（交通运输规划与管理专业论文）高速公路PTC疏桩复合地基试验研究和优化设计方法.pdf

摘要 在高速公路工程中，对于桥头深厚软土地质路段，采用p t c 疏桩复合地基进行 处理是一项全新的技术。p t c 疏桩复合地基具有桩径小、桩间距大、桩体承载力高 等特点，桩帽的布设也使得其承载特性与作用机理与一般复合地基不同，并且更加 复杂。对此，本文采用原型静载试验的方法，对带帽p t c 单桩以及双桩复合地基的 承载性状进行研究，分析桩身、桩帽、桩间土共同作用下其沉降变形规律。试验结 果表明，土体在承载过程中存在滞后效应，随着上覆荷载的增大，复合地基的沉降 变形呈现两个阶段性的变化，在第一阶段主要由桩体承担荷载，在第一拐点处桩体 到达极限，第二阶段土体共同承载，第二拐点处土体到达极限，复合地基发生破坏。 桩帽将更多的荷载传至桩体，使得桩体的承载力得以充分发挥，桩帽也改善了桩顶 的应力集中状况，整个桩体的上刺量很小。地表土压力可以看成均匀分布，桩间土 受荷沉降时对桩体会产生负摩擦力，相同沉降下，桩体承载力较之自由状态有所降 低。同时，试验分析表明碎石垫层的作用并不明显。随着荷载和沉降的增大，桩土 荷载分担比和桩土应力比也呈两个阶段性的变化。根据试验的分析成果，参考现有 复合地基和复合桩基的设计计算理论，进行数值分析，将荷载进行简化，采用m i n d l i n 解和b o u s s i n e s q 解联合求解竖向附加应力，进一步探讨其作用机理，分析桩土之间 的影响。并提出p t c 疏桩复合地基的优化设计思路，桩帽的设计方法，桩、土分担 荷载的计算方法，以及沉降计算中简单适用的分部计算法和拟应力修正法。 关键词：高速公路：p t c 管桩；复合地基：静载试验；桩帽；桩士应力比 荷载分担比；数值分析；m i n d l i n 解；优化设计 a b s t r a c t an e wc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hs p a r s ep r e t e n s i o n e ds p u nc o n c r e t eb u o y a n tp i l e sh a sb e e n a p p l i e dt o 仃e a t i n gd e 印s o f tg r o u n di ne x p r e s s w a yp r o j e c lt h e p t c p i l e sa r es l i g h t n e s s ，t h ed i s t a n c e b e t w e e nt h et w op i l e sa l ef a ro f f , a n di th a sg o o dl o a dc a p a c i t ye v e ni f s i n g l ep i l e ，i na d d i t i o n ，u n l i k e t r a d i t i o nc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，t h e r ei sac a po nt h et o po ft h ep i l ei n t h i sn e wo n e ，s ot h e l o a d b e a r i n gp e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gm e c h a n i s ma 托d i 丘b 崩1 tf r o mf o r m e r ，a n dm o r ec o m p l i c a t e d i nt h i sp a p e r , t h es p o tt e s t sh a v eb e e nd o n ei no r d e rt oi n v e s t i g a t el o a d - b e a r i n gp e r f o r m a n c e ，a n d w h e nt h ep i l e ，t h ec a p ，a n dt h es o i la r ew o r k i n ga tt h es a n l et i m e ，t h er u l eo f s e t t l e m e n to f s p a r s e p i l e s c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hp t c s o m e u s e f u li n f o r m a t i o nf r o mt e s tr e s u l t sa r ep r o v i d e d t h e r ei sa h y s t e r e s i so ns o i lw h e nl o a d i n g , i tp u t su pt w op h a s e so ns e t t l e m e n t a tt h ei n - s tp h a s e ，t h ep i l e sa r e b o r n em o s t p a r t o f t h el o a d i n g , a n dt h es o i li sl i t t l e a tt h es e c o n dp h a s e ，t h es o i lb eb o r n em o l ea n d m o r el o a d i n gb u tt h el o a d i n gt h a tp i l e sb eb o r n ei sa l m o s ts t e a d i n e s s ，a tt h ee n do ft h i sp h a s e ，t h e c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sh a p p e n e dt od e s t r o y e d t h e r ea r em o r nl o a d i n gh a v eb e e ni m p r e s s e dt ot h e p i l e sb e c a u s eo f t h ec a p o nt h et o p a n dt h en e g a t i v es e t t l e m e n ti sa p p r o x i m a t et 0z e r o t h el o a d i n go n t h es u r f a c eo fs o i li st e a rt 0u n i f o r m i t yi nc o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h ec a p a c i t yo f l o a d - b e a r i n gh a s b e e nd i s c o u n t e da st h es o i la r o u n dw h e nl o a d i n ga n dt h ef u n c t i o no fc u s h i o ni sf e e b l e n e s s y q h e n l o a d i n gt h ec h a n g e so fl o a dr a t i oa n ds t r e s sr a t i oh a sb e e ne m b o d i e dt w op h a s e st o o ，t l l e yb e c o m e l i t t l ea n dl i t t l e a tt h ee n d ，c o m b i n em i n d l i nm e t h o da n db o u s s i n e s qm e t h o d ，t h ea d d i t i o n a ls t r e s sh a s b e e n l a yo u t , a n dt h ew o r k i n gm e c h a n i s ma r et h o r o u g h l ya n a l y z e do fs p a r s ep i l e sc o m p o s i t e f o u n d a t i o nw i t hp t c am e t h o dt od e s i g na n do p t i m i z eo nt h i sc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s p r o v i d e d ， i n c l u d eo ft h es i z eo fc a po nt h et o po fp i l e ，h o wt oc a l c u l a t et h el o a do np i l e sa n ds o i l ，a n dt h e c o n c i s em e t h o dw i t ht w o s t e pf o rc a l c u l a t i n g s e t t l e m e n t k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ；p t cp i l e s ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；l o a d i n gt e s t ；c a po f p i l e ；p i l e - s o i ls t r e s s r a t i o ；p i l e s o i ll o a dr a t i o ；n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ；m i n d l i np r o b l e m ；d e s i g na n d o p t i m i z a t i o n 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节引言 目前，世界经济正进入工业化、信息化和跳跃式发展阶段。经济的发展需要方 便、快捷、安全的交通服务，高速公路对社会经济发展的促进作用越来越明显。高 速公路具有运量大、速度快、辐射远、效益高的特点和优势，不仅带动了运输结构 的改善和运输效率的提高，而且促进了沿线产业结构的优化和区域经济的发展1 1 , 2 。 在我国，由于人口和地域因素的影响，交通运输对经济发展的瓶颈制约日益突出， 发展高速公路建设，有利于商品、资本、技术、知识等在更大范围内更快的流动和 配置，对社会经济发展产生的深层次影响是全方位的、久远的，既是国民经济和社 会发展的要求，也是满足快速增长的交通运输需求的需要 3 。这一点已得到各级政 府的重视，从1 9 8 8 年第一条高速公路建成通车以来，高速公路投资建设速度逐步 加快，根据调整后的“十五”计划，我国2 0 0 4 年公路交通发展的预期目标是新增 高速公路3 5 0 0 公里，至2 0 0 4 年底，全国高速公路通车里程将达到3 3 万公里。另 外，中国高速公路网目前已完成规划，其总里程将超过8 万公里，将连接大陆3 1 9 个人口在2 0 万以上的城市。在未来2 0 - 3 0 年内，将实行高速公路网的全面建设。 在高速公路的建设过程中，受地理位置制约，道路选线迫于充分利用土地的现 实，通常不得不穿过不良地质地区，如滨海、湖沼、谷地、河滩等软土地区。在软 土地区修筑高速公路，多年来一直是公路建设的一个重大技术课题 4 】。 软土是指天然含水量高、孔隙比大、透水性小、压缩性高、抗剪强度低的细粒 土，在我国分布十分广泛，在长江、珠江三角洲等滨海和湖沼地带尤为普遍。软土 地基工程力学性能很差 5 1 。在软基上修建高速公路，高路堤因地基稳定性不够或沉 降过大，低路堤因交通荷载的作用，常使道路发生变形，功能受到破坏，影响高速 公路的正常运营，同时还危害到沿线的基础设施和周围的环境1 6 1 。高速公路软基处 理的主要巨的是在保证路堤稳定的前提下有效地控制工后沉降。实践表明，在软土 层深厚路段的桥头、通道等结构物衔接部位，通常会因工后沉降量过大而产生“桥 头跳车”现象，严重影响到行车速度和行车安全，因此桥头、箱头的软基处理就显 得尤为重要。因地制宜，选择安全经济、技术可行的软基处理方式是高速公路工程 建设中的一项重要研究课题。 第一章绪论 长期以来，土木工程界的专家学者针对分布于我国的各种不同性质的软土进行 了大量的科学研究和工程实践工作，积累了相当丰富的软基处理经验。近年来，软 基处理技术发展很快。在高速公路工程中，软基处理最新发展反映在软基处理设计 计算理论、材料、施工机械设备、施工工艺、现场监测技术，以及软基处理新方法 的不断发展和多种处理方法综合应用等各个方面。2 0 0 0 年，在沪杭甬高速公路拓宽 工程中，采用了路堤桩加土工格栅方法处理桥头软土地基，达到了控制沉降的目的 ”。这是先张法预应力混凝土管桩( p r e t e n s i o n e ds p u nc o n c r e t ep i l e s ，代号p c ) 首次应 用于商速公路工程。2 0 0 3 年，预应力管桩复合地基处理方法应用于沪宁高速公路拼 接拓宽工程试验段，也取得了较好的效果【8 j 。 预应力混凝土桩具有桩材质量好、穿透能力强、旌工快、工程地质适应性强、 场地文明、施工质量易于控制等特点。在高速公路工程中，对厚度达2 0 m 以上的深 厚软土地基，传统柔性桩复合地基的处理深度往往不能满足要求，不能有效控制工 后沉降量。理论计算表明，对桥头深厚软土地基，疏化桩距的预应力薄壁管桩( 代号 p t c ) 复合地基处理方式可以达到较好的处理效果，同时能节约成本 9 1 。采用p t c 疏 桩复合地基处理方式是一项全新课题，在新建高速公路工程中尚无先例，其设计计 算没有成熟的方法。随着对高速公路工程质量要求的不断提高，这种地基处理新方 法将具有很强的实用价值和市场前景，当前，对p t c 疏桩复合地基承载特性进行试 验研究很有必要。 第二节复合地基理论研究现状 一复合地基的发展和应用 复合地基法是在天然地基中设置一定比例的增强体( 桩体) ，使桩土共同承担荷 载，并具有密实法和置换法的效应【1 0 l 。复合地基与桩基都是采用以桩的形式处理地 基，两者有其相似之处，但复合地基属于地基范畴，而桩基属于基础范畴，所以两 者又有其本质区别】。 1 9 6 2 年，国外首次使用复合地基一词。在我国，复合地基概念的提出是工程界 对碎石桩、挤密桩、石灰桩等加固地基的机理认识的深化。用复合地基的理论去研 究分析某些地基加固方法，往往容易得到与实际比较致的结果。随着工程实践的 发展，复合地基的内涵也在不断的延伸。广义的复合地基包括水平向增强体复合地 2 河海大学硕士学位论文 基和竖向增强体复合地基两大类1 2 1 。狭义的复合地基主要指竖向增强体复合地基， 以下简称复合地基，如图1 1 所示。 r lij li lj j lij jj f ttttttt，tt r ：。i 。一一褥垫层4 ： 彤 寨 ； 甏甏甏| 蒺嬲 鬃 ； k ，。， ，一彤 ； 增强体 加固区澎 爹 玺甏毒l 辫 毫| ：。j 誊釜鋈 0 叠：置= ! _ _ j 。，叠簪t = _ ：i ：童蕾。嚣簪：毪：t 鞋| j ? | - 善。t | 矗_ 每年。_ i = _ 薯j 誊j 誓垂毒誊毫一氇藿誊誊餮誊薯氆秀骜萋誊萎鋈誊? 意警景| 鼍善鬣毫参善誊毒。 图1 - 1复合地基示意图 复合地基有两个基本特点：一是复合地基加固区是由基土和增强体两部分组成 的；二是在荷载的作用下，基土和增强体共同承担荷载的作用。 叶书麟( 1 9 9 4 ) 按成桩材料，将复合地基分为三类【1 3 1 ： ( 1 ) 散体土类桩复合地基，如砂桩、碎石桩、矿渣桩、渣土桩复合地基； ( 2 ) 水泥土类桩复合地基，如水泥土搅拌桩、旋喷桩复合地基； ( 3 ) 混凝土类桩复合地基，如混凝土疏桩、小桩、树根桩、c f g 桩复合地基。 散体材料桩需要桩周土的约束才能形成桩体，其承载力取决于桩周土所能提供 的侧限力；柔性桩、刚性桩复合地基在荷载作用下，通过桩周摩擦力和桩端阻力把 作用在桩体上的承载力传递给地基土体【l l 】。 复合地基能充分发挥天然地基和地基处理材料的潜能，最有效地利用资源，节 约投资。当前。复合地基处理技术在工业与民用建筑、高速公路等工程中得到广泛 的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。随着地基处理技术的发展，复合地基 在土木工程建设中大量运用，人们对复合地基荷载传递机理的认识不断深化1 4 1 ，促 进了复合地基理论的发展。 二复合地基理论的研究进展 近年来，复合地基理论研究引起了国内外岩土工程界和学术界的普遍重视，专 家学者们从室内工试验、模型试验、现场足尺试验、数值计算、解析分析等方面 第一章绪论 对复合地基进行了大量的研究，国内外召开的各种土力学与基础工程学术会议上都 有相当数量的论文介绍复合地基的最新研究成果和设计计算方法。 1 试验研究 f 1 ) 室内土工试验 复合地基中基体和增强体材料的物理力学性质，以及桩、士之间的相互作用对 于复合地基的变形特性存在很大的影响。j u r a n 等( 1 9 8 8 ) 利用改装的三轴仪砂桩 土复合体和胶接砂桩土复合体变形特性的试验研究，发现桩土应力比与荷载水 平有关，砂桩的排水对于复合地基沉降有很大的影响；在砂桩中掺入少量的固化剂 形成胶结砂桩，其凝聚力提高但内摩擦角不变，桩体刚度和脆性明显增大 1 5 , 16 】。刘 一林、谢康和等( 1 9 9 0 ) 通过水泥土土复合体一围压缩和三轴固结不排水剪试验， 发现其应力应变曲线类似于超固结土，随着水泥掺合比、置换率的增大以及围压的 减小，复合体由塑性破坏向脆性破坏转化 1 7 , 1 8 】。 ( 2 ) 模型试验 室内试验不能反映桩长、桩间距及桩土材料非线性等因素。吴延杰、杨志红等 ( 1 9 9 4 ) 通过室内模型试验研究了刚性基础下碎石桩的荷载传递规律，发现碎石桩最 大桩身轴力发生在距桩顶2 d 处【1 9 , 2 0 。史春乐( 1 9 9 6 ) 通过室内模型试验发现二灰桩复 合地基中最大桩身轴力发生在桩顶【2 ”。金宗川等( 1 9 9 8 ) 通过改变垫层厚度对石灰桩 单桩复合地基进行模型试验研究，分析了桩、荷载传递特性，桩、土应力变化规 律以及桩土应力比随深度的变化等承载特性【2 2 1 。化建新等( 1 9 9 8 ) 通过模型试验研究， 探讨了垫层土类及垫层厚度对桩土应力比的影响，发现桩土应力比随垫层厚度增大 而减小，随垫层填料粒径的增大而增大【2 3 1 。 ( 3 ) 现场足尺试验 在复合地基理论研究及实践中，现场静载荷试验是确定复合地基承载力与变形 特点的最可靠手段。黄文峰、李广信等( 1 9 9 9 ) 通过对柔性桩复合地基的中的单桩、 桩周土以及复合单元体的原型载荷试验，发现在小变形范围内复合单元体的沉降与 按线弹性d u n c a n 双曲线模型的计算结果一致，桩体侧摩阻力沿桩身呈三角形分布， 从节省试验成本的角度，给出了由单桩及桩周土的现场载荷试验推求复合体荷载与 沉降关系的方法【2 4 1 。黄涛、喻国安等( 1 9 9 9 ) 对水泥粉煤灰钢渣桩复合地基承载力与 沉降特性进行了试验研究，分析了桩、土应力分布特点嘲。郭忠贤、潘继顺等( 2 0 0 1 ) 4 河海大学硕士学位论文 对c f g 桩复合地基进行了原型试验，分析了刚性桩复合地基承载性状1 2 6 2 7 。池跃 君、宋二祥等( 2 0 0 2 ) 通过试验实测结果，分析了刚性桩复合地基桩体轴力和侧摩阻 力的分布，继而探讨了复合地基沉降的计算方法口3 】。马海龙、陈云敏( 2 0 0 4 ) 对水 泥土群桩复合地基承载力特性进行了原位试验研究，发现单桩的破坏是突然性的， 而带台单桩的破坏是渐进性的，并系统分析了桩长、置换率、桩数等关键参数对复 合地基承载力和变形模量的影响d o ，3 1 1 。 2 0 0 3 年，江苏省交通基础技术工程研究中心研究人员在沪宁高速公路加宽工程 试验段地基处理科研实践中，分别进行了p t c 单桩、p t c 单桩复合地基、天然地 基的现场静载荷试验，得出主要成果如下： a ) 单桩有承台板复合地基的q s 曲线的第一拐点即为桩土荷载分担的分界点， 在该拐点桩荷载达到最大值，之后桩间土荷载随外荷和沉降的加大而逐渐增大。 b ) 承台的作用显著，避免桩顶向碎石垫层刺入，充分发挥桩的承载性能，减少 地基沉降。 c ) 进行试桩沉降分析，利用静载荷试验成果探讨其沉降计算方法【3 2 】。 此外，在利用复合地基处理高速公路桥头段软基的工程实践中，k a iq i ul i n 等 ( 1 9 9 9 ) 、俞亚南等( 2 0 0 2 ) 在现场进行了试验研究，通过不同桩长深层搅拌桩的实测结 果，分析了水泥搅拌桩复合地基在控制路堤沉降中的作用 3 3 , 3 4 。 2 数值分析与解析解 大量的复合地基试验和工程应用中的实测成果，是对复合地基承载性状进行数 值分析和解析计算的基础。 在国外，b a l a a m 等( 1 9 8 1 ) 在分析端承碎石桩复合地基时，取单桩和其影响范围 内的桩周土作为基本单元，用线弹性有限元法分析了不同刚度基础下复合地基沉降 反应。发现碎石桩复合地基在刚性基础下沉降速率随桩、土模量比提高而增大，在 柔性基础作用下，当桩体长径比较小时，其沉降小于相应刚性基础，随着长径比的 增n - - 者沉降趋于一致。a l a m g i r 等( 1 9 9 6 ) 假定桩土为线弹性体，利用其典型单元体 侧面零剪应力和桩土界面位移协调条件，通过平赞条件分析获得了桩、土的沉降应 力分布，并采用有限元方法进行了验证【3 ”。 近年来，国内关于复合地基理论的数值分析和解析解的研究成果很多。杨嵘昌、 宰金珉( 1 9 9 4 ) 通过非线性二维有限元简化数值分析结果，研究了桩、土、承台共同 第一章绪论 作用的受力机理【4 2 1 。费勤发、马海龙等( 1 9 9 5 ) 运用弹性半空间无限体的m i n d l i n 解 和浅基础中的分层总和法，对桩闯土滑动采用刚塑性模型，分析了桩、土相互作用 的机理，提出了分析带台单桩的变形总和法【4 引。刘利民、陈有亮( 1 9 9 6 ) 在深入研究 了复合地基工作机理的基础上，利用半无限弹性空间中的g e d d e s 解和b o u s s i n e s q 解，求出了复合地基中的竖向附加应力，给出了复合地基沉降计算方法。李宁、 韩煊( 2 0 0 1 ) 矛q 用数值试验分析方法，系统研究了极柔性桩、一般柔性桩、半刚性桩、 刚性桩群桩复合地基在旌加褥垫层后的承载性状，分析了褥垫层对复合地基承载机 理的影响h 5 j 6 1 。通过假定桩、土面摩擦力与相对位移为理想弹塑性关系 4 7 1 ，沈伟、 池跃君等( 2 0 0 3 ) 在考虑桩、土、垫层协同作用下给出了刚性桩复合地基沉降计算的 基本公式。最近，朱世哲、徐日庆等( 2 0 0 4 ) 研究了带垫层的刚性桩复合地基桩土应 力比的计算方法，假设垫层为理想弹性体和理想弹塑性体两种情况，分析了各种因 素对桩土应力比的影响，为复合地基的优化设计提供了思路 4 8 】。 三复合地基承载力的计算 1 复合地基的破坏模式 竖向增强体复合地基破坏有以下4 种型式【1 4 】：桩体鼓胀破坏、桩体剪切破坏、 桩体刺入破坏和整体滑动破坏，如图1 2 所示。 坏模式 ( c i ) 不同材料增强体复合地基破坏模式不同，其中散体材料桩复合地基的承载力主 要来源于桩周土对桩体的侧限作用。当地基土体软弱，桩周土体对桩体材料的侧限 作用较小，散体材料桩桩身发生膨胀破坏，如图中( a ) ；水泥土桩等柔性桩复合地基 的强度不高，尤其是前期强度较低，荷载较大时容易发生浅部桩体剪切破坏，如图 中( b ) ；桩体冈度较大、复合地基下卧层承载力较低的情况下，易发生桩体向下卧层 6 霄 可二二d 魁复 一 m 了川=二_u图 河海大学硕士学位论文 刺入的破坏，桩体承担荷载大幅度减小，荷载向桩间土转移，进而引起桩间土的破 坏，如图中( c ) 。 上述三种情况都会由复合地基的局部破坏引起复合地基全面破坏。另外，复合 地基可能在荷载作用下，发生整体滑动破坏，如图1 2 中( d ) 。 2 复合地基承载力的计算 在荷载作用下，增强体和基体通过变形协调共同承担荷载是形成复合地基的基 本条件( 4 9 l 。尽管各类复合地基的桩体材料和破坏形式不同，但它们的共同特点是增 强体和基体菇同承载，它们的承载力也应该是增强体承载力与基体承载力的某种形 式的叠加。各类桩复合地基极限承载力的普遍表达式为： 助= k t , 五m p + k 2 如( 1 一m ) p 矿 式中：j 口，单桩极限承载力； p 。天然地基极限承载力； 世，反映复合地基中桩体实际极限承载力的修正系数； 世，反映复合地基中桩间土实际极限承载力的修正系数； 丑复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例； 复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例； m 复合地基置换率。 其中，复合地基中单桩的极限承载力和天然地基极限承载力可以通过静载荷试 验获得，也可以通过地质勘探资料计算得到。桩间土的极限承载力可取天然地基极 限承载力，有时需考虑桩体设置造成的影响。单桩的极限承载力与复合地基的破坏 模式有关，因而也与桩体材料直接相关。 ( 1 ) 刚性桩单桩极限承载力 刚性桩刚度和强度较高，在荷载水平较高时刚性桩复合地基较易发生刺入破 坏。刺入破坏是在桩体侧摩阻力和桩端极限承载力已完全发挥的基础上发生的，而 且，在发生刺入破坏之前，桩体必须是完好的。因此，刚性桩单桩极限承载力的表 达式为： p = m i n ( f i s o l i + 一，r 】a ，g ) 7 第一章绪论 式中：，桩周土与桩体摩阻力的极限值 s 。桩身周长； l 按土层划分的各段桩长 爿。桩身横断面积； 冠桩端土极限承载力； q 桩体极限抗压强度。 ( 2 ) 柔性桩单桩极限承载力 对柔性桩复合地基承载力的计算理论尚不成熟，通常沿用刚性桩复合地基的计 算方法，及采用上式计算柔性桩的单桩承载力，这样的计算结果可能偏于不安全。 对于柔性桩，应特别注意采用有效桩长和更合理的桩侧摩阻力分布。 所谓有效桩长，是指当桩体长度超过该范围后，桩侧摩阻力很小以至可以忽略。 有效桩长与桩土模量比和桩径有关【5 0 】，其取值范围为： 当e 。e s = 1 0 5 0 时，l o = ( 8 2 0 ) a ； 当e 。e = 5 0 1 0 0 时，l o = ( 2 0 2 5 ) a ； 当e d es = 1 0 0 2 0 0 时，t 。= ( 2 5 3 3 ) d 。 其中e 。、e 。分别表示桩、土的压缩模量。 ( 3 ) 散体材料桩单桩极限承载力 桩周土体可能发挥的对桩的侧限能力就对散体材料桩复合地基的承载能力起 到决定性的作用。 b r a u n s ( 1 9 7 8 ) 认为在荷载的作用下，桩体将产生膨胀变形，桩周土受膨胀变形 影响而进入被动极限平衡状态。在此基础上假设桩周土极限平衡区位于桩顶附近， 滑动面呈漏斗状，桩、土的自重和它们之间的摩擦力忽略不计，并提出了单桩极限 承载力的计算式；圆筒形孔扩张理论认为，在桩体膨胀变形作用下桩周土的受力过 程视为圆筒形孔扩张课题，采用v e s i c 圆孔扩张理论求解；h y w o n g ( 1 9 7 5 ) 通过 模型试验得到了碎石桩复合地基的桩土应力比，提出了碎石桩单桩容许承载力计算 公式；被动土压力法通过计算桩周土中被动土压力得出桩周土对散体材料桩的侧向 8 河海大学硕士学位论文 极限应力，从而计算桩体的极限承载力；h u g h e s 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) 用极限平衡理论分 析，并根据原型观测资料分析，认为： p ：6 c f 9 2 ( 4 5 。+ 刍 式中：c 。桩周土体不排水抗剪强度； 。桩体的内摩擦角。 此外，当复合地基下卧层为软弱土层时，尚需对复合地基下卧层承载力进行验 算。验算方法参见文献 5 1 1 。 3 复合地基整体稳定性验算 经过复合地基承载力计算以及下卧层承载力验算后，对于路堤和一些建筑物。 需要进行整体稳定性验算。验算方法一般可采用圆弧分析法【5 2 1 。 在圆弧分析法中，假设的圆弧滑动面往往经过加固区和未加固区。未加固区土 体采用天然地基土体强度指标，加固区强度指标可采用复合土体综合强度，也可以 采用复合土体的综合强度指标。 复合土体的综合强度可表示为： f 。= ( 1 一m ) r ，+ m r 。 式中：t 复合体的综合强度； t 复合地基桩间土体的抗剪强度； r 。复合地基增强体的抗剪强度。 复合土体的综合强度指标为： c 。= ( 1 一m ) e ，+ m c 。 t g 庐o = ( 1 一m ) 哼丸+ 棚留。 式中：丘复合土体的综合内聚力； 丸复合地基土体的综合内摩擦角； q 复合地基桩间土的内聚力； 9 第一章绪论 c 。复合地基增强体的的内聚力； 丸复合地基桩间土的内摩擦角。 四复合地基沉降计算方法 深厚软土地区建筑工程事故不少是由于沉降过大，特别是不均匀沉降过大引起 的，许多工程采用复合地基处理方法主要是为了减少沉降。复合地基沉降计算在复 合地基设计中占有重要地位。 目前复合地基沉降计算中，通常不考虑垫层的压缩量，将其沉降量分为两部分， 即复合地基加固区压缩量s 和下卧层压缩量s ，总沉降通常表达为： s = s ，+ s ， l j ut tttttttft _ t ，7 i 复合地基加固区 一j。、。，、。_一 一一一云一一 加固区下卧层 图l - 3 复合地基沉降计算示意图 在复合地基沉降计算中，加固区沉降s 的计算方法主要有复合模量法( e c 法) 、 应力修正法( e 法) 和桩身压缩量法( e p 法) 等三种计算方法；而对于下卧层的沉降s ： 则采用分层总和法进行计算，包括压力扩散法、等效实体法和改进的g e d d e s 方法 等l ”1 。 1 加固区压缩i s t 的算法 ( 1 ) 复合模量法( e 法) 复合模量法是将桩间土体和桩体视为整体，在上覆荷载作用下，用复合模量采 用分层总和法来计算复合地基加固区的压缩变形。建筑地基处理技术规范 l o - 一，1 一 河海大学硕士学位论文 ( j g j 7 9 9 1 ) 5 4 1 中计算复合地基中复合模量公式为： e 。= 砸，+ ( 1 一) e 复合地基表面的荷载采用平均荷载强度，其加固区的压缩量可用下式计算： 耻辜挚i - d 式中：z s p ，第f 层复合士体上附加应力增量： h 第i 层复合土体的厚度； 复合模量法要求桩、土整体变形协调一致 1 0 1 ，而刚性桩复合地基中，桩体通常 会向下卧层和褥垫层发生刺入，当垫层上为柔性基础时，采用e 法计算结果会偏于 不安全。 ( 2 ) 应力修正法( e 法) 应力修正法以桩间土作为计算对象，根据桩间土上的荷载，按照桩间土的压缩 模量，采用分层总和法计算加固区的压缩量。桩问土上荷载的计算式为： 儿= + 帕- 1 ) ) = 以p 式中：p 复合地基上平均荷载强度； 订复合地基中桩土应力比； 段应力修正系数，段= 南4 - a j坍i 门一l l 在算出桩间土的荷载后，即可采用分层总和法计算其加固区范围内的压缩量。 ( 3 ) 桩身压缩量法( e 。法) 桩身压缩量法通过计算桩体的压缩量来求得复合地基加固区的沉降。桩身压缩 量可根据作用在复合地基中桩身应力和桩体变形模量来得到，计算加固区沉降时还 需考虑桩端向下卧层的刺入量。桩身应力计算涉及到桩顶荷载和桩侧摩阻力的分 布，复合地基中桩体上荷载的计算式为： 办= + 帕- 1 ) ) = 1 t ，p 第一章绪论 式中：作应力集中系数，心= 南。 桩侧摩阻力的分布相当复杂，一般假设为沿桩身均匀分布。此外还需计算桩端 反力才能得到桩身应力分布，然后沿桩长进行积分得到桩身压缩量。 2 下卧层压缩量& 的算法 计算下卧层压缩量时，主要是求得作用在下卧层顶面上的荷载。目前工程实践 中，才采用以下几种计算方法。 ( 1 ) 压力扩散法 压力扩散计算方法如图1 - 4 所示，若以d 、b 分别表示复合地基表面荷载的长 度和宽度，假设加固区压力扩散角为，则下卧层上的荷载见计算式为： b d p p b 5 = ( b 。+ 。2 。h 。t 。a 。n 。f l 。) 。( 。d ：。+ 。2 。h 。t a n , 8 ) 式中：h 如图所示为复合地基加固区厚度。 p p 下卧层 i _ 一 上。 下卧层 n 上。 图1 4 压力扩散法计算示意图图l - 5 等效实体法计算示意图 ( 2 ) 等效实体法 等效实体法将复合地基加固区视为一整体，等效实体四周作用有侧摩阻力厂， 则下卧层上的荷载p 。计算式为： b d p 一2 ( b + d ) h f 仇2 1 可一 应用等效实体法计算方法的关键是在于合理选用侧摩阻力，当桩、土相对较 小时，厂变化大，很难合理估计，计算误差往往较大【5 3 】。 1 2 河海大学硕士学位论文 ( 3 ) 改进g e d d e s 法 s d g e d d e s ( 1 9 6 6 ) 认为单桩在荷载的作用下可近似作为桩端集中力、桩侧均匀 分布的摩阻力、桩侧随深度线性增长的摩阻力三种形式的组合，并根据弹性理论半 无限体中作用一集中力的m i n d l i n 应力解积分，导出了上述三种荷载在地基产生的 应力计算公式。 黄绍铭等( 1 9 9 1 ) 建议计算复合地基沉降时将桩、土荷载分开来考虑，桩体荷载 引起的竖向应力按上述g e d d e s 法计算，再与桩间土上荷载在地基中产生的竖向应 力叠加，然后用分层总和法计算复合地基加固区下卧层的沉斛5 3 1 。 此外，也有不少学者采用有限单元法计算复合地基的沉降。 第三节p t c 疏桩复合地基概述 一p t c 桩的发展和应用 预应力管桩是一种新型基桩，是由专业厂家采用先张法预应力工艺和离心成 型，蒸汽养护而成，是一种细长空心等截面预制混凝土构件。 预制混凝土桩被广泛应用于各类建筑物和构筑物的基础工程上，如高层建筑、 公共建筑、一般工业与民用建筑、港口、码头、高速公路、桥梁、重型机床、仓库、 护岸等领域。回顾它的发展历史，桩在罗马时期已开始应用，那是木短桩。1 8 9 4 年 h e n n e b i g u e 发明了预制混凝土桩。1 9 0 6 年，出现了采用配螺旋筋的混凝土桩，桩的 形状开始设计并使用三角形、正方形、六角形、八角形。1 9 2 0 年，澳大利亚人 w r h o m e 发明了用离心密实混凝土的成型方法，很快用来制造环形管桩、圆锥形 桩、竹节形桩及各种管子和混凝土电杆。1 9 2 5 年日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( p c 管桩) ，1 9 6 2 年开发了预应力混凝土 管桩( p c 管桩) ，1 9 7 0 年又开发了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j i s a 5 3 3 7 先张法离心高强度混凝土管桩标准1 5 “。我国在1 9 4 4 年 开始生产r c 管桩，2 0 世纪6 0 年代末期铁道部丰台桥梁工厂开始生产先张法预应 力混凝土p c 管桩，当时主要用于铁道桥梁工程的基础建设。1 9 6 9 年开始批量生产， 7 0 年代研制后张法预应力悬滚离心混凝土管桩( 雷蒙特桩) 。8 0 年代以来，我国开始 研制p h c 管桩。1 9 8 4 年，参照英国h s 标准和日本j i s 标准，广东省部分厂家从国 外引进主要生产设备，软件以国内为主开始研制和应用p h c 管桩。1 9 8 7 年上海交 第一章绪论 通部第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， 开始用于码头等水上工程。我国于t 9 9 2 年制定国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 ) ，并于1 9 9 9 年进行了修订( g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 ) 。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应力混凝土管桩 ( 代号p c ) 、预应力高强混凝土管桩( 代号p h c ) 年d 预应力混凝土薄壁管桩( 代号 p t c ) r 5 6 , s 7 l 。 从大量的工程实践来看，与传统的沉管灌注桩，钻孔灌孔桩和现场预制方桩相 比，预应力管桩具有桩身质量稳定可靠、施工工期短、承载力高、造价经济、监理 方便等优点，而且，预应力管桩的规格型号众多，配桩极为方便，因此近年来已越 来越受到工程界技术人员和建设业主的欢迎，在工业与民用建筑和高速公路等建设 领域发展迅猛。 二p t c 疏桩复合地基的布置方式 在高速公路桥头软基处理课题中。p t c 疏桩复合地基处理方式属冈0 性摩擦桩复 合地基，其布置方式与一般复合地基不同，除桩距( 7 5 倍桩径) 较大外，需在桩顶设 置桩帽。由于路基为柔性基础，而p t c 桩单桩承载力较高，桩帽的作用主要体现在 充分利用桩的承载能力，同时减少桩顶对路基的刺入量【5 s 】。p t c 疏桩复合地基属长 桩疏布，桩帽顶铺设褥垫层，带帽桩体与桩帽间土通过褥垫层协调作用共同承担路 堤及行车荷载，如图1 - 6 所示嘲。 中央分隔带 图l _ 6p t c 疏桩复合地基处理示意图 桩帽使得p t c 疏桩复合地基的设计计算更加复杂。本文拟根据p t c 疏桩复合 地基现场静载荷试验成果，借鉴现有复合地基理论的研究成果来分析其作用机理， 1 4 河海大学硕士学位论文 为摩擦型刚性疏桩复台地基的优化设计提供参考。 三复合桩基理论概述 龚晓南( 2 0 0 3 ) 认为将复合桩基视为复合地基的一种，或者将其归属复合地基， 有助于对复合桩基荷载传递的认识，也有助于复合桩基理论的发展 5 3 1 。 在工程实际中，经常会遇到下述情况，较深厚的软土地基上的基础设计如果采 用天然地基上的浅基础方案，地基强度不能满足承载力要求但相差不大，但地基变 形往往无法满足设计要求，这时采用复合桩基通常是一种比较合理的基础方案5 9 1 。 复合桩基作为一种介于天然地基及桩基之间的基础形式，通常是指低桩承台的 疏桩基础，其本质通过桩土承台变形协调共同承担上部荷载。林天健、熊 厚金等f 1 9 9 9 ) 等指出，疏桩基础理论的实质就是在进行软土地基桩基设计时，既要 最大限度地发挥单桩极限承载力的作用，并达到控制沉降的目的，又要充分发挥天 然地基表层承载力的作用，达到疏化桩基的目的【6 0 1 。桩体一般是摩擦桩，其桩端持 力层不十分坚硬，当承台产生一定沉降时，桩能充分发挥并始终保持其全部极限承 载力，即有足够的“韧性”，能有效地减少沉降量，桩的数量按建筑物容许沉降量 要求确定。和常规桩基相比，复合桩基在满足设计要求并确保工程安全的前提下， 能使工程造价最为经济，具有可观的技术经济效益。 复合桩基承载时，当外荷载小于复合桩基中的各单桩极限承载力之和时，可忽 略承台分担作用，外荷载全部由桩承担。这时要控制复合桩基的沉降就应该是外荷 载全部由桩承担的条件下，由桩身的弹性压缩和桩端平面至压缩层下限之间土层的 压缩共同产生的沉降量，即该沉降量的实质就是群桩承担的荷载作用下产生的沉降 量：当外荷载超过复合桩基中各单桩极限承载力之和时，桩与桩周土界面局部范围 内土体发生屈服，这时群桩保持承担荷载不变，而承台承担荷载则随着沉降的增大 而增大“。 本文在分析p t c 疏桩复合地基的试验成果时，还参考了其它有关复合桩基理论 的研究成果【6 2 。7 “。 第一章绪论 第四节本文主要工作 p t c 疏桩复合地基是一种新的地基处理方式，在处理高速公路桥头深厚软土地 基中，现有的复合地基和复合桩基理论不完全适合p t c 疏桩复合地基的设计计算。 本文拟通过现场原型试验研究，对p t c 疏桩复合地基承载特性形成一些基本的认 识，探索合适的沉降计算方法，为p t c 疏桩复合地基的优化设计提供思路。本文的 主要工作包括以下几个方面： 1 通过四组带帽单桩和一组双桩( 带帽) 复合地基的现场静荷载试验，测试加载 过程中桩、土荷载的分担和变形隋况，研究p t c 疏桩复合地基的中桩、桩帽、土体 以及褥垫层的作用以及它们的相互影响。 2 分析试验成果，研究桩、帽、土共同作用下复合地基承载特性和变形规律， 分析桩( 帽) 、土荷载分担比、桩( 帽) 土应力比的变化规律。 3 根据p t c 疏桩复合地基的承载特性，探讨桩、土各自承担荷载的计算方法， 对桩帽的设计方法进行研究。 4 结合试验成果，通过数值分析方法探讨复合地基中附加应力的分布特点， 并提出适合的沉降计算方法和优化设计思路。 1 6 河海大学硕士学位论文 第二章现场足尺试验 第一节工程概况 一试验段简介 苏州绕城高速公路东南段及上海郊区环线高速公路江苏段，简称苏沪高速，是 苏州市城乡公路网规划中“一纵三横、一环五射二联”骨架公路网的重要组成部分。 苏沪商速起自苏州市吴中区郭巷镇尹山附近，接正在建设中的苏州绕城公路西南段 与苏嘉杭高速公路相交设置的尹山枢纽立交，路线总体走向由西向东。苏沪公路路 线全长3 8 0 0 公里，起点至苏州绕城公路东段相交设置的角直枢纽段为六车道，路 基宽3 5 m ，角直枢纽至路线终点为预留八车道，路基宽4 2 5 m 。 苏沪高速软基处理试验段选择在某桥头，段落桩号为k 1 0 + 0 7 4 - - k 1 0 + 1 8 2 ，全长 1 0 8 m ，设计六车道。该段的软土厚度约为2 8 m ，地基处理方式选用p t c 疏桩复合 地基。布桩设计时根据不同路段沉降控制要求不同，其中k 1 0 + 0 7 4 k 1 0 十1 3 7 桥头 设计桩长为2 7 m ，k l o + 1 3 7 k 1 0 + 1 6 8 路