（岩土工程专业论文）cfg刚性桩复合地基承载性能研究.pdf

c f g 冈u 性桩复合地基承载性能研究 摘要 c f g 刚性桩复合地基在地基处理中应用越来越多，然而，对其承载 性状和工作机理的试验研究则开展的较少。 本文通过试验研究、理论分析及相关讨论，并利用数值分析方法 研究c f g 刚性桩复合地基的承载性状和工作原理。分析了c f g 桩复合地 基荷载作用下桩一土的受力性状和影响竖向承载力及变形的因素，对 现行规范给出的竖向承载力计算公式进行了讨论，采用荷载传递法， 以弹性一塑性模型分析了桩一土共同工作的荷载传递机理；载荷试验对 复合地基的桩土分担荷载情况和垫层的压缩及变形特征进行了较全 面的量测，揭示了复合地基的荷载传递的过程以及垫层的加入对承载 力和变形特性的影响；阐述了垫层作用机理，通过设置褥垫层，使桩 与桩间土之间的应力分别达到调节和平衡，减少了基底的应力集中， 并为充分利用桩间土的潜力，节省工程造价提供了有利手段，但是褥 垫层的作用也是辩证的，不能简单认为垫层对提高复合地基承载力和 减少沉降变形一定是有利的；通过数值模拟探讨了垫层厚度和垫层模 量对桩身轴力、桩侧摩阻力以及复合地基荷载一沉降特性的影响规律， 并对影响桩土应力比的桩间土模量、桩端土模量、垫层模量和厚度等 因素做了分析，进一步揭示了c f g 刚性桩复合地基承载特性。 关键词：刚性桩承载力桩土应力比褥垫层载荷试验数值模拟 s t u d yo nt h eb e a r i n gc h a ra c t e r i s t i co f c o m p o s i t ef o u n d a n o nw i t hc f gr i g i dp i l e s t h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hc f gt i g i dp i l e si sm o r ea n dm o r e p a i da t t e n t i o nt oi np r a c t i c ee n g i n e e r i n g h o w e v e r , al i t t l ee x p e r i m e n ta n d r e s e a r c ha b o u ti t sb e a r i n gb e h a v i o ra n dw o r k i n gm e c h a n i s mh a v eb e e n t h e p a p e r i sc o n c e n t r a t eo n b e a r i n g b e h a v i o ra n d w o r k i n g m e c h a n i s mo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t h 蟛dp i l e sb ye x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，r e l a t e dd i s c u s s i o na n dn u m e r i c a la n a l y s i s t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ev e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o no f c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hc f gp i l e , st h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa r e m e n t i o n e d ，a n dt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l ao fv e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yg i v e n b yt h ec o d ei sd i s c u s s e d l o a dt r a n s f e rm e c h a n i s mo fp i l e s o i lw o r k i n gi s a n a l y z e db a s e do ne l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t ym o d e l t h el o a dt e s tf o c u s e s o nt h el o a da l l o c a t i o nb e t w e e np i l ea n ds o i la n dt h ec o m p r e s s i o na n d d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc u s h i o n t h et e s t sd i s c l o s et h ep r o c e s so f t h el o a dt r a n s f e ra n dt h ec u s h i o ne f f e c t i n go nb e a t i n gc a p a c i t ya n d d e f o r m a t i o n w o r k i n gm e c h a n i s mo fc u s h i o ni se x p o u n d e d t h ec u s h i o n c a nc o o r d i n a t et h es t r e s sr a t i oo fp i l et os o i l ，e a s et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n , a n dp r o v i d et h ea d v a n t a g e sf o rt h em a k i n gg o o du s eo f p o t e n t i a lc a p a c i t y o ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n ds a v i n gt h ec o n s t r u c t i o ne x p e n s e a tt h e s a m et i m e ，i ti sn o ta l w a y sg o o df o ri m p r o v i n gb e a r i n gc a p a c i t yo f c o m p o s i t e f o u n d a t i o na n d r e d u c i n g s u b s i d e n c e d e f o r m a t i o n b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c e so fc u s h i o nt h i c k n e s sa n dc u s h i o n m o d u l u so np i l es t e m ss h a f tf o r c e ，s k i nf r i c t i o n ，a n dc h a r a c t e t i s t i co f l o a ds u b s i d e n c ea r ed i s c u s s e d ，a n dt h ef a c t o r s ，s u c ha ss o i lb e t w e e n a d j a c e n tp r i e s ，s o i lb e n e a t ht h ep i l e ，c u s h i o nm o d u l u sa n dt h i c k n e s s ， w h i c hi n f l u e n c es t r e s sr a t i oo fp i l et os o i la r ea n a l y z e d t h eb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i co fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hc f g p i l e s i sf u r t h e r d i s c l o s e d k e y w o r d s ：啦硒p i l e ，b e a t i n gc a p a c i t y ，s t r e s sr a t i oo fp i l et os o i l ， c u s h i o n ，1 0 a dt e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进 行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、 学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其 它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 学位论文作者签名：李森奠 签字 1 期：i 卉6 ，占。 移、j 、 保证人c 导师) 签名- 下触签字h 期：2 氏一多a 7 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权 华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提 供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学 位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：李意杏、 导师签名_ r 孪墒 签字日期：厶q 舌签字日期：芝咖7 6 c 1 华北水利水电学院硕士学位论文 第一章概述 1 1 刚性桩复合地基的研究背景 近年来，随着我国国民经济的高速发展，国家基础设施的建设规模越来越大。 而与之相矛盾的是可供选择的优质土层和地层结构越来越少工业与民用建筑、 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，遇到的需 要加固的不良地基的迅速增多，特别是在人口密集的城市，随着与地面垂直方向 上空间的开发，对地基提出了越来越搞的要求，使得天然地基在承载力或变形方 面均无法满足基础的设计要求。 为了满足地基的强度、变形及抗震等要求，必须对天然土层进行人工处理。 于是桩作为一种能有效分担荷载及控制变形的手段，在土木工程领域得到了广泛 应用。桩基具有承载力高、应力传递途径简捷、地基变形小等优点，但桩基亦有 不足之处( 1 ) 未能充分利用土对承台的抗力；( 2 ) 采用桩基础，桩端需要有良好的 土层，这也是造成设计桩长过长的因素，不仅使桩基造价过高，而且对于城市将 来地下交通管网的发展尤为不利。因此，将桩基与天然地基有机组合在一起，充 分发挥两者的优势，共同承担上部荷载的人工处理地基即复合地基自然成为人们 的一种选择。近年来的工程实践表明，复合地基与天然地基相比，可提商承载力， 减小沉降，具有良好的社会效益和经济效益，已获得了广泛的应用。 随着地基处理技术的发展，复合地基的概念得到了很大的扩展。复合地基是 指在地基处理过程中，在天然地基中设置一定比例的增强体，对天然地基进行纵 向或横向加固。其设计思想是在充分发挥土承载力的条件下，在天然地基中通过 特定的工法使部分土体增强或置换为增强体。增强体的材料强度和变形模量比天 然地基土高得多，从而达到提高地基承载力和被加固土层变形模量的目的，共同 承担建筑物的荷载以及减少地基的变形。复合地基按照在地基中设置的增强体的 方向可以分为竖向增强体复合地基和横向增强体复合地基。竖向增强体复合地基 又可称为桩体复合地基。桩体复合地基根据竖向增强体的性质可分为三类：散体 材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基跚。 由于刚性桩复合地基能达到高层建筑所要求的地基承载力，沉降小，适应多 第一章概述 种土层等特点，所以目前应用很广嘲据不完个统计，国内目前应用刚性桩复合 地基的省、市、自治区已有2 3 个，工程超过1 0 0 0 多项。而且随着经济的发展，刚 性桩复合地基的加载量越来越大，承载力大幅度提高。北京及其周边地区更是大 量采用这种复合地基，己建高层建筑达3 0 0 多栋，其中绝大多数为2 0 - 3 0 层，并有 几十栋3 0 3 5 层的超高层建筑“1 。 国内从8 0 年代末开始研究应用刚性复合地基加固技术，迄今为止不过十几 年。尽管刚性复合地基已在理论取得了相当的进步，但是和发展迅速的刚性复合 地基加固技术相比，其设计分析理论明显落后于工程实践。刚性桩复合地基的褥 垫层使桩、士共同承担荷载，可褥垫层的加入使得刚性桩复合地基的荷载传递枫 理和破坏过程变得非常复杂，加上现场条件的多变性。在工程设计中，缺乏简便、 有效的计算方法，与承载力和变形有关的各项系数的取值大多凭经验确定，有很 大的盲目性。这些状况使得在刚性桩复合地基的应用中或者造成较大的浪费，或 者由于强度变形不满足要求而发生事故。 因此，对刚性桩复合地基受力机理的试验与理论分析研究，弄清其作用机理， 为复合地基的设计应用提供更为准确的理论依据，具有重要的学术价值与应用价 值。 1 2 发展概况 1 2 1 工程应用嘲 现代地基处理技术起源于欧洲，1 8 3 5 年法国工程师设计了最早的砂石桩，设 计桩长2 m ，直径2 0 c m ，每根桩的承载力为l o k n 。该桩应用于海湾沉积软土上建造 兵工厂的地基工程中。由于1 9 世纪科学技术水平的限制，地基处理技术发展缓慢。 直到二次大战后，由于科学的进步和大规模基础建设的兴起，地基处理技术才得 以广泛重视，并迅猛发展。 砂石桩技术二次大战以后在原苏联得到了广泛的应用，并在施工工艺、计算 方法理论以及施工机械等方面均取得了较大的成就，研究提出了振动和锤击等施 工方法，以及土桩和挤密桩等新型桩型，并提出了相应的设计理论。日本子1 9 5 8 年提出了振动重复拔管的砂石桩新型施工方法，该方法的实行使砂石桩的应用水 平提高到了一个新的水平。 2 华北水利水电学院硕士学位论文 1 9 3 4 年原苏联阿别列夫教授首创了土桩挤密法，对湿陷性黄土进行深层处 理，取得了极大的成功。1 9 3 6 年德国工程师s s t e u e r m a n 提出振冲法的原理。1 9 3 7 年s s t e u e r m a n 供职的j o h a n nk e l l e r 公司研制了第一台具有现代振冲器形式的 雏形振冲器，用于处理柏林一幢建筑物的7 5 m 深的松砂地基，使地基的承载力提 高1 倍。1 9 5 7 年振冲器引入英国，英国工程师j o h a n n k e l l e r 公司的电动振冲器改 为用水力驱动，将振冲器的作用进一步扩大。日本于2 0 世纪5 0 年代用振冲器加固 油罐的松砂地基来提高地基的抗液化能力，加固效果得到地震的实际考验。 2 0 世纪6 0 年代法国m e n a r d 技术公司首创了强夯法处理地基( 也称动力固结 法，英文为d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ) 。2 0 世纪7 0 年代，日本最早将高压 喷射技术用于地基加固和防水帷幕，& p c c p i 法。也就是我们现在说的高压喷射 法( j e t g r o u t i n g ) ，也称为旋喷法。第二次世界大战以后的美国发明了深层搅拌 法地基处理技术，当时称为m i p 。在2 0 世纪7 0 年代，该技术在日本得到了进一步 的完善和推广。 j + 我国的现代地基处理技术自2 0 世纪5 眸代开始。1 9 5 9 年我国引进原苏联砂石 桩地基处理技术，首次在上海重型机器厂采用沉管挤密砂桩法进行地基处理， 1 9 7 8 年又在宝山钢铁厂采用振动重复压拔管砂桩施工法处理原料堆场地基。近2 0 年来，砂石桩地基处理在工业、油罐、堤防、码头、原料堆场、路堤等领域得到 广泛应用。 6 0 年代中期，我国对土桩挤密法进行了大量的试验研究，为解决西安地区的 杂填土地基的深层处理问题，发明了灰土挤密法，并用之进行湿陷性黄土地基的 处理。大量的工程实践表明，该法对消除黄土的湿陷性效果显著。目前，土桩挤 密法和灰土桩挤密法已经在广大的黄土地区得到了广泛的应用，成为湿陷性黄土 地区地基处理的主流方法，取得了很好的效果。 1 9 7 7 年我国开始应用振冲法加固地基，水利部南京水利科学研究所和交通部 水运规划设计研究院共同研制出我国第一台1 3 k w 的振动水冲器，1 9 7 7 年9 月首先 应用于南京船厂船体车间软粘土地基加固，加固深度达到1 3 1 8 m 。近年来，电 力部北京勘测设计院研制了7 5 k w 的大功率振冲器，应用于四川省铜街子水电站 工地穿过厚8 米的漂卵石夹砂层对下面的细砂进行振密处理( 康景俊、尤立新， 1 9 8 5 ) 。 第一章概述 冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院于1 9 7 7 年1 0 月进行深层搅拌 法的试验和设备研制工作，并于1 9 8 0 年在上海宝钢三座卷管设备基础软土地基加 固工程中获得成功。 1 2 2 理论研究 复合地基的设计应用需要综合地基的强度和地基的沉降量这两个相辅相成、 相互联系得方面，而这两个方面正是由复合地基的承载力所决定，因此，解决了 复合地基的承载力问题也就等于解决了复合地基设计应用的根本问题。复合地 基的承载力牵涉到桩体承载力和桩间土承载力两个部分。在复合地基破坏时，可 能桩体先破坏，也可能是桩问土先破坏，也可能是同时破坏。一般研究表明，复 合地基破坏时桩体先发生破坏的情况比较多，而此时桩间土强度到底发挥到什么 程度需要估算嗍。 目前对刚性桩复合地基分析研究主要有试验研究、数值解析和理论求解。其 中，试验以单桩复合地基载荷试验为主，大多是测定p - s 曲线，其中部分试验测 出了桩土应力比，大部分试验是大比例模型试验。数值方面的研究内容主要是考 察垫层介入复合地基后，桩土荷载分担与桩身轴力的变化情况，以及对模型试验 的模拟计算，考察各个设计参数对刚性桩复合地基承载性能和变形特征的影响 在解析求解方面，由于垫层的加入以及桩土界面的相对滑移，使得求解刚性桩复 合地基解析解变得十分困难。所以在求解过程中大都是做出各种假定、简化力学 模型。 ( 一) 试验研究 r wc o o k e m 在伦敦粘土上做了群桩的现场测试试验，此试验验证了计算群 桩沉降和受力时运用叠加原理的可行性，并实铡了相互影响系数。 h g p o l o u s 。1 讨论了减沉桩( 为减少沉降而设计的桩) 的设计理念，通过试验 描述了减沉桩的特性。 c f 1 e u n g 叫对一座4 2 层的塔楼的桩筏基础进行了监测，试验表明，单桩试 验时桩的受力情况和实测的群桩桩体受力情况很不一样。 r w c o o k e “”观测了伦敦北部一座1 6 层大楼的桩筏基础受力变形情况，数据 显示，在群桩中，外围桩所承受的荷载是内部桩的两倍，筏下土的竖向位移较大 j u a n m ”现场实测了静压桩在打桩过程中的周围土体的动力和静力特征，测 试了空隙水压和土体的侧向位移的变化情况。 4 华北水利水电学院硕上学位论文 阎明礼等“”通过大比例室内模型试验对复合地基进行测试，试验中嵌桩顶 及桩间土内埋设压力盒以测定桩土分担情况。研究了褥垫层的厚度对复合地基的 承载性能的影响，他们认为随着褥垫层厚度的增加，基础底面压力可近乎达到均 匀分布，桩顶对应的基础底面测得的应力与桩间土对应的基础底面测得的应力之 比随垫层厚度的增加而减小，增加褥垫层厚度可以使桩间士承担较大的荷载；褥 垫层厚度越大，桩顶水平位移越小，桩顶受到的水平荷载越小；考察了不同垫层 厚度情况下的桩土荷载分担情况，比较了不同桩长、垫层厚度对桩土分担的影响， 对不同的桩身模量进行大比例模型试验表明：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刚性桩复合地基 承载性能的影响不大；又对不同桩长情况下单桩复合地基沉降特性进行对比，试 验表明：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；同时测试了桩长、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；针对上部土质条件 较好、下部土层相对较软时的复合地基试验中在桩顶及桩闻土内埋设压力盒，在 桩间土不同深度处埋设柔性深标及桩顶埋设表面标，以测定复合地基的变形场及 基底反力；又对桩端持力层不同的单桩复合地基进行现场载荷试验表明：相同荷 载下，桩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；同时采用模型试验测得了桩土受力时的曲线，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。 吴春林等“”在软土地基中进行了单桩复合地基( 1 2 x 1 2 的以及4 桩复合地 基( 2 4 x 2 4 m 2 ) 的现场试验，主要研究分析了桩与桩间土压力分布及c f g 桩复合 地基承载力计算方法。试验桩长1 0 m ，桩径3 6 0 r a m ，置换率m 为0 0 7 1 ，砂垫层1 0 0 m 厚。通过在砂垫层中及桩项埋设的压力盒，测出了桩、土压力分布，并提出c f g 桩复合地基承载力的简易计算方法计算复合地基承载力： 一帆+ 迅+ 掣 ( 1 一1 ) 式中：r 为天然地基承载力( k p a ) ；q 为单桩承载力( 孙r ) ；玛、1 2 分别为内 外区域面积与总面积的比值，鸭- 4 a ，m 2 - 4 a ；叩为内外区域地基土平均 应力的比值；n 为总桩数。 5 第一章概述 张东刚“5 通过两组群桩复合地基现场试验，研究了复合地基的变形特性其 中第1 组为6 桩复合地基，荷载板尺寸为2 o x 3 6 m ，垫层1 5 0 r a m 厚；第2 组为4 桩复合地基，荷载板尺寸为2 3 x 2 3 l n 2 垫层2 0 0 r a m 厚。两组试验桩长均为1 5 m ， 桩径3 8 0 唧，桩间距1 2 m 。试验通过埋设深标量测了复合地基的深层变形特性， 同时第2 组又在垫层埋设了压力盒以测定桩土分担。在此试验的基础上，按照土 承担的荷载计算沉降的方法。复合地基的总变形s 为： s - 墨+ 屯 式中：而为桩间土变形，屯为桩尖下卧层变形。 ( 1 - 2 ) 墨。窆罢龟一a l 一毛。孔) ( 1 3 ) 筒c d 式中：第i 层土的压缩模量( m p a ) ；以桩间土表面平均应力( k p a ) ； 磊，z l _ 2 桩间土表面分别至第i 层和第i 一1 层底面的距离( m ) ； q ，a i 一桩间土表面分别至第i 层和第i 一1 层底面范围内的平均附加应 力系数，由建筑地基基础设计规范g b j 7 - 8 9 附录十查得。 桩尖下卧层的变形s ：由通过桩传递的应力和桩问土传递的应力造成，由于褥 垫层的存在考虑到应力集中范围有限，该应力分布可按褥垫层上总荷载计算，这 时桩尖平面以下的应力由a 。按角点法计算，从桩尖平面以下开始到有较厚相对 硬层为止。 李春灵“町通过有、无边载作用下c f g 桩复合地基静载荷试验的对比，分析了 边载对复合地基的影响。该试验为两组9 桩复合地基大比例模型试验，分别模拟 埋深6 m 和埋深为零的情况。试验桩长为2 5 m ，桩径1 5 0 m l l l ，垫层厚l o o m ，荷载板尺 寸为1 6 x 1 6 m 2 。试验测出了桩间土深层变形曲线，通过在垫层埋设的压力盒测 出桩土分担情况。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，建议可根据不同土类，结合工程经验适当提高深度修正系数。 张雁等“”在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，桩问土为饱和淤 泥，地基容许承载力为4 5 k p a ，桩径4 0 0 1 m ，桩长1 2 m ，桩端持力层为中细砂与淤泥 6 华北水利水电学院硕士学位论文 互层土，承载力为2 0 0 k p a 。观测结果表明，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，地基土平均反力很小，主要依靠桩承担荷载。 池跃君、宋二祥等“”1 进行了9 桩复合地基大比例模型试验。除测得复合地 基的荷载沉降曲线外，用压力盒测试了地基土中的应力场分布、桩顶及桩间土压 力，用钢筋计测试了桩身轴力，测试了沉降影响范围等；单桩复合地基原型试验 测出了桩周土应力场分布、桩顶及桩问土压力、桩身轴力、桩侧摩阻力分布等。 单桩复合地基原型试验还用沉降标测试了不同深度处土层的沉降，褥垫层的压缩 量，以及桩的刺入量。实验比较了垫层下存在软硬两种不同土层的情况下复合地 基承载特性的差异。得到如下结论：刚性桩复合地基的p - s 曲线一般为缓降型，承 载力与沉降的取值有关，设计由变形控制；荷载传递全过程中，土先于桩发挥承 载作用，随着荷载的加大，桩的作用才明显发挥出来，且在群桩复合地基承受荷 载时桩的承载力先达到极限；刚性桩复合地基中桩侧摩阻力的分布在上段为负、 下段为正，且桩的上段从加荷之初便有负摩擦，随着荷载接近极限值，负摩擦段 的长度减小；复合地基的变形场与应力场的分布是相对应的：桩土荷载分担比及 桩土应力比随荷载增加而增大，随荷载趋向极限值而趋于稳定，也就是说在估计 极限承载力与估算工作状态下的沉降时，应采用不同的桩土应力比n 。 朱世哲“”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。 ( 二) 数值分析 杨军等嘲采用三维有限元程序分析了垫层对桩身轴力，桩土荷载分担的影 响。他们对2 4 i n 条形基础下的刚性桩复合地基进行了计算，有限元计算域尺寸为： 沿基础纵向取0 8 单元长度，宽度取9 6 m ，深度取1 4 m ，垫层厚2 0 0 m m ，桩长7 8 m 。 该计算中土体模型采用o 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 情况下的桩土分担及桩身轴力。计算表明，在复合地基中设置褥垫层后，由于桩 土相对变形得到有效地调整，在桩顶平面处，桩尖土反力大幅度提高，桩顶分担 的外荷载减少。 阎明礼等“”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，分析了群桩中垫层对变形场，竖向应力等值线的影响；基 础宽度及桩间距对竖向应力等值线的影响。该计算中土体模型采用d u n c a n - c h a n g 7 第一章概述 模型。计算内容为不同荷载级别下的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。同时又计算了桩长、桩间距相同，仅 基础宽度变化以及桩长、桩数相同，仅桩间距变化两种情况下的竖向应力等值线， 根据计算给出了刚性桩复合地基端阻力随影响因素( 基础宽度、桩间距) 的变化规 律。 池跃君、傅景辉等采用有限元法进行了大量模拟，分析了竖向荷载作用下 单桩及群桩复合地基受力变形特征，讨论了各主要设计参数的影响，包括荷载水 平、垫层厚度及垫层模量、桩长等对承载性能和变形特性的影响。计算单桩复合 地基时土体、垫层为d r u c k e r - p r a g e 弹塑性材料，桩体为线弹性体，底板刚性， 桩土界面和荷载板与垫层问不发生相对滑移。计算群桩时复合地基时采用线弹性 模型。得到以下结论：同天然地基相比，刚性桩复合地基一方面调动了上部土层 的承载力，另一方面又充分利用了深层土体的承载力，使应力沿深度扩教，土层 的压缩分布亦同样加大。垫层的存在，一方面通过桩的向上刺入极大的降低了桩 项的应力集中，使得基底受力均匀；另一方面降低了基础对各桩体的位移的竖向 约束，减小了中心桩与边角桩应力比的差异，使基础弯矩减小。随桩间距增大， 复合地基沉降增加，各桩的工作特性逐渐接近于单桩复合地基，桩的荷载分担比 减小，土体的荷载分担比增大。随着桩间土体模量的减小，桩土应力比与桩的分 担比都增大，但在桩土模量比大于一定值后，各桩应力比及荷载分担比都趋于稳 定。随桩长的增加，复合地基沉降减小，桩的应力比有所增加，荷载分担比也相 应增加。无论通过改变桩距还是桩径来改变复合地基的置换率，桩土应力比均随 置换率的增大而减小，桩身应力也减小。 李宁等脚“1 用数值分析的方法将褥垫层对复合地基承载特性的影响作了较 为全面的分析。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 结点接触面单元， 接触面单元服从m o h r 弋o u l 伽破坏准则。结果发现褥垫层可以显著地降低桩上荷 载的集中程度，提高土承载能力的发挥，削弱群桩的“边角效应”，减小桩身应 力，提高复合地基的整体承载能力。垫层对复合地基桩身应力、桩侧摩阻力、桩 问土应力等的影响一般均在浅层。另外，随着桩体刚度的增大，褥垫层的上述作 用越显著。 8 华北水利水电学院硕士学位论文 郑东明等嗌1 采用八节点轴对称有限元对不同垫层厚度的情况作了计算。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。 该计算中承台、桩体为线弹性体，土体为非线性d u n c a n - c h a n g 模型，垫层为 i ) r u c k e r p r a g e 理想弹塑性模型，并认为桩与周围土不发生错动。计算结果表明， 褥垫层厚度h - - o 时，桩身轴力在承台底部和桩顶部分达到最大值，然后随深度递 减。褥垫层厚度h 一0 时，桩身轴力最大部位不在桩顶，而位于桩顶下0 5 - 1 2 m 之间。随着褥垫层厚度不断地增大，其桩轴力相应地降低，也即桩身间土负担更 多的上部荷载，桩土应力比n 值呈下降趋势。 葛忻声剀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，其中土体采用空闯八节点等参元，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。 朱世哲1 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问变化等，并和实测情况进行了分析比较。文中将地基土 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。 ( 三) 解析方法 阎明礼等“o 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。 傅景辉等嘲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；只考虑附加应力的作用；考虑桩土界面错动，此时桩侧摩阻力与桩土相 对位移关系如下式：当d s 戌时，f 一6 ；当6 ，戌时，_ r 一气。在以上假定的 巳 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t 的表达式， 然后采用分层总和法计算不同深度桩问土的沉降，最后利用桩土界面剪力与位移 9 第一章概述 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，进而求出桩土分担与 沉降。 沈伟等渊在傅景辉的基础上对群桩复合地基中的桩、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、土列竖向受力平衡微分方程，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。 池跃君等啪探讨了垫层的破坏模式，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 l e n c o n 破坏模式，产生极限平衡区而处于极限平衡状态，给出了桩 土应力比与垫层参数之间的关系式： 万s o y , ( 1 4 ) 式中，n q 为与垫层厚度h 、桩径d 、垫层内摩擦角由有关的系数，该式反映出了 三者对桩土应力比的影响作用。 朱世哲口1 1 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，并考虑了刚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 3 刚性桩复合地基当前存在的问题 刚性桩复合地基与散体桩和柔性桩嘲复合地基比，桩的端阻得以发挥，大 大减少了复合地基的沉降；与桩基础比，刚性桩复合地基桩问土的承载力得以更 好发挥。从上面这个概念和目前对刚性桩复合地基的研究不难看出，刚性桩复合 地基的是不同与散体桩、柔性桩复合地基和普通桩基础但又与两者密切相关，所 以我们的研究就首先要解决两个关键问题，一个是荷载如何在桩与桩间土分配与 传递的；另一个是复合地基的破坏过程。这里对目前存在的一些问题做一归纳： 一、复合地基破坏模式不清楚 由于单桩复合地基或多桩复合地基载荷试验很少加载至破坏，因此，对于刚 性桩复合地基破坏模式特别是加褥垫层后的破坏模式较少有研究。从承载力安全 角度，复合地基载荷试验如果不加载至破坏，而仅仅采用沉降比s b 确定的承载 力相对于单桩由桩身强度控制的极限承载力来说，复合地基承载力的安全度是不 明确的【删，有可能出现根据相对沉降s b 确定的承载力安全度不够的情况。 1 0 华北水利水电学院硕士学位论文 二、褥垫层的影响缺乏研究 目前对褥垫层的作用已在几方面产生共识：保证桩、土共同承担荷载，如不 设褥垫层，刚性桩复合地基类似于桩基，桩间土受力性能的发挥依赖于桩的沉降。 褥垫层的设置为刚性桩复合地基受荷后提供了上刺的条件，保证了桩间土始终参 与工作；减少基础底面应力集中作用，由于基础与桩土之间设置褥垫层，使基础 底面的应力集中明显减小；调整桩土荷载分担比，褥垫层可以有效地调整刚性桩 复合地基的荷载分配，使桩顶的应力集中现象减弱，使桩及桩间土都能更好地发 挥其承载性能；调整桩土的水平荷载分配，设置褥垫层后，使得刚性桩复合地基 所承受的水平荷载不再仅由桩承担。 + 由于如上所述的作用，褥垫层成为了复合地基设计的关键。可是垫层刺入量 引起的沉降是不可控制的，如果垫层过厚增加了基础沉降，同时也会导致桩的作 用发挥不出来。另外研究桩身摩阻力的发展过程，如果桩向端层土的下刺入量能 使桩顶也出现正摩阻力的话，那么达到极限状态以后的工作性能和普通桩基一 样，垫层就没用了。所以需要进一步研究垫层对复合地基承载性能的影响。 三、桩的工作状况不明确 桩身负摩阻力将桩周土中的一郁分荷载转嫁给桩，其实质是桩间土的荷载分 担比减小了，而桩的荷载分担比增大了，虽然相对于单桩复合地基承载力而言， 这一转换荷载的大小是有限的。然而群桩复合地基中当桩间距较小时，这一转移 荷载的大小是不可忽略的。此时虽然在桩顶处土体分担了很多荷载，但实际上绝 大多数的荷载通过负摩阻力又传给了桩而并未沿竖向分散开来，这样垫层虽然促 使了桩间土参与复合地基的工作，但最终荷载还是由桩来承担，结果可能反而会 因为垫层的存在使沉降相对加大。另外，大面积群桩复合地基的桩土应力比明显 大于单桩复合地基，单桩复合地基和群桩复合地基的工作机理是不一样的，一般 来说，群桩复合地基承受荷载时桩的承载力先达到极限。 四、桩问土的发挥程度 我们就刚性桩复合地基中土的承载力发挥程度是多少，考虑褥垫层的作用， 针对两种情况进行讨论：垫层材料非常密实，那么褥垫层就相当于承台的一部分， 复合地基的破坏形式必然是类似桩基的桩破坏，由于桩距小，土的承载力发挥不 出来；或者垫层材料的刚度非常小，垫层很厚时，极限状态破坏时，桩必然刺入 1 1 第一章概述 垫层，承台产生大的沉降，桩头与承台接触，继续加荷则仍为桩基的破坏形式， 虽然由于桩向上刺入使土分担了荷载，但由于负摩阻力将荷载向桩转移一部分， 桩间土能真正有效分担多少荷载值得进一步研究。此外，当群桩如属整体破坏， 桩与桩间土形成整体下沉时，桩顶处桩问土分担荷载就失去了意义。以上两种情 况说明在两种极端情况下的极限破坏时都将回归为小桩距的纯桩基。然而在刚性 桩复合地基的承载力的计算公式中表明土与桩都充分发挥了承载能力。这样，我 们不得不考虑由于褥垫层的刚度不同，在中间状态下的极限破坏形态时褥垫层和 桩的受力状态，即探讨土的承载力的发挥情况，比较极限状态时刚性桩复合地基 中土的应力与极限状态时天然地基中土的应力，研究复合地基中土是否能像天然 地基那样发挥承载能力。 1 4 本文研究的工作方法 本文将通过对复合地基的荷载传递过程、褥挚层对刚性复合地基桩土荷载分 担比的影响和剐性复合地基承载力影响参数等河题的分析研究，揭示刚性桩复合 地基承载性能与变形特性，对刚性桩复合地基受力特性及设计分析提出自己的建 议。主要完成以下工作： 1 采用荷载传递法，以弹性一塑性模型分析了桩一土共同工作的荷载传递机 理，得到弹性区与塑性区的桩身截面位移解答，由桩身位移、轴力及桩侧摩阻力 的微分关系得到桩身不同区域的轴力与摩阻力解答，进而求出刚性桩复合地基桩 土应力分布。 2 通过现场载荷试验，对刚性桩复合地基的桩、土分担荷载情况及垫层的 沉降压缩进行了较全面的量测，针对现场原型试验的量测结果，分析了复合地基 的荷载传递和沉降发展过程以及垫层对复合地基承载特性的影响。 3 建立一种既能考虑桩土相对滑移又能考虑桩土问相互作用的计算模型， 用美国i t a s c a 公司开发的f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) 程序计 算模拟刚性复合地基在外荷载作用下应力应变及沉降情况。 刚性桩复合地基承载性能与设计理论的研究是当前基础工程领域中一个前 沿的急待解决的课题，希望本文研究能为其发展带来帮助。 华北水利水电学院硕士学位论文 第二章c f g 桩复合地基承载分析 2 1c f g 桩复合地基的承载机理 c f g 桩复合地基同其它类型复合地基相比，具有承载力提高幅度大，变形模 量高等特点。c f g 桩自身本构关系呈线弹性，压缩模量受混合料石屑率、塌落度、 水泥粉煤灰比影响。可以通过改变桩体材料配比，桩径、桩长、桩距、垫层厚度 等设计参数，使承载力得以提高，尤其对天然承载力较低但加固后要求承载力有 较大提高的地基更为适用。同其它复合地基相比较，c f g 桩呈刚性，可全桩长发 挥侧阻作用，如果桩端能够落在较好的土层上也可很好地发挥端阻作用。因此， 利用c f g 桩加固地基，能收至良好的效果。 2 1 1c f 6 桩复合地基桩一土受力性状 一、在竖向荷载作用下的桩一土受力性状1 c f g 桩复合地基具有置换作用、挤密作用、边载作用和对土的约束作用等复 合地基效应。但又有其他复合地基不同的特性，c f g 桩和桩间土的相互作用是影 响c f g 桩复合地基竖向承载力的主要因素。 ( 一) 褥垫层的作用机理 在竖向荷载作用下，由于桩体的压缩模量远远大于土的压缩模量，桩的变形 要小于土的变形，褥垫层能够起到协调这种变形的作用。桩体向褥垫层刺入，构 成褥垫层的颗粒状散体材料不断补充到桩间土表面上，基础通过挤压褥垫层和桩 问土接触，使得桩和桩问土始终参与工作，并使桩间土在桩体沉降不断增加的情 况下不断发挥其承载力。随着时间推移，桩和桩间土的荷载分担趋于一常值。即 使桩端落在良好的土层上，也能由桩和土共同分担荷载。褥垫层的存在，使得桩 端不管落在软土层还是硬土层上，从开始加载桩就存在一个负摩擦区。在这个负 摩擦区z 。深度范围内，土的位移大于桩体位移，桩的轴力随深度增大；7 4 处桩体 的位移和土的位移相等，该位置为桩体的中性点，也就是最大轴向应力位置；z 口 深度以下，桩的位移大于土的位移，桩间土对桩体产生正摩擦阻力，而且随深度 1 3 第二章c f g 桩复合地基承载分析 逐渐减小，如图( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 。 图2 - 1c f g 桩桩身应力分布规律示意图 f i g 2 1c f gp i l es t r e & sd i s t r i b u t i n gr u l e ( - - ) c f 6 桩的置换作用 z 图2 - 2c f c 桩桩土位移示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a p o f c f gp i l e - s o i ls c t t l e m e n t 复合地基的置换作用主要取决于桩体材料的组成，c f g 桩中的细骨料粉煤灰 增加桩体的粘结强度，而且具有明显的后期强度。在复合地基增强体( 桩体) 系列 中，c f g 桩的置换作用最强，而且可以全长发挥侧阻，加大桩长可使复合地基置 换作用显著提高，承载力也有所增强。 由于c f g 桩复合地基的面积置换率较低( 一般在1 0 以内) ，桩对土的影 响相对较小，桩间土具有类似天然地基的性状。c f g 桩一般按c 1 5 “c 2 5 混凝土强 度等级设计，在上部荷载作用下，其桩身压缩性明显比周围土体要小，故能使复 合地基强度提高，达到置换作用。 ( 三) c f g 桩的挤密作用 由于c f g 桩属于高粘结强度桩，其复合地基的挤密作用在一般软弱土层中表 现并不赐显，远不如散体桩( 碎石桩) 和一般粘结强度桩( 石灰桩、二灰桩等) 。但 在挤密效果良好的土层中成桩，桩问土的挤密效果也很好。因为基础荷载通过褥 垫层作用于桩问土，使桩间土竖向附加应力以增加，桩问土水平附加应力 q 一：_ l 呸。( 为桩间土泊松比) ，因此，当