（岩土工程专业论文）刚柔组合桩型复合地基设计方法研究.pdf

摘要 组合桩型复合地基是处理地基中一种较新的方法，它突破了由单一材料、单一桩 型的加强体与基体构成复合地基的传统思路，是由多种材料或多种型式的加强体互相 配合，各施其长，实现和优化复合地基功能。迄今为止，其理论发展明显地落后于工 程实践。本文主要就水泥土搅拌桩、c f g 桩及其组合桩型复合地基的设计方法进行 研究。 首先，对组合桩型复合地基的研究现状与应用进行了系统的总结。 第二，介绍了复合地基中常用的几个基本概念，并对复合地基的作用机理与破坏 模式进行了归纳与总结。在对现有复合地基的桩土应力比，复合模量、竖向增强体复 合地基的承载力与变形等计算方法进行归纳与总结的基础上，对其各自的优缺点进行 了分析与评价，并提出了一些合理化建议。 第三，建立支持向量机模型，应用表明，将其用于深层搅拌桩复合地基承载力预 测中是可行的，且样本数据归一化后明显优于未处理的样本数据。 第四，提出了刚性桩复合地基沉降控制设计新方法，并结合工程实例，对其可行 性加以验证。 第五，假定桩间士沉降量与桩体上、下刺入量及桩身压缩量之和相等，给出了褥 垫层变形模量和厚度闻的理论关系式，可确定出合理的褥垫层参数。最大限度发挥桩 体和桩问土承载能力。 第六，考虑到建筑物中心部位沉降量较大，边缘部位沉降量较小这种状况，提出 地基中间部位用刚性桩，两端部位用柔性桩来处理的组合桩型复合地基处理方案。 关键词：组合桩；复合地基；褥垫层；优化设计；支持向量机 s t u d yo nd e s i g nm e t h o do fr i g i d & f l e x i b l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n g o n gy u - z h i g e o t e e h n i c a le n g i n e e r i n g t u t o r ：w a n gs h i - j i e a b s t r a c t c o m b i n e dc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sak i n do fn e w e rm e t h o do fg r o u n dt r e a t m e n t i t b r e a k st h et r a d i t i o n a lw a yo ft h i n k i n gt h a tu s i n gs i n g l em a t e r i a lo rs i n g l et y p et ot r e a t g r o u n d ，b u tu s i n gv a r i o u sm a t e r i a l so rv a r i o u sp a t t e r n st ot r e a tg r o u n d e a c hc o m p o n e n t c a r r i e so u ti t se x c e l l e n tf u n c t i o nt oa c h i e v ea n do p t i m i z ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n sf u n c t i o n h o w e v e r ，i t st h e o r i e sd e v e l o p m e n tg e t sb e h i n dw i t ht h ee n g i n e e r i n gf u l f i l l m e n t t h i s d i s s e r t a t i o na n a l y z e sa n dr e s e a r c ho nd e s i g nm e t h o do f t h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n f i r s t l y ，t h es u m m a r yo ft h ec u r r e n tc o m b i n e dc o m p o s i t ef o u n d a t i o n sr e s e a r c hi sm a d e a tt h e b e g i n n i n g s e c o n d l y , s o m ef u n d a m e n t a lc o n c e p t i o n sw e r ei n t r o d u c e d a c t i o nm e c h a n i s ma n d f a i l u r em o d eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw e r es u m m a r i z e d b a s e do ns u m m a r yo fs t r e s sr a t i o o fp i l et o s o i l ，c o m p o s i t em o d u l u s ，c a l c u l a t i o n sm e t h o do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，t h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw e r ea n a l y z e da n dv a l u e d s o m er e a s o n a b l es u g g e s t i o n s w e r ea d v a n c e d t h i r d l y ，b e a r i n gc a p a c i t yo fd e e pm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i sf o r e c a s tb y s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ( s v r ) a n dt h er e s u l ti ss a t i s f a c t i o n i tw a s f o u n dt h a tn o r m a l i z e d d a t aw a sb e t t e rt h a no r i g i n a ld a t ad u r i n gu s i n gs u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ( s v r ) a l g o r i t h m f o u r t h l y ，d e s i g nm e t h o do fr i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw a sp u t f o r w a r d e d a c c o r d i n gt os e t t l e m e n tc o n t r 0 1 t h i sm e t h o dw a sv a l i d a t e db ya p p l y i n gt op r a c t i c e f i f t h l y ，i nt h ed e s i g no f c u s h i o n ，a c c o r d i n gt ot h es e t t l e m e n to f p i l e si se q u a lt ot h es o i l b e t w e e np i l e si nt h er a n g eo ft r e a t e dg r o u n d ，t h er e l a t i o no fc u s h i o n sm o d u l u so f d e f o r m a t i o na n dt h i c k n e s si sa t t a i n e ds ot h a tt h eb e a r i n gc a p a c i t yo f p i l e sa n ds o i lc a nb e u t i l i z e df a r t h e s t s i x t h l y ，c o n s i d e r i n gt h es e t t l e m e n to fb u i l d i n g s m i d d l ew a sl a r g e rt h a no t h e rp a r t s ， r i g i dp i l ew a sa p p l i e dt om i d d l ea n df l e x i b l ep i l ew a sa p p l i e dt oo t h e rp a r t s k e yw o r d s ：c o m b i n e dp i l e ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；c u s h i o n ；o p t i m i z e dd e s i g n ；s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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，也不包含为获得塑i 堡垒些盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一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 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彩色移惫签字日期：文_ 年6 月r 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑i 堡垒些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权塑i 垦壅些盘堂可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：咋乃。台导师签名：b 驾彳一j 垄乡 签字日期：工一7 年6 月，。日签字日期：7 叩年月，d 日 f 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 刚一柔组合桩型复合地基设计方法研究 1 绪论 当天然地基不能满足上部结构对地基的要求时，需要进行地基处理。地基处理的方法有很多， 尤其近二十年来，工程建设的持续、高速发展，地基处理技术也有了很大的发展 i 2 - 2 1 。地基处理 技术最新发展不仅反映在机械、材料、设计理论、施工工艺、现场检测技术及地基处理新方法的 不断发展等方面，而且反映在多种地基处理方法的综合应用方面。经过地基处理的人工地基大致 可分为三类：均质地基、多层地基和复合地基。 复合地基1 4 1 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( 天然地基土体或被改良的天然地基土体) 和增强体两部分组成的 人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。根据地基中增强体的方向又可分 为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。 水平向增强体复合地基主要包括有各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料格栅等形成的复 合地基。竖向增强体习惯上称为桩。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。竖向增强体按 性质可分为三类：散体材料桩( 如碎石桩、砂桩等) 、柔性桩( 如水泥土桩、灰土桩等) 和刚性桩( 钢 筋混凝土桩、低强度混凝土桩等) 。也有人将柔性桩称为半刚性桩。 在地基处理中。当采用单一桩型复合地基方案不能满足承载力或变形要求时，或当采用单一桩 型复合地基方案虽能满足设计要求但很不经济时，可以采用组合桩型来处理地基。组合桩型复合地 基突破了由单一材料、单一桩型的加强体与基体构成复合地基的传统思路，是由多种材料或多种 型式为加强体互相配合，各施其长，实现和优化复合地基功能。可将组合桩型复合地基定义为两 种或两种以上不同类型的桩或桩长的桩与桩间土组成的复合地基。 组合桩型复合地基理论是一种优化理念，具有强大的吸引力和生命力。但其理论发展明显地 落后于工程实践p 】。由于研究时间尚短，也不够深入，应用的工程数量有限，因此有许多方面诸 如承载变形机理，计算模型的选择，参数的确定等都有待于迸一步提高完善【6 一。本文仅就水泥土 搅拌桩、c f g 桩及其组合桩型复合地基的设计方法进行研究分析 1 1 组合桩型复合地基研究现状 1 1 1 承载力的确定 张耀东h 】根据刚性桩复合地基设计的理论和实践，提出c m 长短桩复合地基的承载力可分别 按长桩或短桩复合地基承载力的公式计算承载力，然后视短桩复合地基为长桩复合地基的桩间土 来计算长短桩复合地基的承载力。 葛忻声等【9 j ，对软土中由钢筋混凝土桩与水泥搅拌桩组合而成的长短桩复合地基具体工程进 行了研究。利用有限元方法，对同等地质条件下的长短桩、全长桩、全短桩和天然地基的情况进 行了应力、变形的对比分析。并提出了这种新型复合地基承载力计算设计计算方法 郑俊杰等【】q ，利用面积加权的原理，提出了多元复合地基的承载力计算及检测方法。 尚新生【l ”，在考虑桩间土密度、含水量、凝聚力和摩擦角变化的基础上，采用后修正方法， 对多元复合地基承载力进行了修正。 l 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 周德泉掣“，以单一桩型复合地基计算方法为基础，提出了组合桩承载力计算方法静载 试验结果的尺寸修正方法。 王步云等【6 日，先确定经砂石桩加密的桩间土的承载力与低强度混凝土桩的承载力，然后按一 定的原则叠加这两部分承载力得到组合型复合地基承载力 党昱敬1 1 ”，将碎石桩与桩间土所形成的复合土层假定为理想的“碎石土层”，该“碎石土层”与 c f g 桩所形成的复合地基特性，其实质就是c f g 桩复合地基的特性，不同的是桩体周围的介质 不同而已，并据此给出组合型复合地基承载力的计算公式。 邓超等1 1 4 】，根据长桩在长短桩复合地基中作用形式的不同，将长短桩复合地基分为两类：长 桩协力式长短桩复合地基和长桩控沉式长短桩复合地基。并据此提出了长短桩复合地基的承载力 计算方法。 1 1 2 变形计算 对组合桩型复合地基的变形计算方法多在桩基础沉降计算方法的基础上发展来的，如等代墩 基法、弹性理论方法f 1 、数值方法【l ”。 张耀东例根据刚性桩复合地基设计的理论和实践，提出c m 长短桩复合地基的变形计算可采 用复合模量法，长短桩的桩端都作为复合土层的分层边界采用各向同性均质的直线变形体理论计 算复合土层和下卧层土体内的应力分布。 赵明华等1 2 2 1 ，从长短桩复合地基的作用机理入手，针对长短桩复合地基中桩、土，垫层相互 作用特点，在剪切位移法的基础上。引入m y l o n a k i s & g a z e t a s 的桩与桩、桩与土相互作用模型，同 时考虑垫层作用影响，导出了长短桩复合地基沉降计算时的桩桩、桩土以及土土相互作用柔度 系数，提出了长短桩沉降计算的新方法。 葛忻声等唧，对软土中由钢筋混凝土桩与水泥搅拌桩组合而成的长短桩复合地基具体工程进 行了研究。利用有限元方法，对同等地质条件下的长短桩、全长桩、全短桩和天然地基的情况进 行了应力、变形的对比分析。并提出了这种新型复合地基沉降计算的设计计算方法。 尚新生等1 2 3 1 ，在考虑桩体与桩间土的侧向挤压作用下。依据线弹性变形理论。推求出了多元复 合地基的复合模量公式，并用该公式对工程实例进行了沉降计算。结果表明，该方法是合理可行 的，其精度较普通复合模量计算方法要高。 尚新生1 1 1 ，基于桩土相互作用，利用复合体总势能与桩和桩间土势能之和相等的原理，推导 出了计算多元复合地基的复合模量的解析公式。 郑俊杰等口q ，以双折线模型作为土的弹塑性本构模型，假设桩土变形协调，应用参变量变分 原理求解出多元复合地基的复合模量在弹性及塑性状态下的解析解 尚新生等瞄】，从单桩与桩问土的荷载沉降曲线出发，采用荷载沉降的双曲线模型，得出了多元 复合地基桩土应力比的解析解。 赵明华等【2 6 j ，针对长短桩复合地基的桩土承台整体相互作用特点，通过一定的简化假定， 建立出长短桩复合地基的沉降计算模型。以剪切位移法为基础，引入m y l o n a k i s g a z e t a s 桩 桩、桩土相互作用模型，导出长短桩复合地基计算时的桩桩、桩一土以及土土相互作用柔度系数， 并考虑垫层作用，提出一种综合考虑桩土垫层体系共同作用的长短桩复合地基沉降计算方法。 2 刚柔组合桩型复合地基设计方法研究 王伟等1 2 1 ，提出一个竖向荷载作用下长短桩群桩基础中单桩的桩侧摩阻力分布函数表达式， 基于变形协调关系、桩体的物理方程和力的平衡关系，推导出长短桩群桩基础中联系桩顶荷载和 桩顶位移的刚度矩阵。 杨军龙等【“，通过研究长短桩复合地基受力机理，提出了长短桩复合地基的沉降计算模式和 实用的计算方法。如图l 所示， 考虑刚性桩体的“挟持”和“遮拦” 作用，将长短桩间隔布置的l 区视 为实体的等代墩基，其周边土层的 总抗剪力为t = u i f ，d z ；将2 区视为刚性桩体加固的复合地基。 通过比较外荷载p 和总抗剪力r 碇蘸蘸 的大小。分析其破坏模式，以此为基础将长短桩复合地基的沉降计算模式分为两种：第一种模式 ( 图2 ) ，座l 全复合地基模式；第二种模式( 图3 ) ，p l 等代实体加复合地基模式。 1 1 3 试验研究 张忠苗等 2 9 1 ，结合杭州自荡海小区不同垫层材料的刚柔桩复合承台荷载板试验，分析了刚柔 复合桩基中垫层、基础板所起到的应力平衡和变形协调作用。 朱小军口o l ，设计并实施了长短桩组合桩基础室内模型试验，对各级荷载下的长短桩组合桩基 础中短桩和长桩的受力性状进行了测试，研究了不同长短桩数量比、不同布置方式下长短桩组合 桩基础荷载与沉降的关系、桩身侧摩阻力分布、桩身内力以及长短桩组合桩基础中长桩和短桩承 载性状发挥状况等问题，得到了一些规律性的、有价值的结论。 刘海涛等【3 l 】，通过大型现场试验，对椒江地区深厚软土地基中刚- 柔性长短桩复合地基的桩 土应力比以及荷载分担比的发展规律进行了研究。 颜可珍等p “，通过对污水处理厂地基的现场试验。分析了粉砂土地基中刚柔组合桩基础在不 同荷载水平作用下的受力性状。 周德泉等【3 3 】，对三元和四元复合地基进行了静载试验研究，结果表明：三元和四元复合地基 宜按变形控制设计。 岳建伟等i 硐，对由搅拌桩和钢筋混凝土芯桩组合而成的组合桩和组合桩复合地基进行了六根 桩的荷载试验。结果表明：芯桩对组合桩复合地基的荷载传递起着关键作用。 吴迈等嘲，通过对混凝土芯桩与水泥土组合试件的静载荷试验，研究了水泥土强度及其他因 素对芯桩与水泥土界面摩阻力的影响。 阎海新等p “，通过三组室内室外试验，揭示水泥土组合桩的承载力特性及荷载传递规律。 陈磊等【”，对c f g 桩与碎石桩形成组合桩复合地基进行现场静载荷试验，结果表明：此工 法可提高地基承载力2 4 倍。 王步云等i 印】，对山西地区以软塑粉质黏土为主的软基，联合采用g c 桩与c f g 桩进行处理， 通过静力载荷试验对组合型复合地基的桩土应力比及荷载一沉降特性等进行了分析研究。 粱发云等 5 1 ，对某采用长短桩复合地基的1 4 层建筑进行了现场原位试验，观测在建造和使 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 用过程中长桩、短桩和地基土的受力状况以及基础沉降的变化，由此分析了长短桩复合地基中的 桩- 土荷载分担特性、桩土共同作用机理和荷载沉降特性。 陈龙珠等口目，对某7 层住宅楼带褥垫层刚柔性桩复合地基进行现场试验，观察在建造过程 中刚性桩、柔性桩、和地基土的应力变化和基础沉降情况，对桩土荷载分担特性和共同作用机理 进行了分析。 1 1 4 数值分析 金永涛”目，利用有限元对长短桩组合桩基础进行了分析，得出长短桩组合桩基础中长桩的侧 摩阻力分布形式与一般等长桩基础中桩侧阻力分布形式的差异。 萨里i 椰j ，应用三维非线性有限元法分析了在不同均布荷载和不同参数( 如桩长、桩径和垫层 厚度) 条件下，c f g 桩和石灰桩形成的多元复合地基的荷载沉降特性，以及复合地基的应力分布、 垫层对沉降特性的影响和桩土的应力比。研究结果表明，c f g 桩的沉降与桩长和桩径有关。同时 值得注意的是，垫层厚度对桩土的荷载分担比有很大的影响。 陆文哲1 采用有限元对长短桩复合地基的变形性状进行了分析，计算结果表明：长短桩复合 地基的变形性状受很多因素影响，如长短桩的长度、刚度、垫层厚度等。 邓超 4 2 1 ，利用a n s y s 5 7 分析程序，用二维有限元法分析研究了长短桩复合地基的承载力和 沉降特性；探索了长短桩复合地基中桩的荷载传递性状、附加应力分布情况等，并考察了长短桩 复合地基主要参数的变化对桩土荷载分担和复合地基沉降的影响。提出了长短桩复合地基的承载 力和沉降计算模式和实用的计算方法。并进行了对长短桩复合地基工程的现场试验分析，证明了 长短桩复合地基应用的可靠性。 杨军龙等 4 3 j ，以s a p 9 3 通用有限元程序为工具，建立长短桩复合地基模型，探索了长短桩 复合地基桩土相互作用的机理，荷载传递的性状及附加应力分布的规律。 朱小军阿，应用大型有限元分析软件a n s y s ，对试验进行了模拟分析研究，并与模型试验 结果进行了对比。 杨敏等 4 4 】，采用简化模型对全短桩、全长桩及长短桩组合桩基础在竖向荷载作用下的变形特 性进行三维有限元分析。分析结果表明长短桩组合桩基础不仅可以大量减少长桩用量，而且可有 效地控制基础整体沉降和差异沉降。 杨峰等【4 ”，利用有限元方法对长短桩复合地基的计算模型进行对比分析，得出了长短桩复合 地基的沉降规律和应力分布情况。 杨新安等 4 6 j ，以上海市桃浦五村居民楼地基加固为工程背景采用岩土工程数值分析软件 f l a c 对粉喷桩加固复合地基在纵向等长桩布置、长短桩间隔布置、减小下部桩身水泥掺入比和 横向不同桩间距条件下的受力、变形进行了数值模拟研究。 杨敏等【4 7 】，结合某一实际工程桩基设计，采用长短桩组合桩基础方案进行了三维有限元分析。 陈艳平等h 目，应用量纲分析法推导了土工格室碎石垫层碎石桩复合地基模型试验的相似准 则t 根据相似理论设计和完成了3 组具有可比性的模型试验。试验结果分析表明：在土工格室碎 石垫层一碎石桩复合地基这一水平向竖向多元复合地基共同作用的加固体系中，土工格室碎石垫 层和碎石桩复合地基相互作用，共同工作构成的荷载传递和支撑体系是其提高承载力，减少沉降 4 刚柔组合桩型复合地基设计方法研究 和差异沉降的主要机理。 1 2 本文研究目的及主要研究内容 1 2 1 研究目的和意义 近十多年来，地基处理技术得到了极大发展，其主要表现为多种地基处理方法的综合运用。 随着我国经济建设的迅猛发展。基本建设规模越来越大。在土建、交通、水利等工程建设中经常 遇到软弱不良地基，必须对其进行人工加固处理。目前不少地基处理方法是通过形成复合地基以 达到提高地基承载力、减小沉降和消除液化的目的。许多工程实践证明，当岩土工程条件较为复 杂或建筑物对地基要求较高时，采用单一的地基处理方法处理地基，往往满足不了设计要求或造 价较高，而由两种或多种地基处理措施组成的综合处理方法很可能是最佳选择。 组合桩型复合地基符合建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 基本的规定。国内在该方面 的文献报道始见于1 9 9 3 年。目前，此类复合地基仍处于尝试、试验研究阶段，尚无相应的国家 规范。尽管近些年来工程界对这种新型复合地基在工程实践方面进行了一些探索，并在工程设计 中得到了应用，但组合桩型复合地基理论的发展还是明显地落后于工程实践。由于研究时间尚短， 也不够深入，应用的工程数量有限，因此有许多方面诸如承载机理，计算模型的选择，参数的确 定等都有待于进一步提高完善。另外，对单一类型桩复合地基，国内众多学者都做出了成功的数 值模拟，也得出了有意义的结论。但对组合桩型复合地基进行数值模拟研究在国内尚不多见。 在复合地基设计中，有两种设计方法：按承载力控制设计，其思路是先按承载力设计，再 验算沉降是否满足要求，对沉降量验算结果只要求满足小于某一数值即可，而不管其值的大小。 当沉降量不满足要求时，则再提高地基承载力，增加地基的综合刚度，再验算沉降是否满足要求， 如沉降还不能满足要求，则再提高地基承载力，再验算，直到两者均满足要求。按沉降控制设 计，其思路是按沉降设计，在满足此沉降的前提下进行复合地基承载力设计。由于在按承载力指 标设计时，往往造成地基处理的浪费，而到不到优化的目的。本文试图运用按沉降控制指标。得 出复合地基设计思路，达到优化设计的目的。 1 2 2 研究的主要内容 ( 1 ) 利用m a t l a b 计算平台，运用支持向量回归机预测深层搅拌桩复合地基的承载力。 ( 2 ) 提出刚性桩复合地基沉降控制设计方法，并结合工程实例，对其可行性加以验证。 ( 3 ) 提出刚一柔组合桩型复合地基设计方法。 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 2 复合地基基本理论 复合地基是常用的三种地基形式( 浅基础、复合地基和桩基础) 之一。浅基础和桩基础承载 力和沉降计算已有比较成熟和系统的理论，而复合地基承载力和沉降计算理论尚不成熟。在复合 地基承载力和沉降计算理论中，桩土应力比和复合模量是两个重要参数，它们分别反映了复合地 基中应力的集中情况和复合土体抵抗变形的能力。本章总结和分析了现有确定桩土应力比、复合 模量以及复合地基承载力和沉降的计算方法，以期对工程技术人员在选择计算方法时有所帮助。 2 1 复合地基中常用的几个概念 2 1 1 面积置换率 竖向增强体复合地基中，一根桩和它所承担的桩间土体为一复合土体单元。若桩体的横截面 积为。，该桩所承担的复合地基面积为a ，前后两者的比值称为复合地基的面积置换率，用m 表 示： r a = 彳，a( 2 一1 ) 实际工程中，由于地基土性质的变化、上部结构荷载的不均匀性以及基础平面尺寸等因素的 影响，不可能在整个基础下都是等间距布桩。对只在基础下布桩的复合地基，桩的横截面面积之 和与基础总面积相等的复合土体面积之比，称为平均面积置换率。 2 1 2 桩土应力比 对某一复合土体单元，在荷载作用下，假设桩顶应力为仃。，桩间土表面应力为仃，则桩土 应力比n 为： 打= 仃。c r ， ( 2 2 ) 实际工程中，即使是单一桩型的复合地基，由于桩处在基础下的部位不同或桩距不同，桩土 应力比n 也不同。将基础下桩的平均桩顶应力与桩间土平均应力之比定义为平均桩土应力比。 桩土应力比是反映复合地基工作性状的一个重要参数，对地基稳定性验算和地基承载力计算 均十分重要，是优化设计的重要内容，它反映了复合地基中应力的集中情况。 2 1 3 桩土荷载分担比 复合地基桩土荷载分担比即桩与土分担荷载的比例。复合地基中桩土的荷载分担可用桩土应 力比表示，也可用桩土荷载分担比6 。、6 ，表示： 6 ，= 0 i p ( 2 3 ) 6 刚一柔组合桩型复合地基设计方法研究 式中：只桩承担的荷载 8 l = p 。p c 桩l 司土承担的衙载； p 总荷载。 当平均面积置换率 r 已知后，桩土荷载分担比和桩土应力比可以相互表示川； 。一( 1 一册) 艿p月= o 卅6 ， 驴乏知 t = 未南 2 1 4 复合模量 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 复合模量表征复合土体抵抗变形的能力，数值上等于某一应力水平时复合地基应力与复合地 基相对变形之比。通常复合模量可用桩抵抗变形能力与桩间土抵抗变形能力的某种叠加来表示。 计算式为： 量。= m e p + ( 1 一册) e ( 2 - 8 ) 式中：e 。桩体压缩模量： e 桩间土压缩模量； j 0 复合模量。 实际工程中，桩的模量直接测定比较困难。通过假定桩土模量比等于桩土应力比，采用复合 地基的承载力提高系数计算复合模量。 承载力提高系数由下式计算： = 尝 ( 2 - 9 ) 也是模量提高系数，复合土层的复合模量为 e | ，= e 瞄1 0 ) 式中：，二复合地基承载力特征值； 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 厶天然地基承载力特征值 2 2 复合地基作用机理与破坏模式 2 2 1 作用机理 综合各种桩型的复合地基效应，其作用机理可归纳为以下几个方面【4 9 5 0 j ： ( 1 ) 置换作用 复合地基中桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩问土表面应力大。 桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土分担的荷载。这样，由于桩体的作用 使复合地基承载力和整体刚度高于原地基、变形减小。另外，由于桩体的加筋效用，还可用来提 高土体的抗剪强度，增加土体的稳定性。 ( 2 ) 加速固结作用 复合地基中的桩体，很多具有良好的透水性，可以加速土层的排水固结。例如碎石桩、砂桩 是良好的捧水通道；由生石灰和粉煤灰组成的石灰桩，也具有良好的透水性，其渗透系数相当于 粉细砂的量级；振动沉管c f g 桩在桩体初凝以前也具有相当大的透水性。 由固结系数的表达式c ，= 七( 1 + e o ) o 。a ) 可知：地基固结不仅与地基土的捧水性能有 关，而且还与地基土的变形特性有关。故对于水泥土类桩和其它刚性桩，其设置虽会降低地基土 的渗透系数t ，但它同样会减小地基土的压缩系数a ，且a 的减小幅度比i 的减小幅度要大 因此，桩体的设置同样可起到加速地基土固结的作用。 ( 3 ) 挤密、振密作用 对松散填土、松散粉细砂、粉土，采用非排土和振动成桩工艺，可使桩间土孔隙比减小、密 实度增加，提高桩间土的强度和模量。 此外，如石灰桩，即使采用了排土成桩工艺，由于生石灰吸水膨胀，使桩间土局部产生挤密 作用。 ( 4 ) 减载作用 对排土成桩工艺，用轻质材料取代原土成桩( 如石灰桩比天然土体重度小3 0 左右) ，在加 固区范围内，复合土层的有效重度将比原土明显降低。 ( 5 ) 桩对土的约束作用 在群桩复合地基中。桩会对桩问土的侧向变形产生约束作用。从而减少了侧向变形与垂直变 形，使复合地基抵抗垂直变形的能力有所加强。 ( 6 ) 垫层作用 由于垫层的设置，保证了桩土共同工作。褥垫层可以显著地降低复合地基中桩体上荷载的集 中程度，提高桩间土体承载能力的发挥。对于群桩复合地基，更有削弱“边角效应”，提高整个地 基承载性能的作用【5 l l 。另外桩体与土体形成上硬下软的双层地基，应力得以扩散。 8 刚一柔组合桩型复合地基设计方法研究 2 2 2 破坏模式 盲商市俪 ( | ) 弱入破坏；( b ) 鼓胀破坏；( c ) 整体剪切破坏；( d ) 滑动破坏 圈4 复合地基破坏模式 f i g af a i l u r ep a t t e r n so f c o m p o s r ef o u n d a t i o n 2 3 现有桩土应力比计算方法与评价 在复合地基设计中，桩土应力比是优化设计的重要内容。所谓优化，就是使复合地基的设计 方案，既安全可靠、满足使用要求，又节省投资。要做到这一点，应从工程实际出发，把天然地 基可资利用的潜力发挥到适当的程度，使桩、土各自的出力水平达到合理的分担。 一般工业与民用建筑工程中，上部结构荷载通过刚性基础传递到复合地基中，在满足变形协 调的条件下，桩土应力比要受到诸多因素及条件的影响与制约，如桩土的应力应变关系、模量比、 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 面积置换率、褥垫层厚度、桩长、桩的上下刺入董、应力条件、应变条件、荷载水平、加载持续 时间( 涉及土的渗透固结特性和骨架蠕变性) 等。另外，桩土应力比并非常数，而是随着荷载的 增加而递增或递减，最后趋于某一定值，这一点已被大量试验所证明。 2 3 1 现有桩土应力比计算公式 刀= 面e p + 每 肛五碡+ 芎 p 1 1 肛孝弱 2 ) f ( j , m ，= 音每觜 式中：p 为地基土的泊松比：为碎石桩内摩擦角；m 为桩土面积置换率 黼( 1 9 8 9 ) 删考虑了以下条件：应力剪胀；碎石桩为轴对称的圆柱体；p 。o 5 。 提出的碎石桩复合地基桩土应力比公式为： n ：# 娑( 2 - 1 3 ) 七一2 以 式中：知，岛分别为桩体、桩间土的被动土压力系数；t p , 儿分别为桩体、桩问土的泊松比 张定( 1 9 9 8 ) i s 5 1 根据复合地基桩土应力应变连续协调的原理，散体材料桩复合地基的桩土应力 比n 的计算公式： 1 0 。一( 1 - 嗨+ 2 以( 2 p ；高) ，l = - - l = = 一 ( 1 - 以) + 4 q 嵋焉m ( 2 - 1 4 ) 刚柔组合桩型复合地基设计方法研究 式中：k e = 乜e , ，即桩土模量比。 刘杰等( 2 0 0 2 ) | 5 6 3 将桩周土达到极限平衡状态作为碎石桩复合地基的承载力极限状态。并假定： 假设桩体材料屈服后，桩体的径向应变与轴向应变之比k ，保持与桩体材料屈服时相同；假 设桩体材料及桩周土的屈服服从摩尔库仑准则，且桩体材料的内聚力c p = 0 。 按照弹性理论推导出桩体处于极限平衡状态时桩土应力比为： 肛岽1 糍最祭1 糌 ，i = = - - - - - 二二- 二-f ，1 l ( 一p ，) 【2 m p ，e + ( 一，) ( 肌一1 ) 】e 。 足： l 二! 生：竺生 2 ，s i n g o ，+ s i n 妒p + l 一2 p p 式中：r l l 为置换率；以，p p 分别为桩间土和桩体材料的泊松比；e 、e ，分别为桩间土和 桩体材料的变形模量；妒。为桩体材料的内摩擦角。 赵明等( 2 0 0 2 y 5 1 基于如下假设：复合地基中碎石桩体承载过程中竖向压密、径向膨胀，在 两个方向上应力一应变性质不同，碎石桩的径向变形模量与纵向不同；桩周土为弹塑性体，其受 力情况在弹性区为别y 。引入魏西克圆孔扩张理论和p - y 曲线法推出桩土应力比计算式： l 一卢，一p ； = 一 l 一耻p 一2 l ；+ lp 耻s e 一| e 。 l 一彤一p ； 、一性p 一2 l - l ；+ 讳p 性l 旺n | e | e 。 = = = = = = = = = = = = = 一 m ( 4 - 3 m ) 巨 e ， = = = ：= = = = = = = = = 一 所( 3 - 2 m ) e 正方形布桩 梅花形布桩 ( 2 - 1 6 ) 式中：e 。为碎石桩的竖向变形模量；其余符号意义于此不再赘述 贺会团等( 2 0 0 5 ) 【5 8 1 认为式( 2 1 6 ) 虽具有可靠的精度，但基于载荷试验设备沉重、周期长、造价 高，不利于大规模的使用和推广贺会团基于1 3 2 个现场的瞬态瑞雷面波测试资料，建立了土体 变形模量与瑞雷波速间的关系模型： e l = 2 4 2 1 3 1 9 v r - 4 5 5 4 同时，经过对1 7 根碎石桩的单桩承载力静荷载试验研究发现，在施工质量得以保证的情况 下，碎石桩变形模量的变化对桩土应力比的取值影响不大，建议取e p = 1 6 m p a ，将式( 2 1 6 ) 变为： 撑：! 二生二生 1 一昨一2 p ；+ 1 6 如以( 2 4 2 1 2 3 1 9 珞一4 5 5 4 ) 肌( 4 3 m ) ( 2 1 7 ) 1 6 一 2 4 2 1 3 1 9 一4 5 5 4 另外，山口柏树和村上幸利( 1 9 7 7 ) ，陈振建和盛崇文( 1 9 8 7 ) 1 4 】也都提出过碎石桩复合地基的桩 土应力比计算公式( 从略) 。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 ( 2 ) 柔性桩复合地基 张土乔等( 1 9 9 2 ) 【5 9 】针对搅拌桩复合地基，给出了当桩侧土处于线弹性状态条件下的桩土应力 比数学计算公式： 。：盘垫山胁缸， g 舶， 2 ，惮l 、i 一 0 “+ 1 1 式中：t 为桩侧土剪切刚度；工为桩长；e 为桩的模量；m 为面积置换率；a 为基础面积；c 为p - s 曲线的初始斜率的倒数；b 为只极限值的倒数；j 为桩端土沉降，在数值上等于桩顶位移。 林彤( 1 9 9 7 ) 【砷】经对现场复合地基静载荷试验资料分析，提出了粉喷桩复合地基桩土应力比计 算公式： 甩：卢+ ! ( 蔓一卢) ( 2 - 1 9 ) 式中：厶 、正1 分别为复合地基和其桩间土的承载力标准值；卢为桩间土承载力折减系数， 不仅与土层的性质有关，而且还与桩长和复合地基的类型有关。 秦然等( 2 0 0 1 ) 1 】针对水泥土桩复合地基，将单桩与软土的p q 曲线按双曲线拟合，采用荷 载沉降的双曲线模型( 图5 ) ，给出了水泥土桩复合地基的桩土应力比计算公式： 口 = 2 q 6 1 一磊而n p 一4 ：( n m + l - m ) 6 i 一印：型! = 型：生塑= 翌 6 ，一 旦q ( m + 1 一m ) b z p 万，筇+ 1 一，玎 ( 2 - 2 0 ) 式中：p 为作用于复合地基上的总荷载：m 为面积置换率：b l 、如分别为单桩及地基土的极 限承担强度；口l 、t 7 2 分别为单桩及地基土的极限承载强度与其荷载- 沉降曲线初始点切向压缩模量 的比值。 上式在推导过程中，认为桩土界面的剪应力对曲线的影响可忽略不计。 差 。况雉珈 图5 单桩与地基土的荷藏沉降双曲线模型 f 毽5l o a d - ” t t l e m e n th y p e r b o l am o d e lf o rp i l ea n dg r o u n d 当复合地基达到极限承载力肌，桩身产生环向破坏，桩承担的上部荷载随之向土体转移从而 土体随之破坏。即复合地基已经破坏，此时考虑桩土应力比已无实际意义。设桩土应力比趋于一 定值n 。，则式( 2 2 0 ) 可写为： 1 2 刚柔组合桩型复合地基设计方法研究 f l 垒 拧= 口l i 【 b l 一 翌 二型士旦( p p u ) 6 一 旦 坍+ 1 一7 ( 2 2 1 ) 另外，郑俊杰等( 2 0 0 5 ) 【。l 选取常用的双折线荷载传递函数模拟水泥土桩桩侧摩阻力桩土相对 位移的关系，并假设：地基土为均匀介质；桩体为均质弹性杆件；桩土的力学性能均可用 “压力= 刚度系数变形”公式表示。分别推导出桩周土全部处于弹性阶段、桩周土部分进入塑性 硬化阶段和桩周土全部进入塑性硬化阶段情况下的，考虑桩一土相互作用的桩土应力比计算公式 ( 从略) ( 3 ) 刚性桩复合地基 王瑞永等( 2 0 0 3 ) 3 1 利用弹塑性力学中的滑移线场理论解释c f g 桩复合地基中桩顶刺入变形 过程，研究发现：在c f g 桩刚要发生桩顶端刺入变形时，c f g 桩桩顶应力p 口与桩周土表面应力 p i 之间存在一个固定的关系，而这个固定的关系唯一体现在碎石垫层的内摩擦角上，其表达式 为： 肛易p ，= t a n 2 伊妒” ( 2 - 2 2 ) 为确定c f g 桩复合地基中桩土应力比提供了一条新思路。 另外，朱世哲等( 2 0 0 4 ) 删针对刚性c f g 桩复合地基，考虑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进行研究。基于若干假定条件，分 别推导出了带垫层的刚性桩复合地基的桩土应力比的计算公式( 从略) 。 ( 4 ) 组合桩型复合地基 尚新生等( 2 0 0 4 ) 1 2 5 】从单桩与软土的荷载沉降曲线出发，采用荷载沉降双曲线模型( 图6 ) ，通 过计算得到了多元复合地基( 图7 ) 桩土应力比随荷载变化的解析表达式： 是 曩 o 况附( - m ) 融l o - i o t 图6 单桩与地基土的荷载沉降双曲线模型 f i g 6l o a d - s e t t l e m e n th y p e r b o l am o d e lf o rp i l ea n dg r o u n d 1 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 田7 多元复合地基棱型 f i g 7m o d e lo f m u l t i - e l e m e n tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n 铲詈。锯篇4 - 著高1 鬻p ， 1 q【聊1 m 2 n 2 + ( 一所i 一肌2 ) 】也一 。7 铲毒铬焉岩高1 嚣器半p g 。 口2 【肼l ，l i + 研2 ”2 + ( 一所l m 2 ) 】6 j 一 、。 式中：p 为作用于复合地基上的总荷载；b i ( i f f i1 ，2 ，d 为单桩及地基土的极限承担强度；“f = 1 ，2 ，曲为单桩及地基土的极限承载强度与其荷载一沉降曲线初始点切向压缩模量的比值。其中 卧b l 可从荷载沉降曲线拟合得到。 ( 5 ) 各类型复合地基 叶书麟等( 1 9 9 0 ) 【6 5 】建议：根据相同承压板所产生的相同沉降量，可分别从复合地基和天然地 基载荷试验p 曲线上取得相应的应力值盯，和j ，桩体应力比n 为： 1 4 + 船叫 聊j 叮 李立新等( 2 0 0 2 ) 【嘲在式( 2 - 2 5 ) 基础上，引入桩间土应力折减系数将其修正为： 川+ 三1 1 鼯一i i 正，仃i ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) 式中：仃。为天然地基应力；卢为桩间土应力折减系数。 娄国充( 1 9 9 8 ) 即1 基于如下假定： 上部结构在基底产生的荷载、作用在桩顶及桩间土上的荷载均为均布荷载； 基础底面足够大，等间距布桩且各桩几何性质、工程性质等同、其变形为弹性变形； 桩间土为层状均质体； 垫层为可压缩的均质体，其应力应