（岩土工程专业论文）cfg桩—帽—网复合地基性状研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 c f g 桩复合地基因其沉降量小、承载力高、稳定快、工期短、桩体强度 可变、加固效果显著等特点，取得了较好的社会效益和经济效益。c f g 桩自 1 9 8 8 年成功运用于工程实践以来，已在建筑、矿山、水利交通等各个领域得 到广泛的应用，成为国内外土木工程学者广泛关注的焦点。近年来，c f g 桩 复合地基又引入桩帽元素，改变了c f g 桩复合地基的性状，因此，对c f g 桩 一帽一网复合地基性状的研究具有重要的工程意义。 本文首先结合高速铁路c f g 桩复合地基现场试验实测资料，利用f l a c 3 d 建立起路堤荷载下c f g 桩复合地基三维数值计算模型，并将计算结果与现场 实测数据进行对比分析，验证模型的可靠性。然后，对影响路堤荷载下c f g 桩一帽一网复合地基性状的因素( 包括桩间距、桩帽尺寸、褥垫层模量、褥 垫层厚度、桩伸入持力层深度、桩间土模量、持力层模量) ，分别进行数值分 析研究，从沉降和桩土应力两方面分析得出各因素对c f g 桩帽一网复合地 基性状的影响规律及其影响程度，从而对c f g 桩一帽一网复合地基性状作出 全面的分析。 本文还对软土地基常用的处理方法( 桩网、桩一帽一网、桩板结构复合地 基) 进行了数值计算对比分析，得出三种地基处理方法在沉降和桩土应力比、 荷载分担比方面各自表现出来的特征，从而对实际工程中复合地基设计给予 了一定的借鉴作用。 最后，在对c f g 桩一帽网复合地基的性状作出全面分析、对比三种不 同地基处理方法的基础上，总结得出c f g 桩帽一网复合地基与其它地基处 理方法相比所具有的特点。 关键词：c f g 桩一帽一网复合地基；沉降；桩土应力比；桩土荷载分担比 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t b e t t e rs o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t sw a so b t a i n e db e c a u s eo ft h ef e a t u r e so f c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ns u c ha ss m a l ls e t t l e m e n t ，h i g hb e a t i n gc a p a c i t y ， f a s ts t a b i l i t y ，s h o r tt i m ef o rc o n s t r u c t i o n ，v a r i a b l ep i l es t r e n g t h ，a n ds i g n i f i c a n t r e i n f o r c e m e n te f f e c te t c c f gp i l eh a sb e e nw i d e l ya d o p t e di ne a c hf i e l dl i k e c o n s t r u c t i o n ，m i n i n g ，w a t e rc o n s e r v a n c y ，t r a n s p o r t a t i o na n de t cs i n c e 19 8 8 s u c c e s s f u l l ya p p l i e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n dn o wb e c o m e st h ef o c u so f e x t e n s i v ea t t e n t i o no fc i v i l e n g i n e e r i n gs c h o l a r s a th o m ea n da b r o a d d u r i n g r e c e n ty e a r s ，p i l ec a ph a sb e e ni n t r o d u c e dt oc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ， w h i c hc h a n g e st h ep r o p e r t i e so ft h ec f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，t h e r e f o r e ， t h er e s e a r c ho n p r o p e r t i e s o fc f gp i l e - c a p - n e t c o m p o s i t ef o u n d a t i o n h a s i m p o r t a n te n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e t h i s p a p e rf i r s t l y r e f e r st ot h eo n s i t em e a s u r e m e n td a t ao fc f gp i l e c o m p o s i t e f o u n d a t i o no n h i g h - s p e e dr a i l w a y ，b u i l t t h et h r e e d i m e n s i o n a l n u m e r i c a lm o d e l b yf l a c 3 do fc f gp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nu n d e r e m b a n k m e n tl o a d ，c o m p a r e da n da n a l y z e db e t w e e nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa n d o n s i t em e a s u r e m e n td a t at ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e l t h e n ，i tm a k e s n u m e r i c a la n a l y s i so ff a c t o r sr e s p e c t i v e l yi n c l u d i n gp i l es p a c e ，p i l ec a ps i z e ， c u s h i o nm o d u l e ，c u s h i o nt h i c k n e s s ，p i l el e n g t hi n t ot h eb e a t i n gs t r a t u m ，m o d u l e o fs o i lb e t w e e np i l e s ，m o d u l eo fb e a r i n gs t r a t u m ，w h i c hw i l l i m p a c to nt h e p r o p e r t i e so fc f gp i l e - c a p - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ei n f l u e n c e r u l e sa n de x t e n tb ya n a l y s i n gt h ef a c t o r sf r o mt w oa s p e c t so fs e t t l e m e n ta n dt h e s t r e s so fp i l ea n ds o i l ，t h u sg i v e sac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ec f g p i l e c a p - n e t c o m p o s i t ef o u n d a t i o np r o p e r t i e s t h i sp a p e ra l s om a k e sn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h e c o m m o ns o f ts o i lt r e a t m e n tm e t h o d si n c l u d i n gp i l en e t ，p i l e c a p n e ta n dp i l e - p l a n k s t r u c t u r ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nt oc o n c l u d et h ec h a r a c t e r so ft h et h r e ef o u n d a t i o n t r e a t m e n tm e t h o d si ns e t t l e m e n t ，s t r e s sr a t i oo f p i l et os o i la n dl o a ds h e a f i n gr a t i o o fp i l et os o i l ，t h u sg i v e sar e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o na c t u a l e n g i n e e r i n g a tl a s t ，i ts u m m a r i z e st h ec h a r a c t e ro fc f gp i l e c a p n e t c o m p o s i t e f o u n d a t i o nd i f f e r e n tf r o mt h eo t h e r s ，b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 _ _ _ i l - - _ - l _ - _ _ - _ _ _ l _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - i - - i _ _ i - _ 一_ 一一 c f gp i l e 。c a p 。n e t c o m p o s i t ef o u n d a t i o np r o p e r t i e sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e t h r e ed i f f e r e n tt r e a t m e n tm e t h o d s k e yw o r d s ：c f gp i l e c a p n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；s e t t l e m e n t ； s t r e s sr a t i oo f p i l et os o i l ；l o a ds h e a r i n gr a t i oo fp i l et os o i l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：曹小收 日期：幻。刁j 口习 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确 的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文结合现场试验实测数据，利用f l a c 3 d 建立起路堤荷载作用下c f g 桩一 帽一网复合地基三维数值计算模型，并验证了数值计算模型的可靠性。在此基础 上，本文对c f g 桩一帽一网复合地基性状进行了较全面的研究，主要工作如下： ( 1 ) 利用f l a c 3 d 自带的f i s h 语言对路堤荷载作用下的c f g 桩一帽一网复 合地基建立了参数化数值计算模型。 ( 2 ) 结合现场试验实测数据，验证了模型的可靠性，并对加设桩帽与不设桩 帽的c f g 桩复合地基进行了对比分析。 ( 3 ) 本文主要从沉降和桩土应力两方面分析了各主要影响因素对c f g 桩一帽 一网复合地基性状的影响规律与影响程度，从而对c f g 桩一帽一网复合地基性状 作出了较全面的分析研究。 ( 4 ) 对比分析了桩网结构、桩一帽一网结构和桩板结构三种c f g 桩复合地基 处理方法在沉降与桩土应力方面的差异。 ( 5 ) 在全面分析了c f g 桩一帽一网复合地基性状和对比分析了三种c f g 桩 复合地基处理方法的基础上，归纳总结出c f g 桩一帽一网复合地基的特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 高速铁路是一个国家交通运输的重要标志之一，是国家的重要资源和国 力的象征，高速铁路的建设关系到国家的经济发展。铁道部分别在2 0 0 3 年和 2 0 0 5 年，实施铁路第5 次和第6 次大规模提速，初步建成以北京、上海、广卅i 为中心，连接全国主要城市的全路快速客运网，总里程达1 6 万公里；中国铁 路货运则首先计划在客货共线运行的繁忙干线上，大力提高产成品及集装箱 货物运输速度，货车最高时速达到1 2 0 公里，从而使铁路繁忙干线的综合运输 能力和质量跃上一个新的台阶。：蛩j 2 0 0 5 年底，中国铁路营业里程达7 5 4 3 7 6 公 里，居亚洲第一位，一个横贯东西、沟通南北、干支结合的具有相当规模的 铁路运输网络已经形成并加快完善步伐。“十一五”计划，铁路建设迈向新的 目标：拟建新线1 7 0 0 0 公里，其中，客运专线7 0 0 0 公里，建设既有线复线8 0 0 0 公里，既有线电气改造1 5 0 0 0 公里。预计至m j 2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 万 公里以上，复线、电化率均达= 至1 j 4 5 以上，快速客运网总规模达蚕j 2 0 0 0 0 公里 以上，煤炭通道总能力达到1 8 亿吨，西部路网总规模达n 3 5 0 0 0 公里，形成覆 盖全国的集装箱运输系统。 我国幅员辽阔，地域宽广，地形、地质条件复杂，软弱地基类别多、分 布广。在我国大量修建铁路，势必要遇到众多的软弱地基处理。目前软土地 基处理方法种类繁多，常用的地基处理方法有【l 】：密实法：包括排水固结法 ( 堆载预压法、真空预压法、降水法、电渗法) 、碾压法、动力夯实法；置 换法：包括换填粗粒土、细粒土垫层；加筋法：包括土工织物、加筋土等； 灌浆法；复合地基法：散体桩复合地基( 碎石桩、砂桩、渣土桩) 、一般 粘结强度桩复合地基( 灰土桩、石灰桩、水泥土桩、夯实水泥土桩) 、高粘结 强度桩复合地基( c f g 桩、素混凝土桩) 。在众多的软弱地基处理方法中，c f g 桩复合地基是我国2 0 世纪8 0 年代末开发的一项新的地基加固技术，c f g 桩复 合地基试验研究是建设部“七五”计划课题，于1 9 8 8 年由中国建筑科学研究院 地基所立题进行试验研究，随后成功地应用于工程实践。目前，c f g 桩由于 其承载力提高幅度大，桩体强度可调性强；适用范围广；沉降量小，变形稳 定快；工程造价低等特点，从众多的地基处理技术中脱颖而出，成为应用广 泛的地基处理技术之一，已在公路、铁路、港口、机场、堤坝得到广泛推广。 据国内部分拟建、在建及已建客运专线地基处理方面的相关资料统计表明， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在武广线、京津城际、京沪线、哈大线等客运专线中，采用c f g 桩处理地基 占地基处理方法的8 0 以上，而在京石线、石郑线则高达9 0 。 另外，高速铁路的建设要求施工工期短、沉降控制严格、质量控制高等 特点。如何在较短工期内完成施工并保证工程质量，软土地基处理技术就成 为确保工程质量的关键技术之一。传统的排水预压、袋装砂井软基处理存在 沉降稳定时间长、工后沉降以及不均匀沉降量大等问题，已经不能适应高速 铁路建设的需求。采用桩体加固的方式是提高建设质量、缩短软基处理工期 行之有效的方法，发展很快。c f g 桩复合地基作为桩体加固形式中应用较为 广泛的一种加固方法，不仅具有桩土共同承担荷载这一复合地基共有的优点， 而且该地基加固方法具有振冲碎石桩和水泥搅拌桩两者的优点。c f g 桩从成 功应用以来，取得了良好的经济效益和社会效益，为诸多专家和学者所关注， 引起许多专家和学者针对c f g 桩开展了大量的研究，主要有c f g 桩复合地基 的工作性状的研究、承载力和沉降计算的研究以及基础刚度对c f g 桩复合地 基桩土应力比的影响等研究，现已取得了一系列的理论成果。 经过多年的实践应用和理论、试验研究，c f g 桩复合地基处理技术已经 形成了一套理论体系，但这些研究成果主要集中在建筑工程刚性基础下c f g 桩复合地基中。对于路堤荷载( 柔性基础) 下c f g 桩复合地基的设计，仍存在两 个常见的问题。一是将建筑刚性基础下复合地基的设计理论与计算方法用在 路堤荷载下c f g 桩复合地基上，以致设计值与实测值相差甚远；二是对于路 堤荷载作用下荷载传递机理和工作特性仍未有全面、准确、统一的认识。所 以有必要对路堤荷载下c f g 桩复合地基的荷载传递机理和工作特性等展开研 究。 因此，本文将对路堤荷载下c f g 桩复合地基加设桩帽后的复合地基工作 性状进行初步的分析和研究，其目的是为了寻求更为合理的路堤荷载下c f g 桩复合地基设计理念，期望能为铁路建设中路堤荷载下c f g 桩复合地基的设 计和施工提供一定的参考。 1 2 复合地基概述 1 2 1 复合地基的定义、分类及形成条件 复合地基的概念形成于2 0 世纪6 0 年代末，现已发展成为很多地基处理方 法及理论公式建立的基础及根据。复合地基最早产生于砂桩加固地基的分析， 随后广泛运用于土桩、碎石桩、深层搅拌桩、石灰桩等加固地基的理论分析 之中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在土木工程建设中，当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基的要求，需要 进行地基处理，形成人工地基，以保证建( 构) 筑物的安全稳定和正常使用。 经地基处理后的人工地基大致分三类【2 ，3 】：均质地基、多层地基和复合地基， 如图1 1 所示。 ( a ) 均质人工地基 i i li il 翌兰一 ( b ) 双层地基 增 强 体 ( c ) 水平向增强体复合地基 ( d ) 竖向增强体复合地基 图1 1 人工地基的分类 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区土体性质 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，如图1 1 ( a ) 所示。 人工地基中的双层地基是指天然地基经地基处理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，如图1 1 ( b ) 所示。 复合地基【2 3 j 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 强体共同承担荷载作用。 复合地基具有两个基本特点：一、加固区是由基体和增强体两部分组成 的，是非均质的和各向异性的；二、在荷载作用下，基体和增强体共同承担 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 荷载的作用。 根据地基中增强体的方向将复合地基分为水平向增强体复合地基和竖向 增强体复合地基，分别如图1 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，有时也称为柱。竖向增强体复合地基通常称为桩体 复合地基。根据竖向增强体的性质，又可分为三类：散体材料桩、柔性桩和 刚性桩。散体材料桩如碎石桩、砂桩等，只有依靠周围土体的围箍作用才能 形成桩体，桩体本身不能单独形成桩体。对应于散体材料桩，柔性桩和刚性 桩也可称为粘结材料桩。视桩体刚度不同将粘结材料桩分为柔性桩和刚性桩 两种，也有人将其称为半刚性桩和刚性桩。柔性桩如水泥土桩、灰土桩等。 刚性桩如钢筋混凝土桩、低强度混凝土桩等，复合地基根据不同的原理可划 分为： l 、根据复合地基工作机理可将复合地基作下述分类 2 、根据基础刚度和垫层的设置情况分类 复合地基 刚性基础 柔性基础 设置垫层 不设垫层 设置垫层 不设垫层 复合地基的本质是在荷载作用下，增强体和地基土体共同承担上部结构 传来的荷载。因此保证设置的增强体与天然地基土体通过变形协调来共同承 担荷载是形成复合地基的基本条件。 1 2 2 柔性桩与刚性桩的区分 为了从定量化方面来定义柔性桩和刚性桩，有些学者做了许多有益的尝 试，文献 4 认为，桩体刚度的大小对荷载传递规律有较大的影响，是区分柔 性桩和刚性桩的关键，提出了相对刚度k 的定义： 基基地地 厶口 厶口复复桩桩性性柔刚 基 基 地 地 厶口 合 复 复 桩 桩 料 料 材 材 体 结 散 粘 0 借。潜、基 基 地 地 合 合 复 复 体 体 强 强 增 增 向 向 平 竖 水r，、l 基地厶口复 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 k = ， 三 式中： e 桩体弹性模量( m p a ) ； l 桩体长度( m ) ； 广桩体半径( m ) ； e 。桩间土弹性模量( m p a ) ； 。桩间土的泊松比。 根据相对刚度k 的大小可以大致把桩分为两类：k s l 时，称为柔性桩复合 地基；当k 1 时，称为刚性桩复合地基。柔性桩复合地基还可以继续根据 e 。e ，值分为两类：e 。e 。三1 0 时，称为水泥土桩，包括深层搅拌水泥土桩、 夯实水泥土桩和高压旋喷桩：当e 。e ， l0 时，称为土桩，包括石灰桩、土 桩和灰土桩。 1 2 3 复合地基发展历史 自从1 8 2 4 年英国人j o s e p ha s p d i n 发明硅酸盐水泥以来，利用水泥、土及 水的拌和料对道路基层进行处理的工艺陆续得到应用，但起初水泥在地基处 理中的应用主要是对地基土的浅层进行处理 5 】。 为了处理松散的砂土地基，出现了砂桩加固法，但由于长期没有合适的 设计理论和先进的施工工艺，它的发展曾一度受到影响。第二次世界大战后， 原苏联和日本在这方面的研究取得了较大成就。振动打桩机的出现，使砂桩 施工效率和质量有了较大的提高，处理深度可达至t j 3 0 m 左右。6 0 年代日本在砂 桩的施工技术和工程应用方面取得了显著进展，并在砂桩抵抗地基滑动的计 算中，提出了以砂桩与天然土层共同作用的计算模型，始称为“复合地 基”( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 。自1 9 6 2 年首次使用“复合地基”一词以来，复合地 基的概念己成为很多地基处理方法的分析及理论公式建立的基础及根据。砂 桩于5 0 年代引进我国，在交通、水利、建筑中获得了广泛的应用，如青藏铁 路路基加固、官厅水库大坝地基加固及上海宝山钢铁公司原材料堆场地基加 固。 碎石桩最早始于1 8 3 5 年的法国，但直至1 9 3 6 年，由德国s 史蒂尔曼( s s t e u e r m a n ) 用振动水冲法挤密砂土地基后，碎石桩作为地基处理的方法才开 始大量应用。碎石桩法上世纪4 0 年代传入美国，5 0 年代在工程中具体应用并 初步显示了其技术和经济的优越性。最初用于振密松砂地基，后来将其应用 于粘性土地基。我国从1 9 7 7 年开始应用振冲碎石桩法，取得了很好的工程效 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 果。 土桩挤密法是由前苏联的阿别列夫于1 9 3 4 年提出的，1 9 4 8 年应用于工程， 是原苏联和东欧国家处理深层湿陷性黄土地基的主要方法，它于5 0 年代中期 传入我国，在西北黄土地区开始试验和应用。为了解决城市杂填土地基的深 层处理问题，陕西省西安市经过多年的试验，成功地创造了灰土桩挤密法， 用于处理地下水位以上、深度5 1 5 m 的黄土或杂填土地基。 利用石灰对地基进行处理，与其它地基处理方法相比，有着较长的历史。 在上世纪5 0 年代以前，石灰桩处理地基，绝大多数为浅层处理。随着建设规 模的扩大，开始将其用于深层地基的处理。天津市从1 9 5 3 年起用石灰桩加固 了一批软土地基，取得了一定的经验，并对石灰桩的应用范围、承载力估算、 施工机具及操作步骤进行了初步的总结。湖北、山西、江苏、浙江等省对其 加固机理和设计方法进行了研究，并广泛应用于工程实践。 1 9 6 7 年瑞典采用生石灰粉与原位软土搅拌，形成石灰桩的软土加固法， 这标志着粉喷桩技术的产生。日本在1 9 7 0 年开发出一种d j m 法，它采用水泥、 石灰和粉煤灰等粉状加固料作为固化剂。由于粉喷技术在软土地基加固中具 有造价低、适用范围广及效果好等优点，粉喷法施工技术得到迅速的推广。 旋喷法于1 9 7 0 年始创于日本，它是从化学注浆法演变而来的。我国于1 9 7 3 年进行试验，1 9 7 4 年应用于工程，取得了较好的技术效果和经济效益，己被 列入国家行业标准。 水泥搅拌桩加固软土地基技术起源于美国。第二次世界大战后，美国研 制成功一种就地搅拌桩，桩径3 0 0 - - - 4 0 0 m m ，桩长1 0 - - 1 2 m 。1 9 5 3 年日本在引 入该法的基础上，进一步研制开发了专用施工机械，用于加固钢铁厂矿石堆 场地基，处理深度达到3 2 m 。我国于1 9 7 7 年对这种方法进行研究，1 9 7 9 年在塘 沽新港进行工程试验，1 9 8 0 年在上海宝山钢铁总厂，利用水泥搅拌桩处理软 土地基获得了成功，通过鉴定，并开始在许多工程中应用。上世纪9 0 年代初 期，中国建筑科学研究院地基所针对搅拌水泥土桩成桩质量不易保证，研究 开发了夯实水泥土桩施工工艺，并大规模投入了工程应用。 中国建筑科学研究院地基所在上世纪8 0 年代末期研究开发了水泥粉煤灰 碎石桩( 简称c f g 桩) ，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。这些复合地基形式的出现，大大拓宽了地基处理的应用领 域，同时粉煤灰等工业废料的综合利用，也有效降低了地基处理的费用。目 前已在全国2 5 个省、市、自治区推广应用，特别是近几年来，c f g 桩复合地 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 基技术在高层建筑地基中广泛应用，现己成为应用最普遍的地基处理技术之 一。 近年来地基处理中另一个引人注目的发展是大桩距( 一般超过5 - 6 倍桩径) 的较短钢筋混凝土疏桩复合地基的出现。疏桩基础是一种介于传统概念上的 桩基与复合地基之间的一种新的地基基础形式，属于变形控制设计理论范畴， 反映了桩土共同作用的最新研究成果。采用合理布桩率的疏桩基础不仅工程 造价低，而且建筑物沉降也能控制在允许的范围内。疏桩基础设计理论的逐 步完善，将使疏桩基础复合地基的应用越来越广。 值得注意的是，复合地基不同桩型联合使用越来越受到重视。对于松散 填土可利用碎石桩等振、挤密效应初步加固桩间土，再利用高粘结强度桩联 合形成复合地基；对于可液化地基，利用振冲或干振挤密碎石桩消除地基土 的液化，再利用c f g 桩复合地基等获取更高的承载力i 对基底下存在局部软 土进行补强时，尽管用c f g 桩或其它桩型能够获得满足设计要求的承载力， 但局部软土可能导致建筑物不均匀变形，此时利用诸如水泥土桩、石灰桩等 在局部软弱区补强，可使整个建筑物的沉降变形均匀。 复合地基得到广泛应用的四十年，是地基处理技术高速发展的四十年。 作为当今世界上最大的发展中国家，如何因地制宜，有效、合理地开发利用 好复合地基技术，是中国工程界普遍关心的重大问题。现代土木工程建设对 地基提出了更高的要求，地基处理得恰当与否，直接关系到整个工程质量、 投资和进度，其重要性己经越来越多的被人们所认识。从目前公开发表的文 献看，理论的发展落后于实践的状况得到改善，工程界对复合地基的基本认 识开始逐渐趋向一致，对复合地基中基体和增强体的性状的认识也逐渐形成。 尤其是近二十多年来，我国地基处理技术得到很大的发展，复合地基技术在 房屋建筑( 包括高层建筑) 、高速公路、高速铁路、堆场、机场、堤坝等土木工 程建设中得到广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益。 1 3 路堤荷载下c f g 桩复合地基的研究现状 自1 9 6 2 年国际会议上首次使用复合地基一词以来，这种地基处理形式迅 速得到广泛应用，其理论和技术得到快速的发展。在我国，复合地基从最初 的砂桩、石灰桩到碎石桩，再到水泥土桩、c f g 桩，再到近年来提出的钢筋 混凝土疏桩复合地基，经历了一个快速发展的过程。c f g 桩复合地基成套技 术是中国建筑科学研究院地基所2 0 世纪8 0 年代末开发的一项新的地基加固技 术，由于其具有施工速度快、工期短、沉降小、承载力提高大、质量易控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 等特点，引起我国许多专家和学者的关注，并进行了人量的分析研究。如： 龚晓南【2 ，3 6 1 对复合地基进行了系统的研究，对复合地基进行了定义、分类， 对复合地基的承载力、变形特性和工作特性进行了深入研究，探讨了基础刚 度对复合地基的影响以及褥垫层的设计原则等。阎明礼等【l 7 】较为系统的研究 了c f g 桩复合地基的承载和变形特性、设计计算方法以及施工工艺和施工质 量控制等，对c f g 桩复合地基研究作出了巨大贡献。宋二祥、傅景辉等【8 1 1 】 对刚性基础下复合地基垫层的工作机理、承载力、破坏模式、桩土应力比以 及沉降方面进行了较为深入的研究，尤其深入研究了刚性桩复合地基。 以上的研究大多都是建立在刚性基础作用下复合地基工作性状的研究。 近年来，由于高速铁路、公路的大力新建，c f g 桩复合地基被引入铁路、公 路建设中，对于象路堤这种柔性基础作用下的c f g 桩复合地基，其工作性状 与刚性基础作用下的c f g 桩复合地基显著不同，然而，其设计理论仍沿用刚 性基础作用下的理论，使得设计值与实测值相差较大。因此，近年来许多专 家和学者针对路堤荷载作用下c f g 桩复合地基开展了大量的研究。主要分为 理论分析、试验研究、数值分析三个方面： 1 3 1 理论分析方面 刘吉福【l2 】通过分析得出路堤下复合地基桩与桩间土之间的沉降不一致， 导致填土内部出现相对垂直位移，应力状态发生变化，计算路堤下复合地基 桩、土应力比的方法及计算参数均与刚性基础下的复合地基不同。作者通过 对复合地基上部填土的力学分析，推导出一个求解桩项平面处的桩、土应力 比公式，该公式表明桩顶处桩、土应力比的大小与复合地基置换率、桩顶处 桩土沉降差、填土厚度、填土弹性模量等关系密切。 陈仁朋i l 列针对桩承式路堤工作性状比较复杂、对路堤一桩一土之间共同 工作机理的认识还不是十分清楚的问题，建立了考虑土一桩一路堤变形和应 力协调的平衡方程，分析了三者协调工作时路堤、桩、土的荷载传递特性， 结果表明：路堤中存在等沉面，并且等沉面的概念对于桩承式路堤的设计具 有重要的意义，桩和土的相对位移随深度而变化，桩身同时分布有正负摩阻 力；当桩未打穿软土时，路堤总沉降主要由桩端的刺入变形及下卧层的沉降 引起。控制桩长及下卧层厚度可以有效地调节路堤沉降。 何结兵【1 4 根据太沙基基本理论，详细地讨论了c f g 桩复合地基褥垫层作 用机理，并推导出c f g 桩复合地基最佳桩间距、合理褥垫层厚度、桩土应力 比、实际置换率的解析表达式，计算结果与工程实例对比表明了该解答的可 行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 唐彤芝 1 5 在谢康和【1 6 埔】教授的研究基础上，以近十年在高速公路桥头深 厚软基处理中应用广泛的c f g 桩为研究对象，对路堤荷载作用下c f g 桩复合 地基固结理论进行了研究，推导出解析解，并编制程序计算分析了复合地基 固结特性，得出了一些有意义的结论：影响复合地基固结的主要因素是置 换率m 、桩体与桩间土压缩模量及渗透性的比例关系，此外还受到沉桩引起的 扰动作用、加载情况的影响；路堤填筑时间越短，复合地基固结速度就越 快，有利于减少复合地基工后沉降。加荷级数对加快复合地基固结的影响程 度不是很大。 杨涛【l9 ，2 0 l 等s c h w e i g e r $ i c a n e t t a i 作的基础上，提出了柔性基础下竖向 增强体复合地基沉降计算的复合本构有限元分析方法。这种方法是将加固区 视为由桩和桩间土组成的均质各向异性的复合材料，通过合理的方式建立能 反映复合地基整体的本构方程，然后利用有限元法进行求解。同时基于修正 的a l a m g i r l 的典型单元体变形模式，求出了路堤荷载下复合地基加固区压缩量 计算的解析式。 刘杰【2 l ，2 2 】等完善了复合本构有限元法，在采用杨涛推荐的竖向变形模式 的基础上，同时考虑了径向变形模式，利用弹性理论及桩、土位移协调条件 建立了桩及桩周土的控制微分方程，并由此推导出了柔性基础下群桩复合地 基加固区内桩及桩周土压缩模量计算的解析式，同时得出了桩、桩周土中竖 向应力及桩侧剪应力计算的解析式，也未能反映复合地基中桩与桩间土的竖 向不协调性。 a l m a g i r l 2 3 j 等在分析柔性基础下端承桩复合地基时，假定桩和桩间土均为 线弹性体，通过选择合适的典型单元体变形模式，利用典型单元体侧面零剪 应力和桩土界面位移协调条件，通过各桩、桩间土单元的平衡分析给出了柔 性基础下端承桩复合地基中桩和桩周土的附加应力和沉降计算的解析方法。 詹云刚【z 4 j 分析了路堤荷载下c f g 桩复合地基的变形机理，根据假定的沉 降模式及桩侧摩阻力分布形式，推导出了考虑桩一土一褥垫层共同作用的简 化沉降计算公式，结果与试验数据吻合较好。 赵丽等【2 j 在探讨了常用的c f g 桩复合地基沉降计算方法局限性的基础 上，分别利用文献 2 0 ，2 3 和文献 2 6 1 中复合地基沉降计算方法，将c f g 桩分别 作为柔性桩、刚性桩应用于柔性基础下的复合地基沉降计算。对比分析计算 结果表明：刚性基础和柔性基础下的复合地基沉降计算原理有着明显的区 别，应予分别研究：复合模量法不适用于柔性基础下的沉降计算：对于 柔性基础下c f g 桩复合地基沉降计算，宜将c f g 桩作为刚性桩计算。由此说 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 明，c f g 桩具有一定刚。1 2 桩的特性。 1 3 。2 试验研究方面 曾开华等犯7 j 通过某高速公路软土地基处理中进行的现场试验，对路堤柔 性基础下低强度混凝土桩复合地基的性状进行了分析研究。测试的项目包括 桩土应力、桩土表面沉降、分层沉降、侧向变形等。研究结果表明：桩顶 应力和桩间土应力变化规律：填土加荷前，桩顶应力与桩间土应力较接近。 加荷后，两者有不同程度的增长，其中桩顶应力增幅较大。恒载期内，桩间 土应力变化很小，基本维持加荷结束时的应力水平，而桩顶应力仍有一定变 化。桩土应力比和桩土荷载分担比随时间的变化基本相似，加荷前很小， 加荷后先减小，然后再快速增大。恒载期维持较大的值上下变化，桩土应力 比这种先减小后增大的变化趋势与文献 2 4 柔性基础下的模型试验结果相类 似。上述结果表明，柔性基础下低强度混凝土桩复合地基的荷载传递方式是 上部荷载通过基础垫层先传递给桩间土和桩体，再由桩间土向桩体传递，这 显然不同于桩基础或刚性基础下的复合地基。桩间土承担的荷载占总荷载 的7 4 1 , - - - 8 2 o ，而桩体承担的荷载只占总荷载的1 8 o - - - - 2 5 9 ，大部分荷 载由桩间土承担，说明此复合地基充分调动和发挥了桩间土的承载能力，使 桩与土协同工作，共同承担路堤荷载。桩土的总沉降是小的，但桩间土的 沉降比桩项沉降大，桩间土的沉降有1 0 5 - - , 2 3 8 c m ，而桩顶沉降仅为6 3 1 4 1 c m ，说明桩项一定范围内存在负摩擦区，桩间土对桩壁产生的负摩擦力 可使桩体承担的荷载增加，桩间土承担的荷载相应减少，这对减少加固区土 的沉降起到一定作用。柔性基础下复合地基实测沉降量比刚性基础下复合 地基理论计算的沉降量大，其中加固区压缩量较大，主要由桩体上刺和下刺 产生，前者最大可达1 0 c m ，柔性基础下复合地基的沉降计算有待进一步完善。 吴慧明等【2 8 j 通过设计和完成刚性基础与柔性基础下水泥搅拌桩复合地基 模型对比试验，得出很多有价值的结论：桩荷载集中系数、桩土荷载比、 桩土应力比等无论发展规律还是量值，两者之间存在较大差异：复合地基 破坏机理不同，刚性基础下桩土变形一致，在相同变形时，桩首先承受较大 荷载，并首先进入极限状态，故随总荷载增加桩土应力比呈现山峰状发展趋 势；柔性基础下桩土变形可相对自由发展，土首先承担较大荷载，并随荷载 增加率先进入极限状态，故桩土应力比呈现先递减后上升的趋势；无论刚 性基础下的土还是柔性基础下的土，承载力均高于原状土，且柔性基础下的 较刚性基础下提高得多；由于桩侧土的作用，刚性基础下的桩与荷载变形 关系优于单桩的荷载变形关系，而柔性基础下的较单桩的差。反映出桩应力 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 的集中程度，刚性基础远高于柔性基础。 李海芳【2 9 】通过实际工程试验段的实测研究和载荷试验认为刚性荷载板下 和路堤填土荷载下的桩土应力比的特征是完全不同的。分析认为差别主要源 于两方面，其一是刚性荷载板下桩间土和桩顶的变形是协调的，路堤荷载下 桩项有足够的空间向上刺入，即桩间土和桩顶的变形是不相同的；其次是路 堤荷载远小于载荷试验所施加的荷载，不能像载荷试验那样使复合地基进入 塑性变形阶段，桩土应力比的峰值难以表现出来，最终可能趋向于一稳定值。 研究还表明，路堤填土刚结束时桩间土和桩顶承担的荷载基本相同。随着时 间的推移，桩间土的沉降量大于桩顶的沉降量，填土中逐渐出现土拱效应， 填土荷载逐渐从桩间土向桩顶转移，桩土应力比逐渐增加。 方磊【3 0 j 通过模型试验对柔性基础下复合地基的桩顶应力、桩问土应力、 桩端承载力进行了测试，研究了不同工况下桩土应力比的变化规律，并与刚 性基础下复合地基桩土应力比进行了对比分析，结果表明桩土应力比随着桩 底持力层强度的提高而增大，随着桩间土密实度的增大而减小，随着上部荷 载的增加而逐渐趋于稳定。分析还表明，在桩端持力层强度较大时，无论桩 间土填料密实还是松散，刚性基础下的桩土应力比都大于柔性基础的情况。 在持力层强度较小时，刚性基础下的桩土应力比也大于柔性基础的情况。原 因是柔性基础复合地基对桩土应力比有调节能力，可以在一定程度上减小桩 体应力，并使桩间土的承载力得到充分发挥。 李国维【3 l j 结合实际工程，进行了路堤下复合地基桩土应力比现场试验， 对柔性基础下复合地基桩土应力比取值和变化规律进行了探讨，并通过与刚 性基础下复合地基的比较，分析了柔性基础下复合地基的桩土应力比的变化 规律：柔性基础下复合地基桩土应力比随荷载变化规律与刚性基础下的复 合地基明显不同。试验中桩土应力比在加荷初期最大，随着荷载的增加而减 小，后又增加呈波浪形变化。无论是数值，还是随荷载变化规律上，现场试 验结果与文献 2 4 1 单桩现场模型试验结果较为吻合；由于桩土应力比数值较 小，桩间土分担了更多的荷载，桩侧负摩阻力的增强作用使得桩间土承载力 比较大。随着荷载增加，桩间土必将首先破坏。桩间土承载力充分发挥，不 足部分由桩承担。路堤荷载下的复合地基设计应按变形控制。 丁桂伶等【32 j 首次采用c f g 桩复合地基柔性载荷试验的方法，分析单桩的 沉降变形特性，并与c f g 桩复合地基刚性载荷试验对比分析。从现场试验看， 刚性荷载下强迫桩土一起下沉，无沉降差异，使得大部分荷载向桩顶转移， 结果是桩头先压坏，而桩间土不能充分发挥作用，其承载能力随之降低，既 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 不符合现实情况，又不能体现铁路路基荷载对c f g 桩的影响。柔性荷载下， 桩和桩间土沉降不均匀，且桩和桩间土之间存在差异沉降，因此出现中间拱 起现象，与实际情况吻合。因此，认为柔性载荷试验可以更好的模拟高速铁 路实际的柔性荷载，且柔性加载比刚性加载方式能使桩、土承载能力更好地 发挥出来。 朱奎等p3 】对路堤荷载下刚性( 低强度砼桩) 一柔性桩( 水泥搅拌桩) 复合地 基试验的应力特性进行了研究，获得了路堤下低强度砼桩、水泥搅拌桩以及 土的应力比数值随时间的变化规律，并分析了三者分担比随时间的变化特性。 测试结果表明：路堤荷载下桩土应力比要比刚性承压板下小得多，其研究成 果可为路堤下刚一柔性桩复合地基设计提供有益参考；在路堤荷载下，通过 刚性桩、柔性桩的上部刺入改变了应力场和位移场的分布，改善了桩土间的 受力状态，合理有效地利用了刚性桩、柔性桩与桩间土的强度；工程设计 中，刚性桩、柔性桩的置换率和长度的选取存在一个最优值，可结合地层分布 等实际情况选取合适的参数，合理地利用刚性桩、柔性桩与桩间土的强度， 从而达到优化设计的目的。 吉同元【3 4 j 通过现场沉桩试验的分析，研究了非排土施工工艺下刚性桩单 桩及群桩施工对桩周土的扰动影响；采用平面有限元的分析手段，深入研究 了路堤荷载下刚性桩复合地基的承载机