（岩土工程专业论文）复合地基的桩土应力性状试验研究.pdf

摘要 我国社会的飞速发展，综合国力的急剧增加，各个行业大规模的建设就是一个很好的表 现。随着设施建设规模的不断扩大和地基处理技术的迅猛发展，复合地基越来越被人们广 泛的应用，尽管目前复合地基已在理论和实践中均取得了相当的进步，但复合地基的理论 研究还远远不能满足实践的需要，仍有大量的问题期待解决。 复合地基的设计目标是如何达到桩土的承载力最大发挥，使桩土在荷载作用下达到最 合理的协调程度。桩士应力比是表征桩土协调程度的一个参数，桩土应力集中系数表征了 桩体的应力集中程度，桩间- i - i 直力减小系数描述了桩间土的应力减小程度，是复合地基设 计中的重要参数。如何准确的确定这些参数，通过现场的原位试验研究是解决这一问题的 非常重要的方法。 传统复合地基的试验测量方法是利用压力传感器进行测量，存在试验费用和精度等问 题，本文提出了种新的复合地基试验方法，是基于板壳理论的半解析半数值的数学方法 再加上统计学方法，有效的将应变值转换为所需要的地基反力，该方法能够弥补传统方法 的不足，可以较直观的得出在荷载作用下桩和桩问土上的应力分布情况。然后就可以很方 便的在此基础上对复合地基的桩土的应力参数作理论分析了。 本文通过对试验数据的处理和分析，得到了桩和桩间土应力分布的规律；并且在不同 的面积置换率、桩体模量的情况下，桩土应力比、桩体应力集中系数、桩间土应力减小系 数随着荷载的变化的规律；最后分析了复合地基参数与荷载作用下复合地基沉降的关系。 通过现场测试试验得到的复合地基的参数及其规律，为复合地基的设计和应用研究提 供了依据，为分析复合地基的力学性能提供了有力支持。 关键词： 复合地基桩土应力比 桩体应力集中系数桩间土应力减小系数 静载试验应变 a b s t r a c t ni sav e r yg o o ds h o w i n gt h a tt h ei a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o no ne a c hv o c a t i o nw i t ho u r c o u n t r y sr a p i dd e v e l o p m e n ta n dt h en a t i o n a lc o m p r e h e n s i v es t r e n g t hs h a r p l yg r o w i n g c o m p o s i t ef o u n d a t i o na p p l i e dw i d e s p r e a dm o r ea n dm o r ea st h ef a c i l i t yc o n s t r u c t i o ns c a l e u n c e a s i n ge x p a n s i o na n df o u n d a t i o nm a n a g e m e n tt e c h n o l o g ys w i f ta n dv i o l e n td e v e l o p m e n t a l t h o u g ha tp r e s e n tt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na l r e a d yh a sm a d et h es u i t a b l ep r o g r e s si nt h e t h e o r ya n dt h ep r a c t i c e t h e r es t i l lh a v eam a s so fq u e s t i o i l sn e e dt os o l v eb e c a u s et h en e e d so f p r a c t i c ei s n ts a t i s f i e dw i t ht h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nr e s e a r c h t h eg o a lo ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nd e s i g n i n gi sh o wt ob r i n gt h ep i l e s o i l sb e a r i n gi n t o p l a ya n dg e t st h em o s tr e a s o n a b l ec o r r e s p o n d i n gd e g r e eo ft h ep i l e s o i lu n d e rt h el o a d f u n c t i o n n e s ea r ei m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nd e s i g n , t h ep i l e - s o i lr a t i o i sap a r a m e t e rt h a ts h o w st h ed e g r e eo fp i l e - s o i l sc o r r e s p o n d i n g a n dt h ec o e 伍c i e n to fs t r e s s c o n c e n t r a t i o no fp i l eb o d ys h o w st h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nd e g r e eo ft h ep i l eb o d y , a n dt h e c o e f f i c i e n to f s t r e s sr e d u c t i o no f t h es o i lb e t w e e np i l e sd e s c r i b e st h es t r e s sd e c r e a s ed e g r e eo f t h es o i lb e t w e e np r i e s h o wt od e t e r m i n et h e s ep a r a m e t e r s a c c u r a t e l y , t h ep o s i t i o n e x p e r i m e n t a ls t u d yi sam e t h o dt os o l v et h eq u e s t i o n t h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n ts u r v e y i n gm e a n so nc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw a sm a k i n gu s eo f t h ep r e s s u r et r a n s d u c e r , b u tt h e r ew e r em a n yq u e s t i o i l si ni t , f o re x a m p l et h ee x p e r i m e n t e x p e n s ea n dp r e c i s i o na n ds oo n t k sa r t i c l ep r o p o s e san e wt e s t i n gm e t h o do nc o m p o s i t e f o u n d a t i o n , i ti sak i n do f h a l f a n a l y s i sa n dn u m e r i c a lv a l u em a t h e m a t i c sa n ds t a t i s t i e sm e t h o d w h i c hb a s e so nt h eb o a r ds h e l lt h e o r y t l l i sm e t h o dc a nt r a n s f c i r i l lt h es t r a i ni n t ot h e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nr e a c t i o na n dm a k eu pt h ei n s u f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，a n d m a yo b t a i nt h ed i r e c t - v i e w i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o ns i t u a t i o no nt h ep i l ea n dt h es o i la m o n gt h e p i l e s t h e nw ec a l ls t u d yt h es t r e s sp a r a m e t e r so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o np i l e - s o i lc o n v e n i e n t r e c l l ft ot h a tr e s u l t t h r o u g ht od i s p o s ea n da n a l y s i st h et e n t a t i v ed a t a , t h i sp a p e ro b t a i nt h er u l eo fs t r e s s d i s t r i b u t i o no nt h ep i l e sa n dt h es o i lb e t w e e np i l e s ；a n dt h ep i l e s o i lr a t i o ，t h ec o e f f i c i e n to f s t r e s sc o n c e n t r a t i o no fp i l eb o d y , t h ec o e m c l e n to fs t r e s sr e d u c t i o no ft h es o i lb e t w e e np i l e s m u t a t i v el a ww i t ht h el o a d i n gv a r i a t i o ni nt h es i t u a t i o no f d i f f e r e n ta r e ar e p l a c e m e n tr a t i oa n d t h ep i l eb o c l vm o d u l e ；f i n a l l ya n a l y s i st h er e l a t i o n sb e “懒t h ep a r a m e t e r so fc o m p o s i t e f o u n d a t i o na n dt h es 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 nu n d e rt h el o a df u n c t i o n n 圮p a r a m e t e r sa n dr u l eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o no b t a i n e db yt h ep o s i t i o ne x p e r i m e n t a ls t u d y p r o v i d et h eb a s i sf o rt h ec o m p o u n dg r o u n dd e s i g na n dt h ea p p l i e dr e s e a e l a , p r o v i d et h ep o w e r f u l s u p p o r tf o rt h ea n a l y s i so nc o m p o s i t ef o u n d a t i o nm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；p i l e - s o i lr a t i o ；c o e f f i c i e n to fs t r e s sc o n c e n t r a t i o no f p i l e b o d y ；c o e f f i c i e n to f s t r e s sr e d u c t i o no f t h es o i lb e t w e e np i l e s ；l o a d i n gt e s t ；s t r a i n 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 不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河南工业大 学或其他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。 论文作者签名：邀毯日期：竺盟：i ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、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；本人授权河 南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑亟盛 日期： 导师签名；盔篁吼导师签名； 暨 日期： 3 一一7 r 。了d 有关知识产权的保证 本人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，本人在校期间的研究成果及发表的论文，知识产权归河南工业大 学所有。本人毕业后发表的，以本人在校期间研究成果的基础上完成的论 文、研究报告及其它科研成果，将署名河南工业大学为作者单位。 论文作者签名：蚕豳坠盛 导师签名：- = 鞋 日期：竺塑：土i 皇 日期： c l 刀、7 j ；o 复合地基的桩土应力性状试验研究 1 1 复合地基概述 第一章绪论 随着经济及社会的发展，城市中高层建筑越来越多。这对基础的埋深要求也越来越高， 但场地地质条件千差万别，为保证地基的承载力和变形要求，须要采用桩基础或采取地基 处理措施。特别是高等级公路的迅速发展，车辆的高速行驶，对路基路面的平整度、结构 物与路基的相对沉降有了更严格的要求。为提高软基础性能，减小建筑物的沉降量，这也 要求在工程设计和施工中采用桩基础或采取地基处理措施解决这个问题。与传统的地基处 理形式：预制桩、灌注桩等形式相比，复合地基的优点【l j 显而易见。复合地基的本质是考虑 桩土共同作用，这无疑较之仅仅认为荷载由桩体来承担的桩基更为经济与合理，目前复合 地基技术在房屋建筑、公路、铁路、堆场、机场、堤坝等土木工程建设中得到广泛运用。 1 1 1 复合地基的发展史 地基处理技术是伴随着人类文明的起源而兴起的。从浙江余姚河姆渡出土的文物看， 早在7 0 0 0 多年前，人类先祖就懂得采用各种木桩加固沼泽地基上的栏杆式建筑；甘肃东部 大地湾遗址考古挖掘，史前人类早在五六千年前的仰韶文化时期就己在“房基”中采用夯 实黄土地基；西安半坡村古代文明遗址上也发现了人类对建筑物地基进行夯实处理的遗迹。 大量的考古发现表明，人类在2 0 0 0 年前，就懂得烧制石灰，并将之与土混合作为建筑物垫 层材料应用于地基和路基处理中。古埃及曾用石灰、石膏和砂子来加固大金字塔的地基和 尼罗河河堤；古印度也用石灰和黏土来建造挡水坝；古罗马帝国纳波里城的居民曾用当地 大量堆积的火山灰掺入不同比例的生石灰制成一种称为罗马水泥的固化剂，用来进行建筑 和处理地基。我国祖先也早就掌握了石灰稳定土技术，春秋战国以前就用石灰、黏土和砂 子拌和成三合土修筑驿道 2 1 。 现代地基处理技术起源于欧洲。1 8 3 5 年，法国工程师设计了最早的砂石桩，设计桩长 2 m ，直径2 0 c m ，每根桩的承载力为1 0 k n 。该桩应用于海湾沉积软土上建造兵工厂的地基 工程中。由于1 9 世纪科学技术水平的限制，地基处理技术在当时发展比较缓慢。直到2 0 世纪3 0 年代，地基处理技术才得到较快发展。特别是第二次世界大战以后，由于科学的进 步和大规模基础建设的兴起，地基处理技术才得到广泛重视，并得到迅猛发展。 砂石桩技术1 3 】在第二次世界大战以后在前苏联得到了广泛应用，并在施工工艺、计算方 法理论以及施工机械等方面均取得了较大成就，研究提出了振动和锤击等施工方法，以及 土桩和挤密桩等型桩型，并提出了相应的设计理论。日本于1 9 5 8 年提出了振动重复拔管的 河南工业大学硕士学位论文 砂石桩新型施工方法，该方法实行使砂石桩的应用水平提高到一个新的水平【4 】。 1 9 3 4 年，苏联阿别列夫教授首创了土桩挤密法只对湿陷性黄土进行深层处理，取得 了极大的成功。1 9 3 6 年，德国工程师s s t e u e r m a n 提出振冲法的原理。1 9 3 7 年，s s t e a e r m a a 供职的j o h a n nk e l l e r 公司研制了第一台具有现代振冲器形式的雏形振冲器，用于处理柏林 一幢建筑物的7 5 m 深的松砂地基，使地基的承载力提高了l 倍。1 9 5 7 年，振冲器引入英国， 英国工程师将j o h a n nk e l l e r 公司的电动振冲器改为水力驱动，将振冲器的作用进一步扩大。 日本于2 0 世纪5 0 年代用振冲器加固油罐的松砂地基来提高地基的抗液化能力，加固效果 得到地震的实际考验。 2 0 世纪6 0 年代，法国m e n a r d 技术公司首创了强夯法【6 】处理地基( 也称动力固结法， d y l ：1 a l m i gc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ) 。2 0 世纪7 0 年代，日本最早将高压喷射技术用于地基加固 和防水帷幕，即c c p 工法，也就是我们现在所说的高压喷射法( j e t g r o u f i n g ) ，也称为旋喷 法。第二次世界大战以后的美国发明了深层搅拌法地基处理技术，当时称为m i p 法。2 0 世 纪7 0 年代，m i p 在日本得到了进一步的完善和推广【刀。 我国的现代地基处理技术自2 0 世纪5 0 年代从苏联引进土桩挤密技术开始，经历了5 0 6 0 年代和8 0 年代以后两个繁荣发展的时期。特别是近年来，我国地基处理技术发展非常迅 速，许多技术、设备和工艺处于国际领先地位。 1 9 5 9 年，我国引进苏联砂石桩地基处理技术嘲，首次在上海重型机器厂采用沉管挤密 砂桩法进行地基处理，1 9 7 8 年又在宝山钢铁厂采用振动重复压拔管砂桩施工法处理原料堆 场地基。近2 0 年来，砂石桩地基处理技术在工业建筑、油罐、堤防、码头、原料堆场、路 堤等领域里得到广泛应用。 2 0 世纪6 0 年代中期，我国对土桩挤密法进行了大量的试验研究 9 1 ，为解决西安地区的 杂填土地基的深层处理问题发明了灰土桩挤密法，并用它进行湿陷性黄土地基的处理。大 量的工程实践表明，该法对消除黄土的湿陷性效果显著。目前，土桩挤密法和灰土桩挤密 法已经在广大的黄土地区得到了广泛的应用，成为湿陷性黄土地区地基处理的主流方法， 取得了很好的效果。 1 9 7 7 年，我国开始应用振冲法加固地基1 1 0 1 ，水利部南京水利科学研究所和交通部水运 规划设计研究院共同研制出我国第一台1 3 k w 的振动水冲器，1 9 7 7 年9 月首先应用于南京 船厂船体车间软黏土地基加固，加固深度达到1 3 1 8 m 。近年来，电力部北京勘测设计院 研制了7 5 k w 的大功率振冲器，应用于四川省铜街子水电站工地穿过厚8 m 的漂卵石夹砂层 对下面的细砂进行振密处理。近年来，振冲法在我国工业与民用建筑、水利水电、交通以 及尾坝场、灰场等领域得到广泛应用【l “。 冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计研究院于1 9 7 7 年1 0 月进行深层搅拌法的试 复合地基的桩土应力性状试验研究 验和设备研制工作，并于1 9 8 0 年在上海宝钢三座卷管设备基础软土地基加固工程中获得成 功啕。 其余地基处理技术和地基处理设备均是在2 0 世纪7 0 年代末期开始在我国应用的，这 里不一一介绍。 随着地基处理技术的发展和地基处理工程的大量开展，地基分析计算理论也得到很大 提高。复合地基理论就是在地基处理技术长足发展的形式下诞生的，其最早见于2 0 世纪6 0 年代，由日本学者提出，用于解决砂井地基的承载能力问题。由于复合地基理论非常符合 处理后的地基承载的实际，而在以后得到了广泛的推广应用。复合地基理论的诞生又极大 地促进了地基处理技术的进步【1 3 1 。在复合地基理论提出以前，只有天然地基、多层地基和 桩基三种地基形式，在地基设计中要么原土地基承担上部荷载，要么桩体承担上部荷载。 复合地基理论第一次提出桩土共同承担上部荷载，非常符合处理后的地基承载的实际情况。 大部分经过处理后的人工地基可以用复合地基理论来研究。复合地基理论是解决人工处理 后地基承载能力问题的有效手段，是进行地基处理设计的依据。 1 1 2 复合地基的定义和分类 1 1 2 1 复合地基的定义 复合地基( c o m p o m t es u b g r a d e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 的概念是日本学者在2 0 世纪6 0 年代初提出的。当时是指一种计算砂井地基的数学模型，随着地基处理技术的发展，复合 地基的概念得到了很大的扩展。现在，复合地基一般指天然地基的一部分，或全部被人工 置换或者加强，加强体与原有地基共同承担外部荷载的人工地基。复合地基较全面和准确 的定义为：在地基处理过程中，部分土体得到增强或被置换，或在地基中设置加筋材料， 加固区是由基体和增强体两个部分组成的人工地基；在荷载作用下，基体与增强体共同承 担荷载的作用。因此，复合地基既不同于天然地基，也不同于桩基。绝大多数的地基处理 方法形成的人工地基都属于复合地基i “。 1 1 2 2 复合地基的分类 复合地基可以根据其增强体的不同特点进行分类【1 5 】如下： l 、按增强体材料：分为散体材料( 砂石、矿渣、渣土等) 、石灰土、水泥土、混凝土 及土工合成材料等； 2 、按增强体黏结性：分为无黏结性( 散巾肺拌 ) 和黏结性两大类，其中黏结性的又可 根据黏结性的大小分为：低黏结强度( 石灰、灰土等) 、中等黏结强度( 水泥土) 、高等 黏结强度( 混凝土、c f g 桩等) ； 3 、按增强体相对刚度：分为柔性( 如石灰、灰土) 、半刚性( 水泥土) 、刚性( 混凝 河南工业大学硕士学位论文 土、c f g 桩等) ； 4 、按增强体方向：分为竖向、斜向和水平向( 如加筋土复合地基) 三种； 5 、按增强体形式：分为单一型( 桩身材料、断面尺寸、长度相等) 、复合型( 如混凝 土芯水泥土组合桩复合地基) 、多型桩( 如碎石一一c f g 桩复合地基等) 、长短桩结合型。 上述分类方法汇总表嗍见表i = i 。 表i - i 按照复合地基增强体工程特性进行的分类 黏结性刚度材料类型分类名称桩体材料 振冲碎石桩 干振碎石桩 碎石桩沉管碎石桩碎石 散体材料 强夯置换碎石桩 五黏结性袋装碎石桩 类 砂桩中、粗砂 矿渣桩钢渣 柱锤冲扩桩碎砖三合土、矿渣等 土桩 黏性土 灰土桩( 灰土井柱) 消石灰：土 低黏结 柔性 石灰、灰 双灰桩 粉煤灰、消石灰、土 生石灰粉喷桩 生石灰粉 性土类 石灰浆搅拌桩石灰浆 石灰桩生石灰、掺和料 水泥土干法( 粉喷桩)水泥土、原土 搅拌桩湿法( 深层搅拌桩)水泥浆、原土 黏中等黏半刚 水泥土类 混凝土芯水泥土组合桩 水泥土、钢筋砼芯 结结性 性 性 夯实水泥土桩干硬水泥土 旋喷桩( 高压喷射注浆)水泥浆、原土 水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩)水泥、粉煤灰、碎石 低强度混凝土桩水泥、砂、碎石 高黏结 刚性混凝土类 二灰( 石灰、粉煤灰) 混凝土桩 石灰、粉煤灰、碎石 性 柱锤冲扩水泥砂石桩干硬性水泥砂石料 微型静压钢筋混凝土桩预制钢筋混凝土桩 碎石压力灌浆桩水泥、砂、石 对于增强体刚度及黏结性大小的划分，目前工程上尚无统一的定量标准，上述定性划 分原则仅供参考。如水泥土桩，桩身刚度及黏结性会因桩身水泥土强度不同而有较大变化， 当水泥掺入量较低时，可能属于低黏结强度，而对于高强度的水泥土，力学特性又会接近 于低标号混凝土，也有文献将散体材料桩并入柔性桩进行分析。 复合地基的桩土应力性状试验研究 1 1 2 3 褥垫层 桩和桩间土协调变形，桩间土始终处于受力状态，桩和桩间土共同承担荷载是形成复 合地基的必要条件，为使桩和桩间土始终共同发挥作用，保持桩和桩间土协调变形是关键， 因而基础和上部建筑之间需有一个调节结构一一褥垫层。 散体材料桩由于受荷后产生膨胀变形，可保证桩和桩间土共同受力；对于刚性桩及半 刚性桩，应设置褥垫层，以保证桩、土共同作用【1 6 1 。 1 、刚性基础下复合地基褥垫层的作用 ( 1 ) 具有应力扩散作用，减少基础底面的应力集中； ( 2 ) 调整桩、土垂直荷载和水平荷载的分担：如c f g 桩，褥垫层越厚，桩承担的垂 直和水平荷载占总荷载的百分比越小； ( 3 ) 排水固结作用：砂石垫层具有较好的透水性，可以起到水平排水的作用，有利于 旌工后土层加快固结，土的抗剪强度增长； ( 4 ) 保证桩问土受力：对于刚性桩和半刚性桩，桩体变形模量远大于土的变形模量， 设置褥垫层可以通过流动补偿和桩的上刺入来调整基底压力分布，使荷载通过垫层传到桩 和桩间土上，保证桩间土承载力的发挥； ( 5 ) 整平增密：对于散体材料桩，桩顶往往密实度较差，设置褥垫层可起到整平增密、 改善桩顶受力状况及施工条件。 2 、设置要求 为了充分发挥褥垫层的上述作用，工程中要保证合理的褥垫层厚度，厚度太小，桩间 土承载力不能充分发挥，桩对基础将产生显著的应力集中，导致基础加厚，造成经济上的 浪费；厚度太大，会导致桩土应力比减小，桩承担荷载减小，增强体的作用不明显，复合 地基承载力提高不明显，建筑物变形也大，所以要确定合理的、最佳的褥垫层厚度，根据 工程经验，常用褥垫层厚度为2 0 0 3 0 0 m m ，垫层材料以砂石料为主，应夯压密实。 1 1 3 复合地基的加固机理和破坏模式 1 1 3 1 复合地基的加固机理 复合地基中桩间土的性状不同，桩体材料不同，成桩工艺不同，复合地基的加固机理 ( 效应) 也不相同，了解复合地基的加固机理，对认识复合地基，选择合理的处理方法和 施工工艺都是很重要的。综合各种桩型的复合地基的加固机理，主要有以下7 个方面1 7 1 ： l 、置换作用( 桩体效应) 复合地基中桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，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传递并相应减少了桩间土承担的荷载。这样，由于 河南工业大学硕士学位论文 桩的作用使复合地基承载力提高、变形减小，工程中称之为置换作用或桩体效应。 工程实践表明，复合地基置换作用的大小，主要取决于桩体材料的组成。散体桩置换 作用最小，高黏结强度桩置换作用最大。散体桩，增加桩的长度，对复合地基置换作用影 响不大；一般黏结强度桩，特别是高黏结强度桩，加大桩长可使复合地基置换作用明显提 高。 2 、垫层作用 桩与桩间土复合形成的复合地基，在加固深度范围内形成复合层，它可起到类似垫层 的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用，在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中， 垫层的作用尤其明显。 3 、挤密、振密作用 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。如振动沉管挤密碎石桩、振冲碎石桩、振动 沉管c f g 桩、柱锤冲扩桩等，都对上述类型的土具有挤密、振密效果。处在地下水位以上 的湿陷性黄土、素填土等地基采用灰土或土挤密桩法加固时其成孔过程中对桩问土的横向 挤密作用是非常显著的。 此外，如石灰桩，即使采用了排土成桩工艺，由于石灰吸水膨胀，也会使桩间土局部 产生挤密作用。桩间土挤密、振密是使复合地基承载力提高的一个组成部分。 需要指出的是，对饱和软黏土、硬的黏性土、粉土、密实砂土，振动成桩工艺不仅不 能使桩间土挤密、振密，反而使土体结构强度丧失，孔隙比增大、密实度减小、承载力降 低。 4 、排水作用 复合地基中的桩体，很多具有良好的透水性。例如碎石桩、砂桩是良好的排水通道； 由生石灰和粉煤灰组成的石灰桩，也具有良好的透水性，其渗透系数相当于粉细砂的量级； 振动沉管c f g 桩在桩体初凝以前也具有相当大的渗透性。可使振动产生的超孔隙水压力通 过桩体得以迅速消散。 桩体的排水作用，有利于孔隙水压力消散、有效应力增长、桩间土强度和复合地基承 载力提高。 5 、减载作用 对排土成桩工艺，用轻质材料取代原土成桩，在加固土层范围内，复合土层的有效重 度将比原土有明显的降低。这就是复合地基的减载作用。 例如，石灰桩复合地基，生石灰干密度为o 8 9 c m 3 左右、粉煤灰干密度为0 6 o 8 9 c m 3 ，饱和重度一般为1 4 七研3 左右，比天然土体重度小3 0 左右。当置换率为 复合地基的桩土应力性状试验研究 2 5 时，l m 厚的复合土体自重将减少1 5 k p a 。若按桩长5 m 计，桩端部自重压力将减少 7 5 k p a 。显然这种减载作用对减小建筑物的沉降是有益的。 6 、桩对土的约束作用 在群桩复合地基中，桩对桩间土具有阻i t 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，从而使垂直变形加大；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。 7 、物理化学反应 石灰桩、水泥土桩和灰土桩中的生石灰、水泥粉具有吸水、发热、膨胀作用，除对桩 间土产生挤密效果外，还可以减小桩间土的含水量，渗入土孔隙中的水泥、石灰还与土发 生化学反应，从而改善桩间土性状，提高桩间土的强度。 表1 - 2 列出了建筑地基处理技术规范j o j 7 9 - 2 0 0 2 中不同桩型复合地基的加固机理。 需要指出的是，不同工程地质条件下，不同型式的复合地基具有不同的加固机理，应具体 问题具体分析【1 9 1 。 表1 2 不同桩型复合地基加固机理 加固机理 桩型 置换作挤密振排水减载约束物理化垫层 用 密作用作用作用作用学反应作用 振冲桩ooooo 砂石桩ooooo 长螺旋钻孔oo c f g 桩 振动沉管ooo 夯实水泥土桩oooo 水泥土搅拌桩ooo 旋喷桩ooo 石灰桩ooooooo 土挤密桩oooo 灰土挤密桩ooooo 柱锤冲扩桩0ooooo 1 1 3 2 复合地基的破坏模式 竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基破坏模式是不同的，下面简介竖向增强 体复合地基的破坏模式刚。 对竖向增强体复合地基，在刚性基础下和柔性基础下的破坏模式也有区别。 竖向增强体复合地基的破坏模式首先可以分成下述两种情况：一种是桩间土首先破坏 河南工业大学硕士学位论文 进而发生复合地基全面破坏，另一种是桩体首先破坏进而发生复合地基全面破坏。在实际 工程中，桩间土和桩体同时达到破坏是很难遇到的。大多数情况下，桩体复合地基都是桩 体先破坏，继而引起复合地基全面破坏。 竖向增强体复合地基中桩体破坏的模式可以分成下述四种型式：刺入破坏、膨胀破坏、 桩体剪切破坏和滑动剪切破坏。如图i 1 所示。 l rb，上，r 毒上 耄 lh，上，r 0 义 图卜1 竖向增强体复合地基破坏模式 ( 8 ) 刺入破坏；( b ) 膨胀破坏；( c ) 桩体剪切破坏；( d ) 滑动剪切破坏 l 、刺入破坏 桩体发生刺入破坏如图1 1 a 所示。桩体刚度较大，地基土承载力较低的情况下较易发 生桩体刺入破坏。桩体发生刺入破坏，承担荷载大幅度降低，进而引起复合地基桩间土破 坏，造成复合地基全面破坏。刚性桩复合地基较易发生刺入破坏模式。特别是柔性基础下 ( 填土路堤下) 刚性桩复合地基更容易发生刺入破坏模式。若处在刚性基础下，则可能产 生较大沉降，造成复合地基失效。 2 、膨胀破坏 桩体膨胀破坏模式如图1 1 b 所示。在荷载作用下，桩周土不能提供桩体足够的围压， 使桩体发生过大的侧向变形，产生桩体鼓胀破坏。桩体发生鼓胀破坏造成复合地基全面破 坏，散体材料桩复合地基较易发生鼓胀破坏模式。在刚性基础下和柔性基础下散体材料桩 复合地基均可能发生桩体鼓胀破坏。 3 、桩体剪切破坏 桩体剪切破坏模式如图1 1 c 所示。在荷载作用下，复合地基中桩体发生剪切破坏，进 而引起复合地基全面破坏。低强度的半刚性桩及柔性桩较容易产生桩体剪切破坏。刚性基 础下和柔性基础下低强度的半刚性桩及柔性桩复合地基均可产生桩体剪切破坏。相比较柔 性基础下发生可能性更大。 4 、滑动剪切破坏 复合地基的桩土应力性状试验研究 滑动剪切破坏模式如图1 1 d 所示。在荷载作用下，复合地基沿某滑动面产生滑动破 坏。在滑动面上，桩体和桩间土均发生剪切破坏。各种复合地基均可能发生滑动破坏模式， 柔性基础下的比刚性基础下的发生可能性更大。 复合地基破坏模式与桩体材料、刚度、桩间土性质及基础型式、加载方式等因素有关， 应进行综合分析判断。刚性基础下复合地基失效主要不是地基失稳而是沉降过大或不均匀 沉降造成的。路堤或堆场下复合地基失效首先要重视地基稳定性问题，然后是变形问题。 1 2 复合地基承载力的国内外研究现状 为了解决复合地基承载能力问题，国内外学者曾经进行了大量的研究。研究的方法包 括原型试桩观测、模型模拟试验及数值模拟计算。 ( 1 ) 解析估算公式 对散体桩复合地基的承载力估算或用假定桩体挤扩破坏按极限平衡理论计算的方法， 或这用圆孔扩张理论估算的方法。但主要思路是分别确定桩间土和桩体本身的极限承载力， 再根据一定的原则叠加这两个部分承载力得到复合地基的极限承载力，复合地基的承载力 p ，普遍表达式为： p 矿= 砚p + 兄( 1 一班) p 矿 ( 1 l a ) p 矿= b 埘+ 旯( 1 一m 彤矿 ( 1 1 b ) 式中：竹一一复合地基的极限承载力； p 一一一桩体极限承载力； p o 一一桩间土极限承载力； m 一一面积置换率( 即桩面积和总面积之比) ； 五一一桩破坏时桩间土极限承载力发挥系数； n 一一桩土应力比( 也就是桩体极限承载力与桩间土承载力的比) 。 也有人引入桩土应力比的概念，将桩体承载力折算成桩间土的承载力，复合地基极限 承载力的计算公式原理与式( 1 1 a ) 相同，只是变了个表达的形式，其形式如式( 1 - l b ) 所示。这时要计算复合地基的极限承载力，先应该通过理论或是经验的方法确定出复合地 基破坏时的桩士应力比，并计算或试验得到桩间土的极限承载力值即可以得到复合地基的 极限承载力。 桩间土的极限承载力由浅基础地基承载力计算公式得到，或者由现场荷载试验得到， 各种方法的不同点在于求解桩体承载力的方法的不同。 河南工业大学硕士学位论文 式( 1 - l a ) 和式( 1 1 b ) 实际上是承台板( 或基础) 上的应力平衡的简单方程，它假定 桩体先破坏，这时桩间土的承载力也得到一定程度的发挥，并且假设符合地基的沉降值满 足设计要求，同时式( 1 1 ) 各式只适用于求解刚性基础下复合地基的极限承载力计算。由 于桩土应力比n 值是随受荷载水平、桩体材料特性等许多因素而变化的，所以应用上述公 式的关键问题是n 值的合理确定，而桩间土承载力发挥系数值确定也较为困难。 散体桩复合地基极限承载力计算公式见诸文献的方法有b m u n s 法、v c s i c 圆孔扩张理论 法伫”、t h o r b u r n 法阱】、h u g h e s - - w i t h e r s 法田】以及能量法等不下十几种刚。地基处理技 术规范( j g j 2 0 0 2 ，j 2 2 0 - 2 0 0 2 ) 中仍采用式( 1 1 ) ，只是要求单桩极限承载力和桩间土 的极限承载力必须通过荷载试验来确定，再加上一些可靠度方面的改进。在这些方法中 b r a u n s 法 2 5 1 是一直被推荐的方法，以后的学者对它做过许多改进。这种方法的实质是极限 平衡理论，认为桩体破坏主要由于桩顶附近鼓胀引起的，滑动面为漏斗形。v e s i c 的方法是 由弹性体圆孔扩张理论求得桩体鼓胀的极限承载力；能量法则是认为桩体在受荷时由“桩 体效应”向“垫层效应”转化的趋势，这种能量的转化是桩承载力提高的源泉，从而由能 量观点推出承载力的估算公式。 对于柔体桩复合地基和刚体桩复合地基，其承载力一般是先借用桩基的计算公式估算 单桩承载能力，由试桩或经验选取桩土应力比，然后按前述式( 1 1 ) 确定复合地基的承载 力 2 6 1 。此外，有复合地基承载力计算的双层地基法叨。此方法将桩和桩间土加固层作为一 层地基，其下卧层作为一层地基，有桩层的特性用复合模量来反映的方法在实际应用中有 一定意义。在考虑承台与桩、土共同作用方面，冯国栋网分析了桩、土、台共同作用的特 性，指出对带刚性承台的群桩，桩、台、土相互作用主要有“遮拦”、“加强”、“削弱” 和“分担”四个方面。所谓“遮拦”就是群桩、承台的存在使土不易侧向挤出；“加强” 是指承台的存在使桩问士应力增大从而增加了桩体摩阻力；“削弱”是指承台的存在限制 了桩体上部摩阻力的发挥；“分担”是指桩、土共同分担荷载。这四个方面包括了共同作 用的实质。 ( 2 ) 数值计算方面 由上述可以看出，由于复合地基承载特性的复杂性，解析的方法不可能完全反映实际 情况，所以许多学者致力于用数值计算方法来研究复合地基问题。1 9 7 9 年b a l 锄嘲把土、 桩看成弹塑性体，用有限元对复合地基中的单桩的承载特性进行了研究，得出桩体内凝聚 力对复合地基中桩承载力显著影响的结论。b a l a a m 在后来的几篇文章中【3 0 】，用有限元对用 碎石桩加固的大面积复合地基受垂直荷载作用下的承载特性进行了分析，并用b i o t 固结理 论口1 】进行了复合地基固结沉降的研究。分析得出：桩土模量比廓b 对刚性基础的沉降影 响很大，b b 越大，沉降越小，沉降的速率越大。对于柔性基础，研b 对沉降速率影 复合地基的桩土应力性状试验研究 响很少。1 9 8 5 年m n c h c u 圈也对复合地基进行了非线性分析。郭尉东刚对饱和黄土地基碎 石桩的承载特性进行了有限元分析( 线性、非线性) ，认为由实测小压板资料推求地基特 性参数，然后用有限元对复合地基进行线性分析可以有效地解决复合地基承载力的问题。 陆贻杰鲫和周国钧嗍用三维非线性有限元法分析了水泥搅拌桩复合地基的承载特性，并将 之与模型试验的结果进行了比较。计算表明，用有限元法可以很好地模拟搅拌桩复合地基 的工作性状，但在文中的程序中无接触单元，故无法模拟桩土滑移。国内还有王成华等p q 和 刘一林等【3 7 】也对复合地基进行过有限元分析。 韩杰采【3 8 】用平面有限元对碎石桩复合地基应用b i o t 固结理论来计算和分析碎石桩复合 地基的固结计算。吴永红网应用非线性弹塑性有限元方法，对碎石桩复合地基的受力和变 形机理进行了比较深入的研究。 谢定义【加】采用有限元一无界元三维非线性分析程序对桩式复合地基进行分析，该方法 可以适用于各类复合地基。李宁【4 l 】通过数值试验方法对各类复合地基进行了全面的数值仿 真，得到了各类复合地基在不同情况下的承载机理。杨涛 4 2 1 建议采用复合本构有限元法计 算复合地基沉降与承载力，通过复合桩土样的三轴试验得到桩土复合试样的本构关系，并 探讨了本构关系的参数，以复合本构为基础对复合地基进行有限元分析。这又是复合地基 分析的另一条路子。 y a m a m o t o 4 3 1 也采用有限元法对复合地基进行数值分析，得到采用刚塑性有限元分析结 果与模型试验结果相当一致的结论。徐洋嗍采用非线性平面应变一三维渗流有限元法对二 灰土桩复合地基进行了固结分析，得到复合地基固结特性与砂井地基固结有较大区别的结 论。 以上学者的分析说明，数值计算是分析复合地基承载能力的一种非常有效的方法，它 可以考虑解析计算中许多无法考虑的情况，从而得出其他无法求出的规律。通过数值计算， 可以确定复合地基的应力、变形场，可以确定桩、土之间的相互作用，从而可以从本质上 反映出复合地基的承载机理。 对于复合地基的承载力特性来说，就是为了最大程度的发挥桩体和和桩间土的共同承 载能力，使之达到最和协的状态，来满足承载力的要求，是研究复合地基的关键。表征桩 体和桩间土协调状态的参数很多，其中桩土应力比、桩体应力集中系数、桩间土应力减小 系数是比较有代表性的嗍，也是本文研究的主要内容。桩体应力集中系数、桩间土应力减 小系数可通过桩土应力比分析计算得到。下面只对桩土应力比目前国内外的研究情况作一 简要介绍。 河南工业大学硕士学位论文 1 3 复合地基桩土应力比国内外研究现状 复合地基的桩土应力比是指复合地基加固区上表面上桩体竖向应力和桩间土竖向应力 之比，通常用n 表示。 目前，对复合地基桩土应力比的研究主要有三种方法：试验法、数值法和解析法。 1 3 1 试验法 试验法是通过在桩、土顶部埋设压力盒，借助静载荷试验直接测试桩、土应力，利用 其定义求桩土应力比嘲，进行研究分析，即： 厅：生( 1 2 ) o i 式中：盯，一一桩体应力； 。一一桩问土应力。 卞守中( 1 9 9 0 ) 1 4 7 j 、段继伟( z 9 9 3 ) 【删通过现场试验观测得到的粉喷桩桩周土体的交 形特点及土压力分配规律，并结合桩土模量比廓e 与桩土应力比n 的关系，将b a u m a n n 公式作了适当的修改，得到搅拌桩复合地基桩土应力比公式为： 胛= 压刀i d n 阮，o 盱4 ( 1 - 3 ) 计算公式综合反应了桩土应力比的影响因素。式中口为综合经验参数与土质、荷载水 平等因素有关，由反算法得到口为1 5 0 3 0 之间。 e ，一一桩体材料的压缩模量； e 一一桩间土体的压缩模量； ，0 一一桩体半径； 风一复合地基中每根碎石桩分担的加