（岩土工程专业论文）高速公路预应力管桩复合地基技术研究.pdf

南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导_ f 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，也不包含为获得南京工业大学或其它教育 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。 研究生签名：始篡f f 期 研究生签名：凇鍪f f期 2 一s ，f ? o 二、关于学位论文使用授权的声明 南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中幽学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电一于义 档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被奁阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京工业大学研究生 部办理。 一签名：越新签名燃 期 如：f 2 0 硕士学位论文 摘要 预制预应力混凝上管桩复合地基可以有效地减小地基沉降，提高地基承找 力；已经被广泛地应用于高速公路、民用建筑、港l j 、海堤等工程建设中。但理 论研究的相对滞后，必然会制约其发腱的空间和速度。本文针对目前地基处理中 以控制丁后沉降为目标的发展趋势，对高速公路路堤倚载下预应力管桩复合地基 的沉降特性和与之棚火的桩上应力比、荷载传递规律等受力性状进行了系统地研 究和分析。 现场试验研究能客观地反映预麻力管桩复合地荩的加同效果及_ _ 【：作机理。本 文首先结合杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路预应力管桩处理段，分析了现场的 地质条件；对j ! ! i f 应力管桩沉桩过程、上部路堤填十旌工过程中孔隙水压力、地表 沉降、深部分层沉降、深部水平位移、桩顶承台应力、桩问十心力等的变化进行 观测，分析r 路堤下预应力管桩复合地基的沉降特性及桩、十应力的变化规律， 并检验了预麻力管桩对深厚软弱地基的加固效果。 然后根据现场地质资料利加载进程，运用a b a q u s 软件建模，对路堤荷载 下预应力管桩复合地基的受荷性能和沉降规律进行计算，得到的桩土应力比、沉 降量和实测结果基本吻合，表明有限儿法用于预应力管桩复合地基计算足可行 的，目精度较高。而后讨论了不同桩长、不同桩间距、小同褥热层模量等多利t 况下管桩复合地基桩土应力比、桩身倚载传递和管桩上下刺入变形、加固区和下 卧层压缩量等的变化规律，分析了不同因素地改变对管枕复合地基受力和沉降特 性的影响。这些研究弥补1 厂现场试验的不足，提供了理论分析的依据。 最后在现有其他桩型复合地基研究的基础卜，根据有限元分析结果，考虑褥 热层管桩一十的1 办调变形和预应j 管桩在褥挚层和下卧层中的上一f n 入量，推 导出预应力管桩复合地基桩上应力比和加固区复介模量计算公式。并根据已有的 沉降计算理沦，得出预应力管桩复合地基的沉降计算方法。经工稃实例验算，与 实测结果符合较好，能够满足实际：r 程的需要，町以为预麻力管桩复合地基的推 广应刚提供技术支持。 关键词：预戍力箭桃复台地基a b a q u s 桩卜廊力比沉降 摘要 a b a s t r a c t t h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p ep i l e ( p cp i l e ) h a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nt h e c o n s t r u c t i o no fh i g h w a y , c i v i la r c h i t e c t u r e ，h a v e n ，a n ds e ae m b a n k m e n te t c f o ri tn o t o n l yd i m i n i s h e st h es e t t l e m e n to ff o u n d a t i o ne f f i c i e n t l yb u ta l s oe n h a n c e st h eb e a r i n g c a p a c i t yo ff o u n d a t i o n ，p cp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i l lb ea p p l i e dm o r ea n dm o r e t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fb e a r i n gb e h a v i o ra n ds e t t l e m e n to fp c p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nb yf i e l dt e s ta n df e m f u r t h e r m o r eb a s e do nt h ef o r m e r s t u d yi d e ao fo t h e rp i l e s ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fs e t t l e m e n ta n ds t r e s sr a t i ob e t w e e n p i l ea n ds o i lw a sc o n d u c t e da n dd i s c u s s e d f i r s to fa l l ，b a s e do nt h ef i e l dt e s ti nt h ee x p r e s s w a yc o n n e c t e dt ot h eb r i d g eo f g u l fo fh a n g z h o u ，t h ep o r ep r e s s u r e ，s e t t l e m e n to fs u r f a c ea n di n n e rl a y e r ，h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t ，s t r e s so nt h et o po fp i l ea n ds o i l ，a n de t cw e r eo b s e r v e d t h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h eo b s e r v a t i o nr e s u l t s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er u l eo fs t r e s sr a t i oa n d s e t t l e m e n to fp cc o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rr o a dl o a d i n ga n dl e dt ot h a tt h ee f f e c to f t r e a t m e n ti sf a v o r a b l e s u b s e q u e n t l yf e mi su s e dt oa n a l y z et h eb e h a v i o ro fp cp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nb ya b a q u si n c l u d i n gb e a r i n gb e h a v i o ra n dc h a r a c t e r i s t i co fs e t t l e m e n t t h er e s u l to fa n a l y s i si sc o h e r e n tw i t ht h eo u t c o m eo ff i e l dt e s t t h e n ，t h ef a c t o r s ， s u c ha st h el e n g t ho fp i l e ，t h ed i s t a n c eo fp i l e ，a n dt h es t i f f n e s so fc u s h i o na r ec h a n g e d i nt h ea n a l y s i s t h er e s u l tr e v e a l e dt h em l eo fs t r e s sr a t i oa n ds e t t l e m e n ti nd i f f e r e n t c i r c u m s t a n c et h a to f f e r e db a s i sf o rt h e o r e t i c a la n a l y s i s f i n a l l y ，b a s e do nt h ef o r m e rs t u d yi d e ao fo t h e rp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，t h e c a l c u l a t i o no fs t r e s sr a t i oa n dc o m p o s i t em o d u l u sw a sc o n d u c t e da c c o r d i n gt ot h e r e s u l to ff e ma n a l y s i s f u r t h e r m o r e ，t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fs e t t l e m e mo fp cp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw a s d i s c u s s e db a s e do nt h ef o r m e rt h e o r yo fs e t t l e m e n to f c o m p o s i t ef o u n d a t i o n i ti sp r o v e dt h a tt h em e t h o di sp r a c t i c a b l ea n da p p l i c a b l ei nt h e f i e l db yap r a c t i c a lp r o j e c t k e y w o r d s ：p c p i l e ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；a b a q u s ：s t r e s sr a t i o ；s e t t l e m e n t 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 高速公路自2 0l 吐纪3 0 年代在美国和德凶丌始兴建，5 0 年代在世界各围得 到大力发展，目前全【生界已有8 0 多个国家和地区拥有高速公路，通车里程超过 了2 3 万公里。高速公路不仅是交通现代化的重要标志，也是国家现代化的重要 标志。 我国的第条高速公路沪嘉高速公路在1 9 8 8 年建成通车f 1 i 。到今天的 1 7 年问，在“国道主r 线系统规划”的指导下，中困高速公路总体上实现了持 续、快速和有序的发展；特别是1 9 9 8 年以来，幽家实施积极的财政攻策，高速 公路得到快速发胜，年均通车里程超过了4 0 0 0 公里。到2 0 0 4 年底，中圈高速公 路通车里程已超过3 4 万公里，继续保持j 址界第二。2 0 0 4 年1 2 月1 7 厂 ，国务院 审议通过国家高速公路网规划，计划未来3 0 年内静态投资2 万亿，建成覆盖 全国的高速公路网。规划确定的国家高速公路网采用放射线与纵横网格相结 合的布局状态，构成由中心城市向外放射以及横连东两、纵贯南北的公路人通道， 包括7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线，可以简称“7 9 1 8 网”， 总规模大约8 万5 千公里。高速公路的快速发展必将极大的促进国家经济和社会 的快速发展。 高速公路为大型带状构筑物，地基处理长度较大，往往要穿越多种地貌单元， 土层条件多变。现阶段我国的高速公路绝火部分建在经济发展较快的沿海、沿江 地区。这些地区除少数地段外，大部分地质条件不太好，土层多为海相沉积、湖 相沉积和河相沉积。土的类别多为淤泥、淤泥质粘t 、淤泥质亚粘土及淤泥混砂 层，属了二饱和的软粘土。上的含水量高、压缩性大、强度低、透水性差、灵敏度 高。在这类软土地基卜修建公路，会遇到稳定及变形等问题；特别是对于高速公 路而言，不仅要求路堤稳定，而且对工后沉降要求高，尤其是要严格控制工后不 均匀沉降。从已建软士地基上高速公路运行情况看，工后沉降较大，特别是造成 “桥头跳车”，轻者影响行车速度，损坏车辆，严霭的会导致交通事故，造成人 _ l j 伤 、：。爿日i f x , - 高速公路一般规定在1 5 年内工后沉降不超过3 0 c m ，桥台背后填 上工后沉降不超过1 0 c r n 。实际上，当1 i 均匀沉降超过2 0 4 0 m m 时，如4 i 及时 修补，将严重影响行驶。因此，在软土地基上修建高速公路，如何减小工后沉降 是个迫切需要解决的问题。 第一章绪论 同前在修建高速公路时对软基的处理主要有以下几种方法：桥梁跨越、减轻 路堤荷载、地基处理、工后修补和综合处理。在实际应用中，地基处理被采用的 较多。常用的地基处理方法可分为土质改良和复合地基两大类【2 1 。土质改良包括 排水预压法、强夯法、换填上层法和其他方法。复合地基法施工速度快，对于软 弱地基特别是桥头过渡段，可以有效地减小刁i 均匀沉降。 1 2 复合地基的研究现状 复合地基技术经过近半个世纪的发展，在理论方 i _ 和工程实践上都有了长足 的发展。复合地基在建筑_ 程、市政t 程、道路工程，以及堤坝工程都得到了广 泛应用。 复合地基的涵义随其实践的发展有一个发展过程。随着地基处理实践和理论 的发展，复合地基的概念逐渐得到认识和深化。复合地基技术2 0 世纪3 0 年代起 源于欧洲【3 】，概念的提出始于日本。2 0 世纪6 0 年代厅本在砂桩施工技术和工程 应用方面取得了显著进展，在研究砂桩抵抗地基的滑动计算中，提出了以砂桩与 桩周天然上体共同作用的汁算模型，称为“复合地基( c o m p o s i t e g r o u n d ) ” 4 1 。 初期对复合地基的应用和研究集中在散体材料桩，随着粘结材料桩的应用，复合 地基的概念进一步拓宽。依据复合材料的理论，复合地基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，或在天然地基中设嚣加筋利料，加固区 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_ l ：地 基f ”。 根据地基中增强体的设置方向，复合地基分为水平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指加筋t 地基。加筋材料主要是土【 织物和七工隔栅等。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。根据竖向增强 体的性质，桩体复合地基分为散体桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地 基。 1 2 1 复合地基在高速公路软基处理中的应用 在高速公路软基处理中，复合地基法能有效减小地基沉降，缩短e 明，并特 别适用于下面几种路段情况：( 1 ) 路桥头及过渡段：( 2 ) 小型构筑物路段；( 3 ) 高速公路拓宽工程；目前 程中广泛应用的有碎( 砂) 石桩复合地基、水泥土复 合地基、c f g 桩复合地基、预应力管桩复合地基等。 碎石桩最早在1 9 3 5 年由法国在b a y o n n e 建造兵r2 厂时使用。1 9 3 7 年山德国 2 硕士学位论文 人发明了振动水冲法用来挤密砂土地基【6 1 ，直接彤成挤密的砂七地基。五| j 年代 末，振冲法开始用来加固粘性士地基，并形成碎石桩。随着时问的推移，各种彳i 同的施t 工艺市h 继产生，如沉管法、振动水冲法、袋装碎石桩法、强夯置换法等。 碎石桩技术引进我国后，工程界对其加固效果及其复合地基的承载力做了大龟的 研究，并大面积推广使用。在京珠高速公路广珠东段灵山试验段【饥、祁临高速公 路明姜镇段 8 】等高速公路路段的地基处理中采用了碎石桩复合地基施工，并进行 了午h 关的试验研究。但碎石桩为散体材料桩，存在一个有效桩长不易确定的问题， 并对地基土的强度有一定要求。 水泥土桩复合地基根据施工方法不同分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。 水泥浆搅拌法是美国在第二次世界大战后研制成功，称之为就地搅拌桩( m i p ) 9 1 。粉喷法最早于1 9 6 7 年由瑞典的i q e l d p a u s 提m ，1 9 7 1 年首次采用粉喷法制 成石灰粉喷桩试桩，1 9 7 4 年应用于稳定路堤和深基坑并取得专利，此后在欧荚 广泛应用【1 0 】。国内从1 9 8 3 年初开始进行采用石灰粉喷桩加固软基的试验研究， 1 9 9 2 年在沪宁高速公路昆山段进行水泥粉喷桩的试验研究，并通过交通部的验 收，予以推，“应用。目前水泥土搅拌桩复合地基的麻用研究已经比较成熟，但是 桩体质量难以保证，存在粉喷量不足、搅拌不均匀等问题。 c f g 桩复合地基成套技术是巾国建筑科学研究院地基所2 0 世纪8 0 年代术 开发的。套新的地基加固技术 1 1 j 。c f g 桩、桩间土和褥垫层一起形成复合地基。 c f g 桩属高粘结强度桩，1 q - 全桩长发挥侧阻，桩端落在好的土层时可以很好的 发挥端阻。成桩时的挤土效应，桩体的排水作用以及褥垫层对桩、土荷载分担比 的调整作用，可以有效的提高地基的承载力，减小地基变形。通过十余年的科研 和工程实践，c f g 桩复合地基技术已经成为一种被广泛应用的地基处理方法。 但日前c f g 桩的成桩_ r 。艺存在一定问题，沉管法施工在深厚软基中容易产生较 大孔隙水压力，日一不易消散，对桩体的质量影响较大；长螺旋钻孔内喷射法丁序 比较复杂，目前在高速公路中尚未丌始应用。 现在出现许多桩式复合地基和上工织物或士工隔栅联合处理的方式【”i 【1 7 】 进行地基处理，其大量应用于桥头接合部，解决桥头跳车、道路拓宽等l 程问题。 1 2 2 刚性桩复合地基的试验研究 f 1 前带褥垫层的刚性桩复合地基受力特性和变形特性都比较复杂，应力场 更是比较复杂，较难用室内模型试验进行模拟现场的应力和变形情况，【列此国内 外有关这方面的研究较少，大多是通过现场试验进行研究。 3 第一章绪论 闫明礼、张东刚【1 1 1 等进行t c f g 桩复合地基的变形现场试验，试验得出以下 结论：复合地基和桩基卡h 比，山于褥垫层的存在，保证了桩和桩间土始终参与工 作， 并上_ l 桩和土的荷载分担比为一常数，它1 i 随时间的变化而变化。桩土荷载 分担比随着荷载的增加而增加，并且存荷载定的情况下，随桩长的增加、桩距 的减小( 即置换率m 增加) 、桩间土强度的降低、褥垫层厚度越薄，桩土荷载分担 比则增加。并且由试验可知，无论桩端落在软弱土层还是硬斗= 层上，从加荷一开 始c f g 桩桩侧就存在负摩阻力，并且在中性点以上，桩的轴向应力随着深度的增 加而增大，在中性点以下桩的轴向应力随着深度的增加f 面减小，桩的最大轴向应 力位于中性点处。 清华大学的池跃军、宋：祥等 1 8 】【1 9 1 也进行了刚性桩复合地基荷载传递机理 及变形特性试验研究。通过试验得出了以_ f 结论：刚性桩与散体桩相比，刚性桩 复合地基巾荷载沿桩身全长传递。与无垫层单桩相比，单桩复合地基首先是桩j 剖 上承担较大荷载，然后荷载逐渐向桩转移，而后桩承担的荷载越来越人，桩承载 力达到极限而破坏，进而复合地基发生破坏。同刚桩侧摩阻力从加荷开始在桩蒯 上部上层即 现负摩阻力，使得桩身轴力最大点不在桩项而在中性点处，桩侧负 摩阻力的大小随荷载加大而变小，同时叶1 性点位置逐渐上移，相当一部分上部土 层的摩阻力随着荷载的加火由负摩阻力逐渐变为f 摩阻力。该负摩阳力使桩从加 荷丌始就承担较大荷载，并使桩下部的摩阻力也能得到充分发挥，进而使桩在伞 过程都发挥了作用，桩周土体的承载力也得到增强。 对于刚性管桩，在国内的相关研究较少，在国外有少数研究人员通过室内室 外试验埘”口管桩的负摩阻力，荷载传递函数，单桩的承载力和管桩的打设阻力 进行r 一定程度的研究f 2 0 l 一 2 3 。 1 2 3 复合地基的计算理论 复合地基的计算理论包括复合地基沉降计算、复合地基的承载力分析和复 合地基的稳定性分析三方面的内容。下面将着重介绍复合地基沉降和复合地基荷 载传递性状的研究现状 、复合地基的沉降分析 复合地基沉降分析分为数值分析和简化计算两类。 1 复合地基沉降的数值分析 ( 1 ) 按群桩问题进行三维数值分析 群桩复合地基本质是个三维问题。陆贻杰等【2 4 】采用三维有限元分析了水泥七 硕士学位论文 搅拌桩复合地基群桩带台问题，水泥十和地基土的应力一应变关系均采用邓肯一 张非线性弹性模型。这种方法计算时桩、土、承台必须单独剖分甲。元，桩数量很 多时，计算量会太大以至于无法求解。郑东明等瞄 采用j 维有限，：限i 祸合 的方法对深层搅拌桩复合地基进行了分析，桩体、褥氆层、近域土、远域土分别 采用线弹性模型、d r u c k e r p r a g e r 模型、邓肯一张模型和线弹性模型。该方法利 用复合地基的对称性，计算中减少了计算量和时问，对搅拌桩复合地基的受力机 理和变形特性进行r 成功的分析。 傅景辉等【2 6 1 1 2 7 】【2 8 通过分折桩一土一挚层的共同作用，讨论了刚性桩复合地 基的一程特性，得出了刚性桩复合地基的沉降计算方法。沈伟等【2 9 】通过假定桩土 界面摩阻力与相对位移为理想弹塑性关系；同一水甲面上的桩问土沉降相同；桩 端十符合w i n k l e r 地基模型，结合桩、土、趣层工作机理分析，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。 朱云升等【划【3 1 】通过有限元分析方法，考虑复合地基中各种材料的非线性特 性，对柔性基础下复合地基的力学性状作了初步的数值模拟分析，找出了柔性基 础复合地基桩土问的荷载分担、荷载沿深度变化和传递、桩土间相互作用、变形 特性等力学性状的一些基本规律。b r a n s d y m f 和s p r i n g m a n s m 【3 2 】利用非线性有 限元对桩土复合地基在附加应力作用下的桩土相互作用特性、荷载传递规律和桩 问十的变形情况作了深入的研究，并将数值分析的结果和离心机试验结果作了划 比，两者结果比较一致。 ( 2 ) 简化成平面问题分析 b e r g a d o 等f 3 3 j 在用弹塑性有限元进行土堤荷载下碎石桩复合地基固结分析 时，将碎石桩按置换率相等原则简化成沿土堤纵i 川排列的碎石墙，按_ 维问题计 算，所获得的沉降与孔压随时间变化曲线与现场实测结果吻合。张京京3 4 1 采用平 位f 有限元程序及假定，分析了影响复合地基沉降的加固区底部附加应力和桩侧摩 阻力的分布变化规律。 s c h w e i g e r 等【3 5 1 将加同区视为复合材料，考虑桩土界面处法向应力的平衡， 对v o i g t 假设加以修正获得了平面问题碎石桩复合地基的等价应力应变关系。 杨涛1 3 q 3 7 l 提出了平面应变条件下复合地基沉降计算的复合本构有限，亡法。根据 桩十界面处力的平衡条件和竖向变形协调条件，由桩、土材料各自的本构方程形 成复合地基的本构方程，桩和桩周土t u 以来用任意非线性本构模型，结果与工挥 实测相一致。 第一章绪论 2 复合地基沉降的简化计t 算 j ：程中复合地基沉降计算一般采用简化的方法进行。把荷载作用下复合地基 总沉降量分为加固区与下卧层压缩量分别计算，若复合地基设有褥垫层，通常认 为垫层压缩量很小，可以忽略不计。龚晓南在文献【5 1 中对简化计算作了很好的归 纳总结。 ( 1 ) 加固区土层压缩量的计算方法 加固区土层压缩量的计算有复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法。 复合模量法是将复合地基加固区。p 增强体和基体两部分视为一复合土体，采 用复合压缩模量e c s 来评价复合土体的压缩性，并采用分层总和法计算加固区土 层压缩量，在复合模量法中，将加同区上层分成n 层，每层复合土体的复合模量 为e c s i ，加崮区压缩量其表达式为 s 。= 窆等只 ( 1 _ 1 ) 应力修j 下法是根据桩间土承扭的荷载p s 和桩问七的压缩模量e s ，忽略增强 体的存在，采用分层总和法计算加固区的压缩量： 驴窆警e 碘窆盟eh 。碘s 。( 1 - 2 ) i = lu ii = 1 x i 桩身压缩量法是通过计算桩身的压缩量来计算复合地基加固区的压缩量。认 为加固区的压缩量等于桩身的压缩量加桩底端刺入下卧层的沉降变形量，加固区 压缩量的表达式为： s - 晦一f 端虮 ( 1 _ s ) 受假没条件的制约，三种方法的计算结果都与实际有一定的出入，应力修正 法忽略复合十体中桩体的存在，不考虑桩土之问的+ - h 再i 作用与制约。将复合十体 仍视为未加固的原软土层，仅将作用荷载相应的减小进行沉降计算。桩身压缩量 法是基于材料力学求压缩杆件变形的方法讣算桩体的压缩量，这同样忽略了桩间 土对桩体压缩变形的制约作用。而且计算时对桩侧摩阻力的分布、桩端力的大小 都很难确定，应用不便；而复合模量法从总体概念上将复合土体视为变形等效的 复合均质七体，计算结果一般比较接近实际。建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 _ 2 0 0 2 ) 【3 8 】也推荐采用这方法。因此，目前以复合模量法计算复合地基加同区 沉降是比较实用、合理的方法。 ( 2 ) 下卧层压缩量计算方法 硕士学位论文 下卧层的沉降量按分层总和法计算，不同的是对下卧层上附加应力的计算。 甘前附加应力的计算方法有应力扩散法、等效实体法、当层法和m i n d l i n g e d d e s 法等。 应力扩散法假定复合地基 二荷载密度为p ，作剧宽度b ，长度d ，加圃区厚 度为h ，压力扩散角为b ，则作用在下卧层上的荷载为： d 8 乃 p b 2 ( b + 2 h t a n f l ) ( ! d + 2 h t a n f 1 ) ( 1 4 ) 等效实体法足将复合地基加固区视为一等效实体，作用在f 卧层上的荷载作 用面与作用在复合地基上的相同。设复合地基上的荷载密度为p ，作用长度为d ， 宽度为b ，加固区厚度为h ，f 为等效实体侧摩阻力密度，则作用在下卧层上的 附加应力为： p b = b d p - 1 ( 2 面b + 一2 d ) h f ( 1 - 5 ) 当层法是将复合地基七层换算为与下卧层压缩模量相当的当量土层厚度， 如此可以将复合地基的双层地基转化为均质地基。此时可将荷载作用于当量层顶 面计算f 卧层内的应力分布，当层厚度按下式计算： h d = 矗怛。i e ，) “。 ( 1 - 6 ) 是s d g e d d e s 根据弹性理论半无限体中作用集中力的m i n d l i n 应力解积 分，分别导出桩端集中力、桩侧均匀分布的摩阻力和桩侧沿深度线性增长的分布 摩阻力，然后计算出总的竖向应力。 应力扩散法是借用验算y l l - 层承载力是否满足要求所采用的简化计算法。扩 散角的选定是近似的，受 卜两层七力学性质差异的影响，是一个复杂的问题， 难以确定。等效实体法，其周边摩阻力的分布、大小都彳i 易确定，同时也未考虑 周边摩阻力对卜- 卧软土层亦产生相应的应力分布。m i n d l i n g e d d e s 法竖向应力 系数的表达式繁琐，实际应用不便。当层法也是一种近似的简化计算方法，它考 虑了上f 两层土，影响应力分散的主要力学指标复合模量和天然地基土压缩模量 之间的差异，直接计算下卧层的应力分布，同时亦l 叮方便地计算出复合上层中的 应力分布。 对f 附加应力的计算，一些学者通过研究还提出了其他的计算：疗法。 池跃君等 4 0 1 1 4 1 1 提出双层应力的力法，存分层假发的基础上利用分层总和法 进行沉降计算，其ic r 行性在实际应用中得到了验证。双层应力法，考虑了基础宽 7 第一章绪论 度、桩长、垫层厚度、上的压缩模量等因素的影响，桩间十顶面附加应力p 。，和 下卧层顶部附加应力p 。计算力法如下： p ，= ( ，s r p o；p 。= t ，p o ( 1 - 7 ) 柑砖叫a z ( 争2 一o ( 抄( 川4 ( “ + o z ，s ( o 5 9 8 + 0 1 6 2 ( o a 7 _ 0 0 3 2 氏- o c + 0 0 1 7 c 2 - 0 0 9 7 c + 0 3 6 5 c 。“o 在复合地基沉降计算中，其沉降计算采用简化计算方法。现有的简化计算方 法主要是针对刚性基础下的散体材料桩和柔性桩提出的。对柔件基础卜刚性桩复 合地基沉降的计算，研究较少。因此，进1 步完善和发展复合地基沉降计算理论， 具有重要的工程现实意义和深远的理论意义。 ：、复合地基桩、上荷载分担比分析 桩土荷载分担比是在荷载作用下复合地基中桩体承担的荷载与桩间上承担 的荷找之比，与复合地基而积置换率m 和桩土心力n 有关。桩七应力比足指竖 向增强体复合地皋中桩顶上的平均应力和桩问土f ：的平均应力的比值。桩十应力 比是计算复合地基承载力和沉降量的重要参数。国内外的专家学者通过理论分析 和现场试验对复合地基桩土应力比进行了人量研究，得出了桩土应力比的基本规 律。 1 桩上应力比的影响要素 文献【4 2 1 。【4 8 1 通过现场试验和有限几分析，得出了复合地基巾一些影响冈素与 桩土应力比关系： ( 1 ) 桩土模量比。桩土应力比随桩土模量比的增大而增大，但增长率下降。 ( 2 ) 荷载水平。桩土j 衄力比随荷载变化形式与复合地基类型有父：刚性桩 复合地基桩土心力比大，变化范围大，并有极值产生，即桩土应力比会出现一峰 值：柔性桩复合地基桩土应力比则随荷载的增大而减小；而散体材料桩的桩土应 力比值较小，变化范围小。 ( 3 ) 桩长。桩十应力比随桩长的增火而增大，但桩长影响远小于桩土模量 比对桩七应力比的影响。不同桩氏，桩土应力比变化呈现基本相同的规律，随着 荷载水平提高桩上应力比逐渐增大，增大的幅度也随着荷载水甲提高而增大，到 达一定的荷载值后丌始逐渐减小。 8 硕士学位论文 ( 4 ) 基础刚度。随着基础刚度增大，桩土应力比不断增大，尤其存基础刚 度较大时，桩上应力比的值比柔性基础情况要大得多。 ( 5 ) 置换率。桩十应力比随置换率的增大向增人，随桩体睦度的增加而增 大。但当桩体长度超过一定范围后，n 值f i 再增人，并趋于稳定。 ( 6 ) 褥挚层参数。褥垫层厚度增大桩土应力l l o y d , ；褥垫层模量增大，桩 土应力比增人。 2 桩土应力比计算 桩土应力比的影响凶素很多，在具体计算时很难全部考虑。 b a u m a n n 4 9 】在1 9 7 4 年根据桩体变形前后总体积保持不变的条件下，提m 了 碎石桩复合地基桩土应力比的计算公式： n ： 皇! + 生 ( 1 - 8 ) 。2 地l n 堕k p 。 r 0 阎明礼等f 5 0 】通过对c f g 桩复合地基室内模型试验及现场原何试验结果分 析，认为当荷载达到复合地基承载力时，桩问土强度都已充分发挥，日擞值5 j 天 然地基承载力相近，这样，有静载荷试验确定复合地基承载力后，可用f 式估算 这一特定荷载下桩土荷载分担比： 弘等_ ( 1 州) ，丢 秦然等【5 1 】选取常用的双曲线函数来表征水泥土桩与地基土的荷载一沉陷曲 线，导出了一组确定桩土心力比的解析算式，通过1 7 实测曲线的对比证明对水泥 卜| 桩复合地基的没计有一定的参考意义。刘吉福5 2 1 通过对复合地基上部填十的力 学分析，推导出一个求解桩顶平断处的桩、上应力比的公式。该公式考虑了复合 地基置换率、桩顶处桩七沉陷差、填十厚度、填土弹性模量等因素的影响，当计 算参数繁琐，实用性较差。 1 3 预应力砼管桩的研究现状 1 3 1 预应力砼管桩技术的发展应用 预应力砼管桩是重要的桩基材料，其质量容易控制、施工快、工程地质适应 性强刚、监理监测方便，被广泛应用于各类建筑物和构筑物的基础1 ：程。预应力 砼管桩基本分为六大类刚：离心铡筋混凝土管桩( r c 桩) ，先张法离心高强预 应力混凝土桩( p h c 桩) ，钢管离心混凝十桩( s c 桩) ，先张法离心高强预应力 第一章绪论 钢筋混凝十桩( p r c 桩) ，变截面桩( s t 桩) ，降低负摩擦桩( s l 桩) 。 1 9 1 5 年澳大利亚发明了离心法制作混凝土制品l “1 。1 9 2 5 年n 本引进了这种 技术用于钢筋混凝土管桩，1 9 3 4 年开始制造离心混凝土管桩( r c 管桩、，1 9 6 2 年 丌发了预应力混凝十管桩( p c 管桩) ，1 9 7 0 年又开发r 离心预应力高强度混凝土 管桩( p h c 管桩) ，并在1 9 8 2 年制定了h s a 5 3 3 7 先j k 法离心高强度混凝土管桩 标准。 我国在1 9 4 4 年开始生产r c 管桩，2 0 世纪6 0 年代研制p c 管桩，1 9 6 9 年外 始批量生产，7 0 年代研制后张法预廊力悬滚离心混凝十管桩f 雷蒙特桩、1 5 6 1 。8 0 年代以来，我国丌始研制p h c 管桩。广东省在1 9 8 4 年开始研制和j 衄用。1 9 8 7 年上海交通部篇三航务工程局混凝土预制品厂从日本引进了p h c 管桩的制造技 术和设备，开始用丁码头等水上工程：同时j “东省有的厂家参照英国b s 标准和 门本h s 标准，卞要乍广设备从国外引进，软件以国内为主开发了p h c 管桩： 我国于1 9 9 2 年制定凶家标准先张法预应力混凝土管桩( g b l 3 4 7 6 - - 1 9 9 2 ) 。根 据目前我国预应力混凝土管桩生产企业的实际情况，管桩按混凝土强度等级分为 预j 衄力混凝十管桩f 代号p c ) 和预应力高强混凝十管桩f 代号p h c ) 。 预制预廊力管桩技术在我困的生产，应用以惊人的速度迅猛发展，在高层建 筑、大跨度桥梁、港l 、码头等t 程巾广泛使用。从地区分布看，己由生产与应 用最多的广东省逐步推向长江i 角洲与我国沿海、沿江、沿湖地区。自2 0 0 2 年 以来，预应力管桩复合地基技术先后t l j 于沪嘉杭高速公路、汕汾高速刚、沪宁高 速公路拓宽工程等高速公路软慕处理工稃。 1 3 2 预应力砼管桩的理论研究 预应力砼管桩技术的应用虽然已经非常广泛，但其理论方面的研究还比较 少。日前的研究主要是单桩承载机理和承载力方面。 朱红兵1 5 8 】从分析预应力管桩的两大效应十塞效应和挤土效应着手，详细 剖析了预应力管桩的受力性状以及独特的承载机理，对大量的预应力管桩峰向静 载倚试验结果进行了统计归纳，并对管桩实际承载力与设讣计算承载力之间的差 异进行了分析研究，提出了对建筑桩基技术规范巾的经验公式的修正公式， 并通过计算值与实测值的对比，验证了修正公式的实际意义。 j u n h w a nl e e 等【5 9 】通过室内模型试验利现场试验，分析了砂土中闭口和开_ i 管桩的承载力。文中还讨论了闭口管桩试验中静力触探的侧摩阻力与端阻力之比 和砂土密实度的关系，以及升口管桩的填允比和密实度的关系。金兴平删通过荷 1 0 硕士学位论丈 载传递计算和实测资料分析了桩侧土性质、桩端土性质、桩身混凝土弹性模量、 预应力管桩的桩径、开 1 预应力管桩管壁厚度、进入持力层深度对预应力管桩的 承载力性状的影响，并利用实测资料研究了开口管桩土塞的工作性状。通过静力 触探的锥尖阻力和侧壁摩阻力与预戍力管桩的端阻的相关分析计算，建立了利用 双桥静探的侧摩阻力和锥尖阻力来估算预应力管桩单桩竖向极限承载力的计算 公式。 1 4 存在的问题及本文的主要工作 1 4 1 问题的提出 随着高速公路的迅猛发展以及软弱地基处理的迫切需要，管桩复合地基作为 一种有效的处理手段，已经得到了广泛的关注，并且已经被人量的应用。但目前 对管桩的研究多数集中在设汁理论和旖工工艺方面，在设计方面大多是根据现有 的其他半刚性桩的理论或经验。因此管桩复合地基承载和沉降机理的复杂性以及 理论研究的卡h 对滞后，必然制约管桩复合地基在实际工程中的应用和发展。 路堤荷载卜- 用管桩对软弱地基处理后，我们关心的是复合地基的承载力和沉 降问题。这两个问题是关联的，在过去的工作中，对软土路堤的设计偏重于稳定 性分析，设计的标准是要满足稳定性要求。目前，高速公路的发展以及城市道路 下埋设管线等对沉降标准的要求，使得路基对变形要求非常突m ，地基处理的发 展趋势转变为以控制工后沉降为目标。因此，对管桩复合地基沉降规律的研究， 对与复合地基沉降密切相关的桩七应力比和桩侧摩阻力分布的研究，是非常追切 和必要的。 1 4 2 本文的主要工作 本文结合实际l 程，对管桩复合地基的荷载传递特性和沉降规律进行深入的 研究，为管桩复合地基设汁和沉降预测提供理论依据。 本文所做的：r 作概述如下： 1 管桩复合地基现场试验研究。现场试验研究能客观地反映管桩复合地基的 加固效果及工作机理。论文结合杭州湾跨海人桥南岸接线高速公路软基处理段， 对管桩沉桩过程、上部路堤填士施! 过程中孔隙水压力、地表沉降、深部分层沉 降、深部水平位移、桩顶承台应力、桩问上应力等的变化进行观测，分析路堤下 管桩复合地基的沉降特性、应力分布及桩七应力分担比，进而检验管桩对软弱地 基的加固效果。 第一章绪论 2 有限元模拟。南_ j 二现场试验受当地天气变化、施工进度、施工质量等外部 的影响，试验结果并不能完全真实反映管桩的受力及沉降特性。本文将应用 a b a q u s 软件，以b i o t 固结理论为计算理论，对现场管桩复合地基处理段典型断 面进行模拟。 3 管桩复合地基受力特性分析。应用a b a q u s 计算结果，对路堤荷载下桩顶 承台应力、桩问土应力分布以荷载沿桩身传递的一般规律进行研究；并讨论了桩 长、桩问距、褥垫层模量、荷载水平等因素的改变对桩、土应力及桩身轴力变化 的影响。 4 管桩复合地基沉降分析。应用有限元计算结果，对路堤荷载下管桩复合地 基的沉降特性进行分析：并讨论了桩长、桩间距、褥垫层模量、荷载水平等因素 的改变对加固区压缩量、下卧层压缩量、承台顶部的卜 刺入变形和管桩底端下刺 入变形的影响。 5 管桩复合地基实用计算方法研究。在有限元及现场实测数据分析的基础 上，提出管桩复合地基桩十应力比、复合模量和沉降量等的计算方法，并通过工 程实例进行验证。 1 2 硕士学位论丈 第二章现场试验研究 2 1 工程概况 2 1 1 试验段概况 杭州湾跨海大桥南岸接线深厚软基处理试验段工程，主要试验段位于宁波慈 溪市境内，桩号里程为k 1 1 8 + 4 0 0 k 1 1 9 + 9 0 0 ，由辽宁省交通勘察漫计院和南京 水利科学研究院没计，浙江公路水运工程咨询监理公_ 亓：j 监理，南通路桥上程有限 公司旋工。 杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路北起浙江省慈溪市魇东镇星华村，终至宁 波裘市镇两段枢纽瓦通立交桥与宁波绕城高速公路连接处，路线全氏5 7 4 k m 。 主要t 程构筑物有：大中桥3 8 座，小桥2 8 座，涵洞2 4 处，隧道2 处( 双向总 长3 8 7 5 m ) 。设计采用六车道高速公路标准，行车速度为1 2 0 k m h ，路面宽度3 5 m 。 杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路地处杭州湾以南慈北和姚江冲积平原，几 乎伞部为滨海相、泻湖相沉积的软上地区，软上深度普遍较厚、较深。按地貌单 、地层岩降、成凶时代等，沿线主要经过三个_ i ：程地质区： ( 1 ) 慈北平原沉积相 地基影响深度范围内压缩上层主要由冲海积粘上、亚粘土和亚砂土组成。 ( 2 ) 丘陵区 呈近东西向条带状分布于工程经过区域。地表为第四系残坡积层，岩性为含 碎石哑粘七，下伏基岩为上侏罗统高坞组熔结凝灰岩。 ( 3 ) 姚江平原沉积区 地基影响深度范围内压缩土层主要由湖海相交互沉积粘土、亚粘土和淤泥质 上组成。土层内不良 程地质类型为软土，对工程影响很大。 区域内不良工程地质类型为软土，对工程影响很大。主要软土层有 ：层：亚猫土，灰色，软塑流塑状，平原区广泛分布，部分地段缺失，层 厚2 5 0 2 2 0 m ，具高含水量、高孔隙比、高压缩。阡、高灵敏度等特征， z o = 7 0 1 2 0 k p a ，t - 1 0 一3 0 l 【p a ，工程地质性质极差，为毫要软弱十层，不宜作基础持 力层，需作重点处理。 。层：淤泥质亚粘十、亚车占二t ，狄、深灰、青灰色，以流塑状为主，部分 为软塑状。局部为淤泥或淤泥质粘土，含有贝壳和粉细砂。姚江半原断续分布， 埋深不一，最厚达2 5 m 。具高含水量、高孔隙比、高压缩性、高灵敏度等特征， 1 3 釜三主垫望垫! 竺堑壅 工程地质性质极差，为主要软弱土层，不宜作基础持力层，需作重点处理。 2 1 2 预应力管桩处理段的工程地质特征 砸粘十 淤泥质砸粘土 弧砂十 淤泥质亚粘上 图2 - 1r 程地质剖面图 f i g 2 - 1e n g i n e e r i n gg e o l o g i cp r o f i l e 表2 - 1k 1 1 8 + 5 9 3 断面地基二f 主要物理力学参数指标 里! ! ! ；：! ! ! 垤堡型磐! 型篓! 竺! 型坐! 坚垡坠生! 塑堕坠! ! ! ! ! i 岩土岩卜名称土层厚度天然蒂度天然含水最孔隙比液性指数压缩模最内摩擦角枯聚力 编号m y ( k n m 3 )( ) e i pe s ( m p a ) 中c c c 1 弧粘卜 2 7 淤泥质哑 2 粘十 3 ，砂十8 7 淤泥质亚 1 籼 9 _ 9 2_ f 粘