（道路与铁道工程专业论文）柔性基础下复合地基变形特性研究.pdf

摘要 复合地基技术在公路建设领域得到广泛应用，积累了丰富的工程经验，但其理论研 究则相对滞后，特别是在像路堤这种荷载下的复合地基，与带有刚性承台的复合地基相 比，其工作机理、应力分布和变形特点都存在显著差异。目前，国内外对柔性基础下复 合地基的研究主要在承载力和沉降两个方面，由于该种复合地基的工作机理比较复杂， 其沉降变形方面的机理和规律仍有许多领域有待于做进一步的研究，而对其侧向变形规 律方面的研究更不完善。因此，本文研究的主要内容是柔性基础下水泥粉喷桩复合地基 的沉降和侧向变形规律。 本文将复合地基的总沉降分为加固区压缩量、下卧层压缩量和桩体两端分别向上下 刺入量四个部分。对加固区压缩量，从建立适合于柔性基础下水泥搅拌桩复合地基的位 移模式入手，认为桩体两端存在上下刺入路堤填土( 或垫层) 和下卧层现象、考虑桩体 两端部分范围内桩体与桩周土体之间产生相对滑移，采用m o h r - c o u l o m b 屈服准则来修 正桩体两端发生滑移部分的桩侧摩阻力，用解析法手段，建立了复合地基加固区桩、土 体在路堤荷载作用下的应力和变形的计算模型。 对桩端向路堤填土( 或垫层) 和下卧层上下刺入深度，本文采用v e s i c 球形孔弹塑 性扩张理论求解。在采用v e s i c 球形孔扩张理论求解刺入变形时，根据前一步的计算理 论，可以求得桩顶单元和桩端单元底面的应力，分别将其作为向上下刺入的荷载，求出 桩体向上下两端刺入的深度。对下卧层的压缩量，将加固区底面桩、土体单元的底面应 力按照面积进行加权平均，得到加固区底面的平均应力，将其作为作用在下卧层顶面的 荷载，按照b o u s s i n e s q 理论求解下卧层中的附加应力，采用分层总合法，计算出下卧层 的沉降。 对复合地基的侧向变形，一般在刚性基础下不予考虑，但是对于像路堤这种柔性荷 载，由于缺少了刚性承台的约束，它一定程度上能够适应地基的变形，因此其侧向变形 应当比同等条件下刚性基础复合地基的要显著。本文将加固区视为弹性体、将路堤及行 车荷载作为上部荷载，认为水平向附加应力是造成复合地基产生侧向变形的主要原因， 采用b o u s s i n e s q 理论求解复合地基内部水平向附加应力，将加固区内桩体和土体划分成 独立单元体，分别计算各单元在水平向附加应力作用下的变形，最后求出复合地基各位 置在不同荷载、桩长、桩间距下复合地基内部侧向位移场，并分析了不同位置的桩体倾 斜情况和侧向变形对沉降的影响程度。通过本文的研究，发现复合地基侧向变形最大值 并不是发生在通常所认为的路堤坡脚处，而是路肩位置对应的复合地基表面，同时在坡 脚位置的最大侧向变形并不是发生在地表，而是距地表一定深度的范围内，这与复合地 基内部附加应力的分布规律比较相似。 结合阿深线开封至通许段高速公路中软土地基处理工程，通过在典型断面埋设观测 元件，对水泥粉喷桩复合地基的沉降过程进行了观测，总结了实际工程中粉喷桩复合地 基的相关规律，并将实际观测结果与按照本文提出的计算理论计算结果进行了对比，验 证了该方法是可信的。 关键词：柔性基础、复合地基、位移模式、沉降、侧向变形 a b s t r ac t c o m p o s i t eg r o u n dt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di ne x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n c o m p a r i n gt h ec o m p o s i t eg r o u n du n d e rr i g i df o u n d m i o n ，t h ec o m p o s i t eg r o u n du n d e rr o a d e m b a n k m e n t ( f l e x i b l ef o u n d a t i o n ) h a sd i s t i n c td i f f e r e n e n c ei nm e c h a n i s m ，s t r e s sd i s t r i b u t i o n a n dd e f o r m a t i o np a r e r n n o w d a y s ，t h er e s e a r c ho nc o m p o s i t eg r o u n du n d e rf l e x i b l e f o u n d m i o nm a i n l yf o c u s e do nb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n t ，b u tb yt h er e a s o no fs u c h c o m p o s i t eg r o u n d sw o r km e c h a n i s mc o m p l e x i t y , i t sd e f o r m m i o np r i n c i p l es t i l lh a sm a n y f i e l d sn e e d i n ge x p l o r a t i o n ，e s p e c i a l l ya b o u ti t sl a t e r a ld e f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h e s e t t l e m e n ta n dl a t e r a ld e f o r m a t i o np r i n c i p l eo fc o m p o s i t eg r o u n du n d e rf l e x i b l ef o u n d a t i o n w a st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t i nt h i sp a p e r , t h et o t a ls e t t l e m e n to fc o m p o s i t eg r o u n dw a sd i v i d e di n t of o u rp a n s ：t h e s e t t l e m e n to fr e i n f o r c e da r e a ，t h es e t t l e m e n to fu n d e r l y i n gl a y e r ，t h ed e p t ho fp i l et o pi n s e r t i n g i n t or o a de m b a n k m e n ta n dt h ed e p t ho fp i l eb o t t o mi n s e r t i n gi n t ou n d e r l y i n gl a y e rs o i l i n o r d e rt oa n a l y s i st h es e t t l e m e n to fr e i n f o r c e da r e a ，s e t t i n gt h ep r o p e rd i s p l a c e m e n tp a t t e r no f d j m p i l e sc o m p o s i t eg r o u n du n d e rf l e x i b l ef o u n d a t i o nw a st h ef i r s ts t e pa n d ，c o n s i d e r i n gt h e t o pa n db o t t o mo fp i l e si n s e r t i n gi n t ot h er o a de m b a n k m e n ta n du n d e r l y i n gl a y e rs o i la sw e l l a ss l i d eo c c u r i n go ni n t e r f a c eo fp i l ea n ds o i lw e r ea l s on e c e s s a r y a n dt h e n ，a f t e ra c c o r d i n g m o h r - c o u l o m by i e l d i n gp r i n c i p l et om o d i f yt h ef r i c t i o ns t r e s so fp i l ea n ds o i l ，t h ea n a l y s i s f o r m u l at oc a l c u l a t ec o m p o s i t eg r o u n dr e i n f o r c e da r e a ss t r e s sf i e l da n ds e t t l e m e n tw a s e s t a b l i s h e d t h ed e p t ho fp i l ei n s e r t i n gi n t or o a de m b a n k m e n ta n du n d e r l y i n gl a y e rs o i lc a nb e r e s o l v e da c c o r d i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t so fe l e m e n t ss t r e s so fp i l et o pa n db o t t o m & v e s i cb a l l e x p a n s i o nt h e o r y d e p e n d i n go nt h et h eb o t t o m e l e m e m t sa v e r a g es t r e s sd i s t r i b u t i o no f r e i n f o r c e da r e a ，t h ea d d i t i o n a ls t r e s sf i e l do fu n d e r l y i n gl a y e ra r e ac a nb ec a l c u l a t e d b a s e do n t h i sa d d i t i o n a ls t r e s sr e s u l t ，t h es e t t l e m e n to fu n d e r l y i n gl a y e ra r e ac a nb es o l v e d db yu s i n g l a y e r w i s es u m m a t i o nm e t h o d t h el a t e r a ld e f o r m a t i o no fc o m p o s i t eg r o u n di s a l w a y si g o r e di nn o r m a lg r o u n d d e f o r m a t i o na n a l y s i s b u ta st h eu pl o a di sr o a de m b a n k m e n t ，s u c hf l e x i b l ef o u n d a t i o n s r e s t r i c t i o na c p a b i l i t yf a rl o w e rt h a nt h er i g i df o u n d a t i o n ，a n dt h el a t e r a ld e f o r m a t i o nw i l lb e l a r g e rt h a nt h ec o m p o s i t eg r o u n du n d e rr i g i df o u n d a t i o n i nt h i sp a p e r , t h er e i n f o r c e da r e aw a s r e g a r d e da sa ne l a s t i cb o d ya n dt h eh o r i z o n t a la d d i t i o n a ls t r e s so ft h er e i n f o r c e da r e a ，w h i c h w a sr e s o l v e db yu s i n gb o u s s i n e s qt h e o r y ，w a sl o o k e da st h em a i nr e a s o nt oa d v a n c et h e l a t e r md e f o r m a t i o n b a s e do nt h ef o r m e rp r o p o s a l ，t h er e i n f o r c e da r e aw a sd i v i d e di n t os o i l a n dp i l ee l e m e n t s ，a n db yt h i sw a y , t h el a t e r a ld e f o r m a t i o no fc o m p o s i t eg r o u n dc o u l db e r e s o l v e d a c c o r d i n gt ot h i sp a p e r sa n a l y s i sr e s u l t s ，t h em a x i m u ml a t e r a ld e f o r m a t i o nv a l u e w a sa tt h ec o m p o s i t eg r o u n ds u r f a c eu n d e rt h es h o u l d e ro fr o a db u tn o ta tt h et o eo fr o a d f i n a l l y , b yc o n t r a s t i n gt h ec a l c u l a t e ds e t t l e m e n tr e s u l to fc o m p o s i t eg r o u n ga n dt h e s e t t l e m e n tv a l u ef r o mi n - s i t eo b s e r v a t i o ni nk a i t o n ge x p r e s s w a yp r o j e c t ，t h ec r e d i b i l i t yo f t h i sp a p e r st h e o r yw a sc e r t i f i c a t e d k e yw o r d s ：f l e x i b l ef o u n d a t i o n ；c o m p o s i t eg r o u n d ；d i s p l a c e m e n tp a t t e r n ；s e t t l e m e n t ； l a t e r a ld e ：f o r m a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 蚴吩 论文知识产权权属声明 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 匆 一 f 纱f 年，2 月夕日 7 沙，7 年fz 月，口日 长安大学博j ：学位论文 1 1 复合地基的定义与分类 第一章绪论帚一早瑁下匕 复合地基是指天然地基在处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在天然地基中 设置加筋体材料，从而形成的由两种刚度( 或模量) 不同的材料( 土体和增强体) 所组成的 人工地基。当天然地基不能满足结构物对地基的要求时，需要进行人工处理形成人工地 基，以保证结构物的安全与正常使用。随着地基处理实践与理论的发展，复合地基的概 念逐渐得到认识和深化。6 0 年代日本在砂桩施工技术和工程应用方面取得了显著的进 展，在研究砂桩抵抗地基滑动的计算中，提出了以砂桩与桩周天然土体共同作用的计算 模型，称为复合地基( c o m p o s i t eg r o u n d ) 。7 0 年代中期以后，随着我国地基工程技术的 进步，诸如砂桩、碎石桩、旋喷桩、深层搅拌桩、石灰桩等多种地基加固技术得到了开 发和应用，各种地基处理方法的分析和理论研究也日益深入，使得我国学术界和工程界 逐渐扩大和充实了复合地基概念的内涵，复合地基概念已成为诸多地基处理方法和理论 公式建立的基础和根据n 6 3 。 关于复合地基的分类，目前的规范还没有较明确的规定，但应用比较广泛的是根据增 强体的方向将复合地基区分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基h 7 3 ，其中 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，桩体复合地基又 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。另外，由于上 部基础形式的不同，还可以把复合地基分为刚性基础下复合地基和柔性基础下复合地 基，这两种复合地基有着截然不同的承载机理，应该分别研究协1 。复合地基的本质是在 荷载作用下，增强体和地基土体共同承担上部结构传来的荷载，增强体与天然地基土通 过变形协调共同承担荷载作用是形成复合地基的基本条件 3 。一般人们所指的复合地基 是指竖向增强体复合地基，它通常由三部份构成；增强体、褥垫层和桩间土，如图1 1 所示。但是具有这三部份并不一定就是复合地基，主要看是否由桩间土和桩体共同直接 承担荷载。 第一章绪论 q 趔四四鲤哑匹匦匹皿 ( a ) 水平向增强体复合地基 复合地基 桩间 q l川ll f i li ，、袋端糍潮 | j e ? i ￥ ； sl t s 593 女； i l ； l!l ： i ； !?i l i 自 l5； ， l ； ： ； g | $ g _ ： i ： * p i ! j i i l l il自 ， 0 ； ：l ( a ) 竖向增强体复合地基 散体材料桩复合地基 柔性体桩复合地基 刚性体桩复合地基 水平向增强体复合地基 弋柔性基础 f 刚性基础 ( c ) 复合地基的分类 图1 1 复合地基分类示意图 f i g1 1 t h es k e t c ho fc o m p o s i t eg r o u n dc l a s s i f a t i o n 1 2 水泥搅拌工法及水泥搅拌桩复合地基 1 2 1 概述 水泥土搅拌法是利用水泥做固化剂，通过特制的深层搅拌机械，边钻孔边往软土中 喷射水泥浆液或水泥粉体，在地基深处将软土固化为具有足够强度、变形模量和稳定性 的水泥土，从而达到地基加固的目的。 水泥搅拌法最早在美国研制成功，称为m i x e d i n p l a c ep i l e ( 简称m i p 工法) ，1 9 7 3 1 9 7 4 年进行研究开发，1 9 7 5 年就投入使用。国内在1 9 7 7 年由冶金部建筑研究总院和交 通部水运规划设计院进行了室内试验和机械研制工作，并于1 9 7 8 年底制造出国内第一 2 础 础 础 础 础 础 基 基 基 基 基 基 性 性 性 性 性 性 刚 柔 刚 柔 刚 柔 厂，弋l r，弋l厂，、l 厂l，、， 基 地， 合基 复地体合 强复增式向桩 竖0 k 安大学博士学位论文 台s j b 1 型双搅拌轴中心管输浆的搅拌机械。粉体喷射搅拌法是采用粉体做固化剂，不 再向地基中注入水，以充分吸收周围软土中的水分，称为“干喷法”，加固后地基的初 期强度较高，对含水量高的软土地基其加固效果尤为显著，加之施工中无噪声、无振动、 无污染，对周围环境和建筑物也无不良影响，所以该技术在工程实践中得到广泛的应用。 水泥搅拌法加固软土地基具有如下独特的优点： ( 1 ) 最大限度利用原土； ( 2 ) 搅拌时无噪声、无振动、无污染，可在密集的建筑群中进行施工，对原有建 筑物影响较小； ( 3 ) 根据上部结构的需要，可以灵活的布置成多种形式； ( 4 ) 节约成本，降低造价。 1 2 2 水泥搅拌桩复合地基 水泥搅拌桩复合地基是指采用水泥搅拌法工艺，在地基加固区内形成桩体，与加固 区土体共同形成的复合地基。水泥搅拌桩工艺有喷粉型和喷浆型两类，一般称之为“干 喷法和“湿喷法”。干喷法是直接向地基中喷入水泥颗粒粉体，适合处理含水量较高 的土体，其早期强度较高；而湿喷法是向地基中喷射水泥浆体，在原状土体中更容易搅 拌均匀，因而桩体最终强度较高。在本文中所指的“水泥搅拌桩 均为按干喷法施工完 成的水泥搅拌桩，在工程中常常称之为水泥粉喷桩，简称为“粉喷桩”。 1 2 3 水泥土的加固机理 当水泥被搅拌机械通过风力输送到软土中并加以充分拌和后，水泥和软土之间产生 一系列的物理、化学反应，改变了原状土的结构，使之硬化成为具有整体性、水稳定性 和一定强度的水泥土固化材料。由于土质的不同，其固化机理也有差别。当应用于砂性 土时，水泥土的固化原理类似于水泥砂浆，当应用于粘性土时固化机理比较复杂，一般 来说，其固化作用来自于三个方面阳1 ： ( 1 ) 水泥和软土地基中的水发生水解和水化反应： 普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫 组成，由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三 钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的 水分发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙和含水铁酸钙等化 合物。各自的反应过程如下阳1 0 1 ： 第一章绪论 a ) 硅酸三钙( 3 c a 0 s i o ：) 在水泥中含量最高，大约占5 0 左右，是构成水泥土 强度的主要因素： 2 ( 3 c a o s i o ) + 6 h 2 0 - - - , 3 c a o 2 s 1 0 2 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 b ) 硅酸二钙( 2 c a 0 s i o ：) 在水泥中约占2 5 左右，主要构成后期强度： 2 ( 2 c a 0 s i 0 2 ) + 4 h 2 0 ，3 c a o 2 s 1 0 2 3 h 2 0 + c a ( o h ) 2 c ) 铝酸三钙( 3 c a 0 a 1 ：0 。) 在水泥中约占1 0 ，水化速度快，促进早凝： ( 3 c a o a 1 2 0 3 ) + 6 h 2 0 _ 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 d ) 铁铝酸四钙( 4 c a 0 a 1 ：0 。f e ：0 。) 约占水泥重量的1 0 左右，能促进早期强度： 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 + c a ( o h ) 2 + 10 h 2 0 - - - 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 + 3 c a o f e 2 0 3 6 h 2 0 e ) 硫酸钙( c a s 0 4 ) 在水泥中仅占3 ，与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一 种被称为“水泥杆菌”的化合物： 3c a s 0 4 + 3c a o a 1 2 0 3 + 3 2h 2 0 一3 c a o a 1 2 0 3 3c a s 0 4 。3 2 h 2 0 根据电子显微镜的观察，水泥杆菌最初以针状结晶的形式在比较短的时间内析出， 其生成量随着水泥掺入量的多少和龄期的长短而异。由x 射线衍射分析可知，这种反应 迅速，反应结果是把大量的自由水以结晶水的形式固定下来，这对于处理含水量较高的 软粘土、促进水泥土的强度增长有显著作用。但是硫酸钙的掺量不能过多，否则这种由 3 2 个水分子固化形成的水泥杆菌针状结晶会使水泥土发生膨胀而破坏。 ( 2 ) 粘土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的各种水化物生成以后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与其 周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。 曲离子交换的团粒化作用： 土作为一种多相散体，当它与水结合时可表现出胶体的特征。当土中含量最大的二 氧化硅遇水后，形成硅酸胶体颗粒，其表面带有钠离子n a + 和钾离子k + ，它们能和水泥 水化生成的氢氧化钙中的钙离子c a + 进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土 团粒，从而提高土体强度。 水泥水化生成的胶凝粒子的比表面积比原水泥颗粒大1 0 0 0 倍，因而产生很大的表 面能，有强烈的吸附性，能够让较大的土团粒进一步结合成更大的团粒并封闭各土团之 间的空隙，形成竖向的联结，从而使水泥土的强度大幅度提高。 b ) 凝硬反应： 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过上述离子交换 4 长安人学博士学位论文 的需求量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分与钙 离子进行化学反应，逐渐生成不溶解于水、稳定的结晶化合物： s i 0 2 + c a ( o h ) ：+ n h 2 0 - - - , c a o s i 0 2 + ( n + 1 ) i - 1 2 0 a 1 2 0 3 + c a ( o h ) = + n h 2 0 - - , ( c a o a 1 2 0 3 ) ( 1 1 + 1 ) i - 1 2 0 这些新生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度，而且由于其 结构比较致密，水分不容易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。 从对水泥土的扫描电子显微镜观察结果可见，天然软土的各种原生矿物颗粒之间无 任何有机联系，孔隙很多。拌入水泥7 天时，土颗粒周围充满了水泥胶凝体，并有少量 水泥水化物结晶的萌芽。一月后，水泥土中生成大量的纤维状结晶，并不断延伸充填到 颗粒间的孔隙中，形成网状构造。五个月后，纤维状结晶向外辐射延伸，产生交叉，并 相互联结形成空间网状结构，水泥的形状和土颗粒的形状已经无法分辨。 ( 3 ) 碳酸化作用： 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸反应，生 成不溶于水的碳酸钙： c a ( o h ) 2 + c 0 2 - - - + c a c 0 3 、 + h 2 0 这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度比较慢。 1 3 水泥搅拌桩复合地基的研究内容与进展 水泥搅拌桩复合地基需要研究的内容与其他材料类型复合地基相似，主要目标是为 工程实践确定其承载力和变形，以判断是否满足工程需要。 1 3 1 承载力 目前，设计计算中对于水泥搅拌桩复合地基承载力的确定，一般均采用现场承载力 试验来确定，最常用的方法是以建筑地基处理技术规范n 和建筑地基基础设计规 范n 2 3 中推荐的方法计算： f s p a c = m 生a + 卢( 1 一所院。 (11)p 式中：正。复合地基承载力标准值( k p a ) ； m 为面积置换率： 彳。桩的截面积( m 2 ) ； 第一章绪论 卢桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取o 5 1 0 ，当桩端土为 硬土时，可取o 1 o 4 ，当不考虑桩间软土的作用时，可取零； r 。单桩竖向承载力特征值，一般采用现场单桩载荷试验确定，也可以按照 ( 1 2 ) 式估算，并同时满足式( 1 3 ) 的要求，使由( 1 3 ) 式桩身材料强度确定的单桩 承载力大于或等于由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力： r 。= 甜p q ，z ，+ a q j 口a | 口 ( 1 2 ) t = l r 。= u f c 。a 。 ( 1 3 ) 式中：厶与水泥搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块，在标准养护条件 下，9 0 天龄期的立方体无侧限抗压强度平均值( k p a ) ； 7 7 桩身强度折减系数，干法取0 2 0 - - - 0 3 0 ，湿法可取0 2 5 0 3 3 ； 甜。桩身周长( m ) ； n 桩长范围内所划分的土的层数； g 。，桩周第i 层土的侧阻力特征值，对淤泥可取4 - - 7 k p a ，对淤泥质土可以 取6 - - 一1 2 k p a ，对软塑状态的粘性土可取1 0 - - 1 5 k p a ，对可塑状态的粘 性土可取1 2 1 8 k p a ； ，桩长范围内第f 层土的厚度( m ) ； a 桩端土的承载力折减系数，可取0 4 - - - , 0 6 ； g 。桩端土未经修正的承载力特征值； 除了按照规范确定水泥搅拌桩承载力的方法外，何军、洪华昌、肖溟等建议采用可 靠度分析法来确定承载力n 3 4 15 1 。 冯瑞玲、谢永利、李宁、韩垣、杨虹、宋修广、雷学文等采用数值分析法，对单桩、 群桩的承载能力从不同角度的问题入手进行了多方面的研究工作n 6 伽。 随着试验技术的进步，能够较为真实的反映水泥搅拌桩的承载力和沉降特性的现场 载荷试验在近几年得到了迅速发展。试验的桩数已经从单桩到群桩( 最多已经达9 桩) ， 得到了较为丰富的有价值的第一手数据他2 3 i 。 李哲口3 3 通过对甘肃兰州地区高速公路粉喷桩复合地基承载力原位试验研究，对比了 复合地基单桩、3 桩、4 桩、6 桩直至2 0 桩承载力原位试验，研究了复合地基中的多桩 复合效应，发现少于6 桩的复合地基承载力试验并不能代表复合地基的真实承载力，并 6 长安大学博j j 学位论文 引入复杂度理论概念分析复合地基承载力，取得一些有价值的结论。 另外还有郝小员心们等提出采用人工神经网络带有偏差单元的模型对搅拌桩复 合地基承载力进行计算的新思路。 1 3 2 变形计算 目前对复合地基的变形分析主要集中在复合地基的沉降变形。沉降变形是复合地基 工程实践中被最为关心的课题。对复合地基沉降变形的计算方法，从研究途径上总体来 说有两大类，一类是将复合地基作为整体考虑的沉降计算方法，另一类则是将复合地基 沉降分为加固区与下卧层两部分，分别考虑其压缩量的沉降计算方法。 ( 1 ) 将复合地基作为整体考虑的沉降计算有两种方法： 1 ) 沉降折减法：将复合地基在荷载作用下的加固效果用沉降减小因子届。来表示： 口：曼 ( 1 4 ) 氐 式中：s 一复合地基的沉降； 一相应的未加固地基的沉降。 p r i b e 在分析刚性基础端承碎石桩复合地基时，依据半无限弹性体中圆柱孔的横向 变形理论获得了沉降减小因子计算式： 肛南 ( 1 5 ) p r i b e 还推导出了桩土应力比n 。随复合地基置换率、地基土泊松比和桩体内摩擦角 变化的解析式。a b o s h i 、张定和c h o w 等人通过刚性基础下复合地基典型单元体的平衡 分析和天然地基与群桩复合地基荷载试验成果的相关分析，得到的砂石桩复合地基沉降 减小因子表达式与式( 1 5 ) 完全相同，c h o w 将桩土应力比n 。取为桩体压缩模量比。 沉降折减法是一个经验计算方法，其沉降量的大小及准确程度取决于能否准确确定 桩土应力比，但是众多的理论研究和试验测试表明桩土应力比在复合地基承受荷载的 过程中并不是保持不变的，沿着桩身不同位置也是不一样的，而且影响因素众多陋5 。2 9 1 ， 因此准确确定桩土应力比在实践中很难实现。 2 ) 附加应力解析法：荷载作用下复合地基中竖向附加应力的确定是复合地基沉降 计算的关键。李增选阳们等分别假定刚性基础下桩侧摩阻力沿桩长均布和倒三角形分布， 由b o u s s i n e s q 解答计算荷载作用下复合地基桩间土中的竖向附加应力，由g e d d e s 解答 计算桩身荷载在复合地基土中引起的附加应力，二者迭加作为复合地基土中的竖向附加 7 第一章绪论 应力，由分层总和法计算复合地基沉降。显然，用这种方法求解复合地基中的附加应力 是以地基土为均质半空间弹性体的假设为前提的，在置换率比较小的时候能得到较为合 理的结果。 李静文b 、邱钰、钱国超口2 3 及王律明、陆华东等口3 3 采用m i n d l i n 解与b o u s s i n e s q 解 联合求解复合地基中的应力和下卧层中的附加应力，采用弹性力学理论计算柔性基础下 复合地基的沉降，取得与观测结果较好的吻合。 ( 2 ) 将加固区与下卧层分别考虑的计算方法： 在进行复合地基沉降计算时，除了上述的整体算法外，最常用的计算理论是将其分 为加固区压缩量和下卧层压缩量两部分，即：总压缩量为两部分压缩量之和，如式( 1 6 ) 所示： s = s l + s 2 ( 1 6 ) 式中：s 。加固区压缩量： s 广下卧层压缩量。 该种计算理论又根据加固区和下卧层沉降计算方法的差异又可分为不同的计算方 法。 1 ) 加固区压缩量s ，的计算： 加固区压缩量计算主要有复合模量法、应力修正法、桩身压缩法和应变修正法，其 中以复合模量法计算简便，使用情况较广。 复合模量法是将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合 压缩模量来评价复合土体的压缩性，复合地基中复合土体压缩模量通常采用面积加权平 均法计算，然后采用分层总和法计算加固区土层压缩量。除此之外，也有学者采用弹性 理论求解出解析式或数值解( 张土乔，1 9 9 2 ) 计算复合模量，或者通过室内模型试验测 定( 林琼，1 9 8 9 ) 。 应力修正法是根据桩间土分担的荷载，忽略桩体的存在，由桩间土的压缩模量用分 层总和法计算加固区的压缩量，它本质上就是前述的沉降折减法，这种方法的关键在于 确定桩土应力比。 桩身压缩量法是假设桩体不会发生桩底端刺入下卧层的沉降变形，根据作用在桩体 上的荷载和桩体变形模量计算桩身压缩量，并将桩身压缩量作为加固区土层的压缩量。 这种方法适用于下卧层刚度比较大的复合地基。采用这种方法需要确定桩身应力沿深度 的分布，即复合地基中桩身的荷载传递规律。 k 安大学博十学位论文 应变修正法又叫g o u g h n o u r 法。g o u g h n o u r ( 1 9 8 3 ) 在分析刚性基础下碎石桩复合地基 时，认为当基础荷载较大时，桩体会发生侧向鼓胀，因此须进行塑性分析。考虑到桩体 发生塑性变形可能性随深度而变小，采用取典型单元体逐段进行弹塑性分析。塑性分析 中假设：a ) 桩体为不可压缩的刚塑性材料，服从莫尔一库伦准则；b ) 不计径向和切向剪 应力；c ) 桩间土遵循太砂基固结理论确立的变形规律；d ) 桩间土的静止侧压力系数不因 桩的设置而改变；e ) 刚性基础，即桩顶竖向位移与地表面竖向位移相等。在实际应用中， 常常取弹性和塑性分析获得的应变折减系数的较大值与未加固时土的垂直应变之积作 为复合地基的竖向应变，累加逐段计算的压缩量可获得复合地基沉降。该方法适合在散 体材料桩复合地基沉降计算中使用。 曾小强口们通过三个刚性基础下水泥搅拌桩复合地基工程沉降计算与实测结果的对 比分析，认为对于水泥搅拌桩复合地基采用复合模量法计算的加固区压缩量比较符合实 际。这是因为水泥土桩复合地基符合半空间无限体，近似弹性体的假定。虽然搅拌桩复 合地基中的附加应力己不同于天然均质地基，不符合均质条件，但由此引起的误差相对 较有限，计算结果较稳定，不存在人为的认识差异。 2 ) 下卧层沉降s ：计算： 复合地基下卧层沉降量s ：通常采用分层总和法计算，因此下卧层压缩量计算的关键 是确定下卧层土中的附加应力分布。由于作用在下卧层顶面的荷载难以精确计算，故目 前在工程上，下卧层压缩量采用常压力扩散法、等效实体法、当层法等方法进行计算。 压力扩散法是将复合地基视为双层地基，利用压力扩散角计算下卧层面上的荷载， 从而确定下卧层竖向附加应力。但目前并没有适当的方法确定压力扩散角，压力扩散角 的确定往往依据经验。对于碎石桩和石灰桩复合地基，复合地基基底压力可按2 ：1 斜 率相应的扩散角扩散。曾朝杰等副根据有限元计算研究了水泥搅拌桩复合地基压力扩散 角随加固区厚度和加固区与下卧层模量比的变化，并制成了表格供使用参考。 等效实体法是基于刚性群桩的整体剪切破坏模式提出的。该方法将加固区视为等效 的实体深基础，假定加固区四周摩阻力均匀分布，用复合地基基底压力扣除摩阻力后即 可得到下卧层顶面荷载，据此按弹性理论计算下卧层附加应力分布，由分层总和法计算 下卧层压缩量。由于水泥搅拌桩复合地基的破坏模式不一定是整体剪切破坏，因而，沿 用整体剪切破坏模式下的等效实体法计算沉降量尚有待研究。 林孔锱6 3 在分析碎石桩复合地基沉降时建议采用帕克罗夫斯基当层法计算下卧层 竖向附加应力。利用加固区的复合模量，将加固区换算成与下卧层模量相同的土层，从 9 第一章绪论 而变成了均质地基问题很容易求出竖向附加应力，按分层总和法计算出下卧层压缩量。 1 4 柔性基础复合地基研究现状 1 4 1 柔性基础复合地基概念 柔性基础复合地基是相对于刚性基础复合地基而提出的，即按照作用在复合地基上 部基础的刚度来划分。按照我国地基基础规范，一般认为判别基础是刚性或是柔性，采 用的标准是基础抗弯刚度e i 。 建筑物下的混凝土基础，其刚度很大，可以认为其抗弯刚度e i _ o 。，这类基础均可 认为是刚性基础。在中心荷载作用下，刚性基础不会发生挠曲变形，基底各点的沉降是 相同的。在刚性基础复合地基中，基底面处满足“等应变假设，即桩顶与桩间土的变 形相同。 当基础的抗弯刚度e i _ o 时，认为这种基础为绝对柔性基础。如果假设这种基础是 由许多小块组成，那么各小块之间光滑而无摩擦，基础上的荷载通过小块直接传递在土 上，基础底面的压力分布图形将与基础上作用的荷载分布图形相同，基础底面的沉降则 各处不同。对于由土筑成的路堤，可以近似的认为路堤本身不传递剪力，那么它就相当 于一种柔性基础。 高萍、谢永利口7 1 早在1 9 9 6 年就将公路路堤荷载条件下的复合地基称之为柔性基础 复合地基，采用有限元法分别用线弹性模型和d u n c a n c h a n g 模型模拟桩体和土体，分 析了桩土刚度比、置换率、桩长及路堤刚度等因素对复合地基沉降及桩土应力比的影响， 特别是路堤刚度的变化对复合地基沉降和桩土应力比的影响。本文中的柔性基础复合地 基指路堤荷载作用下的复合地基。 在柔性基础复合地基中，桩顶与桩间土体的变形不同，存在一沉降差s ，这就使得 柔性基础复合地基的受力与变形性状不同于刚性基础复合地基。理论研究和现场实测表 明，刚性基础下与柔性基础下复合地基性状相比存在较大差异。刚性基础下的复合地基 在基底处桩与桩间土变形协调，并假定在竖向荷载下不存在侧向变形及在复合地基内部 任一水平截面上桩与桩间土的竖向压缩相同，而柔性基础下的复合地基在这三个方面都 不成立。另外，相同荷载条件下柔性基础下复合地基的沉降量比刚性基础下复合地基沉 降量要大，两类复合地基中桩土应力比的发展及荷载传递规律等均有较大差异口8 q 驯。 柔性基础复合地基依然可以按照成桩材料的不同一般有以下三种类型： ( 1 ) 散体材料桩复合地基：桩体由散体材料构成，本身没有粘结强度或者很小， l o 长安人学博十学位论义 单独很难形成桩体，需要依靠周围土体的侧向约束力来成桩，如碎石桩、砂桩等。 ( 2 ) 柔性桩复合地基：桩体刚度较小，但桩体本身具有一定的粘结强度，如水泥 土搅拌桩、旋喷桩、石灰土桩等。 ( 3 ) 刚性桩复合地基：桩体本身强度和刚度较高，通常以混凝土为桩体材料，如 素混凝土桩、钢筋混凝土桩等。 按照桩体在地基内的设置形式，可将其分为两大类： ( 1 ) 端承式：在软弱土层厚度不是很大，设置复合地基的桩体时穿透软弱土层， 将桩端置与承载能力和刚度较高土层中( 如岩层、砂砾等) ； ( 2 ) 悬浮式：在软弱土层厚度比较大的条件下，桩体未能穿透整个软弱土层，加 固区土层下仍然存在软弱下卧层的复合地基形式。 事实上，端承式复合地基和悬浮式复合地基在荷载传递特性、桩土应力比及沉降特 性等方面也存在较大差异，在工程实际当中应分别考虑。一般情况下，第一类复合地基 常以承载力为控制条件，而第二类复合地基则须以变形为控制条件。 1 4 2 柔性基础复合地基沉降研究现状 柔性基础复合地基研究的内容与刚性基础下复合地基基本相同相同，也是承载力、 变形( 沉降) 和稳定性，研究的途径一般也有三种：模型对比试验、数值分析方法和解 析算法。现有的复合地基计算理论大多来自于刚性基础复合地基的研究成果，通常采用 如下假定： ( 1 ) 基础为刚性； ( 2 ) 在竖向荷载作用下桩与桩间土共同承担上部荷载； ( 3 ) 复合地基土内部任一水平截面上桩与桩间土的竖向压缩变形相同。 基于上述假设的复合地基沉降计算理论一般都采用桩土“等应变”假设，而对于大 面积堆载和路堤荷载作用下的复合地基来说，加固区内部并非处处存在等应变现象，桩 土之间不符合“等应变”假设。因而，建立在“等应变”假设基础上的复合地基计算理 论就不完全适合于柔性基础( 或柔性荷载) 下的复合地基。 国内外在对柔性基础下复合地基特性方面的研究成果主要有如下进展： ( 1 ) 室内模型试验及现场试验研究 高玉杰h 5 1 采用自行设计加工的复合地基模型箱，通过室内模型试验，研究了柔性加 载条件下桩与桩间土之间的相互作用关系。 第一章绪论 吴慧明通过刚性基础与柔性基础下水泥搅拌桩复合地基模型的对比试验，得出两 者在桩体荷载集中系数、桩土荷载比、桩土应力比等方面的显著差异，并且指出刚性基 础下复合地基中桩土变形一致，在相同变形时，桩首先承受较大荷载，并首先进入极限 状态，故随总荷载增加桩土应力比呈现山峰状发展趋势；柔性基础下桩土变形可相对自 由发展，土首先承担较大荷载，并随荷载增加率先进入极限状态，故桩土应力比呈现先 递减后上升的趋势。 方磊、谢永利口9 删在自制的模型箱中采用管件模拟桩体，用气囊加载方式模拟道路 荷载，分别对柔性基础和刚性基础下的复合地基桩土应力比、桩