（道路与铁道工程专业论文）路堤荷载下水泥土搅拌桩复合地基现场测试与FEM分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 路堤荷载作用下水泥土搅拌法处理的软土地基，是一种典型的柔性荷载作 用下柔性桩复合地基。近年来逐渐用于高等级铁路和公路的软土地基处理中， 取得了较好的效果。 目前，柔性基础下柔性桩复合地基的承载能力在强度和变形两个方面有了 一定的计算或估算方法，但由于对此种类型复合地基的荷载传递规律及其变形 特性认识上的不足，使得计算结果与实际相比存在较大误差，且潜在不安全和 不经济的风险。因此开展柔性基础下柔性桩复合地基的荷载传递规律及其变形 特性的试验研究和计算分析有助于其理论的发展和工程中更合理的应用。 本文结合新建达成铁路2 0 0 k m h 客货共线段的水泥土搅拌端承桩软基处理 段的大型现场试验，埋设大量试验元器件，进行了地基深层侧向位移、水泥土 搅拌桩强度、地基沉降、孔隙水压力、桩土压力、加筋垫层土工格栅拉力等多 项试验观测；同时应用a n s y s 计算软件，进行了路堤荷载作用下水泥土搅拌端 承桩复合地基承载和变形特性的初步数值分析，获得了地基深层水平位移、桩 身轴力、地基各结构及土层沉降、荷载分担等计算结果。将现场试验和数值计 算的结果进行比较分析，有以下基本认识和主要结论： ( 1 ) 水泥土搅拌桩桩身附加应力沿地基深度方向先增加，后减小，最大桩 身附加应力在桩体中段。 ( 2 ) 桩间土附加应力在加固区范围内较小，在下卧层范围内迅速增大。 ( 3 ) 实测显示桩间土不同深度的压缩曲线呈k 字形分布，呈现上下两端段 大，中间段小的基本特征，且压缩量最小处在桩身轴力最大处附近。 ( 4 ) 路堤荷载施加到定程度时，桩间土压力出现转折点，此后其所受部 分附加应力逐渐向水泥土搅拌桩转移，使得桩项附加应力进一步增加。 ( 5 ) 超静孔隙水压的变化反映了路堤填筑的施工速率，填筑速度快，则超 静孔隙水压大，反之则小。 ( 6 ) 地基沉降和土工格栅的张拉应变与软基的深度密切相关，软基深，沉 降与张拉应变大，软基浅，沉降与张拉应变小。土工格栅张拉力在路堤填筑完 成后的放置期，因拉伸徐变作用，张拉力有所减小。 ( 7 ) 地基深层水平位移实测与数值计算结果较接近，分布形态有一定差别。 关键词：复合地基、路堤荷载、水泥土搅拌桩、现场测试、f e m 分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t t h es o f tg r o u n df o u n d a tio nu n d e r c e m e n t s o i lm i x i n gm e t h o d ， i sa f o u n d a t i o nu n d e raf l e x i b l el o a d i n g i ns o f tg r o u n df o u n d a ti o nt r e a t m e n t g r a d u a llyi nr e c e n ty e a r s t h ee m b a n k m e n tl o a d ，t r e a t e db yt h e t y p i c a lf l e x i b l e p i l e dc o m p o s i t e ith a sb e e ns u c c e s s f u ll ye m p l o y e d f o rh i g h g r a d er a il w a ya n dh i g h w a y n o w ，m e t h o d sf o rc a l c u l a t i o no re s t i m a t i o no ft h eb e a r i n gc a p a c i t y i nt e r m so fs t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o no ft h ef l e x i b l e p i l e dc o m p o s i t e f o u n d a t i o nu n d e rt h ef u n c t i o no ft h ef l e x i b l ef o u n d a t i o nh a v eb e e n d e v e l o p e d b u td u et ot h ei n s u f f i c i e n tk n o w l e d g eo nt h el o a dt r a n s f e r r u l ea n dt h ed e f o r m a t i o nf e a t u r e so ft h i sk i n do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ， t h e r ee x i s t sb i gd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ta n d t h e a c t u a lc a s e w h a t sm o r e ，t h e r eisa ls op o t e n ti a ls a f e t ya n de c o n o m y r is k s t h e r e f o r e ，c a r r y i n go u tt h et e s t so nt h ef l e x i b l e p il e dc o m p o s it e f o u n d a t i o nt os t u d ya n da n a l y z et h el o a dt r a n s f e rr u l ea n dt h ed e f o r m a t i o n f e a t u r e sw i1 1b eo fh e l pt ot h et h e o r yd e v e l o p m e n ta n dh e l pm a k eu s eo f i tm o r er a t i o n a ll yi nt h ec o n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h el a r g e s c a l ef i e l dt e s t so ft h ec e m e n t m i x i n ge n do ft h es o f t f o u n d a ti o nt r e a t m e n ts e c ti o ni nt h en e w - b u i1t d a z h o u c h e n g d u r a il w a y ，d e d i c a t e dt ob o t h p a s s e n g e r s a n d g o o d s t r a n s p o r t a t i o nw i t had e s i g n e ds p e e do f2 0 0 k m hi nw h i c hal a r g ea m o u n t o ft e s t i n ge l e m e n t sw e r eb u r i e d ，as e r i e so ft e s t i n go b s e r v a t i o no nt h e l a t e r a lm o v e m e n to fd e e pl a y e rf o u n d a t i o n ，s t r e n g t ho ft h ec e m e n t s o i1 m i x i n gp i l e s ，s e t t l e m e n to ff o u n d a t i o n ，p o r ew a t e rp r e s s u r e ，p il ea n d e a r t hp r e s s u r e ，t e n s i o n i n gf o r c eo fg e o t e c h n i c a lg r i1 1 eo fr e i n f o r c i n g c u s h i o ne t c m e a n w h il e ，w i t ht h eh e l po fp r o f e s s i o n a la n s y ss o f t w a r e ， ap r e l i m i n a r yn u m e r i c a la n a l y s i so nt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o n f e a t u r e so ft h ef l e x i b l e p i l e dc o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rt h ee m b a n k m e n t l o a dh a sb e e n d o n e ，a c q u i r i n g t h er e s u l t so n d e e pl a y e rf o u n d a t i o n h o r i z o n t a l m o v e m e n t ，p i l e a x i s f o r c e ， f o u n d a t i o n s e t t l e m e n ta n d d i s t r i b u t i o no fl o a d se t c c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h er e s u l t sg a i n e d b o t hf r o mf i e l dt e s t sa n d t h ec a l c u l a t i o n ，b a s i ca n dm a i nc o n c l u s i o n s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 h a v eb e e nr e a c h e da sf o ll o w s ： ( 1 ) t h ea d d i t i o n a ls t r e s so nt h ec e m e n t s o l lm i x i n gp i l eb o d ys h a l l b ea l o n gt h ed e p t hd i r e c t i o no ft h ef o u n d a t i o n ，i n c r e a s i n gf i r s t ，t h e n d e c r e a s i n g m a x i m u ma d d i t i o n a ls t r e s si sa tt h em i d d l es e c t i o no ft h e p i l e ( 2 ) t h ea d d i t i o n a ls t r e s so nt h es o i lb e t w e e np i l e si nt h er e i n f o r c e d s e c t i o ni ss m a l l ，b u ti n c r e a s e sr a p i d l ya tt h eb o t t o m l a i ds e c t i o n ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls u r v e y ，t h ec o m p r e s s e dc u r v eo ft h es o i l b e t w e e np il e sp r e s e n t saks h a p e ，b i g g e ra tb o t ht o pa n db o t t o ms e c t i o n s a n ds m a l l e ri nt h em i d d l e t h ec o m p r e s s i o ns e c t i o nw i t hm i n i m u ma m o u n t i sn e a rt h ep i l ew h e r et h em a x i m u ma x i sf o r c e1 i e s ( 4 ) w h e nt h ee m b a n k m e n tl o a dr e a c h e dt oac e r t a i nd e g r e e ，at u r n i n g p o i n to ft h ee a r t hp r e s s u r eb e t w e e np il e sp r e s e n t s a f t e r w a r d s ，p a r to f t h ea d d i t i o n a ls t r e s sw i i ib et r a n s f e r r e dt ot h ec e m e n t s o i lm i x i n gp i l e s g r a d u a l l y ，l e a d i n gt oaf u r t h e ri n c r e a s i n go ft h ea d d o ns t r e s so nt h e p i l eh e a d ( 5 ) t h ec h a n g eo ft h ee x c e s ss t a ticp o r ew a t e rp r e s s u r er e f le c t st h e f i l l i n gs p e e do ft h ee m b a n k m e n tc o n s t r u c t i o n i ft h es p e e di sf a s t ，t h e e x c e s ss t a t i cp o r ew a t e rp r e s s u r ei sb i g g e r ：t h es p e e ds l o w ，t h ep r e s s u r e i ss m a l l e r ( 6 ) t h e r ei sac l o s er e l a t i o nb e t w e e nt h ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n t t h e t e n s i o n i n go fg e o g r i d sa n dt h ed e p t ho ft h es o f tg r o u n df o u n d a t i o n t h e d e e p e rt h es o f tf o u n d a t i o ni s ，t h eb i g g e rt h es e t t l e m e n ta n dt e n s i o n i n g a r e ：t h es h a l l o w e rt h ef o u n d a t i o ni s ，t h es m a l l e rt h es e t t l e m e n ta n d t e n s i o n i n ga r e a f t e rt h ee m b a n k m e n td e p o s i tp e r i o d ，d u et ot h e t h e t e n s il ec r e e p ，t h et e n si o n i n gf o r c eo ft h eg e o g r i d sw illd e c r e a s e ( 7 ) t h ea c t u a lm e a s u r e m e n to ft h ed e e pl a y e rh o r i z o n t a lm o v e m e n to f t h ef o u n d a t i o ni sc l o s et ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，b u tt h ed i s t r i b u t i o n s t a t e ，t oac e r t a i ne x t e n t ，i sd i f f e r e n t k e yw o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，e m b a n k m e n tl o a d ，c e m e n t - s o i l m i x i n gp i l e ，f i e l dt e s t ，f e ma n a l y s i s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 指导老师签名罾磁 日期：伽汐多，j 夕 瑟 龟 东 母r、 名， 签 ， 掣呕 僻 们 文 1 论： 位期学日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文在其他学者研究成果的基础上，从工程实际出发，通过现场原型试验 和数值模拟分析，对路堤荷载下水泥土搅拌端承桩复合地基的承载和变形特性 进行了较全面的研究，主要工作如下： ( 1 ) 选用典型的铁路路基水泥土搅拌桩复合地基，埋设大量试验元器件， 进行了地基深层侧向位移、水泥土搅拌桩强度、地基沉降、孔隙水压力、桩土 压力、加筋垫层土工格栅拉力等多项试验观测。通过大量的现场观测，获得了 地基深层水平位移、桩身轴力、地基沉降、超静孔隙水压、荷载分担、加筋垫 层土工格栅拉力等随填筑荷载及时间的变化规律。 ( 2 ) 应用a n s y s 有限元计算软件，模拟了路堤荷载作用下水泥土端承桩复 合地基的承载特性，获得了地基深层水平位移、桩身轴力、地基沉降、荷载分 担等计算结果，并将其计算结果和现场观测结果进行了比较分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 近几十年来，随着经济的快速发展，我国的基础建设规模不断扩大，建设 速度不断加快，因而在建筑、水利、国防、交通和铁道等土木工程建设中，越 来越多地遇到大量而复杂的不良地质地基及地基处理问题，地基处理日益得到 人们重视。 地基处理是岩土工程师在工程建设中发挥人的主观能动性改造和利用自然 软弱岩土体作为建筑地基的一种有效技术n 1 。 对于铁路与的公路的软基处理，按照加固机理常用的有：排水固结法、复 合地基法、改善地基应力条件法、动力挤密法口1 。 本文所讨论的水泥土搅拌法属于复合地基法的一种，在铁路与公路的软基 处理中应用较为广泛，是一种较新的软基处理方法。它是利用水泥作为固化剂， 通过特制的深层搅拌机械，边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深 处就地将软土固化为具有足够的强度、变形模量和稳定性的水泥土，从而达到 地基加固的目的。这些加固土柱体与柱体间的土构成了一种复合地基口1 。 复合地基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 算砂井的数学模型，随着地基处理技术的发展，复合地基的内涵得到了很大的 延伸。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加强， 加强体与原有地基共同承担外部荷载的人工地基h 1 。 随着复合地基概念在土木工程中得到越来越多的应用，人们对复合地基承 载力和变形计算理论的研究也越来越多，但还远远不能满足实践的需要，可以 说复合地基理论正处于发展之中，还不够成熟。 本文结合新建达成铁路2 0 0 k m h 客货共线综合施工技术及其标准的试验研 究。对位于4 l o m 厚软土地基上的铁路路基，在路堤下采用了水泥土搅拌桩复 合地基处理技术，拟从现场试验和初步的数值分析两方面对路基工程中桩土复 合地基技术进行研究与探讨。 1 2 水泥土搅拌桩复合地基的特点 水泥土搅拌桩复合地基指用水泥作胶结材料，将软弱地基的部分土体胶结 到一块形成桩体与天然地基共同承载的种人工地基。 按文献 5 ，6 ，7 对复合地基的分类，水泥土搅拌桩复合地基属于纵向增强体 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 复合地基( 又称桩式复合地基) 。而根据增强体的性质，纵向增强体复合地基又 可分为散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基( 也有人称半刚性桩复合地基) 和刚性桩复合地基三种呻1 。 文献 1 从复合地基破坏形式的角度出发，将桩体破坏形式以侧向挤出为主 的复合地基，为散体材料复合地基；不以侧向挤出破坏为主的桩体复合地基为 柔性桩复合地基；而刚性桩复合地基指以减少地基沉降量为目的桩式复合地基。 文献 9 认为，桩体刚度的大小对荷载传递规律有较大的影响，是区分柔性 桩和刚性桩的关键，建议桩体相对刚度定义如下： k = 式中：e 。一桩体弹性模量，m p a ； 一桩体长度，m ； ，一桩体半径，m ： e 。一桩间土弹性模量，m p a ； 。一桩间土的泊松比。 根据相对刚度k 的大小可以大致的桩分为两类：当k l 时，称为柔性桩复 合地基；当k 1 时，称为刚性桩复合地基。 文献 3 经若干室内水泥土配比试验系列表明，即使水泥掺入比为2 5 ，水 泥土搅拌桩9 0 天龄期的变形模量最大不过为4 5 9 1 9 m p a ，而实际工程施工常用 的水泥掺入比为1 5 - 2 0 的9 0 天龄期的变形模量不超过3 6 0 6 5 5 m p a 。 本试验通过对现场水泥土搅拌桩钻芯取样，测得其弹性模量平均值为 1 4 5 m p a 。 另外，由于上部基础形式的不同，对复合地基作用的荷载类型不同，可分 为刚性荷载下复合地基和柔性荷载下复合地基，这两种复合地基有截然不同的 承载机理。 结合现场钻芯试样及以上文献所述，本文所研究的水泥土搅拌桩软土地基， 属于典型的柔性基础荷载作用柔性桩复合地基。 1 2 1 水泥土搅拌桩复合地基的技术优点 ( 1 ) 最大限度地利用了原土： ( 2 ) 搅拌时无振动、无噪音和无污染，可在密集建筑群中进行施工，对周 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 围原有建筑物及地下沟管影响很小； ( 3 ) 根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加 固型式； ( 4 ) 与钢筋混凝土桩基相比，可节约钢材并降低造价。 基于这些优点，水泥土搅拌桩复合地基在路堤和堤坝等工程中得到了广泛 应用。 1 2 2 水泥土搅拌桩复合地基的承载特性 水泥土搅拌桩复合地基的特点是：桩身有足够的强度，在垂直荷载作用下， 桩身不致因侧向约束不足而破坏，但桩身的刚度仍然不是太大，在外荷下，桩 身仍可能发生较大的压缩变形。 ( 1 ) 加固机理：水泥土搅拌桩复合地基主要通过桩体的置换作用来提高地 基的承载能力。 ( 2 ) 破坏形式：水泥土搅拌桩复合地基中桩体的破坏形式有桩身受剪压破 坏或桩身压缩量太大而破坏；桩尖向下卧层的刺入使变形加大导致破坏。一般 情况下，由于处理的地基是软弱地基，刺入破坏发生的可能性较大n 1 。 ( 3 ) 桩土共同作用的机理：由柔性桩的可压缩性，在路堤荷载作用下，桩 体承载力的发挥要经历桩身逐渐压密，侧阻力逐渐发挥，最后才是端承力开始 发挥的过程。在这一过程中，部分路堤荷载通过桩周摩擦力和桩端端承力传递 给地基土体，从而使整个路堤荷载由桩与土来共同承担。 1 3 水泥土搅拌桩法国内外发展现状 1 3 1 国内发展现状 1 9 7 7 年1 0 月由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院联合研制，首 先做室内试验和机械研制，1 9 7 8 年底由江阴振冲器厂试制成我国第一台s t b 一1 型双头搅拌机，该机专门在双轴中间设一输浆管输浆，这台设备是陆上型的， 1 9 7 9 年在天津新港试机和试验施桩工艺，接着1 9 8 0 年初于上海宝山钢铁厂卷管 设备的软基加固中应用，1 9 8 0 年1 1 月由冶金部基建局组织专家进行鉴定，在会 上通过了“饱和软黏土深层搅拌加固技术 ，从而开发出深层搅拌法加固软土技 术并广泛应用于各类工程。从1 9 8 4 年开始国内已能批量生产s j b 型成套深层搅 拌机械，并组建了专门的施工公司，取得了良好的技术经济效果。与以往钢筋 混凝土桩基相比，节省了大量的钢材，降低了造价，缩短了工期憎3 。 1 9 8 0 年初天津市机械施工公司与交通部一航局科研所等单位合作，利用日 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 本进口螺旋钻孔机械进行改装，制成单搅拌轴、翼片喷浆型深层搅拌机，1 9 8 1 年在天津造纸厂蒸煮锅改造扩建工程中首次应用并获得成功。铁道部第四勘测 设计院于1 9 8 3 年初开始进行粉体喷射搅拌法加软土的试验研究，并在软土地基 加固工程中使用，获得良好效果h 训。同年浙江大学土木系联合当地施工单位， 制造出d s j 型单轴喷浆陆上型水泥深层搅拌机。我国首次应用水泥深层搅拌法 的海上工程是1 9 8 8 年到1 9 9 0 年间在天津新港东突堤南侧码头和北侧码头，共 完成1 2 个泊位的软基处理。1 9 9 2 年1 2 月我国第一台深层搅拌船组在烟台港西 港池二期工程中进行工程试点获得成功，从而结束了我国没有海上深层搅拌施 工船的历史u 。 1 3 2 国外发展现状 二次大战后美国首先开发出用水泥浆就地搅拌的桩，称为m i x e d - i n - p l a c e p i l e ( 简称m i p 法) ，即从不断回转的、中空轴的端部向周围己被搅松的土中喷 出水泥浆，经叶片的搅拌而形成水泥土桩，直径为3 0 - - 4 0 c m ，桩长1 0 1 2 m 。 1 9 5 3 年日本清水建设株式会社引进这种施工方法，1 9 6 7 年日本港湾研究所 土工部参照m i p 工法研制出石灰搅拌机械。1 9 7 4 年由于大型软土地基加固工程 的需要，日本港湾技术研究所、川崎钢铁厂和不动建设株式会社合作成功地研 制了水泥搅拌工法，正式命名为c m c 法，用于加固钢铁厂矿石堆场大型工程， 加固深度已能达到3 2 m 。接着日本各大施工企业不断开发出类似的方法，如竹中 工务店的深层水泥搅拌法( d c m 法) ，清水建设株式会社的深层水泥搅拌法( d m i c 法) ，东亚建设工业( 株) 的深层水泥固结法( d c c m 法) 等。这些方法所用的材 料不外乎两种，即水泥和石灰。送料都是通过轴管或专门的送料管，胶结材料 有浆状或粉状。1 9 7 7 年日本九州大学吉田信夫提出一种浆材从叶片中喷出的方 法，初步试验效果较好，认为这种喷浆法能充分搅拌。但后来因浆液中有颗粒 造成喷浆口堵塞而带来施工困难而未能推广。因而深层搅拌法成为日本软土地 基加固方法中应用得最多的一种方法，到1 9 9 5 年为止，日本采用深层搅拌法加 固海底软土的工程量已达1 6 4 0 万m 3 ，加固陆上软土8 0 0 万m 3 。该项技术在日本 目前主要用于海边的工程，因此港湾所是重点发展这项技术的单位，加固深度 已能达6 0 m 。 原苏联在1 9 7 0 年也研究成功一种淤泥水泥桩，用于港湾建设工程中。淤泥 土的含水量虽高达1 0 0 - 1 2 0 ，但掺入1 0 - - - 1 5 的水泥以后，半年龄期强度可 达3 m p a 。成本分析表明，采用这种淤泥水泥土桩比钢筋混凝土桩的造价要低4 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 瑞典在1 9 6 7 年也提出类似的加固法，1 9 7 1 年首先制成石灰搅拌桩，并于 1 9 7 2 年用于斯德哥尔摩城郊的h u d d i n g 路堤的软基加固，接着用于深层基坑支 护的加固，加固深度均能达到1 5 m ，目前在瑞典广泛使用n 引。 1 4 柔性桩复合地基研究现状 在铁路与公路软土地基中采用的柔性桩复合地基实际是由路堤填土、加筋 垫层、加固桩体、桩间软土和下卧持力层共同组成的一个整体系统，系统里的 各个部分的承载及变形是相互作用，相互影响的，相互耦合的。由于桩和桩间 土的刚度存在较大的差异，在路堤自重荷载作用下，桩间土上部的路堤填料相 对桩顶会发生向下位移的趋势，这一趋势受到桩顶上部路堤填料的约束作用， 使得路堤填料内部的应力重分布，桩和桩之的路堤填料内部形成土拱，桩间土 上部荷载通过土拱传到桩帽上，使桩承受较大的荷载，桩间土上的荷载减小， 这一荷载转移现象被t a z e r g h i 称为“土拱效应”n3 j 。同时在路堤荷载作用下， 桩间土与桩之间存在沉降差，使得桩身上部出负桩周摩擦力。对于柔性桩而言， 桩体强度不大，桩身可以压缩，那么，桩周不同深度的桩体与土体位移的相对 位移不等，桩土之间的相对位移表现上大下小，负桩周摩擦力也就表现为上大 下小n 1 。负桩周摩擦力促进了桩身沉降和压缩变形的发展，并使柔性桩身轴力的 分布表现出与刚性桩不一样的规律。加筋垫层的设置，其兜提作用能够像土拱 效应一样，促进桩间土上部荷载向桩项转移，增大了桩土荷载分担比，让复合 地基中的桩体更好地发挥作用，提高了复合地基承载力，又可减小复合地基沉 降。 目前，柔性基础荷载下柔性桩复合地基的承载能力从强度和变形两个方面 已经有了一系列的计算和估算方法，在工程实践中也得到较好的应用。但应该 注意到，现有的这些方法几乎都不例外地存在着不同的缺陷和难点，使人们仍 然脱离不了一系列经验性的处理手段，仍然不得不冒不经济和不安全这两种潜 在的危险。正是这种危险成了人们不断探索和研究的动力，希望更本质的找到 柔性基础荷载下柔性桩复合地基荷载传递特性，从而可进一步改进现有方法， 使其更科学、更安全、更经济。 1 4 1 桩周负摩擦力的研究现状 2 0 世纪3 0 年代，在荷兰沿海一带出现了一些采用桩基础的建筑物因沉降 ( 不均匀沉降) 原因导致引起开裂而无法使用的现象，其中，有些桩的设计承载 力高出实际使用荷载的若干倍。k t e z a g h i 和r b p e c k 通过调查研究发现，桩 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 周欠固结土体的沉降大于桩基沉降时，桩土界面的摩擦力不仅不能提供荷载抗 力，反而与荷载作用方向相同，会增加实际作用在桩上的荷载。这种方向向下 的摩擦力正是造成基础失效的主要原因。在此研究的基础上，他们第一次提出 了桩基的“负摩擦力 概念u 引。 复合地基中桩负摩擦力分为两种情况。第一种情况是在有褥垫层的复合地 基中，正常使用过程中加固桩体向上刺入褥垫层，使得桩体最上部的桩一土相对 位移情况发生变化，从而造成桩顶的一小段出现负摩擦力。由于褥垫层主要用 于调节桩一土应力比，在实际使用中一般仅几十厘米厚。因此，这种情况下的负 摩擦力对于复合地基承载性能的影响不大。第二种情况是在诸如地下水位下降 和欠固结土体的固结沉降引起土体沉降而出现的负摩擦力。在这种情况下，土 体沉降会改变桩体上部很长一段的土体沉降大于桩体沉降。因此，负摩擦力作 用的桩长比第一种更长，桩一土相对位移值更大，负摩擦力对于复合地基承载性 能的影响比第一种情况会大得多u 5 1 。 目前对于复合地基中的负摩擦力研究主要集中在前一种情况下，并在理论 和试验研究中取得了很多成果。 池跃君n 6 1 7 1 等人为研究带有垫层的素混凝土桩复合地基中桩身轴力、桩侧 摩擦力的分布及发展过程，设计了一组足比例尺单桩复合地基试验，在桩身内 埋设钢弦式应力计测出了桩身轴力，并由此得出桩侧摩擦力。从实测结果与散 体桩、无垫层带台单桩的桩身轴力、侧摩擦力分布对比分析可以看出，三者传 力机理是不同的。与散体桩相比，素混凝土桩复合地基中荷载沿桩身全长传递。 与无垫层带台单桩相比，桩侧摩擦力从加荷开始，在桩周上部土层即出现负摩 擦力，使得桩身轴力最大点不在桩顶而在中性点处。带有垫层的素混凝土桩复 合地基中桩侧负摩擦力的大小随荷载加大而变小。 王长科n 踟基于褥垫层的极限状态，将桩体的上刺作为施加在褥垫层上的荷 载，对桩体上刺及褥垫层的合理厚度问题进行了研究。 黄根生n 引从土体、桩体和褥垫层的变形协调研究了桩体向上刺入褥垫层的 问题。 安春秀心伽报道了回填土场地上水泥土搅拌桩复合地基在负摩擦力引起的下 拉力作用下加固桩体强度不够，桩体破坏造成建筑物无法使用的例子。 马海龙船13 通过对带承台的水泥土桩原位试验，发现置换率相同时，承台板 宽度大，水泥土桩的荷载临界深度也大，桩侧摩擦力分布深度下移。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 朱奎 2 圳等人研究了有无褥垫层对刚一柔性桩复合地基工作性状的影响。 宋修广1 等人利用有限单元法，通过考虑桩土摩擦，对粉喷桩的桩侧摩擦 力分布形式进行了数值计算，详细分析了粉喷桩各几何参数及土体强度对摩擦 力及下卧层附加应力分布规律的影响。 李小青乜4 1 等人以复合地基为对象，将桩、土、垫层、承台视为一个相互作 用的复合地基体系，通过考虑桩土界面接触摩擦作用，土体的非线性特性及系 统各个部分的主要作及基相互作影响，研究了群桩复合地基中桩侧摩擦力的分 布规律与特性。 赵锡宏1 等人提出了计算中性点位置的逐次逼近法，这比按照经验法估计 中性点位置合理许多。 周国林嘶2 7 1 用传递函数法对运用荷载传递法对负摩擦力桩基的荷载传递机 理进行了理论研究。 赵明华啪1 等人引入佐藤悟侧阻双折线模型，以荷载传递法建立了基桩负摩 擦力的基本微分方程。并在此基础上，考虑土体的分层性质，推出了基桩负摩 擦力的分段解析解。 李光煜瞳明利用滑动位移计成功地量测了钢管桩的负摩擦力分布，并运用有 效应力法进行了一些探讨。 李大展啪3 等人根据湿陷性黄土中桩侧和桩底均埋有测试元件的4 根大直径 扩底桩的现场实测数据，分析了浸水湿陷对桩垂直承载力的影响，得出了负摩 擦力的变化规律，最后提出浸水湿陷全过程中大直径桩荷载传递机理的“三阶 段分析法”。 马时冬口订在下述条件下进行了试验研究。某高速公路中桥台桩基础地层中 有约1 3 m 厚的淤泥，在填土高4 5 m 的情况下，对2 根直径1 5 m 、长2 8 m 的钢筋 混凝土灌注桩进行了桩身应力、应变和桩周土分层沉降的测试，测出中性点深 度和桩侧负摩擦力。通过实测值与设计预测值的比较，对各种计算和参数选取 方法给以评价。 陈福全口羽等人结合桩身应力与桩周土体深层沉降的现场测试，并给出了中 性点的深度、桩身轴力随桩深分布规律；针对试验工程实例，采用三维空间有 限元进行了数值模拟，将模拟结果与实测结果进行比较，两者有较好的一致性， 证明可以通过数值模拟来合理地研究桩与桩周土复杂的共同作用。 文献 3 3 中关于桩基负摩擦力设计的说明和要求是对2 0 世纪9 0 年代以前 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 国内对于负摩擦力特性的总结，对负摩擦力产生的条件、负摩擦力引起的下拉 力的计算、桩身强度设计和负摩擦力桩基承载力的计算都有明确的规定，对于 负摩擦力桩基的设计有十分重要的指导作用。 赵明华，刘思思眵4 3 基于能量的观点，建立一个描述能量传递过程的能量平 衡方程，从讨论桩身变形能与外力做功之间的关系出发，将能量法方程引入负 摩擦力的数值计算，继而导出能量法方程的矩阵表达式，并将其与桩身位移协 调方程联立，最后得到桩侧摩擦力与桩身轴力的迭代解。 由于复合地基直接利用浅层土体强度，诸如地下水位下降和欠固结土体的 固结沉降引起的土体的沉降可能会引起复合地基承载性能出现沉降增加、承载 力下降、桩体强度安全度降低等变化，研究复合地基中的负摩擦力问题是很有 实用价值的。 目前对于桩体复合地基桩体负摩阻力的研究还主要集中在桩体向褥垫层的 刺入所产生的负摩阻力，而对于地下水位下降，欠固结土体的沉降等因素引起 的桩体负摩阻力的研究还基本上没有开展。因为褥垫层主要是调节桩一土应力 分配，一般厚度有限，桩体刺入褥垫层所产生的负摩阻力远远小于土体沉降所 产生的负摩阻力，因此对复合地基中土体沉降引起的加固桩体负摩阻力特性的 研究是十分必要的。而实际工程中暴露出来的复合地基桩体强度不足造成复合 地基失效更是反映了对土体沉降产生的桩体负摩阻力研究的迫切要求。 1 4 2 加筋垫层受力研究现状 柔性基础下桩体复合地基的加筋垫层的受力机理和作用也有许多学者进行 了研究。英国标准b s 8 0 0 6 。矧提出了较为详细的水平加筋体的分析计算方法，先 确定了作用在桩帽上的竖向应力所占比值，余下部分平均分布作用于加筋垫层 上，应用薄膜理论，假设薄膜下脱空，则由垂直荷载孵产生的桩间土工格栅张 拉力丁可用如下简化公式计算： 广 t ：w 7 _ ( s - a ) ，1 + 上肼所一1 ( 卜2 ) 2 a v 6 占 式中：s 为桩间距，a 为桩帽宽，s 为格栅的允许应变。 北欧模式m 1 采用楔形体来计算二维土拱应力的传递，即假定土拱下面的土 体近似为一个顶角为3 0 。的楔体，如图1 - 1 所示，在任何路堤高度条件下，作 用在桩间土上的荷载都等于楔形体的土重，不考虑外荷载的影响。土体容重为丫， 楔形土体重为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图卜1 北欧楔形拱示意图 ，、， w ：兰二= _ 竺= - y ：0 9 3 ( s 一口) 2y ( 1 3 ) 4 t a n l 5 一 其桩间土工格栅的拉力公式同英国标准b s 8 0 0 6 。 饶为国口7 1 基于“桩土共同承担荷载，在网的作用下，充分发挥桩间土的承 载能力，不足部分由桩补充 的设计指导思想，将水平加筋体受力后的变形视 为抛物线，并假设以网下凹的最大挠度代替工后沉降量，并作适当修正，推导 出水平加筋体的拉力和桩土应力比的计算公式，同时将水平加筋体视为薄板， 采用薄板大挠度解，求得了水平加筋体的变形和拉力。 曹卫平等b 剐将单桩有效处理范围内的路堤等效为圆柱体，将桩、桩间土分 别模拟为桩弹簧、土弹簧，假定水平加筋体在路堤荷载作用下的变形曲线为二 次曲线，基于最小势能原理，将路堤、桩、水平加筋体、桩间土作为一个整体 来分析，考虑了各组成部分之间的相互作用，求得了桩体荷载分担比。 刘杰汹3 是基于桩一土一褥垫层相互作用的工作特征，并引入等沉面的概念， 建立了桩与桩周土相互作用的竖向位移协调方程，得出了垫层厚度及垫层材料 对复合地基工作性状的影响。 目前，对加筋垫层的研究主要集中在三个方面：预应力作用、侧限作用、 薄膜效应。 1 4 3 沉降特性研究现状 目前对水泥土搅拌桩复合地基变形s 的计算，包括搅拌桩群体的压缩变形 s 。，桩端下未加固土层的压缩变形s ：二个部分，如图1 - 2 所示，其总沉降量为： s = s ，+ s ，( 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图卜2 复合地基沉降计算示意图 图中h 为加固区复合地基厚度，z 为荷载作用下地基压缩层厚度。 搅拌桩加固体压缩变量s ，计算方法一般有以下三种：复合模量法，应力修 正法，桩身压缩量法。 搅拌桩桩端下未加固土层压缩变形量s ：的计算方法一般有以下三种：应力 扩散法、等效实体法、m i n d li n - g e d d e s 法。但是，它们最终都是按照单向压缩 的分层总和法计算压缩变形s ：。三种方法不同点仅在于计算地基内任一点竖向 应力的方法不同。 上述方法是在基础为刚性条件下计算的，认为基础底面是等应变。但路堤 填料为散粒材料，每点的沉降不可能都一政，因而路堤属于自由应变，所以上 述刚性基础下的求解方法对柔性基础下的复合地基沉降不再适用。 正是由于上述问题的存在，不少学者就柔性基础下的复合地基沉降进行了 研究，提出了不少方法。 刘杰、张可能m 1 利用力学理论及桩一土位移协调条件推出了路堤荷载作用下 复合地基加固区压缩量计算的解析式。 杨涛h 建立了柔性基础下悬桩复合地基加固区压缩量的解析计算式；基于 加固前后下卧层附加应力和沉降的有限元模拟对比分析和模型试验成果，提出 了下卧层压缩量的计算方法。 张忠苗等h 踟利用m i n d li n 解与b o u s s i n e s q 解联合求解柔性承台下复合地基 的附加应力，利用v e s i c 小孔扩张理论计算桩体刺入柔性承台的量，并对分层 总和法求得的沉降进行修正，得到与实测接近的沉降计算值。 李仁民等h 3 1 在充分考虑粉喷桩复合地基实际受力和变形特征的基础上，将 桩侧摩擦力简化成三角形分布，联合应用m i n d l i n 解与b o u s s i n e s q 解计算地基 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的沉降量。 刘利民等h 4 1 以g e d d e s 关于桩周土中附加应力解为基础，建立了考虑桩身弹 性压缩的柔性桩桩土位移协调方程，提出一种计算柔性桩单桩沉降的新方法。 叶观宝等h 鄹对半刚性桩复合地基的沉降使用计算方法进行了分析，将临界 桩长问题引入复合地基沉降计算方法，提出复合地基沉降计算的若干建议，构 成更合理、更符合实际的计算方法。 李海芳脚1 考虑了桩两侧摩擦力可能达到极限值的情况，并结合应力集中的 问题，得出了柔性基础下柔性桩复合地基加固区沉降量计算的解析解以及桩土 应力比的表达式。 施建勇等h 7 1 考虑了桩土界面的变形协调，应用半无限均质弹性体中点荷载 引起的m i n d l i n 解答，利用现场试验和有限元计算分析得出的桩侧摩擦力分布 规律，推导出深层搅拌复合地基沉降计算的理论公式。 杨涛、殷宗泽m 1 提出了平面应变条件下复合地基沉降计算的复合本构有限 元法，根据桩土界面处力的平衡条件和竖向变形协调条件，由桩、土材料各自 的本构方程形成复合地基的本构方程，桩和桩周土可以采用任意非线性本构模 型。 1 4 4 承载特性研究现状 现在公认的确定复合地基承载力最真实可靠的方法是现场静力荷载试验。 对桩体复合地基土承载力计算公式认为复合地基承载力是由地基承载力和桩的 承载力两部分组成的。如何合理估计两者对复合地基承载力的贡献是桩体复合