（地质工程专业论文）cfg桩复合地基沉降变形分析及优化设计.pdf

c f g 桩复合地基的沉降变形分析及优化设计 摘要 水泥粉煤灰碎石桩( c f g ) 桩复合地基以其经济可靠、施工快速简便而且环保效 益好的优点，在处理中、低层建筑、不均匀差异沉降、湿陷性黄土和灵敏土等方 面，取得了可喜的成绩。但是，在推广运用的同时也产生了一些问题。c f g 桩 复合地基理论还不成熟，落后于实际，其承载力和沉降计算理论正在发展之中。 相比之下，沉降计算远不如承载力研究的更深入、成熟。 本文在总结前人研究成果的基础上，分析了剐性、半刚性桩( c f g 桩) 复合 地基中褥垫层的作用机理，基于桩一基土一褥垫层相互作用的工作特征，引用等 沉面的概念，应用弹塑性理论，建立了刚性桩与桩周土相互作用的竖向位移协调 方程，为褥垫层厚度的合理设置及褥垫层材料的选择提供了理论依据。 基于对复合地基承载机理的研究，对目前c f g 桩复合地基承载力计算公式作 了总结和讨论，分析了复合地基承载力计算的影响因子，并应用工程实例，分析 对比其计算公式的优点及不足之处，对工程设计有指导性意义。 应用数值模拟的方法，借助拉格朗日元法及其大型有限差分程序- - f l a c 3 d ， 建立刚性桩( c f g 桩) 复合地基数值模型，桩、桩周土、垫层及承台分别选择合 适的模型，分析研究了影响复合地基沉降变形的影响因素( 地面荷载p 、褥垫层 厚度h 和模量e 、桩长三、置换率m 、桩土模量比e 。e ，、桩端土和桩间土模量 比及群桩效应等) ，找出其对复合地基沉降变形影响的贡献。并且基于沉降控制 原理，应用复合形优化设计方法，把桩长、桩径、置换率作为沉降影响主要控制 因素，提出c f g 桩复合地基按沉降控制进行优化设计方法。为实际工程安全、经 济、合理的设计提供理论依据。 关键词：c f g 桩复合地基，褥垫层，承载力，沉降变形，f l a c 3 d ，优化 a n a l y s i so ff a c t o r sa f f e c t i n gs e t t l e m e n ta n d o p t i m a ld e s i g no fc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n a b s t r a c t c e m e n t - f l y a s h g r a v e l ( c f gp i l e ) c o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a st h ec h a r a c t e r so f e c o n o m y , r e l i a b i l i t y , c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o na n de n v i r o n m e n tr e s e r v e i th a sa r t a i n e d d e l l g h t f u ls u c c e s si n t h et r e a t m e n to fm i d - l o wb u i l d i n g 、a s y m m e t r i cd i s c r e p a n c y s e t t l e m e n t 、c l a m m yl o e s sa n ds e n s i t i v es o i la n ds oo n b u tt h e r ea r es o m eq u e s t i o n si n t h ec o u r s eo fe x e r t i o no fi t t h et h e o r yo fc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sn o tv e r y m a t u r ea n db e h i n dt h er e a l i t yc o m p a r e dw i t hs h a l l o wf o u n d a t i o na n dp i l ef o u n d a t i o n t h ec a l c u l a t i o no fb e a f t n gc a p a b i l i t ya n ds e t t l e m e n ti su n d e rd e v e l o p i n g ，b u tw h e n c o m p a r e d t 1 1 el a t e ri sf a rm o r en o tm a t u r ea n dt h o r o u g h b a s e do nt h ep a s tr e s e a r c l l ，i nt h ep a p e r 恤ef o r c em e c h a n i co fc u s h i o ni nr i g i d m i d r i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sa n a l y z e d a p p l y i n gt h et h e o r yo fe l s t i c - p l a s t i ca n d c o n s i d e r i n gi n t e r a c t i o n a lo f p i l e - s o i l - c u s h i o n e q u a ls e t t l e m e n tl e v e la n dv e r t i c a ls e t t l e c o r r e s p o n de q u a t i o no fr i g i dp i l ea n ds o i li n t e r a c t i o ni si n t r o d u c e d w h i c hp r o v i d e t h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ec h o i c eo f t h i c k n e s sa n dm a t e d a lo f c u s h i o n t h ep a d e rd i s c u s s e sa n ds u m m a r i z e st h ea c t u a lm e t h o df o rc a l c u l a t i n gc o m p o s i t e f o u n d a t i o na n da n a l y z e st h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i n gm e t h o d a tl a s tp o i n to u tt h em e r i t sa n dd e f a u l t so ft h o s em e t h o d sb a s e do ne n g i n e e r i n g i n s t a n c e a p p l y i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，r e c u r r i n gt ol a g r a n g ee l e m e n ta n df i n i t e d i f f e r e n c em e t h o dp r o g r a m f l a c “，w ee s t a b l i s hm o d e lo fr i g i dp i l e ( c f gp i l e ) c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，s e l e c tr a t i o n a lm o d e l sf o rp i l e 、s o i la l l l o n gp i l ea n dc u s h i o n a n a l y z et h ef a c t o r s ( g r o u n dl o a dp 、c u s h i o nt h i c k n e s sh 、m o d u l u se 、p i l el e n g t h l 、r e p l a c e m e n tr a t i o nm 、p i l e s o i lm o d d u sr a t i oe 。埋s 、p i l e e n ds o i l a n d p i l e - a m o n gs o i l m o d u l u sr a t i oa n dp i l eg r o u pa f f e c t i o na n ds oo n ) a f f e c t i n g 刚e m e ma n dd e f o r m a t i o no fc o m p o s i r ef o u n d a t i o no n eb yo n e t h el o c a t i o no f c o n t r i b u t i o nt ot h es e t t l e m e n to ft h o s ef a c t o r si sf o u n d a c c o r d i n gt ot h e o r yo f s e t t l e m e n tc o n t r o la n do p t i m a ld e s i g nm e a n so fc o m p l e x ，p u t t i n gp i l e - l e n g t h 、 p i l e - r a d i u sa n dr e p l a c e m e n tr a t i oa sc o n t r o l l i n ga c t o r s ，g i v e so u tr o u t eo fo p t i m a l d e s i g nf o rc f op i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，w h i c hp r o v i d e st h e o r yb a s eo fo p t i m a l d e s i g no fc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ns a f e l y 、 e c o n o m i c a l l ya n dr a t i o n a l l y k e yw o r d s ：c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a f i o n ，c u s h i o n ，b e a r i n gc a p a b i l i t y , s e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ，f l a c j n , o p t i m a l 1 1 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰 写成硕士学位论文“里堡蕉复盒地基远隆变丝坌堑殛煎丝煎让”。尽我 所知，除论文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中不包含其他人已经发表 或集体己经公开发表或未公开发表的成果。对我帮助过的老师或师弟师妹所做的 任何贡献均已在论文中做了明确说明并表示了谢意。 本声明的法律责任由本人承担。 储始金海彩路 日期：m 0 0 六年一月 衫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 复合地基的基本概念”3 1 复合地基是在软弱地基中采用置换或增强的方法在土中设置由散体材料( 土、砂、 碎石等) 或弱胶结材料( 石灰土、水泥土等) 构成加固桩柱体( 也称增强体) ，与桩间土( 也 称桩周土) 共同承担建筑物或构筑物的基础传来的荷载，有时桩间土的性质在增强体 设置的过程中也受到不同程度的改善，从而使地基的强度与刚度得以提高，这类由 两种不同强度的介质组成的人工地基，称为复合地基。复合地基中的桩柱体与桩基 础中的桩是不同的。复合地基中的桩柱体是地基的一个组成部分，它起加固地基的 作用，且不与基础作刚性连接。桩基中的桩是一种基础形式，它起传递上部结构荷 载的作用，由高刚度材料构成，且与承台或上部结构作刚性连接。 复合地基中桩柱体的加固作用比较复杂，目前较公认的作用主要是两种，种是 通过排土、挤土或原位搅拌等方式使一部分地基土被置换为或转变为具有较高强度 和刚度的桩柱体，从而提高地基的整体强度和刚度，这种作用常称为置换作用。二 种是通过制桩过程中对桩间土的侧向挤压作用、砂石桩的排水作用，石灰桩的膨胀 和吸水作用等，使土质得以改善，这种作用常称作为挤密作用。这两种作用在复合 地基中因桩体材料及施工工艺不同可同时存在，有主有次。 复合地基是由桩和桩间土组成，其中桩的作用是主要的，而在地基处理中所用桩 的类型较多，且桩柱体的性能变化较大，因此，复合地基的类型一般按桩的类型进 行划分。如果按成桩后桩体的强度来分类，则有：1 ) 散体材料桩复合地基；2 ) 柔性桩 复合地基；3 ) n i i 性桩复合地基。 由于复合地基具有工艺简单、造价低廉，施工方便等优点，因此，在中小型工程 的地基处理中得到越来越广泛的应用。复合地基能在定程度上解决地基承载力不 足的问题，同时也能有效地降低沉降，这对高层建筑的地基设计也有一定的借鉴意 义，并己经应用于不太高和不太复杂的高层建筑的地基设计中。但是，复合地基理 论的研究仍然远远落后于复合地基的工程实践。进行复合地基理论研究将有助于加 深对复合地基工作机理的认识，推动地基处理技术更快发展。近年来，许多专家学 者认识到，复合地基中桩与桩周土的相互作用，垫层作用机理，复合地基的承载力 及沉降机理研究等在未来复合地基研究中占有重要的位置，弄清复合地基中垫层作 华北水利水电学院硕士论文 用机理及桩柱体与桩周土的相互作用，将有助于更好地分析复合地基的承载力和沉 降，有助于创造新的地基处理方法，合理而有效地采用己有的复合地基形式，取得 更好的经济效益和社会效益。 复合地基常用的基本形式分类如下4 】： 1 按增强体设置方向分类 ( 1 ) 竖向：( 2 ) 水平向；( 3 ) 斜向。 2 按增强体材料分类 ( 1 ) 土工合成材料，如土工格栅，土工布等；( 2 ) 砂石桩；( 3 ) 水泥土桩、土 桩、灰土桩、渣土桩；( 4 ) 各类低强度混凝土桩和钢筋混凝土桩。 3 按基础刚度和垫层设置分类 ( i ) b u 性基础，设垫层；( 2 ) 刚性基础，不设垫层；( 3 ) 柔性基础，设垫层；( 4 ) 柔性 基础，不设垫层。 4 按增强体长度分类 ( 1 ) 等长度； ( 2 ) 不等长度( 长短桩复合地基) 。 从增强体设置方向、增强体的材料组成，基础刚度以及垫层情况，增强体长度 等方面的分析基本上可对目前应用的各种复合地基情况有个全面的了解。不难发现 在工程中得到应用的复合地基形式具有很多种类型，要建立可适用于各种类型复合 地基承载力和沉降计算的统一公式是困难的，或者说是不可能的。在进行复合地基 设计时一定要因地制宜，不能盲目套用一般理论，应该以一般理论作指导，结合具 体工程进行精心设计。 1 2 复合地基与双层地基的比较 有的学者将复合地基视为双层地基，将双层地基有关计算方法应用到复合地基计 算中。笔者认为复合地基与双层地基在荷载作用下的性状有较大区别，在复合地基 计算中直接应用双层地基计算方法是不妥当的，有时是偏不安全的，下面作简要分 析。 图l 一1 ( a ) 和( b ) 分别为复合地基和双层地基的示意图。设复合地基加固区复合模量 为e - ，其他区域土体模量为易，、显然e 。如。设双层地基上层土体模量为e ，下 层土体模量为易。双层地基上层土厚度与复合地基加固区深度相同，记为日。以条 第一章绪论 形基础为例，地基上荷载作用面宽度均为6 ，而且荷载密度相同，现分析在荷载作 用中心线下复合地基加固区下卧层中4 点( 图( a ) ) 和双层地基中对应的曰点( 图( b ) ) 竖 向应力情况e 不难看出复合地基4 点竖向应力o - 。比双层地基中b 点竖向应力仃。大。 如果增大e e ：值，则o - 。值增大，而值仃。减小。 b 分吻蠢) b 图1 - 1 复合地基与双层地基 ( 丑) 复合地基c o ) 双层地基 f i 9 1 1c o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dd o u b l ef o u n d a t i o n ( 丑) c o m p o s i t ef o u n d a t i o nc o ) d o u b l ef o u n d a t i o n 理论上当e 1 e ：趋向o o 时，双层地基中b 点竖向应力盯。趋向零，而复合地基彳点竖 向应力盯。是不断增大的。由上述分析可以看出复合地基与双层地基在荷载作用下地 基性状的差别是很大的。 图l - 2 当层法原理 荷载作用下均质地基中的附加应力可用 布西涅斯克解求解。双层地基可采用当层法 求解。当层法基本思路如图1 2 所示。若双 层地基两层土模量为e 和e ，则可将第一层 土换成与第二层土相同模量的相当土层，其 相当土层的厚度可为： h = 日岛岛( i 1 ) f 龟l _ 2c o m p a r a t i v e s o i ll a y e r p r i n c i p l e 式中：h 一第一层土层厚度。 用相当土层代替后，双层地基变成均质地基，地基中附加应力可采用布西尼斯克解 求解。 当层法可用来计算荷载作用下双层地基中的附加应力，而将复合地基视为双层地 一 rdlll 华北水利水电学院硕士论文 基采用当层法计算复合地基中的附加应力可能带来很大误差，计算结果是偏不安全 的。当层法不适用于复合地基中附加应力计算。 杨慧( 2 0 0 0 ) 5 1 采用有限元法分析比较了复合地基和双层地基中压力扩散情况。在 分析中，将作用在复合地基加固区与下卧层界面和双层地基两层土界面上的荷载作 用面对应范围的竖向应力取平均值，并依此平均值计算压力扩散角。计算中取h = l o r e ，e 2 = 5 m p a ，e e ，= 6 ，图1 3 表示扩散角随h b 的变化情况。由图中看出， 当模量比一定时，双层地基的扩散角随着h b 增大而增大，复合地基的扩散角随着 h b 先增大后减小。h b 相同，双层地基扩散角远大于复合地基的扩散角，且随着 h b 增大这种差距增大。图1 - 4 表示荷载作用下深度日处( 复合地基下卧层上表面或 双层地基二层上交界处) 附加应力平均值与模量比变化的关系。计算中取h b = 1 0 ， h = 1 0 m ，e ：= s m p a 。由图1 - 4 可看出，随着模量比增大，复合地基中加固区与下 卧层界面处附加应力平均值略有增大，而双层地基中附加应力平均值随着模量比的 增大而迅速减小。 蓄 0 51015 2 025 h b 图1 3 扩散角与h b 关系曲线 o5 1 0 模量比1 5 f 唔l 一3r e l a t i o n s h i p r v eo fd i s p e r s ea n g l e 咀h 6 图l _ 4 模量比与应力比的关系 t i i 9 1 4r e t a t i o n s h i po f m o d u l u sr a t i oa n d 剐h 鹪r a t i o 根据前面分析，在荷载作用下双层地基与复合地基中附加应力场分布及变化规 律有着较大的差别，将复合地基认作双层地基，低估了深层土层中的附加应力值， 在工程上是偏不安全的。 4 第一章绪论 1 3 复合地基与复合桩基的比较 在深厚软粘土地基上按桩基理论设计摩擦桩基础时，为了节省投资，管自? r ( 1 9 8 9 ) 采用稀疏布置的摩擦桩基( 桩距一般在5 6 倍桩径以上) ，称为疏桩基础【1 】。疏桩基础 比按桩基理论设计的常规摩擦桩基础，沉降量大，但考虑了桩间土对承载力的直接 贡献，以较大的沉降换取工程投资的节约。事实上桩基础的功能主要有两方面，一 可以提高承载力，二可以减小沉降。以前人们往往侧重利用桩基解决地基承载力不 足的问题，忽略采用桩基可以减小地基沉降的功能。一般将用于以减小沉降量为目 的桩基础称为减少沉降量桩基，减小沉降量桩基设计中考虑了桩、土共同作用，这 里减小沉降量桩基一般是指摩擦桩基。在疏桩基础和减小沉降量两类桩基础中，均 考虑了桩和土共同承担荷载。事实上，筏板基础下的摩擦桩基，桩间土体必定直接 承担一部分荷载，在经典桩基理论中只不过是主观上不考虑而已。以前主观上不予 考虑的原因可能认为桩间土承担荷载比例小，不值得考虑，也可能是主动将其作为 一种安全储备。还有一种可能是考虑到计算较困难，不确定因素较多而不予考虑， 而且不考虑在工程上是偏安全的。近年来发展起来的桩、土共同作用分析，主要也 是考虑桩间土直接承担荷载。在疏桩基础、减小沉降量桩基和考虑桩、土共同作用 的思路中都是主动考虑摩擦桩基础客观上存在的桩间土直接承担荷载的性状。考虑 桩、土共同直接承担荷载的桩基称为复合桩基。是否可以说复合地基实质上是主动 考虑桩间土直接承担荷载的摩擦桩基，而在经典桩基理论中，摩擦桩基中是不考虑 桩间土直接承担荷载的。 前面已经谈过，复合地基的本质就是考虑桩间土和桩体共同直接承担荷载。由上 面分析可知，复合桩基的本质也是考虑桩、士共同直接承担荷载，因此可以认为复 合桩基是复合地基的一种【“。笔者将复合桩基归为刚性桩复合地基范畴，是一种类 型的刚性桩复合地基。龚晓南【1 】谈到：刚性摩擦桩考虑桩、土共同作用，可采用复 合地基理论计算。目前在学术界和工程界对复合桩基是属于复合地基还是属于桩基 础是有争议的，作者认为既可将复合桩基视作桩基础，也可将其视为一种复合地基。 复合桩基属于桩基还是属于复合地基并不重要，重要的是弄清复合桩基的本质、复 合桩基的承载力和变形特性、复合桩基的形成条件、复合桩基理论与传统桩基理论 的区别。将复合桩基视为复合地基的一种，或者说将其归属复合地基，有助于对复 合桩基荷载传递规律的认识，也有益于复合桩基理论的发展。 华北水利水电学院硕士论文 1 4c f g 桩复合地基发展现状 1 4 1c f g 桩复合地基基本概念【7 叫 我国地域广阔，软弱地基类别较多，分布广泛，自改革开放以来土木工程建设规 模大，发展快。我国又是发展中国家，建设资金短缺，如何在保证工程质量的前提下 节省工程投资显得十分重要。复合地基技术能较好利用增强体和天然地基两者共同 承担建筑物荷载的潜能，因此具有比较经济的特点。复合地基技术比较适合我国的国 情，因此近些年来在我国得到长足的发展。1 9 9 0 年在河北承德市，由中国建筑学会 地基基础专业委员会黄熙龄院士主持召开了我国第一次以复合地基为专题的学术讨 论会。会上交流、总结了复合地基技术在我国的应用情况，有力促进了复合地基理 论和实践在我国的发展。1 9 9 6 年中国土木工程学会土力学及基础工程学会地基处理 学术委员会在浙江大学召开了复合地基理论和实践学术讨论会，总结经验、交流经 验、共同探讨发展中的问题，促进了复合地基理论和实践的进一步发展和提高。 水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 复合地基是由中国建筑科学研究院地基所在2 0 世 纪8 0 年代末期研究开发的。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的 高粘结强度桩，是建设部“七五”计划课题，于1 9 8 8 年立题进行试验研究，并应用 于工程实践。它和石灰低强度混凝土桩复合地基及水泥碎石桩复合地基都是国内外 新开发的地基处理技术。它主要用来加固粉质粘土、非饱和粘土、饱和软粘土及淤 泥质土。c f g 桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬 土层均可保证桩间土始终参与工作。因此，作用在基础上的荷载，首先将土的承载 力充分发挥，不足部分由c f g 桩承担。显然，与传统的桩基础设计相比，桩的数量 大大减少。c f g 桩复合地基通过改变桩长、桩距、褥垫层厚度和桩体配比，可使承 载力提高、沉降变形减小。加上c f g 桩不配筋，桩身材料采用粉煤灰，大量消耗工 业废料。在降低工程成本的同时，保护了环境，大大降低了工程造价。和桩基相比， 造价可节省1 2 1 3 。 c f g 桩复台地基在处理低层建筑、不均匀差异沉降、湿陷性黄土和灵敏土等方面， 取得了可喜的成绩。但是，在推广运用的同时也产生了一些问题。与浅基础、桩基 础相比较，c f g 桩复合地基理论还不成熟，落后于实际，其承载力和沉降计算理论 正在发展之中。相比之下，沉降计算远不如承载力研究的更深入、成熟。和桩基础 相比，复合地基的沉降过大，若不能合理控制沉降量，复合地基沉降过大可使上部 6 第一章绪论 结构产生裂隙或倾斜。而减小沉降量就需要增加投资，因此合理控制沉降非常重要。 不是工后沉降越小越好，而是在确保安全、满足使用功能基础上控制合理的工后沉 降量。因此，有必要对c f g 桩复合地基的工作特性、尤其是变形特性进一步研究。 在找出影响沉降的因素的前提下对c f g 桩复合地基进行优化设计，达到安全、合理、 经济的最终目的。 1 4 2 复合地基的置换率、桩土应力比和荷载分担比 ( 1 ) 置换率 复合地基中，一根桩和它所承担的桩间土体为一复合土体单元，在这一复合土体 单元中，桩的断面面积a 。和复合土体单元面积a ( 复合土体中桩间土和桩断面面积 之和) 之比，称为面积置换率，用m 表示： m=apa(1-2) 实际工程中，由于地基土岩性变化、上部结构荷载不均匀性，以及基础平面尺寸 等因素的影响，不可能整个基础都是等间距布桩，对只在基础下布桩的复合地基， 桩的断面面积之和与基础总面积相等的复合地基土体面积之比，称为平均面积置换 ds ，；m ， 桩 率。 ( 2 ) 桩土应力比 对一复合土体单元，在荷载的作用下，桩和桩间 土受力如图( 1 5 ) 所示，盯。为桩间土表面应力，盯。为 桩顶应力。则桩土应力比力为： = 盯p o r ， ( 1 - 3 ) 实际工程中，即使单一桩的复合地基，由于桩处 图l - 5 桩、土受力示意图 在基础底部的部位不同，或者桩距的不同，刀 f i g l - 5 s k e t c h m a p o f p i l e - b o i ls t r 嘲也有很大不同。定义基础下桩的平均桩顶应力与桩间 土平均应力之比为平均桩土应力比。 ( 3 ) 桩、土荷载分担比 复合地基中，桩、土的荷载分担可以用桩土应力比胛表示，也可以用桩、士荷载 分担比j 。、占，表示： 华北水利水电学院硕士论文 式中：只一桩承担的总荷载 6 p = p p p 6 。= p 。p c 一桩间土承担的总荷载； j p 一总荷载。 当平均面积置换率m 知道后，桩、土荷载分担比和桩土应力比可以互相表示； ( 1 一珑妙。 ”= m 占 ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) 1 5c f g 桩复合地基问题的提出及解决方案 为了充分发挥复合地基的承载特性，改善复合地基中桩的受力条件，黄熙龄先生 提出在承台下设置褥垫层，以调整地基土中桩、土荷载的分配，充分发挥地基土的 承载能力。 杨军等人将褥垫层应用于工程实践，取得了良好的经济效益。但褥垫层的理论研 究，例如：褥垫层的设置对桩、土荷载的传递规律，桩、土荷载分担有何影响，设置 多厚的褥垫层较适宜等理论研究都不够深入。 文 1 0 将褥垫层的作用归纳为：( 1 ) 保证桩、土共同承担荷载：( 2 ) 调整桩、土荷 载分担比；( 3 ) 缓解基础底面的应力集中：( 4 ) 调整桩土水平荷载的分配。 文 1 1 基于室内模型实验结果对褥垫层作用下石灰桩复合地基的工作性状进行 过研究。 文 1 2 基于复合地基沉降协调条件，对桩一土一垫层的共同作用原理进行过研 究。 文 1 3 基于太沙基理论对刚性桩复合地基中的垫层作用机理进行过理论探讨，且 指出：若垫层太厚，刚性桩分担的荷载太小，反而会使复合地基的承载力下降，或造 成过大的沉降。 文 1 4 1 6 对刚性、半刚性桩复合地基中的褥垫层作用机理进行过系统的试验研 究，讨论了褥垫层模量及厚度对复合地基性状的影响。 刘杰( 2 0 0 3 ) 1 6 】对各类复合地基中的褥垫层进行过系统地研究，得出了褥垫层对复 合地基的影响的理论结果 8 第一章绪论 以上研究表明，人们对垫层的作用机理有了一定的认识，但是很少从理论上揭示 褥垫层对复合地基的影响。本文基于桩一基土一褥垫层相互作用的工作特征，并引 用等沉面的概念，建立了刚性桩( c f g 桩) 与桩周土相互作用的竖向位移协调方程， 得出了褥垫层厚度及褥垫层材料对复合地基工作性状的影响。为褥垫层厚度的合理 设置及褥垫层材料的选择提供了理论依据。 在复合地基承载力方面，人们作了大量的现场试验，也作过不少的理论研究，揭 示了复合地基的承载机理，给出了几种计算复合地基的承载力的理论公式，而且根 据工程实践，得到了承载力计算的经验公式，并编制了规范，但是并不是每一种计 算方法都是完美的，他都有自己的适用性和局限性，c f g 桩复合地基的承载力计算 公式直接沿用复合地基的计算方法，其中不同的计算方法可以得到不同的计算结果， 离散性很大，使得工程设计难以确定用哪种方法才合理。本文针对不同的计算方法， 应用工程实例验证各种方法的优点及不足，为计算公式中的参数选取给出指导性意 见。 对于复合地基沉降计算一直是困扰工程师们进行工程设计的难题，相比之下复 合地基沉降变形方面的研究远不如承载力研究的深入。由于影响复合地基沉降变形 的因素比较多，人们很难比较准确地计算复合地基的最终沉降，找出各个影响因素 对沉降变形的影响程度。鉴于此，本文应用数值模拟的方法，建立刚性桩复合地基 ( c f g 桩) 模型，合理地选择模型参数，对影响复合地基沉降变形的影响因素逐一 进行分析研究，找出其对沉降变形影响的贡献，并且基于沉降控制原理，应用复合 形优化设计方法，把桩长、桩径、置换率作为沉降影响主要控制因素，提出c f g 桩 复合地基按沉降控制进行优化设计方法。为实际工程安全、经济、合理的设计提供 理论依据。 第二章褥垫层的作用机理研究 第二章褥垫层的作用机理研究 为了充分发挥复合地基的承载特性，改善复合地基中桩的受力条件，黄熙龄院士 提出在承台下设置褥垫层，以调整地基土中桩、土荷载的分配，充分发挥地基土的 承载能力。 人们对垫层的作用机理有了一定的认识，本文基于桩基土一褥垫层相互作用的 工作特征，并引用等沉面的概念，建立了刚性桩与桩周土相互作用的竖向位移协调 方程，得出了褥垫层厚度及褥垫层材料对复合地基工作性状的影响。为褥垫层厚度 的合理设置及褥垫层材料的选择提供了理论依据。 2 1 形成复合地基的条件 复台地基是在天然地基中设置一定数量的增强体( 桩) 。增强体可由碎石、砂石、 石灰、粉煤灰、水泥土、灰土、混凝土等强度和模量不同的材料组成。那么，是否 在天然地基中设置了增强体就形成了复合地基呢? 怎样才能形成复合地基呢? 2 1 1 基础与桩之间不设置褥垫层 1 7 - 2 0 】 如图2 - l 所示，土层i 为较软弱土层，土层为坚硬土层，土层i i 的压缩模量远 大于土层i 的压缩模量。图2 1 ( a ) 中基础直接作用于桩和桩间土上，桩穿透土层i ， 桩端落在土层i i 上。由于桩端落在坚硬土层上，复合地基沉降主要由桩的压缩变形 控制。通常桩的压缩模量远大于桩间土的压缩模量，压缩变形很小。相应桩间土的变 形很小，桩间土的承载能力很难发挥，荷载基本由桩承担。 为了发挥桩间土的承载能力，可人为地缩短桩长，使桩端落在土层i 中，形成悬 浮桩，如图2 - 1 所示。此时，桩的沉降加大，桩间土的变形有所增加，其承载力 有所发挥，但即使如此，桩间土的承载能力也不能充分发挥，其受力特性与桩基础 相类似。参照j g j 9 4 9 4 建筑桩基技术规范，摩擦桩的桩间土承载能力发挥系数为 o 1 1 - 0 4 8 【l ，显然，桩间土强度的发挥程度很低。因此，对于中高粘结强度桩( 如c f g 桩) ，基础直接作用在桩和桩间土上，无论桩端是否落在好土层上，桩闯土的承载能 力都不能充分发挥。更重要的是，在图2 - 1 ( b ) 中，桩端落于土层i ，端阻效应大大削 弱，导致复合地基的承载力显著降低，这尤为不合理。 1 0 华北水利水电学院硕士论文 圭盐! ! ( a ) 盟! ! ( b ) 图2 - 1 基础直接作用在土体上 f i 蜉- 1f o u n d a t i o na f f e c t ss o i ld i r e c t i y 2 1 2 基础与桩和桩间土之间设置一定厚度的褥垫层 如图2 2 所示，基础与高粘结强度桩( 如c f g 桩) 和桩间土之间设置一定厚度散体 粒状材料组成的褥垫层，则受力情况与图2 1 所示的情况就有很大的不同1 4 】。在荷载 作用下，由于桩的模量远大于土的模量，桩间土表面变形大于桩项变形，桩向褥垫 层刺入，伴随这一变化过程，粒状散体材料不断调整补充到桩间土表面上，基础通 过褥垫层始终与桩间土保持接触，桩间土始终参与工作，桩间土承载能力可以得以 发挥。 褥 土体 图2 - 2 基础与桩体之间设置褥垫层 f i 9 2 - 2c u s h i o ni sd e s i g n e db e t w e e nf o u n d a t i o na n dp i l e 可见，基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。特别是对刚性或半刚 性桩复合地基，基础下不设置褥垫层，复合地基承载特性与桩基础相似，在给定荷 载作用下，桩承受较多荷载，随时间增加，桩发生一定的沉降，一部分载荷逐渐向 土体转移，桩承担的荷载随时间的增加而有所减少，土承担的荷载随时间的增加而 有所增加。桩间土承载力发挥依赖于桩的沉降，如果桩端落在坚硬土层上，桩的沉 第二章褥垫层的作用机理研究 降很小，桩上荷载向土上转移的数量很小，桩间土承载能力难以发挥，不能成为复 合地基。 基础下设置褥垫层，桩间土承载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降 3 1 。即使桩端 落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫作用到桩间土上，使桩土共同承担荷载 2 2 褥垫层技术 8 叫 由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫层技术是中、高粘结强度桩复合 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。这里所说的褥垫层不 是基础旌工经常做的1 0 c m 厚的素混凝土垫层，而是由粒状材料组成的散体垫层。 2 2 1 褥垫层的作用 1 、保证桩、土共同承担荷载 若基础下不设置褥垫层，特别对中、高粘结强度桩复合地基，如果基础直接与桩 和桩间士接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩 承受较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。其 时程曲线的特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加；桩承担的荷载随时间增加 逐渐减少8 1 。如果桩端落在坚硬土层和岩石上，桩的沉降很小，桩上 o ! 监 一卜f 土 td ， ( a ) ( b ) 图2 1 3 桩基和复台地基桩、土受力时程曲线示意图 ( a ) 桩基( b ) c f g 桩复合地基 f j 9 2 - 3t h es t r e s st i m ec u r v eo f p i l e - s o i lb e t w e e np i l ef o u n d a t i o na n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ( a ) p i l ef o u n d a t i o n ( b ) c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 的荷载向土体转移数量很小，桩间土承载力不能充分发挥。在基础下设置一定厚度 的褥垫层，情况就不同了，目口使桩端落在好的土层上，也能保证一部分荷载通过褥 盘_ddsd o目目 华北水利水电学院硕士论文 垫作用在桩间土上，借助褥垫层的调整作用，使给定荷载作用下桩、土受力时程曲 线是常值如图2 - 3 7 - s 。 2 、调整桩、土荷载分担比 复合地基桩、土荷载分担，可用桩土应力比n 表示，也可用桩、土荷载分担比占。、 坑，表示。当褥垫厚度h o = o n ，桩、土应力比斤很大，和桩基础类似，上部结构荷 载大部分由桩承担，桩间土基本上没有发挥承载力的作用。在软土中，桩土应力比n 可以超过1 0 0 ，桩分担的荷载相当大。在很大时，桩的作用并没有发挥出来，失 去了复合地基的意义。桩土应力比接近于1 2 1 1 ，此时桩的荷载分担比很小。 3 、减小基础底面的应力集中 当褥垫厚度h 。= 0 时，桩对基础的应力集中很显著，和桩基础一样，需要考虑桩 对基础的冲切破坏。当h 。大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。因 此在基础和桩之间设置一定厚度的褥垫层可以有效的减小基础底面的应力集中，不 必考虑桩对基础的冲切作用。 4 、调整桩、土水平荷载的分担 复合地基中的桩主要传递垂直荷载，当基础承受水平荷载时，桩、土是如何参与 工作的呢? 一般地，复合地基中的桩是不配筋的，桩在水平荷载作用下会不会断裂， 会不会影响建筑物的正常使用，这些常常是设计人员最担心的一个主要问题。 当褥垫层厚度= 0 时，基础承受垂直荷载尸和水平荷载q ( 如图2 4 所示) 。桩 在垂直荷载p 作用下荷载分担比以很大，而土的荷载分担比以很小。在无埋深条件 下，荷载q 传到桩上的水平力为q ，传到土上的水平力g ，并有， o = q 。+ q 。，q = 皿，其中的只为桩间土分担的荷载；厂为基础和土之间的摩擦 系数，厂大多在0 2 5 0 4 5 之间变化【2 ”。由于h o = 0 时，只较小，则q 。也很小，此时 水平荷载主要由桩来分担，a ，很大，( 如图2 - 4 ( a ) ) 。当褥垫层厚度增大到一定数 值时，作用在桩顶和桩间土上的剪应力f ，m r ；相差不大，桩顶受的剪力q ，= m a r ， ( m 为桩的置换率；a 为基础面积；f 。为桩顶剪应力) ，占水平荷载的比例不大，水 第二章褥垫层的作用机理研究 卓霉p q |16庄h t 1 3 1s t 三 f 1s ( a ) ( b ) 图2 - 4 桩、土剪应力示意图 ( 叠) 。= 0 ( b ) h o 很大 f i 9 2 - 4s k e t c hm a p o f s h e a rs t r e s si np i l e - s o i l ( a ) h o = 0 呻i s v e r y b i g 2 2 2 褥垫层的合理厚度田j 由前面的讨论可知，褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考 虑桩对基础冲切，这势必导致基础加厚。如果基础承受水平荷载作用，可能造成复 合地基中桩发生断裂。由于褥垫厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，要达到 设计要求的承载力，必然要增加桩的数量或长度，造成经济上的浪费。唯一带来的 好处是建筑物的沉降量小。 褥垫层厚度大，桩对基础产生的应力集中很小，可不考虑桩对基础的冲切作用， 基础受水平荷载的作用，不会发生桩的折断，并能充分发挥桩问土的承载能力。若 褥垫层厚度过大，会导致桩土应力比等于或接近1 。此时桩承担的荷载太少，实际 上复合地基中桩的设置己失去了意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地 基有较大的提高，而且建筑物的变形也大。那么，考虑到技术上可靠、经济上合理， 褥垫层厚度取多大为宜呢? 这是设计人员最关心的问题。 1 4 u 华北水利水电学院硕士论文 对于刚性、半刚性桩( 如c f g 桩) 具有刚性桩的受力传递的特征，因此c f g 桩 复合地基中，桩土应力比亦具有很大的可调性。 针对具体工程及工程地质条件，在进行c f g 桩复合地基设计时，应根据下列原 则经计算确定褥垫层的厚度田j 。 ( 1 ) 当密实或坚硬土层作为持力层埋藏较深，桩端难以落入该层时： 1 ) 当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较好时，应选取厚度偏大的褥垫 层来减少桩数，充分利用桩间土的承载力来达到降低工程造价的目的，该方法为降 低桩土应力比值法； 2 ) 当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较差时，应选取厚度中等偏大的 褥垫层，在充分利用桩间土承载力的基础上，适当增加桩数，充分利用桩的承载能 力，在满足安全的前提下，尽量降低工程造价，该方法为适当提高桩士应力比值法。 ( 2 ) 当密实或坚硬土层作为持力层埋藏较浅，桩端容易落入该层时： 1 ) 当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较好时，应选取厚度中等偏小的 褥垫层，在充分利用桩间土承载力的基础上，尽量减少桩数，充分利用桩的承载能 力，降低工程造价，该方法为适当降低桩土应力比值法； 2 ) 当需处理深度范围内土层物理力学性能指标较差时，应选取厚度偏小的褥垫 层，在充分利用桩间土承载力的基础上，适当增加桩数，充分利用桩的承载能力， 在满足安全的前提下，尽量降低工程造价，该方法为提高桩土应力比值法。 2 3 褥垫层作用的理论研究【1 6 】 在刚性桩及半刚性桩复合地基中，由于垫层的设置，桩体有向垫层的刺入变形。 这样桩体将产生部分负摩擦区。负摩擦区的范围与哪些因素有关? 垫层厚度及压缩 模量对负摩擦区范围和对桩士中应力有何影响等，这些都是值得研究的。 本章基于褥垫层一桩一地基土相互作用的工作特征，建立了桩与桩周土相互作用 的竖向位移协调方程。为褥垫层厚度的合理设置及褥垫层材料的选择提供了理论依 据。 2 3 1 桩土竖向变形协调方程 褥垫层下刚性、半刚性桩复合地基与刚性基础下不设置褥垫层的情况相比，主要 不同点在于桩体将刺入褥垫层中，在桩体一定深度，。范围内会出现负摩擦力，也即 第二章褥垫层的作用机理研究 桩体定深度? 0 范围内会出现桩与桩间土的等沉面( 如图2 - 5 ) 。等沉面以上的桩问 土将相对桩体向下移动。从而对桩产生负摩擦阻力。而在等沉面以下，桩体相对于 桩i q ：l 向t 移动，故桩f 日q 土x , j 桩体产生正摩擦阻力。 l 亍 l i 面 图2 - 5 桩身两侧摩擦力分布示意圈