（岩土工程专业论文）cfg桩复合地基加固深厚软基沉降计算研究.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激的地方外，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 2 , 1 k 大学或其它教育 机构的学位或汪书而使用过的材料。与我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：谨垒! 里! i日期 ；6 、；弓 二、关于学位论文使用授权的声明 南京_ ：业大学、中国科学技术信息研究所、国家圈书馆、中国学术期刊( 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。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括f = i 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。 研究生签名：逢! ! - 到导师签 日期：宴堕：生：竺 硕士学位论文 摘要 在深厚软基上修建高等级公路，消除路桥过渡段差异沉降带来的“桥头跳车” 这一突出病害，需控制过渡段路基的沉降量，尤需严格控制工后沉降量。近年来引 入的c f g 桩复合地基处理技术，以其桩身强度高、可全桩长传递荷载而得到广泛应 用。目前，c f g 桩复合地基沉降计算方法、固结度计算方法还不成熟，已有的研究 成果大多集中在刚性基础下的试验、计算方面。而路堤荷载可视为柔性荷载。冈此， 加强现场试验和原型观测，研究柔性荷载下c f g 桩复合地基的固结、变形规律，探 讨沉降计算方法，以适用以控制工后沉降为目标的地基处理技术的转变，具有实际 意义。 论文主要进行了以r 几个方面的研究工作： 1 、对选定的试验段进行了单桩、单桩复合地基静载荷试验，对现场观测结果进 行了研究，包括路基表面沉降、分层沉降、孔隙水压力、桩间土应力、桩身应力观 测结果的分析。结果表明，下卧层沉降在( ：f g 桩复合地基总沉降中占较人比例；桩 身应力的最人点( 中性点) 在桩身中部；褥挚层的合理设置，可调节桩十荷载分担。 2 、壮r 双层地基固结理论，推导了c f 6 桩复合地基加固区、下卧层孔压分布公 式，获得了单级匀速加载情况下，复合地基平均固结度、加固区固结度和下卧层固 结度。编制了计算程序，分析了桩体模量、复合地基置换率对固结度的影响，认为 适度提高桩体模量和置换率可显著减少同结时问。 3 、对t d b c9 5 平面粘弹塑性有限元程序进行了改编，加入了前置共轭梯度算法， 使计算模型网格划分更加合理，并考虑了路堤刚度刑地基沉降 仃影响，对典型段面 进行了数值计算，并对不同工况进行了仿真分析，研究了是否打穿软上层、桩k 、 霞换率、桩体模量及褥挚层模量和厚度对c f g 桩复合地基荷载传递及沉降变化规律 的影响。 4 、分析了路堤荷载下c p g 桩复合地基的变形机理，在假定的位移模式卜，考虑 桩土的相互作用，通过力学椎导，得到了路堤荷载p 加l a ir 匿桩问t 压缩最的解析计 算公式及简化公式。推导了基_ j 二m ind 】i n 解的c f g 桩复合地基中刚加应力计算公式； 拟合了有限冗计算结果，获得r 附加应力实用；t 一算公式，二：l 荦i - 根据分层总和法可计 算路基的总沉降量。初步提出r 按工后沉降控制的设计方法。 关键词：路堤荷载c f g 桩复合地基沉降桩十j e 嘲作j 】 结度有限兀 硕士学位论文 a b s t r a c t w h e ne x p r e s s w a yi sb u i l to nd e e pa n ds o f tc l a yf o u n d a t i o n ，v e h i c l e sw i l li u m pw h e n g o i n gt h r o u g hb r i d g ea b u t m e n td u et ot h el a r g es e t t l e m e n td i f f e r e n c eb e t w e e nb r i d g ea n d r o a de m b a n k m e n t i no r d e rt oa v o i dt h e p h e n o m e n a ，s e t t l e m e n t ，e s p e c i a l l y p o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t ，s h e u l db ec o n t r o l l e di nt h ej o i n tp a r tb e t w e e nb r i d g ea n d r o a de m b a n k m e n tb u i l to nd e e pa n ds o f tc l a yf o u n d a t i o n r e c e n t l y , c f g p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ni si n t r o d u c e di nd e a lw i t h d e e pa n ds o f tc l a yw o r k e da se x p r e s s w a yf o u n d a t i o n b e c a u s ec f g - p i l eh a sh i g hs t r e n 【g t ha n dc a nt r a n s f e rl o a d sg o n gf u l l p i l e s h a f t ，i th a s b e e nu s e dw i d e l y b u tt h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d o l o g yo fs e t t l e m e n ta n dc o n s o l i d a t i o n d e g r e en e e d si m p r o v i n g r e c e n tr e s e a r c hm a i n l yc e n t e r e do nt h ea s p e c t so ft e s ta n d c o m p u t a t i o no fc f g p i l ec o m p o s i t eu n d e rr i g i db a s e h o w e v e r , e m b a n k m e n tl o a d sc a n b er e g a r da sf l e x i b l el o a d s s o ，i n s i t et e s t sa n dp r o t o t y p eo b s e r v a t i o n s ，s t u d yo n d e f o r m a t i o na n dc o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s mo fc f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e r f l e x i b l eb a s ea r ed e v e l o p e d o nt h eb a s i so ft h e s er e s e a r c h e s ，c o m p u t a t i o n a lm e t h o d so f s e t t l e m e n ta r ep r e s e n t t h i sr e s e a r c ha i m st oa d a p tt h eg o a lo fg r o u n dt r e a t m e n tt u r n i n gt o p o s t c o n s t r u c t i o nc o n t r o l l i n g ，a n dh a sp r a c t i c a lv a l u e t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h ep a p e ri sl i s ta sf o l l o w e d ： 1 s t a t i cl o a dt e s tf o rs i n g l ep i l ea n ds i n g l ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni nt e n t a t i v e s e g m e n ts e l e c t e da r em a d e r e s t i l to fi n - s i t et e s t s ，i n c l u d es u r f a c es e t t l e m e n t ，s e t t l e m e n t i nl a y e r s ，e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e ，s t r e s si ns o i lb e t w e e np i l e s ，p i l es h a f ts t r e s s a r e a n a l y z e d a sc a r lb es e e nf r o mt h ea n a l y s i s ：s e t t l e m e n to fs u b s t r a t u mi s ，p r o p o r t i o n a l l y , m a i np a no ff u l l c f g ，p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ；m a x i m u ms h a f ts t r e s s f n e u t r a lp o i n t ) l i e si nt h em i d d l eo fp i l e ；p r o p e rp a v i n go fc u s h i o nc a na c c o m m o d a t e l o a ds h a r i n gb e t w e e ns o i la n d p i l e 2 b a s e do nc o n s o l i d a t i o n 血e o r yo ft w o l a y e r sf o u n d a t i o n f o m m l af o re x c e s sp o r e w a t e rp r e s s u r ei nr e i n f o r e e da r e aa n ds u b s t r a t u mo fc f g - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s d e p r i v e d a n dg e tt h ew h o l em e a nc o n s o l i d a t i o nd e g r e e ，c o n s o l i d a t i o nd e g r e eo f r e i n f o r c e da r e aa n ds u b s t r a t u mu n d e rl o a de x e r t e de q u a l l ya n do n c e t h er e s u l to f c o n s o l i d a t i o nd e g r e ev a r y i n gw i t hp i l em o d u l u sa n dr e p l a c e m e n tr a t i os h o w st h a ti n c r e a s e o fp i l em o d u l u sa n dr e p l a c e m e n tr a t i oc a nd e c r e a s ec o n s o l i d a t i n gt i m er e m a r k a b l y 3 a d a p t st w od i m e n s i o n sf e mp r o g r a m ( t d b c 一9 5 ) w i t i lv i s c o e l a s t i c a n d v i s c o p l a s t i cm o d e la n di t e r a t i v em e t h o dw i t hp r e p o s i t i v ea n dc o n j u g a t eg r a d sm a t r i xf o r e q u a t i o ng r o u pr e s o l v i n gi sa d d e dt o i t i n f l u e n c eo ns e t t l e m e n tb r i n gb yr i g i d i t yo f e m b a n k m e n ti st a k e ni n t oa c c o u n t b ym e a n so fn u m e r i c a la n a l y s i so fr e p r e s e n t a t i v e s e g m e n ta n ds i m u l a t i n ga n a l y s i so fd i f i e r e n tw o r k i n gc a s e s ，i n f l u e n c eo fs o m ef a c t o r s ， s u c ha sw h e t h e rp e n e t r a t i n gs o f tc l a y , p i l el e n g t h ，r e p l a c e m e n tr a t i o ，p i l em o d u l u s ， m o d u l u sa n dd e p t ho fc u s h i o n o nl o a dt r a n s f e ra n ds e t t l e m e n ti ss t u d i e d 4 d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f c f g p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nu n d e rr o a d e m b a n k m e n ti sa n a l y z e d a n dad i s p l a c e m e n tm o d e li ss u g g e s t e d w i t ht h i sm o d e l ， j n t e r a c t i o no fs o i l ，p i l e sa n dc u s h i o ni st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，a n da n a l y t i c a lf u n c t i o n s o fc o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o nf o rs t a b i l i z e dl a y e ra r ed e p r i v e d b a s e do nm i n d l i nr e s o l u t i o n ， o b t a i n sf o r m u l a sf o ra d d i t i o n a ls t r e s si nc f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n p r a c t i c a l f o r m u l a sa r ea l s oo b t a i n e db yf i t t i n gf e mr e s u l t a f t e rg e t t i n ga d d i t i o n a ls t r e s s t o t a l 硕士学位论文 s e t t l e m e n tc a l lb ec o m p u t e di nv i r t u eo fl a y e r - w i s es u m m a t i o nm e t h o d t h ep a p e ra l s o a t t e m p t st op r e s e n tad e s i g nm e t h o di no r d e rt oc o n t r o lp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t d e m e m k e y w o r d s ：e m b a n k m e n tl o a d ；c f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；s e t t l e m e n t ；i n t e r a c t i o n b e t w e e np i l e sa n ds o i l ；c o n s o l i d a t i o nd e g r e e ；f e m 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 近年来，我国公路建设发展迅猛，尤其是沿海各省高等级公路通车里程不断增 加，对道路质量的要求不断提高。公路建设中遇到的技术难题也越来越多，其中一 个突 的问题是深厚软粘土地基的加固处理。 软粘十在我国沿海各省分确很广，一般指第四纪全新世0 4 形成的淤泥、淤泥质 业粘土、淤泥质粘上，南方少数地区还有淤泥混砂层【n 。这类软土具有含水量高、 压缩性火、内聚力小、抗剪强度低、固结系数小等特点，反映在地基中出现排水不 畅、透水性差、具有较大的孔隙水压力，土骨架强度低、承载力偏小，在荷载作用 下，要经过较长时间才能压缩稳定，而且会产生较大沉降及不均匀变形。因软土地 基的内摩擦角小，容易产生侧向位移而造成滑移失稳，加之承载力低，一般不宜作 持力层，需要进行人工处理加固，以改善地基土的二i ：程性质，提高地基十的抗剪强 度，减少沉降和不均匀沉降，使其在上部结构荷载作用下不致发生破坏或出现过大 变形，保证建筑物的正常使用。 地基处理般采用茕换、夯实、挤密、排水、加筋和化学加固等方法，但各种 力法又自各自的工作机理和适用范围。经过地基处理形成的人t 地基大致可分为i 类：均质地基、多层地基和复合地基。 现代的地基处理技术应从1 9f 址纪3 0 年代欧洲应用砂桩算起。后来德因 s s t e u e r m a n 提出振冲加密砂性十的原理，j k e e l l e r 制成第台振冲器并用于加固松 散粉砂地基。振冲法逐渐推广并用1 二加固软粘土地基。1 9 7 6 年下半年，南京水利科 学研究所和交通部水运规划设计院共同研究振冲法加固软粘士地基技术，1 9 7 7 年 试制出我周第一台1 3 k w 的振动水冲器，同年9 月份茸- 先用丁南京船j 。船体车j 1 _ i j 软 粘上地基加刚，加固深度1 3 1 8 m i “。我国现代地基处理技术始于2 0 世纪5 0 年代 中期，在西北黄土地区玎始研究应用莳苏联阿别列夫教授首创的士桩挤密法。此后， 西安地区在此基础上成功应用了灰七桩挤密桩法，7 0 年代起逐步推广应用【3 】。 复合地基( c o m p o s i l es u b g r a d ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 彪j 概念是f l 本学者在2 0 世 纪6 0 年代初提出的。当时足指一种计算砂井地基的数学模璎，随着地基处理技术的 发展，复合地基的概念得到了很火的扩展【4 】。近些年来，复合地基技术在我国各地 得到广泛的应用，主要类型有：各种施_ 方法形成晌各类砂石桩复合地基、水泥十 桩复合地基、灰十桩复合地基、钢筋混凝上桩复合地基、低强度桩复合地基、加筋 卜地基等。t 要应用j 二房屋建筑、公路、铁路、堆场、机场、堤坝等t 2 木工程建设 巾，产生了良好的经济效益和社会效益。 1 2 课题提出的目的和意义 第一章绪论 在软土地基上修建公路，会遇到稳定及变形问题。特别是高等级公路，不仅要 求路堤稳定，而日测工后沉降要求较高，需严格控制 后不均匀沉降。尤其是桥头 路堤与桥台差异沉降造成的桥头跳车，轻者影响行车速度，损害车辆，重者导致交 通事故，造成人员伤亡。桥头跳车现象在各国普遍存在，美国交通部门曾对3 6 个州 及加拿大的三个省进行的调查表明，桥头引道路堤沉降是一个普遍性的问题，尤其 存桥头高路堤以及交通量大的公路问题更为严重。在我国这种现象也较为突出。但 西欧的少数圜家如芬兰等凼家，高速公路少有桥头跳车这类病害，其主要原因： 一 是路堤高度较低，处理容易；：是非常重视软土地基处理，当软土层较厚时，处理 不惜成本。西欧、北欧的许多国家在桥头相当长的段路段用桩承路堤的方法处理 地基，使桥与路连续、平稳过渡。我国在这方面开展的应用研究较多，尽管取得r 丰富的经验，但也有失败的教训。主要原因是桥头路堤软土地基在施工期内没有达 到相应的固结度，尽管处理后的地基承载力达到要求，但竣工后的工后沉降往往不 能满足要求。日前，深厚饱和软十地基的处理方法主要是堆载预压和水泥搅拌( 含 粉喷) 桩等方法，其中堆载预眶排水固结方法存在加同期长、加固深度浅、t 后沉 降大、在施工过程中为保证地基稳定需对加载速度严格控制等问题；水泥搅拌桩存 在加固深度浅、配合比和施工 _ 艺必须根据地质条中卜及时调整、对施 _ 单位技术水 平要求严格、施工质量难以保让等问题。 c m ( c e m e n tf 】y a s hg r a v e lp i le ) 桩又称水泥粉煤灰碎石桩，是一种粘结强度 较高的半刚性桩体。c f g 桩可在全桩长范围内发挥其侧摩阻力和端承力，桩体强度 具有 丁调性( 通常在c 5 c 2 0 之问变化) ，可避免散体材料桩( 碎石桩、砂桩) 及低 强度材料桩( 石灰桩、灰土桩) 由于桩身强度的限制而使荷载传递深度有限的缺陷， 从而大幅度提高地基的承载力，使深厚软土地基处理达到消除液化和提高地基承载 力的双重目的。c f g 桩和褥挚层、桩蒯士起组成复合地基，通过调整桩长、桩距 和褥垫层厚度，既可以较好地满足承载力要求，也较容易调整天然地基或其它基础 形式和复合地基之问的差异沉降。在这方面有不少应用实例，尤其在广东应用较多， 但在 后沉降计算方面研究较少。 因此，以淮盐高速公路路桥过渡段c f g 桩复合地基加同项目为依托，通过对现 场试验和原位测试资料的分析，利用有限元数值模拟方法对地基处理效果和沉降变 形性状进行分析，深化认识加固机理，明确c r ( ；桩复合地基中应力传递和沉降的变 化规律，研究计算理论和方法，适应地基处理以控制工后变形为目标的发展趋势， 对确保丁程建设质量具有重要意义。 1 3 圈内外研究现状 1 复合地基的概念和分类 复合地基【5 1 是指天然地基在地摧处理过程叶；部分土体得到增强，或被置换，或 硕士学位论文 在天然地基中设置加筋材料，加固区足由基体( 天然地基土体) 和增强体两部分组 成的人工地基。根据地基中增强体的设置方向可分为水平向增强体复合地基和竖向 增强体复合地基。 竖向增强体习惯上称为桩，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，桩体复合地摹可分为三类：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。 散体材料桩由散体材料组成，本身单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的用箍作 用- d 能形成桩体，承受峰向传来的荷载。柔性桩复合地基如水泥土桩复合地基、灰 十桩复合地基等。刚性桩复合地基如铡筋混凝十桩复合地基，低强度桩复合地基。 桩体复合地基有两个基本的特点：( 1 ) 加固区是由基体和增强体两部分组成，是 非均质、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的作用。 水平向增强体复合地基主要d e h , d i l 筋土地基。加筋材料主要是土工织物和土i 一格 栅。 另外，由丁卜部綦础的形式及作用在复合地基的荷载类型不同，对复合地基还 呵以分成刚性基础下复合地基和柔性皋础f 复合地基。这两种复合地基司样有截然 不同的承载机理。 1 3 2 复合地基沉降计算方法 在现有的各类复合地基沉降计算方法中，通常忽略垫层的压缩量，把复合地基 沉降量分为二部分，：d n l - 司区压缩量( s 1 ) 和下卧层压缩量( s 2 ) 。衙载作用下复合 地基沉降可表示为两部分之和：s = s l + s 2 。 1 加固区土层压缔量s l 的计算方法 f 1 、复合模量法( e c 法) 复合模量法把复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合十体，采用复 合压缩模最e c s 来评价复合上体的压缩性 表达式为： s t 窆。a p 。, h ； 采用分层总和法计算加固区i 缩量s 1 ( 1 - 1 ) 式中a p i 一第i 层复合土| 二刚加应力量；h 。一筇i 层复合土层的厚度。 e c s i 呵采用面积加权法计算或弹性理论表达式计算( 张l ：乔，1 9 9 2 ) ，也可通过 室内试验确定。 ( 2 ) 应力修正法( e s 法) 该法忽略峰向增强体的存存，根据桩问上承担的荷载p s 和桩| , l jl 的jh 缩模量 e s ，采用分层总和法计算加固七层的压缩量s l ： 一一堑二主竺笙 耻车等。诅主和。弘& ( 1 - 2 ) 式中：“s ”_ 应力修f f 系数，以= 彳+ m m n ，n ，m 分别为复合地基桩土j 、z 力 比和复台地基置换率；ap i - - 未加圃地基在荷载p 作用下第i 层土上附加应力增量； p s j 复合地基中第i 层桩闽土的附加应力增量；s l 。一未d l ：i n t 也基在荷载p 作用下 相应厚度内的压缩量。 ( 3 ) 桩身压缩模量法( e p 法) 该法假定复合地基加固区的压缩量由桩身压缩量( s p ) 和桩端刺入f 卧层变形 ( a ) 组成。桩身压缩量s p 可表示为： 驴z ( 1 3 ) 式中：“p 一应力集十i 系数，f x ，2 彳+ 脚伽n ；1 - - 桩$ 7 k 度，即加固区厚度； e p 一桩身材料变形模量；p b 旷一桩端应力集度。 2 下m p 层土层压缩量s 2 的计算方法 下卧层土层| = 缩量s z 的计算方法常采用分层总和法计算，即： s ：。喜嚣妒喜哗h ：= 妻i - i 盟e s i ( 1 - 4 ， 式中：e ，厂第i 分层上的白重应力甲均值( p l i ) 所对应的孔隙比；e 2 i 一第i 分层 土的自重应力平均值与附加应力平均值( p 2 i ) 所对应的孔隙比：h i 第i 分层上的厚 度：e 。第i 分层土的i 缩模量。 在分层总和法计算中，作用在下卧层土体上的荷载或土中的附加应力是难以精 确计算的。目前在工程中常采用f 述几种方法汁算。 ( 1 ) 应力扩散法 若复合地基l 作用倚载密度为p ，作用宽度为b ，长度为d ，加同区厚度为h ， 压力扩散角为b ，则作用在下卧层上的荷载p 。为： p b ：i 焉u 黑- - r b _ j i ( 1 5 ) 2 面面面硒i i 面i u 。 ( 2 ) 等效实体法 将复合地基加固区视为一等效实体，其卜- 作用荷载密度为p ，作用面长度d ， 宽度b ，加同区厚度为h ，f 为等效实体侧摩阻力密度。则作用在f 卧层上的附加应 力p b 为： 硕士学位论文 b d 口一f 2 b + 2 d l h f 见2 。亏矿一 ( 1 - 6 ) ( 3 ) 改进g e d d e s 法 黄绍铭等( 1 9 9 1 ) 建议采用下述方法计算f 卧层十层中的应力。复合地基总荷 载为p ，桩体承担p b ，桩间土承担p ：= p p 。桩间上承担的p 。在地基中所产生的竖 向应力。砰，其计算方法和天然地基中应力计算方法相同，应用b o u s s i n e s q 解。桩 体承 ! _ l 的荷载p n 在地基中产生的竖向应力采用g e d d e s 方法计算。然后叠加两部分麻 力得到地基中总的竖向应力。 由于刚性桩复合地基在承载特性、变形机理方面，1 i 同于柔性桩、散体材料桩， 因此针对刚性桩复合地基也进行了人量的研究。 宋二祥、沈伟等【6 】提出一种分析刚性桩复合地基一筏板基础相互作用体系内力 和变形的实t e j 方法。该方法将筏板基础划分为m i n d l i n 板单元，桩一上体系的支撑 刚度利用b o u s s i n e s q 解和f i d lf 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卜部结构的算法。对所建议计算模型的各 个方面及其参数取值进 j 二了讨论。编程计算的结果与i 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、宋一祥【7 】通过分析桩一1 二一垫层的共同作用，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t 层为文克勒地基时的桩顶荷载、土体表 呵荷载、桩体沉降、十体沉降、受荷后挚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闪素进行了探讨。 沈伟、池跃君、宋二祥【8 1 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1 j 相对位移为理想弹塑 性关系：同水平面上的桩间上沉降卡日同；桩端上符合文克勒地基模型，结合桩、 士、垫层1 作机理分析，建立了曲1 | 司作用摹本微分方程，进而得到了大面积群桩复 合地基桩、桩问土沉降解折解。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i 分析吻合较好。 复合地基在荷戴作用下的沉降计算也q 采用有限单元法训算【9 - 1 2 】。在几何模型 处理上大致分为两类：一类是存单元划分上把单分为两种，增强体单元和土体单 元，并根据需要在增强体单元和土体单j i 之间设置或不设胃界面单元【1 3 】f 1 4 1 。另一类 是把单元划分为加固区复合土体单元和非加同区_ 1 本单元，复合上体单元采用复合 材料参数【2 8 】【“1 。 l ，3 3 桩基础计算理论 桩壮计算目前主要有四种方法：弹性理论法、蚶切位移法、荷载传递法和有限 单i 法。其巾前：j 种方法都是以单桩分析为基础，眄用一定的假设叠加或重复使用 应用于群桩分析。 第一章绪论 1 弹性理论法 弹性理论法的基础是m i n d l i n 课题。m i n d l i n 给出了在均匀、各向同性的弹性半 空间作用单位竖向荷载的情况f ，弹性半空间内任点处应力、位移的积分形式的 解析解。其基本假定是：作为线弹性体的桩被插入个理想均质的、各向同性的弹 性半空间体内，上的弹性模量及泊松比u 不因桩土边界位移而发生变化。应用 m i n d l i n 公式导出土的柔度矩阵，求解满足桩土边界位移协调的方程式，即可得到桩 轴向位移和侧摩阻力等。由于土体模拟为连续介质，所以在一定程度上可以考虑桩 土之川的相互作用。群桩基础的计算是基于单桩分析的基础上，应用弹性理论叠加 原理把侄介质中两根桩的分析结果通过引入一个“共同作用系数”而扩展到一组群 桩r r 去。弹性理论方法能考虑上的连续性，可用于分析大规模的群桩基础，计算地 基中任意点的竖向附加应力和变形，在一定程度卜能考虑桩与桩的相互作用。 但这类方法有其理论上的缺陷，首先是应用m i n d l i n 公式时忽视桩的相互影响， 认为荷载作用f 未加桩时的理想均质，各向同性的弹性半空问体内j 实际情况有出 入；其次，群桩计算中采用“共同作用系数法”不能充分考虑第二根桩以外的存在， 也不能得到桩荷载和位移沿桩长的传递规律。第三，在考虑土的非均质时，不得不 采用一些近似的假定。第四，由于假设十体应力应变关系为线弹性，分析桩土的非 线性受力特征存在困难。 2 剪切位移法 c o o k e 曾用简化分析法分析r 桩体向周围上体传递荷载的过程。所采用的假设 是：离) r 桩体距离相等处剪应力相等，且剪应力与离开桩体轴线距离成反比关系。 这一假定的币确性已被c o o k e 等人用单桩和群桩实验成果所证实。 这类方法原理简币，基本假定合理，但在群桩分析时，以两根桩桩侧上刚度代 替群桩桩侧十刚度，未能允分考虑第i 根桩以外的桩的存在。 3 荷载传递法 s e e d & r e e s e 首先提出荷载传递法，其基本思路是把桩沿长度方i m 离散成若干弹 一阵单元，土体对单元的作用用独立的线性或非线性弹簧描述，桩体单元之间的相q 作用无法计及，即桩体巾任点的位移只与该点的侧摩阻力有关，而与其它点的侧 摩阳力无关，土体被假定为离散弹性介质。 这类方法的关键在于传递函数的确定。罗惟德提m 了全深度和变深度剪切弹簧 约束的解法。r e e s e 等提出了位移协调法计算。降向受荷桩。 王旭东【1 6 1 等用有限层法和有限元法，结合荷载传递幽数建立能够考虑地基上成 层非均质性等因素的群桩、斗与承台结构芡l 刊作用的线性和非线性数值分析方法， 其慕木假定：承台结构刚性，日承台底【f | i 与地基上光滑接触；单自由度弹性杆睢元 模拟桩体，有限层元模拟层状地基，传递函数模拟群桩巾每根单桩。但这类方法 硕士学位论文 应用子群桩分析时需借助于其它连续法的理论。 4 有限单元法 有限元单法是桩基分析中应用较多。陈雨孙和周红口7 j 用有限元方法在桩土之间 引进了节理单元以模拟土的剪切面进入塑性状态后的剪力和位移。t r o c h a n i s 等人用 有限元法探讨了堆桩和群桩的三维，非线性特征，特别讨论了桩土之间的滑移，并 据此提出了单桩和两根桩的近似计算方法。 1 3 4c f g 桩复合地基的研究现状 c i ：g 桩复合地基，是由中国建筑科学研究院地基所在2 0 世纪8 0 年代末研究开 发的新型桩体复合地基，1 9 9 2 年通过建设部鉴定，1 9 9 4 年被建设部、国家科委列为 全固重点推广项目，同前已在全国高层建筑地基巾得到广泛应用【1 8 1 。 c l ? g 桩由水泥、粉煤灰、碎石、石腾或砂加水搅拌形成的高粘结强度桩，改交 了碎石桩完全依靠周用七体的约束来承担上部荷载。芥石桩受力区主要在4 倍桩径 范围内，沿轴向、侧向应力迅速衰减，因此依靠增加桩长来提高复合地基的承载力 作用4 i 大，只能依靠增加置换率来提高地基的承载力，但置换率过高给施丁带来很 多麻烦。与碎石桩卡h 比，c f g 桩复合地基i u 通过增加桩长或打至硬层来提高承载力， 且其沉降量小，沉降稳定快【1 9 1 。 黄们枝【2 0 】根据无侧限试验得到c f 6 桩的应力应变关系曲线。试件在破坏以前， 其麻力应变关系为直线，因此c f 6 桩的本构关系呵以用线性弹性模型描述。模量的 火小与破坏强度有爻，般模量在8 0 01 6 0 0 t c p a 范f ：璃内。 文献( 1 8 j 将c f g 桩桩体材料制成二轴试验的圆柱件试件，在静i 轴仪中做小同嗣 压下的二二轴压缩试验，得到在不同围压下的其应力麻变曲线基本重合，破坏前基本 为一直线，说明甩爪对桩体强度利桩体模量影响不大，这一点l 散体材科桩体的应 力应变特性明显不同。 吴春林、阎明礼等【2 1 1 对天然地基载荷试验、c f g 桩单桩载荷试验及c f ( ；桩复合 地基载荷试验结果进行了对比分析，初步总结了c f ( ；桩复合地基竖向荷载卜l 的受力 特性，并提出了c f g 桩复合地基承载力的简易计算公式。 化建新等【2 2 1 根据译桩复合地摹我荷试验，研究了桩上虑力比随垫层厚度、华层 材料粒铎的变化趋势。郑东明等 2 3 1 采用有限元数值分析方法，对c i i g 桩单桩带台复 合地基褥蛰层的效应进行了研究，验证了褥挚层有减少承台底面应力集中，调整桩 土荷载分担比，保证桩l 共同分担荷载的作1 l j 。 李春灵 “1 通过有无边载作用的c f g 桩复合地基骚向载荷试验，对比分析了边载 对复合地基承裁力的影响，得出边载的幸要作用是提高桩问土的地基承载力，对桩 的承载力影响不大，同时也改变了桩土荷载分担比? 娄i + , - 1 充等【2 5 1 也采用平面有限元数值模拟，并在桩十之间设管g o o d m a n 单元来模 第一章绪论 拟桩土的滑移，研究了桩长、置换率、褥垫层厚度对复合地基的影响。 张东刚【2 6 l 基于两个现场载荷试验和两个模型试验，分析了c f g 桩复合地基在线 性变形阶段桩问u 土以及桩尖下卧层的变形，认为复合地基桩间土的变形和下卧层的 变形构成了复合地基的总变形，提出了复合地基在线性阶段的变形计算方法。 折学森f 27 l 根据柔性基础下的半剐0 性桩体复合地基的变形模式，基于b e r r u m 桩 侧摩阻力公式，推导了复合地基的变形计算公式。该公式同样适用于带有褥垫层的 c f g 桩复合地基。佟建兴【2 8 1 基于桩士竖向变形一致的假定，采用桩及桩周土的复 合本构关系，利用有限元方法研究了c f g 桩的沉降变形。 何j f 文等1 2 9 】从地质条件、软基处理和现场试验等几个方面，对排水固结法中的 超载预压和真空预压、复合地基法中的粉喷桩和c f g 桩等处理的效果进行了系统的 试验研究和分析，得出：c f g 桩有显著的桩体作用；对桩周上有明显的挤密作用： 地基承载能力提高幅度较大；c f g 复合地基变形小，沉降稳定快，工后沉降较小。 建议在软十层较厚的桥头软基路段、结构物地基处珲段和部分软暴路段抢险工程采 用c f g 桩复合地基处理方法。 对褥垫层作1 r j 机理的认识已比较清晰，但埘其1 作状态的准确模拟很困难。目 前，一般基于各种假定对其破坏机理进行理论分析。毛前、龚晓南【3 0 】在探讨桩体的 卜刺入变形量与褥垫层、桩体、桩问土之间的关系时，采用了小孔扩张理论进行分 析。王年云【3 1 l 假定桩顶刺入褥垫层时，褥挚层的破坏滑动面形状符合t e r z a g h i 对数 螺旋线，山极限平衡分析得出褥垫层料内摩擦角的上限值。刚时，基i 丁：滑动面刚 好，j 基础底而接触时，滑动面不受基础底面干扰，刚力最小。提出了褥挚层最小厚 度的概念及其近似计算公式。两种假定的破坏模式都是建立在褥垫层厚度较大的情 况下，但在实际 ：程中挚层厚度比较薄。于瑞永【= 5 2 】同样采用滑移线场理论解释厂桩 顶上刺入褥蛰层的变形过程，推导出c 阳桩刚要发生| 二刺入变形时桩七应力的关系 式。池跃君【= ；3 】等假定桩端溶入硬土层，桩顶向褥垫层刺入，采用g a n d e l 与s a l e n c o n 破坏模式进行分析，得出了桩七麻力比n 、褥挚层厚度h 、内摩擦角巾的关系式，可 以根据设计要求的桩卜应力比n 、褥挚层材料的内摩擦角巾来确定合理的褥挚层厚 度，以及反推桩土鹰力比。 总的看来，c f g 桩复合地基的研究主要集中在：桩体利料及其性状；加固机理； 褥垫层技术；承载、变形特性等方面。 】3 5 软土路基工后沉降研究现状 软土路基的工后沉降一般队为由超静孔隙水压力消散而产d i 的= e 同结沉降及由 于_ 一骨架蠕变产生的次同结沉降组成。两者在不同【程i ：后沉降量中所占的比例也 小同，主要与软士的工程性质，土层厚度、地基处理方式等有关。汤连生等【3 4 j 对京 珠高速公路软基的工后沉降监测结果分析后，认为采用袋装砂井堆载预压处理的广 硕士学位论文 珠段软基工后沉降主要是由未完成的主同结沉降和次l _ 占| 结共同构成的。刘增贤【3 5 1 同 样分析了京珠高速公路广珠段坦尾互通软基段的工后沉降，认为对于较厚的软土层， 在路基填筑至设计高程以后的几年内，主固结引起的沉降变形仍是主要的。 赵维炳等【3 6 1 结合广珠东线高速公路深厚软基堆载预压和真空联合堆载预压两现 场试验段，应用固结、流变和损伤理论埘路基工后沉降规律进行有限元分析。结果 表明，i - - 卧层的主固结压缩和整个路基的次固结压缩是高速公路路基工后沉降的主 要组成，软基下卧层的工后沉降在地基总的工后沉降中所占的比例很大，该比例随 路堤高度增加而增大，随加固深度增大而减小。因此，控制工后沉降的地基加固设 计关键是在已定的路堤高度下，合理确定加固深度和预压期。进行地基处理时必须 控制_ _ 后沉降。总的看来，i 一后沉降方面的研究大部分还局限于已建工程的分析方 面。 1 4 本文的主要：作 柔性基础( 荷载) 下c f g 桩复合地基的承载特性、变形机理目前研究较少，在 公路建设中，如何从控制工后沉降出发来进行c f g 桩复合地基设计有待于进一步研 究。因此本课题从依托r 程现场实测资料出发，对柔性荷载下c f g 桩复合地基变形 机理进行分析，考虑桩一士一褥垫层的共同作用，列变形协调方程进行了推导，探 讨了柔性荷载下c f g 桩复合地基沉降的计算，并进行了有限元模拟分析。利用双层 地基固结理论，对c l i g 桩复合地基的i 刮结特性进行r 研究。主要内容有： 对选定的试验段进行了现场试验研究，分析了c i ；g 桩复合地基的承载特性、变 形机理。分层沉降结果表明，下卧层沉降存c f g 桩复合地基总沉降中占较大比例： 桩身应力分布结果表明，桩身应力的最大点在桩身l 】部，验证了桩侧摩阻力的分布 趋势；静载试验结果验证了褥挚层在彤成桩土复合地基的重要作用，褥垫层的合理 设置，可进一步提高复合地基的承载能力。 在赵维炳教授和施健勇教授编写的t d b c 一9 5 平哺有限元程序的基础卜进行了改 编，考虑了路堤刚度对地基沉降的影响，土体的圄结与流变特性对【一后沉降的影响， 对典型段面进行了有限无数值模拟，并对不同l 况进行了仿真计算，分析了c t ? g 桩 复合地基荷载传递及沉降变化规律。 利用双层地基固结理论，推导了c f g 桩复合地基加吲区、下卧层- f l i s 分布公式， 得出了复合地基平