（岩土工程专业论文）复合地基固结性状研究.pdf

复合地基固结性状研究 摘要 复合地基是由基体( 天然土体) 和竖向增强体( 桩体) 共同形成的人工地 基，其特点是在荷载作用下，基体和增强体共同直接分担上部荷载。由于复合 地基广泛地应用于各类土木工程，取得了较好的经济效益，故学术界和工程界 不仅对其承载力和沉降变形充满了浓厚的兴趣，而且固结问题也在进行着广泛 而深入的研究。本文在参考前人研究成果的基础上结合实际情况较系统地对复 合地基固结性状进行了研究： 1 、将复合地基的桩体和周围土体的径向整体分别作为一个研究对象，从而 避开单独考虑因施工造成的涂抹效应的影响；由排水量与体积变化量相等的关 系，用平均超孔隙水压力的概念推导出单层地基复合地基的固结简化解析式， 考虑应力集中效应并得到相应的桩体及其周围土体的超孔隙水压力和固结速率 计算式，对影响复合地基固结效应的影响因素诸如桩体渗透性和压缩性及其置 换率等进行详细的讨论并对其规律性进行了总结； 2 、建立了成层地基复合地基的超孔隙水压力和固结度的解析方程，着重研 究了地基土的渗透性和压缩性及厚度变化对复合地基固结性状的影响； 3 、建立了含软弱下卧层复合地基的固结方程，通过改进加固区和下卧层区 接触面的连续条件，求得相应的超孔隙水压力和固结速率计算式；根据复合地 基固结沉降的特点，建立反映固结沉降大小的整体固结度方程式； 4 、用t e r z a g h i 一维固结理论验证了a b a q u s 程序固结计算的可行性，研 究了复合地基的桩土问摩擦效应对其固结性状的影响； 5 、用有限元研究了复合地基的基础型式、桩体和土体的性质、桩体置换率、 基础刚度等参数变化对其固结性状的影响，研究的内容主要包括超孔隙水压力 大小及分布、固结沉降、固结度等，并对其规律性进行分析和总结。 本文的研究较全面地揭示和了解复合地基固结性状，提出了复合地基固结 简化解析式并改进了其连续条件，进一步丰富和完善复合地基固结理论及其分 析计算，为工程实践提供指导作用。 关键词：复合地基；固结；固结沉降；超孔隙水压力；同结度：有限元。 t h ec h a r a c t e r so ft h e c o n s o l i d a t i o no f c o m p o s i t ef o u n d 枷o n 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 ni sa na r t i f i c i a ls o i lc o m p o s e do fb a s a lb o d y ( n a t u r a l f o u n d a t i o n ) a n dr e i n f o r c e m e n tb o d y ( p i l e s ) ，i t sc h a r a c t e r i s t i ci st h a tt h es u p e r i m p o s e d l o a d i n gi ss h a r e db yt h eb a s a lb o d ya n dt h er e i n f o r c e m e n tb o d yj o i n t l ya n dd i r e c t l y b e i n ga p p l i e dw i d e l yi na l lt h ec i v i le n g i n e e r i n g ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sh a v i n g b e e n y i e l d e dg o o de c o n o m i cp e r f o r m a n c e n o to n l yt h eb e a r i n gc a p a c i t y a n d d e f o r m a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a v eg r e a t l yi n t e r e s t e dt h ea c a d e m i am a dt h e e n g i n e e r s ，b u ta l s oi t sc h a r a c t e r i s t i co f c o n s o l i d a t i o ni sh a v i n gb e e nr e s e a r c h e dw i d e l y a n dd e e p l y r e l y i n go nt h ek n o w nr e s e a r c hf i n d i n g s ，as y s t e m i cr e s e a r c ho nt h e c h a r a c t e r so ft h ec o n s o l i d a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u ti nt h i s p a p e r ： i t h ew h o l ei nr a d i a ld i r e c t i o no ft h ep i l ea n di t ss u r r o u n d i n gs o i lo fc o m p o s i t e f o u n d a t i o ni sr e g a r d e da sa na n a l y t i ce l e m e n tr e s p e c t i v e l y , s ot h ee f f e c to fs m e a r r e s u l t i n gf r o mt h ei n s t a l l a t i o no ft h ep i l e si sn o tn e c e s s a r yt ob ec o n s i d e r e d b a s e do n t h ee q u i v a l e n to fs e e p a g ed i s c h a r g eo fa ne l e m e n tt oi t sv o l u m ec h a n g ea n dt h e c o n c e p to ft h ea v e r a g e e x c e s s p o r ew a t e rp r e s s u r e ，t h ea n a l y t i ce q u a t i o n o f c o n s o l i d a t i o nf o rt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nf o r m e db yh o m o g e n e o u sg r o u n dw a s d e r i v e d c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so f b o t he x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ea n dc o n s o l i d a t i o np e r c e n to ft h ep i l ea n di t s s u r r o u n d i n gs o i lh a v eb e e na c h i e v e d t h ep a r a m e t e r so f t h ep i l es u c ha sp e r m e a b i l i t y ， c o m p r e s s i b i l i t ya n dr e p l a c e m e n tr a t i o ，e t c ，w h i c hh a v ee f f e c t so nc o n s o l i d a t i o n ，h a v e b e e ne x p l o r e di nd e t a i lr e s p e c t i v e l ya n dt h e i rr e g u l a r i t i e sa r eg e n e r a l i z e d ； i i t 】ea n a l y t i ce q u a t i o n so fb o t he x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ea n dc o n s o l i d a t i o n p e r c e n to ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nc o m p o s e do fm u l t i l a y e r e dg r o u n dh a v eb e e n o b t a i n e d t h ep a r a m e t e r so ft h es o i lw h i c hh a v ee f f e c to nc o n s o l i d a t i o nh a v eb e e n r e s e a r c h e di no r d e rt of i n do u tt h ec h a r a c t e r so ft h ec o n s o l i d a t i o no fc o m p o s i t e f o u n d a t i o n ； i i i t h ec o n s o l i d a t i o ne q u a t i o no ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hw e a k t t s u b s t r a t u mh a sb e e nb u i l tu p t h r o u g hi m p r o v i n gt h ec o n t i n u i t yc o n d i t i o nb e t w e e n t h er e i n f o r c e dz o n ea n dt h ec o n t a c tf a c eo f s u b s t r a t u m ，t h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n so f t h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ea n dr a t eo fc o n s o l i d a t i o nh a v e b e e na c h i e v e d a c c o r d i n gt ot h es e t t l e m e n tc 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 n ，t h ed e g r e eo f c o n s o l i d a t i o no ft h ew h o l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sb e e na c q u i r e d ，w h i c hc o u l d r e f l e c tt h ec o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t ； i v t h ef e a s i b i l i t yo fa b a q u si st e s t e dw j t lo n e d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o n t h e o r yo ft e r z a g h i ，a n dt h ef r i c t i o ne f f e c to ft h ep i l ea n di t ss u r r o u n d i n gs o i lo nt h e c o n s o l i d a t i o nc h a r a c t e r so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sa l s oe x p l o r e d ； v u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ec h a n g eo fp a r a m e t e r ss u c ha sf o u n d a t i o n l a y o u t ，t h ep e r m e a b i l i t ya n dc o m p r e s s i b i l i t yo f t h ep i l ea n di t ss u r r o u n d i n gs o i l ，p i l e s r e p l a c e m e n tr a t i oa n df o u n d a t i o ns t i f f n e s s ，e t c ，h a sb e e nd i s c u s s e dt od i s c o v e rt h e i r e f f e c t so nt h ec o n s o l i d a t i o nc h a r a c t e r so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h em a g n i t u d ea n d d i s t r i b u t i o no fe x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e ，c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n ta n dc o n s o l i d a t i o n p e r c e n th a v eb e e nc a l c u l a t e da n dt h e i rr e s u l t sa r ea n a l y z e da n dg e n e r a l i z e d i nt h ep a p e r , t h ec h a r a c t e r so ft h ec o n s o l i d a t i o no fe o m p o s k ef o u n d a t i o na r e r e s e a r c h e da m p l y , as i m p l i f i e da n a l y s i sm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r da n dt h ec o n t i n u i t y c o n d i t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni si m p r o v e d ，w h i c hw i l lf u r t h e rr i c ha n dp e r f e c t t h ec o n s o l i d a t i o nt h e o r yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o na n di so fb e n e f i c i a lr e f e r e n c et o a c t u a le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；c o n s o l i d a t i o n ；s e t t l e m e n t ；e x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r e ；c o n s o l i d a t i o np e r c e n t ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着经济的发展和社会的进步，建( 构) 筑物的发展日新月异，其对地基提 出了更高更严格的要求。当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基的要求，增加 基础埋置深度又不经济、甚至不可能时，需要对天然地基进行专门处理，以保 证建( 构) 筑物的安全稳定和正常使用。经专门处理后的地基称为人工地基。用 不同方法处理后的人工地基，其受力特征有各自的特点，设计方法和研究的内 容也不同。从工程设计和研究的角度出发，人工地基大致可分为：均匀地基、 多层地基和复合地基。 在层数不高且允许有一定沉降变形的建筑物中，复合地基的应用无疑是一 种比较经济的设计方法( m i t c h e l l ，1 9 8 1 ) ，且复合地基在工程中的应用可追溯至远 古时代，我国早在两干多年前就有用碎石夯入到软土中来增强地基强度的记载， 可复合地基的概念于二十世纪六十年代才面世，但是其涵义随着实践的发展又 以较快的速度进行演变：初期的复合地基主要指碎石桩这种单一的散体材料桩 复合地基；随着水泥土桩的应用，复合地基概念得到了拓宽，涵盖了诸如水泥 土桩这种糙结材料桩复合地基；以后又拓展到低强度桩复合地基、刚性桩复合 地基等等。随着复合地基在实际工程应用范围的扩大和广泛，人们展开了针对 复合地基定义和分类的探讨，龚晓南在复合地基理论及工程应用中从广义 的角度对复合地基进行了概括：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。其特点是在荷载作用 下，基体和增强体共同直接分担上部荷载。根据复合地基工作机理可作如下分 类： r 散体材料桩复合地基 厂竖向增强体复合地基，柔性桩复合地基 复合地基l。粘结材料桩复合地基i 刚性桩复合地基 l 水平向增强体复合地基 复合地基问题主要涉及承载力、沉降和固结j 方面的问题，复合地基承载 力和沉降问题是复合地基强度和变形问题，而固结问题是关于复合地基渗流变 坚奎兰堡羔篁堡塞 墨鱼垫苎塑堕堡鉴堕壅 墅堕堡! ! 塑垩! ! 星 形问题。前两者凭借室内外试验、理论分析和有限元等多种手段进行了广泛而 深入的研究，复合地基固结问题的研究及理论发展相对较落后，并且该问题在 工程界和学术界受到了越来越多的关注和重视，从事该领域研究的学者越来越 多且研究的形式和手段呈现多样化。 1 2 复合地基承载力和沉降研究现状 复合地基的承载力和沉降变形问题是工程界最为关心的问题，故学术界通 过多种方法对其进行了广泛而深入的研究，其主要研究手段可概括为室内外试 验，解析分析和有限元数值模拟，下面针对有代表性的部分学者的研究成果进 行简单的阐述： l 、室内外试验 陆贻杰和周国钧( 1 9 8 9 ) 通过室内模型试验并借助有限元研究了水泥搅拌桩 加固砂土地基基底压力分布、水泥土桩荷载传递规律以及桩长和置换率与承载 力和变形的关系； 林琼( 1 9 8 9 ) 、刘一林和谢康和等( 1 9 9 0 ) 通过水泥土一土复合体一维压缩试验和 三轴固结不排水剪试验，发现水泥土一土复合体的应力应变曲线类似于超固结 土；且随着围压的减少、置换率的提高和水泥掺合比的增大，复合土体由塑性 破坏向脆性破坏转化； j u r m a n dr i c c o b o n o ( 1 9 9 1 ) 利用三轴压缩试验针对砂桩增强的正常固结的高 龄土环型复合样进行测试，研究了其胶结效应和复合体的沉降特征； 叶观宝等( 1 9 9 2 ) 和段继伟等( 1 9 9 4 ) 分别通过现场试验研究了刚性基础下水泥 搅拌桩复合地基单桩和单桩带承台情况下的荷载传递规律，得出复合地基存在 临界桩长工。且桩体的变形、轴力和侧摩阻力主要集中在o 。深度内； m u i rw o o d ，h ua n dn a s h ( 2 0 0 0 ) 用不同桩径、桩跃和桩间距的模型试验测定 了基础荷载作用下碎石桩复合地基的受力机理，测定了碎石桩变形模式并推测 了桩体向周围土体传递荷载的方式； 池跃君等( 2 0 0 2 ) 对低强度桩复合地基进行了载荷试验，分析了桩上应力比、 桩身轴力和桩侧摩阻力的分布特征、上下刺入量及各土层的压缩量： 晏启祥等( 2 0 0 2 ) 对一软土路基三种粉喷桩加固方案( 不同桩长、不同布置方 式) 进行了沉降、侧向位移和桩土应力比等观测分析，认为粉喷短桩为最优方案： 李海芳( 2 0 0 4 ) 通过低强度桩处理桥头段的现场测试成果，结合理论分析研 究其沉降变形的规律。 第一章绪论 2 、解析分析 p o u l o s ( 1 9 6 8 ) 分析了群桩的相互作用，并探索了桩的沉降对其他桩的影响； 李静文( 1 9 9 3 ) 和李增选等( 1 9 9 6 ) 分别假定刚性基础下桩侧摩阻力沿桩长均 匀分布和倒三角形分布，由b o u s s i n e s q 解答计算荷载作用下桩间土在复合地基 中引起的竖向附加应力并由g e d d e s 解答训算桩身荷载在复合地基中引起的竖向 附加应力。二者叠加作为复合地基中的附加应力，并由分层总和法计算复合地 基的沉降； b o u a s s i d a ，b u h a na n dd o n n i e u x ( 1 9 9 5 ) 用一种新方法来计算三维情况下群桩 基础的承载力，并用屈服理论来确定承载力的下边界； g u oa n dr a n d o l p h ( 1 9 9 9 ) 根据弹性连续理论的荷载传递方法找到一种有效 的方法来预测复合地基群桩的沉降，并对各影响因素进行了探讨； p o u l o s ( 2 0 0 1 ) 研究了桩和基础的相互影响并探讨了其对增加地基承载力和 减小沉降的作用及设计参数的选取； 池跃君等( 2 0 0 1 ) 假定桩端土层坚硬，桩顶向垫层刺入，针对垫层较薄的情 况，建议了m a n d e l 和s a l e n c o n 的破坏模式，给出了桩土应力比和垫层厚度、桩 径及垫层土料内摩擦角的关系式； 梁发云( 2 0 0 4 ) 通过有限元和理论并结合工程试验从总体上对混合桩型复合 地基的受力特点和变形特征进行了探索。 3 、有限元数值模拟 o t t a v i a n i ( 1 9 7 5 ) 用有限元法从三维角度对弹性地基中的单桩和群桩在竖向 荷载作用下的性状进行了分析，得出群桩沉降较单桩沉降大，其值与解析值较吻 合，刚性基础下群桩的中间桩体受到的力要较其周围桩体受力小； b a l a a ma n dp o u l o s ( 1 9 8 3 ) 在分析碎石群桩复合地基时，取单桩和其影响范围 的桩周土为典型单元，用线弹性有限元法分析了刚、柔性基础下复合地基的沉 降反应。计算发现，刚性基础下碎石桩复合地基的沉降速率随桩土模量比提高 而增大；对于柔性基础，桩土模量比对沉降速率影响不大。加固深度与桩径之 比小于5 时，柔性基础沉降略小于相应的刚性基础。当加固深度与桩径之比在 1 0 2 0 之间时，柔性基础的沉降几乎与相应的刚性基础相同； s c h w e i g e ra n dp a n d e ( 1 9 8 6 ) 利用有限元法进行了碎石桩复合地基的数值模 拟和计算分析； 刘一林和谢康和等( 1 9 9 1 ) 将水泥搅拌桩复合地基分别当作“双层地基”和 “群桩”两种完全不同的模型进行有限元分析。计算表明，复合地基的沉降随 型学博士学位论文 复台地基固结性状研究邢皓枫2 0 0 5 年1 1 月 加固区深度和模量的增大而减少，值存在临界的加同区深度和模量。当加固区 深度和模量超过了相应的临界值后，并不再有效地减少复合地基沉降： 韩杰和叶书麟( 1 9 9 2 ) 用轴对称线弹件有限元法分析了刚性基础下碎石桩复 合地基的应力分布，发现天然地基和复合地基中竖向附加应力的分布是不同的， 桩体应力集中明鼹，桩周土应力相应减少； a l a m g i rc ta 1 ( 1 9 9 6 ) 在分析柔性基础r 的复合地基时，假定桩上为线弹性 体，选择适当的典型单元体位移模式，利用典型单元体侧面零剪应力和桩土界 面位移协调条件，通过桩土单元的平衡分析获得了桩、土的沉降和应力分布。 有限元法分析结果表明，这种方法的精度是令人满意的： 温晓贵( 1 9 9 9 ) 用非协调元分析了复合地基中带有承台情况下的群桩三维位 移场的特点； 吴慧明( 2 0 0 1 ) 用二维有限元法研究了刚性基础与柔性基础下的位移场。 1 3 复合地基固结的研究现状 前面所述的只是有代表性的研究强度与变形的内容，但是学者们在进行复 合地基强度和变形研究的同时，发现复合地基中竖向增强体由于其低压缩陛和 高渗透性口j 以加快饱和软粘土地基的排水围结过程，且固结效应足工程界和学 术界不可忽视的问题，故复合地基囤结问题逐渐得到工程界和学术界越来越多 的重视，针对其固结特性的研究电象其强度和变形一样层出不穷且呈递增的趋 势。有关复合地基固结性状的研究也呵从= 个方而进行阐述： 1 、室内外试验 f r e e z e ( 1 9 7 7 ) 用蒙特卡洛方法检验了随机土样的同结问题，发现不同类土的 固结速率有很大的差异性； h a n s b oc ta 1 ( 1 9 8 1 ) 用6 个工程实例评估了十件参数、井距、砂井型式以及 施工过程对竖井排水作用的影响； c h a n d l e ra n d m a r t i n s ( 1 9 8 2 ) 做了9 个t f 常固结土和1 个超囤结土的模型桩的 载荷试验，在充分排水的条件下对桩体施加荷载，试验绵果表明桩身与周围土 体的摩擦角较三轴试验得到的值略小且与土体的初始应力比无关，而随着荷载 的增加，对正常囤结土桩身侧向应力减小而超同结土则增大； c h a r l e se ta 1 ( 1 9 8 3 ) 作了刚陛压板下大尺寸散体材料桩的室内三轴试验，通 过在桩体和土体中埋设土压力盒、孔压计、应变计来观测散体材料桩的应力应 变关系和固结特性； 变芙系和固结特性； 第一章绪论 j u r a ne ta 1 ( 1 9 8 8 ) 进行了一系列砂井加固软土试样的室内三轴试验，并对试 验结果进行了分析和总结； j u r a ne ta 1 ( 1 9 9 1 ) 利用改装的三轴仪进行了砂桩一土复合体和胶结砂桩一土 复合体变性特性的试验研究。研究发现桩土应力比与荷载水平有关，砂桩的排 水可以加快复合地基的固结且对于复合地基沉降过程有很大的影响； a 1 k h a f a j ie ta 1 ( 2 0 0 0 ) 用多达5 7 2 根松散和紧密砂桩进行柔性基础下的油罐 复合地基离心机试验，试验结果证明一维、二维固结分析结果高估复合地基固 结过程，因此认为复合地基三维分析是很必要的； a l m e i d ae ta 1 ( 2 0 0 0 ) 分析了堤岸下预制了竖向排水系统的软基固结性状，将 考虑涂抹效应由沉降得到的水平向固结系数和室内特殊试验及现场试验得到的 结果进行了对比，结果比较吻合并且发现次固结相对于主固结所占比例很小可 以忽略不计； h i r da n dm o s e l e y ( 2 0 0 0 ) 用物理模型试验研究了成层砂井地基的涂抹效应， 并对砂层厚度、粘土层厚度和施工机械推进轴的速度和角度等参数的变化影响 进行了研究，发现涂抹效应影响半径在1 2 倍的砂井半径，但是随土层渗透性增 加涂抹效应的性状呈现非对称性且土层间的连续性消失； h i r da n ds a n g t i a n ( 2 0 0 2 ) 进一步研究了成层砂井地基的涂抹效应，发现将施 工机械的圆形推进轴改为小矩形可大大地减少涂抹效应，且含有强透水层的地 基涂抹效应要较纯土体的涂抹效应小。 2 、解析分析 t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 建立了单向固结基本微分方程，揭开了人们探索多f l 介质固 结效应的序幕，从而使从理论角度探讨复合地基固结问题成为可能： r e n d u l i c ( 1 9 3 5 ) 将t e r z a g h i 一维固结推广到多维条件并得到r e n d u l i e - t e r z a g h i 扩散方程，为研究复合地基三维固结性状创造了条件： b l o t ( 1 9 4 1 ) 从严格的固结机理出发推导了能准确反映孔隙水压力消散与土 骨架变形相互关系的三维固结方程，为研究复合地基桩土固结的真实性状指明 了方向； b a r t o n ( 1 9 4 8 ) 在t e r z a g h i 一维固结理论基础上建立了应用于砂井地基的轴 对称固结基本微分方程并推导出了等垂直应变和自由应变两种条件下的解析 解。等垂直应变条件是同一水平面在固结变形过程中不出现差异沉降，但地面 荷载可能不是均匀分布；自由应变是指地基内各点变形完全自由，地面均布荷 载且不囚地面出现差异沉降而重新分布； s c h i f f m a na n ds t e i n ( 1 9 7 0 ) 研究了成层土的固结问题，并考虑了施加荷载的随意 浙江大学博士学位论文复合地基固结性状研究 邢皓枫2 0 0 5 年1 1 月 性，为分析成层地基构成的复合地基固结问题创造了条件； y o s h i k u n ie ta 1 ( 1 9 7 4a n d1 9 7 9 ) 建立并完善了单层砂井地基自由应变和等应 变条件下的线性固结理论； b a r t o n ( 1 9 7 8 ) 得到了排水砂桩等应变条件下考虑渗透性和压缩性变化的固 结解析解； 谢康和( 1 9 8 9 ) 建立并完善了单层砂井地基自由应变和等应变条件下的线性 固结理论； t a b b a aa n dm u i rw o o d ( 1 9 9 1 ) 研究了固定排水边界条件下径向排水固结问 题，推导出了径向孑l 隙水压力消散的严格的解析解，并和有限元分析结果进行 了对比分析； 章胜南等( 1 9 9 2 ) 把加固层和下卧层看作双层地基，假定在大面积均布荷载 作用下土体排水固结只沿竖向发生，定义各层的固结度为任一时刻的沉降与总 沉降的比值； 韩杰等( 1 9 9 2 ) 结台碎石桩复合地基的固有特性，得到只有径向渗流情况下 可以考虑井阻和涂抹作用的碎石桩复合地基固结度计算公式； 谢康和( 1 9 9 3 ) 在假设基础上建立了固结微分方程组，推导出了同时考虑并 阻和涂抹作用以及桩体中径向渗流的固结解析方程解； t a n g ( 1 9 9 8 ) 在b a r t o n 等垂直应变假定的基础上进行了含竖向排水系统地基 的一系列固结研究，得到了均质单层地基、双层或多层地基及未打穿地基情况 下的固结解析方程解； l e k h ae ta 1 ( 1 9 9 8 ) 研究了在加荷和渗透性变化的地基土中含有竖向排水砂 桩情况下的固结特性； 王瑞春等( 2 0 0 1 ) 研究了考虑应力集中效应的双层散体材料桩复合地基固结 问题并给出了解析解答，通过编程计算分析了此类地基固结基本性状； h a na n d y e ( 2 0 0 1 ) 推导出了碎石桩复合地基固结速率的简化计算式，这种简 化式便于在工程中的应用； l e k h ae ta 1 ( 2 0 0 3 ) 推导了竖向变渗透系数和压缩模量情况下的粘性士的固 结方程； c h i n ( 2 0 0 4 ) 得出了考虑井阻和涂抹效应的竖向排水井地基在分步荷载和线 性加荷情况下的等应变固结方程。 3 、有限元数值模拟 m a j o r a n ae ta 1 ( 1 9 8 3 ) 建立了可以考虑瞬时加荷、线弹性、弹塑性等因素的 固结有限元方程，并针对一个碎石桩加固的油罐地基进行了计算分析； 6 第一章绪论 z e n ga n dx i ee ta l ，( 1 9 8 7 ) 基于b i o t 真三维圃结理论提出了平面变形、空问渗 流的三维圃结有限元理论，用于分析砂井、砂桩等地基的固结变形并取得了很 好的效果； n a s r i a n d m a g n a n ( 1 9 9 7 ) 用三维非线性b l o t 固结理论借助有限元研究了土的 固结对上部结构一筏基一地基土三者相互作用的影响； c h e u n ga n d t h a m ( 1 9 8 3 ) 得出了成层土的b l o t 固结的数值解： j o h na n dj a n ( 1 9 7 0 ) 用有限元法研究了弹性土的平面固结问题并将计算结果 用一维固结的解析解进行了验证； 张土乔、龚晓南等( 1 9 9 1 ) 针对粘性材料展开了水泥土桩复合地基固结分析； 韩杰等( 1 9 9 2 ) 用轴对称线弹性有限元法分析了刚性压板或基础下碎石桩、 水泥桩复合地基的固结问题； 张捷等( 1 9 9 4 ) 利用线弹性轴对称b l o t 固结有限元法分析了刚性基础下水泥 土桩复合地基的固结特性。计算表明，尽管水泥土渗透系数一般要较软粘土小 一个数量级，但水泥土复合地基的固结速率要大于天然地基； 徐洋和谢康和等( 2 0 0 2 ) 对二灰土桩复合地基进行了三维固结有限元分析， 认为附加应力的重分布作用加快了复合地基的固结： 徐洋( 2 0 0 3 ) 在谢康和( 1 9 8 7 ) 提出的平面应变、空间渗流( p d s s ) 基础上编制 了三维固结有限元程序，针对复合地基固结与变形进行了计算理论和数值分析 的研究，并将群桩复合地基固结变形性状与单桩复合地基进行了比较，研究成 果丰富和完善了复合地基固结变形计算理论和技术； 王旭升和陈崇希( 2 0 0 4 ) 根据对称性用b i o t 固结理论针对三维渗流一二维变 形的有限单元方法( p d s s 法) 进行了改进，给出了砂井地基经济合理的三维剖分 方案，使p d s s 模型能够直接刻画正三角形布局的砂并。 有关复合地基固结性状研究的学者还有：k j e l l m a n ( 1 9 3 7 ) ；h a r t ( 1 9 5 8 ) ； h o m e ( 1 9 6 4 ) ；r u n e s s o ne ta 1 ( 1 9 8 5 ) ；a s a o k ae ta 1 ( 1 9 8 8 ) ；钱家欢( 1 9 8 8 ) ：n a k a n o a n do k u i e ( 1 9 9 1 ) ；g u o g h o u r ( 1 9 9 1 ) ；c a ia n dx u ( 1 9 9 2 ) ，a m k e b r e b r a h i m i ( 1 9 9 3 ) ； c h a ie ta 1 ( 1 9 9 5 ) ；朱向荣( 1 9 9 7 ) ；谢新宇( 1 9 9 7 ) ；王立忠( 2 0 0 0 ) ；郑俊杰( 2 0 0 0 ) ； 张迎春( 2 0 0 3 ) ；等等。 1 4 本文研究的内容 学术界和工程界针对复合地基固结性状采用多种方法和手段进行了j 。泛而 深入的研究，取得了重大的突破和突出的贡献，研究成果不仅丰富和发展了复 合地基固结理论，而且为工程实践起到了指导作用。但是本人认为在某螳方面 7 浙江大学博士学位论文 复台地基同结性状研究 邢皓枫2 0 0 5 年11 月 仍存在不足之处，需进一步完善和改进，诸如 1 、复杂的解析解不便于工程应用 已有的解析解针对复合地基固结影响因素进行了较全面考虑，但是有些影 响因素受多种条件影响不易掌握，诸如井阻和涂抹效应，其影响范围的大小和 对固结效应影响的程度很难准确把握，故考虑这些影响因素的必要性和可行性 有待商榷；再者所得计算公式复杂，为工程中的应用带来不便。h a r ta n dy e ( 2 0 0 1 ) 为便于工程中的应用针对碎石桩复合地基固结效应进行了简化分析，其认为碎 石桩为自由排水和一维弹性变形，由碎石桩与其桩周土所受荷载等于上部附加 荷载为依据并联立桩土等应变假定关系，得到了竖向和径向的最终解析式，该 解析式推导的过程中为了避开井阻和涂抹效应针对些参数进行了修正，其形 式与t e r z a g h i 一维固结和b a r r o n 砂井固结理论相似： f ；雾等k 窘= 詈 。 其中：c = ( t o ) 班。1 - a s ) + m v , s a 。 m 。肼。( 1 一致) e = ( 氏赶) 式中： 、e 分别为碎石桩复合地基径向和竖向修正固结系数； 暖为复合地基置换率； k 、地，分别为渗透系数和体积压缩系数； o 为水的重度。 根据c a r i l l o ( 1 9 4 2 ) 固结度计算公式得到碎石桩复合地基固结度大于3 0 时 的简化计算式： u ，：1 一姜e - ( 忡) 蚪2 州 ( i 4 - 2 ) 。 兀 其中：r = c ：t ，= c j h 2 式中：i 。、z 分别为修正的径向和竖向时间因素 弘一为复合地基厚度。 2 、接触面连续条件问题 已有的解析解在分析含软弱下卧层的复合地基时， 层顶部接触面( 见圈1 4 - j ) 的连续条件满足关系式： “。i ：札= “，b ，晒b ，= ”：b ， 认为加固区底部和下卧 ( 1 y t 一3 ) 第一章绪论 式中：“。为桩体内的超孔隙水压力； 蟊桩周土体的甲均超孑l 隙水压力； “2 为下卧层区的平均超孔隙水压力。 i 【i 【| li 】li 猷l i 桩周上 桩 桩闶土 u tu u 1 桩周十 u 2 桩周土 上 垒 一一 ， 图1 4 - 1 含软弱下卧层复合地基固结分析模型 从分析模型图和式1 4 3 可得到加固区底部和下卧层顶部的接触面处各点 处的超孔隙水压力值均相等，该连续条件不合理且与实际情况不相符，故需改 进和完善。 3 、总固结度的求解 h a r te ta 1 ( 1 9 5 8 ) 最早对未打穿砂井地基的固结问题进行了探索，通过理论分 析和室内试验研究提出了反映未打穿砂井地基整体固结度的计算公式； u = p u 。+ ( 1 一p ) u z ( 1 4 4 ) 式中：l k 、( 分别为打穿砂井地基和天然地基的平均固结度，分别按相应 的固结理论求解； p 一为砂井长度与软弱地基厚度之比，常称为贯入比。 式1 4 4 中计算己k 、以时排水距离均取为整个地基的厚度e 而在国内虽 经常采用该式，但是在计算c k 、巩时所采用的排水路径分别为砂井的长度和下 卧层的厚度。谢康和( 1 9 8 7 ) 发现h a r t 法计算的未打穿砂并地基平均固结度值偏 小( 过于保守) 而国内的计算方法则偏大( 偏不安全) ，提出了改进的计算方法： 即无论对于理想井或是非理想井问题，也不论是单面排水或是双面排水，未打 穿地基整体固结度仍采用式1 4 - 4 进行计算，所不同的是u ：的计算与h a r t 的方 法相同而求解u 时竖向排水距离2 采用式1 4 5 ： h 2 = ( 1 一印) h ( 1 4 - 5 ) 9 1 百1 1 刮j 浙江大学博士学位论文 复合地基固结性状研究邢皓枫2 0 0 5 年11 月 其中，由关系式u - 4 ，求得，即： a = 1 一拇f 万厕 式中：舰、p r 分别为加固区和下卧层区的时间因素。 含软弱f 卧层复合地基的固结包括桩长范围内的加固区和桩端以下的下卧 层区两部分，桩体打入土体后由于其相对较小的压缩性会使加固区和下卧层区 的压缩性相差很大，从而加固区和下卧层区两部分的沉降变形和固结性状存在 很大的差异性。由于整体固结度既是工程界很关心的问题又是学术界比较难准 确把握的问题，国内学者在谢康和计算方法的基础上又提出了多种计算式，但 是如何准确合理地计算含软弱下卧层复合地基整体固结度的问题依然还处于探 索阶段。 本文在参考前人研究成果的基础上并结合实际情况从以下内容进行复合地 基固结性状的研究和探索： 1 、本文把加固区桩体和桩周土径向整体分别作为一个研究单元，从而避开 单独考虑时需考虑施工引起的涂抹效应的影响；由排水量与体积变化量相等的 关系，用平均超孔隙水压力的概念推导出均质或成层地基复合地基的固结简化 计算式，考虑应力集中效应并得到相应的桩体及其周围土体的超孔隙水压力和 固结速率计算式，并对影响复合地基固结效应的主要因素进行详细的讨论并总 结其规律性； 2 、根据上述原理和天然地基一维固结方法，建立含软弱下卧层复合地基固 结方程，通过改进加固区和下卧层区接触面的连续条件，求得相应的超孔隙水 压力和固结速率计算式；根据前人的研究成果，建立反映固结沉降影响大小的 整体固结度方程式； 3 、利用有限元，用数值计算的方法来分析复合地基固结性状，研究内容包 括复合地基形状及其大小、上部荷载、不同类型复合地基、加固层厚度、基础 刚度、置换率、桩径、渗透性和压缩性等的变化对复合地基固结性状的影响， 其影响内容主要包括超孔隙水压力大小及分布、固结沉降、固结度等，并对其 规律性进行分析和总结。 通过本文的研究可全面地揭示和了解复合地基固结性状，进一步丰富和完 善复合地基固结理论及其分析计算，并对工程实践有指导作用。 1 0 第二章均质地基复合地基固结简化分析 2 1 概述 第二章均质地基复合地基固结简化分析 由均匀地基士构成的复合地基称为均质地基复合地基。均质地基复合地基 的固结问题是复合地基固结中的基础问题，且由于其分析模型和边界条件相对 简单，故得到人们广泛而深入的研究：b a r t o n ( 1 9 4 8 ) 给出了等应变和等应力两种 假设条件下的轴对称情况砂井地基解答；y o s h i k u n ia n dn a k a n o d o ( 1 9 7 4 ) 、 h a n s b o ( 1 9 8 1 ) 和o n o u e ( 1 9 8 8 ) 针对无井阻和涂抹效应时含竖向排水系统情况下 的单层地基固结性状进行了研究；谢康和和曾国熙( 1 9 8 9 ) 得出了等应变条件下 单层砂井地基固结解析解答；韩杰和叶书麟( 1 9 9 2 ) 得到了只有径向渗流情况下 考虑井阻和涂抹作用的单层碎石桩复合地基固结解析式；t a n g ( 1 9 9 8