（岩土工程专业论文）武广客运专线桩网复合地基内力及变形监测与有限元分析.pdf

摘要 桩网复合地基是一种处理和加固软弱地基的有效方法，通过桩、 网、褥垫层三者之间的相互作用共同承担荷载，能有效解决软弱地基 上修建高速铁路所面临的工后沉降控制和路基稳定性两大技术难题。 本文在前人工作的基础上，通过室内试验、现场试验、理论分析和数 值模拟相结合的方法，对铁路客运专线路基中桩网复合地基的工作 性状和加固效果进行理论探索和工程实践分析，主要工作和结论如 下： ( 1 ) 根据现场地质条件和设计方案，合理选择监测断面，制定了 科学的监测方案，全面监测桩网复合地基中地基沉降、剖面沉降、 水平位移、土压力及桩土应力比、桩顶应力、土工格栅应变等的发 展规律。 ( 2 ) 对现场3 个监测断面填筑期和预压期( 共计2 16 天) 的监测结 果进行整理分析，其填筑高度为h = 6 2 m 。结果表明： 地基沉降随填筑高度的增加而增加，预压1 5 2 天后沉降基 本稳定。实测地基最大沉降值为1 2 9 2 m m - 1 3 7 9 m m 。 坡脚水平位移随深度增加而减小，实测水平位移值的变化 范围为2 9 m m - - 7 4 8 m m ，最大水平位移出现在地表以下1 5 m - - 2 m ， 且地表以下1 0m 及以下深度处，基本没有水平位移发生。 填筑期间桩土应力比随填土高度增加而变大，变化范围为 1 6 - - 5 4 ；填土结束以后桩土应力比逐渐趋于稳定，变化范围为4 4 6 2 。 上述结果验证了采用桩网复合地基控制地基沉降的有效性。 ( 3 ) 根据等效面积置换率原则进行平面应变处理，将桩体转化为 沿线路纵向无限长的墙体，通过设置无厚度界面单元模拟桩和土工格 栅与土体之间的接触作用，采用岩土工程有限元分析软件对桩网复 合地基进行有限元模拟。 ( 4 ) 将现场监测结果与有限元模拟结果进行对比，结果表明地基 沉降、水平位移、桩土应力比、桩顶轴力、土工格栅拉力等的实测 结果与数值模拟结果变化规律一致，验证了模型的合理性。 ( 5 ) 采用上述有限元模型，分别改变褥垫层厚度、褥垫层弹性模 量、桩间土弹性模量、桩间距等参数，研究上述因素对桩网复合地 基沉降、桩一土应力比、桩身轴力以及土工格栅拉力的影响规律和影 响程度。 关键词桩- 网复合地基，c f g 桩，土工格栅，褥垫层，应力比， 沉降，水平位移 a b s t r a c t t h e p i l e n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sa l le f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v e a n ds t r e n g t h e nw e a kf o u n d a t i o no fs o f ts o i l ，w h i c hb e a rt h el o a d st h r o u g h t h ei n t e r a c t i o na m o n gt h ep i l e s ，t h eg e o 鲥d ，t h ec u s h i o nl a y e r w h e n h i g h s p e e dr a i l w a yi sb u i l to ns o f ts o i lf o u n d a t i o n ，t h ep i l e - n e tc o m p o s i t e f o u n d a t i o nc a ns o l v et h et w ot e c h n o l o g yd i f f i c u l t i e se f f e c t i v e l y , w h i c hi s t h er e s i d u a ls e t t l e m e n tc o n t r o la n ds t a b i l i t yo fe m b a n k m e n t o nt h eb a s i so fs o m e b o d ye l s eh a v ew o r k e d ，m e t h o d ss u c ha st e s t i n g i nl a b o r a t o r ya n di nt h ef i e l d ，t h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e t c w e r eu s e dt os t u d yt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c ea n ds t r e n g t h e n e de f f e c t so f t h ep i l e - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o nb yt h e o r yd i s c u s s i o na n dp r a c t i c e a n a l y s i s ，w h i c hw a sa p p l i e di nt h es p e c i a lr a i l w a yl i n ef o rp a s s e n g e r t r a n s p o r t t h em a i na c h i e v e m e n t a n dc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： 、( 1 ) a c c o r d i n gt ot h eo n t h e s p o tg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dt h ed e s i g n s c h e m e ，t h em o n i t o rs e c t i o nw a sc h o o s e dr a t i o n a l l ya n dt h es c i e n t i f i c m o n i t o r i n gs c h e m ew a sm a d e t om o n i t o ri na na l l r o u n dw a yt h e d e v e l o p m e n tl a w s o ft h ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ，s e c t i o ns e t t l e m e n t ， h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，s o i lp r e s s u r ea n dp i l e s o i ls t r e s sr a t i o ，s t r e s so n t h ep i l e ，g e o 鲥ds t r a i n ，e t c i nt h ep i l e - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ( 2 ) a f t e ra n a l y z i n gt h e3m o n i t o rs e c t i o n so n - t h e - s p o t ，w h i c ht h e p e r i o d so fb u i l d i n ga n dp r e s si na d v a n c el a s tf o r2 16d a y sa n dt h ew h o l e b u i l d i n gh e i g h tw a s6 2m e t e r s ，t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： t h es e t t l e m e n to ft h ef o u n d a t i o ni n c r e a s e da st h eh e i g h to ft h e b u i l d i n ga tt h es a m et i m e i tb a s i c a l l yk e p ts t e a d ya f t e rb e e np r e s s e di n a d v a n c ef o r15 2d a y s a n dt h em e a s u r e db i g g e s ts e t t l e m e n to ft h e f o u n d a t i o nv a r i e db e t w e e n12 9 2m i l l i m e t e r sa n d13 7 9m i l l i m e t e r s t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n td e c r e a s e da st h ed e p t hi n c r e a s e d ， a n dt h em e a s u r e dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tv a r i e db e t w e e n2 9m i l l i m e t e r s a n d7 4 8m i l l i m e t e r s t h eb i g g e s th o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta p p e a r e da tt h e d e p t hb e t w e e n1 5m e t e r sa n d2m e t e r s i tw a ss h o w e d t h a tt h e r ew a sn o h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta tt h ed e p t ho f10m e t e r sa n dt h ed e e p e rp l a c e w a st h es a m e m t h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i oi n c r e a s e da st h eh e i g h to ft h eb u i l d i n ga t t h es a m et i m e ，w h i c hv a r i e df r o m1 6t o5 4 a f t e rt h ee m b a n k m e n tw e r e f i n i s h e d ，t h ep i l e - s o i ls t r e s sr a t i ot e n d st o w a r d ss t a b i l i t yg r a d u a l l y , w h i c h v 撕e df r o m4 4t o6 2 t h er e s u l t sa b o v eh a v e p r o v e d t h a tt h e p i l e - n e tc o m p o s i t e f o u n d a t i o ni se f f e c t i v ei nc o n t r o l l i n gt h es e t t l e m e n t ( 3 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fr e p l a c e m e n tr a t eo fe q u i v a l e n ta r e a , t h e t r e a t m e n to fp l a n es t r a i nw a sa p p l i e dt ot u r nt h ep i l e si n t ot h el i m i t l e s s l o n gw a l la l o n gt h el o n g i t u d i n a ll i n e t h ei n t e r a c t i o no fc o n t a c tb e t w e e np i l e s ，g e o g r i da n ds o i l sw a s s i m u l a t e db yi n t e r f a c eu n i tw i t h o u tt h i c k n e s s a n dt h ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ef o rr o c ka n ds o i l e n g i n e e r i n gw a sa p p l i e dt os i m u l a t et h e p i l e - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ( 4 ) a f t e rc o m p a r e dt h em o n i t o rr e s u l t so n - t h e s p o tw i t ht h er e s u l t s o ff i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n ，i ts h o w e dt h a tt h ev a r yl a wo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a st h es a m ea st h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，w h i c hw e r et h e f o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ，h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t ，p i l e - s o i ls t r e s sr a t i o ， s t r e s so nt h ep i l e ，g e o g r i df o r c e ，e t c s ot h er a t i o n a l i t yo ft h em o d e lw a s v e r i f i e d ( 5 ) t a k et h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la b o v e ，a n dc h a n g et h ep a r a m e t e r f o rt h i c k n e s sa n dt h ee l a s t i cm o d u l u so ft h ec u s h i o nl a y e r , e l a s t i c m o d u l u so ft h es o i l sb e t w e e np i l e s ，i n t e r v a la m o n gp i l e s t h ei n f l u e n c e l a wa n di n f l u e n c ed e g r e e st ot h es e t t l e m e n ti nt h ep i l e n e tc o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，t h ep i l e - s o i ls t r e s sr a t i o ，a x l es t r e s so np i l e sa n dg e o - 鲥d f o r c ew a sa n a l y z e dw i t ht h ef a c t o r sa b o v e k e yw o r d sp i l e - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，c f gp i l e ，g e o g r i d ， c u s h i o n l a y e r , p i l e s o i ls t r e s sr a t i o ，s e t t l e m e n t ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢 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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储躲弹日期业让月墨日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：犁 导师签名日期：必月蔓日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 随着我国中长期铁路网援划的颁布和京津、武广、郑西、石太、含宁、 合武、温福、福夏、涌温等9 条客运专线的立项与批准，我国的铁路事业进入 了一个崭新的发展阶段。 方面，高速铁路的发展对轨道结构提出了严格的要求。无碴轨道由于英 具有轨道平顺性好，整体性强，纵离、横向稳定性好，结构高度低，几何状态 持久，以及低维修量，社会经济效益显著等优点，在高速铁路中得到了越来越 广泛的应用。其应用范围已从隧道、桥梁发展到了土质路基和车站的道岔区。 在我国，无碴轨道工程技术取褥了一定的成绩，特别是在秦沈客运专线上 试镶的长枕埋入式、板式无碴轨道2 种结构，为无碴轨道的设计和施工积累了 宝贵的经验，尤其是板式无碴轨道上使用的c a 砂浆配方的开发与应用，接近国 际先进水平，为我国在即将建设的客运专线铁路上成规模铺设无碴轨道奠定了 坚实的基础。 另一方面，高速铁路对沉降控制也越来越严格。武广客运专线是按照国际 一流的客运专线的标准建设的，结构设计寿命为1 0 0 年，设计运行时速2 0 0 公 里，远景运行时速3 5 0 公里。对于路基沉降和不均匀沉降的控制相当严格，路 基的王后沉降一般限值为 1 5 m m ；沉降比较均匀且长度大于2 0 m 的路基，王后 沉降一限值为_ 3 0 r a m 。 为了有效地控制地基沉降，必须对路基进行加固措施。目前铁路工程中常 见的地基处理方式有换填法、强夯法、排水固结法、堆载预压与真空预压法、 粉喷桩法、水泥搅拌桩法等。然而这些加固方法均存在以下一些不足之处： ( 1 ) 换填法和强夯法只适用于加固浅层软土地基，对于软土层较厚且分布较 深的地段，工程量大且费用高，而且此时应充分考虑排水作用。 国排水固结法排水速度缓慢，工裳长，效率低，由于过分依赖予土体的渗 透系数，从而影响其大规模使用。 ( 3 ) 粉喷桩造价高昂，有效加固深度般 1 5 m ，且深层部份处理效果不佳。 ( 4 ) 堆载预压加围时，如果次施加堆载过大可能会越过软基的强度，因此 需要逐级加载且加载速度不能太快，预压时闻也较长，固时还需控制路堤的稳 定性。适用于路基本体及基床填筑完成后，施加堆载使大部分工后沉降提前完 成。而真空预压法需要的场地较大，费用高，且膜下真空度难以控制。 工程中使用较广泛的复合地基加固法能有效克服上述不足之处，并充分发 挥自身的特点。复合地基中的桩体分为散体材料桩、柔性桩、刚性桩。由于散 硕士学位论文第一章绪论 体材料桩没有粘结强度，其承载能力主要靠桩周土约束其侧向变形来提供。而 且软土抵抗变形的能力较小，对桩体的约束作用也很小，因此随着荷载的增加， 桩侧变形也增大，从而地基产生较大沉降。柔性桩复合地基中桩体虽然具有粘 结强度，且桩与土的模量比不高，因而可以实现桩土协调变形。但柔性桩复合 地基承载力一般不超过2 0 0 k p a ，并且土体压缩模量与天然地基相比增长不大， 因而对沉降的控制效果也不太明显。 本文采用桩网复合地基来加固软土地基，其中桩体采用c f g 桩，属于刚性 桩范畴。桩网复合地基可以充分发挥天然地基、竖向增强体、水平向增强体之 间的组合效应，既可以通过调整竖向增强体的刚度、长度以及复合地基置换率 等参数来满足地基承载力和控制沉降量的要求，也可以通过水平向增强体来提 高复合地基的稳定性。同时还具有较好的经济性。 1 2 国内外相关研究现状 目前，国内外学者对桩网复合地基进行了大量的室内外试验，同时在理论 方面也进行了深入研究，这主要集中在复合地基的承载力和沉降计算理论、褥 垫层的功能、土工格栅的加筋作用等方面。 1 2 1 室内外试验研究 lc f g 桩试验研究 陈东佐【l j 对c f g 桩体、c f g 桩复合地基进行了静载荷试验，对桩间土进行 了标准贯入试验。发现c f g 桩复合地基与天然地基的变形比随面积置换率1 1 1 的 增大而减小，且当m 1 0 时，效果比较显著；加固后的承载力高达天然地基承 载力的2 5 倍以上。 任鹏【2 】分别在褥垫层顶部和底部的对应位置安装土压力盒，以研究c f g 桩 复合地基中褥垫层对应力的扩散作用。实测结果表明褥垫层顶面压力比底面压 力大，在竖直方向上同一桩顶位置处土压力相差5 0 ，而桩间土处土压力相差 约1 倍。 冯震【3 】通过对直径8 4 m m ，长度6 3 0 m m 的模型c f g 桩进行试验，发现轴向 荷载对c f g 桩产生了附加水平位移和弯矩。 季鹏【4 j 在连云港海相软土地区，采用高应变动测法进行c f g 桩承载力试验， 所得两根c f g 桩的极限承载力分别为3 2 0 k n 和2 4 0 k n ，而静荷载试验所得结果 分别为3 5 5k n 和2 6 0k n ，试验结果比较一致，从而可以为c f g 桩设计提供依 据。 2 桩网复合地基试验研究 魏永幸1 5 】以遂渝线无砟轨道实验段蔡家车站桩网结构路基工点为原型，通 硕士学位论文 第一章绪论 过离心模型试验发现桩间距为3 m 时的累积沉降是桩间距2 m 时的两倍；通过模 型比例为l ：1 3 的室内循环加载大比例动态模型试验，发现相当于原型填土高 度达到3 - 4 m 时，桩间土体产生土拱。并且现场监测数据说明路基沉降在竣工 后3 - , 4 个月趋于稳定，填土高度为3 m 和6 m 处的实测沉降分别为5 4 m m 和 6 6 5 r a m 。 曹新文【6 】通过纯碎石垫层和铺有土工格栅的碎石垫层进行对比，研究桩- 网 复合地基中土工格栅的加筋效应。试验结果表明土工格栅能有效改善附加应力 的传递，提高桩土应力比。并提出了土工格栅拉力丁与同位置处沉降值s 的幂 函数关系：t = a s p ，其中口、j i b 分别为拟合参数。然而这个公式缺乏严格的数 学推导和理论验证，不具有普遍性。 陈艳平【7 】以京珠高速公路临长段软基处理工程为原型，根据相似准则进行量 纲分析，分别进行了纯软基模型试验、土工格室垫层加固软基模型试验、土工 格室加筋碎石垫层碎石桩复合地基模型试验，通过三组试验结果的对比证明了 土工格室加筋碎石垫层碎石桩复合地基具有良好的加固效果。 1 2 2 加筋土技术研究 1 加筋土技术的发展 加筋土技术的最初雏形可以追溯到几千年以前。远在新石器时代，充满智 慧的中国劳动人民就已经懂得了在土中加入茅草【8 】来增强土的抗拉性能，汉武帝 时代曾采用草枝混杂在土内修筑长城，如今在玉门一带仍有将红柳或芦苇与砂、 砾石压叠而成的汉长城遗址 9 1 。公元前2 5 0 0 年古罗马人就采用编织的芦苇在软 基上筑路；古代巴比伦人曾利用土中加筋修筑庙塔。 可以说，加筋土技术的应用与发展已有一段非常悠久的历史，也积累了相 当丰富的经验。然而当时人们对加筋土的认识还仅仅停留在经验阶段，并没有 从本质上来阐明加筋土的作用机理。 直到2 0 世纪6 0 年代，法国工程师h e n r iv i d a l t l 0 1 i l l l 在模型试验中发现，当 土中掺入有机纤维材料后，强度明显提高，并于1 9 6 3 年提出了加筋土的概念。 1 9 6 5 年，法国建造了世界第一座加筋土挡土墙。由于加筋土技术明显地改善了 土体的力学性能，前西德地下建筑杂志誉之为“继钢筋混凝土之后又一造福 于人类的复合材料”。随着加筋土技术在法国的成功应用，英、美、日、德等国 纷纷效仿，现代加筋土技术逐步在世界范围内传播和发展。我国也于2 0 世纪7 0 年代中期开始对加筋土进行研究。与此同时，加筋土中的筋材也由钢筋、钢带 等逐步发展为抗拉强度高、抗腐蚀性能好的土工合成材料。如土工织物、土工 膜、土工复合材料、土工特种材料( 土工格栅、土工带、土工格室、土工网、土 硕士学位论文 第一章绪论 工模袋、土工网垫等) 。 2 加筋体上部平均竖向荷载的计算理论 在加筋体上部平均竖向荷载的计算理论方面，英国规范b s 8 0 0 6 法【1 2 l 【1 3 l ；j i , n 了上部填土路堤临界高度的概念，临界高度值为1 4 ( s 一口) ，其中s 为桩的中心距， a 桩帽的宽度。并分别给出了端承桩和摩擦桩状态时土拱效应系数的经验值公 式。 3 筋带拉力计算理论 在土工合成材料的拉力计算理论方面，c a t e n a r y 法【1 4 】首先假定一个比较合理 的挠度值，代入理论公式计算出一个初步的应变s 和张拉力r ，然后再利用计算 的张拉力和试验得出的张拉力一应变曲线来重新计算土工合成材料的应变。调 整最大挠度值，然后再代入公式反复迭代，直到结果收敛。 c a r l s s o n ( 1 9 8 7 ) t 1 5 】提出了二维平面状态下的挠度和张拉力的计算公式， r o g b e c k ( 1 9 9 8 ) t 16 】在此基础上考虑三维效应，提出了三维修正因子。s i n t e f 1 7 】 法在计算应变时考虑了土工合成材料在桩帽上的变形。g i r o u d t l 8 1 法通过“薄膜理 论”来模拟土工合成材料铺在无限长空洞上的情形。 4 加筋土地基承载力 1 9 7 5 年，b i n q u e t 1 9 】通过大量模型试验得出结论：筋带受力发生弯曲变形时 所产生拉力的竖向分量，大大提高了地基承载力，并根据地基破坏模式的假设 提出了加筋地基承载力公式。而c c h u a n g 和e y m e n 9 1 2 0 则认为b i n q u e t 所提出 的计算公式对于筋带较短时不适用，并指出筋带的存在增大了地基内应力扩散 角，从而使地基承载力得到提高。其他一些学者1 2 1 】1 2 2 2 3 在筋带对于提高地基承 载力的机理方面也作了大量研究。 1 2 3 桩网复合地基研究现状 1 桩网复合地基承载力研究 为了解决复合地基承载力问题，国内外学者曾经进行了大量的研究。研究 方法包括原型试桩观测、模型模拟试验及数值模拟计算等。这种研究在1 9 9 3 年 以前主要集中在散体桩复合地基，对于柔体桩复合地基和刚体桩复合地基，其 承载力通常是先借用桩基的计算公式估算单桩承载力，然后由试桩或经验选取 桩土应力比，再按公式确定复合地基承载力。 ( 1 ) 荷载传递模式 桩一网复合地基的主要荷载传递【2 4 】【2 5 】【2 q 机制有：- 土拱效应”、t 张拉薄膜 效应”、“应力集中效应”。现阶段通常假定通过“土拱效应”和土工织物加筋体荷 载传递作用，整个上部荷载最终全由垫层下的桩体承担，忽略了桩间土的作用。 硕士学位论文第一章绪论 土拱效应”是路堤承载特性与各组成部分相互作用熊综合反映，通常用土拱率p 来反映“土拱效应”能力的大小。 p = 赤( 1 - 1 ， 式中 只作用在加筋体上的竖向平均应力； 吼e 部外荷载产生的竖向应力； y i 填主重度； 日路堤填土高度。 1 9 4 3 年，t e r z a g h i l 2 7 】f 2 8 1 通过试验研究了土拱效应现象，并在此基础上提出了 应力折减率鳓l 确的计算公式。h e w l e t t ( 1 9 8 4 ) 以及h e w l e t t & r a n d o l p h ( 1 9 8 8 ) 1 3 1 】醐 进行模型试验，假定桩闻砂土土拱穹顶应力平衡条件，推导了砂土在自由排水条 件下的土拱效应计算公式。g u i d o ( 1 9 8 5 ) 3 3 】假设土拱的形状为正四棱锥，并考虑 了地基侧向变形对土拱效应的影响。而s c h m e r t m a n n ( 1 9 9 9 ) t 3 4 l 则认为“土拱”的形 状为三角柱体( 平面应变) 或圆锥体( 轴对称) 。 陈福全【3 5 1 对h e w l e t t 空闻土拱效应下塑性点出现在桩项时的边界条件作了 改进，得到改进后的桩土荷载分担比计算式。并用改进后的h e w l e t t 方法分析桩 土荷载分担比随桩帽宽与桩心距之比、桩心距与路堤高度之比、路堤填料内摩 擦角的变化规律，分析结果与实测数据吻合较好。 ( 2 ) 复合地基承载力计算理论 高航【3 6 】以鼓胀破坏理论为基础，同时考虑桩土接触面上的摩擦，探讨了桩型 及桩土接触面上的摩擦角对桩体及其复合地基极限承载力的影响。赵明华 3 7 1 1 3 8 1 在试验基础上碍l 进嚣孔扩张理论，充分考虑柱与土体之间的相互作用，提嫩了复 合地基亟积比承载力计算方法，并考虑了布桩方式的影响。 朱常志【3 9 】综合考虑了多桩型复合地基受荷后，实际工作性状和施工方法对桩 闻土承载力的影响，弓l 入主控桩、辅桩和桩闻土承载力发挥系数及桩间土承载力 提高系数，提出了多桩型复合地基承载力分步计算的叛方法。 陈昌仁【柏】、吕晓芹【4 1 】在经验公式的基础上，考虑了边载对承载力的影响，推导 出c f g 桩复合地基承载力修正公式。然而这种方法还有待改进，当土层厚度分 布不均匀、开挖边坡弓l 起的边载分布不均匀时，桩闯强度发挥经验系数多和 边载修正系数a 不能完全反映真实情况。 施有志【4 2 】针对常规计算公式中大多数计算参数难以获取的状况，提出了将 桩承土工合成材料加筋垫层复合地基承载力看成水泥土桩复合地基承载力与加 硕士学位论文 第一章绪论 筋垫层增加的承载力之和的实用计算公式，并通过现场荷载试验加以检验。 范伟霞【4 3 】探讨了承载力简化计算公式中影响桩间土承载力折减系数取值 的各种因素，通过北方地区1 7 个工程静载试验资料反分析多值。研究结果表明， 成桩工艺是取值的主要影响因素，并指出现行规范中取值较低，还可以提高一 些。李保恒【4 4 j 按实测的单桩载荷试验的沉降量s 与天然地基载荷试验的沉降量s 的比值，来确定桩间土天然地基承载力折减系数p 值( p = s 。s ) 。 叶洪东【4 5 】提出邯郸市区粉喷桩复合地基桩间土承载力折减系数的取值标 准。 ( 3 ) 复合地基承载力预测 胡斌脚】利用m a t l a b 神经网络工具箱的b p 网络的理论，通过影响复合地基 的7 个主要指标来对单桩、双桩和四桩复合地基承载力进行预估。预测结果为 双桩复合地基的预估值与载荷试验所确定的承载力值接近，单桩复合地基次之， 四桩复合地基的误差较大。 王英 4 7 1 根据东营地区软弱地基的特点，利用b p 神经网络建立高度非线性模 型，对水泥粉喷桩复合地基承载力进行了预测分析。 张晗、李书全【4 9 】根据有限的学习样本，采用最小二乘支持向量机方法，建立 了c f g 桩复合地基承载力与其影响因素之间的非线性关系。结果表明：最小二乘 支持向量机方法用于桩复合地基承载力的预测是可行的。 ( 4 ) 复合地基承载力可靠度分析 丁继辉 5 0 】根据v a n m a r c h e 提出的土层概率模型，建立了夯实水泥土桩复合 地基极限承载力可靠度概率分析模型，采用j c 法进行可靠度计算。并给出了可靠 性指标与置换率、桩间土发挥系数、荷载比及随机变量的变异性之间的关系。 张大巍【5 1 】收集了邯郸市6 个代表性工程3 6 组深层搅拌桩复合地基静载荷试 验数据，借助无量纲计算模式，计算出不同荷载组合下深层搅拌桩复合地基承载 力可靠度指标，并分析了不同荷载效应比p 对可靠度指标的影响。 秦建庆5 2 i t 5 3 1 分别采用不完全的可靠性方法和完全的可靠性分析方法，对柔性 桩复合地基承载力按概率极限状态设计的分项系数进行探讨，并对各分项系数进 行敏感性分析。 郑俊杰【5 4 】通过对3 4 组碎石桩复合地基承载力试验数据进行可靠性分析发 现： 当安全系数k 取2 ，p 取常遇值时，可靠性指标1 3 的平均值为3 3 2 9 ，与建筑结 构设计统一标准) ) ( g b j 6 8 8 4 ) q b 给出的上部结构平均可靠性指标( 柔性结构1 3 k = - 3 2 ， 脆性结构p k = 3 7 ) 基本一致，从而证明了碎石桩复合地基的可靠性； 随机变量燃分布类型对可靠性指标b 的影响很大。 硕士学位论文第一章绪论 疆) 复合地基承载力数值模拟 芮瑞 5 5 1 针对桩一网复合地基以及桩承式路堤两种不同的地基加固方式，在现 场对比试验的基础上使用f l a c 3 d 软件进行三维流固耦合模拟，研究两种情况 下复合地基承载力的变化、桩与体的荷载分担以及桩身侧摩阻力的分布规律。 由于在模拟过程中 王俊林 5 6 1 采用a n s y s 有限元程序分析了桩一网复合地基承载特性。对不同荷 载水平下复合地基中单桩荷载传递特性、桩间土上的应力及桩土应力比的变化 靓德进行了分析；同时分析了复合褥垫层模量以及分层地基中第一层土的物性 参数对桩土应力比的影响。由于模拟过程中没有考虑桩与土体的相互作用，也 没有考虑土体的排水固结和应力历史，因此计算结果不能完全反映真实情况。 2 复合地基沉降研究 曩前，桩网复合地基的沉降计算理论远远落后于承载力计算水平，也落后 于工程实践的需要。这主要是由于复合加固区c f g 桩与桩间土体之间协调变形， 因此不能以单一的桩体或者土体的变形代替复合地基的变形。而桩与土体共同 作用时的复合模量难以确定，使得桩网复合地基的沉降计算进展缓慢。常见的 复合地基沉降计算方法如下： ( 1 ) 常规方法 在各类实用的计算方法中，通常把复合地基的变形量分为两个部分：加固 区变形量是和下卧层变形量岛。 加固区变形量文的主要计算方法有： a 复合模量法( e 法) ：将复合地基加固区中增强体和地基土看作整体，采用 复合压缩模量来评价加固区的压缩性，并采用分层总合法计算加固区的沉降量。 通常复合模量可以采用面积加权平均法求得，也可以根据弹性理论德到解 析解。然而复合模量法计算加固区变形量需要以等应变假设为前提，即桩和桩 间土体产生相同的应变，同时还需要满足复合地基基础无限大、桩端落在坚硬 土层上、桩身没有向下豁刺入变形、桩长有限等假设。焉这些理想化的缎设在 实际工程中难以同时实现，因此该计算理论还有待完善。 另外，复合模量法没有充分考虑桩长的影响，不能反映桩长效应。当桩端 落在坚硬土层和软土层上时，所求得的复合模量相同，这也说明不能反映桩端 效应。 b 应力修正法( 层。法) ：该方法忽略增强体的存在，而根据桩间土实际分担的 荷载，按照桩间土的压缩模量来计算复合地基变形。 该方法的不足之处在于没有考虑桩与主体的相互作用以及协调变形，丽片 面地以桩闻土体的变形代替楗网复合加圈区的变形。由于忽略了竖向增强体， 硕士学位论文第一章绪论 用应力修正法计算得到的变形量大于实际值。 c 桩身变形量法( e p 法) ：假定桩体不发生上下刺入，通过桩身变形量来计 算加固层的变形量。桩身变形量可以通过桩长范围内桩身应力与桩体模量的比 值，采用积分法求得。而桩身应力包括桩体承担的荷载与桩身的侧摩阻力，一 方面桩土应力比比值1 1 的不确定性使得桩体分担的荷载难以计算；另一方面目前 还没有一个被普遍接受的桩侧摩阻力的分布公式。这就导致计算过程中不能完 全确定桩身应力，从而影响桩身变形结果。因此桩身变形量法还有待改进。 在计算下卧层的变形量s ，时，确定作用在下卧层上的荷载的方法有：应力 扩散法、等效实体法、改进的g e d d e s 法。 应力扩散法和等效实体法都是先求出传递至下卧区软土层顶面的应力和作 用范围，再按天然地基表面作用荷载的情况，计算下卧层中的应力分布。然而 扩散角和作用范围的选定都是近似的，由于受到上下两层不同土体间力学性质 差异的影响，两者都难以确定。 等效实体法其侧摩阻力的分布也不易确定，同时也没有考虑侧摩阻力对下 卧土层也产生相应的应力分布。而g e d d e s 法中对桩侧摩阻力分布做了近似性假 设，同时桩问土分担荷载仍按天然地基中的应力分布计算，这些都会影响计算 结果。 ( 2 ) 解析法 解析法通常以g e d d e s 积分来计算复合地基中桩荷载所产生的附加应力，以 b o u s s i n e s q 解来计算桩间土荷载产生的附加应力，从而进一步求解复合地基沉 降。以集中力荷载作用下半无限弹性体内的m i n d l i n 5 7 】解为基础，g e d d e s 5 8 1 研究 了下列三种情况下土中竖向应力的表达式： 桩端阻力简化为集中力时 p 仃耐= 等髟 ( 1 2 ) 工。 桩侧摩阻力为矩形分布时 p 仃牙= 等墨 ( 1 - 3 ) 厶 桩侧摩阻力为三角形分布时 p 仃矗= 等k t ( 1 - 4 ) 厶 式中 、易、1 分别为桩端集中力、桩侧摩阻力为矩形分布和梅花形分 布的总荷载 硕士学位论文 第一章绪论 k j 、k ，、墨分别为桩端集中力、桩侧摩阻力为矩形分布和梅花形分 布情况下的竖向应力系数。 ( 3 ) 数值解法 岩土工程数值计算最常用的方法有：有限差分法、有限元法、边界元法、 半解析法等；常用的大型数值分析软件有a d i n a ，a n s y s ，m a r c ，f l a c ， a b a q u s 。其中有限元法应用最为广泛，在建立有限元几何模型时，可以考虑 在土体单元和增强体单元之间设置界面单元( 如无厚度的g o o d m a n 单元、有厚度 的d e s a i 薄层单元) ；或者将加固区土体和增强体当作复合土体单元考虑。 然而，有限元法在模拟地基这样的无限介质时，通常要取较大范围计算， 并假设所选范围之外的土体不受荷载的影响，这样将必然增加单元数。2 0 世纪 7 0 年代，i 由u n g l e s s t 5 9 _ 乖1 b e t t e s s 删提出的无界元法是一种半解析、半数值的计算 方法，它的基本思路是在位移插值中引入适当的解析函数( 称为衰减函数) ，替代 无限方向的离散与插值，从而可以节省单元数。无界元法的不足之处在于所设 的函数不一定能反映无限方向的真实位移解函数的形状，但同时它和余下部分 的广义未知参量相结合一起满足变分定理，因此无限方向上的解函数能更好地 逼近真解。 将无界元与有限元相耦合来分析半无限地基的受力特性既可以较为准确地 反映半无限介质的特性，又可以节省大量的单元数量，大大减少计算工作量。 各种计算地基变形的方法中，数值解法充分利用了计算数学的优越性，在 考虑荷载边界条件和位移边界条件的基础上，选择合理的本构模型，计算复合 地基中各点的应力和位移。但由于实际工程中桩体和地基土的不均匀性，尤其 是地基土中各点在组成和力学性质上存在较大的差异，使计算参数难以合理确 定，对计算结果影响很大，限制了数值方法在岩土工程中的应用和发展。而其 它方法都是在一些计算假定的前提下，经过很多简化得出来的，与实际不完全 相符，因而都存在定的缺陷和不足。如按应力扩散法、等效实体法计算的下 卧层附加应力往往偏大；应力修正法、桩身变形量法( 忽略桩体上下刺入变形) 计算 参数难于取得，并且适用范围有限。 ( 4 ) 沉降计算研究现状 在沉降计算方面，张定【6 l 】通过对规范方法的讨论及对桩土竖向及径向应力 应变关系分析，提出桩土变形模式，建立桩土应力比表达式及沉降计算方法。 范燕红【6 2 】通过分析工程实例得出结论：沉降模量法及按剪切法推导出来的 沉降计算法在一定程度上也适应于大基础地基的沉降计算，但其桩体或桩间土沉 降模量的确定应用载荷试验确定。同时指出大基础地基变形计算在应用到复合 地基时，应乘以沉降修正系数。 硕士学位论文 第一章绪论 黄文峰【6 3 】通过极复合地基的单极载荷试验、极周上载荷试验、复合单元体 载荷试验以及有限元计算得到：在小变形范围内复合单元体的沉降与按线弹性 或d u n c a n 双曲线模型的计算结果一致。并根据桩侧摩阻力沿桩身的三角形简化 分布，以及m i n d l i n 位移解答给出了弹性状态下复合单元体荷载沉降关系的解析 表达式。 杨涛【删【6 5 】基于修正的a l a m g i r 典型单元体变形模式，给出了路堤荷载下复合 地基加固区压缩量计算的解析式。工程实例表明，其精度比复合模量法要高。同 时又根据数值分析结合室内模型实验，建议对于路堤荷载下的柔性桩复合地基， 其下卧层沉降按下式计算：是= 胚，。，式中& 。为相应天然地基下卧层沉降，a 为 扩大系数。工程设计中a 可取1 0 4 ，是。采用分层总和法计算。 丁继辉【删对不同情况下采用规范法计算碎石桩复合地基最终沉降时的经验 修正系数l f ，。进行了分析，把均布荷载作用下的地基视为均质线弹性半空间体， 并采用v i s u a lb a s i c 语言编制了沉降计算程序。 周建【6 7 】提出可以根据桩间的叠加因子( 1 9 6 8 年，由p o u l o s 提出) 来计算加固区 的沉降。但传统桩间的叠加因子是运用边界元等数值计算手段获取，而周建认为 叠加因子可以直接计算出来，且对刚性桩和柔性桩均适用。 侯永峰嘲】采用动态弹塑性有限元分析了复合地基的变形性状，研究了复合 地基的加固范围、置换率以及下卧层的性状对复合地基变形性状的影响。郝玉 龙【6 9 】通过试验研究了典型温州软土的结构性，发现当下卧层的附加应力仃，与有 效自重应力仃：。之和小于土体结构屈服应力仃。，时，建筑物沉降将得到有效控制。 提出了考虑软土结构性的沉降计算方法。 王国光【7 0 】假定复合地基桩间土和桩的接触应力按抛物线模式分布，通过地基 与结构共同作用条件的满足来确定