（岩土工程专业论文）路基刚性桩复合地基的力学性状分析.pdf

浙江大学硕士学位论文路基刚性桩复台地基的力学性状分析 朱世哲2 0 0 4 路基刚性桩复合地基的力学性状分析 捅费 复合地基目前在我国得到了广泛应用，特别是近期刚性桩复合地基在地基处 理中应用较多，但对其的研究还较少，本文就依托一个用复合地基处理路基的工 程，研究路基中的刚性桩复合地基的性状。 首先，进行了现场试验研究，对比了柔性桩( 搅拌桩) 和刚性桩( 素混凝土 桩) 复合地基的力学性状。发现正常荷载下，两种复合地基路基的受力性状不一 样，用建筑垃圾填土桩距较大的素混凝土桩复合地基，浅层应力向桩体集中，并 通过桩向深层扩散，桩间土与桩有较大的相对位移，桩顶和桩端的刺入较为明显。 而对于用粉质粘土填土桩距较小的柔性搅拌桩，桩间土和桩的相对位移很小，桩 群和桩间土形成了一个加固整体，应力在桩顶和桩端较集中，大部分的荷载传到 桩端土和下卧层中，起到了很好的扩散荷载的作用。 接着，结合了现场试验进行建模，对本次现场试验的建筑垃圾杂填土压缩模 量进行了参数反演分析，得出了其压缩模量值，并用反演得出的参数进行有限元 模拟，可得出刚性桩复合地基处理路基中地基土的附加应力分布，复合地基压缩 沉降变化，桩体受力，超孔隙水压随时间变化等，和实测情况进行分析比较。 最后，推导出了带垫层的刚性桩复合地基桩土应力比的计算公式，这个公式 将垫层分为弹性体和理想弹塑性体两种情况分别进行推导，考虑刚性桩刺入垫层 和下卧层的情况，并对公式进行了分析，得出了在刚性桩复合地基中桩土应力比 随着垫层模量和桩模量的增大而增大，但都有一极限值，随桩问土模量的增大而 减小，也有一极限值。并推导了刚性桩桩顶刺入垫层深度的计算公式。 本文的创新之处在于比较了不同填土材料的柔性桩( 搅拌桩) 和刚性桩( 素 混凝土桩) 复合地基处理路基的性状。对现场试验的建筑垃圾杂填土压缩模量进 行了参数反演分析。导出了带垫层的剐性桩复合地基桩土应力比的计算公式和刚 性桩桩顶刺入垫层深度的计算公式，并对影响公式的多个参数进行了分析。 关键词：复合地基刚性桩参数反演桩土应力比 a b s t r a c t t h em e c h a n i c sp r o p e r t yo fr i g i dp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ni nr o a d b e d i nt h e s ed a y s ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n sh a v eb e e ne x t e n s i v e l y u s e d e s p e c i a l l yt h e r i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sp a i da t t e n t i o nt oi np r a c t i c ee n g i n e e r i n g b u tl e s s r e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n e ，t h i sp e rw o r k so ni t t h ef i r s t ，s i t ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t t h ep a p e r a n a l y z ei n s i t ut e s t i n gd a t ao f s u b g r a d ew h i c h i sm a d e u po f p l a i nc o n c r e t ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n da g i t a t i o n p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ni n c l u d i n g p o r ep r e s s u r e ，l a y e rs e t t l e m e n to fs o i l sb e t w e e n p i l e s ，e a r t hp r e s s u r e ，l a t e r a ld e f o r m a t i o n s i ti sf o u n dt h a tm a n yf a c t o r su n d e rw o r k i n g l o a da r ed i f f e r e n tb e t w e e n a g i t a t i o np i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dp l a i nc o n c r e t ep i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，a n da n a l y z e t h er e a s o n s ，d e s c r i b et h ef a c t o r so f t w o c o m p o s i t e f o u n d a t i o n su n d e r w o r k i n g l o a d t h es e c o n d ，t h em o d u l eo ft h eg r o u n dc o n s i s t e do fc o n s t r u c t i o ng a r b a g ei si n v e r s e a n a l y z e dw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h e ns o n l em e c h a n i c sr u l eo fr i g i dp i l e ( p l a i n c o n c r e t ep i l e ) c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni se d u c e d t h er u l eo fs e t t l e m e n ta n d p o r es t r e s s i se d u c e dt o o t h e ni ti sc o m p a r e dw i t ht h ee a s ew h i c hi sf o u n di ns i t e f i n a l l y , t h ep a p e rs t u d i e st h ec o m p u t i n gm e t h o do fp i l et os o i ls t r e s sr a t i oo 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 nw i t hc u b _ i o n ，a n dt h e s ec o n d i t i o n sa r et h o u g h tt h a tt h et o p o f p i l ep i e r c ei n t oc u s h i o na n dt h eb o t t o mo fp i l ep i e r c ei n t ou n d e r l a y e n i ti sa s s u m e d t h a tt h ec u s h i o ni si d e a le l a s t i cm a s sa n di d e a le l a s t i c - p l a s t i cm a s s ，t h e nt h ef o r m u l ai s d e v e l o p e da n d a l lp a r a m e t e r s e f f e c t st os t r e s sr a t i oo f p i l et os o i la r ed i s c u s s e d k e yw o r d ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n r i g i dp i l ep a r a m e t e rb a c ka n a l y z e d s t r e s sr a t i oo f p i l et os o i l 塑垩查堂堕兰兰些丝苎 些茎型丝鳖堑鱼些苎塑生堂丝些坌塑鲞坐兰旦! ! 第一章绪论 1 1 复合地基简介 l _ 1 1 复合地基的概念 当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时，需进行地基处理，形成人工地 基，以保证建筑物的安全与正常使用。地基处理的方法有很多，按地基处理的加 固原理分类，主要有下述六大类：置换，排水固结，挤密，灌入固化物，加筋， 以及冷、热处理等。经过处理的人工地基大致上可分为三大类：均质地基，多层 地基和复合地基。 人工地基中的均质地基( 如图1 1 ，1 中a ) 是指天然地基在地基处理过程中 加固区土体性质得到全面改良，加固区土体的物理力学性质基本上是相同的。人 工地基中的双层地基( 如图1 1 1 中b ) 是指天然地基经地基处理形成的均质加 固区的厚度与荷载作用面积或者与其相应持力层和压缩层厚度相比较小时，在荷 载作用影响区内，地基有两层性质相差较大的土体组成。 人工地基中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 强体共同承担荷载作用。根据地基中增强体的方向又可分为水平增强体复合地基 ( 如图1 1 1 中d ) 和竖向增强体复合地基“1 ( 如图1 1 1 中c ) 竖向增强体习惯上称为桩，有时也称为柱。所以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，桩体复合地基可分为三类：散体材料 桩复合地基，柔性桩复合地基和刚性桩复合地基，散体材料桩复合地基，如：碎 石桩复合地基，砂桩复合地基等，对于散体材料桩来说，只有依靠周围土体的围 箍作用才能形成桩体，其桩体材料本身是不能形成桩体的。对应于散体材料桩， 柔性桩和刚性桩也可称为粘结材料桩，视桩的刚度不同将粘结材料桩分为刚性桩 和柔性桩两种，柔性桩复合地基如水泥土桩复合地基，灰土桩复合地基等。刚性 桩复合地基如钢筋混凝土桩复合地基，低强度混凝土桩复合地基等，严格的讲， 桩体的刚度不仅与材料的性质有关，还与桩的长径比有关，应采用桩土相对刚度 来描述。 第一章绪论 ( a ) 均质地基( b ) 双层地基 。! 一：! 一 ( c ) 竖向增强体复合地基 ( d ) 水平向增强体复合地基 图1 1 1 复合地基类型 水平向增强体复合地基主要指加筋土地基，随着土工合成材料的发展，加筋 土地基应用愈来愈多。 总结一下按照工作机理复合地基分类如下所示“1 ： 散体材料桩复合地基 竖向增强体复合地基 柔性桩复合地基 j 粘结材料桩复合地基 复合地基 刚性桩复合地基 水平向增强体复合地基 桩体复合地基有两个基本的特点： ( 】) 加固区是由基体和增强体两部分组成的，是非均质的，各向异性的： ( 2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同直接承担荷载作用。 前一特征使复合地基区别于均匀地基，后一特征使复合地基区别于桩基础。 桩基础中土不承担荷载( 高桩基础) 或只承担极小一部分荷载( 低桩基础) ，土体 处于弹性变形阶段，而复合地基中桩和土体共同承担荷载，土体承担较大的荷载， 黼 渐江大学硕十学位论文路基刚性桩复合地赫的力学性状分析 朱世哲9 0 0 4 使得部分土体在工作荷载阶段就可能达到非线性变形或塑性变形阶段，这就使复 合地基和桩基础的计算方法不同。从荷载传递机理看，复合地基介于均质地基和 桩基础之间。 1 1 2 复合地基的效用 组成复合地基增强体的材料不同，施工方法不同，复合地基的效用不同，综 观各类复合地基的效用，主要有下面5 个方面： ( 1 ) 桩体效应 ( 2 ) 垫层效应 ( 3 ) 排水效应 ( 4 ) 挤密效应 ( 5 ) 加筋效应 每种复合地基都具备一种或几种效用。各种复合地基的效用都是为了达到提 高地基承载力，改变地基的变形特性，减少在荷载作用下可能发生的沉降和不均 匀沉降，有时还为了改变地基的抗震性能。并且复合地基技术充分的发挥了桩间 土的承载能力，有效的节省了工程造价。所以合理的选用和使用复合地基技术， 具有良好的社会效益和经济效益。这些优点使复合地基技术具有较强大的生命 力，日益受到重视，并得到越来越多的应用。 1 1 3 复合地基沉降计算模式介绍 在工程实践中，不少学者提出了一些沉降计算方法，在各类计算方法中，通 常把复合地基的沉降量分为两个部分，如图1 1 2 所示。图中h 为复合地基加固 区厚度，z 为荷载作用下地基压缩层厚度。复合地基加固区的压缩量记为s ，地 基压缩层厚度内加固区下卧层厚度为( z - h ) ，其压缩量记为。于是，在荷载 作用下复合地基的总沉降量s 可表示为两部分之和，即 s = s4 - s ， ( 】1 1 ) 至今提出的复合地基沉降实用计算方法中，对加固区范围内土层的压缩量 s ，针对各类复合地基的特点采用一种或几种计算方法计算，有复合模量法 ( 丘) 、应力修正法、桩身压缩量法等。 下卧层土层压缩量是的计算常采用分层总和法计算，但在计算下卧层土层 一 塑二至堕望一 _ 一。 压缩量时，作用在下卧层上的荷载是比较难以确定的，目前在工程应用上， 常采用下面几 巾计算方法。( 1 ) 压力扩散法( 2 ) 等效实体法( 3 ) 改进g e d d e s 法。 基 加固区下卧层 图1 1 2 复合地基沉降 1 _ 1 4 桩体复合地基垫层介绍 一般情况下，工程实践中会在桩体顶端铺一层垫层，垫层可有效的减小桩 土应力比，减小桩体中的轴向应力。而会使桩间土中竖向应力增大，相应桩问土 的水平向应力也增大，于是造成了对桩体侧压力的增大，减小了桩体主应力差， 有效的改善了桩体的受力状态，减小了桩体上端被剪坏的可能性。这对低强度桩 和柔性桩是非常有意义的。 1 1 5 刚性桩复合地基 上面介绍了复合地基的一些基本概念，在对复合地基的工作机理进行分类的 时候，粘结性材料桩的复合地基可分为柔性桩复合地基和刚性桩复合地基，桩体 刚度的大小是相对地基土体刚度比较而言的，可采用桩体与地基土体相对刚度的 概念，简称桩体相对刚度，王启铜“建议可以如下定义 - k ：i 生( 1 i 2 ) 丑 式中乃一桩的柔性指数，乃2 毒： 其中e 桩体的弹性模量； g 。一桩间土的剪切模量： 浙江大学硼士学位论文路基刚性桩复台地基的力学性状分析 五，一桩的长径比； 上 | 2 一t 一桩体长度； r 一桩体半径。 理沦上理想刚性的桩，在荷载作用下，如果桩顶产生位移j ，则桩底位移也 等于j ，于是桩周摩擦力和桩端端阻力均可能得到发挥，若考虑地基土是均质的， 且初始应力也是均匀的，不考虑其随深度变化，则桩侧摩擦力沿深度方向分布是 均匀的，而实际上桩体一般有压缩的，则可能出现一种情况是桩体一定长度内的 压缩量等于桩顶位移，则该长度以下的桩体与土体之间没有相对位移倾向，故该 长度以下的桩体对桩的承载力没有贡献，于是产生了有效桩长的概念，段继伟“7 1 对桩土相对刚度表达式( 1 1 2 ) 作了修正，并引进了有效桩长的影响，建议桩 土相对刚度采用下式表示 足：堡二( 1 1 3 ) 2 g 5 o 式中善：知障( ! 二纠 i ， l v 。一桩间土泊松比 z 一当桩长小于有效桩长时，为实际桩长，当桩长大于有效桩长时，为有 效桩长 段继伟根据桩土相对刚度k 与桩的沉降关系研究，建议柔性桩和刚性桩的判 别准则为 k 1 0刚性桩 上诉判别准则是否合适有待进一步验证，其实严格界限柔性桩和刚性桩也不 一定合理，这里作以上介绍只是给出个概念。 刚性桩复合地基桩体受力的情况可用摩擦桩模型计算，刚性桩复合地基的沉 降计算可采用改进g e d d e s 法计算，也可采用有限元法分析。如加固区压缩量采 用桩身压缩量法计算，下卧层地基中的附加应力可采用改进g e d d e s 法计算，也 第一章绪论 可采用压力扩散法或等代实体法计算。由于刚性桩复合地基的桩体刚度相对较 大，其受力性状可参考桩基础情况，所以下面将介绍下桩基计算理论的研究方 法。 1 2 桩基计算理论的研究方法 现有的桩基计算方法通常可分为四大类，即经验法( i m p i r i c a lm e t h o d ) 、弹 性理论法( e l a s t i c a ls o l u t i o n s ) 、数值计算法( n u m e r i c a la n a n y s e s ) 和简 化分析法( a p p r o x i m a t ea p p r o a c h e s ) 。 1 2 1 经验法 早期的桩基沉降计算方法多为经验法，通常使问题过于简化。最早的方法认 为荷载作用于桩长的三分之二深度处( t e r z a g h i & p e c k ，1 9 4 8 ) “1 ，随后又建立了 砂土中群桩沉降和单桩沉降之间的经验关系式m e y e r h o f 1 9 6 0 。”，s k e m p t o n ，1 9 5 3 ) ，所有的这些经验关系式都是建立在现场试验或模型试验的基础上，并 且仅考虑了桩群的几何特性，显然这些方法不能真实的反映桩基的特性。 1 2 2 弹性理论法 弹性理论法是从有关的弹性理论出发，认为桩体本身是线弹性体，而土为另 一种线弹性的三维空间，然后采用不同的处理方式来研究桩的特性，这种弹性方 法可分为两大类。一类是最先由s e e d 和r e e s e 提出，后由c o y l e 和r e e s e “1 、 c o y l e 和s u l a i m a n “1 等人发展起来的以荷载传递函数法( 1 0 a dt r a n s f e rm e t h o d ) 为代表的沉降计算法，另一类是以p o u l o s 法为代表的积分方程法( i n t e g r a l e q u a t i o nm e t h o d ) 1 2 3 数值计算法 对桩基特性的分析，较为成熟的数值计算方法有有限单元法( f e m ) 。边界元 法( b e m ) 。混合法( h y b r i dm e t h o d s ) 等。 ( 1 ) 有限单元法 有限单元法是数值分析中最为成熟的一种离散方法，在桩基特性分析中被 广泛使用。有限单元法不仅可以解决线弹性问题，而且可以方便的使用非线性弹 性问题的分析。 ( 2 ) 边界元法 浙江大学硕d 一学位论文路基刚性桩复台地姓的力学性状分析朱世哲2 0 0 41 边界元法也称为积分方程法，是把区域问题转化为边界问题而求解的种离 散方法。由于该方法可使三维问题转化为二维问题，二维问题又可转化为维问 题，因而可使问题的分析规模大大减小。 ( 3 ) 其他数值方法 g u o 等人发展的无限层法( i n f i nj t el a y e rm e t h o d ) ，可以更有效的求解 层状地基中桩与土体之间的相互作用问题。在此基础上，c h e u n g 等人( c h e u n g 、 t h a m & g d o ) “根据叠加原理将这种无限层法，推广至群桩中，可以分析层状地基 的群桩特性。还有c h o w “2 用迭代法系统的研究了桩基的沉降特性，土体模量随 深度变化的影响、土体横观各向同性的影响以及桩土共同作用的问题。他指出土 体的非均质性( 即模量随深度变化) 对桩基特性有较大影响，横观各向同性除对 沉降有一定影响外，对其他特性没有什么影响。c h o w 的分析都只适用于荷载不 大的线弹性情况。 1 2 4 简化分析法 c o o k e “”曾运用简化分析法分析了桩体向周围土体传递荷载的过程。所用 的假设是：离开桩体距离相等处的剪应力相等，且离开轴线的距离越大，剪应力 越小。c o o k e 用简化分析法研究了伦敦软粘土中的单桩( c o o k e p r i c e 1 、a r r ) 】 和群桩在正常工作荷载下的荷载传递和沉降特性。简化理论分析的结果和实测值 很好的吻合。 1 ，3 刚性桩复合地基的研究现状 目前对刚性桩复合地基的研究还不多，主要分为三个方面的研究，理论研究， 数值计算研究和试验研究，下面分别论述。 1 3 1 理论研究现状 池跃君，宋二样，陈肇元“”利用解析解答对刚性桩复合地基在竖向荷载下 的工作特性进行了较深入的分析，着重讨论了桩土应力比及荷载分担比等随复合 地基荷载、垫层厚度、垫层模量、桩长、桩间距、桩间土模量和桩端土抗力系数 等因素变化的规律计算结果表明，竖向荷载作用下，桩土应力比随复合地基荷 载、垫层模量、桩长和桩间距的增加而增大，随垫层厚度和土体模量的增加而减 小，同时也表明复合地基的设计参数有合理的取值范围。 张雁，黄强“”根据室内外试验及理论分析结果，对半剐性桩复合地基基本 性状作了初步探论并与柔性桩复合地基及桩基础的基本性状进行比较。提出的定 性概念可供半刚性桩复合地基设计参考。 池跃君，沈伟，宋二祥“”1 为合理设计刚性桩复合地基中的垫层、对垫层的 破坏模式进行了探讨，并建议了垫层的一种破坏模式，同时给出了桩土应力比与 垫层参数之间的关系式，为刚性桩复合地基设计中垫层参数的选取带来帮助。 龚晓南“”简要介绍复合地基技术发展概况和复合地基理论概要，并通过工 程实例介绍复合地基在高层建筑中的应用。 周健”根据桩与桩之间的相互作用因子叠加提出了计算复合地基加固区 沉降的一种简单、实用的新方法其计算结果与边界元法等方法的计算结果吻合 得很好此方法适合于各种桩型，对柔性桩和剐性桩均适用。 宋二祥，沈伟“”提出一种分析刚性桩复合地基筏板基础相互作用体系内 力和变形的实用方法。该方法将筏板基础划分为m i n d l i n 板单元，桩一土体系的 支撑刚度利用b o u s s i n n e s q 解和m i n d l i n 解及有限压缩层模型确定，对垫层则近 似用分布弹簧模拟。同时还给出一种考虑无限刚性上部结构的算法。对所建议计 算模型的各个方面及其参数取值进行了讨论。编程计算的结果与三维有限元及工 程实测结果吻合较好，表明所建议方法有较好应用前景。 傅景辉，宋二祥”通过分折桩一土一垫层的共同作用，讨论了刚桩复合地 基的工程特性，推导出在荷载作用下，当桩端土层为文克勒地基时的桩顶荷载、 土体表面荷载、桩体沉降、土体沉降、受荷后垫层厚度等的计算公式，并根据推 导出的应力比公式对应力比的多种影响因素进行了探讨。 吴金维“日简述了刚性桩复合地基及其工程特性，提供了将其用于超百米高 层建筑的工程实例的设计计算方法，成功地用变厚度褥垫层消除了不均匀沉降。 提出了采用复合地基尚需考虑的苦干问题。刚性桩复合够与传统桩基相比，经济、 环境、社会效益显著。 陶茂之“。通过对复合地基中刚性桩与柔性桩不同的破坏机制和承载特性、 影响复合地基强度和刚度的主要因素：有效桩长、置换率、桩土应力比和桩土变 形协调等分析比较，探讨刚性桩复合地基用于一般十一二十层高层建筑的软土地 基处理的实用性和经济性。根据数项工程实例和静载试验结果说明加固效果，并 浙江大学硕士学位论文路基刚性桩复合地基的力学性状分析朱世哲2 0 0 4 简单介绍刚性桩成桩工艺。 沈伟，池跃君，宋二样“”提出计算刚性桩复合地基沉降的一种新方法，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 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、桩问土沉降解析解。对两个9 桩复合地基的分析显示，该 方法和现场实测及有限元分析吻合较好。 郑俊杰，彭小荣“8 1 对桩土共同作用理论作了初步探讨，对不同桩距下复合 桩基设计方法进行了讨论。提出当桩为摩擦桩或端承摩擦桩时，刚性桩复合地基 不设褥垫层比设垫层更经济、安全。认为在控制复合桩基的总安全度及变形的前 提下，可明确按桩土应力比进行设计，设计桩土应力比无须等于实际桩土应力比， 并对目前疏桩基础设计方法存在的问题进行了讨论，提出了改进意见。 h a r r y 和g p o l o u s “”分析了发生向上和向下的竖向位移时，桩一筏一土的 相互作用情况，在桩问土有向下的位移时，有额外的土压力通过负摩阻力传递给 了桩，当桩周土体有较大的向上位移时，有拉应力会在桩上产生，经计算作者建 议在桩间土有竖向位移发生时，避免使用桩筏基础。 1 3 2 数值计算研究现状 李宁，韩煊”1 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) 施加缛垫层后的承载性状， 分析了缛垫层在复合地基中的加固机理与作用。提出利用缛垫层对复合地基承载 力进行优化设计的基本方法与思路。 邢仲星和陈晓平“们采用有限元分析方法对采用刚性桩、柔性桩、搅拌桩处 理后的复合地基的不同情况进行了计算分析，并对应力场，变形场，应力水平等 特性的研究。 陈强“3 1 研究了粉喷桩作为加固软土地基的一种方法，近年来在高速公路的软 基处理中得到了广泛的应用。以某高速公路实验段为例，对粉喷桩复合地基进行 了有限元模拟研究，详细分析了其变形特点，总结出粉喷桩加固高速公路软土路 基的变形规律。得出了有益的结论。 谭昌明“”基于m e c h e n t 模型建立公路路堤软土地基沉降的二维弹性b i o t 帮一章绪论 围结有限元计算方法；从优化原理出发，采用最小二乘法。建立根据沉降、孔压 以及侧向变形等实际观测信息进行参数反演的合理目标函数形式；采用s i m p l e x 直接优化算法( 单纯形法) 实现参数的反演计算，从而提高公路路堤软土地基沉 降预测的准确性。实例分析表明，该方法是可行的一。 杨涛，殷宗泽“”采用强度随时闻变化的有限元方法分析二灰土桩复合地基在 路堤荷载下的变形特性。 1 3 3 试验研究现状 在国外，由于复合地基的应用较少，所以大部分现场试验都是对群桩而做的， 但一些情况下考虑了桩间土的承载作用，对复合地基有一定的参考作用。 r wc o o k e “2 1 在伦敦粘土上做了群桩的现场测试试验，此试验验证了计算 群桩沉降和受力时运用叠加原理的可行性，并实测了相互影响系数。 h g p o l o u s ”“讨论了减沉桩( 为减少沉降而设计的桩) 的设计理念，通过 试验描述了减沉桩的特性。 c f 1 e u n g “”对一座4 2 层的塔楼的桩筏基础进行了监测，试验表明，单桩 试验时桩的受力情况和实测的群桩桩体受力情况很不一样。 r w c o o k e “”观测了伦敦北部一座1 6 层大楼的桩筏基础受力变形情况，数 据显示，在群桩中，外围桩所承受的荷载是内部桩的两倍，筏下土的竖向位移较 大。 j u a n m “1 现场实测了静压桩在打桩过程中的周围土体的动力和静力特征， 测试了空隙水压和土体的侧向位移的变化情况。 池跃君，宋二祥“7 1 通过现场试验，测出了剐性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。 试验表明：垫层起到了使桩土共同参与工作的作用，使土能够较充分发挥其承载 能力：单桩复合地基中加固层压缩是产生沉降的主要原因，下卧层的压缩量很小， 垫层压缩量占沉降的比例随荷载而变化，刚性桩复合地基首先是桩周土承担较大 荷载，使其从局部剪切破坏开始，逐步向整体剪切破坏发展，而后随着桩承担荷 载的加大，桩承载力达到极限而破坏，进而复合地基发生破坏。 张聚山“8 1 以郑州某购物中心商场工程为例，阐述复合地基承载机理、分类、 设计理论及适用情况，从而说明刚性桩复合地基是良好的地基基础方案类型中的 浙江大学硕士学位论文路基刚性机复合地基的力学性状分析 朱世哲2 0 0 41 新形式之一，其基础工程造价与桩基础相比较可节约5 0 左右。 池跃君，宋二祥。”提出刚性桩复合地基沉陷计算问题目前尚未得到较好的 解决，主要原因之一：是不甚了解复合地基中应力场的分布规律。为此，在两种 土质中各进行了l 组9 桩复合地基试验。在桩间土及桩身分别埋设压力盒和钢筋 计，对刚性桩复合地基桩间土不同深度的竖向应力、桩身轴力、侧摩阻力进行了 仔细地观测。所得结果揭示了桩间土竖向应力，桩侧摩阻力的分布规律以及荷载 传递的全过程。试验结果可以为复合地基沉降计算的假定提供合理依据，同时， 能够为荷载传递机理的研究带来帮助。 俞大刚“”论述了杭州铁路水电段综合楼，根据地基土的实际情况，采用了 刚性桩与柔性根相结合的( c m ) 复合地基，不仅避免了原设计采用单- - n 性桩穿过 “铁板砂层”( 粉土层) 的团难，而且缩短了地基处理的工期，降低了工程造价。 徐嵘，李春蕾“”通过某工程现场载荷试验结果的分析比较，提出了简便合 理的计算刚性桩复合地基承载力计算公式，以及结合地质情况采用不同布桩方式 的设计思路。 胡向奎，秦峰，鲁红军“”结合实际工程详细论述了楔形刚性桩复合地基承 载力及其沉降的计算，结合工程实例说明了其在工程中的应用。 蒋忠信“”在南昆线七甸泥炭土路基试验段的碎石桩、粉喷桩断面埋设测试 元件，进行土压力孔隙水压力的测试。分析土压、孔隙水压、桩土应力比的变化 趋势，探讨这两种复合地基的机理。 1 4 本文的研究内容 从以上文献中可看出，目前对刚性桩复合地基的力学性状及其在处理路基中 的性状研究不多，本文基于此做了以下几点工作。 ( 1 ) 现场试验的研究。对搅拌桩( 柔性桩) 复合地基和素混凝土桩( 刚性桩) 复合地基处理路基的效果进行分析，研究了在填土荷载下，两种复合地基所处理 的路基的受力，沉降，孔压变化性状等。对两种复合地基的性状进行了详细的比 较。 ( 2 ) 有限元计算分析。选用素混凝土桩( 刚性桩) 复合地基处理路基的断 面为有限元分析原型，将有限元模拟数据与实测数据相比较，用参数反演的方法， 第一章绪论 行比较分析。 ( 3 ) 理论研究。研究了带垫层的刚性桩复合地基的桩土应力比的计算公式( 只 考虑单桩情况) 。将垫层分为线弹性体和理想弹塑性体两种情况，视垫层为一受 力体，考虑刚性桩刺入垫层和下卧层的性状，推导出带垫层的刚性桩复合地基的 桩土应力比的计算公式，并对计算公式进行了分析。 ( 4 ) 应用小孔扩展理论，研究了刚性桩刺入垫层深度的计算方法。 塑坚查堂堡主兰竺堡塞 塑茎! ! 竺坚墨垒些苎塑垄兰堡鲨坌堑鱼型兰兰堡! 二l 第二章现场试验研究 复合地基现在已经广泛的应用到了路基处理中，本章对刚性桩和柔性桩复合 地基处理的路基进行了现场试验研究，主要分析在复杂的地质条件下，如有杂填 土填塘情况下两种复合地基在填土荷载下的性状及比较。 2 1 工程概况 杭州市运河污染综合整治指挥部拟建设杭州市丰潭路，该路段北起育英路， 南接天目山路。本次工作段为天目山路文一路段，包括1 # 、2 # 、3 # 桥。道路 路面宽度为3 6 米，地下铺设污水管和雨水管，道路西侧为规划绿化带和莲花港。 该路段的地质情况较为复杂，地表都为淤泥和水塘，需大规模的填塘换土， 地基处理采用搅拌桩和素混凝土桩。为研究素混凝土桩( 刚性桩) 及搅拌桩( 柔 性桩) 复合地基处理路基在这种地质情况下的力学性状，拟进行土体的沉降和侧 向变形的测试工作。 本次测试选取两个典型断面( 如图2 1 1 ) ，第一个断面在桩号为k 1 + 0 6 0 处， 是一个半填半挖断面，填土用料是粉质粘土，路基用# 5 0 0 的l o m 搅拌桩( 柔性桩) 处理，桩距1 3 m ，正方形布桩，施工过程是先清除塘底淤泥再填土至桩顶标高， 最后施工水泥搅拌桩，搅拌桩的水泥掺入量为所加固土重的1 3 ，桩身水泥试块 9 0 天龄期抗压强度1 0 5 m p a ，单桩承载力标准值达到6 8 o k n ，该断面的地质情况 见表1 。 表1k 1 + 0 6 0 处断面土的物理力学性质指标 厚度含水量温重度 液限塑限压缩模量 土质分类 空隙比 ( m )( )( k n m 。)( )( )m p a 2 5粉质粘土2 8 5 1 850 8 6 13 5 62 2 44 5 4 9淤泥质粘土4 3 31 8 11 1 7 74 2o2 39l8 4 5淤泥质粉质粘土 3 7 61 8 210 8 93 3 92 1 92l 3l 淤泥质粉质粘土 4 2 4】7 8l1 8 33 4 82 2122 5 8淤泥质粘土4 5 41 7l1 3 2 44 2 62 401 5 第二章现场试验研究 第二个断面桩号为k l + 6 1 0 ，也是个半填半挖断面，填料用的是建筑垃圾， 其中有较大的石块和混凝土块，路基用m 4 2 6 的1 5 m 素混凝土( 刚性桩) 桩处理， 桩距1 7 5 米，正方形布桩，素混凝土桩用水泥含量为7 的水泥碎石稳定料填充， 压缩模量为1 8 1 3 m p a 。此断面的地质情况见表2 表2k 1 + 6 1 0 处断面土的物理力学性质指标 厚度含水量湿重度液限塑限压缩模量 土质分类空隙比 ( m )( )( k n m 。)( )( )m p a 2 淤泥质粉质粘土3 8 91 7 91 1 1 83 632 0 91 9 9 2淤泥质粘土4 3 31 8 11 1 7 74 2 o2 3 91 8 1 3淤泥质粉质粘土4 2 41 7 81 1 8 33 4 82 2l2 2 4 5淤泥质粉质粘土4 5 41 7 11 3 2 44 2 62 4o1 5 1 淤泥质粉质粘土4 2 31 7 61 2 0 63 5 12 2 22 3 3 1 淤泥质粉土 4 2 西 i + b 6 0 丰潭路 文 新 路 j 。叫i ： | ； ， 卜一一f f ： 图2 1 1测试平面方位图 ( 图中3 ，4 ，5 ，6 ，代表测斜管的分布) 文 垡 路 2 2 测试内容 2 2 1 土体变形的观测 土体变形的观测包括分层沉降和侧向变形，用以分析土体变形性能的改变 浙江大学硕士学位论文路基刚性桩复台地基的力学性状分析 朱世哲2 0 0 41 并推算土体工后沉降的大小及其分布情况。 2 2 2 土体变形的观测土体应力的观测 地基中的应力观测，是测定土体在受力情况下，土压力和孔隙水压力值及其 消长速度和程度，以便计算土体的受力状态和土体变形随时间的发展规律。 ( 1 ) 土压力的观测 观测土体在道路填筑作用下应力变化情况，以判断复合地基的受力性能。 ( 2 ) 孔隙水压力观测 根据孔隙水压力观测结果，可以得到孔隙水压力的大小，以便计算有效土压 力，评价荷载的影响深度。 2 2 3 地下水位变化的观测 地下水位的观测用以掌握在道路施工过程以及工后地下水位的变化情况。 2 3 测试方法和原理 2 3 1 土体深层水平位移量测 采用活动式测斜仪观测土体的深层水平位移。测试前先在测斜点钻孔，埋置 直径? o m m 、带槽口的p v c 测斜管，要求一组导槽垂直于路线方向，另一组平行 于路线方向，测斜管与孔壁之间的孔隙用黄砂、水泥和膨胀剂填实。测试时，测 斜仪探头沿导槽缓缓沉至孔底，此时摩擦生热，探头温度会升高，待恒温一段时 间后，自下而上逐段测出在垂直于管道的方向上的位移。并用光学仪器量测顶端 位移，将其作为控制值。施工开始前，对每- n 斜孔测量各深度点的倾斜值，将 其作为初始偏移值。 在同一根测斜管的同一点上，先后两次测点的位移差即为该点在该平面上的 水平位移。本次值减去初始值的差值为该点的累计位移；本次值减去前次值的差 值为该点的本次位移值。符号“十”表示向道路移动；符号“一”表示向道路外移 动。 2 3 2 土体分层沉降量测 采用分层沉降仪观测土体深层沉降。分层沉降仪采用钻孔埋设。设备包括分 层沉降管、磁环等。 用钻机在预定位置上钻孔，直至预定标高，将各个磁环分别套在管上相应位 第二章现场试验研究 置点，放置测点位置。在管与孔壁之间，以及磁环与土之问用黄砂、水泥、膨胀 剂填实。 2 3 3 土体的应力测试 土体的应力测试是地基处理中的必要的监测项目，对土体的应力发展做必要 的评价是不可缺少的，同时也可以对土体的承载力作出评价，是十分重要的。 应力测试包括土压力测试、孔隙水压力测试和水位测试。 ( 1 ) 土压力测试 采用钢弦式土压力计( 金坛市华光工程仪器厂生产，已标定) 来测试土体中 的土压力。根据拟定的埋设位置，埋设土压力计；埋设时，应注意对土体的扰动， 与结构物固定程度，膜盒与土的接触情况。同时要注意电缆线和膜盒的埋设( 因 为电缆线在施工中容易受到破坏) ，各测头电缆按一定的线路集中于观测站中， 并将土压力计的编号、规格及埋设位置、时间等做出记录。 在观测站中，将频率仪与电缆线连接起来，进行测量读数，然后换算出土压 力计受到的应力。 ( 2 ) 孔隙水压力的测试 采用钢弦式孔隙水压力计( 金坛市华光工程仪器厂生产，已标定) 测试土体中 孔隙水压力的大小。根据拟定的埋设位置，正确定位，用中1 0 8 地质钻机开孔。 钻孔时每次进尺视不同土质而定，应避免坍孔或缩孔现象。钻至预定标高后，必 须立即埋设孔隙水压力计。埋设后，各测头电缆按一定的线路集中于观测站中， 并将孔隙水压力计的编号、规格及埋设位置、时间等做出记录。 土压力及孔隙水压力观测站需埋设保护井保护，所采用的保护井是煤气阀。 测试方法与土压力测试方法相同。 ( 3 ) 水位测试 在道路两侧埋设了水位管进行了水位测试。 2 4 测试点布置方案 测试点的布置应符合设计方案对监测工作的要求，能与道路、管线监测工作 相协调，原则上选为复合地基影响区域，并主要着眼于复合地基和邻近土体的稳 定性，兼顾考虑监测对象的特定情况( 重要性、距离远近等) 。符合以下规范规 浙江大学硕士学位论文 路基剐性桩复合地基的力学性状分析朱世哲2 0 0 4 1 定的技术要求 ( 1 )土木工程勘察规范 ( 2 )工程测量规范( 6 8 5 0 0 2 6 9 3 ) 并参考了岩土工程试验监测手册 ( 1 ) 土体分层沉降量测 土体分层沉降量测设7 个分层沉降孔，每个孔测3 点( 其中孔顶1 点，孔中 1 点，孔底l 点，共计2 1 个点，详见图2 4 1 。 土体侧向位移量测设2 个侧斜孔，每0 5 米测一点，详见图2 4 1 。 ii i il 一一 胡，尹掣” 日 f 一瘩一 | ：；i 孔压计 土压力盘 雌4 堕 m m * + 蜘 口 嘶信 有线电e ，怔煤气 1 ， 低墚1 管 匝jn 女f rr r j m 力廿 j 。 q 。蟓气管 长度单位是米 ( b ) 图2 4 1 元器件埋设方案图 ( 图a 为横断面布置示意图，图b 为纵断面布置示意图) ( 2 ) 土压力的测试 一 第二章现场试验研究 相应每个沉降测点布设1 个土压力盒，共计1 5 个，见图2 4 1 。 ( 3 ) 孔隙水压力测试 相应每个沉降测点布设1 个孔隙水压力计，共1 5 个，见图2 4 1 。 ( 4 ) 地下水位观测 布设水位管2 根，见图2 4 1 。 刳2 ( a ) i 。 | m 女* 1 8 誉 篇豢邀义墼塑垡2 5体情况见图j = = 燕意淤篙桨鬻。 同时也开始了测试。 。”l 伺7 6 器件均埋设。 蠛燕畿鬻篙纛鬻 _ v 赫 柱 叠 0 辑 挺 图2 ，5 4 k 】十0 6 0 的加荷情况 2 6 试验数据分析 z 6 l 桩问孔隙水压力变化及分析 在进行填士加荷期间，总体上说混凝士桩和搅拌桩的桩间超孑l 隙水压力 第- 二章驯场试验研究 都是逐渐稳步消散的( 如图2 6 1 和图2 6 2 ) ，这是由于加荷较小缘故，也说明 在施工过程中加荷速率和碾压吨位都比较合适，因此没有出现孔隙水压来不及消 散而突然j 二升的情况。但是由于两个断面的填土料不一样，所以在各个断面桩顶 测点处的超孔压状况各不相同，如图2 6 1 ( a ) 和图2 6 2 ( a ) 所示，在素混 盘 专 蚓 * 墅 h 捌 2 0 1 5 1 0 5 0 ( a ) 芦 一 ( c ) 图2 6 1 素混凝土桩断面沉5 处孔压变化图 ( 图a ，图b ，图c 分别为在桩项，桩中，桩端处孔压) 加鲫 天 ， 问 b 时0 蚰防0 浙江大学硕士学位论文路基刚性桩复合地蕞的力学性状分析 凝土桩断面填土用料是建筑垃圾，其q j 有较大的石块和混凝土块，空隙率较大， 所以消散也较快，孔压较小，在桩顶附近消散过程中空隙水压有反复，这是由于 建筑垃圾填埋层力学性质较好，形成了硬壳层“”，所以对上部路面荷载及碾压的 一1 0 蛊8 尝 出6 苗4 塑 晶2 裂o 3 0 复2 5 考 翼s 篷- j 1 0 离s 0 3 0 = 2 5 兽2 0 翼1 5 彗1 0 蟊5 0 妻_ ( a ) ， 。 ， b 弋_ 一) = 二= _ = j 02 04 0t o 8 01 0 01 2 0 时间( 天) ( c ) 图2 6 2 搅拌桩断面沉3 处孔压变化图 ( 图a ，图b ，图c 分别为在桩顶，桩中，桩端处孔压) 反应较为集中且在这个刚度较大的硬壳层下，荷载相对向桩集中程度较大，桩间 填土承受荷载较小。相比之下，搅拌桩断面是用粉土填塘的，其空隙率较小，消 舯 。觚 加 第= 章现场试验研究 散也较慢，且桩头应力集中程度较小，桩间土所受荷载较大，于是孔压较大，消 散过程中孔压基本没有反复。 2 ，6 2 桩问土附加有效应力变化及分析 由于测试是在上层路基填土过程中，加荷不大，可认为复合地基是在正常荷 载( p s n ，p “是复合地基的极限承载力) 状态下。素混凝土桩桩间土的有效土 应力随时间变化如图2 6 3 ，图2 6 4 n 示，桩顶，桩中，桩底的附加有效应力随 时间都有增加，但增加幅度不