（模式识别与智能系统专业论文）土工袋装桩型复合地基解析理论的研究.pdf

浙江大学硕士学位论；k ( 2 0 1 0 ) 摘要 摘要 土工袋装桩型复合地基是一种新型的复合地基类型，不仅具有竖向增强体复合地基的 典型特征，同时具有排水固结的加固效应，而且适合在非常软弱的土体中应用，有望成为 一种更有效的软土地基处理技术，具有广阔的应用前景。本文以土工袋装桩型复合地基为 研究对象，运用空间轴对称问题的相关理论，建立了土工袋装桩型复合地基应力应变分析 和固结计算的解析理论，为土工袋装桩型复合地基的设计计算提供了科学合理的方法，以 促进该种复合地基的推广应用。本文针对土工袋装桩型复合地基主要做了如下的一些工作： 首先，在等应变条件下，采用由桩体、土工袋及其加固的桩周土体所构成的空间轴对 称单元体模型，基于桩、袋、土均为线弹性体、忽略桩土自重的影响以及桩与土工袋和土 工袋与土体界面处满足位移协调等必要的少数假设条件，分别应用位移法和应力法，推导 了土工袋装桩型复合地基桩体和土体的径向位移和竖向位移、桩体和土体的各向应力以及 土工袋围压的解析表达式。 其次，在得到土工袋装桩型复合地基变形解析解的基础上，建立了在瞬时加载和非瞬 时加载两种工况下土工袋装桩型复合地基固结问题的控制方程，并运用求解偏微分方程的 相关方法，求得了控制方程的解答，进而得到了土工袋装桩型复合地基固结度的解析解答。 最后，在所得到的关于土工袋装桩型复合地基变形和固结问题的解析解的基础上，分 析了土工袋刚度、面积置换率、桩土模量比等参数对于其变形和固结的影响，对土工袋装 桩型复合地基的工作性状做了较为详细的分析。 本文所建立的关于土工袋装桩型复合地基变形和固结问题的解析理论，摒弃了传统理 论中诸多的假设条件，是更完善的计算理论。严谨的解析理论有利于保障土工袋装桩型复 合地基加固机理分析的科学性，研究成果为土工袋装桩型复合地基中的土工袋受力分析、 固结性状分析等提供了合理的设计计算方法。 关键词：软土地基，土工袋，复合地基，等应变，变形，固结，解析解 一i i 浙江大学硕士学位论文( 2 0 1 0 ) 摘要 _ _ 一 a b s t r a c t g e o s y n t h e t i c e n c a s e dc o l u m n ( g e e ) i so n e k i n d o fn e wc o m p o s i t ef o u n d a t i o nt y p en o t o n l vh a s t y p i c a lc o m p o s i t e f o u n d a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ev e r t i c a le n h a n c e db o d y ， s i m u l t a n e o u s l yh a st h ed r a i n e dc o n s o l i d a t i o nr e i n f o r c e m e n te f f e c t s oi t c a nb e c o m eo n em o r e e c o n o m i c a le f f e c t i v es o f tc l a yg r o u n dt r e a t m e n tm e t h o dh o p e f u l l y 。i nt h i sp a p e r ，w er e c e i v e g e ea st h eo b j e c to fs t u d y , u s et h ec o r r e l a t i o nt h e o r i e s o ft h es p a c ea x i a ls y m m e t r ya n d e s t a b l i s ht h es t r e s s s t r a i na n a l y s i sa n dt h ec o n s o l i d a t i o na n a l y t i c a lt h e o r yo fg e e t h er e s u l to f t h i sp a p e rp r o v i d e st h es c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l em e t h o df o rt h ed e s i g nc a l c u l a t i o no fg e e ，a n d p r o m o t e st h i sk i n do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nt ob ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n a l lt h ew o r k d o n ei sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , u n d e rt h ee q u a l s t r a i nc o n d i t i o n ，b a s e do na l lt h em a t e r i a l sa r e l i n e a r 。e l a s t i c h o m o g e n 【o u sm a t e r i a l s t h ec o l u m n s o i ls y s t e mo nas m o o t hb a s ea n dn e g l e c t i n gt h ew e i g h t so f c o l u m na n ds o i l s ，w eu s es p a t i a la x i a ls y m m e t r yu n i tc e l lm o d e lw h i c hc o n s t i t u t e db yt h e c o l u m n ，g e o t e x t i l ea n ds u r r o u n d i n gs o i l s t h e nu s i n gt h ed e f o r m a t i o n m e t h o da n ds t r e s sm e t h o d ， w er e c e i v et h ea n a l y t i c a le l a s t i cs o lu t i o ne x p r e s s i o no ft h er a d i a la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t sa n d a l ls 臼e s s e so ft h ec o l u m na n dt h es o i l ，a sw e l la st h a to fh o o pf o r c eo ft h eg e o t e x t i l ee n c a s e m e n t s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y t i c a l s o l u t i o nf o rd e f o r m a t i o n ，w ee s t a b l i s ht h e c o n s o l i d a t i o ng o v e r n i n ge q u a t i o n so ft h eg e ei nt w ok i n d so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s o f i n s t a n t a n e o u sl o a da n dn o n i n s t a n t a n e o u sl o a d t h e na p p l y i n gt h er e l e v a n tm e t h o d so fp a r t i a l d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，w eg e tt h es o l u t i o n so fc o n s o l i d a t i o ng o v e r n i n ge q u a t i o n s s ot h e a n a l y t i c a ls o l u t i o n so f c o n s o l i d a t i o nd e g r e ef o rt h eg e e a r eo b t a i n e d f i n a l l y , w ed e t a i l e d l ya n a l y s i st h ew o r k i n gp r o p e r t i e s o ft h eg e cb yd i s c u s s i n gt h e i n f l u e n c eo ft h es t i f f n e s so fg e o t e x t i l e ，a r e ar e p l a c e m e n tr a t i o ，m o d u l u s r a t i oa n do t h e r p a r a m e t e r so nt h ed e f o r m a t i o na n d c o n s o l i d a t i o np r o b l e m so ft h eg e e t h ea n a l y t i c a lt h e o r yo fd e f o r m a t i o na n dc o n s o l i d a t i o np r o b l e m sa b o u tg e ee s t a b l i s h i n g i nt h i sp a p e ri st h em o r ep e r f e c tm o r es c i e n t i f i c 。t h i sp a p e rb a n i s h e sm a n yh y p o t h e s i sc o n d i t i o n s w h i c hw e r eu s e d b y t h et r a d i t i o n a lt h e o r i e s ；t h er i g o r o u sa n a l y t i c a ls o l u t i o nt h e o r yi s a d v a n t a g e o u st os a f e g u a r dt h e s c i e n t i f i cn a t u r eo fr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n a l y s i so f g e o t e x t i l ec o a t e dc o l u m n t y p ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，t h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d er e l i a b l e a n dr c a s o n a b l ed e s i g nc a l c u l a t i o nm e t h o df o rh o o pf o r c ea n dc o n s o l i d a t i o np r o p e r t yo fg e c k e y w o r d s ：s o f tc l a yg r o u n d ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，e q u a ls t r a i n ，d e f o r m a t i o n ，c o n s o l i d a t i o n ， a n a l y t i c a ls o l u t i o n i i i 浙江大学硕士学位论文i _ 2 0 1 0 ) 主要符号列表 主要符号列表 b一土工袋的厚度： “一土体的水平固结系数； c v一土体的竖向固结系数； 反 一桩体的弹性模量； 反o e d 一桩体的压缩模量； 质一土工袋的刚度； 晟 一土体的弹性模量； 露0 c d 一土体的压缩模量； r一与土体水平渗透系数变化模式等 相关的无量纲因子； h 堍 一土层的厚度或者桩体的长度； 一土工袋的渗透系数； 一未扰动区土体的水平渗透系数或 者土体的最大水平渗透系数； 一桩体的水平渗透系数； 一土体的最小水平渗透系数； 一土体的竖向渗透系数； 一桩体的竖向渗透系数； 一自然数，m = 1 2 3 ； 一参数，m = ( 2 m 1 ) 1 2 ； 一糗量比m = e c d f e s o e d 一桩土应力比 一均布荷载 一软土层底面的平均附加应力； 一软土层底面的平均附加应力； 一径向坐标； 一桩体的半径； 一影响区的半径； 几一扰动区半径； s一沉降比； t 一时间； 如一加荷历时； 死一土体径向固结时间因子， t h = c h t ( 4 r e 2 ) ； 兀一土体竖向固结时间因子，兀= 氏f 脬； 死。一加载历时对应的土体径向固结时 间因子，t h c = c h t c ( 4 r e 2 ) ； k 一桩体的竖向固结时间因子， t v e = c v d i - f ； u 一径向位移； u一地基的总平均固结度； 一地基按应力定义的总平均固结度； 以 一地基按变形定义的总平均固结度； i 一地基内任一深度处的总平均孔压； 一桩体内任一点的孔压； 材c一任一深度处桩体内的平均孔压； 一土体内任一点的孔压； 。 一任一深度处土体内的平均孔压； z一深度； 一应力函数： 口 一面积置换率口：彳4 ； 一桩体半径与影响区半径之比的平 一v n 一 岛k 所m m 胛 肌瓜所 厂 浙江大学硕士学位论文( 2 0 1 0 ) 主要符号列表 贲b = r ；k ； 垤 一土体的体积应变； ，一竖向应变； 妒一土工袋渗透率； 矽一体积应变； y w 一水的重度； r一土体最小与最大水平渗透系数之 比r = k s k ； 入，g l a m e 常数 心 一桩体的泊松比； 胁 一土体的泊松比； 孑 一外荷在地基内引起的平均附加应 力； 孑c一桩体内的总平均应力； 仃，一土工袋围压； 盯， 一径向应力； 盯” 一桩体的径向应力； 盯糟 一土体的径向应力； ；。一土体内的总平均应力； 一单级加荷时的最终荷载值； 盯，一轴向应力； 仃 一桩体的轴向应力； 盯嚣 一土体的轴向应力； 即 一环向应力； t r o c 一桩体的环向应力； t r o s 一土体的环向应力； t r o c 一桩体的环向应力； f ：r 一剪应力； w一轴向位移： 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈炎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。 除了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，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 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谢意。 学位论文作者签名：易竿 签字日期：功l p 年弓月j 胡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：a 李 导师签名： 签字日期：如l d 年多月i 日 签字日期：劬夕年乡月，z 日 致谢 在论文即将付梓之际，首先要感谢我的导师张仪萍副教授。从论文的选题、撰写到最 终成稿，作者始终得到了导师的悉心指导和无微不至的关怀。张老师卓越的专业才华、对 问题敏锐的洞察力，以及学术上追求完美、精益求精的治学态度一直是我所钦佩的。在跟 随张老师近三年的学 - - j 生涯中，我不仅掌握了全新实用的学术思想和研究方法，也领会了 许多为人处世的人生道理，这些都将使我在今后的工作和生活中终生受益。 在攻读硕士学位期间，作者还得到了博士后李涛师兄的大力支持与亲身指导，李涛师 兄认真的研究态度以及开阔的研究思想，对于作者硕士学位的攻读给与了莫大的帮助。论 文写作期间，得到了岩土研究所谢康和教授的认真指导，同时得到了市政所张土乔教授、 俞亚南教授、王紫雯教授、屠毓敏高工、邵卫云副教授、张燕副教授、柳景青副教授、俞 亭超副教授和杨玉龙老师的指导，感谢你们在学术活动中提出了许多建议和思路，使我的 论文得以顺利完成。在此，对各位老师表示诚挚的谢意! 在论文的撰写过程中，作者深感自己在一些方面的不足，庆幸的是得到了市政所各位 师兄弟姐妹的帮助。作者感谢博士生刘伟超，段圆煜，牛辉；硕士生饶勤波，张巍，严露 的协助，能和你们处在如此良好和谐的研究氛围当中是我的荣幸。毕业之际，祝各位学有 所成、前程似锦。 特别感谢生我养我、一生含辛茹苦的父亲母亲；对我百分关爱，如母亲般爱护我的老 姨；以及一直在背后默默支持我的女友。感谢父亲母亲数十年如一e t 的无私关爱与奉献， 感谢老姨对我百分百的支持与关爱，感谢女友在我困难时一如既往的支持与鼓励，没有你 们，就没有我的一切。感谢所有曾经关心和帮助过我的师长、亲人和朋友们! 感谢浙江大学对我这六年多的培养，母校极高的学术平台和浓厚的学术氛围一直使我 骄傲不已，在此祝愿母校早日跻身世界一流大学之列，在世幂舞台上写出光彩夺目的诗篇! 最后要感谢评阅本篇论文和出席论文答辩的各位专家和教授，感谢你们在百忙中给予 的指导和建议! 、f 当i 零 二零一零年一月于安中楼 1 绪论 1 1 研究背景 在我国9 6 0 万平方公里的3 4 个行政区的土地上，其中有1 3 个行政区为沿海地区r 如 图il 所示) 而国家统计局统计报告显示2 0 0 9 年全国备行政区g d p 排名前十的行政区 中有8 个来自于沿海秆政区，而且1 3 个沿海行政区g d p 的总和占全国总量的三分之二还 多。与此同时，基建工程项目大幅增加，中国2 0 0 8 年至2 0 1 7 年计划太量投资基建( 2 0 0 8 年占g d p l 2 ，过去五年中国基建项目上投资超过过去中国一百年的基建投资1 ，而冶海 地区的g d p 有2 0 v h 上来自于基建项目的贡献。 新 青 、 藏 、 7 、 _ - 圈1 1 中国行政区分布目 另一方面，在我国沿海地区软土分布广泛，大量基建工程f 如两速公路，围垦海堤， 大型储油罐等) 都不可避免地建设在深厚的软土地基上。软土具有强度低、压缩性高，固 结周期长等特殊物理力学性质，地基处理方洼的科学性将直接影响工程造价、工程质量和 工程进度。针对软土地区高填方路堤、固垦海堤、大型储油罐等这类上部荷载太下卧款 土层厚的工程，发展经济有效的地基处理方法具有重要的现实意义。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 1 0 1第一章绪论 目前，关于软土地基的处理方法大致可以分为三类：水平加筋法，排水固结法和桩型 复合地基加固法。 水平加筋法是在软弱地基的表面先铺设砂层，在砂层间平铺一层或多层土工合成材料， 如土工织物，土工格栅，土工格室等。土工合成材料既与砂层共同提供了软土排水面，叉 使填土保持整体性，改变地基土体的应力场和应变场，提高地基承载力，改善地基的变形 特性，增大填筑高度，且施工简便。加筋法经常与其它地基处理方法联合应用，而较少单 独使用。 排水固结法在软基处理中应用最为普遍。该法是在天然地基中设置砂井、塑料排水带 等竖向排水井，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或是在建筑场地先行加载预压， 使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。虽然这一 工艺非常有效，并得到了广泛地应用，然而其加载周期长、稳定性控制难、地基沉降大等 缺点也是显而易见。同时当处理深度较深时( 如超过2 0 r e ) ，塑料排水板因井阻效应排水能 力下降，处理效果大打折扣。 桩型复合地基加固法也是应用非常广泛的软土地基加固方法。迄今已有许多类型的桩 型复合地基，例如碎石桩复合地基、水泥搅拌桩复合地基、石灰桩复合地基等。此类方法 因同时具有提高地基承载力和加速桩周土体固结的作用，在国内外地基处理中得到了广泛 的应用。当桩体多由散体材料( 如碎石、砂等) 组成时，需要桩周土体提供一定的围压来 维持成型，因此该方法的应用有一定的局限性，如砂石桩法一般只适合应用于不排水抗剪 强度大于1 5 2 0 k p a 的土体中，而不适合在非常软弱的地基中应用，在沿海软土地区高 填方路堤、围垦海堤、大型储油罐等工程地基处理中经常无法应用。 土工袋装桩型复合地基是一种新颖的地基处理技术，已在欧洲等得到了一定的应用， 取得了较好的效果。土工袋不仅能够提供散体材料桩成桩所需的围压，使得桩体在非常软 弱的地基中也能应用，拓宽了桩型复合地基的应用范围，而且可以提高桩型复合地基的承 载能力，同时防止桩周土体挤入堵塞排水通道，确保了桩基的排水能力，加速了桩周土体 的固结。土工袋还增强了桩基的整体性，提高了桩体的抗剪强度，从而大大提高了普通桩 型复合地基的稳定性。 因此，与普通桩型复合地基相比，土工袋装桩型复合地基具有适用面广、承载力高、 排水性能和稳定性好等诸多优点。与排水固结法相比，土工袋装桩型复合地基具有承载力 高，能适用快速加载施工周期短，排水断面积大可处理深度深等优点。与水平加筋法相 一2 一 浙江大学硕士学位论文( 2 0 1 0 ) 第一章绪论 比，土工袋装桩型复合地基兼具有加固和改良桩周土体的作用，造价也更低。而随着土工 袋装桩型复合地基在1 9 9 6 年德国汉堡第一次应用于工程中的十余年以来，在德国、瑞典、 荷兰等国家，土工袋装桩型复合地基在路堤、围垦海堤等地基处理中逐渐得到了应用。到 2 0 0 4 年，国内外共有1 8 个公路和铁路结构工程以及4 个水工结构工程采用了土工袋装桩 型复合地基加固方法( r a i t h e le ta 1 ，2 0 0 5 ) 。由于土工袋装桩型复合地基所具有的诸多优点， 使其有望成为高填方路堤、围垦海堤、大型储油罐等上部荷载大，下卧软土层厚这类工程 的一种更经济有效的地基处理手段。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 土工合成材料 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。土工合成材料的发展与合成材料一一塑料、 合成纤维、合成橡胶的发展是分不开的。硝化纤维是第一个商品化的合成材料。1 8 7 0 年 美国的j o h nw 和h v a t ti s 发明的“赛璐珞”，就是用硝化纤维加入樟脑型增塑剂制成 的一种塑料。1 9 0 8 年l e ob a e k e l a n d 研制了酚醛塑料。2 0 世纪3 0 年代，聚氯乙烯、低密 度聚乙烯、聚酰胺相继出现。到了5 0 年代，聚酯、高密度聚乙烯和聚丙烯相继问世。7 随 着各种塑料的研制成功，不同类型的合成纤维也投入了生产。3 0 年代到4 0 年代有聚酰胺 纤维和聚氯乙烯纤维，4 0 年代到5 0 年代有聚酯纤维、聚乙烯纤维和聚丙烯纤维。 合成材料最早用于土工建筑物的确切年代，已难以考证。一般认为，在2 0 世纪3 0 年 代末或4 0 年代初，聚氯乙烯薄膜首先应用于游泳池的防渗( s t a f fc c ，1 9 8 4 ) 。后来大量 塑料防渗薄膜应用于灌溉工程。1 9 5 3 年美国恳务局首先在渠道上应用于聚乙烯薄膜，1 9 5 7 年开始应用于聚氯乙烯薄膜。前苏联、意大利，前捷克斯洛伐克等国家也在5 0 年代末6 0 年代初开始应用于合成材料防渗膜。 合成纤维在土工中的应用始于2 0 世纪5 0 年代末期，首先在美国得到应用，在6 0 年 代逐渐在美洲、欧洲及日本得到推广。当时所用的土工织物主要是机织布。无纺布的应用 首先在6 0 年代欧洲出现，7 0 年代无纺布的应用很快传到美洲，西非和澳洲，最后传到亚 洲。 目前，土工合成材料加筋技术在水利、铁路、公路、港口和建筑工程中得到大量应用。 关于土工合成材料的分类，国内外至今尚无统一的准则。早期曾将其分为土工织物 ( g e o t e x t i l e ) 和3 r7 - - 膜( g e o m e m b r a n e ) 两类，g e o t e x t i l e 和g e o m e m b r a n e 这两个词是1 9 7 7 年 一气一 浙江大学硕士学位论文( 2 0 1 0 ) 第一章绪论 由g i r o u dj p 首先提出来的，把透水的合成材料称为g e o t e x t i l e ，不透水的合成材料称为 g e o m e m b r a n e 。这种分类标准延续了许多年。近十年来大量的以合成聚合物为原料的其他 类型的土工合成材料纷纷问世，已远远超出了“织物”和“膜”的范畴。1 9 8 3 年f l u e tj e 建议使用“土工合成材料”( g e o s y n t h e t i c s ) - - 词里概括各种类型的材料。 国际土工织物协会( i n t e r n a t i o n a lg e o t e x t i l es o c i e t y ) ，现已改名为国际土工合成材料协 会( i n t e r n a t i o n a lg e o s y n t h e t i c ss o c i e t y ) 提出土工织物及相关产品的分类体系，1 9 8 3 年g i r o u d j p 和c a r o l lr g 根据此分类体系提出相应的分类方案。这一分类未纳入土工膜，把格栅 等材料概括为土工织物相关产品也不是很确切。g e o s y n t h e t i c sw o r l d 把土工合成材料分为 五类即土工织物( 机织、无纺或非织遣) 、土工膜、土工格栅( g e o g r i d ) - i - - t - ( g e o n e t ) 、土 工排水材( g e o c o m p o s i t ed r a i n ) 和土工复合材。 1 9 9 4 年1 1 月由中国建筑工业出版社出版的土工合成材料工程应用手册将土工合 成材料分为四大类，即土工织物、土工膜、特种土工合成材料、复合型土工合成材料。其 中特种土工合成材料包括：土工格栅、土工网、土工垫、土工格室，土工模袋、土工泡沫 塑料等。复合型土工合成材料是由上述各种材料复合而成，如复合土工膜、土工复合排水 材料等。 一般认为，土工合成材料在土工中应用的效用有如下六种f 龚晓南，2 0 0 0 ) ： 1 反滤作用 把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过，从而防止由 于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中渗流或气体通过织物，以避免由于 孔隙水压力的升高而造成土体的失稳。 2 排水作用 有些土工合成材料设置在地基中可以在地基中形成排水通道，把土中的水分汇集起来， 沿着排水通道排出体外。较厚的针刺型无纺织物和某些具有较多孔隙的复合型土工合成材 料都可以起到排水通道作用。 3 隔离作用 有些土工合成材料能够把两种不同的粒径的土、砂、石料，或把土、砂、石料与地基 或其他构筑物隔离开来，以免相互混杂，失去各种材料和结构的完整性，或发生土颗粒流 失现象。土工织物和土工膜都可以起隔离作用。 4 加筋作用 。4 。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 1 0 )第一章绪论 很多土工合成材料埋在土体之中，可以扩散土体的应力，增加地基的模量，传递拉应 力，限制土体的侧向位移；还可以增加土体与其他材料之间的摩擦阻力，提高土体及相关 建筑物的稳定性。土工织物、土工格栅、土工网及一些特种或复合型的土工合成材料，都 具有加筋功能。 5 防渗作用 土工膜和复合型土工合成材料，可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境或建筑 物的安全。 6 防护作用 多种土工合成材料对土体或水面，可以起防护作用：主要指土工织物、土工膜袋、织 物软体排水等防止河岸或海岸或近海建筑物地基被冲刷，及保护边坡，防止水土流失，促 进织物生长等作用。 1 2 2 桩型复合地基变形研究进展 随着我国城市建设的不断发展，软弱地基加固已愈来愈受到岩土工程师们的重视。桩 型复合地基作为一种地基的加固方法，随着工程上大量使用该方法来加固粘性土和软弱土 地基，如何确定桩型复合地基的强度和变形也随之受到了人们的重视。 h u g h e s 等( 1 9 7 5 ) 根据被动土压力理论，建立了计算桩型复合地基的极限承载力公式。 在计算沉降时，认为沉降是由桩的侧向变形而产生的，并作了如下的假设：桩体在受到荷 载作用过程中，其体积保持不变，桩体的竖向应力与侧向应力之比为常数。计算时，把桩 分成刀段，分别计算每段的沉降量，则其总的沉降量为它们的总和。 p r i e b e ( 1 9 7 6 ) 提出了一个计算桩型复合地基在长期荷载作用下的最终沉降量的方法。他 假设：地基土是各向同性的，基础是刚性的，桩体的长度已达到硬层。他根据半无限弹性 体中的圆孔的横向变形理论推导出一个沉降折减系数。沉降折减系数是加固之后的地基的 最终沉降量与未加固时地基最终沉降量之比，此外他还推导出了桩土应力比的计算公式。 b a l a a m 和b o o k e r ( 1 9 8 1 1 用有限元法分析了桩型复合地基的沉降和沉降速率，他假设： 桩体的加固是大面积的，桩体打到硬层，荷载为竖向均布，基础为绝对刚性或绝对柔性的， 桩和桩间土为弹性或纯塑性体，并服从摩尔一库伦准则，桩间土体没有内摩擦角，并根据 每根桩所承担的加固面积化成等面积圆，取有代表性单元，按轴对称问题进行分析。将等 应变单元体模型的变形分成没有径向变形的单向压缩问题解( s o l u t i o na ) 和没有竖向变形 的径向扩张问题解( s o l u t i o nb 1 ，根据桩土交界处径向应力连续和竖向力平衡条件，将两个 一5 一 浙江大学硕士学位论5 ( ( 2 0 1 0 ) 第一章绪论 解叠加得到了等应变单元体的解析解，并在此基础上推广到塑性情况( b a l a a m 和 b o o k e r , 19 8 5 ) 。 g o u g h n o u r 和b a y u k ( 1 9 7 9 ，1 9 8 3 ) 绘制了等应变单元体塑性条件下应变折减系数计算曲 线，并在b a l a a m 等人的基础上提出了弹性条件下应变折减系数计算曲线。g o u g h n o u ( 1 9 8 6 ) 认为：当基础荷载较小时，桩和土均处于弹性状态，此时，可以用弹性方法来计算桩型复 合地基的沉降量。当荷载较大时，桩体将向侧向鼓出，这时，必需用塑性方法来分析计算 其最终沉降量。在塑性分析时，他做出了以下的假设：桩为不可压缩的刚塑性体，并且服 从摩尔一库伦屈服准则，径向和切向剪应力忽略不计，桩间土体服从太沙基固结理论，桩 间土体的起始侧压力系数不因制桩而变化，基础是刚性的，分别通过弹性和塑性分析来计 算沉降量，并取其中的最大值。 r a o 和r a n j a n ( 1 9 8 5 ) 提出了有围护桩的桩型复合地基的沉降计算方法，他把沉降分成 为：有围护桩，复合地基和未加固地基等三部分组成，并提出了这三部分沉降计算的计算 方法。 南京水利科学研究院的盛崇文( 1 9 8 6 ) 提出了复合地基的沉降计算方法。他根据桩和土 的压缩模量，按照它的置换率高低，计算复合地基的沉降模量，再用分层总和法确定出复 合地基的最终沉降。陈振建和盛崇文( 1 9 8 7 ) 应用模型试验分析了满堂加固碎石桩地基的强 度和变形。 西安冶金建筑学院的郭蔚东、钱鸿缙( 1 9 8 9 ) 应用剪胀理论提出了考虑桩、土剪胀性的 桩土应力比、沉降折减系数的实用计算方法。而后俞茂宏等f 1 9 9 4 ) 又提出了双剪统一强度 理论，刘杰，赵明华( 2 0 0 6 ) 基于俞茂宏理论得到了桩土应力比公式。 a l a m g i r ( 1 9 9 6 ) 基于单元体模型，通过假设的竖向位移模式，在忽略径向变形的前提下， 提出了自由应变条件下端承桩复合地基变形计算方法。 f b 涛( 2 0 0 0 ) 、刘杰等( 2 0 0 3 ) 、张仪 萍等( 2 0 0 7 ) 等则将这种方法推广到悬桩复合地基的变形计算。 除一些理论和经验计算公式外，关于桩型复合地基的计算也有许多数值模拟的研究 ( l e e & p a n d e ，19 9 8 ；h a n & g a b r , 2 0 0 2 ；a m b i l y & g a n d h i ，2 0 0 7 ；g u e t i f , e ta l ，2 0 0 7 ) 。桩型 复合地基是应用非常广泛的软土地基加固方法，在国内外部取得到了很多经验。 1 2 3 桩型复合地基固结理论的研究进展 土体压缩取决于有效应力的变化。根据有效应力原理，在外荷载不变的条件下，随着 土中超静水孔压的消散，有效应力将增加，土体将被不断压缩，直至达到稳定，这一过程 一6 淅江大学硕士学位论文( 2 0 1 0 )第一章绪论 称为固结。在土体单向受压、孔隙水单向渗流的条件下，发生的固结称为单向固结。 早在1 9 2 5 年，太沙基就建立了饱和土单向固结微分方程，并获得了一定起始条件与 边界条件时的数学解，迄今仍被广泛应用。但是为了便于得到简化的解析解，太沙基单向 固结理论作了许多的假设条件，实际工程条件往往并不符合简化假设因此，许多学者在 太沙基理论的基础上提出了一系列情况更加复杂更加接近实际的单向固结理论解。席夫曼 ( s h i f f m a n ) 给出了作用在地基上的荷载随着施工进程逐渐增加的情况下的理论解；吉勃逊 ( g i b s o n ) 提出了土层厚度随时间变化的单向固结理论解；格雷( g r a y ) 和泊姆( p a l m e r ) 给出了 当地基为成层结构，各分层间的固结特性相差较大时，要按成层地基考虑的情况下地基平 均固结度的解答。太沙基固结理论假设了固结过程中土的排水距离不变，因为一般情况下 土层应变很小，可以忽而略不计，因此，太沙基固结理论被视为小应变的固结问题。但是， 在高压缩性地基上的建筑物会产生相当大的变形，沉降量甚至达到压缩土层厚的百分之几 十，按太沙基理论计算固结时间要明显长于实际时间，为此，奥申( o l s e n ) 和拉德( l a d d ) 币0 用差分法研究了大应变的固结问题( 李广信，2 0 0 4 ) 。 受建筑物荷重作用的一般地基总要引起多方向的排水和变形。而单向固结实际上仅是 特定条件下的情况。计算和实测沉降表明，在许多场合，按单向固结理论计算的沉降速率 往往比实际发生的要慢，主要原因之一是水平向的排水加速了超静水压力的消散。建立三 向固结理论要考虑土体在三个方向的排水和变形。目前，解决三向固结问题现有两种方法， 一种是太沙基一伦杜立克理论，它是太沙基理论的延伸，该理论假设固结过程中土体内的 总应力保持不变，忽略了实际存在的应力和应变的耦合作用，因而它被称为准三向固结理 论。另一种方法是比奥旧i o t ) 理论，它直接从弹性理论出发，满足土体的平衡条件、弹性 应力一应变关系和变形协调条件，还考虑了水流连续条件，因此该理论被认为是真三向固 结理论。 桩型复合地基在地基处理中具有十分重要的地位，其用于加固地基，增强地基承载力 和减小地基沉降具有良好的效果，因而桩型复合地基处理技术在工程中得到了广泛的应用， 已经发展成为相当成熟而有效的软土地基处理手段之一。由于研究桩型复合地基的固结是 研究复合地基加固机理的主要内容之一，土体的固结直接影响桩型复合地基的变形和承载 能力，因此，桩型复合地基固结问题的研究已有很多学者从试验、数值分析和解析解上做 了大量工作，而此类复合地基固结理论的研究也是一直处于不断发展之中。 砂桩和碎石桩等桩型复合地基的应用虽比砂井更早，但是这类桩型复合地基固结的研 一7 一 浙江大学硕士学位论文( 2 0 1 0 ) 第一章绪论 究却比砂井地基要迟得多，从上世纪七十年代开始，才不断出现有关桩型复合地基固结研 究的论文。y o s h i k u n i ( 1 9 7 9 ) 指出由于桩体具有较高的强度使得桩体中的应力远远大于周边 土体中的应力，即复合地基中的应力集中效应，并以砂井地基固结理论为基础对复合地基 的固结理论问题做了研究。m u n f a k a h 等( 1 9 8 3 ) 和h a na n d y e ( 1 9 9 2 ) 都通过现场试验对碎 石桩复合地基固结问题做了研究。m a j o r a n a 等( 1 9 8 3 ) 建立了在瞬时加载条件下可以考虑 线弹性、弹塑性等复杂因素的固结有限元方程，并对一个碎石桩加固的油罐地基进行了计 算分析。h a na n dy e ( 2 0 0 1 。2 0 0 2 ) 考虑了涂抹效应和井阻作用，给出了一种碎石桩复合地基 固结解析解。l o r e n z oa n db e r g a d o ( 2 0 0 3 ) 指出从土体流入桩体的水会改变桩体原本的固结 性状，基于此给出了一种新的考虑土体和桩体固结相互关系的复合地基固结方程并对该方 程进行了求解。张玉国( 2 0 0 5 ) 对半透水边界条件下的复合地基固结问题进行了研究，针对 桩体施工过程中可能会对周边产生扰动从而降低土体的渗透性，z h a n g 等( 2 0 0 6 ) 给出了一 种考虑扰动区土体水平渗透系数线性变化的复合地基固结解。x i e 等( 2 0 0 9 ) 根据桩、土共 同承担外部荷载的原则，提出新的初始条件，针对复合地基的应力集中和井径比比较小等 特点，给出了非瞬时加载情况下复合地基固结的一个普遍解。卢萌盟等( 2 0 0 9 ) 在瞬时加载 条件下通过引入桩体和土体的固结方程，给出了考虑桩体和土体内的径、竖向组合渗流的 复合地基固结解。j o r g ea n dc a s a r ( 2 0 0 9 ) 提出了考虑土体和桩体侧向变形的基础上，将土体 中的超静孔压引入复合地基的固结与变形分析中的一种新思路。 对于散体材料桩复合地基固结的研究，谢康和f 1 9 9 3 ) 较早地在太沙基一维固结理论基 本假设的基础上，做了进一步的假设，如地基中无侧向变形，桩体完全打穿软土层，等应 变等，推导出了散体材料桩复合地基固结的解析表达式；此后王瑞春与谢康和( 2 0 0 l ，2 0 0 2 2 0 0 4 ) 对散体材料桩复合地基固结理论进行了发展，研究了散体材料桩打穿双层土层，双 面透水和单面透水时的复合地基的固结，并在未打穿竖向排水砂井地基固结理论的基础上， 对未打穿散体材料桩复合地基固结解析解也做了研究。在考虑到实际工程中，土层中的砂 垫层和下卧层并非理想的透水层，而应该将其考虑为半透水边界，谢康和等人( 2 0 0 5 ) 在双 面半透水边界的散体材料桩复合地基固结理论方面的研究也取得了一定的成果。 而在水泥搅拌桩复合地基固结方面的研究，我国较早的是张土乔和龚晓南( 1 9 9 1 ) 在假 定水泥搅拌桩不透水的情况下研究了复合地基固结问题；而陈善明和陈云敏( 1 9 9 8 ) 等对软 土地基经水泥搅拌桩加固后的固结特性进行了分析；邢皓枫( 2 0 0 6 ) 等对刚性基础下水泥搅 拌桩复合地基的固结进行了研究。此外，国内学者还通过试验和工程实例结合有限元等数 一8 一 淅 士学位论i ( 2 0 1 0 )第一章论 值分析研究j 水泥搅拌桩复合地基的固结，张仪萍( 2 0 0 6 ) 等采用b i o t 囤结有限元正反分析 粉喷桩加固桥头软基沉降：刘和元( 1 9 9 9 ) 等用d u n c a n c h a n g 模型以及b i o t 固结理论编制 的有限元软件对超长水泥搅拌桩复合地基的固结变形进行了研究。 】2 4 土工袋装桩型复合地基的研究进展 土工袋装桩型复合地基( 如图l2 所示提基于散体材料桩型复合地基在非常软弱地基 中常常田桩周土体温度不足以保证桩体成型而无法使用的问题应用而生的，土工袋不仅能 大大提高散体材抖桩体的承载力，减小地基沉降，同时也能阻止散体材料挤入周围土体。 图1 2 土工袋装砂t 砗石柱f r a i t h “da l2 0 0 2 目前针对土工袋装砂石柱加固机理的研究尚少。关于土工袋装桩型复合地基的国内外 研究文献倪有三十余篇，其中包含了理论分析、利用室内外模型试验以及通过工程实例对 土工袋装桩型复台地基进行分析的文献。 针对碎石桩在软弱土地基中不能成型的问题，v a n i i t i d c ( 1 9 8 5 ) 较早地建议呆用土工织 物将碎石桩包裹形成袋装碎石桩，提出了土工袋环向拉伸强度的计算方洼。 浙江大学的倪士坎和潘秋元( 1 9 8 7 ) 用冲抓洼成孔，井用编织袋围护碎石柱，对土工袋 装碎石桩进行t 现场载荷试验，证明7 土工袋可以提高承载力，减少其沉睁量，同时保证 并提高碎石桩的排水固结作用同时，基于圆柱孔扩张理论，在假设桩体在受压过程中体 一9 浙江大学硕士学位论文( 2 0 1 0 )第一章绪论 积不变，土为理想的弹塑性体且服从摩尔一库伦屈服准则，推导出了袋装碎石桩的单桩承 载力和沉降计算。 高有潮( 1 9 9 0 ) 在上述方法的基础上又作了改进，即采用易射水器射水成孔，放入土工 织物袋后，边填料边捣实，形成袋装碎石桩复合地基，并在实际工程中得到了应用。福州 大学土木工程教研室采用这种方法加固软土地基，取得了较好的效果。施工简单，造价便 宜，承载力比普通碎石桩有相当大的提高。 随后，福州大学的徐少曼和陆国云( 1 9 9 1 、主要对袋装碎石桩桩土应力比进行了理论分 析和复合试样的三轴试验，并应用d u n c a n c h a n g 模型，基于复合试样的应力应变关系分 析了袋装碎石桩复合地基的桩土应力比及其变化规律，提出了袋装碎石桩复合地基沉降计 算方法。 k a t t i 等( 1 9 9 3 ) 基于微粒概念( p a r t i c u l a t ec o n c e p t ) 提出了土工袋装碎石桩加固软土地 基的理论。 k e m p f e r t 和r a i t h e l 等( 1 9 9 9 ) 通过室内缩尺模型试验，验证了