（岩土工程专业论文）cgf桩复合地基计算与分析.pdf

西南交通大学硕士研究生论文第1 页 摘要 地基处理是目前土木工程中比较活跃的研究领域，复合地基理论近十多 年，得到了较大的发展。但是由于复合地基中设置的增强体材料不同、强度 不同、发挥的效用不完全相同，因而各类复合地基的机理也就不相同，这就 导致各类复合地基的承载力计算方法、沉降计算方法各不相同。 本文对于复合地基的承载特性及设计方法进行了较系统的研究。 首先，对现有散体材料桩的极限承载力计算公式进行了讨论，介绍了修 正的被动土压力法，使计算结果更为合理。在工程实践及试验基础上，分析 了考虑桩与桩间土相互作用的散体材料桩复合地基的承载力计算公式，讨论 了散体材料桩复合地基沉降计算方法，给出了散体材料桩桩身变形模量的确 定方法，讨论了散体材料桩复合地基的一般设计方法。 其次，本文通过现场试验并借助大型有限元分析软件a n s y s ，考虑复合 地基中各种材料的非线性特性，对c f g 桩复合地基的沉降特性进行了现场试 验和数值模拟分析，找出c f g 桩复合地基的应力场、位移场、变形特性的一 些规律。着重对复合地基的沉降与桩长和桩距的关系进行了研究。在此基础 上，利用大型有限元分析软件a n s y s 对其进行了优化。 最后，讨论了刚性桩复合地基的设计思想，在软弱地基土上进行了c f g 桩复合地基在不同荷载下的静载荷试验，确定了桩间土承载力发挥系数。通 过不同厚度褥垫层的试验，结合工程实践，得到c f g 桩复合地基褥垫层的合 理厚度，讨论了刚性桩复合地基的承载力计算方法、沉降计算方法以及刚性 桩复合地基设计参数的选取问题，同时对c f g 桩在软土地区的施工工艺进行 了研究，对c f g 桩复合地基承载力的概率特性进行了分析。 关键词c f g 桩：复合地基；承载力；沉降；桩土应力比 西南交通大学硕士研究生论文第1 i 页 a b s t r a c t g r o u n di m p r o v e m e n ti sav e r yv i v i dr e s e a r c hf e l di nc i v i le n g i n e e r l n ga t p r e s e n t t h et h e o r yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sg r e a t l yd e v e l o p e di nr e c e n tm o r e t h a nt e ny e a r s b e c a u s et h em a t e r i a ls t r e n g t ha n de f f e c ta r en o ts a m ef o rt h e d i f f e r e n tr e i n f o r c e d p i l eb o d yi n s t a l l e d i n c o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，t h ew o r k m e c h a n i s mo fa l lk i n d so f c o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ed i f f e r e n t i tl e a d st ot h a tt h e c o m p u t a t i o n m e t h o d so f b e a r i n g c a p a c i t ya n ds e t t l e m e n to f a l lk i n d so f c o m p o s i t e f o u n d a t i o na r ed i f f e r e n t t h e b e a r i n gc a p a c i t y c h a r a c t e r i s t i c sa n d d e s i g n m e t h o d so f c o m p o s i t e f o u n d a t i o na r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a tf i r s t ，t h ec o m p u t a t i o nf o r m u l a so ft h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e g r a n u l a r m a t e r i a l p i l ea l ed i s c u s s e d t h em o d i f i e dp a s s i v ee a r t hp r e s s u r e m e t h o di s p u tf o r w a r d i tm a k e t h er e s u l t sm o r er e a s o n a b l e b a s e do ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e a n de x p e r i m e n t ，c o n s i d e r i n gt h el a t e r a li n t e r a c t i o no ft h ep i l ea n ds o i lb e t w e e n p i l e s ，t h ec o m p u t a t i o nf o r m u l ao fb e a r i n gc a p a c i t yo fg r a n u l a rm a t e r i a lp i l e i s p r o p o s e d t h ec o m p u t a t i o nm e t h o d o f b e a t i n gc a p a c i t yo fg r a n u l a rm a t e r i a lp i l e i s d i s c u s s e d ，t h ed e t e r m i n i n gm e t h o do fp i l eb o d ym o d u l u so fd e f o r m a t i o no f g r a n u l a rm a t e r i a lp i l e i s g i v e n b yt h ep a r a m e t r i cp o t e n t i a le n e r g yv a r i a t i o n a l p r i n c i p l e ，t h ea n a l y t i cs o l u t i o no fe x p a n s i o np r o b l e mo fg r a n u l a rm a t e r i a lp i l ei s o b t a i n e d t h ec o m r n o nd e s i g nm e t h o d so fg r a m m a rm a t e r i a lp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o na r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fr e i n f o r c e d g r o u n db y m e a n so fm e d e lt e s ta n dt h ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s s o r e e b a s i c r e g u l a r t i e s o ft h el o d ad i s t r i b u t i o n d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r s ，a n ds oo n ，h a sb e e ng a i n e d ，t h eb e t w e e n t h el e n g t ho f p i l ea n ds e t t l e m e n t a r ew o r ko u t ，w h i c h p r o v i d et h e r e u n d e rf o ro p t i m i z a t i o n ，t h e nt h eo p t i m i z a t i o no f c f g p i l ec o m p o s i t e i sd o n e b y m e a n so f a n s y s a tl a s t t h ed e s i g nt h o u g h to fr i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sd i s c u s s e d b a s e do nt h es t a t i cl o a dt e s tl o a do f f l y a s hc o n c r e t ep i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nw i t h b e a r i n gp l a t e s o fd i f f e r e n td i m e n s i o ni ns o f t s o i l r e g i o n ，t h e m o b i l i z a t i o n c o e f f i c i e n to ft h eb e a t i n gc a p a c i t yo fs o i l b e t w e e np i l e si sd e t e r m i n e d b yt h e e x p e r i m e n t s o fs a n do r g r a v e l c u s h i o nw i t hd i f f e r e n t 廿i c i m e s s a l o n gw i t h 西南交通大学硕士研究生论文第j ij 页 e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h ep r o p e rt h i c k n e s so f s a n do rg r a v e lc u s h i o ni sp r o p o s e d i nr i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h ec o m p u t a t i o nm e t h o d s o f b e a r i n ge a p a e i t y 、 s e t t l e m e ma n ds e l e c to f p a r a m e t e r i nr i g i dp i l e s s s s sc o m p o s i t ef o u n d a t i o nd e s i g n a r ed i s c u s s e d t h ec o m p o u n dp r o p o r t i o nt e s t so fp i l eb o d ym a t e r i a lo ff l y a s h c o n c r e t e p i l ea r e c a r r i e do u t t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f f l y a s hc o n c r e t ep i l ei n s o f t s o i lr e g i o ni ss t u d i e d t h ep r o b a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i co fb e a r i n gc a p a c i t yo f r i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i sa n a l y z e d 【k e y w o r d s1 ：c f g p i l e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，b e a r i n gc a p a c i t y , s e t t l e m e n t ， p i l e - s o i ls t r e s sr a t i o 西南交通大学硕士研究生论文第1 页 1 1 复合地基概述 第一章绪论帚一旱瑁化 当天然地基不能满足结构对地基的要求时，需要进行地基处理或采用桩 基础。地基处理的方法很多，尤其是近二十年来，随着土木工程建设持续、 高速发展，地基处理技术已经有了极大的发展“”。 复合地基是指天然地基处理过程中部分土体得到加强、或被加强、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) 和 增强体两部分组成的人工地基。 根据地基中增强体的方向又可分为水平增强体和竖向增强体复合地基。 水平增强体复合地基“1 主要包括各种加筋材料，如土工聚合物，金属材 料格珊等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩体复合地基。3 ，如图l 一 1 ( a ) 和( b ) 所示。桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类：散体 材料复合地基，柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。 p d ( a ) 水平增强体复合地基( b ) 竖向增强体复合地基 图1 1 复合地基分类 散体材料复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度， 单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料 桩复合地基的承载力主要取决于散体材料的内摩擦角和周围地基土能够提供 的桩侧侧阻力。散体材料复合地基的桩体主要形式为碎石桩，砂桩等。 柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定的粘结强度。柔性桩 由部分强度高的士与其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩土共同作用， 通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基 和柔性桩复合地基具有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力具有 较大的调整幅度。 墨 西南交通大学硕士研究生论文第2 页 散体材料桩复合地基，柔性桩复合地基和刚性桩复合地基，由于其作用 机理不同，破坏模式不同，其承载特性及变形特性也不相同，三类复合地基 有各自的承载力及沉降计算方法，其设计方法也有一些差异，因此应分别加 以研究。 近年来，在砂石桩，水泥土类桩等柔性桩复合地基的理论和实践逐渐成 熟的情况下，刚性桩复合地基技术也日益得到广泛推广。其中水泥粉煤灰桩 ( 简称c f g ) 就是刚性桩中的一种，由于这种桩刚度较大，不仅可以发挥桩 的侧阻，桩端若落在好的土层，还可以比较好的发挥端阻作用。刚性桩复合 地基于其它类型的复合地基相比，地基的承载力提高幅度大，桩体质量和桩 身完整性都比较好。目前已在全国2 3 个省，市自治区推广应用，特别是在近 几年来，c f g 桩复合地基技术在高层建筑物地基的广泛应用，现在已成为地 基处理最为普遍的地基处理技术之一【6 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 复合地基的发展 地基处理是古老而又年轻的领域。木桩处理在我国应用历史悠久，浙江 省余姚市河姆渡出土的文物表明，我们的祖先在7 0 0 0 多年前已能采用各种木 桩以加固沼泽地基建造干拦式建筑。2 0 0 0 多年前，石灰作为建筑物基础垫层 材料以及石灰稳定土的技术已在我国应用。而现在的复合地基技术是工程技 术人员在工程实践中总结和发展起来的。它的发展基本有：一是当软弱地基 上建筑结构物时，工程技术人员很自然想到在土体中设置比土体强度高的增 强体：另一种是当采用桩基础时，工程技术人员在实践中经常发现结构物底 板下的土表现出来一定的应力水平而承担着荷载，因此也很自然想到将面积 较大，承载能力较低的土体纳入承载要素范围共同承受上部结构荷载。因此， 如何同时充分发挥竖向增强体和土体的承载力，是发展现代复合地基技术的 出发点。 现代地基处理技术应从1 9 世纪3 0 年代欧洲应用砂桩算起”1 。后来德国 s s t e u e r m a n 在1 9 3 0 年提出采用振冲法加密砂性土原理。1 9 3 3 年，德国的 j k e e l l e r 制成了第一台振冲器，并于1 9 3 5 年在纽伦堡用于加固松散粉砂地 基。后来在美国，欧洲，日本等地得到应用。1 9 6 0 年左右在英国开始将振冲 法应用于粘性土地基。1 。不久，在德国，美国和日本也用于加固软填土地基。 1 9 7 6 年下半年，南京水利科学研究所和交通部水运规戈0 设计院共同研究振冲 西南交通大学硕士研究生论文第3 页 法加固软填土地基技术，1 9 7 7 年试制造出我国第一台1 3 k w 的振冲水冲器， 1 9 7 7 年9 月首先用于南京船厂船体车间软粘土地基加固，加固深度1 3 到1 8 【l 。 1 9 7 7 年英国b u r l a n d 教授等学者根据桩土相互作用理论研究指出 9 】，对 于天然地基的强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况，可以采用少量 的桩来减少沉降。 1 9 7 9 年h o o p e r 教授根据有限元的模拟分析指t i l t 旧】，为了建立竖向冈4 度 较大的桩土复合地基而需要的桩数不多，桩数的进一步增加对减少最大沉降 和差异沉降作用很小。 1 9 8 0 年澳大利亚著名学者h q p o u l o s 教授根据筏桩土相互作用的分析 提出了仅用于减少沉降的桩基础的沉降公式【1 1 1 。 8 0 年代初在瑞典进行了大量的有关减少沉降的复合地基桩基基础的理论 和现场试验的系统研究，并由j w 设计顾问提出了c r e e pp i l e ( 屈服桩，或蠕 变形桩) 的设计概念和方法，在瑞典得到了应用和发展。其设计基本原则是： 最大限度的发挥桩的承载力，使桩的安全系数为1 0 。 七八十年代英国建筑研究所( b r e ) 对桩筏基础进行了一系列的实测试 验，室内模型试验和理论研究，1 9 8 6 年r ，w c o o k e 总结了他对伦敦硬土地区 高层建筑桩基础研究的几十年成果f ”l ，认为按照目前强度控制的桩基常规设 计方法的桩基础的实际的安全系数要远大于设计中所选取的2 或3 ，并且指 出，“在桩基础纯粹用来减少基础沉降的地方，均质土中模型试验表明，在桩 间距为4 倍桩径时再加入更多的桩并不显著的减少沉降。试验结果和简单的 分析都表明，6 倍和8 倍的桩径的桩间距几乎与小桩径一样有效。 1 9 7 9 年童翊湘基于群桩基础工作机理的分析，提出了分不同情况按沉降 设计桩基的初步想法，例如，“当容许建筑物产生较多下沉，仅天然地基不满 足要求而采用桩基础时，可令土与桩共同承担外荷载，土的容许应力为 6 0 8 0 k p a ，余下的荷载由桩来承担，每根桩可发挥极限承载力q 。同时应验算 整个桩基的整体强度；在估算桩基下沉时，要考虑土与桩两者共同传来的应 力”。 上个世纪八十年代中后期，上海民用建筑设计院黄绍铭等人在所提出的 以g e d d e s 应力解为基础的桩基沉降计算方法的基础上，提出减少沉降量桩基 的设计思想和方法，并开始进行了工程实践尝试。1 9 9 1 年在“减少沉降量桩 基的设计和初步实践”( 第六届全国土力学及基础工程学术会议论文集) 一文 中将其研究成果进行了总结，认为减少沉降量桩基实质上使以变形控制为原 则，考虑桩与土或者桩与承台作用，介于天然地基浅基础和桩基之间的一种 西南交通大学硕士研究生论文第4 页 基础形式，并提出了有关基础极限荷载和基础沉降的计算公式 1 4 l 。 同济大学从八十年代初就开始了桩土相互作用课题的研究。赵锡宏课题 组对高层建筑与地基基础( 包括非线性) 共同作用进行长期的理论和现场试 验研究工作，出版了上海高层建筑筏基与桩箱基础设计理论和带裙房 的高层建筑与地基基础共同作用的设计理论等著作。1 9 8 8 年杨敏教授在“上 海地区桩箱基础的沉降与整体倾斜分析”( 工程勘测，1 9 8 8 年第四期) 一 文中首次讨论了在目前的桩基础设计中减少桩数节约工程造价的问题，指出 “对于由沉降控制而确定用桩数量的桩箱基础来说，如果建筑物对沉降并不 特别敏感，则在地基强度能够满足的情况下，减少用桩数量，基础的沉降虽 有所增加，也不会引起建筑物发生使用上的困难”，并与1 9 8 9 年开始在上海 的多层和小高层建筑物的基础设计中应用减少沉降的桩基的概念进行了实际 工程的应用实践。为交流和推动减少沉降桩基础的发展 1 ”，1 9 9 6 年9 月又在 同济大学召开了我国首次“软土地基变形控制理论和工程实践学术讨论会”。 1 9 9 7 年杨敏教授根据近似的桩土相互作用弹塑性分析，从机理上讨论了桩 数变化对基底下的应力场的影响问题，计算结果表明，桩数的多少直接影响 基础板以下的地基土中的应力场，从而将导致不同桩数对有不同的沉降结果， 这与我们传统的实体深基础模型中采用的基本假定是完全不同的。 1 9 9 2 年南京建筑工程学院宰金珉教授提出了复合桩基的设计方法【l ，并 将“复合桩基”定义为系按大桩距( 5 - 6 倍桩径及其以上) 布置的低承台摩 擦群桩或端承作用较小的端承摩擦桩与承台底土体共同承载的桩基础，其设 计计算满足总体安全度k 2 和总沉降小于容许沉降的双重控制条件。 九十年代初浙江温州i 市建筑设计院管自立工程师基于充分利用温州地区 浅埋硬土层良好承载力的考虑，提出了疏桩基础的设计思想，提出对传统桩 基设计所确定的桩的数量和间距进行精减与疏布。他认为，在饱和软土地基 中，地基土对桩的容量存在一个“最佳桩容量”( 满足承载力要求，需要的最 少桩数) ，对应于这个“最佳桩容量”时的建筑物沉降为最小，但由于目前还 处于推广疏桩基础的阶段，他建议疏桩率控制在3 0 4 5 为宜1 。 我国现代地基处理技术应从5 0 年代中期引入苏联阿别列夫教授1 9 3 4 年 首创的土桩加密法开始，在西北黄土地区进行了土桩挤密法研究和应用。6 0 年代中期，西安地区在土桩挤密法的基础上成功的应用了灰土挤密桩法，并 在7 0 年代起逐步推广应用“。 中国土木工程学会土力学及基础工程学会( 现在更名为土力学及岩土工 程学会) 地基处理学术委员会自1 9 8 6 年起至2 0 0 0 年共主办了六次全国地基 西南交通大学硕士研究生论文第5 页 处理学术讨论会( 第一届在上海宝钢，1 9 8 6 ；第二届在山东烟台，1 9 8 9 ；第 三届在河北秦皇岛，1 9 9 2 ；第四届在广东肇庆，1 9 9 5 ；第五届在福建武夷山， 1 9 9 7 ；第六届在浙江温州，2 0 0 0 ) 。每次会议论文数均超过1 0 0 篇，内容涉及 地基处理技术中的各个方面，反映了地基处理领域的主要成就和发展水平。 复合地基的概念形成于6 0 年代，且已经成为很多地基处理方法的分析及 理论公式建立的基础及根据。这最早产生于砂桩加固地基的分析，随后广泛 地应用于土桩，碎石桩，深层搅拌桩，石灰桩等加固的理论分析之中“。 由于地基处理技术应用的时间不长，相比较而言复合地基的理论落后于 实践，因此，复合地基作用机理及设计理论的研究正处于发展之中，尚不够 成熟。应重视复合地基理论的研究工作。 以下就散体材料桩，柔性桩及刚性桩复合地基的发展概况作简要的介绍。 散体材料桩主要包括砂桩和碎石桩。砂桩于1 9 世纪3 0 年代起源于欧 i n 。 在长时间内由于没有实用的设计计算方法，缺少先进的施工工艺和施工设备 而影响了它的发展。二次世界大战以后，前苏联在这方面的研究取得了较为 广泛的应用。砂桩在上世纪5 0 年代引入我国，在工业和民用建筑，交通，水 利等工程建设中都得到应用。尤其是在近2 0 年来，采用砂桩加密松散砂土地 基，软土地基，或防止砂土振动液化砂土地基。崔云翔( 1 9 8 0 ) 探讨了采用 冲孔捣实施工法施工砂桩的效果。史美均( 1 9 8 0 ) ，杨灿文( 1 9 8 5 ) 采用挤密 砂桩加固软土地基和饱和粉细砂土地基均取得了较好的效果。”“。 振冲法应用于粘性土地基时，填入石料的桩体称为碎石桩，这些桩体与 原地基土一起构成复合地基，该方法称为振冲碎石桩法。振冲碎石桩法与振 冲砂桩一样，除对桩间土的挤密作用外桩体同时具有置换作用和排水作用。 自1 9 7 7 年9 月振冲碎石桩用于南京船厂船体车间软粘土地基加固开始， 根据不完全统计，我国已经有2 1 0 0 台振冲器投入工程使用，振冲加固总进尺 2 亿2 千多万延米，于旧有地基处理方案相比节约了处理投资数十亿元，同 时大幅度缩短了工程的施工工期，节省了大量的“材料”，为国家取得了重大 经济效益，1 9 7 8 年9 月制定了振冲碎石桩加密砂基暂行施工操作规程。 在北方，重点对地震区易液化的砂性土振冲置换加固地基进行了工程应用和 研究。在南方，重点对饱和软弱的粘性土进行了设计计算方法。在1 9 7 9 年至 1 9 8 2 年振冲法被大量采用，应用到强度大于1 5 4 k p a 的地基，加固机理及大 量室内模型研究取得了显著成果，推动了振冲地基的理论发展。冶金部建筑 研究总院王余庆，中国建筑科学院地基所张永均研究了碎石桩的排水减压。 抗液化影响范围，布桩范围及深度对场地加固区抗液化的影响：南京水科院 西南交通大学硕士研究生论文第6 页 研究了碎石桩的压溃破坏情况；高国瑞、段光贤还在现场采集了深层土样用 电子显微镜拍片，进行振前、振动后的微观结构变化对比。 康景俊采用振冲法加固坝基，李宏秀采用碎石桩加固电厂地基均取得了 较好的效果。盛崇文推荐用桩或土的荷载实验资料、置换率及经验估计桩土 应力比来推算复合地基的变形模量，计算复合地基的承载力、沉降量。林孔 锱采用圆弧滑动法计算复合地基的极限承载力。还建议用桩、土各点沉降相 等原则解五个联立方程求解桩，土应力及沉降量等方法。 b r a u n s 于1 9 7 8 年基于鼓胀破坏模式，根据极限平衡提出了碎石桩承载 力的计算方法。根据对单桩破坏型式的不同假设，单桩承载力计算理论还有 圆孔扩张理论，考虑涂抹、尺寸效应等影响的计算式，且多数是从应力路径 入手求单桩承载力。即使是推荐的b r a u n s ( 1 9 7 8 ) t h o r b u r n ( 1 9 6 8 ) 和 h u g h e s & w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) 等建议的单桩承载力计算值有时也相差很大。 r a n j a n & r a o ( 1 9 8 6 ) 根据圆孔扩张理论而建立的计算式也是先求桩间土的承 载力或碎石桩的承载力及桩土应力比，再得到复合地基的承载力”“。 郭蔚东由塑性理论导出塑性能量法、广义b r a u n s 法等新方法可以分别用 来求碎石桩发生鼓胀破坏、整体剪切破坏及相应破坏型式的复合地基承载力。 郭蔚东还提出了增量沉降模量法、饱和黄土碎石桩复合地基沉降计算方法。 韩杰采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变形。吴永红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“”。 王余庆应用现场静荷载试验资料对圆筒形扩张理论、被动土压力理论、 极限平衡理论等进行了可行性研究，林孔锱探讨了碎石桩复合地基小型载荷 试验和大型载荷试验的应力应变相互关系规律，从而可望得到由小型载荷资 料推求到大型载荷试验的结果。 陈振建、盛崇文经过室内试验和有限元分析后认为，可将均质土层中完 全贯穿桩的解推广到多层土情况下的满堂加固基础，并给出了等效单元的线 弹性和理想弹塑性解析解。文中给出的桩土应力比公式求得的桩土应力比与 积累的实测值范围重合。龚文惠对碎石桩复合地基的桩土应力比进行了实测 研究。”1 。 倪土坎提出了软粘土地基中的土工织物袋碎石桩法，并进行了室内试验 研究。高有潮采用射水成i l ，对软粘土地基采用袋装碎石桩进行加固，取得 了较好的效果。汤国璋对碎石桩在软土中的鼓胀破坏特征，在距离桩顶5 倍 桩径范围内采用土工格珊加筋，提高碎石桩上部强度，从而提高桩的承载力， 西南交通大学硕士研究生论文第7 页 并通过力学分析，提出碎石桩承载能力的计算方法。“。 为避免水冲污染发展起来的干振碎石桩法应用于地下水位以上的松散的 粘性土、杂填土及湿陷性黄土具有较好的效果。吴廷杰进行了系统的试验研 究并用于工程实践。此后在工程中得到推广应用n 。 碎石桩复合地基的检测方法从7 0 年代末碎石桩开始应用就基本明确，至 8 0 年代初期，已基本统一和完善。汪益基采用静载荷试验和动力触探对油罐 振冲碎石桩复合地基进行了检测。谷晓阳建立了由重型动力触探结果推求复 合地基强度的关系式，朱小友也建立了重型动力触探锤击数与桩身强度f 。的 关系式，由此可估算碎石桩复合地基承载力并明确指导施工随机监控成桩质 量。周建安将碎石桩复合地基静载荷试验曲线分为光滑型和二次屈服型，并 探讨了其差异的内在机理，提出了动力触探锤击数确定复合地基承载力的关 系式。陈云敏采用表面波频谱分析法检测振冲碎石桩，取得了良好的效果。 郭树谦采用动力触探、静载荷试验和稳态强迫振动法对碎石桩复合地基进行 检测，三种测试方法结果基本一致。 田海采用同时测定复合试样中增强体应力与土体应力的方法，来探索复 合地基的桩土相互作用问题。“。i j u r a n 和0 r i c c o b o n o 对碎石土复合地 基进行了室内模型试验，将复合体作为整体，研究了在应力边界条件下复合 体的特性。黄文峰对试验帽和橡皮膜加以改进，通过直接量测碎石增强体与 基土界面上的径向力来加深对碎石桩复合地基桩土相互作用的认识，并探索 了碎石桩复合地基强度参数与组成复合体的材料的各自强度参数的关系。”。 姜前研究了碎石桩复合地基变形模量的计算方法。张定根据桩土应力应 变连续协调的原理提出了桩土变形模式，并建立了散体材料应力比表达式及 复合地基的沉降公式。张定论述了散体材料桩复合地基中桩体变形模量与综 合应力及竖向应变的关系，对群桩复合地基、单桩复合地基中载荷试验分别 建立了桩体变形模量计算公式。张定通过对碎石桩复合地基竖向及径向应力 应变关系分析，提出了桩土应力比公式及沉降计算方法。”1 。 自1 9 7 8 年，我国就对地震区易液化的砂土或粉土振冲加固机理进行了工 程应用和研究。证明用振冲法加密和设置砾石排水桩后，振冲地基部天然地 基孔隙水压力降低2 3 左右，复合地基已经具有良好的抗8 度地震液化性能。 林本海建立了动荷作用下反映砂土一碎石桩复合地基的孔隙水压力产生、扩 散和消散的三维微分控制方程组，这个方程组与按极限平衡原理及土体实际 孔压发展特点所建立的土体失效和液化评判标准一起，构成了复合地基的液 化检验理论。 西南交通大学硕士研究生论文第8 页 柔性桩复合地基主要包括土桩及灰土桩复合地基、石灰桩复合地基、深 层搅拌水泥土桩复合地基和高压旋喷桩复合地基。柔性桩根据桩体与土相对 刚度分为两大类，一类为土桩、灰土桩和石灰桩，一般来说e o e 。 1 0 。前者效应不是很明显，后者桩体效应十分明显。 土桩挤密法是前苏联阿别列夫教授1 9 3 4 年首创，并在工程建设中得到广 泛应用。我国自5 0 年代中期开始，在西北黄土地区进行了土桩挤密法研究和 应用。6 0 年中期，西安地区在土桩挤密法的基础上成功地应用了灰土挤密桩 法，并在7 0 年代起逐步推广应用。国家行业标准建筑地基处理技术规范 ( j g j 7 9 - 9 1 ) 和( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 中都已经编入土桩和灰土桩适用于处理地下 水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土地基。“。 陆震亚、杨鸿贵对灰土的力学性能及土桩地基机理及承载特性进行了比 较系统的研究。”1 。 刘三仓对灰土桩的应力分布、桩间土承载力进行了试验研究，并提出了 灰土桩复合递交的计算方法”1 。 石灰桩法最早在我国应用。1 9 2 9 年在天津开业的德国工程师e h u n k e 发 表的述及中国灰土和石灰桩的文章是迄今为止有关生石灰桩的最早记录。5 0 年代初，天津大学范恩锟教授开展了石灰桩加固软弱地基的研究。1 9 5 7 年， 铁道科学院等单位进行了石灰桩、换填土、砂垫层，长砂井、短密砂井加固 路基的对比试验。1 9 7 9 年江苏省科学院开展石灰桩的研究。1 9 8 5 ，太原工业 大学等单位也进行了石灰桩的试验研究。1 9 8 7 年，根据建设部“七五”计划 重点科研课题的要求，湖北省建筑科学研究设计院等单位开展石灰桩复合地 基的设计计算和成桩工艺的试验研究，取得了一系列的成果。除此以外，石 灰桩己大量应用于工程实践，取得了非常成功的经验。 我国由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院于1 9 7 7 年1 0 月开 始进行深层搅拌法的室内试验和机械研制工作。1 9 8 0 年初上海宝山钢铁总厂 第五冶金建设公司在三座卷管设备基础软土地基加固工程中f 式采用并获得 成功，同年1 1 月由冶金部基建局主持，通过了“饱和软土深层搅拌加固法” 鉴定。铁道部第四勘测设计院于1 9 8 3 年进行了粉体喷射搅拌法的研究，除采 用水泥粉外，还采用石灰粉固化剂。 关于水泥土桩复合地基进行了大量的室内外试验研究、理论分析及数值 模拟，取得了一大批成果，使得深层搅拌水泥土桩的设计理论趋于成熟。1 9 8 6 年，周国均研究了搅拌加固软粘土的特性，林琼利用萧山粘土进行了不同置 西南交通大学硕士研究生论文第9 页 换率的水泥土一土桩复合土体试样的一维固结试验，表明复合体的压缩模量 与置换率并不成线性关系，而与竖向荷载有关。刘一林利用宁波粘土进行不 同置换率的水泥一土复合土体试样的固结不排水三轴剪切试验，探讨了复 合土体的应力应变关系及强度特性。王启铜研究了水泥土桩的沉降特性。张 土乔对水泥不同掺量龄期强度进行了大量试验，得到其应力应变关系以及水 泥土搅拌桩的破坏特性。段继伟通过现场足尺试验，研究了水泥搅拌桩荷载 传递规律，并采用有限元进行了分析。叶关宝、马海龙对水泥搅拌桩复合地 基也进行了试验研究。章胜南、秦然对水泥搅拌桩复合地基的桩土应力比进 行了探讨。王朝东、顾尧章讨论了水泥搅拌桩临界桩长问题。姚笑青将临界 桩长引入水泥土搅拌桩复合地基沉降计算之中”。 周建民对深层搅拌桩复合地基继续了有限元分析。张捷根据b i o t 固结理 论，采用有限元方法对水泥搅拌桩复合地基固结特性进行了分析。洪昌华、 何军对深层搅拌桩复合地基承载里可靠性进行了分析研究。 刚性桩复合地基的设计思想由中国建筑科学研究院黄熙龄院士提出，中 国建筑科学研究院地基基础研究所于1 9 9 1 年开发成功的c f g 桩复合地基。它 与一般的桩基明显不同，见图l 一2 ( a ) ，( b ) 所示。 p p ( a ) c f g 桩复合地基( b ) 桩基 图1 2o f g 桩复合地基和一般桩基示意图 基础 为了提高复合地基承载力、减少沉降，将碎石中掺入、粉煤灰和石屑， 于是形成了粘结强度较高的c f g ( c e m e n tf l y a s hg r a v e l ) 具有刚性桩的性 状。为保证土能共同作用，在桩顶铺设一定厚度的砂石褥垫层，以利于桩顶 向上刺入，由桩体、桩间土和褥垫层一起构成了c f g 桩复合地基，见图l 一2 ( a ) 所示。 阎明礼、吴春林、张东刚等对c f g 桩复合地基进行了系统的研究。阎明 礼对c f g 桩的作用机理，设计方法进行了全面的阐述。吴春林采用c f g 桩加 固软粘土，也取得较好的效果。他还讨论了c f g 桩复合地基承载力的简易计 西南交通大学硕士研究生论文第1o 页 算方法。张雁也对c f g 桩复合地基性状进行了分析“1 。 褥垫层技术是刚性桩复合地基的核心技术。杨军对褥垫层的作用进行了 讨论，阎明礼研究了c f g 桩复合地基中褥垫层技术。王长科考虑了基础一垫 层一复合地基共同工作时褥垫层的调整均化作用。娄国充考虑了带褥垫层的 桩式复合地基各部分的工作特性及相互影响，分析研究了其受荷机理、影响 桩土应力比和复合地基承载力的诸多因素。李宁采用数值方法对复合地基中 褥垫层的作用机理进行了研究，刘润分析了带褥垫层复合地基的作用机理， 并进行了现场试验研究。毛前、化建新也探讨了褥垫层的作用。 此后，除c f g 桩复合地基外，开发了很多刚性桩复合地基，例如二灰混 凝土桩复合地基、粉煤灰混凝土桩复合地基及其他低标号混凝土桩复合地基 等。 傅景辉推导出在荷载作用下，当桩端土层为文克儿地基时，桩土应力比 的设计计算公式，并对影响应力比的因素进行了探讨。郑刚讨论了剐性桩复 合地基承载力的检验方法”“。 除了以上所述对散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地 基所作的一些试验研究、理论简化外，采用数值方法分析复合地基的作用机 理的研究工作也不少。谢定义采用有限元一无界元三维非线性分析程序对桩 式复合地基进行了分析，可用于各类桩式复合地基。杨涛建议采用复合本构 有限元计算复合地基沉降。张忠坤采用有限元法对柔性单桩竖向加载、大面 积荷载作用下复合地基及路堤荷载作用下复合地基进行了分析，探讨了临界 桩长问题，得出了桩体临界桩长不仅与桩土模量比有关，而且也与荷载的分 布有关的结论。李宁采用数值试验模型，对不同种类的复合地基进行了全面 系统的数值仿真，探索了单桩复合地基相互作用的机理、荷载传递的性状及 附加应力的分布规律。邢仲星采用平面三维三角形单元和邓肯一张模型对刚 性桩复合地基和柔性桩复合地基进行了有限元分析。温晓贵对复合地基进行 了三维线状的数值分析。韩煊对复合地基中群桩相互作用机理进行了数值试 验研究。 y a m a m o t o ( 1 9 9 7 ) 和j u n g ( 1 9 9 8 ) 也采用有限元法对复合地基进行了数 值分析。y a m a m o t o 采用刚塑性有限元的分析结果与模型试验的结果相当一致。 由于我国是一个发展中国家，且软土分布范围广，工程需要推动地基处 理技术发展，因此我国的复合地基理论和实践水平在国际水平上是领先的。 但施工机械和工艺落后于发达国家。 国外应用较多的是碎石桩和砂桩。a s a o k a 研究了挤密砂桩对深厚软土的 西南交通大学硕士研究生论文第11 页 固结作用。o i k a w a 探讨了挤密砂桩设置后对软土产生的扰动。l e u n g 对五组 不同直径的砂桩进行了荷载试验，研究砂桩在不同的置换率下( 1 1 6 ) 桩 土荷载分担及应力集中系数。j u r a n 研究了挤密砂桩复合地基的沉降问题。 b e r g a r d o 对曼谷粘土进行了不同粒径及不同配比的砂石桩的大型静荷载试验 “3 】 日本除进行砂桩、碎石桩的研究外，石灰桩和水泥土桩也有了应用。日 本是复合地基研究和应用较多的国家，也是石灰桩应用最广泛的国家，尤其 是石灰桩旋工机械自动化程度较高。 总而言之，由于复合地基中增强体材料种类较多，导致增强体刚度变化 很大，渗透固结特性差别较大，而地基土性质也相差甚远，因此各类增强体 复合地基作用机理各不相同，寻求统一的设计计算理论是不可能的。工程建 设需要使得各种新的地基处理方法应运而生，然而复合地基的理论远落后于 实践，相信随着研究的深入，各类复合地基的作用机理及设计计算理论会日 趋成熟。 1 2 2 复合地基的作用机理和破坏形式 1 复合地基的作用机理： 组成复合地基中增强体的材料不同，施工方法不同，则复合地基的作用 也不同。综合各类复合地基的作用，主要有下面5 个方面： ( 1 ) 桩体作用 由于复合地基中桩体的刚度较周围土体大，在刚性基础下等量变形时， 地基中应力按材料的模量进行分配。因此，桩体上产生应力集中现象，大部 分荷载将由桩体承担，桩间土上应力相应减小，这就使得复合地基承载力较 原地基有所提高，沉降量减少，随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更为 明显。 ( 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，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 ) 排水固结作用 除砂( 砂石) 桩、碎石桩等桩本身具有良好的透水性能外，水泥土类桩 和混凝土类桩在某种程度上也可加速地基固结。地基的固结，不但与地基土 西南交通大学硕士研究生论文第12 页 的排水性能有关，而且还与地基上的变形特性有关。 ( 4 ) 挤密作用 对砂桩、土桩、灰土桩等，在施工过程中由于振动、沉管挤密等原因，可 使桩间土起到一定挤密作用。 ( 5 ) 加筋作用 复合地基除可提高地基的承载力外，还可以用来提高土体的抗剪强度因 此可提高土坡的抗滑能力。国外将砂桩和碎石桩用于高速公路的路基或路堤 加固，以提高地基土体的稳定性。 每种复合地基都具备其中一种或几种作用。各种复合地基的作用都是为 了达到提高地基承载力，改善地基的变形特性，减少在荷载作用下可能发生 的沉降和不均匀沉降，有时还为了改善地基的抗震性能并且复合地基技术较 充分地发挥了桩间土的承载能力，有效地节省了工程造价。选用合理的增强 体材料，如二灰混凝土桩复合地基技术，它合理地利用工业废料，能解决环 境污染问题。合理地选用和使用复合地基技术，具有较好的社会效益和经济 效益。这些优点使得复合地基技术具有较大的生命力，日益受到重视，并得 到愈来愈多的应用。复合地基现较多应用于大面积堆场基础、机场建设、油 罐基础、港口码头地基处理、路堤，多层建筑以及高层建筑的基础。 2 复合地基破坏模式 复合地基有多种破坏模式，复合地基按照哪一种模式破坏与其类型、增 强体材料的性质、增强体的布置形式等因素有关。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进而复合地基全 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偶然。大多数情况下，都是桩体先破坏，继 而引起复合地基全面破坏。 在外部荷载的作用下，复合地基的承载力达到极限时，复合地基就可能 发生破坏。竖向增强体复合地基破坏模式可以分成下述几种型式：刺入破坏， 鼓胀破坏，整体剪切破坏和滑动破