（岩土工程专业论文）cfg桩复合地基工作性状及实用沉降计算方法研究.pdf

摘要 摘要 c f g 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂 加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。由于其良 好的社会效益和经济效益，目前已经广泛的应用在高层建筑中。但是，c f g 桩复 合地基的理论研究远远落后于工程实践，现有的沉降计算方法仍然不够精确。因 此，本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 回顾了c f g 桩复合地基的发展及其研究现状，主要介绍了c f g 桩复合 地基的工作机理，并对褥垫层在c f g 桩复合地基中的作用进行了分析。 ( 2 ) 分析了c f g 桩复合地基沉降计算的现状，比较了各种沉降计算方法及 其适用性，指出了沉降计算方法存在的主要问题。在此基础上，提出了一种考虑 桩土相互作用的简化计算方法，并结合具体的工程实例，证明本方法的适用性。 ( 3 ) 用f l a c 3 d 有限差分程序建立c f g 桩复合地基数值分析模型，分别研究 了垫层厚度、垫层模量、桩间土模量、桩端土模量、置换率对c f g 桩复合地基沉 降、桩身轴力及桩土应力比的影响，对于c f g 桩复合地基的工程设计和施工具有 指导意义。 关键词：c f g 桩沉降复合地基f l a c 3 d 褥垫层 a b s t r a c t i in 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼鼍曼 a b s t r a c t c f g p i l ei st h ea b b r e v i a t i o no fc e m e n tf l y - a s hg r a v e lp i l e ，ak i n do fh i 曲b o n d s t r e n g t hp i l em a d eo fc e m e n t ，f l ya s h ，r e d u c e ds t o n e ，r o c kc h i p sa n ds a n d ，m i x e d 、) ，i t l l w a t e r b e c a u s eo fi t sg o o de c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di n t h eh i g h - r i s eb u i l d i n g s h o w e v e r ，t h e o r e t i c a ls t u d yo fc f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ， m o r e o v e r , p r e c i s es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d sa r es t i l ln o ta v a i l a b l e s o ，i nt h i s p a p e r t h em a i nt a s kh a sb e e ng a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p i n ga n dr e s e a r c h i n gs i t u a t i o no fc f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i sr e v i e w e di nt h i sp a p e r b e s i d e s ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo f c f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dt h ee f f e c to fc u s h i o n ( 2 ) t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fs e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d so fc f g p i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sa n a l y s e d w h a t sm o r e ，t h em a i nq u e s t i o n so fc f gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ep o i n t e d o nt h eb a s i so f t h i ss t u d y , t h i sp a p e ro p t i m i z e so n e s i m p l ec a l c u l a t i n gm e t h o dc o n s i d e r i n gt h em u t u a la c t i o no fp i l ea n dt h ee a r t h b y c o m p a r e d 诵t l le n g i n e e r i n gs a m p l e ，i ts h o w st h a t t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sa r ew e l l c o n s i s t e n tw i t ht h ep r a c t i c e ( 3 ) c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nn u m e r i c a la n a l y s i sm o d e li se s t a b l i s h e db y u t i l i z i n gg e n e r a lf l a c 3 df i n i t ed i f f e r e n t i a lp r o g r a m t h e s ei n f l u e n c e so fc u s h i o n t h i c k n e s s ，c u s h i o nm o d u l e ，t h es o i lm o d u l ea r o u n dp i l e s ，t h es o i lm o d u l eu n d e rt h ep i l e ， r e p l a c e m e n tr a t i ot os e t t l e m e n t ，s t r e s so ft h ep i l e s ，p i l e s o i ls t r e s sr a t i oo fc f gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a v eb e e ns e p a r a t e l yc a r r i e do nt h er e s e a r c h ，w h i c hh a st h e i n s t r u c t i o ns i g n i f i c a n c et ot h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h ec f gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n k e yw o r d s ：c f g p i l e ，s e t t l e m e n t ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，f l a c 3 d ，c u s h i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得j 匕塞王些太堂或其它教育机构 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了谢意。 签名：至丛立坠堑日期：! 星：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 垦塞工些态堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：皇垫里塾堑导师签名：芝歪堡丝鑫日期：蟹逍 第1 章绪论 1 1 复合地基基本概念 第1 章绪论 随着国民经济建设的迅猛发展，工程建设规模日益扩大，高层建筑越来越多。 在土木工程中，为了满足对地基土体承载力和变形的要求，对地基基础的经济可 行性提出了越来越高的要求。一般情况下，为了满足地基的强度、变形及抗震要 求，通常需要对天然土层进行人工加固处理。复合地基作为主要的加固手段之一， 以其良好的经济效益和社会效益，得到越来越广泛的应用。 复合地基【lj 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) 和增强体两部分 组成的人工地基。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体和竖向增强体 复合地基【2 】，如图1 1 ( a ) 和( b ) 所示。水平增强体复合地基主要包括各种加筋材料， 如土工聚合物，金属料格珊等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩体复合 地基【3 j ，桩体复合地基根据竖向增强体的性质又分为三类【4 】：散体材料桩复合地 基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。复合地基按工作机理的分类如图1 2 所 示。 荷载 水平向增强体 图1 1 增强体的方向 ( b ) 北京工业大学t 学硕士学位论文 复合地基 圈l - 2 复合地垫分类示意网 散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度， 单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料桩复 合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧 侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。 柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定粘结强度，柔性桩中部分 强度较高的桩( 如粉喷桩) 己较强地表现出桩的性状。柔性桩复合地基的承载力由 桩体和桩间土共同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、石灰桩、水 泥土桩等。 刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主的胶结材料，有时由混凝土、或由混 凝土和其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩土共同作用，通常在桩顶设置 一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基具 有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力也具有较大的调整幅度。 复合地基工程实践发展很快，但复合地基设计和计算理论尚不成熟，已有 的一些简化模型和计算方法差异较大，很难统一。可见，复合地基理论远远落 后于工程实践的发展，因此应加强复合地基设计计算理论和方法的研究。复合 地基计算理论方面，既包括复合地基承载力和沉降计算的一般理论，又指各种 形式的复合地基承载力和沉降计算理论和方法。要发展各种形式的复合地基承 载力和沉降计算理论，需要加强对各种形式的复合地基荷载传递机理的研究， 进一步理解基础刚度、桩土相对刚度、复合地基置换率、复合地基加固区深度、 荷载水平等对复合地基应力场和位移场的影响，提高各类复合地基应力场和位 移场的计算精度。基于以上原因，对c f g 桩复合地基的工作性状做进一步的研 究，不仅有现实的实际意义，同时在理论上也很有价值。 一2 一 纂基地地 厶踢厶复复桩援性性柔刚 鉴 基 地 地 厶娜 厶霸 复 复 桩 桩。 料 料 材 材 体 结 散 粘 ；俺，三!=、揍 接 地 地 合 a 阴 复 复 体 体 强 强 增 增 囱 向 平 竖 水 第1 章绪论 1 2c f g 桩复合地基产生与发展 1 2 1c f g 桩复合地基概述 c f g 桩【5 j 全称水泥粉煤灰碎石桩( c e m e n e tf l y a s hg r a v e l p i l e ) ，是由碎石、 石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度 为c 5 一c 3 0 的桩。c f g 桩复合地基是由c f g 桩、桩间土和褥垫层一起构成的 刚性桩复合地基。c f g 桩复合地基试验研究是建设部“七五 计划课题，于1 9 8 8 年立题进行试验研究，并应用于工程实践。c f g 桩复合地基成套技术，1 9 9 2 年 通过部级鉴定，1 9 9 4 年被建设部列为全国重点推广项目，被国家科委列为国家级 全国重点推广项目。1 9 9 7 年被列为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企 业标准，现己列入国家行业标准建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) t 引。 为进一步推广这项技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并列 入“九五”国家重点攻关项目。1 9 9 9 年1 2 月通过国家验收。该技术己在全国2 3 个省、市广泛应用，已经成为多层至3 0 层以下高层建筑地基处理的主要技术之 一。据不完全统计，该技术己在1 0 0 0 多个工程中应用。和桩基相比，由于水泥 粉煤灰碎石桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承 载能力，工程造价一般为桩基的1 3 1 2 ，经济效益和社会效益显著。 基础立 索砼垫层- - - 譬翟- 三膏j 誓j 一譬膏予彳鼍：t ，2 - - 芬：一：_ 三；- 乞， 名薛垫层一一一：j 丢；：三：孑享j ；：薹季y 善三；磊：轰鬈萼j i ；：，要毒 ， ” t口 ” l 7 +， 桩 。 桩 ； 桩间桩问桩 。 - t - - 。i土 。 一 i 一一： ， 图1 - 3c f g 桩复合地基示意图 但是与浅基础、桩基相比较，c f g 桩复合地基理论还不成熟，落后于实际。 目前对c f g 桩复合地基在荷载作用下，考虑桩一土一垫层相互作用的应力场和 位移场的分布规律研究较少，对于地基变形和沉降计算没有形成统一的认识。和 桩基相比，复合地基一般沉降过大，若不能合理控制沉降量，复合地基沉降过大 易使上部结构产生裂缝或倾斜。而减小沉降量需增加投资，因此有必要对c f g 北京t 业大学工学硕十学位论文 i , i i 曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 蔓曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼毫曼! 曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼! ! 曼皇! 曼曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量 桩复合地基的工作特性、尤其是变形特性作进一步的研究。 1 2 2 国内外研究现状 1 2 2 1 复合地基国外研究现状 自1 9 6 2 年在国际上首次提出“复合地基”以来，复合地基技术研究得到国 际工程技术人员的高度重视，同时也迎来了快速发展的时期。各国学者最初对碎 石桩等散体桩复合地基研究较多，1 9 7 4 年h u g h e s 和w i t h e r s 7 】提出了单桩极限承 载力的计算公式；1 9 7 7 年英国b u l l a n d 教授等学者根据桩一土相互作用理论研究 指出【8 】，对于天然地基的强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况，可以采 用少量的桩来减少沉降；1 9 7 9 年h o o p e r 教授根据有限元的模拟分析指出一j ，为 了建立竖向刚度较大的桩一土复合地基而需要的桩数不多，桩数的进一步增加对 减少最大沉降和差异沉降作用很小；1 9 8 0 年澳大利亚著名学者h g p o u l o s 教授根 据筏一桩一土相互作用的分析提出了仅用于减少沉降的桩基础的沉降公式【l 叫； b a l a a m 和p o u l o s 1 1 】【1 2 1 ，b a y u k 1 3 】根据单元体法得到了不同条件下复合地基承载力 的计算公式，h u g h e s 1 4 j 提出了基于横压试验应力应变曲线计算沉降的方法， n a y a k 1 5 】提出采用载荷试验所获得的沉降量折算复合地基沉降的经验公式。随着 水泥土桩、素混凝土桩等粘结强度桩在复合地基中的应用，复合地基的概念有了 质的飞跃。水泥土桩最早在美国研制成功，称为m i p 法，在日本得到了发展，并 于1 9 5 1 年应用于日本羽田机场工程中。b u r l a n d ，b r o m s 和d e m e l l o 针对素混凝 土桩等高粘结强度桩在复合地基中的应用提出了“减沉桩”的概念，h g p o u l o s u 6 j 提出了减沉桩的沉降计算方法，瑞典的j & w 设计咨询研究院将减沉桩的设计思 想大力推广，并应用于工程中。1 9 8 1 年6 月召开的国际土力学及基础工程会议上， “地基处理技术”成为大会的几个重要议题之一，同时有4 6 篇学术论文专门讨 论了“地基处理技术 方面的问题；1 9 8 4 年在日本东京召开了“复合地基的强度 和变形讨论会”，会上交流、总结了各国复合地基的应用情况，有力地促进了复 合地基强度和变形理论的发展。 1 2 2 2o f g 桩复合地基试验研究现状 张东刚【1 7 】在南京浦镇车辆厂进行了两组群桩复合地基现场试验，通过埋设深 层沉降标量测了复合地基的深层变形特性，并量测桩土荷载分担比。 杨军【l8 】做了c f g 桩复合地基现场试验，根据该试验，用图表表述了复合地基 褥垫层的影响结果，比较系统地研究了c f g 桩复合地基褥垫层的作用。 阎明礼、杨军、吴春林等 1 9 1 在中国建筑科学研究院地基所模型试验室进行了 第1 章绪论 3 组大比例模型试验，共有3 9 个单体试验。此试验系统地比较了不同桩长、垫层 厚度对桩土荷载分担的影响，以及桩长、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。该试验对研究桩土荷载分担以及复合地基的深层变形特 性有很大意义。 林晖口u j 针对不同材料构成的褥垫层及同一种材料不同垫层厚度情况进行了 土压力盒试验，各桩试验结果表明，桩土应力比随着荷载的增大而逐渐增大，随着 荷载的增大，桩分担的荷载也逐渐增大。 张晶、李斌【2 l j 对某软弱土层的c f g 桩复合地基处理工程进行了静载荷试验， 分析了c f g 桩复合地基的承载力性状，并对单桩、桩土复合、桩间土等不同的复 合地基试验结果进行了分析对比。 潘纪顺【2 2 j 等对某高层的c f g 桩复合地基进行载荷试验和桩土应力比试验，探 讨了c f g 桩复合地基承载特性。 赵占山【2 3 j 等在石家庄市南郊进行了现场模型试验，研究了褥垫层厚度对桩身 轴力传递、桩侧摩阻力分布、桩端阻力发挥、桩土荷载分担及桩土应力比的影响。 陈东佐，梁仁旺【2 4 j 对某个用c f g 桩复合地基进行加固的软土地基进行静载荷 试验，对c f g 桩体的强度和弹性模量进行了测试，并对桩间土进行了标准贯入试 验。通过该试验，分析了c f g 桩复合地基承载力与面积置换率之间的关系。 池跃君等【2 5 j 在北京市北苑住宅小区进行现场试验，测出了c f g 桩复合地基各 土层的变形、桩体的上下刺入量、桩身轴力、侧摩阻力，并由此得到桩土荷载分 担比、应力比。 池跃君等【2 6 】在北京市吕平蓝各庄，针对夯实回填土和原状土两种土质情况进 行了2 组9 桩现场试验，在桩间土及桩身分别埋设压力盒和钢筋计，对c f g 桩复 合地基桩间土不同深度竖向应力、桩身轴力、侧摩阻力进行了仔细地观测。 曾芳金，魏超玉，王军【27 】做了c f g 桩复合地基的室内模拟试验，对垫层设置 问题进行了研究。 汪小平，卜明慧【2 8 】做了c f g 桩复合地基的室内模拟试验，分析并得出了桩长、 褥垫层、桩土应力比之间的关系。 曾瑞生b 9 j 在赣州市做了c f g 桩复合地基的室外模拟试验，分析所加荷载与最 终沉降、桩端承载力、桩侧摩阻力之间的关系。 1 2 2 3o f g 桩复合地基变形计算研究现状 龚晓南p o 】将复合地基的变形分为加固区变形和下卧层变形两部分。加固区变 形计算，采用复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法：下卧层变形采用分层总 北京工业大学工学硕十学位论文 皇皇曼舅。一一 i i i 蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼皇皇曼! 苎曼 和法。 张东刚1 7 1 在试验的基础上，认为复合地基的设计一般为线性阶段设计，因为 大量的荷载沉降曲线没有明显的拐点，可以在比例界限荷载内计算复合地基变 形。 李静文 3 1 】以b o u s s i n e s q 、m i n d li n 和g e d d e s 解【3 2 】为基础，求桩土相互作用 下地基中的应力及变形。计算中假定桩侧阻及桩间土顶荷载均布，分别采用 m i n d l i n 解和b o u s s i n e s q 解计算上中应力，而后叠加。 林柏、朱向荣、楼文娟 3 3 1 根据桩土共同工作原理推导出计算复合地基变形的 二元联立方程组法，对复合地基的变形进行估算。 章胜南 3 4 利用荷载传递函数法对无垫层的复合地基桩土应力比、荷载沉降特 性进行了讨论。 阎明礼 3 5 1 认为复合地基中桩间土应力不超过桩间土承载力时，用桩间土应力 计算复合地基变形，其结果是偏于安全的，对单桩或桩数较少的复合地基则相当 接近。 王长科、郭新海3 6 】【3 7 1 将垫层、桩、桩间土简化成弹簧的模式，利用力平衡方 程、变形协调条件方程求解出基础所承担荷载与变形的关系。 娄国充【3 8 1 在章胜南解答的基础上，给出了刚性桩复合地基荷载与沉降的关 系。 李春灵 3 9 】利用b o u s s i n e s q 解与以m i n d l i n 积分为基础的g e d d e s 解相结合的 方法给出了桩间土与下卧层应力的计算方法，然后进行变形计算。 黄文峰、李广信【4 0 】考虑了刚性板下桩与土沉降相等的变形协调关系，应用半 无限均质弹性体中的m i n d l i n 解答，得到基土为均质线弹性材料时，带垫层柔性 单桩复合体的荷载一沉降关系、桩土应力比及柔性桩的有效桩长等结果，该解答 可以应用到c f g 桩复合地基中。 董必昌，郑俊杰 4 1 】从c f g 桩复合地基沉降变形模式出发，推导出一种考虑 桩一土一垫层相互作用的沉降计算方法以及桩土应力比公式，并讨论了参数取值 问题。 孙健等4 2 1 人根据c f g 桩复合地基的作用机理和特性，通过对复合地基c f g 桩 负摩阻力大小的计算，基于桩土变形协调条件，求出复合地基c f g 桩负摩阻力 的作用长度。根据负摩阻力大小和作用长度分析了在c f g 桩复合地基中负摩阻力 的危害和影响，并提出一些相应的结论和处理措施。 潘星 4 3 1 分析了c f g 桩复合地基加固机理及沉降模式，详细讨论了其沉降计 算，包括它的计算厚度、影响因素、压缩模量选取及附加压力计算等。提出按变 形控制理论进行变形计算有其优点。 第l 章绪论 沈伟j 提出计算刚性桩复合地基变形的一种方法，该方法充分考虑桩、土、 垫层协同作用。通过假定桩土界面摩阻力与相对位移为理想弹塑性关系；同一水 平面上的桩间土沉降相同：桩端土符合w i n k l e r 地基模型，结合桩、土、垫层工 作机理分析，建立了协同作用基本微分方程，进而得到了大面积群桩复合地基桩、 桩间土沉降解析解。 池跃君【4 5 j 根据试验结果并结合理论分析，提出变形计算的一种近似方法一双 层应力法。该方法在对复合地基的应力分布进行分层假定的基础上，利用建筑 地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中的分层总和法计算变形。 冯震等【4 6 j 通过分析c f g 桩复合地基桩土变型模式，确定桩土应力比和沉降折 减系数，建立c f g 桩复合地基变形计算公式。通过实例分析，认为在复合地基任 一水平截面上，桩与土变形量应相等。 徐洋【47 j 针对当前求解刚性基础下复合地基沉降变形时较少考虑桩土间变形 协调的情况，在对若干试验结果分析的基础上，提出了刚性基础下复合地基桩侧 摩阻力分布形状的假定，然后分别用荷载传递法、m i n d l i n 解答和弹性力学解答 分析了单桩模型中桩体和桩问土的沉降变形，通过桩顶位移变形协调条件建立了 求解方程，编制了相应的计算程序。 翟建华、陈奇、刘天夫j 通过对c f g 桩复合地基加固机理及沉降变形模式的 分析，结合桩一土一垫层相互作用，推导出变形计算公式，该方法考虑了上下刺 入量的影响。 李峰、周同和、郭院成、童怀峰h 刿基于弹性理论和静力平衡理论，通过模型 假设，对复合基础下桩体复合地基桩某一深度“中性点”处正负应力关系进行理 论分析，推导出确定复合地基桩上刺入量、中性点位置的公式，提出了通过计算 上刺入量预测复合地基承载力和复合地基变形计算的理论方法。 赵明华垆o j 在对刚性桩复合地基的工作机理及受荷过程中刚性桩与桩间土的 受力特性进行分析探讨的基础上，引入m y l o n a k i s & g a z e t a s 模型模拟桩与桩及桩 与土之间的相互作用，充分考虑桩侧土体的非线性特性，假定桩侧土剪应力与剪 应变的弹塑性关系，应用剪切位移法分别导出弹性阶段及弹塑性阶段的桩顶荷栽 与桩顶位移的显式关系式在此基础上，考虑垫层作用的影响，提出一种能综合 考虑桩一土一垫层体系共同作用的刚性桩复合地基沉降计算方法。 王伟等【5 l j 将半无限弹性空间中的g e d d e s 解与m i n d l i n 解应用于刚性桩复合地 基沉降计算，考虑了桩的荷载传递特性、桩侧摩阻力及荷载作用深度等对复合地 基沉降计算的影响。 1 2 2 4c f g 桩复合地基数值模拟研究现状 e l h s o n 5 2 1 首先使用二维轴对称有限单元法来分析硬粘土中钻孔灌注桩的载 荷传递机理，首次在桩侧和桩端运用接触单元，通过接触面单元上下接触面间的 北京工业大学t 学硕十学位论文 位移差，成功地分析了桩端以外土的拉裂现象，并指出破裂带不会伸展到桩尖的 上侧。 h o p p e r 5 3 】探讨了高层建筑群桩的有限元计算。 d e s a i “】对有承台的群桩进行了有限元分析。所考虑的群桩可倾斜，同时承 受弯矩和水平力，土采用r a m b e r g o s g o o d 非线性模型。 o t t a v i a n i 5 5 】为了更准确地分析群桩的作用特性，尤其是桩身与土之间的载 荷传递特性，将三维有限单元用于3 3 和5 3 的群桩线弹性分析中，并且也证 实了桩尖外有小范围的拉应力区，计算采用八结点立方体单元。 杨军、阎明礼、唐建中【1 8 】采用三维有限元程序对2 4 m 条形基础下的c f g 桩 复合地基进行了计算，以研究垫层对桩身轴力、桩土载荷分担比的影响。 郑东明等【5 6 】采用八节点轴对称有限元对不同垫层厚度的情况进行分析，计算 出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。 张忠坤【5 7 通过对柔性单桩竖向加荷、大面积荷载作用下复合地基中心单桩轴 对称及路堤荷载作用下复合地基的有限元数值分析，探讨了临界桩长问题，得出 了桩体临界桩长不仅与桩土模量比有关，而且与荷载分布有关的结论。 邢仲星、陈晓平【58 】采用有限元分析方法对采用刚性桩、柔性桩、搅拌桩处理 后的合地基的不同情况进行了计算分析，通过对应力场、变形场、应力水平等特性 的研究认为c f g 桩复合地基的变形主要是由桩间土及桩端土的压缩组成以及 c f g 桩整桩群的桩端应力相互影响，出现了应力叠加现象。 娄国充等 5 9 】利用有限元法对c f g 桩复合地基的承载性状以及桩长、置换率、 褥垫层厚度的影响规律进行了计算分析，并对c f g 桩复合地基的设计计算提出了 一些新的观点。 池跃君、傅景辉6 0 1 【6 1 1 等采用有限元法进行了大量的模拟，分析了竖向载荷作 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，包括载 荷水平、垫层厚度及模量、桩长等对承载性能和变形特性的影响。 李宁、韩煊【6 2 】利用数值试验的方法，系统研究了4 种模量的代表性群桩复合 地基( 极柔性桩、一般柔性桩、半刚性桩、刚性桩) 施加褥垫层后的承载性状，分 析了褥垫层在复合地基中的加固机理与作用。提出利用褥垫层对复合地基承载力 进行优化设计的基本方法与思路。 王瑞芳、雷学文【6 3 】【删采用有限元a n s y s 程序对c f g 桩复合地基单桩、群桩的 荷载传递规律、变形特性及影响因素进行了分析，得出了减小复合地基沉降的方 法和措施，对工程有一定的借鉴作用。 何结兵、洪宝宁【6 5 】利用a n s y s 程序对c f g 桩复合地基的承载与变形特性进行 数值分析，通过多种方案计算，分析研究了在不同的荷载水平、桩长、置换率、 一8 一 第1 章绪论 桩土模量比、桩尖地质条件等因素下，桩土应力比和桩土荷载分担的规律。 詹云刚【6 6 | 总结了刚性基础下c f g 桩复合地基中褥垫层的作用机理，采用数值 模拟的方法研究了柔性基础下褥垫层的不同工作特点，对褥垫层的合理设置提出 建议。 汪小平等【67 j 讨论了关于c f g 桩沉降计算的几种其它方法的优缺点，并将有限 元法运用在复合地基沉降计算中，取得了与实际比较接近的结果。 张建伟、戴自航驯通过有限元数值模拟分析得到了桩土沉降与荷载之间的关 系，获得了褥垫层厚度及其压缩模量对桩土应力比、桩土沉降等的影响规律。 董必昌等岣州在c f g 桩沉降计算公式的基础上，通过选取适当的参数，对某工 程实例进行了沉降计算，并迸一步对其进行了数字仿真。利用在桩与周围介质之 间设置接触面单元来处理桩的刺入变形，得到的模拟值与计算值和实测值较为一 致。 1 2 3c f g 桩复合地基发展趋势 c f g 桩复合地基以其用材经济、加固效果良好等优点在工程上得到了广泛的 应用。随着c f g 桩复合地基的实践和刚性桩复合地基设计思想的发展，c f g 桩 复合地基已突破传统的“基础一褥垫层一单一素混凝土桩 的形式，有以下两种 形式的发展趋势。 ( 1 ) 在素混凝土桩中加入竖向钢筋，钢筋进入桩体长度为桩长的1 3 1 4 ， 以增强桩体上部抗剪切破坏的能力和调整桩土相对刚度比，以提高复合地基的承 载性状。这种形式的复合地基不再是低强度的混凝土桩复合地基，它是钢筋混凝 土桩复合地基，也属于刚性桩复合地基。 ( 2 ) 将c f g 桩与其他类型的竖向增强体综合运用于加固软土地基，形成多元 复合地基。复合地基中的三种类型桩，即散体材料桩、柔性桩和刚性桩的承载能 力和变形特性不同，且由于每种地基处理方法都不是万能的，每种地基处理方法 都有其适用范围和优缺点，将三种类型桩中的两种甚至三种综合应用于加固软土 地基，以充分发挥各桩型的优势，大幅度提高地基承载力，减小地基沉降，从而 取得良好的技术效果和经济效果。c f g 桩多元复合地基在承载性状和设计方法上 与单一桩型的c f g 桩复合地基有较大不同，本文所探讨的复合地基仅限于单一 桩型的c f g 桩复合地基。 1 3 目前研究存在的问题 随着城市建设的高速发展，出现了越来越多体型复杂、上部荷载大小相差悬 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 殊、结构构造变化复杂的高层建筑，相应的建筑物对沉降的要求也越来越高。在 对地基与基础的设计依据不断提高的同时，在原以承载力控制为主的设计原则渐 进为以变形控制为主，从而使得沉降计算成为c f g 桩复合地基的设计关键。众 所周知，垂直荷载作用下桩、土、垫层三者共同作用的影响因素众多，其机理十 分复杂。尽管近些年来这一问题得到了国内外土力学与基础工程界的高度重视， 并在理论分析、室内及现场试验研究以及工程实测等方面做了大量的工作，但至 今尚未形成一套比较完整、合理的理论体系，尤其在设计理论方面，已提出的一 些实用设计方法均不够理想，或失之过于粗略或失之过于繁琐，因而在工程实践 中较少使用，这说明仍有探讨新方法的必要。目前大多数工程采用规范建议的沉 降计算方法，但是这种计算方法在对应力场的假定、加固区复合模量的取法上存 在诸多不足，其计算结果与实测沉降变形存在较大的差异，在对地基勘察沉降变 形计算和设计沉降变形验算时，往往根据地区经验对沉降变形计算结果的可靠性 进行判定，并以经验系数进行修正。 1 4 本文的研究方法和内容 针对以上沉降计算存在的问题，本文采用理论分析、数值模拟、工程实测资 料三者相互结合的原则，根据c f g 桩复合地基己有的理论研究成果和目前的应用 现状，主要研究c f g 桩复合地基在竖向荷载作用下的工作机理和沉降计算方法， 为c f g 桩复合地基的工程应用提供理论指导。 本文的研究内容主要有以下几部分： 1 对c f g 桩复合地基的工作性状进行全面的分析，在参考了现有试验结果的 基础上，重点讨论了c f g 桩复合地基在垂直荷载作用下的受力及变形特性，并对 褥垫层的作用机理进行了简单的分析。 2 分析c f g 桩复合地基沉降计算的研究现状，指出规范沉降计算方法的局限 性。然后针对c f g 桩复合地基的变形特点，提出一种实用简化沉降计算方法，并 用这种方法计算一些工程实例，与实测沉降结果进行对比，证明其合理性。 3 运用f l a c 3 d 数值分析软件对各种影响c f g 桩复合地基工作性状的因素， 诸如褥垫层厚度和模量、桩间土模量、桩端土模量、桩长、置换率等进行了系统 的分析，加深对c f g 桩复合地基的认识，更好的理解其工作性状，使其对c f g 桩 复合地基理论研究和工程设计有一定得参考价值。 4 总结本文研究尚未解决的问题，并对未来有关研究提出构想。 一1 0 一 第2 章c f g 桩复合地基工作性状分析 第2 章c f g 桩复合地基工作性状分析 2 1c f g 桩复合地基的作用机理 2 1 1 桩体作用 由于桩体材料高于软土地层，在荷载作用下，c f g 桩的压缩性明显比桩间土 小，因此基础传给复合地基附加应力，随着地层变形逐渐集中到桩体上，出现应 力集中现象。大部分荷载由桩体承受，桩间土应力明显减小，复合地基承载力较 天然地基有所提高，如图2 1 中的0 o 。，沉降量亦减小，随着桩体刚度增加， 桩体作用发挥更加明显。下图中o ，、o 、0s 分别为桩体应力、基础附加应力、 桩间土应力。 2 1 1 1 挤密作用 o p 0 图2 1 复合地基承载力示意图 c f g 桩对松散填土、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。采用振动沉管法施 工时，由于振动和挤密作用使桩间土得到挤密，特别在砂土层中这一效果更加显 著，砂土在强烈的高频宽幅振动下，结构破坏，孔隙水压力增大，土休产生液化， 之后孔隙水压力消散，砂粒重新排列，密度增大。在振冲孔内投放桩体混合料的 过程中，振冲器的水平振动力通过混合料介质传递，继而振密砂层，同时混合料 向孔壁挤压形成桩径使砂层挤密，使土的抗液化能力得到提高。但是，对饱和软 粘土、硬的粘性土、密实砂上，振动成桩不仅不能使桩间土挤密、振密，反而使 上体结构强度丧失，孔隙比增大、密实度减小、承载力降低。 2 1 1 2 置换作用 c f g 桩复合地基种桩体的强度和模量比桩间土大得多，在荷载作用下，由于 北京工业大学工学硕士学位论文 桩顶沉降与桩间土的沉降相互协调，基底应力在桩顶发生应力集中，桩顶应力比 桩间土表面应力大。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 承担的荷载。这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，工程中称 为置换效应。工程实践证明，c f g 桩复合地基的承载力比天然地基可提高1 5 0 一3 7 5 。 2 1 1 3 桩对土体的约束作用 在群桩复合地基中，桩对桩间土的具有阻止土体侧向变形的作用。相同荷载 水平条件下，无侧向约束时土的侧向变形大，从而使垂直向变形加大；而由于桩 对土体侧向变形的限制，减少了侧向变形，也就减小了垂直变形，使复合地基抵 抗垂直变形的能力有所加强。 2 1 2 褥垫层作用 褥垫层技术是c f g 桩复合地基的一个核心技术，复合地基的许多特性都与垫 层有关。这里所说的褥垫层不是基础施工经常做的1 0 c m 厚的素混凝土垫层，而 是由级配砂石、粗砂、碎石等粒状材料组成的散体垫层。 2 1 2 1 保证桩土共同承担荷载 对于c f g 桩复合地基，基础通过一定厚度的褥垫层与桩间土相联系，若基础 下不设置褥垫层，基础直接与桩和桩间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩 基础相似。在给定荷载作用下，桩承受较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一 定的沉降变形，荷载逐渐向土体转移。在给定荷载下，桩、土受力的时程曲线的 特点是：土承担的荷载随时间的增加逐渐增加，桩承担的荷载随时间的增加而逐 渐减少。 如果桩端落在坚硬土层或者岩石上，基础承受荷载后，桩顶沉降很小，绝大 部分荷载由桩承担，桩间土承载力很难发挥。而如果在基础下设置一定厚度的褥 垫层，情况则会大有改观：即使桩端落在硬土层或岩石上，也能保证一部分荷载 通过褥垫作用在桩间土上，借助褥垫的调整作用，使给定荷载作用下桩、土受力 时程曲线均为常值。 2 1 2 2 调整桩土荷载分担比 复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比n 表示，也可用桩、土荷载分 担比吒、瓯表示。当褥垫层厚度h = 0 时，桩、土应力比很大，如图2 2 ( a ) 所示。在软土中，桩、土应力比n 可以超过1 0 0 ，桩分担的荷载相当大。在a h 很大时，如图2 2 ( b ) 所示。桩、土应力比接近于1 。此时桩的荷载分担比很小， 一1 2 一 第2 章c f g 桩复合地基工作性状分析 并有t 加。 表2 1 给出了不同荷载水平、不同褥垫层厚度下桩荷载分担比乞的变化 情况，可以看到，桩、土荷载分担与褥垫层厚度密切相关。 基础 。咀芏。出 ( a ) 一褥垫层 网 o p - v a p l 山j n 且 ( b ) 图2 2 桩土应力比随褥垫层厚度变化示意图 表2 - 1 桩荷载占总荷载分担比( p p p ) 1 0 0 式 2 1 03 0 备注 荷载p k p a 2 06 52 71 4 桩长2 2 5 m ，桩径 6 07 23 02 6 1 6 c m ，荷载板 1 0 07 53 93 81 0 5 m 1 0 5 m 2 1 2 3 减小基础底面的应力集中 ，当褥垫层厚度h = 0 时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样，需要 考虑桩对基础的冲切破坏。当h 大到一定的程度后，基底反力即为天然地基的 反力分布。桩顶对应的基础底面测得的反力盯。，与桩间土对应的基础底面测得的 反力之比用表示( = 盯。，盯。) ，值随着褥垫层厚度h 的变化如图2 3 所 示。当褥垫层厚度大于1 0 c m 时，桩对基础底面产生的应力集中已显著降低，当 h 为3 0 m c 时，值已经很小。 北京工业大学工学硕士学位论文 蟹 o 崔 b i l a 1 h c m 图2 3 基础底面应力集中与褥垫层厚度关系曲线 2 1 2 4 调整桩土水平荷载分担 c f g 桩主要传递垂直荷载，当基础承受水平荷载时，桩、土是如何参与工作 的，特别是c f g 桩不配筋，桩在水平荷载作用下会不会断裂，会不会影响建筑物 的正常使用，这些常常是设计人员最担心的一个主要问题。 当褥垫层厚度a h = 0 时，基础受垂直荷载p 和水平荷载q ( 见图2 4 ) 。桩在 垂直荷载p 作用下荷载分担比艿。很大，而土的荷载分担比葭很小。 在无埋深条件下，荷载q 传到桩上的水平力为q p ，传到土上的水平力为g ， 并有 q = 绋+ g ( 2 一1 ) 珐= b ( 2 2 ) 式中只一桩间土分担的荷载 a 一基础和土之间的摩擦系数，多在0 2 5 - - 0 4 5 之间 由于a h = 0 时，b 较小，则g 也很小，此时水平荷载主要由桩来分担，q p 此 时很大，见图2 4 。当褥垫层厚度h 增大到一定数值时，作用在桩顶和桩间土 上的切应力印和b 相差不大，桩顶受到的剪力q p = 蒯o ( m 为置换率、a 为基础 面积、f ，为桩顶切应力) 占水平荷载的比例大体与面积置换率m 相当即此时桩受 到的水平荷载很小，水平荷载主要由桩间土承担。 试验表明，褥垫层厚度越大，桩顶水平位移越小，即桩顶承受的水平荷载越 小。大量工程实践和室内外试验表明，褥垫层厚度不小于1 0 c m ，桩体不会发生 水平折断，桩在复合地基中不会失去工作能力。 1 4 第2 章c f g 桩复合地基工作性状分析 t s 一 t s 下s 一t s - 一_ 一一- 一 ( a ) ( a ) 日= 0( b ) 胡很大 图2 4 桩、土剪应力示意图 2 2c f g 桩复合地基承载特性 2 2 1 桩土受力特性 ( b ) 图2 5 给出了由摩擦桩构成的桩基和c f g 桩复合地基的受力时程曲线。可 以看出，对普通摩擦桩桩基( 图2 - 5 a ) ，荷载一定时，随着时间的增长，承台和 桩的沉降不断增加，承台下土分担的荷载也不断增加，而桩承担的荷载则随时间 的增加而减小，即桩承担的荷载有一个逐渐向承台下土转移的过程。 ，一、 互 、一， 辎 柱 g 盘要 赔 ( 毫) 一般摩擦桩 c 苎 镊 柩 g 篷要 斌 r p l i 水t n t ( d ) l ( b ) c f g 桩 桩 土 图2 5 桩、土受力时程曲线图 对c f g 桩复合地基，当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生变形。 北京t 业大学t 学硕士学位论文 桩的模量远比土的模量大，桩的变形小于土的变形，由于基础下面设置了一定厚 度的褥垫层，桩可以向上刺入，伴随这一变化过程，垫层材料不断调整并补充到 桩间土上，以保证在任一荷载下桩和桩间土始终参与工作。图2 5 ( b ) 是给定荷 载下c f g 桩的桩、土受力时程曲线。可以看出，由于褥垫层的设置，随着时间 的变化，桩间土表