上部受到附加向下的荷 载，使桩受到的荷载比普通桩基大，加大了桩体下部正摩擦的发挥，这将加剧桩 端土体附加应力的重叠。由于粘土中的摩擦群桩效应主要由桩侧摩阻力在桩端平 面的叠加影响决定【1 9 1 ，因此，p c c 桩复合地基存在较为明显的群桩效应。研究 软土地基加固中的p c c 桩复合地基的群桩效应，有利于了解p c c 桩群桩作用的 性状，提高地基加固效果，能更好的为工程实践服务。 第五节刚性桩复合地基群桩作用研究现状 刚性桩复合地基中，由于填土( 或垫层) 的变形协调作用，使群桩的桩一桩， 桩一土，桩一垫层之间的作用机理与普通桩有着很大的差别。桩间土体的荷载分 担，一方面使桩间土体的密实度增加，加大了桩对土之问的侧向约束作用，另一 方面，桩间土体受到荷载以后使桩周土体和桩端土体的附加应力增加，桩体达到 极限荷载时变形减小。填土( 或垫层) 的荷载分担作用使复合地基群桩作用性状的 研究变得更加复杂，成为复合地基的另一个难点问题。许多学者通过试验，理论 和数值模拟分析，得到一些研究成果。 1 5 1 研究现状 试验研究 马海龙等1 2 0 l 根据现场试验，研究了水泥土群桩在软土加固中的承载特性。在 桩径不变的情况下，改变桩长，桩间距和桩数，得到了水泥土群桩的承载力不随 着桩长的增加而线性增加，存在极值；减小桩间距( 提高置换率) 能显著提高水 泥土群桩的极限承载力；随着桩数的增加，群桩中基桩的极限承载力比单桩复合 地基小，桩数越多，减小的比例也越大。 潘纪顺【2 1 】等通过喷粉桩单桩、双桩和四桩的复合地基静载试验，得到双桩、 四桩复合地基中基桩平均承载力约为单桩的8 8 和7 8 ，存在明显的群桩效应， 较小桩径可以减小群桩效应的影响。 佟建兴等瞄l 通过对水泥粉煤灰碎石桩群桩复合地基的现场试验研究，得出在 同一荷载作用的，随着桩数的增多，群桩复合地基沉降增大，群桩效应增强。 郭明田等瞄】根据实际工程需要，设计了c f g 桩复合地基的正交试验，得到 了在c f g 复合地基设计中，减小桩间距和增加桩长对承载力提高有显著效果， 增加桩径次之；若以控制沉降为目的，增加桩长作用明显，其次是减小桩间距， 桩径的变化对沉降变化影响不大。 理论研究： 对于刚性桩复合地基，理论研究明显落后与工程实践，所用的设计方法来源 l o 第一章绪论 于散体材料桩和柔性桩复合地基的计算公式。其主要思想是：先分别确定桩体和 桩间土体的极限承载力。然后再根据一定的原则将这两部分承载力叠加得到复合 地基的承载力洲，计算公式为： p 旷= m p r ，+ a ( 1 一所) p 矿 其中船，p ，：桩和桩间土实际极限承载力 m ，a ：桩体破坏时，桩间土极限强度发挥度和复合地基置换率。 构成复合地基的单桩比自由情况下单桩极限承载力要高，主要原因是作用在 桩间土上的荷载使桩间土对桩体的侧向挤压作用增加，从而复合地基中桩体的承 载力提高。在设计时，常用静载试验下的单桩极限承载力乘以一个扩大系数作为 复合地基单桩的极限承载力。然而影响扩大系数的因素很多，如成桩过程中，桩 对土的扰动和挤密作用，群桩中桩对土的侧限作用，和桩体材料等，因此该系数 虽然考虑了桩土、桩桩之间的相互做用关系，但在实际工程中很难确定，也无法 得到普遍应用。 复合地基的极限承载力计算的另一种方法是稳定分析法瞄l ，将复合地基群桩 加固体和天然土体的作为一个统一整体，采用圆弧分析法计算。原理为：先假设 地基土的滑动面呈圆弧性，在假设的滑动面上，总抗滑力与剪切力的比值为滑动 破坏的安全系数，然后根据不同的滑动面，得到不同的安全系数，通过试算可以 找出最危险画面和确定最小的安全系数。以圆弧计算方法为基础，根据要求的安 全系数计算得到地基承载力。 复合地基沉降计算的研究落后于复合地基的承载力发展水平。这主要是刚性 桩复合地基的在荷载作用下的应力分布场和位移场分布研究较少，实测资料更 少，无法准确的研究冈性桩复合地基沉降计算理论。 刚性桩复合地基由于桩身强度较大，加固区压缩量较小，复合地基的整体沉 降主要发生在下卧层。考虑到群桩影响的计算方法主要g e d d e s 的弹性解法 2 6 1 。 加固区沉降 下卧层沉降 围t 4刚性桩复合沉降计算方法 g e d d e s 把单桩所受荷载分为桩端集中力，桩侧均布摩阻力和桩侧线性分布的 第一章绪论 摩阻力，然后根据弹性理论半无限体中集中力作用下的m i n d l i n 应力积分解。 许多学者根据不同类型刚性桩复合地基的试验，运用弹性力学理论，研究了 复合地基单桩简化承载力和沉降计算方法，得到单桩复合地基的应力分布。对于 群桩复合地基，地基中的竖向应力等于单桩产生应力的叠加。在计算复合地基时， 黄绍铭【2 7 】建议将桩和桩间土产生的应力分开计算，然后用分层总和法计算下卧层 的总体沉降。 通过简化刚性桩复合地基的侧摩阻力和变形关系，池跃君脚】利用桩、土、垫 层纸浆的变形协同作用，得到了计算大面积刚性桩复合地基群桩中桩间土变形的 简化计算方法，并利用该方法得到了复合地基群桩荷载分担随参数变化规律1 2 9 】。 雷金波【刈以土力学和弹性理论为基础，采用等沉面的概念，通过考虑刚性桩 复合地基桩体的上、下“刺入”变形，推导出能够反映沉降不均匀地基和带帽桩 复合地基桩土应力比计算公式。 数值模拟研究： 随着仿真技术发展和计算机性能的提高，大规模计算所用的时间大大减少， 群桩复合地基数值方面的研究也进入了一个新的阶段。很多学者在群桩作用机 理、群桩相互影响等方面进行了研究。 总的来说，群桩复合地基的研究还是以地基承载力和沉降变形研究为主，存 在两种理论：一类是传统的“群桩”有限元理论，在加固区内，桩和土设置不同 的单元，桩土之间通过设置接触面来模拟相互作用。该方法能分析复合地基的承 载机理，桩土之间可以产生滑动破坏，但对于大规模的群桩模型，由于自由度太 大而使计算难以收敛；二是采用复合本构有限元，将加固区视为由桩和土组成的 均质各向异性的复合材料，通过合理的方式建立能反映复合地基整体特性的本构 关系。然后利用再有限元方法求解，该法在分析群桩复合地基划分单元时，不必 考虑桩的存在，因此也无法模拟桩土之间的相互作用。 复合地基群桩的主要成果有： 韩杰和叶书麟【3 l l 用有限元分析了复合地基的应力分布特征，研究了桩土应力 比，桩土体的荷载分担比和桩体的应力集中现象。 张雁和黄强【3 2 】用有限元分析了半刚性桩复合地基的应力和沉降规律，发现地 基从无桩到有桩、桩体强度从低到高、桩数从少到多，地基中的垂直应力扩散范 围、扩散深度逐渐增大。桩群具有应力集中和应力扩散的双重作用，应力集中指 的是桩基础的高应力主要分布在桩周小范围和桩端以下的土体中，水平向附加应 力扩散分为与浅基础相比小了很多；应力扩散指的是桩基础将桩上大部分荷载向 桩端深层土体传播，造成桩端应力集中的高应力现象。 李宁和韩炬【3 3 1 利于有限元模型模拟了褥垫层多复合地基的作用机理，得出对 刚性群桩复合地基来说，褥垫层能减小桩顶应力集中，均匀分配边，角，中心桩 第一章绪论 荷载，降低边、角处桩体刺入破坏和鼓胀破坏的危险，提高内桩的荷载分担量， 从而提高群桩整体的承载力。对于桩侧摩阻力来说，褥垫层使桩产生明显的上刺 ，童形，出现明显的负摩擦区，有利于桩长范围内桩土摩擦力的发挥。 曹明刚通过建立有限元刚性群桩分析模型，得出随着垫层厚度的增加，桩顶 沉降变化不大，但桩问土沉降加大，角桩，边桩和内桩的荷载分担差别减小；随 着垫层模量的增加，内桩轴力明显较小，边桩、角桩增加。刚性桩也存在“有效 桩长”的概念，桩的长径比对减小基础沉降和提高承载力有明显作用，但当d d 达到一定值时，作用不明显。当桩间距大于3 倍的桩径时，桩问土的承载力能很 好的发挥，基础沉降与桩间距成正比。 王瑞芳，雷学文【3 5 1 以c f g 群桩为基础，研究刚性群桩复合地基的应力变化 规律，得到垫层厚度的增加可以调节边、角、内桩的应力与荷载分布，减小承台 的架越作用，同时，刚性桩也存在“有效桩长”。 李小青，周伟【3 6 】考虑了桩土接触特性，对复合地基承载机理的做了数值分析 研究，得到，群桩中各桩的侧摩阻力的发挥均小于单桩；对于不同位置的桩荷载 分担来说，角桩最大，边桩次之，中心桩最小。群桩中，基桩轴力与单桩不同， 群桩中，上部和下部小，中间大，位于0 2 - 0 6 出现最大应力，应加强桩身中部 材料特性。 雷金波【3 7 】通过建立p t c 疏桩模型，全面研究了带帽刚性桩复合地基的性状 规律。对于p t c 桩，当桩间距大于5 - 6 倍桩径时，群桩效应不明显，工程群桩 中桩长大于7 5 倍桩距时，可以看作带帽单桩来看待；桩帽能明显较小复合地基 的整体沉降和最大沉降；桩长对减小整体沉降效果明显，在深厚软土中可以通过 选择较长的桩穿过软土达到满足控制地基最大沉降和工后沉降的要求。 1 5 2 存在的问题 刚性桩复合地基的运用已经很广泛，但其理论和试验研究远远落后于实际工 程，刚性桩复合地基的作用机理虽然已经有所进展，但没有形成一套可行的规范 来指导工程实际，特别是群桩方面，很少考虑桩桩、桩土、桩垫层之间的相互影 响，存在的问题有以下几个方面： 试验 现场试验虽然能很好的实际工程的几何条件、边界等条件，但和其他岩土工 程一样存在以下缺点： 一需要埋设大量的检测仪器和大型的加载设备，花费巨大的人力物力， 如果试验周期较长将影响正常的工程施工。 一天然土层的物理力学性质有明显的各项异性，不同地点的仪器监测只 能反映该点的情况，存在明显的局限性，给数据处理带来困难。 第一章绪论 与现场试验相比，室内试验条件和土层参数都能得到较好的控制，试验速度 较快，能够按照根据试验目的改变试验参数，还可以重复试验，以及加载到破坏 等。但室内试验要能反映实际工程情况必须满足一定的“相似性【3 叼”，也就是本 构关系、物理方程和协调方程的相似，同时，室内试验存在明显的尺寸和边界条 件的影响，不能得到原状土样，因此存在一定的误差。 室内足尺试验和离心机试验是现在运用较多的用来分析刚性桩复合地基作 用机理和群桩效应，能较好的满足工程实际情况和试验仪器设置，但试验花费较 高，一般科研单位难以支付其费用。 理论 刚性桩复合地基的设计和计算理论都是建立在经典的土力学和弹性力学理 论的基础上，没有考虑土体的实际承载和变形性状。 在刚性桩复合地基中，填土或柔性垫层为一般散体材料，并在填土或垫层中 设置一层或多层土工综合织物，以p c c 桩复合地基为例，垫层材料一般为碎石 和砂，在垫层中设置土工格栅，在受到竖向荷载时，桩定垫层受到压缩后，有向 桩间土体的流动现象，以及土工织物固定、与垫层材料的摩擦关系等，将使群桩、 土、垫层相互作用的本构关系更加复杂。因此国内没有建立统一桩土荷载分担理 论来指导复合地基的设计。 有限元模拟 有限元作为数值模拟工具，经过几十年的发展，日益完善，功能越来越强大。 在模拟刚性桩复合地基方面人存在以下几个方面的问题： 一桩、土、垫层的本构关系。作为刚性桩复合地基的桩体是经过人们选 择的，其本构关系可以通过试验测得。如p c c 桩，桩体材料为素混凝土，可以 根据砂石的级配，水泥和水的用量通过计算或试验得到。而垫层在复合地基受荷 载作用时，边界条件和约束条件与室内试验不同，同时在施工工程中，当碎石颗 粒受到荷载过大会出现破碎，因此很难建立和实际情况一致的本构模型。土体是 天然沉积物，存在着复杂的应力应变关系，很难根据室内或现场试验得到真实的 本构关系。不同的土体本构关系有着明显的区别，且工程土层往往是各种土体的 混合体，因此很难选择统一关系来模拟所有的应力和变形关系。 一桩、土、垫层的接触问题。刚性桩复合地基群桩中由于桩、土刚度存 在较大的差异，在用有限元模拟时要设置接触面。常用的接触面本构关系和参数 可以通过试验测得，而在实际工程中，p c c 桩是现浇混凝土桩，由于桩体混凝 土在凝固过程将和土体产生物理和化学连接作用，桩土摩擦作用增强，使p c c 桩桩土摩擦关