（岩土工程专业论文）刚性桩复合地基作用机理及沉降分析.pdf

刚性桩复合地基作用机理及沉降分析 摘要 复合地基能充分利用桩土的共同作用，较好的增强地基的承载能力，在保 证工程质量的前提下，具有良好的经济效益，在我国工程建设中得到了广泛的 应用。目前以沉降控制为主的设计理念日益突出，而刚性桩复合地基中桩体强 度高，能有效向深层土体传递荷载，同时又能有效降低加固区的沉降变形量从 而降低地基的总沉降量，使得刚性桩复合地基的应用也越来越多。但是刚性桩 复合地基的理论研究与工程实践还有较大差距，特别是它的荷载传递机理及沉 降变形计算方法还有待进一步研究。 本文以带褥垫层的刚性桩复合地基作为研究对象，简要介绍了褥垫层的协 调机理、材料选取及垫层厚度；分析了刚性桩复合地基中桩一土共同作用的荷载 传递机理；阐述了刚性桩复合地基总沉降的组成来源，据此建立了计算沉降的 有效模型；在本模型的基础上，通对分别以桩土为参照物来求解复合地基的沉 降；采用m i n d l i n 解对下卧层地基的沉降进行了分析。文末通过a b a q u e s 软件 分析了刚性桩复合地基工程实例中桩顶、桩身、桩端及地表的应力大小以及桩 土应力比的大小。 关键词：刚性桩复合地基桩土应力比沉降模型 m i n d l i n 解 m e c h a n i s ma n ds e t t l e m e n ta n a l y s i so fr i g i dp i l e c o m p o s i t eg r o u n d a b s t r a c t c o m p o s i t ef o u n d a t i o nc o u l dt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ep i l e s o i li n t e r a c t i o n ， a n db e t t e rt oe n h a n c et h ec a r r y i n gc a s a c i i yo ft h ef o u n d a t i o n ，i th a sg o o de c o n o m i c r e t u r n sw h e nt h eq u a l i t yo ft h ep r o j e c tu n d e rt h ep r e m i s ea n db e e nw i d e l yu s e di n o u rp r o je c t c o n s t r u c t i o n c u r r e n t l ys u b s i d e n c ec o n t r o l o r i e n t e dd e s i g nc o n c e s t s h a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h er i g i ds i l e sw h i c hi nt h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nh a v eh i g hs t r e n g t h ，c a ne f f e c t i v e l yt r a n s f e rl o a d st od e e s e rs o i l s ，w h i l e e f f e c t i v e l yr e d u c et h er e i n f o r c e dz o n e ss e t t l e m e n ta n dt h et o t a ls e t t l e m e n ta m o u n t o ft h ef o u n d a t i o n f o rt h i sr e a s o n ，t h ea s s l i c a t i o no fr i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i sg r e a t l yi n c r e a s i n g b u tt h e r ei sal a r g eg a sb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ft h e r i g i d s i l ec o m s o s i t ef o u n d a t i o na n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，i n p a r t i c u l a r ，i t s m e c h a n i s ma n dc a l c u l a t i o no fs e t t l e m e n td e f o r m a t i o nr e m a i n st ob ef u r t h e rs t u d i e d i nt h i sp a p e r ，1w i l lt a k et h er i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hac u s h i o na s ar e s e a r c ho b je c t b r i e fd e s c r i s t i o no ft h e t h ec o - o r d i n a t i o nm e c h a n is mo fc u s h i o n ， m a t e r i a ls e l e c t i o na n dc u s h i o n t h i c k n e s s ；a n a l y s i s o fr i g i d p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o np i l e - s o i li n t e r a c t i o no ft h el o a dt r a n s f e rm e c h a n i s m ；e l a b o r a t e do ft h e t o t a ls e t t l e m e n ts o u r c eo fr i g i d p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，w h e r e b y t h e e s t a b l i s h me n to fa l le f f e c t i v em o d e lf o rc a l c u l a t i n gt h es e t t l e m e n t ；b a s e do nt h e m o d e l ，t oo b t a i nt h et o t a ls e t t l e m e n tb yt a k i n gr i g i dp i l ea n ds o i l a sr e f e r e n c e o b je c t ，a n du s i n gm i n d l i ns o l u t i o nt os o l v et h es e t t l e m e n to fs u b l a y e r a tl a s t ，t h e t h e s i s sa n a l y z e st h es t r e s sl e v e la tt h ep i l et o p ，p i l es h a f t ，p i l et i p ，f o u n d a t i o nb e d a n dp i l e s o i ls t r e s sr a t i ob yt h es o f t w a r eo fa b a q u e si nt 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 k e yw o r d s ：r 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 i l e - s o i l s t r e s sr a t i o ；s e t t l e m e n t m o d e l ：m i n d l i ns o l u t i o n 插图清单 图1 1 复合地基形成条件示意图4 图2 1 刚性桩复合地基1 4 图2 2 桩与土应力时程曲线1 4 图2 3 桩土荷载分担比变化曲线1 4 图2 4 桩、土及基础p s 曲线1 6 图2 5 桩土位移示意图1 6 图2 - 6 桩轴力随深度变化曲线示意图1 6 图2 7 刚性基础下桩间土应力分布1 6 图3 1 一般地基下基础p s 曲线1 9 图3 - 2 抗剪强度曲线2 0 图3 3 复合地基的破坏模式2 l 图3 4 复合地基中桩与一般桩基桩身阻力对比示意图2 3 图3 5 不同标号桩p 吖曲线2 5 图3 - 6 桩、天然地基p s 曲线2 6 图4 1 刚性桩复合地基沉降模型3 l 图4 2 刚性桩复合地基p j 曲线3 4 图4 3m i n d l i n 解荷载示意图3 5 图5 1 带褥垫层刚性桩复合地基应力分布图3 9 图5 2 带褥垫层刚性桩复合地基沉降变形分布图4 2 表格清单 表4 1 沉降变形计算系数2 9 表4 - 2a ：值3 0 表5 - 1 工程地质情况3 8 表5 2 工程地质情况3 8 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金魍王些太堂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。 学位论文作者签字：弓火木南签字日期：砂年尹月砧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金理王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：徽7 场 导师签名： - ，p 、，ry i 签字日期：卅。年毕月砑日 签字日期：加p 年牛月乙矿日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：谤i 舶粤科是墨2 屉扁坟凋 通讯地址：武汉讲义证舛干唛蟊。c 岩堪1 z 弓 电话：田l 雩巧苫申蟛 邮编：啊哟2 弓 致谢 弹指间，斗转星移。两年半的研究生生活即将结束，回首逝去的岁月，颇 多感慨。在两年半的时间里，无论是专业课的学习，还是论文选题、成稿，自 始至终都得到了导师王国体教授的悉心指导。尤其在论文写作阶段，导师富有 启发性的建议和各个方面的大力支持使得本文的研究工作得以顺利进行。王老 师深厚的学术造诣、严谨求实的治学态度、豁达乐观的生活态度、诲人不倦的 教育情怀和对事业的忠诚，深深感染和激励着我，必将使我终生受益。值此论 文完稿之际，谨向我的导师王国体教授表示最诚挚的感谢! 同时也感谢土木与水利学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了 理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。感谢党委研究生工作部的老师， 他们的无私奉献为我们提供了很多聆听学术报告和参加社会实践的机会。感谢 同学胡琳、温立强、阳栋等同学及其他朋友们，两年半来，在生活和学习上得 到了他们许多无私的帮助，他们为我营造了一个轻松、快乐、积极向上的学习 环境，使我度过了许多美好的时光，在此向他们表示衷心的感谢! 最后，向为本人二十年来求学做出无私奉献的父母表示深深的谢意! 由于 他们多年来对我在生活上和学业上的关心和支持，才使我能够安心读书。我的 每一点成绩，都是与父母的关心支持分不开的，在此向父母表示由衷的敬意和 感谢! 作者：张杨 2 0 10 年3 月2 0 日 第一章绪论 随着我全国城市化、西部大开发、中部崛起等战略的实施，高层建筑、高 速公路、铁路等大规模的基础设施建设正如火如荼的进行着，由于我国地域辽 阔，不同区域地下环境条件复杂迥异，因此经常会遇到软弱土地基方面的工程问 题，这些问题困扰着工程技术人员，但同时也推动了各种地基处理技术的发展， 使得我国地基处理技术进步显著。如在处理软弱土地基时，常首先考虑到桩基， 而为了节约成本，能够发挥土体承载潜力的桩土共同受荷的复合地基技术应运而 生。由于良好的实用性及可观的经济效益和社会效益，学者对其加固机理、处理 效果、设计方法等工程应用方面进行了深入的探讨。随着我国地基处理技术的 发展与成熟，复合地基在工程建设中的应用越来越广泛，复合地基的概念得到 了极大丰富，包括狭义及广义的复合地基概念，形成了体系较完善的复合地基理 论。包括对复合地基理论框架与合理分类的研究；对不同类型复合地基的应力分 布、有效桩长及沉降计算等的研究；对各类复合地基的形成条件的研究；基础刚 度、垫层等对复合地基作用影响的研究；以及提出了按沉降控制的复合地基设计 思路等。而刚性桩复合地基技术在众多类型的复合地基中发展潜力更好、推广速 度更快。 但是在复合地基应用初期，人们主要将注意力集中在碎石桩等散体材料桩 复合地基的研究以及深层搅拌桩等柔性材料桩复合地基的推广使用上。后来， 随着复合地基的概念被进一步拓宽，提出了刚性桩复合地基的概念。目前，刚 性桩复合地基通常是指由水泥为主要胶结材料形成的具有较高的强度和刚度的 桩体作为增强体的地基，其基本思想和原理是在一定的允许变形条件下，实现 桩一土共同作用，也就是充分利用桩体强度和土体强度来承担上部荷载，从而能 够在满足工程设计需要的承载力前提下，尽量降低造价，节约成本。刚性桩复 合地基由于其独特的优势在工程实践中逐步得到应用，发展势头迅猛，积累了 较好的实践经验。 刚性桩复合地基由于充分利用了桩间土的承载作用，相对桩基来说更经济。 同散体材料桩复合地基相比，其在桩体内与桩间土中的有效加固深度更大， 能更大幅度地减小沉降提高承载能力，也可以应用于高层建筑及高速公路中。 因此，在我国很多地区的高层建筑与公路工程中得到了很广泛的应用。可以说 刚性桩复合地基是我国科技人员自行研发的地基处理技术，也是目前地基处理 中发展势头和潜力最好的方法。该刚性桩复合地基中主要采用较高强度的桩体 作为竖向增强体，目前工常见有c f g 桩、灌注桩、预制混凝土桩等。 尽管成就斐然，我们也还是要清醒的认识到，刚性桩复合地基技术的理论 的发展还是远落后于实践的。如对刚性桩复合地基的受力机理还缺乏深入了解， 有关设计参数的选取还需要进一步的去研究。为促进刚性桩复合地基的发展， 本文希望在刚性桩复合地基计算模型、褥垫作用、桩一土的相互作用、荷载传递 机理、承载能力、沉降变形控制和破环模式等方面进行一些探讨，希望了解影 响刚性桩复合地基作用的相关因素，并提出相应的计算模式。恳请同行批评指 正。 1 1 复合地基的概念 1 1 1 复合地基的定义 基础是承担建筑物的组成部分，是将荷载传递到其自身以下土体的结构， 通过有限元建模时一般可以将上部结构与基础视为一个整体，通过荷载来取代。 地基则是指受基础传来荷载直接影响的地层，即基础下面承受建筑物全部荷载 的地下土体。 地基不是建筑物的组成部分，但它对保证建筑物的持久稳定具有非常重要 的作用。为保证建筑物正常地使用而不遭到破坏，通常要求地基具备足够的承 载能力、沉降要控制在某一值内以免影响建筑物的正常使用。但是由于很多建 筑场地为软弱土地基，其天然地基的承载能力及沉降控制常达不到设计的要求， 此时需优化基础设计方案或对地基进行加固处理( 包括换土、夯实、挤密、振 冲、堆载、化学加固及利用桩体加固等方法) ，从而改善地基土的整体结构性 质，使其达到设计的要求。在桩体加固地基方法之中就有一种为复合地基。 复合地基乜咱1 的概念始于1 9 6 2 年，其后在国际上逐渐开始使用，随着复合 地基技术的逐渐发展，复合地基在高层建筑及高速公路等的地基处理中应用非 常广泛，各国学者对复合地基作用机理的研究工作也不断深入的开展。特别是 在我国国内随着对复合地基研究的深入，出现了对复合地基概念的各种不同解 读。如有的从复合地基发展历史的角度来考虑，认为只有沙石桩与水泥土桩是 复合地基；有的认为桩体与基础不连接的是复合地基，刚性连接的则不是复合 地基；也有的认为只要桩与土共同承担荷载的就算复合地基。我国复合地基方 面的知名学者龚晓楠乜1 把这些认识归为狭义的复合地基定义与广义的复合地基 定义。本文不对狭义与广义复合地基的差别进行探讨，而是根据严密的地基的 概念、桩土共同作用的要求以及公认的复合地基模型进行定义。 复合地基通常指在天然地基中设置一定数量的增强体，由天然土体和增强 体共同承担由基础传来的建筑物荷载，这样的一种人工地基称为复合地基。根 据增强体的设置形式可以将复合地基划分为水平向增强体复合地基与竖向增强 体复合地基，实际工程中应用比较广泛的是竖向增强体复合地基。增强体通常 是由混凝土等强度和刚度比天然土体高的多的材料组成，本文根据工程实践习 惯，在后文中一律将竖向增强体称为桩心1 。而由碎石组成的竖向增强体则称为 碎石桩；由水泥和土搅拌而形成的竖向增强体则称为水泥土桩；由水泥、粉煤 2 灰、碎石行成的竖向增强体称为水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) ；其它的还有砂 桩、石灰桩、灰土桩、混凝土桩等。复合地基的理论已经广泛应用于碎石桩、 石灰桩、c f g 桩、水泥土搅拌桩、夯实水泥土桩、旋喷桩等加固地基的设计算 之中，成为众多地基处理方法、理论计算及公式建立的基础和依据。但是更完 善更精确的理论仍需我们去研究。 目前，复合地基的研究方法基本都是在多根桩所加固的地基中，选取一根 桩及其所影响的桩周土所组成的单元体作为研究对象。但在本文的研究中还将 考虑置换率的问题。同天然地基相比，二者都属地基范畴，但复合地基为人工 地基，后者是天然地基。复合地基与复合桩基从概念上来讲是不相同的，复合 桩基拍1 是兼具基础与地基的特性，是二者的一种特殊形式。只不过在复合桩基 中，桩达到极限承载能力时，桩、土才能共同承担荷载，但有荷载的分担比是 确定的。而复合地基中，桩体与基础通常是通过设置的一层一定厚度的垫层而 断开的，复合地基的本质主要是充分利用土体承担荷载的潜能，使桩体与土体 同时承担荷载，桩土协调变形。复合地基犹如钢筋混凝土，其中复合地基中的 桩体犹如钢筋混凝土中的钢筋，它的实质就是考虑桩土共同作用，这相比桩基 承担荷载要经济的多。在设计复合地基时，大致计算荷载值就行，而在设计桩 基础时，荷载的总大小必须明确计算得出。 1 1 2 复合地基的分类涵3 1 复合地基中桩的作用是主要的，而桩的类型较多，且性能各异，固分类的 形式很多。如浙江大学龚晓南教授综合国内众多学者对复合地基的各种看法和 意见，根据复合地基工作机理给复合地基也做了分类： 复合地基 i 散体材料桩复合地妻 竖向增强体复合地基i 粘结材料桩复合地煮恁葚差萎喜釜耋 l 粘结材料桩复合地煮 。= 二：厶址甘 但目前主要的分类方法趋于两种。一类是按材料来划分：散体材料桩( 如 碎石桩，砂桩) 、水泥土类桩( 如水泥土搅拌桩，夯实水泥土桩，旋喷桩) 、 混凝土类桩( 如树根桩，c f g 桩) 1 ；另一种是按刚度来划分：散体材料桩( 如 散体材料桩) 、柔性桩( 如水泥土类桩) 、刚性桩( 如c f g 桩、混凝土桩等) 。 由柔性桩与桩间土组成的称为柔性桩复合地基；半刚性桩与桩间土组成称为半 刚性桩复合地基；刚性桩与桩问土组成则称为刚性桩复合地基。 一般来说，无压缩变形的绝对的刚性桩是不存在的，所谓的刚、柔性桩是 简化的力学模型。柔性桩是指本身压缩模量较小，压缩变形量大的桩，而刚性 3 桩压缩模量较大，压缩变形小的桩。对于具体确定某种桩是否为刚性桩，应按 照桩的相对刚度值来区分。 1 1 3 复合地基的形成条件睥1 复合地基的本质是在地基土中设置增强体，使其与地基土共同承担上部结 构传来的荷载。然而在什么样的地基中设置什么样的增强体能保证增强体与天 然地共同承担上部结构传来的荷载是有条件的，也是设置增强体后能否形成复 合地基的条件，特别是当增强体为刚性桩等粘结材料桩时，要引起注意。下面 通过几个地基处理示意图进行一些分析。 b 2 ( 口) 上、，上 瞄臻；冀袭群爱魏嚣张鞲墨菇蕊t ll l ili e 层 ( 国不可压缩层 不可压缩层较好土层 图1 1 复合地基形成条件示意图 当桩与基础之间不设置垫层时，如图1 1 中a 图所示，若刚性桩模量为e 。， 加固区土模量为e 山下卧层土模量为e 小当e 。 e 山e 。 e 。z ，在荷载作用下，此时 桩和桩间土沉降量相等，可以保证桩土共同承担荷载。若e 。无限大，即加固区 下卧层为不可压缩层时如图c ，一般来说e 。e 山在荷载作用下，开始加载时桩、 土应力大小根据各自的模量大小来分配，但是随着时间的推移，土体产生蠕变 导致应力松弛，使得土中的应力不断减小，桩体应力不断增大，荷载向桩体上 转移，桩体承担了主要荷载，所以此时不能保证桩土共同承担荷载，构不成复 合地基的条件。 4 一般来说，为了有效降低沉降量，复合地基中的桩体通常需要穿过软弱土 层而使桩端作用在相对较好的土层上如图d ，这一点是考虑能否形成复合地基 条件特别需要注意的地方，以保证在上部荷载作用下，桩体与桩间土能够协调 变形使桩土共同承担上部荷载。 当刚性桩与刚性基础之间设置褥垫层乜“5 1 的时候如图b ，假设刚性桩模量 为e 。，桩间土模量为e 。，加固区下卧层土体模量为e 咖褥垫层的模量为e 加若 e 。：无限大，即加固区下卧层为不可压缩层时，通过柔性垫层的调节作用，桩与 土也能够共同承担荷载，所以能够形成复合地基的条件。 1 2 国内外复合地基的发展历史及应用 1 2 1 复合地基的发展历史 复合地基理论是地基处理技术方法的升华，随着在软弱土地基上进行工 程建设的项目越来越多，为满足地基的承载能力以及沉降控制的要求，常要对 天然地基进行加固处理，而复合地基桩和土体构成，由二者共同承担荷载，能 充分发挥地基土的部分承载力，与天然地基相比，可以显著提高承载力，减少 沉降等显著的优势，同时具有降低造价等经济效应，在工程中应用广泛，特别 是在沿海沿湖地区等。 复合地基理论是随着人类社会的发展n 7 1 而逐渐兴起的。历史上世界范围 内很多国家或地区都己掌握了基本的地基处理技术。现代复合地基技术发源于 一种砂桩地基的数学模型，始于1 9 世纪3 0 年代的欧洲，后来地基处理技术不 断发展，复合地基的理论得到了极大的丰富。由于它可以显著提高地基的承载 力，减少地基沉降，具有良好的经济效益，工程中目前比较常见。 最初的这种砂桩地基模型也就是法国工程师1 8 3 5 年设计的砂石桩，该地基 处理方法在二次世界大战以后到了广泛的应用，并在计算理论、施工机械等很 多方面取得了较大的成就；1 9 3 4 年原苏联专家研究出了土桩挤密法，1 9 3 6 年德 国人提出了振冲法的理论，并于1 9 3 7 年研制了第一台振冲器雏形，1 9 5 7 年英 国将振冲器改进，使得其作用显著扩大；2 0 世纪6 0 年代法国创立了强夯法处 理地基技术；2 0 世纪7 0 年代，日本创立了旋喷法；第二次世界大战之后，美 国发明了深层搅拌法地基处理技术。随着地基处理新技术的不断出现，人们在 各种工程实践中，丰富了对各区域地基土特性的研究和认识，获得了很多宝贵 的经验，从而又进一步指导了地基处理技术，因而在地基处理领域具有强劲的 生命力的分枝。 我国在2 0 世纪5 0 年代时有采用石灰桩处理软弱地基的工程实例；1 9 5 9 年 又引进了砂石桩处理地基的技术；1 9 7 8 年又采用振动重复压拔管砂桩法对其 某地基进行了处理。1 9 7 7 研制出我国第一台1 3 k w 的振动水冲器，并于当年9 月应用于某软粘土地基的加固，加固深度达到了1 3 1 8 m ，开启了我国振冲法 5 加固地基的时代。1 9 7 7 年l o 月进行了深层搅拌法处理地基的试验和设备研制 工作，并于1 9 8 0 年在工程中应用获得成功。国外则有日本学者于2 0 世纪6 0 年 代提出了复合地基的概念，用于解决砂井地基的承载能力问题。由于复合地基 理论的实用性，因而在后来的工程中得到了广泛的推广应用。复合地基理论从 工程实际中诞生反过来又进一步指导了地基处理技术的发展。 1 2 2 复合地基的应用 作为受到工程界广泛认可的处理软弱土地基的行之有效的复合地基技术， 受到了工程师的广泛青睐。复合地基的形式选择应以具体的工程地质条件为基 础，因为它既关系到建筑物的安全和使用，又对工期和造价有很大影响。如碎 石桩法处理软土地基存在加固效果的不确定性。最近这些年c f g 桩复合地基阳1 、 双灰低强度混凝土桩复合地基及水泥碎石桩复合地基等低强度的粘结材料桩为 突破散体材料桩的瓶颈而相继问世。上述几种方法在工程中都已经历了工程实 践，并且都取得了不错的加固效果。 随着国家大开发战略的实施，高层建筑、高速公路、铁路的大规模的建设， 工程中遇到软弱土场地的情况愈来愈多，对软弱土地基的处理需要进行大量的 研究，可以说目前所有的地基处理方法都在软土地基处理中得到了应用，但加 固的效果也都各有千秋，成败不一。特别是在很多高速公路的新老路交接处， 桥梁的桥地搭接处常出现不均匀沉降的断裂问题，最终导致桥头跳车口1 现象的 产生，桥头跳车问题已成为高等级公路营运中比较重视并需要解决的问题；在 老公路加宽改造工程中，软基段、新老路堤连接处也大量存在明显的不均匀沉 降，导致路面开裂，影响工程质量。 对于桥头跳车、新老公路不均匀沉降等问题，一般的处理方法很难克服这 一困难，因此必须采用切实有效可靠的地基处理方法，处理公路正常路基与软 基之间的不均匀沉降以及桥头桥路搭接处的差异沉降问题，使其满足设计的要 求。这就要从沉降变形不协调这一本质入手，采用新的手段来解决新老路、桥 地之间的差异沉降问题。复合地基承载力提高幅度大，变形小、沉降稳定快、 成本低等优点，在处理此类软基差异沉降问题具有广泛的应用前景。复合地基 具有以下特点： 复合地基的工艺可概括为成孔和成桩两大部分，成孔与成桩施工速度快， 工期短。施工方便，造价低廉，适用范围广。随着复合地基技术的发展，在大型 工程及高层建筑中，应用越来越广，在超高层中的应用也不乏其例。 大量的符合地基技术处理地基工程的实践表明，采用复合地基控制沉降、 提高承载力是非常有效的手段。它的发展将是地基处理技术中不可或缺的，是 地基处理理论中重要的组成部分。目前我国的上海、浙江等许多省市都已制定 了相应的地基处理技术规程。 6 1 3 国内复合地基研究现状 对于碎石等散体材料桩，一般应用于承载力要求不高的地基中，因此涉及 到的理论及工程实践研究的较少，这里不再提及。 1 3 1 柔性桩复合地基研究现状h 3 石灰桩复合地基是指在桩孔内填入石灰块，经过夯实后形成的桩体。由于 石灰桩的置换作用和吸水膨胀作用，石灰桩复合地基的承载力可在2 0 0 k p a 左 右。作为一种柔性桩，石灰桩的桩体胶结程度较差，其有效桩长仅为5 - 6 m ，因 此其使用范围有限。 夯实水泥土桩复合地基的桩体材料是由水泥、土以体积比为1 ：6 左右拌和 后，在桩孔内分层将夯实形成的。桩体无侧限抗压强度能达到6 m p a 左右，复合 地基变形模量可以达5 9 m p a 。 深层搅拌桩是指将水泥等黏结性材料在地基深处将软土强制搅拌，使软弱 土胶结成具有整体性和一定强度的地基。该方法中，最大桩长可达2 7 m ，复合 地基整体的承载力可达到2 7 0 k p a ，不过水泥土搅拌桩也会根据具体的桩身刚度 存在一个有效桩长。 上述复合地基都属于柔性材料桩复合地基，还有其他一些相关的柔性材料 桩复合地基本文不在过多论述。 1 3 2 刚性桩复合地基研究现状 能采用复合地基理论设计的桩，可概化为是柔性桩；不但包括碎石桩、搅 拌桩之类，还包括了厚大压缩层中的钢筋混凝体短桩；不考虑桩间土垂直承重 作用的桩，可概化为刚性桩。 最近在刚性桩的研究中，对复合地基的概念产生了一些争议。特别是复合地 基与复合桩基的区别。复合桩基承台与桩体是刚性连接的，即承台与桩体是一个 整体。复合桩基在受荷载的初期，桩体承担大部分荷载，只有在桩体达到极限 承载力时，桩间土才能发挥其承载的作用。从地基与基础的概念来说，复合桩 基为基础，不是地基。不过从复合地基桩、土共同承载的本质特征来讲，复合 桩基也可以说具有复合地基的性质。 刚性桩复合地基中的桩体本身刚度比较大，桩端阻力随荷载增加同步发挥 作用，即可以直接向桩端传递荷载，使得地基承载能力的潜力较大。刚性桩复 合地基相对柔性桩侧阻优先发挥作用、而端阻发挥作用迟缓的特点来说具有明 显的优势，其经济效益也十分显著。当复合地基不设褥垫层，即桩及桩间土直 接与基础接触的情况下，加载初始荷载主要由桩承担，桩沉降变形大，桩端土 由弹性变形进入塑性变形阶段，桩间土开始分担荷载；随着进一步加载，新增 的荷载大部分由桩间土来分担，直至达到复合地基整体破坏时的极限状态为止。 7 根据复合地基减小沉降，提高强度的思想，刚性桩复合地基可以采取长、 短桩1 相结合的方法进行设计。长桩用来减沉，短桩用来提高承载能力，但二 者的作用是交互的。褥垫层对复合地基桩、土应力比具有明显的调节作用，也 是学者们竞相争鸣的地方，大多都认同褥垫层最佳厚度一般在0 2 - 0 3 m 之间为 宜，若进一步增加厚度，其调节桩土应力比的效果越来越不明显。 目前，刚性桩复合地基的研究还存在如下一些问题：褥垫层的相关参数 还需进一步的分析，已有的计算模型大多采用弹性模型n 玑1 1 1 ，与实际情况出入 较大。复合地基中桩土的荷载传递n 扣特性研究不够深入。桩一土一垫层体系 的共同作用机理还缺乏研究，计算理论与实测资料相差较大。 清华大学土木系也对刚性桩复合地基进行了4 组总共1 9 个模型的试验，研 究了单桩、群桩复合地基的承载特性以及桩与桩间土的作用。而且提出了几种 复杂不一的计算模型，包括较简单情况下的解析法和实用性强的半解析半数值 方法等，通过将这些方法计算得到的结果同数值计算的结果及试验、实测结果 比较，表明其具有一定的可靠性及可用性。 刚性桩复合地基是一种有效实用的地基处理手段，它在全国推广应用的前 景无限光明，目前对它的研究也在不断加强，许多学者纷纷将目光投入到这一 领域，作者也将本着服务工程实际需要的原则，着眼该领域的一些热点和难点 问题。 1 4 本文的研究思路及主要工作 通过小比例模型及现场试验n 3 一钔对刚性桩复合地基的进行研究仍是目前通 行的做法，但试验结果与实际还是存在一些出入，究其原因主要是模型参数的 选取与实际情况不一致。所以结合实际的理论分析还有待加强，特别是垫层材 料及厚度、刚性桩的桩长及桩距对复合地基承载能力和沉降量的影响等。针对 刚性桩复合地基的研究，应采用精确的参数，动态的模型，辨证的参照系统， 综合的分析计算方法。 本文在刚性桩复合地基已有研究研究的基础上，以低置换率、高桩土应力 比的疏桩理论为出发点，对刚性桩复合地基进行了以下几个方面的研究： 1 、分析了刚性桩复合地基的加固机理、褥垫层的作用；探讨了褥垫层合理 的厚度；研究了刚性桩复合地基小置换率m 以及高的桩土应力比n 的合理取值 问题。 2 、分析了桩侧负摩阻力在刚性桩复合地基中的分布特性及其在地基趋于稳 定时逐渐消失的规律，提出了侧摩阻力计算模型；分析了刚性桩总沉降各组成 部分产生的原因，建立了沉降的计算模型，通过桩土互为参照物的思路提出了 刚性桩复合地基总沉降的计算方法。 3 、通过大型有限元软件a b a q u s 对某刚性桩复合地基桩身、桩间土的应力 8 分布以及桩端、桩间土的沉降进行了模拟分析。并将有限元软件分析得到的应 力及沉降变形分布情况与工程实际进行了对比。 9 第二章刚性桩复合地基的作用机理 尽管刚性桩复合地基技术在工程中应用广泛，但是因是否设置褥垫层、桩 长不同等，对其荷载传递效果造成较大的差别，极限状态后的破坏模式也不一 样。因而本章重点研究冈0 性基础下设置褥垫层的刚性桩复合地基的作用机理。 同其他很多工程技术一样，刚性桩复合地基技术的发展也是理论落后于实践的。 对于其作用机理的研究是工程实践的需要。 2 1 刚性桩复合地基的加固机理 复合地基中桩间土的成份复杂程度、桩端持力层、桩长不相同，复合地基 的整体承载能力也有所不同，下面介绍一下刚性桩复合地基的加固机理，可概 括为桩体的置换作用、挤密作用、褥垫层的调节作用、桩对地基土的约束作用 以及荷载向深层传播的作用等。 刚性桩桩身刚度和强度较大、压缩量较小，单桩沉降受桩端持力层性状影 响较大。与散体材料桩需要依靠桩间土提供的被动土压力来维持桩体平衡、承 受上部荷载的作用不同，刚性桩主要通过桩端端阻力把上部荷载传递给地基土 的，因而刚性桩复合地基中土的竖向应力的传播深度与范围比散体材料桩及柔 性桩复合地基大的多，加固效果也更明显。 散体材料桩在荷载作用下，桩体的压缩应变由上而下逐渐减小，桩与桩周 土体之间的相对位移也由上而下逐渐减小，桩侧摩阻力也是自上而下逐渐减小， 桩侧摩阻力的发挥远早于桩端端阻力的发挥，其桩身变形和桩侧摩阻力都主在 有效桩长内。而刚性桩会直接将荷载传递到桩底以下地基土内，但由于桩间土 并非理想的弹性体，而是非线性的弹塑性体。它在应力应变等各方面具有非线 性n 引、在荷载作用下桩周各处摩阻力和桩端端阻力的发挥仍需研究；桩侧摩阻 力沿桩体深度方向的分布也是均匀的，并且随着作用荷载的增加同时达到极限 摩阻力。然而，由于理想的刚性桩实际上并不存在，在荷载作用下的桩体，总 会产生一定的压缩变形，桩侧摩阻力总是先于桩端端阻力，即使是对于模量很 大的钢筋混凝土桩，在长细比足够大的情况下，同样可能呈现出柔性桩的性状。 因此，对于刚性桩而言的是相对的。 2 1 1 桩体的置换作用 刚性桩复合地基中桩体的强度和模量远远大于桩间土，由于其端承力能与 荷载同步发挥，桩可将承受的荷载向下卧层中传递，从而分担了桩间土本应承 担的荷载，桩的这种作用使复合地基承载力提高、变形减小，称之为桩体的置 换作用或桩体效应。复合地基置换作用的大小取决于桩端持力层的作用，这正 是散体材料桩与刚性桩受力情况最关键的差别。由于散体材料桩为松散碎石， 1 0 荷载作用下，桩下一定的深度将产生压胀区，这个深度也就是有效桩长，当桩 长大于有效桩长后，靠增加桩长来提高地基承载力是难以实现的 2 1 2 桩对土的挤密改良作用阻1 对于填土、粉细砂、粉土等密实度不高的松散土体，通过机械振动挤压成 桩，对土产生横向挤密作用，小颗粒填入大颗粒的孔隙中，颗粒间彼此靠近， 从而使桩间土空隙比减小、密实度增加，地基土的强度和模量也随之提高。所 以挤密作用主要是使松土地基挤密，改善土的强度和变形特征。由于桩体本身 具有较大的强度和变形模量，故桩体与桩间土共同承担建筑物荷载，是复合地 基承载能力提高的组成部分。 2 1 3 褥垫层的应力调整作用 在竖向荷载作用下，刚性桩复合地基由于褥垫层n 扣1 9 1 的作用，桩顶逐渐向 褥垫层中刺入乜“圳，桩顶上部垫层材料在压缩变形的同时，向土体挤压，流动 补偿到桩间土里，这种补偿作用可以部分消散桩顶的应力集中，另一方面也为 桩顶处提供了一个变形的空间，使得桩间土与基础底面始终保持接触并使得桩 间土的压缩量增大，从而桩土共同作用得到保证。大量工程实例表明：褥垫层 为解决桩、土的变形协调、充分调动桩间土的承载潜力以及确保在荷载作用下 形成桩与桩间土共同工作的复合地基，提供良好的作用。 2 1 4 荷载向深层传播的作用 对于各类软弱土地基，直接承担建筑物时，荷载只在浅部土层传播，此时 易出现承载能力偏低、变形较大等缺点。采用刚性桩复合地基以后，可以将上 部荷载向深层土传播，承载能力明显增强，变形也明显减小。 2 2 刚性桩复合地基的相关参数 2 2 1 置换率 复合地基中，所有桩的横截面面积彳。和复合地基的总面积彳之比，称为面 积置换率，并用i l l 表示： m = a 矽a( 2 1 ) 实际工程中，由于地基土性质或者上部荷载的非均匀性，基础下桩的布置 一般不可能等间距布置，总是非均匀的。在理论研究中很难按照非均布的实际 情况去研究，因此常根据置换率来设定一个等效土体单元。也就是单元土体中 桩的横断面积为置换率。 2 2 2 桩土应力比陬2 2 1 刚性桩复合地基中，如果桩顶应力为口，、桩间土应力为q ，则桩顶应力和 桩间土应力之比1 1 称为桩土应力比。桩土应力比n 为： 刀= 仃p o s( 2 2 ) 般来说，处在基础下不同部位的桩、间距不等的桩，固定荷载下其桩土 应力比n 也不同；当荷载变化时，桩土应力比也发生变化。我们称基础下桩顶 的平均应力与桩间土的平均应力之比为平均桩土应力比。桩、土的平均应力比 是反应桩土荷载分担的一个重要参数。也是复合地基设计的重要控制参数之一。 一般情况下，刚性桩桩、土应力比与桩长、置换率、桩端持力层土体的条件等 有关。 。 2 2 3 桩土荷载分担比 复合地基中，桩土的荷载分担常用桩土应力比表示， 、坑表示： 6 p = p p | p 后者桩土荷载分担比 ( 2 3 ) 6 s = p s | p0 2 一d 上式中匕一桩承担的荷载； 只一桩间土承担的荷载； p 一总荷载。 当平均面积置换率m 已知后，桩土荷载分担比和桩土应力比可以互相表示。 当测的了桩土荷载分担比占p 、以后，可求得： 桩顶平挚应力为盯，= 与= _ p 丁s p 桩问土平均应力 吒= 等= 志 桩土应力比为刀：垒：( 1 - _ m ) s p ( j jm o $ 式( 2 7 ) 即为桩土荷载分担比表示的桩土应力比。 同理，如果确定了桩土应力比后，可求得桩土荷载分担比如、 应力比表示的任意上部荷载时的竖向平衡方程为： j 5 【l 棚( n - 1 ) c r a p o s 2 = 。a 。 。l 。+ 。m 。( n 1 。- 。1 。) 1 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 以。用桩土 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 口p2 力o s2411+re(n-i)rt p p = o - p 砟= 高惫 = ；斋赫 只= 4 = 丽p ( 1 - m ) 。段 1 一m 瓦= 生p2 1 + 巳r e ( n - i ) 2 2 4 复合模量瞳朝 桩体的压缩模量是桩体材料在外荷载作用下抵抗变形的能力。通常取桩体 试块在实验室测定。它只与桩体材料本身有关，是桩体材料的性质，与桩的几 何尺寸和桩间土的性状没有关系。 建筑物通过基础将荷载p 传到桩和桩间土上，桩顶应力为盯。，桩间土平均 应力为。，桩在荷载作用下，桩顶产生竖向位移s ，s 由两部分组成，其一是桩 体本身的压缩变形量s 。，其二是桩克服土的侧阻和端阻产生的刚体位移量s ， 即s ：+ 占。桩的变形模量与桩本身的压缩量和桩体刚性位移量密切相关， 或者说桩抵抗变形的能力由两部分伯1 组成，一部分是桩本身抵抗变形的能力， 另一部分是桩侧和桩端土抵抗变形的能力。若桩长桩径一定，对桩的变形模量 起控制作用的是桩体材料、桩间及桩端土，主要取决于桩体材料的性质。对于 刚性桩来说，桩身压缩变形一般是可以忽略的，取= 0 ，此时s = s ，也就是说对 刚性桩变形模量起控制作用的是桩侧及桩端土。 复合模量则是桩土复合土体抵抗变形的能力，由复合地基的桩土组成，固 复合地基的复合模量与土的模量和桩的模量密切相关。其中土的模量指土的压 缩模量，桩的模量是反映桩在地基中抵抗变形的能力即桩的变形模量。 常见的是用桩体材料模量和土的压缩模量的叠加来表达复合土层的复合模 量，即： 也阳= 舭pq - u 一历j 也j ( 2 1 5 ) 式中 一复合土层的复合模量 m 一面积置换率 e p 一桩体压缩模量 西一桩间土压缩模量 2 3 刚性桩复合地基的荷载传递机理 2 3 1 褥垫层的荷载调节作用伪一l 2 5 3 1 3 ) ) ) ) ) o l 2 3 4 l ，i l l 1 一 一 一 一 一 2 2 2 2 2 ，、l，、，k 通过前面的论述可知，当在基础与桩和桩间土之间设置定厚度的碎石材 料组成的褥垫层时，在荷载作用下，由于桩的模量远大于土的模量，桩间土表 面变形大于桩顶变形，桩向褥垫层刺入，随着这一变化，粒状散体材料不断流 动补偿到桩间土里，基础通过褥垫层始终与桩间土保持接触，桩间土的承载能 力可以得到充分发挥。 v 联聪臻强臻疆翁毋皲礴融荣鞲捌 置i 邕 匿i l l 图2 1刚性桩复合地基 t ( m i n ) 荷 载 分 担 比 图2 2桩与土应力时程曲线 图2 3桩土荷载分担比变化曲线 此时在给定荷在载下，桩与土的应力随时间变化的时程关系曲线如图2 2 。 当荷载逐渐增大时，刚性桩复合地基柱土的荷载分担比随荷载的变化曲线如图 2 3 。不设置褥垫层的时候，在竖向荷载作用下其承载特性和复合桩基差不多。 如果桩端落在坚硬土层上，桩的沉降受到限制，桩间土承载力无法发挥。故而 很多学者认为该人工地基不能划入复合地基的范畴。 由上可知，是否设置褥垫层，对复合地基承担荷载影响很大，因此褥垫层 是刚性桩复合地基关键的组成部分；不设褥垫层，复合地基承载特性与桩基础 相似；设置褥垫层后，