（水工结构工程专业论文）黄土地其中粉煤灰砼桩受力特性分析.pdfVIP

论文摘要 本文对湿陷性黄土地区粉煤灰砼桩复合地基的承载特性 和设计方法进行了较系统的研究。通过现场测试，研究了 桩土应力比和土分担荷载比随外荷载的变化规律，探讨了 粉煤灰砼桩复合地基的受力特性和破坏机理，同时还对比 分析了挤密土复合地基与非挤密土复合地基受力特性的差 异。通过室内三轴试验，研究了挤密后桩间土力学特性的 变化规律，并对桩间土的挤密效果进行评价。通过数值分 析，对粉煤灰砼单桩的位移，轴力，桩侧摩阻力沿深度的变 化进行了初步研究。提出了适合于黄土地区粉煤灰砼桩复 合地基的优化设计方法，算例表明，所得结果合理，适用。 关键词：粉煤灰砼桩 承载特性 复合地基 优化设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g nm e t h o d so f f l y a s h c o n c r e t e p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ni nl o e s sa r es t u d i e di ns y s t e m a t i cw a y t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i oa n d p e r c e n t a g eo f l o a d t a k e n b y t h es o i lw i t ht h ea p p l i e dl o a dw e r es t u d i e db ym e a n so ff i e l dt e s t ， t h es t r e s s i n gb e h a v i o ra n dt h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h ef l y - a s hc o n c r e t e p i l e w e r e r e s e a r c h e d ，a n dc o m p a r a b l ya n a l y s e ss t r e s s i n g b e h a v i o r d i f f e r e n c eb e t w e e n c o m p a c t e d s o i la n d i n c o m p a c t s o i l c o m p o s i t e f o u n d a t i o n t h eb e h a v i o ro fs o i lm e c h a n i ca f t e rc o m p a c t i o nw e r es t u d i e d b ym e a n so f i n d o o rt e s t ，a n dt h es o i lc o m p a c t e de f f e c tw a se s t i m a t e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ed e f o r m a t i o n , a x i a ls t r e s sa n df r i c t i o n a lr e s i s t a n c e o ft h es i n g l ep i l ea n d p i l el e n g t hw e r ep r e l i m i n a r i l ys t u d i e db y m e a n so f n u m e r i c a la n a l y s i s t h em e t h o do fo p t i m i z a t i o nd e s i g nt h a ti ss u i tt o l o e s s a r e a , i t sp r o g r a mw a sc o m p i l e da n dc o m p u t a t i o n a lr e s u l t w a s k e y w o r d s ：f l y - a s h c o n c r e t e p i l e c o m p o s i t e f o u n d a t i o n b e a r i n g c h a r a c t e r i s t i c s o p t i m i z a t i o nd e s i g n 致谢 本文是在导师俞亚南教授的悉心指导和细致关怀下完成的。导 师学识渊博、敏于观察、不拘陈规、为人谦和使学生受益匪浅。导 师卓越的管理才能、丰富的教学实际经验亦是我学习的榜样。在此 之际，谨向导师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意! 在论文期间还得到了水工所毛根海，吴寿荣、王紫雯、刘国华、 张土乔等老师的无私的帮助，给我提出了许多重要的建议和思路， 并提供了许多方便，使我的研究工作得以顺利完成，在此谨向老师 们致以最衷心的感谢和祝福! 我同时要感谢陈明中博士，黄坤耀博士，许强博士，林伶俐， 孙坚，叶培伦，卢晓林等同学对我的帮助和支持。 在我求学期间，父母和亲人们为我分担了许多困难，解除了我 的后顾之忧，衷心感谢他们对我的鼓励和支持。 最后，衷心感谢青海大学的各级领导和我的同事们，我的学习 和他们的鼓励和支持是分不开的。 解宏伟 2 0 0 0 年6 月于求是园 浙江大掌硬士掌位论文 第一章绪论 第一节问题的提出及其意义 一湿陷性黄土地基处理现状 在我国广阔的西北高原，地貌表层覆盖着o 几十米不等的黄色状粉质粘 土( 简称黄土) ，由于其孔隙率较大，具有中高程度的压缩性，遇水后沉降较大， 对其上的建筑物危害较大。目前，主要采用开挖、回填、压实等处理手段，但 由于开挖工程量很大，一般不可能全部开挖掉，仅开挖部分土层，然后采用回 填压实的办法来进行地基处理。但这种方法处理后，使用几年之后，均出现不 同程度的沉降，严重影响了建筑物的使用寿命，寻找一种既经济又安全的湿陷 性黄土地基的处理方法就显得十分必要。 二粉煤灰砼桩的应用 粉煤灰是煤燃烧后的残渣，其主要来源于热电厂。按统计资料看，1 9 8 2 年 后，灰渣的综合利用量显著提高( 年增长率约为1 7 0 4 ，1 9 8 2 1 9 9 2 ) ，至1 9 9 5 年灰渣利用率已达4 7 ( 产生量为1 0 2 0 0 万吨，用量为5 1 8 8 万吨) 。建材工业 用量超过总利用量的3 0 ，按照电力发展规划，到2 0 0 0 年，我国电力系统6 m v 及以上火电场装机容量将达到2 2 0 0 0 0 m p n ，年发电量将达到1 1 0 0 0 亿度，按目 前的水平推算，届时灰渣总量将达1 5 3 亿吨，按有关统计数据，建材用灰在灰 渣利用的构成中始终占显著的地位，但逐年呈下降趋势( 由1 9 8 2 年的5 0 左右 降到1 9 9 0 年的3 6 7 和1 9 9 3 年的3 4 8 ) ，面对如此严峻的挑战，如何利用粉 煤灰是环保和能源建设中值得研究的课题之一。而粉煤灰砼用灰量大，一幢普 通的3 0 0 0 m 2 住宅，用灰量在7 0 0 吨以上，是粉煤灰综合利用中的大户。 粉煤灰砼桩( 又称粉煤灰碎石桩) ，是粉煤灰、碎石、水泥和水按一定的配 比( 按目前工程经验，通常每m 3 混合料配比为按重量计：粉煤灰：石子：水泥 7 5 0 k g ：1 2 0 k g ：1 5 0 k g ，按体积比约为：0 7 5 一：0 7 5 一：0 1 甜) ，搅拌均匀， 然后成桩。与传统的钢桩、砼桩等刚性桩相比，粉煤灰砼桩的特点是其强度和 变形模量远远低于刚性桩，但比天然地基土的强度和变形模量要大得多，由于 桩体模量的变化，必然引起桩基础的承载力和变形等发生相应的变化，和碎石 桩相比，粉煤灰砼桩有具有一定的刚度( 因而它既不属于刚性桩，又不属于散 体材料桩) 桩体抗压强度约为5 m p a ，静力弹性模量约为0 8 8 1 0 4 m p a 。 粉煤灰砼桩复合地基属纵向增强体复合地基，它与横向增强体复合地基及 散体材料桩复合地基的沉降特性及荷载传递机理是不同的。由于粉煤灰砼桩具 有较高的承载能力( 可与素砼桩相媲美) ，而造价却比素砼桩低2 5 左右。自8 0 年代初对粉煤灰桩进行开发研究以来，这种新型桩正越来越多受到重视。但由 浙江大掌硕士掌位论文 于其工艺开发( 沉管桩或灌注桩即挤密桩或非挤密桩) 、应用的历史尚短，对其 变形及承载特性还缺乏系统的研究，因此，为了使这新的地基加固技术得以更 好的推广应用，除了在施工技术上加强质量控s d = p 段外，更重要的是加强设计 理论的研究工作，尤其是对桩体模量变化对桩的承载力、沉降特性及荷载传递 规律等的影响研究具有重要的意义。 第二节粉煤灰砼桩复合地基的研究现状 一粉煤灰砼桩复合地基承载特性的研究现状 对于粉煤灰砼桩复合地基来说，重要的不只是控制它的沉降量的大小，确 定它的承载力大小也是工程设计实践中需要考虑的一个重要方面，而复合地基 承载力的确定又有赖于对复合地基中桩体本身对荷载的传递规律及桩周围土体 中应力分布规律的约束，由于粉煤灰砼桩是一种新型桩，开发的比较晚，对该 种复合地基进行研究的文献较少，从已有的文献来看，主要有三篇文献”8 i 【l 9 】h 6 l 对此有过研究，现综述如下： 1 挤密土粉煤灰桩复合地基的承载特性 由于粉煤灰桩不同于一般的柔性桩，具有较大的刚度，单桩受压时的应力 大于桩土共同承压时的单桩应力，在一定范围内，桩承受的荷载由上而下逐渐 减弱( 递减) 。对于桩尖仍在软泥土层中，桩长1 0 m 的短桩，当桩土承受荷载 后，在基础底面附近大部分荷载由桩承受，亦即首先由桩侧摩阻力支撑上部荷 载，随着荷载的增加，摩阻力充分发挥后，桩尖刺入土中，部分荷载传给桩尖 挤密土，此时挤密土受力较大，产生压密现象，当挤密土压实到一定值时，桩 承受荷载又有所增加。桩侧摩阻力与桩尖阻的分配，在不同荷载下又不同，当 荷载较小时，摩阻力起着主要作用，摩阻力充分发挥后，桩端阻力所占比例才 逐渐增加，根据实测及计算，处于软土中的粉煤灰砼桩桩端阻力还不到总荷载 的1 0 ，并提出了承载力计算的经验公式： r = 3 6 2 8 h f d l 2 + 网( k p a ) 2 非挤密土粉煤灰砼桩复合地基的承载特性 沉降较小时，复合地基桩土应力比n 递增，士分担荷载比初始值较高。 随着沉降递增，沉降较大时，n 和值趋于一恒定值，荷载作用下，桩产生向 下位移，桩侧阻力不断发挥，桩端的刺入作用使端阻力不断发挥，该复合地基 的承载特性相似于群桩。 二关于复合地基设计理论的现状 对于粉煤灰复合地基基础特性的研究，由于对其沉降特性及荷载传递机理 认识还不够，目前在理论分析上尚无好的方法，而倾向于传统的剐性桩基础的 理论分析方法大都不能满足地说明问提，例如在沉降计算时将桩与桩间土看成 一个“等代实体基础”。将桩平面作为荷载的作用平面( 即认为上部结构的荷载 通过桩大部分传至桩端下卧层) ，用常规的分层综合法计算压缩层厚度范围内桩 端下卧层的压缩变形量作为桩基的沉降量1 4 2 。实践证明，这种不考虑桩对荷载 2 浙江大掌硕士学位论文 扩散作用的“等代实体基础”用于计算桩基的沉降量时，与实际情况有较大的 出入。即使对于刚性桩，若埋于软弱松土层中时，也回引起较大的误差，埋置 深度较大时尤其如此；对于变形模量较小的柔性桩用“分层总和法”计算的沉 降量往往比实测值要大很多瞰1 。偏大的原因是由于对桩基，特别是柔性桩基础 的荷载传递规律没有很好地了解之故，实际情况是，在上部结构荷载地作用下， 桩端所承受到的荷载不大，较大部分甚至绝大部分荷载都是由桩侧摩阻力传递 到周围土体中去，于上部结构的荷载部分传至桩端外的“等代实体基础”的观 点并不相符。此外，没有考虑基础地面桩间士对上部结构荷载的分担作用也是 造成计算值偏大的原因之字一。同时，对于柔性桩而言，由于桩体较软，在承 受荷载之后桩身的变形较“刚性”的普通混凝土桩的变形要大，这样，桩所承 受的荷载由于变形就会部分地转移到周围的原天然土地基中去。当桩长越长， 桩体越软时，桩对荷载的这种扩散作用越显著，即传至桩端下卧层的荷载越小， 下卧层的压缩变形也较小。 由上述分析可见，对于柔性桩( c s g ) 基础，用传统的计算刚性桩基础的 “等代实体基础法”或“分层总和法”来计算它的沉降量显然已不适用了，所 以，对于c s g 桩复合地基特性的研究，目前依然停留在依靠室内试验和现场试 验的阶段。 ( 一)试验方法的特点 室内试验是研究桩基特性的一个重要手段。但是，由于影响c s g 桩的荷载 一变形特性的因素很多，使得室内试验结果很不准确，如g i o s 等发现，传统的 室内试验( 如三轴实验) 测得的岩石模量往往比嵌岩桩基础实测资料反算的实 际模量要小许多，( g l o s & b r i g g s ，1 9 8 3 ) 此外，对其它的一些参数，如桩的轴 向荷载分布及传递机理，在模型桩试验与实际施工过程中桩的相应特性之间也 都会存在或大或小的差异，造成以上差异的原因在于室内试验或模型实验无法 完整地模拟实际工程中的荷载条件，因而确定桩的荷载一变形特性及承载力特 性的最可靠方法就是根据桩的现场实测( 试桩) 荷载试验来确定，因为现场测 量往往能反应上部结构刚度、土的性质乃至施工因素等对桩基特性的综合影响， 可以显示出部分因素的共同作用。 但是，现场实测试验往往即费时，从经济上也很不合理。因此，除了在试 验方法上加以改进，以节省成本外，有效的方法是根据少量( 有限) 的实测资 料去预测桩基的特性，在这个过程中，如果只有可靠的实测资料没有可靠的理 论分析方法，也不能正确地反映桩基的特性，因此，建立适合桩基特性分析的 理论方法也是桩基特性研究中的一个重要方面。 ( 二)理论分析方法 除试验方法研究桩基的沉降特性外，目前研究的最多的就是理论分析方法。 现有的桩基计算方法通常可分为四大类：即经验法( e m p i r i c a lm e t h o d s ) 、弹性理 论法( e l a s t i cs o l u t i o n s ) 、数值计算法( n u m e r i c a la n a l y s e s ) 和简化分析法( a p p r o x i m a t e a p p r o a c h e s ) 。下面分i i ：i i 以介绍。 1 经验法 早期的桩基沉降计算方法多为经验法，通常使问题过于简化，最早的方法 是认为荷载( 桩顶处) 直接以柔性基础的形式作用于桩端平面处，或是更保守 的认为荷载作用桩长的三分之二深处，随后建立了沙土中群桩沉降与单桩沉降 浙江大掌硬士学位。论，文 之间的纯经验关系式。( m e y e r h o f , 1 9 6 0 s k e m p t o n , 1 9 5 3 ) 。所有这些经验关系式 都是建立在现场试验或模型试验的基础上，并且仅考虑了群桩的几何特征。显 然这类方法不能真实地反映桩基的特性。 2 弹性理论法 弹性理论法即从有关的弹性理论出发，认为桩体本身是线弹性，而土是另 一种线弹性的三维空间，然后采用不同的处理方式来研究桩的特性。这种弹性 理论方法可分为两大类：一类是最先由s e e d 和r e e s e ( 1 9 6 7 ) ，k e z d i ( 1 9 5 7 ) ，t o u m s 和r e e s e ( 1 9 2 4 ) 等人发展起来的荷载传递函数法( l o a d t r a n s f e rm e t h o d ) 为代表的沉 降计算法；另一类是以p o u l o s 法为代表的积分方程法( i n t e g r a l e q u a t i o n m e t h o d ) 。 1 ) 传递函数法 传递函数法的基本点是把桩沿长度方向离散成若干线形单元，土体对单元 的反作用用独立的线形或非线形弹簧加以描述，所以某一点的侧摩阻力是假定 不影响它毗邻点的变形，即桩体任意点的变形只与该点的剪应力( 侧阻力) 有 关，与其它点的应力无关，这样，桩与桩之间的相互作用就无法考虑，所以， 该方法不能直接用于群桩的沉降计算，此外，由于传递函数中，桩和土体都假 定是弹性的，并以一维单元替代，所以，该法无法考虑几何尺寸的影响。 2 ) p o u l o s 法 p o u l o s 法是由p o u l o s 等人将m i n d l i n 解推广至群桩并逐步完善起来的，它 是以作为线弹性体的桩体插入在均质、各向同性线弹性介质( 土体) 中为出发 点，一旦反映弹性介质的参数e 。( 弹性模量) 和v ( 泊松比) 确定后，运用m i n d l i n 法求解以桩身位移等于相邻土体位移的相容条件所建立的静力平衡方程式，即 可求得桩得轴向位移( 包括沉降) 和侧摩阻力等。由于土体模拟为连续介质， 所以在一定程度上可以考虑桩与桩之间的相互作用，这样就避免了荷载传递法 中的不协调性。此外，p o u l o s 法中也可以考虑桩与土体之间的相对滑移的影响。 p o u l o s 法中，由于平衡方程中的位移影响系数i 需利用半空间体内作用有 点荷载的m i n d l i n 方程( m i n d l i n1 9 3 6 ) 的二重积分通过数值积分的方式求得， 且平衡方程本身为( n + 1 ) ( n + 1 ) 阶矩阵，因而整个计算工作量非常冗繁。另外， 该方法的局限性是对土体模量随深度变化较大的情形不能作出满意的解答，对 于土体模量随土体深度变化的情形，该方法的处理方式是，将所需要求算位移 的土体某一深度处的模量看成是某个深度处的平均模量来求得。如果沿深度方 向土体模量变化很大，或者桩长范围内某一深度处的模量有很大突破，则这种 分析方法就会与实际产生很大的出入。除此之外，p o u l o s 法中由于应用了m i n d l i n 方程，所以就意味着土体可以承受拉力，实际上绝大多数土体不能承受拉应力。 在计算桩群的沉降时，p o u l o s 法中是假定加荷过程中端阻力与侧阻力为常 数后，根据两端的相互作用因子叠加求得的。 3 数值计算方法 对于桩基特性的分析，较为成熟的数值计算方法有有限元法( f e m ) 、边界 元法( b e m ) 、混合法( h y b r i dm e t h o d s ) 等。 1 ) 有限单元法 4 浙江大掌硕士掌位论文 有限单元法是数值分析中较为成熟的一种离散方法，在桩基特性分析中被 广泛采用。有限元法不仅可以解决线弹性问题，而且也可以很方便地用于非线 性弹性问题的分析。 运用有限元法分析桩基问题的困难在于计算工作量大，对计算机容量要求 高，c p u 的运行时间长。此外，有限元法的局限性在于不能很好的考虑土体的 非均质性的影响。 为提高运算速度可采用在应力梯度较大的区域采用有限元离散，在应力梯 度较小的外围区域，采用无限元离散的有限元一无限元耦合方案，这样可以使 计算量有所减少。 2 ) 边界有限元法 边界有限元法也是数值方法中应用的较成熟的方法之一，也广泛应用于桩 基的特性分析中。边界元法亦称积分方程法，是把区域问题转化为边界问题而 求解的一种离散方法。由于该方法可使三维问题转化为二维问题，二维问题又 可转化为一维问题，因而可使问题的分析规模大大减小。 目前采用边界有限元法解决桩基计算问题时尚存在不少困难。首先是非线 性土介质区域的基本解难以寻求，其次是密集型布桩桩基要划分的子域太多， 因此边界面积与区域体积的比值太大，原则上不应在主要受力区内( 即在桩顶 到桩端的桩长范围内的区域) 采用边界元离散法方案。相反在次要受力区( 外 周线弹性区) 采用边界元离散法颇佳，此外，边界元方程的系数矩阵不具有稀 疏性，因此，尽管边界元法可以将高维问题转化为低维问题，其计算量仍然是 很大的。 根据有限元法适用于应力梯度较大的区域，边界元法适用于应力梯度较小 的区域的原理，采用有限元一边界元联合离散方案，可使计算量减少。但是， 有限元与边界元耦合的问题仍未得到很好的解决，这是制约该方法得到广泛应 用的一个重要因素。 根据上述分析方法，尽管有限元和边界元法是解决连续介质平衡问题的最 有效方法，但应用于桩基问题时仍又不少困难。 4 简化分析法 大型桩基础的设计总是面临着选择方法的问题，在设计时除了考虑方法本 身的实用性外，最重要的应该是正确反映桩基的特性。 桩基特性既受到桩体本身的力学特性、几何尺寸及上部结构布置方式的影 响，又受到土体特性的影响，尤其是土层分布特性、本构关系、物理力学指标、 固结过程等的影响。 由于桩基特性的复杂性，因此在桩基分析中采用将桩离散成若干结构单元 的精确方法有时是不恰当的，因为桩基础往往很大，应用精确方法时往往具有 这样或那样的限制条件，而比精确方法简单得多的近似方法( 简化分析法) 不 仅显得很合适，而且往往成为必要。简化分析方法尽管对某些次要的影响因素 进行了简化处理，但由于抓住了问题的主要特征，因此，从工程应用的角度来 看是可行的。此外，由于简化分析方法可使问题的分析规模大大减小，所以在 工程设计中得到了广泛的应用。 浙江大掌硕士学位论文 三复合地基设计方法现状 复合地基的设计分为承载力计算和沉降计算两部分进行，这种方法用得较 多，现简述如下。 1 复合地基承载力计算 比较常用的复合地基承载力计算方法有三种：被动土压力法、经验法、极 限平衡法。 1 ) 被动土压力法 w o n g u 1 9 7 5 ) 建议采用下式计算 = ( + 2 e k ，2 ( 4 5 + 争( 1 - - 1 ) 二 式中：k 。一桩周土的被动土压力系数； 一桩问土的上竖向荷载； i ( d 一桩体材料的被动土压力系数； c 。一土体不排水抗剪强度； 叩。一桩体材料的内摩擦角。 2 ) 极限平衡计算法 该法认为复合地基的破坏机理是：首先是被加固的土体进入极限平衡状态， 接着是桩体进入极限平衡状态，最后导致复合地基进入极限平衡状态，并由此 来分析复合地基的极限承载力。 p 。f _ p 。f 【1 + 1 1 1 ( 1 1 - 1 ) 】 p ，c n ( 1 + o 2 b l ) ( i + 0 2 d l ) 式中：p 。一桩间土的极限承载力； n 一桩土应力分配比； f l - 2 ) ( 1 - 3 ) m 一置换率( m = a 氏a p 一桩体面积，氏一对应的加固面积) ； c - - 土的十字板抗剪强度； n 一承载力因素： b 一基础宽度； d 一基础砌置深度； l 一基础长度。 3 ) 经验法 龚晓南先生认为复合地基中桩的实际极限承载力往往比单桩的极限承载力 大，复合地基中桩问土实际承载力与原天然地基的承载力有所不同，提出( 1 9 9 2 ) 了复合地基承载力计算的统一表达式。 p 矿k l 九l n l p p f + k 2 坂l m ) p 。 式中：p p f 一桩体极限承载力( k p a ) ； p s r 一天然地基极限承载力( k p a ) ； 6 浙江大攀硕士掌位论文 k ，一反映复合地基中桩体实际极限承载力的修正系数，其值与地基的土 质情况、成桩方法等因素有关，一般大于1 0 ； 磁一反映复合地基中桩间土实际极限承载力的修正系数，其值与地基的 土质情况、成桩方法等因素有关，可能大于1 0 ，也可能小于1 o ，视具体工程 而定； 九一桩体极限强度发挥度，即复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的 比例。若桩体先达到极限强度引起复合地基破坏，则k = 1 o ；若桩间土比桩 体土先达到极限强度，则九 1 8 。枷 表2 - 4 载荷试验承载力标准值 l 编号试桩类型标准承载力 压板直径 l l 单桩 9 0 i d q4 0 0 l 2 桩问十 1 1 8 k p a5 6 4 3 复合桩 2 5 0 k p a7 9 8 试验结果表明：经过处理后的复合地基承载能力有较大的提高，满足了设 计要求。同时计算结果与实测值比较接近，说明用该法计算合理。 三黄土地区粉煤灰砼桩复合地基承载特性分析 1 桩土应力比和土分担荷载比 根据荷载试验资料，绘出p s b 曲线，如图2 9 根据相同沉降所对应的 桩和桩间土承载力对比表2 5 。由表2 5 绘出黄土地区复合地基中桩土应力 比曲线及土分担荷载比曲线( 如图2 1 0 a 、b ) 。 表2 5 黄土地区复合地基中基底桩土应力比n 及土分担荷载比 p 2 18 6 78 251 1 61 3 l1 4 01 4 4s1 4 91 5 71 7 251 8 3 r k n 、 p p 1 43 04 86 08 81 0 01 0 71 0 9l l i1 1 41 1 71 2 2 ( k n ) p s781 51 92 252 52 83 l3 33 653 84 34 95 8 55 8 ( k n ) o p l l l52 3 893 8 2 l4 8 07 0 067 9 528 5 098 6 788 8 369 0 769 3 l59 7 13 ( k p a ) o ， 3 146 07 69 01 0 01 1 291 2 41 3 21 4 21 5 21 7 21 9 62 3 42 3 2 ( k p a ) n35 8450 35 366 2 664 264 86 1 458 45347 84238 ( ) 3 583 32 82 72 52 42 372 362 4 62 552 742 953 13 17 注：o 。一桩顶应力，o 。基底土应力，n _ o o 。，i = 三= l 1 0 0 桩土应力比n 由于粉煤灰砼桩的刚度比桩间土大得多，故通过载荷板传给桩土组成的复 合地基的外荷载在桩体发生集中，桩顶应力与荷载板下基底土应力之比n 称为 桩土应力比，由图2 一1 0 ( a ) 可看出，当旌加荷载不大时，桩土应力比随荷载的 增大而增大，当荷载超过一定值后，n 值不再随荷载的增加而增加，反而减小， 这说明桩侧土已由弹性变形阶段进入塑性变形阶段。也就是说荷载板下的基底 反力已由桩顶向基底土转移。由表2 5 可知，曲线的峰值点对应s b ：o 0 1 5 ， 浙江大掌司l 士掌位论文 这说明当s b = o 0 1 5 ，桩土应力比达到最大值，当s b o 0 1 5 时桩侧土逐渐进 入塑性状态，以至破坏。由表2 5 还可看出桩所分担的荷载最小为土的3 5 8 倍，最高达6 5 倍，因此在复合地基中桩分担的荷载占主要部分。 8 7 6 5 4 3 o5 01 1 2 p s p ( k n ) 图2 1 0 ( a ) 桩士应力比曲线 4 0 3 5 2 5 2 0 o4 08 01 2 01 6 02 0 0 p s p ( k n ) 图2 - 1 0 ( b ) 土分担荷载比曲线 土分担荷载比e ： 土分担荷载比即土承受的荷载占施加于复合地基的外荷载的百分数。由图 2 - 1 0 b 可看出；当荷载较小时，基底土分担荷载比；值较大，荷载板下基底土 的分担作用较为显著，随着荷载的增加，值逐渐减小，但p s p 达到一定值后， 值不再减小，反而增加，这同样也说明当桩侧土达到塑性变形后，荷载板下 的基底反力已由桩顶向基底土转移、基底土分担荷载的作用又得到发挥。由表 2 5 可知，土在初始阶段所分担的荷载是3 5 8 ，最小是2 3 6 ，因此该复合地 基中土分担的荷载占总荷载的1 3 - i 4 。 2 黄土地区复合地基中粉煤灰砼桩复合地基受力特性及破坏机理分析 图2 8 可知，黄土地区粉煤灰硷复合地基中单桩、桩问士和复合桩的受力 特性分三各阶段：即i 弹性变形阶段、i i 弹塑性变形阶段和i 破坏阶段。 弹性变形阶段：当外荷载较小时，湿陷性黄土地区粉煤灰砼桩复合地基 的变形主要是桩和桩间土的弹性变形。 弹塑性变形阶段：随着外荷载的增加，桩问土首先进入弹塑性变形阶段， 而桩还处于弹性变形阶段，如图2 8 。当外荷载大于桩侧土的临塑荷载后， 上部桩侧土发生塑性变形，内力重分布后，应力向桩和桩间土转移，因 此桩和桩间土的塑性变形不断扩大。由于应力的传递是通过桩自上而下， 从大到小。随着外荷载进一步增加，下层应力增大，当达到下层土的临 塑荷载时，下层的桩侧土和桩间土发生塑性变形，逐渐向下发展，直至 整个桩侧士和桩间土发生塑性变形。同时，桩的刺入作用使端阻力不断 发挥。 破坏阶段：随着外荷载的继续增加，桩侧土完全达到塑性变形，继续增 加的荷载向桩间土转移。当达到桩间土的极限荷载后，荷载不变，变形 急剧增大，粉煤灰砼桩发生刺入破坏，地基完全丧失稳定性。 黄土地区粉煤灰砼桩复合地基的破坏机理既不同于天然地基又不同于 一般的桩基，这明显地表现在粉煤灰砼桩与挤密土的共同工作特性，完全 1 6 浙江大学硕士学位论文 符合复合地基的受力状态。由上可分析其破坏机理如下： a 粉煤灰砼桩复合地基由于桩体的弹性模量较高，它与桩间土共同工作， 一般不发生因桩身强度不足而造成剪切破坏。 b 黄土地区粉煤灰砼桩复合地基的破坏形态主要是桩侧土达到塑性变形后， 桩体受力失去平衡而发生刺入破坏。 因此，黄土地区粉煤灰砼桩复合地基的破坏既不同于碎石桩复合地基的剪 切破坏，也不同于钢筋砼桩基桩端土的破坏。 3 湿陷性黄土地区非挤密土复合地基与挤密土复合地基受力特性的区别 前人研究表明“：对非挤密土复合地基，当沉降较小时，r l 增大，减小； 当沉降达到一定值后，n 和均趋于定值( 如图2 一l l a 、b ) 。 笔者通过分析挤密土复合地基认为( 如图2 - 1 2 a 、b ) ：土挤密后，在复合地基中的作 用增大，在沉降较小内，由于挤密土的作用，n 逐渐增大，逐渐减小，在沉降达到一定 值后，由于土经过挤密后，强度增加，；逐步递增，n 也随沉降逐步递减。因此，湿陷性 黄土地区非挤密土与挤密土复合地基的受力特性的主要差异是在沉降后期挤密土分担的荷 载要比非挤密土大。 s f m m ) 图2 - il ( a ) 非挤密土复合地基桩土应力 比与沉降关系曲线 0481 21 62 0 s ( m m ) 图2 1 2 ( a ) 挤密土复合地基应力比与 沉降关系曲线 4 0 3 5 邑3 0 蚶 2 5 2 0 051 01 52 02 53 03 54 0 s ( m m l 图2 - 11 ( b ) 非挤密土复合地基士分担荷 载比与沉降关系曲线 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 0481 21 62 0 s ( n ) 图2 1 2 ( b ) 挤密土复合地基土分担荷载 比与沉降关系曲线 浙江大学硕士掌位论文 第三章挤密黄土力学特性的试验研究 本文拟通过室内三轴试验来探讨挤密黄土的力学特性，建立挤密黄土的本构 关系，为有限元数值分析提供计算参数，以便对复合地基的承载特性进行更深 一步的研究。 第一节试验简况 一土样来源及基本物理指标 试验土样取自西安东郊高新技术开发区厂房地基。该地基具有湿陷性，要求 通过处理消除其湿陷性，经比较决定用粉煤灰砼桩挤密法处理地基。挤密桩采 用梅花型布置，桩长约8 1 5 m ( 即入土深度) ，桩径为0 4 m ，具体平面尺寸如图 3 1 。 该厂房8 层，均为框架结构，建筑面积2 7 0 0 m 2 ，设计载荷1 8 0 k p a ，实际地 基承载力为1 5 0 k p a - - 1 8 0 k p a 。 勘探表明，厂房所在地地质剖面与桩体位置如图3 2 。 旌工中挖除杂填土层，第二层及第三层部分土共3 5 m 。将基础置于第三层 壹鼙，3 长e i - 。q 竺 图3 一l 粉煤灰砼桩平面布置图 v o 0 i 耕地v 一0 5 l i 黄土( 1 ) q 4 望! 塑堕整主望! ! 鱼：里二! ：! 粉质粘士( 2 ) 2 。1 v 一1 0 3 v 古土壤( 4 ) q 3 酬 甲一1 4 5 粉质粘土( 5 ) q 3 ”1 甲一1 7 o 图 - 2 地质剖面与桩体位置图 土上，各层土地质情况见表3 一l ，基本物理指标见表3 2 和表3 3 。 1 8 浙江大掌硕士掌位论文 3 1 厂房地基地质情况 r 层符号 ( 】) q 4 删黄士( 2 ) q 3 “黄土( 2 hq 3 “黄土 ( 4 ) q 岬( 5 ) q 3 ”1 十层名称状粉质粘土状粉质粘士状粉质粘土 占七壤粉质粘十 厚度( m ) o 4 2 83 7 - 5 43 8 5 5 3 8 5 1 状态硬塑硬塑硬塑可塑 密度 稍密一中密 稍密 稍密一中密 中密密实 湿度稍湿稍湿稍湿湿很湿一饱和 压缩性中压缩性高压缩性中压缩性中压缩性 压缩系数 0 1 40 5 50 2 60 2 50 2 3 a 2 ( m p a _ 1 ) 压缩模量 6 5 l5 5 l1 0 0 98 9 71 0 1 4 e ( m p a ) 湿陷性具湿陷性强湿陷性强湿陷性弱湿陷性 湿陷系数 0 0 2 90 0 7 50 0 4 0 0 0 3 b 含水量 1 6 32 2 52 5 72 9 33 0 9 山( ) 容重 1 7 3 81 6 o o1 6 3 51 9 81 8 7 删m 3 ) 干容重 1 4 9 31 3 5 81 3 4 51 6 4 r d ( 小m a ) 饱和度 5 55 16 i9 29 3 s ) 孔隙比e 0 8 2 7i 3 5 41 2 1 30 9 9 2 ud 0 4 50 4 20 4 40 4 3 表 - 2 地基各层土基本物理性质指标 粒径范围( 舢n ) 编深名称i p0 2 5 - 0 0 7 50 0 7 5 0 0 5o 0 5 - o 0 l0 0 1 0 0 0 5 o ，o o 9 2 ( x ) = h h 0 9 3 ( x ) = 1 1 r i m a ，+ 0 5 5 ( 1 一朋) 矗i p 0 g 。( x ) = 1 1 i + ( h 1 5 ) u 一1 0 ) 一匕一只0 9 5 ( x ) = 一s s 2 0 其中：o x l o 97 o x 2 d ( 7 o m 为湿陷土层厚度，h 由 施工机具决定) 需要说明的是：按上述方法得到的只是理论上的最优解，经过适当的 尺寸调整后，得到实际工程采用的实用解( 近似解) ，它不仅适用于旌工而且与 最优解接近。 第三节优化设计方法 一优化设计方法： 优化设计的方法很多，根据有无约束可按下列不同方法优化 优 化 方 法 二复合形法 本文，( 墨，x ：) ，g ( 置，j ，2 ) 是关于( ) ( - ，x 2 ) 的方程不超过二次，对于此解 法听 磁姚坷法耔腻僦一僦蝴臣 浙江大掌硕士掌位论文 的约束极小化问题，各类算法一般均有效，本文选用非线性规划中的复合形法。 1 基本思想 本方法是在非线性约束的n 维设计空间内，取2n 个顶点构成复合形，然 后对复合形的各个顶点函数值逐一进行比较，不断地丢掉函数值最差的顶点， 代之以使目标函数值有所降低又能满足约束条件的新点，以逐步逼近到最优点。 在可行域内人为地选定一个顶点再随机产生复合形的其它2 n - 1 个顶点。 z y = 口，+ 科力( 6 ，一a 。) i = 1 ，2 ，刀 ，= 1 , 2 ，- ，2 n 其中：x l o ) 一为第j 个顶点的第i 维分量； 巩，b i 为a i 的上下界线； q ，o 为均匀分布在【0 ，1 】区间上的伪随机数 这些顶点都满足边界条件，但不一定满足不等式的约束条件。因此，在产生 过程中，必须逐个检查是否在可行域中。并使之成为可行点。假设已经有s 个 点 x “，x 2 ，x8 1 ( s 1 ) 满足约束条件，则可以先求这些点构成的点集中 心 j ：土争z s 智 如果现在遇到第s + 1 个顶点后满足不等式约束条件，则将x ( “沿x ( “ 与牙5 1 的联线向中心点牙( 5 缩小一半，即 x = 牙。+ o 5 ( x 一牙。1 然后再次检查新点j 。“是否满足约束条件。如果仍不满足，则在沿原方向朝 牙耵点再缩小一半距离。如此重复一直到x ( “1 点成为可行点为止。按同样的方 法，对剩下的点逐个进行调整使全部2 n 个顶点都成为可行点为止。 2 复合形方法及迭代步骤 ( 1 ) 、构成复合形 形成以xn ，x 。，x 湎为顶点的复合形，计算各顶点的函数值 f ( x ，) ( _ ，= 1 , 2 ，2 n ) ，再比较各顶点的函数值，找出最坏点x 伪和最好点) ( ( n ， 即有： f ( x 6 ) = m a x f x 7 1 1 j 2 n f ( x c o ) = n f i n f x 。)1 j 2 n 4 7 浙江大掌司l 士掌位论文 转入收敛准则。 ( 2 ) 、寻求映象点： 计算去掉最坏点x n 的其余各项点中心点牙o f ) = 击2 n1 善一、一智 j h 同时检查牙( o 是否为可行点。如果j o 是可行点，选择一个映射系数a ( a 2 d ， 本程序取a = 1 3 ，由最坏点通过j 作a 倍的映射，便得映象点) ( 【” x 。= 牙o + 口( 牙一“) 然后转入第( 3 ) 步。 如果j ( 是不可行点，可按两种方法进行调整。第一种以) ( ( 1 为起点， x ( 为端点的超立方体中，重新利用伪随机数产生新复合形的各个顶点，即 口，= x ；n6 = x ； i = 1 , 2 ，一，疗 然后转向第( 1 ) 步，第二种是直接选出最好点作为最优解输出。 ( 3 ) 、检查映象点的可行性 如果) ( ( ”是可行点，转入第( 4 ) 步 如果) c 【o 是不可行点，可以将映射系数a 改取其半，即( = 兰) ，一 2 直到) ( ( ”成为可行点为止，然后转入第( 4 ) 步。 ( 4 ) 、比较映象点与最坏点的目标函数值 计算映象点) c 【o 的目标函数值x ( 1 并与最坏点的目标函数值坟) ( ( ”) 相 比较，如果) ( ( ”比) ( ( 吣点好，即目) ( ( 1 f ( x n b a p 以x 枷代替) ( ( 劬构成新复合形，转 入第( 2 ) 步，否则将步长缩短以兰代替原来的a ，得一新点，并计算新点的函 z 数值。如新点比) ( 【l l 点好，则以新点代替x 咖转回第( 2 ) 步，如果仍无改进， 则再将a 值不断减小一半，直到a 值小于一个预先给定的很小正数 ，如果这 时目标函数仍无改进，可按两个方法进行：第一种方法找出次坏点) ( ( 蛳 f ( x “) = m a x f ( x 力) )l j 2 n j h 并以) ( 【啪代替最坏点x 咖然后寻求新的映象点即转回第( 3 ) 步，也可以用第二 种方法，即以最好点作最优解输出。 浙江大学硕士掌位论文 3 收敛准则 如果复合形诸顶点的函数值满足 r1n下2 l 去否o “) ) 一f ( x t j ) ”2l “ ( 占是一个给定的一个