（检测技术与自动化装置专业论文）刚性桩复合地基三维数值分析与模型试验研究.pdf

雕眭桩复合地基三维教值分析和模型试验研究 摘要 刚性桩复合地基不仅可以充分利用天然地基的承载力。而且由于桩体的刚度较大，可以 全长发挥桩的侧阻，把荷载传到更深的土层，较大幅度的提高了地基承载力，在高层和超高 层建筑中应用越来越多但是刚性桩复合地基理论比较复杂，对其承载力和变形的影响因素 众多，单靠经验和简单的方法进行复合地基的计算分析远远不能满足工程实际的需要。而数 值分析方法是一个比较有效的途径目前对于刚性桩复合地基的数值分析方法大多集中在平 面应变假定下的二维平面分析以及单桩下的简单三维分析对于三维群桩的研究，由于建模 比较麻烦、计算时间长、不容易收敛等原因，研究的资料不多对于刚性桩复合地基的试验 研究。现场试验由于投资较大，试验周期较长，可重复性较差等原因应用较少，较多的是进 行一定比例的模型试验，而关于刚性桩复合地基群桩的模型试验资料的相关报道也较少，能 和数值分析结果进行比较论证的资料相对更少。 本文以有限元分析软件k n s y s 为工具，通过建立刚性桩复合地基三维群桩( 桩数5 x 5 ) 有限元模型，对刚性桩复合地基的褥垫层厚度、褥垫层模量、桩体长度、桩体模量、基础刚 度等几个方面进行了比较深入系统的研究。研究表明：随着褥垫层厚度的增加，桩间土的承 载能力被充分利用，地基承载力提高，桩体受力更加均匀；褥垫层模量的减小可以更好的协 调桩土变形，充分利用桩闻土，提高地基承载力，但幅度不大；桩体长度对地基承载力的提 高效果非常明显，尤其是当桩端支撑于较好土层时；桩体模量的提高使桩体承担更多的荷载， 地基承载力有所提高，但当达到一定值以后对地基承载力提高效果不大；随着基础刚度的增 加，桩体将承担更多的荷载，地基承载力也有所提高，这对增加建筑的整体性和降低基础的 不均匀沉降都有较好的效果另外，还发现一些共同的规律：桩体和桩间土边缘区域受力较 中间区域大，施工中应加强边缘区域桩体的施工质量，避免对边缘土体的扰动；桩间土体的 附加应力在浅层较大，设计中可以充分利用浅层区域桩间土的承载能力 本文还进行了3 3 的刚性桩复合地基群桩模型试验，对不同垫层厚度下刚性桩复合地基 的变形特性、不同桩位桩体和桩间土的受力特性进行测试比较，并对桩土应力比和荷载分担 比等反映桩土共同工作性能的指标进行分析研究。通过比较模型试验和有限元关于垫层厚度 分析两者的规律，发现基本吻合最后结合数值分析和模型试验的结果，提出了一些工程建 议。 关键词：刚性桩复合地基三维数值分析模型试验研究有限元群桩 捌性桩复合地基三维羲韭分折秘试验研究 a b s t r a c t r i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nn o to n l yc a nf u n yu s et h es u p p o r t i n gc a p a c i t yo fn a m l a l f o u n d a t i o n , m o r e o v e rp i l ec a nd i s p l a yt h ef r i c t i o n a lr e s i s t e n c ew h o l eb o d yf o ri t sb i gr i g i d i t y , t h e l o a di st r a n s f e r r e d 幻ad e e p e rs o i ll a y e r s ot h eg r o u n db e a r i n g c a p a c i t yo b t a i n sal a r g e r e n h a n c e m e n t 唰p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nn o w i sa p p l i e dt om a n ye n g i n e e r i n gs u c h 私h i g h b u i l d i n g su n dt h ee x h - h i g hb u i l d i n g s b u tr i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nt h e o wa n dc o m p o 僦o n a n a l y s i s ，w h i c hi sq u i t ec o m p l e xa n dh a sm o r ei n f l u e n c e 自c c a nn o tb ea b l et om e e tt h ep r o j e c t a c t u a ln e e d sb yf a ro n t yd e p e n d so i lt h ec x y c w i u n e ea n dt h es i m p l em e t h o d a tp r e s e n t , r i g i dp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nn u m e r i c a la n a l y s i si sm a i n l yf o c u s e do np l a n e 甜n i i nt w o - d i m e n s i o na n a l y s i s o rs i m p l et h r e e - d i m e n s i o n e dn u m e r i c a la n a l y s i s r e g a r d 咄t h r e ed i m e n s i o n a lg r o u pp i l e 糟s e a r c h ， b e c a u s eo ft h eu o u b l e s o m em o d e l i n g ，l o n gt i m ec o m p u t i n g 。n o te a s yt oc o n v e r g e ，t h er e s e a r c h m a t e r i a la r en o tm a n y t ot h ee x p e r i m e n t a ls t l l d yo f r i g i d p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n , f i e l dt e s ti sn o t p o p u l a r t h a n m o d a l e x p e r i m e n t f o r t h e b i g i n v e s t m e n t , l o n g e r e x p e r i m e n t a l c y c l e , p o o r r e p e n t a b i i i t y , a n dt h em a t e r i a li sa l s ol e s s t h i s a r t i c l e , w h i c h t r i e dt oe s t a b l i s ht h r e e - d i m e n s i o n e dn u m e r i c a lm o d a lo fr i g i dp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n , h a sd o n ead e e p e rr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c i n g 自c t 口幔s u c h 雒c u s h i o n t h i c k n e s s ，c u s h i o nm o d u l u s , p i l e sl 曲砒p i l e sm o d u l u s , f o u n d a t i o ns 出嗡t os t u d yt h e i r i n f l u e n c eo nt h eb e a r i n gc a p a c 缸ya n ds e t t l e m e n to f c o m p o s i t ef o u n d a t i o n , p i l es 血e 站s u - e s so f t h e s o i la r o u n dp i l e s ，p i l e - s o i ls t r e s sr a t i o a n ds o m eb e n e f i c i a lp r o p o s a l sa r cp u tf o r w a r df o rt h er i g i d p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no p 岫e dd e s i g n t h i sa r t i c l eh a sa l s oc a r r i e do nm o d a le x p e r i m e n t a ls t u d yt ot h er i g i dp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n t h es e t t l e m e n tc h a r a c t e r , s t r e s so f t h ep i l e sa n ds o i la r o u n d p i l e si nd i f f e r e n tp o s i t i o ni s t e s t e d ；t h ei n d c x s u c h 船p i l e - s o f ts l l e s $ r a t i o p i l e - s o i ll o a ds h a r er a t i ow h i c hr e 呦p i l e - s o i l p e 矗疵et o g e t h e ra r er e s e a r c h e d t h er e s u l t sb 咖e e n u m e r i c a la n a l y s i sa n dm o d a le x p e r i m e n t a lt e s ta r et a l l yw i t he a c ho t h e r , t h el e a s i b l eo f t h en u m e r i c a la n a l y s i si sv e r i f i e d k e yw o r d s ：r i n dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n , t h r e e - d i m e n s i o n e dn m u n r i c a la n a l y s i s , m o d a l e x p e r i m e n t a ls t u d y , f i n t e - e l e m e n t m e t h o d , p i l e g r o u p 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学位申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师酌指导下独立完成酌，对所研究酌课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢酌地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构酌学位或征书而 使用过的 了明确酌 羲人 了解并同 图书馆、 本和电子 学术发展 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容酌学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 学位论文指导教师 2 0年月 自 作 全 家 、 疋 校 手 尉性桩复合地基三雏氟值分析和模型试验研究 第一章绪论 1 1 刚性桩复合地基概述 当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基的要求时，需要进行地基处理，形成人工地基， 以保证建( 构) 筑物的安全与正常使用地基处理的方法很多，按地基处理的加固原理分类， 主要有：置换，摔水固结，振密、挤密，灌入固化物，加筋，以及冷、热处理等经过地基 处理形成的人工地基大致上可分为三类：均质地基、多层地基和复合地基【l j 人工地基中的均质地基是指天然地基在地基处理过程中加固土体性质得到全面改良，加 固区土体的物理力学性质基本上是相同的，加固区的范围，无论是平面位置与深度，与荷载 作用对应的地基持力层或压缩层范围相比较都已满足一定的要求( 图1 - 1 a ) 倒如：均质的 天然地基采用排水固结法形成人工地基在排水固结过程中，加固区范围内地基土体中孔隙 水减小，抗剪强度提高，压缩性减小，加固区内土体性质比较均匀若采用排水固结法处理 的加固区域与荷载作用面积相应的持力层厚度相比较也已满足一定要求，则这种人工地基可 视为均质地基。均质人工地基的承载力和变形计算方法基本上与均质天然地基的计算方法相 同 一 一 0 t 曲 ( a ) 均质人工地基( b ) 双层地基( c ) 水平向增强体复合地基( d ) 竖向增强体复合地基 圈1 - 1 人工地基的分类 人工地基中的双层地基是指天然地基经地基处理后形成的均质加固区的厚度与荷载作 用面积或者与其相应持力层和压缩层厚度相比较为较小时，在荷载作用影响区内，地基由两 层性质相差较大的土体组成( 图1 - 1 b ) 采用抉填法或表层压实法处理形成的人工地基，当 处理范围比荷载作用面积较小时，可归属于双层地基双层人工地基承载力和变形计算方法 囝汀赢大量 河南大学骥士学位论文 基本上与天然地基的计算方法相同 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，当时是指一种砂型地基的数学 模型随着地基处理技术的发展，复合地基的概念得到了很大的扩展复合地基( c o m p o s i t e s u b g r a d e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 是指天然地基在地基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材料，加固区是由基体( 天然地基土体或被改良的天然地基 土体) 和增强体两部分组成的人工地基在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用 根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基，其示意图 如图卜1 c 和1 - 1 d 所示 水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料如土工聚合物、金属材料格栅等形成的 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桩体复 合地基根据竖向增强体的性质又分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩 复合地基。复合地基按工作机理的分类如图i - 2 所示 复合地基 i 敢体材料桩复合地基 蚋蝴髓钳基陋材料馘合地基懦藿差主麓 圈1 2 复合地基分类示意圈 其中，散体材料桩复合地基的桩体是由散体材科组成的，桩身材料没有牯结强度，单独 不能形成桩体，只有依靠周围土体的约束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内摩擦角和周围土体能够提供的桩侧约束力。其桩体主要形式有碎石桩、 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，柔性桩中部分强度较高 的桩( 如粉喷桩，有时称半刚性桩) 已较强的表现出桩的性状。柔性桩复合地基的承载力由 桩体和桩问土共同承担，其中，绝大多数情况，桩体的置换作用是主要组成部分柔性桩复 合地基的桩体主要形式有土桩、灰土桩、石灰桩、水泥土桩等 剐性桩复合地基是采用刚度较大的混凝土桩或高标号c f g 桩( 水泥、粗骨料、石膏、 级及级以上粉煤灰，必要时加适量泵送剂及粉煤灰激发剂按照适当比例混合，加水强制搅 拌而成) 等作为竖向增强体的一种人工地基在这种人工地基的桩顶和基础之间，往往铺设 一定厚度的级配砂石柔性褥垫层，以调整桩土之间的荷载分担，增大基底摩擦嘲( 图1 - 3 ) 刚性桩复合地基是介于天然地基和传统桩基之间的一种过渡型基础。这种复合地基的特点在 于“刚”，相对于柔性桩来讲，具有更强的桩体强度，可以全长发挥桩的侧阻由于刚性桩复 合地基的单桩承载力高，故复合地基承载力较高。多用于高层、超高层建筑中叫根据工程 实践表明，按刚性桩复合地基设计可比按复合桩基设计节省4 5 4 7 的用桩量。但刚性桩复 2 壁河南大謦 g 搬 一黼 褂眭桩复合地基三维羲值分析和模型试验研究 合地基比一般桩基础沉降要大一些，特别是相对于端承桩而言所以对于沉降量要求特别小 的建( 构) 筑物，应慎用此种地基嘲另外，刚性桩复合地基对土质是有要求的，土体模量 的变化对桩土荷载分担及沉降有很大影响桩闯土为新填土，欠固结土的一般不适用刚性桩 复合地基旧 豳l - 3 刚性桩复台地基示意图 近年来，c f g 桩及素混凝土桩复合地基的应用越来越广泛。据文献报道：1 9 8 8 年，南京 造纸厂轻涂胶印车间采用c f g 桩复合地基处理后，地基承载力由天然地基的8 0 k p a 提高到 1 6 0 k p a ，提高了2 0 0 ，后沉降观测表明，沉降仅为预计沉降的2 0 ；1 9 9 0 年，天津蓟县电厂 冷却塔也采用c f g 桩复合地基，地基承载力由原来的1 2 0 k p a 提高到2 2 0 k p a ，提高了1 8 3 1 , 1 9 9 4 年，平顶山市海南大厦( 共2 3 层商住楼) 采用c f g 桩复合地基，承载力由原来的1 6 0 k p a 提高到3 0 0 k p a 提高1 8 8 5 ；1 9 9 6 年，北京慧忠北里居位区3 区3 # 4 l i 、5 # 塔楼为三栋剪力 墙结构高层住宅，地下2 层地上2 5 层局部2 7 层，采用低强度混凝土桩复合地基处理后，地 基承载力由1 8 0 k p a 提高到4 5 0 k p a ，提高2 5 喁，经沉降观测，主体封顶时沉降量最大为2 0 删； 同期，浙医一院门诊综合楼，位于杭州市庆春路，为全现浇框架一剪力墙结构体系，地下1 层j i l l _ 2 3 层，在考廖了桩间土承载能力的基础上，采用桩筏复合桩基基础，满足了基底4 0 0 k p a 的接触压力要求，并且沉降量得到了有效控制，复合桩基最终沉降量为1 2 0 m m 九十年代中期以后，刚性桩复合地基应用更是越来越多据统计，仅1 9 9 5 年北京地区 在高层建筑中( 1 8 层以上) 应用c f g 桩复合地基的就有1 0 0 幢以上在河北省，石家庄、秦皇 岛、保定、正定、邢台等地也逐渐在住宅楼、办公楼、工业厂房等工程中应用刚性桩复合地 基1 9 9 8 年，辛集市奥林大厦，4 层框架结构，独立基础，采用素混凝土桩复合地基，地基 承载力由原来的1 1 0 k p a 提高到2 5 0 k p a ，提高了2 2 7 11 9 9 9 年，正定中学教师住宅楼6 层砖 混结构，砖条基础，采用素混凝土桩复合地基，地基承载力由原来的1 3 0 k p a 提高到1 8 0 k p 8 ， 提高了1 3 8 ；2 0 0 0 年，石家庄市第二人民医院高层住宅楼，地下2 层地上2 6 层，筏板基础， 采用素混凝土桩复合地基，地基承载力由1 5 0 k p a 提高到4 0 0 k p a ，提高了2 6 7 $ 以上；2 0 0 4 年 位子郑州西部的某科技大学楼，地下2 层，地上3 2 层，筏板基础，剪力墙结构。采用c f g 3 河南大学颤士学位论文 桩进行处理，桩径4 0 0 m s ，桩长1 2 0 m ，桩间距1 2 5 m ，2 5 0 m 厚的级配砂石褥垫层，地基承 载力由2 3 0 k p a 提高到6 0 8 k p a ，提高了2 6 4 ，满足设计要求m ；2 0 0 5 年，位于石家庄市的北 国开元广场b 1 楼。地上3 2 层，地下2 层，根据设计采用c f g 桩复合地基，桩径为4 0 0 m ， 混合料强度为c 2 0 ，经检测该工程单桩承载力特征值达到7 5 0 1 d q ，单复合地基承载力特征值达 到5 5 0 i 【p a ，满足设计要求”j 以上工程，桩径大都在4 0 0 m 6 0 0 m m ，桩长从几米到几十米不等，都比较好的解决了地 基承载力及变形问题，取得了良好的经济效益和社会效益1 9 1 1 2 刚性桩复合地基研究现状 1 2 1 刚性桩复合地基的承载机理 刚性桩复合地基的受荷变形过程是一个很复杂的过程 在受荷初期，由于褥垫层的调节作用，桩土共同承受上部荷载，此时地基土分担比玑较 大，桩土应力比押值较小随着荷载增加，桩顶逐渐向褥垫层刺入，荷载逐渐向桩身转移， 桩的作用逐渐显示出来，力逐渐增大，7 逐渐减小当荷载继续增加到复合地基极限荷载的 6 0 左右时，撑，叩。( 桩分担比) 值与玎。值分别会出现峰值和谷底值，此时单桩承载力已达 其极限值的8 0 左右，桩的应力集中现象最显著，桩对褥垫层的刺入量已基本稳定过此点 后，随着荷载的继续增加。桩向上刺入量增加很少，桩土应力比、桩分担比会减小，地基土 分担比会增加，桩土变形趋于同步若再进一步增加荷载，由于复合地基中桩的荷载一沉降( q - s ) 曲线呈加工硬化型i l 川，桩还可以承受较大的荷载增量。但其桩项荷载增加量很小，新增荷载 绝大部分由桩间土分担，直到桩间土达其极限承载力，这时复合地基破坏【l 。“ 影响刚性桩复合地基承载性能的因素很多，如褥垫层的厚度及其模量变化的影响、桩体 的长度及其模量变化的影响、桩间距的影响、加固层及其下卧层土体性质变化的影响、基础 宽度和基础刚度的影响等等不同的因素对复合地基承载力的贡献值也大不相同 还有群桩效应问题群桩总的极限承载力并不等于各单桩极限承载力之和，其群桩效率 系数玎可能大于1 ，等于1 或小于1 ，丽群桩效应系数难以用承台一桩一土相互作用分析的理论 方法求解建筑桩基技术规范根据大量基桩侧阻、端阻、承台底土阻力的测试结果，经过统 计分析，给出了随地基土类别、桩距与桩径之比( s a d ) 、承台宽与桩长之比( b c l ) 等因素而 变化的各项群桩效应系数值，从而可求得群桩总的极限承载力，但缺乏理论依据许多学者 开始利用数值分析的方法对群桩效应问题进行求解，已取得了许多成果 下面就刚性桩复合地基的各个影响因素的研究成果进行简单论述 4 尉性桩复合地基三雏数值分析和模型试验研究 1 2 2 褥垫层对刚性桩复合地基的影响 褥垫层技术是刚性桩复合地基的一个核心技术，复合地基的许多特性都与褥垫层有关 在刚性桩复合地基中，由于桩土刚度差异较大，土的压缩变形大于桩的变形，为满足变形协 调条件，两者差距要由桩与土的相对位移来完成。但刚性桩要求桩端土层的压缩模量较大。 因此难于向下刺入满足变形协调于是，在桩顶设置一定厚度的级配砂石褥垫层一方面， 为桩向j j j 入提供条件，并且也能充分发挥桩闻土的承载力，减小桩顶应力集中，从而应力 分布比较均匀；另一方面，也降低了刚性基础对各桩体位移的约束，减小了架越作用，使得 复合地基中桩的最大轴力作用点不在桩的顶部，从而各桩桩身最大应力均匀化由于褥垫层 的作用，刚性桩复合地基在加载初期，桩有一定的向上刺入量从桩受力的角度讲，使桩上部 产生一定的负摩阻力，同时此负摩阻力也对桩问土产生一个向上的反作用力，阻碍了桩阃土 体的沉降，使桩周土体的承载力得到加强，因而在一定程度上提高了桩间土体的承载力：从 褥垫层受力的角度讲，随着桩的相对向上刺入，桩项上的垫层材料会挤向周围土体，通过垫 层材料的流动补偿，使桩问土与基础始终保持接触。避免了基础与桩间土的分离 池跃君，宋二祥，高文新等1 1 3 】( 2 0 0 1 ) 通过现场试验，测出了刚性桩复合地基各土层的变 形、桩体的上下蒯入量、桩身轴力、侧摩阻力，并由此得到桩土荷载分担比，应力比试验 表明：垫层的存在使桩体发生上，下刺入，使桩侧摩阻力、桩身轴力发生改变，并使桩土先 后共同参与工作。负摩阻力使桩周土体的承载力得到增强，同时使桩在全过程都发挥了作用 池跃君，宋二祥【l 1 ( 2 0 0 1 ) 等又利用有限元程序对刚性桩复合地基在竖向荷载下的轴力、 沉降特性进行了计算分析其中地基土与垫层为弹塑性d r u c k - p r a g e r 模型，桩土界面采用薄 单元，桩与承台为线弹性模型着重讨论了桩身轴力、基础沉降等随垫层厚度、垫层模量、 桩长、土体模量及桩间距等因素变化的规律，证明了垫层厚度和模量变化对刚性桩复合地基 竖向承载特性的影响规律 郑刚，刘双菊，伍止趔1 习( 2 0 0 4 ) 设计了桩竖向刚度很大的刚性桩复合地基模型试验，进 行了桩顶进入不同厚度褥垫层的复合地基试验，研究了刚性桩复合地基褥垫层在竖直荷载作 用下的工作性状结果表明：竖向刚度很大的桩即使在1 0 0 m 厚褥垫层情况下也很难充分发 挥其承载力，桩项下设置一定厚度的褥垫层有助于提高桩的荷载分担比，减小刺入量 曹明【1 e ( 2 0 0 5 ) 运用有限元法系统地分析t 目i , i 性桩复合地基中的桩、土荷载分担特性以及 基础沉降与垫层特性、桩长、桩距等影响因素之间的关系，指出：在刚性桩复合地基中，垫层 弹性模量和厚度对其工程性状影响显著，设计垫层时，要使垫层能够有效地调整桩、土及各桩 之间的荷载分担特性，充分发挥桩、土的承载能力，同时，还必须注意控制基础的沉降在预定目 标以内 5 柯膏大学硕士掌位论文 i 2 3 桩长及桩体弹性模量对刚性桩复合地基的影响 桩长不同，同一荷载水平下，桩，土荷载分担比不同，桩越短桩间土荷载分担比越大， 桩间土受的荷载越大，桩间土的压缩变形越大，桩长范围内土的压缩变形也越大反之，桩 越长土的荷载分担比越小，土的压缩变形小，桩长范围内土的压缩变形也越小 桩长的变化对桩上刺入量和下刺入量也是有影响的。闰明礼 1 7 1 ( 1 9 9 6 ) 指出，当地质条件 相同，荷载一定时，桩越长，桩上刺入量和下刺入量越小，桩长范围内土的压缩变形量也越 小桩越短，桩上刺入量和下刺入量越大，桩长范围内土的压缩变形量也越大当然，影响 桩上刺入量和下刺入量的因素不仅是桩长，褥垫层的厚度和下卧层土性对上、下刺入变形均 有很大影响 还有一点需要指出的是，虽然刚性桩复合地基的桩身模量都很大，但桩身模量的变化对 桩土应力比还是有一定影响的黄生根”( 2 0 0 3 ) 根据边界条件的影响程度，将刚性桩复合地 基中的褥垫分为两种类型，推导出薄垫层情况下桩一土应力比的表达式，分析了复合地基中桩、 土、褥垫层的几何、力学参数及荷载水平对桩一土应力比的影响结果指出，桩一土体系处于 弹性阶段时，桩长增加，桩一土应力比增大；桩一土应力比随桩身弹性模量的增加而增大，但 当弹性模量达到某一数值时，桩一土应力比趋于一定值 曹明l l 埘( 2 0 0 5 ) 运用有限元法系统地分析了刚性桩复合地基中的桩、土荷载分捏特性以及 基础沉降与垫层特性、桩长、桩距等影响因素之间的关系，指出：桩的长径比“d 对减小基 础沉降和提高承载力产生明显作用，但刚性桩复合地基中也存在“有效桩长”的概念，应合理 的设计其长度 1 2 4 桩间距对刚性桩复合地基的影响 在加载初期，桩土应力比随桩间距的增大而增大，在大荷载作用下，桩间距越大其桩土 应力比越趋于稳定，并且在桩间距很大时，其桩土应力比在达到峰值后略有下降这主要是 由于当桩间距较小时，每根桩所承担的荷载也较小，桩的承载力并未完全发挥，桩、土应力 场和位移场在不断变化；当桩距较大时。每根桩所承担的荷载也变大，桩的沉降增加，桩的承 载力完全发挥，桩、土应力场和位移场趋于稳定；当桩距更大时，桩承担更大的荷载，产生 的沉降加剧，使土的分担比增大，于是出现了桩土应力比下降的现象t 1 2 j 桩间距的增大对荷载在桩与土体之间的分配，对桩身应力以及复合地基的沉降有很大影 响。一般来说桩间距的增大不仅对土承载力的发挥是有益的而且能充分发挥桩的承载力，这 是经济的过小的桩间距使桩侧摩阻力与桩问土的承载力发挥不出来。特别是中间区域的土， 其最终还是将基底荷载传递给桩因此从这个角度说采用较大桩距是合理的但过大的f 豇距 导致桩顶应力集中及过大沉降量是值得注意的 曹明l l ”( 2 0 0 5 ) 指出当桩间距s d 大于3 的时候，桩间土的承载力才能达到较好的发挥 6 蹦性桩复合地基三雏羲值分析和模型试验研究 增加桩间距。土承担荷载明显增加。在刚性桩复合地基中，基础沉降与桩间距近似呈正比，在桩 长确定的情况下。可大致推测出目标沉降值所对应的桩距。 池跃君。宋二祥。陈肇元1 1 4 隧用有限元程序对刚性桩复合地基竖向承载力进行分析，结果 表明，桩间距的变化对复合地基沉降影响较为显著基础沉降随桩间距的减小而减小，但在 较小桩间距下的减小幅度不大，即较密的布桩方式对改善沉降用处不再明显复合地基承载 力特征值随桩间距的增大而减小桩身应力随桩间距的增大而增大，中性点也逐步下移 1 2 5 加固层及下卧层对刚性桩复合地基的影响 桩土应力比随加固区土体模量的增大而减小，而随下卧层土模量的增大而增大但是， 在加荷初期不明显，这主要是因为在加荷初期桩侧摩阻力起主要作用，桩端土对桩土应力比 几乎无影响，随荷载增大桩端土才逐渐发挥作用 因刚性桩复合地基要求落在硬土层上所以下卧层的压缩量很小，因此加固区压缩为沉 降的主要部分。并且，沉降随桩间土模量的减小而增大 池跃君，宋二祥，陈肇元【1 4 嚏用有限元程序分析结果表明：复合地基沉降随桩间土模量的 减小而增大，承载力特征值随桩间土模量的减小而减小；桩问土模量对桩顶应力的影响小于 对桩身应力的影响，特别是边桩，角桩的桩顶应力几乎没有变化；土的荷载分担随桩间土模 量的加大而增大；桩间土模量对桩身的正负摩阻力是有影响的，在一定范围内土模董越大桩 身摩阻力发挥越大对于桩端土体，桩端土的模量越大，复合地基的沉降越小；桩端土的模 量对桩身轴力的分布形式影响不大，仅是加大了轴力值 1 2 6 基础宽度和刚度对刚性桩复合地基的影响 对于天然地基，当荷载强度相同时，基础宽度越大沉降量也越大这是因为基础下某一 深度的附加应力系数随基础宽度增加而增大，同时压缩层厚度也相应加大刚性桩复合地基 也一样。当置换率、桩长及土性指标相同时，在同一荷载水平下，加固区压缩变形，下卧层 压缩变形以及总沉降量都随基础宽度增加而增大“哪 在设计计算时应综合考虑桩长和基础宽度两个因素的影响，用驯丑( 为桩长，占为基 础宽度) 作为参量适当选取有关数值进行计算 陈洪，温晓贵，吴慧明“”( 2 0 0 3 ) 等，通过对不同刚度基础下复合地基沉降变形的有限元 模拟分析，详细对比分析了不同刚度基础下复合地基沉降变形性状，总结出：与天然地基相 比，无论是刚性基础还是柔性基础下的复合地基，加固区沉降比天然地基要小。下卧层的沉 降要比天然地基大，总沉降比天然地基小，可见复合地基主要因为减小了加固区的压缩而减小 了地基沉降；柔性基础下复合地基加固区沉降比刚性基础下的大得多，但刚性基础下卧层 沉降比柔性基础的大，故柔性基础的总沉降大于刚性基础；无论柔性基础还是刚性基础下 的复合地基，都存在最佳桩土模量比、最佳长径比和最佳置换率 龚晓南，褚航( 2 0 0 2 ) 利用数值方法，研究了在不同刚度基础下复合地基中应力场和位 移场的差异试验研究和数值分析表明，基础刚度对复合地基性状有较大的影响。随着基础 刚度的增加，桩土应力比增大，复合地基总沉降减少基础刚度不同，复合地基中桩体的长 度、刚度和置换率对复合地基性状的影响程度不同，但规律是相似的 1 3 本文研究内容 复合地基牵涉到桩体、土体和下卧层的相互作用问题，还牵涉到基础刚度的相互作用问 题。随着地基处理技术的发展，随着多元复合地基和组合式复合地基的发展，桩间土受到成 桩工艺的影响越来越复杂，同时复合地基的形式越来越复杂，这样单靠经验和简单的方法进 行复合地基的计算分析远远不能满足实际的需要，必然出现大量的简化的假定，而与实际出 现较大的偏差。而数值计算方法由于有严密的数学基础，可以考虑诸多复杂的因素，其优点 就是解决复杂边界问题，因此在解决复合地基的承载能力方面有极大的优点同时，当今数 值计算技术已经越来越成熟。其计算的精度完全可以满足实际的需要，因此用数值计算的方 法进行复合地基承载力的计算研究发展很快数值计算方法已经成为研究复合地基的有力 工具在数值计算中，关键是计算参数的取得和计算参数的精度、土体和桩体的本构模型的 选择问题如何解决如果解决了这两个问题，数值计算将可以非常精确地计算复合地基的承 载力等诸多问题田j 目前对于刚性桩复合地基的数值分析方法大多集中在平面应变假定下的二维平面分析 以及单桩下的简单三维分析对于三维群桩的研究，由于建模比较麻烦、单元数量较多、不 容易收敛等原因，对计算机的要求非常高，计算时间较长，通常达到几个小时甚至几十个小 时( 视问题的复杂程度而定) ，研究的资料相对较少；尤其是考虑到桩土界面接触单元的设置， 接触参数的调整，导致结果收敛更加困难，对计算机的要求更高，分析时间也会更长本文 以有限元分析软件h n s y s 为工具，建立了刚性桩复合地基三维群桩( 桩数5 5 ) 有限元模型； 桩体和承台板为线弹性体，土体简化为非线性弹塑性体，并对桩间土体和桩端土体设置不同 的力学参数分层考虑；计算中采用一定方法消除了模型在自重应力下固结沉降对计算结果的 影响；由于主要研究群桩相互作用规律如桩体和桩间土的空间差异性，并且是在小荷载作用 下，消除了自重应力下的初始固结沉降后桩体和桩间土的相对位移较小，通过试算也发现加 接触单元和不加接触单元计算结果相差不大，因此桩土界面假定无相对滑动。分别对刚性桩 复合地基的褥垫层厚度和模量、桩体长度和桩体模量、基础刚度等几个方面进行了比较系统 的分析，研究了它们对复合地基承载力的影响，对不同桩位桩身应力的影响。对不同区域土 体附加应力的影响，对桩土共同承担荷载的性能指标桩土应力比的影响，并结合分析结果对 工程实际进行了一些合理建议，为刚性桩复合地基的优化设计提供了一定的思路和依据。 任何理论分析都要经过试验的验证而刚性桩复合地基群桩的现场试验由于投资较大， 8 刚性桩复合地基三赡教值分析和模型试验研究 试验周期较长，可重复性较差，影响因素较多等原因，试验资料较少现在应用较多的方法 是采用适当比例的模型试验模型试验的相似关系非常重要，现阶段由于重力加速度和材料 的弹性模量等条件较难满足。非常严格的相似有一定难度，较多的是定性的进行一些规律性 的研究本文结合以往模型试验的一些情况，自行设计了一套试验设备装置，对刚性桩复合 地基的核心技术一褥垫层进行了较大比例的模型试验研究，研究了不同垫层厚度下刚性桩复 合地基的变形特性，桩体和桩间土的受力特性，桩土共同分担荷载的特性，最后结合数值计 算结果进行了对比分析，达到较好的效果，同时也是对数值分析结果的有力论证 9 第二章有限元法基本原理及三维模型建立 本章首先介绍了有限元法基本原理，包括有限元法在岩土工程中的应用、有限元法基本 原理、有限元法分析过程、有限元分析对网格划分的要求，并对有限元分析软件a n s y s 结 合其在基础工程中的应用进行了简要的介绍：然后结合本文的研究内容，阐述了模型单元的 选择及计算原理、材料的非线性本构关系、三维计算模型体系建立及参数选择。本文还通过 定的方法消除计算模型在自重应力下固结沉降对计算结果的影响，并通过一个算例进行验 证 2 1 有限元法基本原理 2 1 1 有限元法在岩土工程中的应用 数值计算已在非常广泛的工程领域内得到应用在岩土工程中，随着本构模型研究的发 展，数值计算不但已大量应用，而且已积累了很多的经验。数值计算越来越成为解决许多复 杂工程问题的主要手段之一 对于复合地基这样一个带有群桩的复杂三维问题，只有应用数值分析才能有效地反映各 种影响因素，分析复合地基地受力特性岩土工程数值计算最常用地方法有有限差分法、有 限元法、边界元法、半解析法等，其中有限元法最为成熟，应用也最为广泛有限元法的优 点在于：( 1 ) 有限元法可以方便地反映岩土材料的复杂本构关系，只要给出这种本构的表达 式，用有限元法就可以方便地表达出来；( 2 ) 有限元法对复杂边界的反映比其他数值方法有 较大地优势已经开发的不同类型的单元，可以适合不同情况的模拟( 如板壳单元模拟板壳 的作用、界面单元模拟各种界面的特性) ；( 3 ) 有限元法经过多年的开发应用，有较为成熟的 方法和计算程序，有大量工程计算的经验。当前，有限元法已在岩土工程中应用多年，为推 动岩土工程的发展起到了很好的作用 有限元在模拟地基这样的无限介质时，一般的方法是取较大范围计算，并假设范围之外 的土体不再受荷载的影响。这样做必然增加单元数，从而加大工作量无界元法是2 0 世纪 7 0 年代由u n g l e s s m l 和b e t t e s s 2 3 1 提出的一种半解析、半数值的计算方法它的基本计算思路 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，从而节 省单元数当然。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数相结合一起满足变分原理，因此无限方f 句上解函效对真解的逼近能 更好地得到改善将无限元与有限元相耦合来分析半无限地基的受力性状既可以较为准确地 反映半无限介质地特性，又大大节省部分的单元数量大大减少计算工作量，是进行三维地 基计算的极有前途的计算方法 1 0 暖性桩复合地基三雉囊值分析和模型试验研究 岩土工程数值计算分析用于复合地基的承载特性分析从2 0 世纪8 0 年代开始得到了极大 的发展。经历了从线性分析到非线性分析，从平面到三维的发展，还经历了从被认为是纯粹 的结果计算方法到作为一种试验手段( 数值试验) 的发展过程谢定义，张爱军州首先提出 采用数值分析试验的方法研究复合地基承载力特性的方法，并初步得到三类复合地基的承载 特性的基本特点李宁于1 9 9 7 年明确提出“岩土工程数值仿真分析”的概念和思路，数值试 验或数值仿真在数值计算技术发展到一定程度时，可以较为准确地模拟复合地基的真实承载 特性，而且比物理模型实验( 包括室内试验和现场试验) 费力少、时间短、花费省，可以大 量进行可以大量模拟试验从而得到符合实际的结论，所以说它是极有前途的试验方法。数 值试验的方法在像原子爆炸、基因研究等方面得到了较好的应用，同样在复合地基承载特性 分析的方面也会发挥较好的作用。尽管在用数值方法对复合地基承载特性研究中还存在诸如： 土体复杂本构行为及其工程应用的研究；桩土体系整体数值模型的求解规模与非线性分析的 计算效率、多相土体流固耦合的瞬态问题等深入工作要做，但从理论上可以预见，有限元法 将是解决复合地基中桩土相互作用复杂问题的最根本的途径 有限单元法发展十分迅速，从结构分析发展到非结构分析，从静力计算到动力计算，从 弹性问题到弹塑性力学问题，几乎在所有的连续介质和场问题中得到了应用它的应用涉及 到一切工程行业和科技领域，如土建、水工、桥梁、飞机、造船、航空、气象、导弹、污染、 高能加速器、核反应堆等等，成了一个超行业、跨学科的新的学科分支 随着频繁的学术交流以及期刊和专著的纷纷面世，有限元法进入了鼎盛时期，基本理论 已相对成熟但在进一步扩展其应用范围、提高和改善有限元法的应用技巧等方面还有很多 工作有待开展，如疲劳、断裂、损伤等材料破坏问题，各种非线性问题、流体问题和大规模 复杂结构的求解效率、误差界限、收敛速度、网格划分、自适应单元、精细有限元和优化设 计，计算机程序设计技术、形状函数的选取及协调性等 2 1 2 有限元法的基本原理 有限单元法的基本思路是：将连续区域离散为一组有限个按一定方式相互联结在一起的 单元组合体，它们在节点上相连接，即以一个单元集合体来替代连接体；利用在每一个单元 内假设的近似函数来分片地表示全部整个解域上待求的未知场函数，单元内的近似函数通常 由未知场函数及其导数在单元内各个节点的数值和其插值函数来表示把作用在单元上的力 等效地移到节点上；每个单元选择一个位移函数来表示位移分量的分布规律；按变分原理建 立单元的节点力一节点位移的关系式；然后根据节点平衡条件，把所有的单元关系式集合形 成一组以节点位移为未知量的代数方程组，从而解得各节点位移 有限单元法的数学基础为分割近似原理，例如求曲线围成的面积，我们可以采用分段以 直代曲的方法来求其近似值分割越细。结果越精确同样地，有限单元法把连续体分割成 许多小单元，这些小单元可选用简单的位移分布函数。分割的网格越细，结果越精确因此 壁皇查喹曼，河南大学硕士学位敞 魁一， 刊用兀罕坝士手1 。阽【 有限单元法可以分析许多复杂的问题，只要划分的网格有足够的细度，就能得到满意的精度。 而对于土工计算中所利用的有限元法，根据其特点可以分为总应力法和有效应力法 1 9 9 6 年，c l o u g h 和w o o d w a r d ( 美国) 首次应用总应力法对土坝的应力应变进行分析；1 9 6 9 年rs a n d h u 和w i l s o n 结合b l o t 二维固结理论用有限元法对土体二维固结问题进行了分析， 开刨了土工问题有限元法有效应力的先河；在国内。沈珠江于1 9 7 7 年开始应用有限元法对软 土地基的变形进行有限元分析有效应力法严格区分土体中的有效应力与孔隙水压力，将土 体骨架变形与孔隙水的的渗透同步考虑，因而比总应力法更能真实的反映土体的自身特性， 能更合理地计算土体对荷载的响应，应用的范围也更广有效应力法有两种未知量，即土体 骨架的变形和孔隙水压力。对于非饱和土而言，还需要增加一个孔隙水压力这个变量有效 应力法基本上以b l o t 动力固结方程为基础，其计算较为复杂，计算工作量也较大。土体的总 应力有限元法实际上与其他结构有限元分析在计算原理上没有大的区别，主要在材料的本构 模型的选择上不同，其实质认为土体是一种由土颗粒和孔隙水组成的连续介质计算中不考 虑土颗粒和孔隙水之间的相互关系，将之合成一个整体，共同研究其整体的应力与变形状态。 总应力法不能反映土体固结作用。 在有效应力中，如果采用与总应力法相同的土性参数并令孔隙水压力为0 ，则有效应力 就等于总应力，相应的有效应力法就转变为总应力