（岩土工程专业论文）pcc桩复合地基褥垫层特性足尺模型试验研究与分析.pdf

摘要摘要褥垫层是p c c 桩复合地基的重要组成部分，在复合地基中起到了保证桩土共同承担荷载、调整桩土荷载分担比例的作用。根据p c c 桩系列研究的进展以及复合地基褥垫层的研究现状和存在的问题，本文针对p c c 桩复合地基的褥垫层通过试验研究、数值模拟以及理论分析等方法进行了较为系统的研究。通过足尺模型试验研究了刚性基础下p c c 桩复合地基的荷载传递机理，并通过设置不同性质的褥垫层分析了其对p c c 桩复合地基荷载传递的影响；通过分析现场试验及数值模拟的结果，研究了路堤下褥垫层在复合地基中作用及其影响，并以此为基础从理论上分析了路堤填土与褥垫层的共同作用，进而得出了路堤等柔性基础下p c c 桩复合地基的沉降计算方法。本文主要结论如下：( 1 ) 开发了大型桩基模型试验系统，为足尺模型试验的开展提供了保证。该系统主要包括：模型槽系统、加载系统、量测系统及试验用土料和模型桩体。提出了使用该模型系统进行试验时的操作步骤和试验准备工作。( 2 ) 利用该试验系统进行了p c c 单桩竖向静压试验，验证了使用本系统进行足尺模型试验的可行性，得到了p c c 桩侧摩阻力等的分布规律和承载力各组成部分的发挥情况，并详细阐述了其荷载传递机理。( 3 ) 以大型桩基模型试验系统为依托，进行了p c c 单桩复合地基竖向静压足尺模型试验，详细研究了p c c 桩复合地基的荷载传递规律。在p c c 桩复合地基中，桩芯土压力和内摩阻力都沿桩长向下呈指数形式递增。随着外荷载的增加，它们也都是增大的。( 4 ) 褥垫层厚度对比试验表明：对于同一种褥垫层而言，在相同荷载作用下，随着褥垫层厚度的增加，加载板沉降是增大的，而桩土应力比、桩身各处轴力、桩芯土压力和内摩阻力都是减小的。通过桩体传递的荷载比例也随着褥垫层厚度的增加而减小，其中通过负摩阻力传递的荷载比例是增大的，但仍然以桩顶直接作用这种途径为主向桩体传递荷载。( 5 ) 褥垫层加筋材料层数对比试验表明：对于厚度相同的褥垫层而言，在相同的荷载下，随着加筋材料层数的增加，从无筋到单层加筋再到双层加筋，加载板沉降量是减小的，但桩土应力比、桩身各处轴力、桩芯土压力和内摩阻力都是增大的。此外，通过桩顶直接传递给桩体的荷载比例是逐渐增加的，而由负摩阻力传递给桩体的荷载却是在减小，通过这两条途径所传递给桩体的总荷载比例是增大的，桩体同样起到了主要荷载传递的作用。摘要( 6 ) 通过分析现场试验数据表明：采用6 0 c m 厚的灰土垫层比5 0 c m 厚的碎石垫层更有利于减小桩土差异沉降、提高桩土应力比；加筋材料不同的预张拉程度导致桩土应力比出现了前期增长和后期增长两种模式：增大加筋材料的预张拉程度对减小地基土的水平位移是有利的，可以增加路堤的稳定性。( 7 ) 通过有限元对路堤下p c c 桩复合地基进行了数值模拟，结果显示，加筋褥垫层通过影响路堤填土拱效应以及垫层刚性承台效应等，对桩土应力调整的过程和结果都有影响，详细分析了加筋褥垫层特性变化( 包括：褥垫层模量、厚度、褥垫层材料抗剪强度、加筋材料抗拉强度以及加筋材料铺设层数和位置) 对复合地基荷载传递规律( 如：桩土应力调整、地基沉降、路堤表面沉降、路堤填土等沉面高度以及桩土差异沉降) 的影响。( 8 ) 根据路堤填土拱效应以及加筋褥垫层刚性承台效应等荷载传递机理，对路堤填土进行了受力平衡分析，从理论上分析了填土的土拱效应，同时结合p c c 桩复合地基加筋路堤的实际情况，分别以弹性薄板小挠度理论和大挠度理论为基础对加筋褥垫层进行了理论分析，然后根据填土底面与褥垫层项面变形协调的条件，对加筋褥垫层和填土理论分析所得方程进行了求解，提出了桩土应力比及差异沉降等的计算方法。( 9 ) 在路堤填土与加筋褥垫层共同作用分析的基础上，进一步对复合地基加固区p c c 桩体、桩周土体以及桩芯土体进行了受力分析，得出了路堤下考虑土拱效应和褥垫层刚性承台效应的p c c 桩复合地基沉降计算方法。利用该方法还可以对桩体下刺量等进行计算。关键词：现浇混凝土大直径管桩：褥垫层：复合地基；足尺模型试验；基础刚度；刚性承台效应；土拱效应；沉降i va b s t r a c tc u s h i o ni so n eo ft h ek e yp a r t so fp c cp i l ec o m p o s i t ef b u n d a t i o n ，w h i c hi st om a k et h ep ea n ds o i ic o w o r kt o g e t h e ra n da d i u s tt h ed i s t r i b u t i o no fl o a d sb e t w e e np j l ea n ds o i i a c c o r d i n gt 0t h ep r o b i e m so ft h ep c cp i i ea n dc u s h i o ni np 陷c t c e ，as y s t e m a t i cr e s e a r c hh a s b e e nm a d eb ye x p e r i m e n t ，n u m e r i c a is i m u i a “o na n dt h e o r e t i c a lc a l c u i a t i o n b a s e do nt h ef u i l s c a i em o d e it e s t t h e1 0 a dt r a n s f e rm e c h a n i s mo fp a cp | ec o m p o s t ef o u n d a “o na n dt h ei n f i u e n c eo fc u s h i o no ni tu n d e rr g i db a s eh a v eb e e ns t u d i e d v v i t ht h er e s u l t so b t a i n e df i o mt e s ti n s t ua n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e1 0 a dt r a n s f e rm e c h a n i s m0 fp o cp ec o m p o s i t ef o u n d a t 0 na n dt h ei n 订u e n c eo fc u s h i o no ni tu n d e r 们e i b i eb a s eh a v ea i s 0b e e ns t u d i e d f i n a y t h ec 0 一w o r k0 fe m b a n k m e n tf i sa n dc u s h i o nh a sb e e nm a d ea n dan e wc a i c u i a t i o nm e t h o do ft h es e t t i e m e n to fp c ：cp i i e s u p p o n e dr o a de m b a n k m e n th a sa i s 0b e e np r o p o s e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e a sf o o w s ：( 1 )an e wi a r g es c a i ep i i ef b u n d a t i o nm o d e it e s ts y s t e mh a sb e e nd e v e i o p e di n d e p e n d e n t i y ，w h i c hm a k e si tp o s s j b l et 0m a k ef u 一s c a i em o d e it e s ti ni a b o r a t o 吖t h em o d e lt e s ts y s t e mi sc o n s j s t i n go fi a bf i e i ds y s t e m ，l o a d i n gs y s t e m ，m e a s ur n gs y s 乜e m ，s o i i sa n dp i i e s t h eo p e r a t i o np r o c e d u r ea n de x p er m e n tp r l e p a r a t i o nh a v eb e e nd e s cr b e di nd e t a i l s ，w h i c hi sh e i p f u if o rt h ef u t ur ee x p e r i m e n tw i t ht hi st e s ts y s t e m ( 2 )w _ t ht h i sm o d e it e s ts y s t e m ，t h ei o a dt e s to ns i n g i ep c cp i i eh a sb e e nd o n e ，w h i c hi sp r o v e dt om a k ef u s c a f em o d e lt e s ti nt h el a b o r a t o e c e p tf o rt h ev e r i f i c a t o no ff e a s b i i 饥t h ei o a d t r a n s f e rm e c h a n i s mo fp c cp i i eh a sa i s ob e e ns t u d i e d ，s u c ha st h ed i s t r i b u t i o no fi n n e rf r i c t j o no fp c ：cp i i ea n dt h er a t i oo fe v e 吖c o m p o n e n tp a r to fb e ar n gc a p a c i m( 3 ) w i t ht h i sm o d e ii e s ts y s t e m ，t h ef u 一s c a i ei o a dt e s to ns i n g i ep c cp i i ec o m p o s i t ef b u n d a t o nh a sa i s ob e e nm a d e ，a n dt h ei o a dt r a n s f 色rm e c h a n i s mo ft h ec o n l p o s j t ef o u n d a t i o nh a sb e e nd i s c u s s e d t h et e s tr e s u i t ss h o wt h a tt h ei n n e rs o p r e s s u r ea n df r j c t i o na r ea p p r o x i m a t i v e i yd i s t r i b u t e di ne x p o n e n t i a if b r m ( 4 )a c c o r d i n gt ot h es i m u i t a n e o u st e s to nc u s h i o nt h i c k n e s s ，w i t ht h ei n c r e a s eo fc u s h i o nt h i c k n e s s ，t h es e t t i e m e n ti si n c r e a s e d ：a n dm e a n w h i l e ，t h ep j l e s o s t r e s sr a t i 0 ，p i i ea i a ls t r e s s ，l n n e rs 0 p r e s s u r ea n di n n e rf r i c t i o na r ea i id e c r e a s e d ( 5 )a c c o r d i n gt ot h es j m u l t a n e o u st e s to ni a y e rn u m b e r so f 陀i n f o r c e m e n ti nvc u s h i o n 。w i t ht h ei n c 陀a s eo fi a y e rn u m b e r so f伧i n f o r c e m e n t ，t h es e t t i e m e n tj sd e c r e a s e d ：a n dm e a n w h e ，t h ep i l e s o s t 陀s sr a t i o ，p ea x i a ls t 陀s s ，i n n e rs 0 p 伧s s u 怜a n di n n e rf r i c t i o na r ea i n c 陀a s e d p ei ss t 1 it h em a i np a s s a g ef or i o a dt r a n s f e ri nf o u n d a t i o n ( 6 )a c c o r d i n gt ot h ea n a i y s i so nf i e l dt e s td a t a ，t h e6 0 c mi i m es o i ic u s h i o ni sm o 陀e f f e c t i v et h a n5 0 c mg 陷v e ic u s h i o nt 0r e d u c et h ep e s o d i 仟e r e n ts e t t i e m e n ta n di n c r e a s et h ep i i e s o s t r e s s 陷t i o t h ed i f f b r e n tp r e t e n s i o n so f 怜i n f o r c e m e n tw i e a dt ot h ed i 何e r e n td e v e i o p i n gm o d eo fp | e - s o i is t 他s sr a t i o ，a n dt h ei n c 陀a s eo fp r e t e n s i o n0 fr e i n f o r c e m e n ti sb e n e f i tt or e d u c et h el a t e 陷ld i s p l a c e m e n t0 fe m b a n k m e n t ( 7 )t h en u m e r i c a la n a i y s i ss h o w st h a tt h ec u s h i o nu n d e rr o a de m b a n k m e n th a se f f b c to nt h ep r o c e s sa n dr e s u l to fa d i u s t r t l e n to fp i i ea n ds o i i - s o m ei n d e x e sh a v e b e e ni n t r d d u c e dt 0d e s c r i b et h es o i ia r c h i n ge f 伦c t0 fe m b a n k m e n ta n dr g i dp l a t f b r me f f 色c t0 fc u s h i o n a n dt h ei n f i u e n c e so fc u s h i o nc h a r a c t e r s ，s u c ha sc u s h i o nm o d u l u s ，c u s h i o nt h i c k n e s s ，s h e a rr e s i s t a n c eo fc u s h i o n ，t e n s i i es t r e n g t ho fr e i n f o r c e m e n ta n da r r a n g e m e n t0 fr e i n f o r c e m e n t 。0 nt h el o a dt r a n s f e rm e c h a n i s m0 fp o cp ec o m p o s i t ef b u n d a t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e d ( 8 )b a s e do nt h em e c h a n i s mo fe i a s t l c i mt h es o i la r c h i n ge 仟色c to fe m b a n k m e n tf i sa n dr g i dp l a “o r me f f b c t0 fc u s h i o nh a v eb e e na n a i y z e ds e p a r a t e l y v v i t ht h ec o n d i t o n0 fd e f b r m a t j o nc o m p a t i b i l t yb e t 、e e ne m b a n k m e n ta n dc u s h i o n ，t h ee q u a t i o n so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s e sa r es 0 i v e d( 9 )a c c o r d l n gt ot h ea n a l y s i so ne m b a n k m e n t - c u s h i o nc o - v v o r kc a i c u i a t i o n ，w h i c hi sr e f e r r e da b o v e 。t h em e c h a n i c a ia n a l v s e sh a v eb e e nm a d eo np ( ：cp i l ea n ds o i i sa r o u n dp j i e ，a n dan e wc a i c u i a t i o nm e t h o do ft h es e t t l e m e n t0 fp c cp i i ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sb e e np r o p o s e d ，w h l c hc a nc a l c u l a t et h ep e n e t r a t i o n0 fp i l ei n t ot h eu n d er i y i n gs t r a t u m k e yw o r d s ：p c cp i i e ：c u s h i o n ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ：f t j s c a i em o d e it e s t ：s t i 仃n e s so f b a s e ：s t j 仟e n e dp i a 廿b r me 仟e c t ：s 0 i ia r c h i n ge 仟e c t ：s e t t l e m e n t前言* 士翮舌随着国民经济的发展，我国基础建设正在如火如荼地进行，复合地基因其良好的处理效果在道路、桥梁、工民建等工程的地基处理中得到了较为广泛的应用，这也给复合地基技术的发展提供了一次良好的契机。复合地基主要由加强体( 桩体) 、土体以及褥垫层构成。为了使复合地基能得到更为广泛的应用、满足不同的工程需要，并提高工程材料的利用率，现浇混凝土大直径管桩( p c c 桩) 就被开发了出来并已成功应用到复合地基中。p c c 桩是由河海大学岩土工程研究所在广泛工程实践的基础上自主开发研制的新桩型，已经获得了多项国家专利，并通过了江苏省科技厅组织的专家鉴定，成为江苏省工程建设推荐性技术。p c c 桩成桩时特有的模板支护、振捣和挤密作用以及采用的环形截面设计，使其具有可靠的工程性和良好的经济性。目前p c c 桩复合地基已经在江苏、浙江、上海、天津、湖南等省市的高等级公路、市政工程、桥梁工程以及工民建工程中得到了成功的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。刘汉龙教授所领衔的课题组通过现场试验、室内试验、理论分析、数值模拟等多种方法对p c c 桩及其复合地基开展了系统深入的研究，取得了丰硕的成果。研究主要涉及：加固效果及工作机理、沉桩挤土效应、施工工艺、质量检测、水平承载特性、桩体材料性能及动力特性等。在已经开展的p c c 桩复合地基研究中，几乎都是以桩体和土体为主要研究对象，对褥垫层这一人造结构研究较少，但褥垫层在复合地基中却发挥着保证桩土共同承担荷载、协调桩土荷载分担等重要作用。因此，本文以p c c 桩复合地基中的褥垫层为研究对象，通过足尺模型试验、数值模拟以及理论分析等方法对其进行了较为系统的研究，取得了以下创新性成果：( 1 )开发了大型桩基模型试验系统，该系统主要由模型槽、加载系统、量测系统及试验土料和模型桩体组成。通过p c c 单桩竖向静压试验验证了利用该模型系统进行足尺模型试验的可行性，并提出了使用该系统进行试验时的操作步骤。( 第2 章)( 2 ) 进行了不同褥垫层下p c c 单桩复合地基足尺模型对比试验，得出了刚性基础下褥垫层厚度及加筋材料层数变化对复合地基荷载传递特性的影响规律。随着褥垫层厚度的减小或者加筋材料层数的增加，加载板沉降减小，而桩土应力比、桩身各处轴力、桩芯土压力和内摩阻力都是增大的；另外桩体在复合地基中始终起到主要传递荷载通道的作用。( 第3 章)( 3 ) 通过有限元数值模拟，揭示了路堤下加筋褥垫层在p c c 桩复合地基中的作用机理，得到了加筋褥垫层特性变化对复合地基荷载传递特性的影响规律。在路前言堤等柔性基础下，随着褥垫层材料模量、厚度、抗剪强度的增加或者加筋材料抗拉强度、铺设层数的增加以及铺设位置的降低，路堤填土拱效应遭到削弱，而褥垫层刚性承台效应得到增强，桩土应力比是增大的，路堤等沉面的高度及路堤沉降等都是减小的。( 第4 章)( 4 ) 提出了考虑路堤土拱效应和褥垫层刚性承台效应的p c c 桩复合地基沉降计算方法。首先分别基于力学平衡分析和弹性薄板理论对路堤填土拱效和加筋褥垫层刚性承台效应进行了研究，并根据填土底面与褥垫层顶面变形协调的关系，对填土褥垫层共同作用进行了分析；然后进一步对复合地基加固区的p c c 桩体、桩周土以及桩芯土进行了受力分析，提出了柔性基础下p c c 桩复合地基的沉降计算方法。( 第5 章)图表目录图表目录图1 1 刚性桩复合地基示意图2图1 2p c c 桩施工流程示意图5图1 3 现场浇筑的p c c 桩5图1 4 路堤下复合地基工作机理示意图1 2图1 5 研究技术路线图1 7图2 1 建设中的模型试验系统2 2图2 2 建成后的模型试验系统2 2图2 3 试验场所全景图2 3图2 - 4 模型槽立面设计图2 3图2 5 模型槽混凝土支撑2 3图2 6 模型槽预留门洞及闸门。2 4图2 7 模型槽观察窗2 4图2 8 液压千斤顶2 5图2 9 加载系统数显设备及保压装置2 5图2 1 0 频率调节器2 5图2 1 1 加载系统反力架2 6图2 一1 2 传力槽钢2 6图2 1 3p c c 单桩静压试验示意图一2 8图2 1 4 试验实施流程图3 0图2 1 5p c c 模型桩制作方案对比3 l图2 一1 6 焊接钢筋应力计：3 2图2 1 7 焊接完成后的钢筋应力计3 2图2 1 8p c c 模型桩壁3 2图2 2 6 填土现场取样3 3图2 2 7 砂土颗分曲线3 4图2 2 8 土压力盒的埋设3 5图2 2 9 桩芯土的填筑3 5图2 3 0 桩芯土压力盒的埋设3 5图2 31p c c 模型桩桩头3 5图2 3 2 模型槽壁减阻措施3 5图2 3 3 模型槽土体孔隙水的排出。3 5图2 3 4p c c 模型桩小应变试验结果3 6图2 3 5c ”试验现场3 6图2 3 6c p t 试验结果3 6图2 3 7 单桩静压试验现场3 7图2 3 8 单桩试验加载板3 7x图表目录图2 3 9 百分表架设3 7图2 - 4 0p c c 模型单桩荷载沉降曲线3 8图2 - 4 l 桩顶处桩土沉降3 8图2 - 4 2 现场实测p c c 桩荷载一沉降曲线3 8图2 - 4 3p c c 桩轴力分布图3 9图2 4 4p c c 桩芯土压力分布图。4 0图2 - 4 5 桩芯土压力随外荷载的变化4 0图2 - 4 6 桩侧摩阻力沿桩长的分布4 l图2 4 7p c c 桩内摩阻力分布图4 l图2 - 4 8 内外摩阻力及桩端阻力与桩体沉降的关系4 2图2 - 4 9 内外摩阻力及端阻力荷载分担比随加载级数的变化4 2图3 1 单桩复合地基静压试验示意图一4 6图3 2 碎石颗分曲线4 8图3 3 碎石加筋褥垫层4 9图3 _ 4p c c 单桩复合地基试验现场4 9图3 5p c c 单桩复合地基，峪曲线5 0图3 6 各级荷载下的桩土应力比一5l图3 7 各级荷载下的桩间土压力51图3 8 各级荷载下的桩顶应力51图3 - 9 复合地基中p c c 桩身轴力分布5 2图3 1 0 桩体轴力与施加荷载的关系一5 3图3 1 l 桩侧摩阻力与施加荷载的关系5 3图3 1 2 桩芯土压力沿桩长方向的分布5 4图3 1 3 桩芯内摩阻力沿桩长方向的分布5 4图3 1 4p c c 桩复合地基荷载传递示意图5 6图3 一1 5p c c 桩复合地基荷载传递分担比例5 6图3 1 6 无筋褥垫层厚度变化对p s 曲线的影响5 7图3 1 7 单层加筋褥垫层厚度对p - s 曲线的影响。5 7图3 1 8 双层加筋褥垫层厚度变化对p s 曲线的影响一5 7图3 1 92 0 锄厚褥垫层加筋材料层数对p s 曲线的影响5 8图3 2 03 0 c m 厚褥垫层加筋材料层数对p s 曲线的影响一5 8图3 2 l 无筋褥垫层厚度变化对桩土应力比的影响5 9图3 2 2 单层加筋褥垫层厚度对桩土应力比的影响5 9图3 2 3 双层加筋褥垫层厚度变化对桩土应力比的影响5 9图3 2 42 0 c m 厚褥垫层加筋层数对桩土应力比的影响6 0图3 2 53 0 锄厚褥垫层加筋层数对桩土应力比的影响6 0图3 - 2 6 无筋褥垫层厚度对桩身轴力的影响6 l图3 2 7 单层加筋褥垫层厚度对桩身轴力的影响6 l图3 2 8 双层加筋褥垫层厚度变化对桩身轴力的影响6 1图3 2 92 0 c m 厚褥垫层加筋材料层数对桩身轴力的影响6 2图3 3 03 0 伽厚褥垫层加筋材料层数对桩身轴力的影响6 2图表目录图3 3 l 无筋褥垫层厚度变化对桩芯土压力的影响6 3图3 3 2 单层加筋褥垫层厚度变化对桩芯土压力的影响6 3图3 3 3 双层加筋褥垫层厚度变化对桩芯土压力变化的影响6 3图3 3 4 无筋褥垫层厚度变化对内摩阻力的影响6 3图3 3 5 单层加筋褥垫层厚度对内摩阻力的影响6 3图3 3 6 双层加筋褥垫层厚度变化对内摩阻力变化的影响6 4图3 3 72 0 c 研厚褥垫层加筋层数变化对桩芯土压力影响6 4图3 3 83 0 c 埘厚褥垫层加筋层数对桩芯土压力的影响6 4图3 3 92 0 佣厚褥垫层加筋层数变化对内摩阻力的影响6 5图3 4 03 0 册厚褥垫层加筋层数变化对内摩阻力的影响6 5图3 - 4 l 不同褥垫层对荷载传递比例的影响6 6图4 1p c c 桩复合地基构造示意图7 2图4 2 监测仪器布置图7 3图4 3 典型断面桩土沉降变化过程线( 1 ( 3 0 + 8 2 2 断面) 7 4图4 - 4 典型断面桩土差异沉降变化过程线( k 3 0 + 8 2 2 断面) 7 5图4 - 5 典型断面桩土应力变化过程线( k 3 0 + 8 2 2 断面) 7 5图缸6 各断面桩土应力比变化过程7 6图4 7 各断面表面水平位移变化过程7 6图4 8k 3 0 + 8 2 2 断面桩土差异沉降实测和计算过程线7 9图4 9k 3 0 + 8 2 2 断面桩土应力变化实测和计算过程线7 9图4 1 0 加筋褥垫层变形图8 0图4 1 l 应力矢量图8 0图4 1 2 褥垫层模量对应力集中的影响8 2图4 一1 3 褥垫层模量对相关效应的影响8 2图4 1 4 褥垫层模量对桩土应力比的影响8 3图4 1 5 褥垫层模量对地基沉降的影响8 4图4 1 6 褥垫层模量对填土等沉面的影响8 4图4 一1 7 褥垫层模量对路堤顶面沉降的影响8 4图4 1 8 褥垫层模量变化对桩土差异沉降的影响一8 5图4 1 9 褥垫层厚度对应力集中系数的影响8 6图4 2 0 褥垫层厚度对相关效应的影响8 6图4 - 2 1 褥垫层厚度对桩土应力比的影响8 6图4 2 2 褥垫层厚度对地基沉降的影响8 7图4 2 3 褥垫层厚度对等沉面的影响8 7图4 2 4 褥垫层厚度对路堤沉降的影响8 7图4 2 5 褥垫层厚度对桩土差异沉降的影响8 8图4 2 6 褥垫层粘聚力对应力集中系数的影响8 9图4 2 7 褥垫层粘聚力对相关效应的影响8 9图4 2 8 褥垫层粘聚力模量对桩土应力比的影响8 9图4 2 9 褥垫层粘聚力对地基沉降的影响9 0图4 3 0 褥垫层粘聚力对等沉面的影响9 01图表目录图4 3 l 褥垫层粘聚力对路堤沉降的影响9 0图4 3 2 褥垫层粘聚力对桩土差异沉降的影响9 1图4 3 3 褥垫层摩擦角对应力集中系数的影响9 2图4 3 4 褥垫层摩擦角对相关效应的影响9 2图4 3 5 褥垫层摩擦角对桩土应力比的影响9 2图4 3 6 褥垫层摩擦角对地基沉降的影响9 3图4 3 7 褥垫层摩擦角对等沉面的影响。9 3图4 3 8 褥垫层摩擦角对路堤沉降的影响9 3图4 3 9 褥垫层材料摩擦角对桩土差异沉降的影响9 4图4 4 0 加筋材料抗拉强度对应力集中系数的影响9 5图4 4 l 加筋材料抗拉强度对相关效应的影响9 5图4 4 2 加筋材料抗拉强度对桩土应力比的影响9 5图4 4 3 加筋材料抗拉强度对地基沉降的影响9 6图4 4 4 加筋材料抗拉强度对填土等沉面的影响9 6图4 - 4 5 加筋材料抗拉强度对路堤沉降的影响9 6图4 - 4 6 加筋材料抗拉强度对桩土差异沉降的影响9 7图4 - 4 7 加筋材料铺设对应力集中的影响9 8图4 - 4 8 加筋材料铺设对相关效应的影响9 8图4 - 4 9 加筋材料铺设对桩土应力比的影响9 9图4 - 5 0 加筋材料铺设对地基沉降的影响9 9图4 - 5 1 加筋材料铺设对填土等沉面的影响9 9图4 5 2 加筋材料铺设对路堤沉降的影响。1 0 0图4 5 3 加筋材料铺设对填土差异沉降的影响1 0 l图5 1 路堤分析简化模型1 0 5图5 2 褥垫层分析简化模型1 0 9图5 3 桩侧摩阻力与桩土相对位移关系1 1 8图5 - 4 桩体微单元受力分析1 1 8图5 5 桩侧摩阻力示意图1 2 0图5 - 6 应力扩散法1 2 3图5 7 等效实体法1 2 4瑚图表目录表1 1 国外桩承加筋垫层复合地基工程实例3表2 1 粘土基本物理指标3 4表2 2 控制密度下粘土物理力学指标3 4表2 3 砂土基本物理指标3 4表2 - 4 控制密度砂土物理力学指标3 4表3 1 土工格栅物理力学参数4 7表3 2 碎石物理力学性质指标4 8表4 1 场地地层分布7 l表4 2p c c 桩复合地基加筋褥垫层设计方案7 2表4 3 各断面最终的桩土差异沉降及桩土应力比。7 5表4 - 4 材料基本计算参数7 8表5 1 各断面最终的桩土差异沉降及桩土应力比1 0 8表5 2 计算结果与实测数据对比1 1 6表5 3 沉降计算结果对比1 2 4主要符号列表e 一不均匀系数p 荷载c 粘聚力c d 一拱脚应力集中系数岛一填土拱效应系数成一刚性承台效应系数日一填土高度最压缩模量口一桩项盖板边长墨一桩间距见一桩间土上填土竖向应力w 一薄板挠度d 一薄板的抗弯刚度 一加筋褥垫层厚度g 一作用在褥垫层上的荷载血一桩土差异沉降乓一桩体弹性模量4 一桩截面面积4 ，。删一桩周土面积足一水平侧压力系数主要符号列表c c 一曲率系数s 加载板沉降缈一内摩擦角e 。用一桩项应力集中系数见所一土拱效应与刚性承台效应综合7 一路堤填土容重尼一褥垫层重度蚝一静止侧压力系数皿等沉面高度p p 一桩顶填土竖向应力髟一填土变形模量七一桩间土弹性地基常数疋一加筋褥垫层变形模量一泊松比气一桩侧摩阻力极限值q 一土体剪切模量三一桩长u 一桩体截面周长4 血一桩芯土面积一竖向有效应力学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事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了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者( 签名) ：学位论文使用授权说明2 0 0 8 年月日河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。论文作者( 签名) ：2 0 0 8 年月日第l 章绪论1 1 前言第1 章绪论随着国民经济的发展，我国基础建设正在如火如荼地进行，原本一些不适合进行建设的场地现在也要进行开发利用，同时由于建设规模的不断增大对场地的要求也越来越高，因此地基处理及基础工程遇到了越来越严峻的考验和挑战。复合地基因其良好的处理效果在建设中得到了较为广泛的应用，这也给复合地基技术的发展提供了一次良好的契机。复合地基主要由加强体、土体以及褥垫层构成，其基本工作机理是发挥原有地基土体的承载力，使其与人造的加强体共同作用，人造加强体通常是指各种形式的桩体。通常在桩顶平面和上部基础之间设置的褥垫层是为了能保证桩间土体和桩体能共同承担荷载。从构造形式上看，复合地基与普通桩基础的重要区别就在于褥垫层的存在与否。褥垫层常用的材料有碎石、砂土以及灰土等，在褥垫层中设置一层或多层加筋材料后就形成了加筋褥垫层，加筋材料通常是土工格栅等土工合成材料。在复合地基的早期研究中，褥垫层并没有得到足够的重视，在目前的相关规范中在褥垫层部分仍然只是一些简单的构造性规定而已【l 】【2 1 。随着研究深入，褥垫层在复合地基中特殊而重要的作用正得到越来越多的关注【3 】：【，。复合地基 1 1 中最初使用的是桩体强度较小的柔性或半刚性桩体，如：碎石桩、水泥搅拌桩等。但近年来为了使复合地基能得到更为广泛的应用、满足不同的工程需要，很多本身强度较高的刚性桩被应用到复合地基中，形成各种刚性桩复合地基，如c f g 桩复合地基! 辫、p c c 桩复合地基等。现浇混凝土大直径管桩【1 5 】【1 6 】( 1 a r g ed i a m e t e rc a s t i n s i t uc o n c r e t ep i p ep i l e ，简称p c c 桩) 是由河海大学岩土所自行开发的一种新桩型，由于其可靠的工程性和良好的经济性，已经在江苏、上海、浙江、天津等省市的建设中得到应用。目前对p c c 桩已经开展了较为系统的研究【1 ! m 璺，但和其他复合地基一样，关于p c c 桩复合地基褥垫层的研究还没有系统开展。鉴于以上的考虑，本文针对p c c 桩复合地基中的褥垫层进行了较为系统的研究。本章首先对复合地基褥垫层及p c c 桩的研究现状进行了总结，归纳了目前已开展的研究中存在的不足和需要补充的内容，最后结合p c c 桩复合地基的具体情况提出了本文的开展研究的主要内用和技术路线。1 2 复合地基概况2 0 世纪6 0 年代国外将采用碎石桩加固的人工地基成为复合地基幽，而复合地机较晚出现在中国，在1 9 9 0 年国内才召开了第一次复合地基学术讨论会勰。在工河海大学博士论文：p c c 桩复合地基褥垫层特性足尺模型试验研究与分析程界，复合地基大家已不陌生，但在研究领域复合地基概念在经历了一个发展的过程，不同的学者对此持有不同的看法。随着复合地基的广泛应用，其形式的不断拓展，越来越多的学者接受了龚晓南教授提出的关于复合地基的定义，即：复合地基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嬲。根据增强体的方向，复合地基又分为水平向增强体复合地基( 常采用土工合成材料构成加筋土) 和竖向增强体复合地基( 常采用各种桩体构成桩承复合地基) 。目前通常称呼的复合地基都是指的桩承复合地基，本文所提的复合地基也是这个含义。在复合地基中较早使用的是碎石桩和水泥搅拌桩等柔性或半刚性的桩体作为增强体，随着对复合地基承载力等要求的不断提高，刚性桩被引入到复合地基中。中国建筑科学研究院地基基础研究所于1 9 9 2 年开发的c f g 桩复合地基即最早的刚性桩复合地基。顾名思义，刚性桩复合地基的桩体本身强度较大，能够提供较大的承载力，同时刚性桩本身较大的模量与桩间土体模量有很大的差别，为了保证复合地基中桩土能协调作用，共同承担荷载，通常在桩顶平面与上部基础之间要设置一层褥垫层，起到协调桩土荷载分担的作用。图1 1 为典型的刚性桩复合地基示意图。当然，刚性桩的刚性是相对于桩间土体而言的，是桩土相对刚度，这不仅与桩体和土体的模量等力学性质有关，还与桩长、桩径等几何参数有关，因此学者王启铜嬲对桩体相对刚度进行了定义，用来判断桩体是否属于刚性桩；段继伟罂通过研究对相对刚度的公式进行了修正。基础图1 - 1 刚性桩复合地基示意图由于刚性桩复合地基具有较高的承载力，因此已经在工民建工程中得到了较为广泛的使用鬟嬲q 随着公路建设的发展，特别是高速公路的建设，刚性桩复合地基因其良好的减沉效果而得到广泛应用壤夔錾。与应用于工民建中的刚性桩复合地基相比，复合地基应用于公路建设中时通常在褥垫层中要铺设一层或多层加筋材料( 通2第l 章绪论常是土工合成材料) ，其目的还是为了保证桩土共同承担荷载，协调荷载分担比例。由竖向增强体( 桩体) 和水平向增强体( 加筋褥垫层) 构成的双向复合地基在路堤作用下，不仅能减小路堤沉降，还能起到增加路堤稳定性的作用，因此在国内外应用越来越广，因此这种方式通常被称为桩承加筋垫层复合地基l 黧、桩网复合地基! 黧或桩承加筋路堤咧，国外称为g e o s y n t h e t i c r e i n f o r c e da n dp i l e s u p p o r t e de a n hp l a 怕咖( 简称g r p s ) 璧蓼i 缪卿。表i 1 望粤中详细列举了国外成功应用该法的实例。表1 1 国外桩承加筋垫层复合地基工程实例序作者引文应用地质条件桩型土工合成材设计参数号料类型r e i d e t o l桥头混凝土打土工膜h _ lo l i i ，s = 3 5 4 5 ，a - 1 1l软土( 1 9 8 3 )路堤入桩平行编织1 5 m ，p c = - 5 1 4 n = lb a l c s d a l e刚性碎石h = 7 6 m ，s = 2 7 5 i i l a = o 5 l ，2铁路极软弱泥碳织物o 5 6 m ，嘞，p o = 6 8 ，( 1 9 8 3 )桩n 三lj o n e s 等极软弱河滩预制混凝土工织物平h = 3 5 m ，s = 2 7 5 驰a - 1 4 m ，3铁路( 1 9 9 0 )沉积和泥碳土桩行连接t ：o 5 m ，p c = 2 0 ，n = 1嘞k a d a 等街道土工格栅4泥碳混凝土桩t e n s a rh = 1 5 m ，s _ 2 1m ，a = = 0 8 m ，( 1 9 9 3 )路面p c = 1 1 n = 1 ，t = 65 5 2h o l 乜等不均匀灰量土工织物h = 5 6 m ，s = 2 5 m ，a = l m ，5道路t i n k e r 桩( 1 9 9 3 )粘土( 混合丝)p c = 4 4 n = 3b e l l 等广场的高压缩性泥沉管灌注t e n s a rs s 2h 三2 5 6 m ，s = 2 2 2 7 ，6( 1 9 9 4 )钟楼碳和粘土砼桩土工格栅d 卸4 n = 2c a r d 等d 轻轨粉质有机质7粘土，泥碳、打入桩双向格栅h 每2 5 3 m ，s = 3 m ，a = l m ，( 1 9 9 5 )铁路s s 2 格栅n = 3 ( = o 4 m砂粘土8t o p o l n i c “公路和松填土，泥沉管灌注格栅h = 1 5 m ，s = 1 8 2 5 m ，s s l ，s s 2d - = o 5 5 m ，p c = 9 17 ，( 1 9 9 6 )铁路碳有机质土砼桩t e n s a rn = 2 3 t = ob 舢d i 等泥碳，h 2 m ，s = 1 9 m ，d = 1 1 8 m ，9铁路打入桩格栅( 1 9 9 7 )有机土a = lm ，p c = 3 5 ，n = 3g e o i n s t i公路桥粘土、砂泥沉管灌注h 77- 。人桩机就位振动沉管浇注混凝土振动拔管成桩图1 2p c c 桩施工流程示意图图1 3 现场浇筑的p c c 桩地面p c c 桩施工的动力设备是振动锤，振动锤的两根轴上各装有偏心块，由偏心块产生偏心力。当两轴相向同速转动，横向偏心力抵消，竖向偏心力相加，使振动体系产生垂直往复高频率振动。该设备的振动体系具有很高的质量和速度，产生强大的冲击动量，将环形空腔模板迅速沉入地层中。腔体模板的沉入速度与振动锤的功率大小、振动体系的质量和土层的性质有关。在沉模过程中，振动力使得土体产生局部剪胀或液化破坏，土体的摩擦力急剧减小、阻力减小，因此沉模速度得到提高。同时挤压振动作用也使得土芯与周围一定范围内的土体得到密室，有利于提高复合地基的承载力。p c c 桩成桩时特有的模板支护、振捣和挤密作用以及采用的管形截面设计，使其具有可靠的工程性和良好的经济性。目前p c c 桩复合地基已经在江苏、浙江、上海、天津、湖南等省市的高等级公路、市政工程、桥梁工程以及工民建工程中得到5河海大学博士论文：