（岩土工程专业论文）长短桩复合地基褥垫层作用影响因素数值模拟分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 褥垫层作为复合地基的关键技术，目前国内外尚未对其作用机理进行系统深入地 研究，更未形成比较完善的设计理论和计算方法。长短桩复合地基作为一种比较新型 的复合地基形式，褥垫层作用以及影响因素的研究尤为重要。本文基于理论分析和数 值计算，系统地研究了褥垫层作用机理及其对长短桩复合地基工作特性的影响，这对 褥垫层厚度的合理设置、褥垫层材料的选择及复合地基的设计具有重大的指导意义。 长短桩复合地基的形式多种多样，本文针对刚一柔性长短桩复合地基研究，主要内容如 下： 1 综述了复合地基、长短桩复合地基以及褥垫层技术的研究现状。 2 分析了褥垫层的作用机理，通过数值模拟和曲线拟合等方法总结出桩顶刺入褥 垫层深度的经验公式。从复合地基位移协调出发，探讨了长短桩复合地基桩土应力比 和荷载分担比的计算方法。 3 通过工程实例，验证f l a c 3 d 计算程序用于分析长短桩复合地基的可行性。利 用f l a c 3 d 计算程序分别从褥垫层厚度、弹性模量以及内摩擦角三方面进行研究，主 要分析其对长短桩复合地基基础沉降、桩土应力比、荷载分担比及桩顶刺入量的影响。 本文得到如下结论： ( 1 ) 针对某工程长短桩复合地基设计方案，为满足地基承载力要求的同时并尽可 能减小沉降，求出褥垫层最佳厚度为1 5 c m 。 ( 2 ) 褥垫层厚度的增大和弹性模量的减小均使长桩承担荷载减少，短桩和桩间土 承担荷载、桩顶刺入褥垫层深度以及基础沉降均相应增加。 ( 3 ) 褥垫层厚度的增大和弹性模量的减小均能使短桩的荷载分担比随荷载增加的 速率增大，以充分发挥短桩承载作用。 ( 4 ) 褥垫层内摩擦角在3 0 。一5 0 。时对长短桩复合地基工作特性的影响较小，内摩 擦角2 0 。时，褥垫层的流动现象明显，不宜做为褥垫层材料。 关键字：长短桩复合地基；褥垫层；沉降；桩土应力比；荷载分担比；桩顶刺入量； f l a c ；数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 mm a bs t r a c t a so n eo fk e yt e c h n i q u eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，c u s h i o nw a s n tr e s e a r c h e dd e e p l yb y e x p e r t sb o t h a th o m ea n da b r o a d s oc u s h i o nd i d n th a v em a t u r ed e s i g nt h e o r ya n d c o m p u t i n gm e t h o d t h er e s e a r c ha b o u tr o l ea n di m p a c tf a c t o ro fc u s h i o ni sv e r yi m p o r t a n t b e c a u s et h el o n g s h o r t - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni san e wf o r mo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h i st h e s i s s y s t e m a t i c a l l y r e s e a r c h e dc u s h i o nm e c h a n i s mo fa c t i o na n de f f e c t st o c h a r a c t e r i s t i c so ft h el o n g s h o r t - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h i sr e s e a r c hh a sg r e a ti m p o r t a n t f o rc u s h i o nr a t i o n a ls e t t i n g ，c u s h i o nm a t e r i a ls e l e c t i o na n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o nd e s i g n i n g t h e r ea r ed i f f e r e n tf o r m so ft h el o n g - s h o r t - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n s t k st h e s i sm a i n l y s t u d i e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t l lr i g i d f l e x i b l ea n dl o n g - s h o r tp i l e s ： 1 l i t e r a t u r es u m m a r yo fc u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na b o u tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n , t h e l o n g - s h o r t p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dc u s h i o nt e c h n i q u e 2 a n a l y s i sm e c h a n i s mo fc u s h i o na n ds u m m a r i z e de m p i r i c a lf o r m u l af o rp e n e t r a t i o na t c a pu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dc u r v ef i t t i n g e x p l o r e dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h e l o n g - s h o r t - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ns t r e s sr a t i oo fp i l et os o i la n dl o a ds h a r i n gr a t i o 3 f e a s i b i l i t yv e r i f y i n gt e s t so ff l a c 3 dc a l c u l a t i o np r o g r a mi nt h el o n g - s h o r t p i l e l c o m p o s i t ef o u n d a t i o ns t u d yb a s e do ne n g i n e e r i n ge x a m p l e w i mt h ef l a c 3 dc a l c u l a t i o n p r o g r a m ，t h i sr e s e a r c hs t u d i e de f f e c t so fc u s h i o nt h i c k n e s s ，e l a s t i cm o d u l u sa n da n g l eo f i n t e r n a lf r i c t i o nt ot h el o n g - s h o r t - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ，s t r e s sr a t i oo fp i l et o s o i l ，l o a ds h a r i n gr a t i oa n dp e n e t r a t i o na tc a p o u rc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f o rt h ed e s i g no fl o n g - s h o r t - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no ft h ef o u r t hc h a p t e li n o r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t s ，w h i l eb e a r i n gc a p a c i t ya n dt om i n i m i z es e t t l e m e n t ，t h eb e s t c u s h i o nt h i c k n e s si s15 c m ( 2 ) i n c r e a s eo fc u s h i o nt h i c k n e s sa n dd e c r e a s eo fe l a s t i cm o d u l u sm a d el o n gp i l et o b e a rl o a dd e c r e a s e d i n c r e a s eo fc u s h i o nt h i c k n e s sa n dd e c r e a s eo fe l a s t i cm o d u l u sm a d e s h o r tp i l ea n ds o i lt ob e a rl o a di n c r e a s e d ，p e n e t r a t i o na t c a pc u s h i o nt h i c k n e s sa n d f o u n d a t i o ns e t t l e m e n ti n c r e a s e d ( 3 ) i n c r e a s eo fc u s h i o nt h i c k n e s sa n dd e c r e a s eo fe l a s t i cm o d u l u sm a d es h o r tp i l el o a d s h a r i n gr a t i oi n c r e a s e dw i t hl o a di n c r e a s e ，i tm a d es h o r tp i l ep l a yi t sf u l lr o l e ( 4 ) c u s h i o na n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o nh a ss m a l le f f e c t0 1 1t h el o n g s h o r t p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nw h e nt h ea n g l eb e t w e e n3 0d e g r e ea n d5 0d e g r e e w h e na n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o n i s2 0d e g r e e c u s h i o nt a i l tb eu s e db e c a u s ei ti sf l o w k e yw o r d ：t h el o n g s h o r t p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；c u s h i o n ；s e t t l e m e n t ；s t r e s sr a t i oo fp i l e t os o i l ；l o a ds h a r i n gr a t i o ；p e n e t r a t i o na tc a p ；f l a c ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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 不保密可使用本授权书。 一虢专傅牟 b 强： 刁 侈王弓i 指导老师签名： 日期：2 0 e r 弓 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 理论分析长短桩复合地基褥垫层的作用，总结桩顶刺入褥垫层深度的经验公式， 探讨长短桩复合地基桩土荷载分担比的计算方法； 2 通过数值模拟计算，得到褥垫层参数对长短桩复合地基沉降、桩土应力比以及 荷载分担比的影响。 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说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 签名嘻菏筝 日期：2 , o i o ，弓7 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 概述 地基处理技术在我国的发展可以追溯到很早以前，我们的祖先第一次使用灰土垫 层的日期估计已难以考证。在人类历史发展过程中，随着土木工程的发展，地基处理 技术也在不断的发剧。 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) 和增强体两部分组成的人 工地基【2 】o 目前我国工程建设中应用的复合地基形式可以从下述四个方面来分类：( 1 ) 增强 体设置方向；( 2 ) 增强体材料；( 3 ) 基础刚度以及是否设置垫层；( 4 ) 增强体长度。 根据地基中增强体的方向，复合地基可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体 复合地基两大类。竖向增强体复合地基习惯上称为桩体复合地基。根据桩体材料性质 桩体复合地基又可分为散体材料复合地基和粘结材料桩复合地基，粘结材料桩体复合 地基根据桩体刚度大小又可分为柔性桩复合地基和刚性桩复合地基两类。在形成桩体 复合地基中，竖向增强体可以采用相同长度，也可以采用不同长度，采用不同长度时 就形成了长短桩复合地基形式。在荷载作用下，地基中的附加应力随着深度的增加而 减少，为了更有效地利用复合地基中桩体的承载能力，可以采用沿深度变强度和变模 量的长短桩复合地基。长短桩复合地基的形式很多，长桩和短桩可以采用同一种桩型， 也可以采用不同的桩型。一般来说，短桩采用散体材料桩和柔性桩，如碎石桩、水泥 土搅拌桩、石灰桩等，主要是对浅层土体进行处理，减小浅层的应力集中，而提高地 基的承载力；长桩多采用刚度较大的桩，如c f g 桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢管 桩等，在增加地基承载力的同时更重要的是通过桩身将荷载传递到地基深处以减小压 缩层变形，控制整体的沉降。 长短桩复合地基主要是将刚性长桩与刚性、半刚性或柔性短桩相结合，充分发挥 其各自特点，对地基进行综合处理。长短桩复合地基的形式很多，长桩和短桩可以采 用同一种桩型，也可以采用不同的桩型。一般来说，较短的桩采用散体材料桩和柔性 桩，如碎石桩、水泥土搅拌桩、石灰桩等，主要是对土体进行处理，减小浅层的应力 集中，提高其承载力；较长的桩多采用刚度较大的桩，如c f g 桩、混凝土桩、钢筋混 凝土桩、钢管桩等，在增加地基承载力的同时更重要的是通过桩身将荷载传递到地基 深处以减小压缩层变形，控制整体的沉降。本文研究的是刚性长桩和柔性短桩的复合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( b ) i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i ! ! ! ! ! i ( d ) a ) 竖向增强体复合地基；b ) 水平增强体复合地基； c ) 斜向增强体复合地基；d ) 长短桩复合地基 图卜1 复合地基形式示意图 1 2 研究现状 1 2 1 复合地基研究应用现状 二十世纪三十年代德国人研制出世界上第一台振冲器，用于振冲挤密砂土地基， 随后又改进发明振冲碎石桩工艺，由此带动了复合地基的发展。 二十世纪五十年代，天津大学范思馄教授用石灰桩加固地基，并做了初步理论研 究，但限于当时水平，只用于处理荷载水平不高的二三层建筑。 二十世纪六十年代，日本学者提出复合地基的概念，当时是指一种计算砂井地基 的数学模型，并第一次提出了复合地基是由桩土共同承担上部荷载的思想，为今后复 合地基的理论发展奠定了基础。 二十世纪七十年代，复合地基在我国得到突飞猛进地发展。1 9 7 7 年，水利部南京 水利科学研究所和交通部水运规划设计研究院共同研制了第一台振冲水冲器，并成功 应用。同年，冶金部建筑设计总院和交通部水运规划设计研究院进行深层搅拌法的试 验和设备研制工作。从此，振冲法以及深层搅拌法在我国大规模的使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 二十世纪八十年代，我国科研人员在吸收国外技术的基础上研制开发了多种复合 地基新技术。中国建筑科学院地基所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，与桩间土、褥垫 层一起形成复合地基。 最近二十年来，复合地基理论和实践在我国得到了很大的发展。1 9 9 0 年在河北承 德，中国建筑学会地基基础专业委员会在黄熙龄院士主持下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全国复合地基理论与实践学术讨论会，并 出版了论文集，总结成绩、交流经验，共同探讨发展中的问题，促进了复合地基理论 和实践水平的进一步提高。近年来复合地基理论研究和工程实践日益得到重视，复合 地基技术在我国各地得到广泛的应用，复合地基在我国已成为一种常用的地基基础形 式【2 】- f 4 】。 目前我国应用的复合地基类型主要有：由多种施工方法形成的各类砂石桩复合地 基、水泥土桩复合地基、低强度桩复合地基、土桩、灰土桩复合地基、钢筋混凝土桩 复合地基、薄壁筒桩复合地基、加筋土地基等。目前复合地基技术在房屋建筑( 包括 高层建筑) 、高等级公路、铁路、堆场、机场、堤坝等土木工程建设中得到广泛应用。 复合地基技术的推广应用产生了良好的社会效益和经济效益。 1 2 2 长短桩复合地基研究应用现状 1 2 2 1 国外研究现状 a l a m g i r 等1 5 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。 s t e w a r t 6 】以某工程为背景，采用对试验段采取现场测试和数值分析的方法，对复 合地基性状进行了研究，分析了桩体模量和强度、土体模量、置换率对桩土应力比和 地基土体侧向位移的影响。 h i r o s h i 掣7 】针对悬桩和端承桩二种情况，分别提出了路堤荷载下低置换率水泥搅 拌桩复合地基设计计算方法。其中对于悬桩情况，仍采用刚性基础下复合地基的复合 模量法；对于端承桩情况，则根据模型试验结果提出假设的桩顶和桩间土荷载分担比 例，然后再分别计算桩顶沉降和桩间土沉降。并通过数值分析和工程实践对该方法进 行了对比验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 s t e w a r t 等瞵j 对桩承式路堤的土拱效应以及土拱比的计算方法进行了归纳总结，指 出上述方法均未考虑桩间土的压缩性，并采用数值方法分析了桩间土压缩性对土拱比 的影响。 m u i r w o o d 等【9 】通过对碎石桩复合地基进行室内模型试验，分析了桩径、桩长、桩 距等参数变化对其工作性状的影响，并用数值模拟验证了实验结论。 1 2 2 2 国内研究现状 朱小友等【lo j 基于某高层建筑的钢筋混凝土桩承载力未达到设计要求，提出运用承 台与桩和土共同工作的原理实施用半刚性的小短桩( 相对于原混凝土桩而言) 补强原 基桩的方案，通过采用水泥粉喷桩成功补强原基础，实践证明这种二元组合桩基作为 桩基补救处理措施可行性。 刘吉福等【l i j 通过一个由沉管灌注桩、深层搅拌桩和褥垫层组成的复合地基工程实 例，指出褥垫层在复合地基中的重要作用。 郭培红l l2 j 利用在原有建筑的沉管灌注桩地基上，通过增加水泥搅拌桩的方法，解 决了旧房拆除后原旧桩基上新建房屋的基础设计的问题。 吴建华等【l3 j 提出了刚性桩和柔性桩共同组合的复合地基承载力标准值的计算公 式，并通过静荷载试验方法来确定公式系数。 吴慧吲1 4 j 利用a l g o r 有限元程序，对不同刚度基础下复合地基位移场和应力场 进行分析。通过现场模拟试验和有限元分析发现，在基础刚度较小的情况下，复合地 基中桩和桩间土不再满足协调变形，对复合地基的承载力和沉降变形得出了一些定性 的观点，并对柔性基础下复合地基的设计进行探讨。 戴浩等1 15 j 认为尽管刚柔性桩复合地基技术还不够成熟，但对于土层多样性而言， 特别是房屋的增层改造中对原有地基基础的进一步加固处理方面应用前景较好。 应永法等【1 6 】针对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基各自的优点和缺点，构想出复 合桩地基，并认为该复合桩地基设计可按常规刚性桩基础进行，在此基础上提出承载 力和变形的计算公式，但该强度公式未考虑变形协调的问题，变形公式按刚性桩和柔 性桩各自承担的荷载比例分配沉降。 马骥1 1 7 】阐述了长短桩复合地基的设计思想，介绍了长短桩复合地基承载和变形的 计算方法，并对设计中有关设计参数进行了分析。 石旭光【1 8 j 利用a l g o r 有限元分析程序对由一根刚性桩和四根柔性桩构成的刚柔 性桩复合地基承载和变形进行分析。 张忠苗等l l 叫对由两根刚性桩和两根柔性桩构成的刚柔性桩复合地基进行有限元 分析，并结合工程实例对刚性桩、柔性桩以及注浆加固后桩间土组合复合地基进行研 究，得出注浆后刚柔性桩复合地基承载力提高显著，沉降量明显减少的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 王经雨【2 0 】对混凝土桩、碎石桩、土构成的复合地基进行三维弹塑性分析，研究其 受力变形特性。 杨军龙【2 l j 探讨了长短桩复合地基沉降计算模式，以及建立了复合地基沉降计算简 化公式。 葛忻纠2 2 】利用有限元对同等地质条件下的长短桩、全长桩、全短桩和天然地基的 情况进行了应力、变形的对比分析，认为长短桩复合地基在有效减小建筑物沉降量的 同时，可降低基础沉降差，使基础受力更均匀。 郭志强【2 驯通过一个由夯实水泥土桩和c f g 桩构成的组合桩型复合地基工程实例， 说明采用组合桩型复合地基既可消除地基土层的湿陷性，又能获得较高的承载力。 刘奋勇等人【2 4 】通过c f g 桩和水泥土桩混合桩型复合地基现场载荷试验测定了不同 桩型及桩间土上的应力，分析了这种新型复合地基的桩土应力比的变化规律及破坏模 式，并通过与邻近的桩间土及单桩静载试验结果进行对比，对混合桩型复合地基中各 类桩及桩间土的承载力折减系数及其影响因素进行分析。 巨玉文等【2 5 j 结合工程实例针对石灰搅拌桩和c f g 桩复合地基进行室内试验、现场 载荷试验及非线性有限元分析，探讨柔性桩复合地基和半刚性桩复合地基受力、变形 性能的不同所在，指出桩体刚度的变化是影响复合地基承载特性的重要因素，进而提 出区分这两类复合地基的大致界限范围。 徐新跃【2 6 】提出刚柔组合桩复合地基及其复合模量的基本概念、承载力及复合模量 的计算方法和检测方法。 周德泉等【27 j 为组合桩型复合地基在具体工程中要结合基础类型、荷载大小、场地 地质条件和环保要求，合理选择褥垫层和桩体材料、施工工艺、尺寸和布局，使设计 的地基基础满足强度、变形和稳定性要求。 张世引2 8 】参照复合桩基沉降计算方法，提出了刚柔性桩复合地基沉降计算的简化 办法，即在修正应力法的基础上，假定刚性桩实际承载力达到极限承载力极限值来计 算沉降。 尚新生等【2 9 】对多元复合地基桩土应力比分析进行研究，他们从单桩与桩间土的荷 载沉降曲线出发，采用荷载沉降的双曲线模型，给出了多元复合地基桩土应力比的解 析解。通过分析表明，桩土应力比随荷载的变化形式有3 种，具体的变化形式与桩、 桩间土的初始切向压缩模量和极限承载强度有关。 陈龙珠等1 3 0 】提出用柔性短桩处理浅层软弱土、刚性长桩控制沉降、褥垫层调整和 改善桩土应力分担比的带褥垫层刚柔性桩复合地基形式。通过进行现场实测数据表 明，在垫层的作用下，桩土荷载分担在加载初期的弹性阶段近似按各自的相对刚度分 配，随着上部荷载的增加，浅层地基土和柔性桩逐渐进人非线性状态，新增荷载主要 由刚性桩来承担。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 梁发云掣3 1 j 基于虚拟桩模型，采用积分方程法对混合桩型复合地基进行分析，以 w i n k l e r 分布弹簧模拟垫层的作用，建立方程组，通过数值计算得到包括垫层压缩量、 桩土的荷载分担、沿桩身的荷载传递特性以及地基土应力分布等主要性状。 王明山等人【3 2 】在研究多桩型复合地基承载性状时，以主桩采用c f g 桩，辅桩采用 振动沉管灌注桩的多桩型复合地基的工程实例，研究主控桩桩顶应力、辅桩桩顶应力 与桩间土应力的变化规律。认为多桩型复合地基设计中，可考虑将辅桩桩身材料强度 设计得低些，将主控桩桩身材料强度设计得高些。 郑刚掣3 3 】对刚性桩复合地基褥垫层的工作机理进行分析，并据此设计桩竖向刚度 很大的刚性桩复合地基模型试验，进行桩顶进入不同厚度褥垫层的复合地基试验，研 究刚性桩复合地基褥垫层在竖直荷载作用下的工作性状。 倪光乐等【3 4 】和苏克之掣3 5 j 针对目前刚性桩复合地基现行设计方法的不足，根据刚 性桩复合地基桩土的荷载分担规律，提出一种综合考虑力的平衡和变形协调的刚性桩 复合地基设计新方法。同时通过对广东不同地区不同类型刚性桩复合地基进行压板和 原型测试，获得桩土应力变化规律。 王士杰等【3 6 】将碎石桩与c f g 桩组成的多桩型复合地基用于沿海软土地基的处理， 探讨其加固机理。通过多桩型复合地基载荷试验，测定不同桩型及桩间土上的应力， 分析这种新型复合地基的桩土应力比的变化规律。 朱小军等1 37 j 通过在室内模型试验的基础上，对长短桩组合桩基础的荷载与沉降的 关系、桩侧摩阻力分布、桩身内力以及长短桩组合桩基础中长桩和短桩承载力发挥状 况等问题进行了分析，得到一些规律性的结论。 刘杰等1 3 8 j 探讨了碎石桩复合地基的承载力、加固区压缩量与桩周土塑性区展开半 径的关系，在基于碎石桩与桩周土的竖向位移相等、侧向变形协调与连续的条件下， 利用弹塑性理论对碎石桩复合地基的承载及变形性状进行了分析研究，推导出作用在 复合地基上的荷载、碎石桩所分担的荷载及加固区压缩量与桩周土塑性区半径的关系 的系列解析算式。 刘冬林等【j 州针对高层建筑筏板荷载分布特点，采用内密外疏布桩和仅在筏板中心 布桩方式，通过现场模型试验分析筏板沉降、桩端平面以下地基沉降和筏板外侧地面 沉降、筏板下桩土反力分布、桩土荷载传递及桩土荷载分担比，研究工作荷载下不同 布桩方式降低筏板差异沉降的效果。 仇亮等【4 0 j 以剪切位移法为基础，假定桩周摩阻力与桩土相对位移之间为弹塑性关 系，推导柔性基础下刚性桩复合地基的沉降计算公式，探讨桩顶沉降、桩身应力、桩 周摩阻力、中性层等分布规律，并将中性层位置及桩端应力等计算结果与有限元及差 分计算结果比较，得到相一致的结论，证明所采用方法的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 俞建霖等【4 l j 采用数值方法，考虑复合地基、垫层和基础之间的共同作用，对柔性 基础下刚性桩复合地基桩侧摩阻力、桩身轴向应力、桩端刺入变形等工作性状进行研 究，讨论基础弹性模量、基础高度、基础宽度、桩体弹性模量、置换率、土体弹性模 量等因素对复合地基工作性状的影响。 1 2 3 复合地基褥垫层技术研究现状 韩煊掣4 2 j 利用数值试验方法，研究了四种模量代表性群桩复合地基( 极柔性桩、 一般柔性桩、半刚性桩、刚性桩) 施加褥垫层后的承载性状，分析褥垫层在复合地基 中的加固机理与作用。提出利用褥垫层对复合地基承载力进行优化的基本方法和思路。 郭红梅等1 4 3 j 结合工程实例介绍夯实水泥土桩与高压灌注桩组合进行地基处理方 法，认为通过合理布桩，并设置砂石褥垫层来协调两种桩及桩间土受力与变形的组合 型复合地基是可行的。 张忠苗等】研究了不同垫层材料对刚柔复合桩基受力变形性状的影响，采用有限 元程序分析垫层对均布荷载作用下刚柔组合桩基的影响，结合工程实例对不同垫层材 料的刚一柔4 桩复合承台荷载板试验，分析了刚柔复合桩基中垫层、基础板所起到的应 力平衡和变形协调作用。 李进军等1 4 5 j 通过对桩土应力比与褥垫层厚度关系的理论推导分析，并采用在水泥 土桩单桩复合地基载荷试验中设置不同厚度褥垫层的方法，得到褥垫层作用下桩土应 力比的分布规律，此分布规律与理论分析一致。该研究为复合地基褥垫层合理厚度的 设置及复合地基优化设计提供了依据。 朱世哲等【4 6 】对带垫层的刚性桩复合地基桩土应力比的计算方法进行研究，同时考 虑桩顶刺入垫层和桩端刺入下卧层的情况，并分别假设了垫层为理想弹性体和理想弹 塑性体两种情况进行讨论，随后对计算公式进行分析，从理论上分别论证各种因素对 桩土应力比的影响。 周龙翔等【47 】研究了复合地基褥垫层的作用及其最小厚度的确定，认为褥垫层下复 合地基桩间土的沉降大于桩体的沉降，并由褥垫层的受力机理导出计算刚性结构层下 褥垫层最小厚度的理论公式。 乔京生等1 4 8 j 用数值模拟的方法研究褥垫层厚度模量变化对复合地基应力场的影 响，褥垫层厚度对桩土荷载分担影响较大，厚度越大土分担的荷载越多，但如果厚度 太大，土分担荷载过多时，桩体便失去意义，故厚度般取0 1 0 3 m 为宜；褥垫层模 量越大，桩分担荷载越多。适当减小褥垫层模量，有益于降低地基的应力集中现象。 楼晓明掣4 9 j 提出用迭代法分析带垫层刚性桩复合地基荷载传递特性计算方法。将 大规模群桩复合地基中的任意一根桩及其周围的桩问土看作一个存在相互作用力的柱 杆系统，单个柱杆用荷载传递法分析，柱杆之间的相互影响用迭代法分析，讨论了桩 土应力比随垫层厚度、垫层模量、桩间距和桩间土模量等因素的变化规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 朱奎等【5 0 】【5 】研究了带褥垫层刚柔性桩复合地基这种新型复合地基桩土共同作用 特征，采用刚柔性复合地基的工程开展静荷载试验研究。分析复合地基q s 曲线呈缓 变形，承压板底土反力分布呈现出中部大边缘小的形态以及土应力在桩端平面出现应 力增大现象。 王中士等1 5 2 j 研究了褥垫层对c f g 桩复合地基沉降的影响，从理轮上探讨褥垫层的 作用机理，指出褥垫层要发挥其应有的作用就需要具有一定的厚度和模量。通过现场 原位试验分别研究褥垫层的模量和厚度对桩侧负摩擦区长度、桩土应力比及桩间土作 用力的影响。 王兵等【5 3 j 通过现场静载荷试验，研究了不同厚度、不同材料的褥垫层对夯实水泥 土单桩及多桩复合地基承载特性的影响，试验结果表明，随垫层厚度的增加，桩身分 担荷载的比例逐渐减小，而桩间土分担荷载的比例却逐渐增大，表现为桩土应力比随 垫层厚度增加而降低的特点。 1 3 本文研究思路与主要工作内容 根据长短桩复合地基和褥垫层技术的理论研究和应用现状，本文拟做以下研究工 作： ( 1 ) 总结国内外关于褥垫层技术对桩土应力比影响的理论研究，分析各种桩土应 力比计算公式，比较各种计算方法的优缺点，通过数值模拟数据拟合桩项刺入褥垫层 深度计算公式，并从变形协调出发探讨长短桩复合地基中桩土荷载分担比的计算方法。 ( 2 ) 简要介绍有限差分法原理以及快速拉格朗目差分分析( f l a c 3 d ) 程序的功能 与使用，并通过工程实例分析，检验f l a c 3 d 程序用于长短桩复合地基分析的可行性。 ( 3 ) 通过数值模拟试验，利用f l a c 3 d 程序对长短桩复合地基进行大量三维弹塑 性分析，调整褥垫层参数( 厚度、模量以及内摩擦角) 找出基础沉降、桩土荷载分担 比、桩土应力比以及桩项刺入褥垫层深度的变化规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章褥垫层作用机理与桩土应力比计算方法 2 1 复合地基置换率、桩土应力比、桩土荷载分担l l 白, o 概念 2 1 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4 和复合土体单元面积a ( 复合土体桩间土面积与桩的断面面 积之和) 之比，称为面积置换率，并用聊表示： 聊= a j 口a( 2 1 ) 实际工程中，由于地基土岩性的变化、上部结构荷载的不均匀性，以及基础平面 尺寸等因素的影响，不可能整个基础下面都是等间距布桩。对只在基础下布桩的复合 地基，桩的断面面积之和与地基总面积相等的复合土体面积之比，称为平均面积置换 率。 长短桩复合地基有两种桩型，其长度和刚度都可能不同，用所。和所，分别表示长桩 和短桩的置换率。长桩的断面面积为知，短桩的断面面积为么，则 聊= 彳a ( 2 - 2 ) 聊，= 彳彳 ( 2 3 ) 2 1 2 桩土应力比 对一复合土体单元，在荷载作用下，桩和桩间土受力，用仃p 表示桩顶应力，用仉 表示桩间土表面应力。则桩土应力比疗为 , = 仃p 仉 ( 2 4 ) 实际工程中由于长短桩复合地基中，长桩和短桩桩顶应力不一样，分别取长桩和 短桩的平均桩项应力仃和o p f 与桩间土平均应力之比为长桩、土应力比n ，和短桩、土 应力比r t ：，即 ，z ，= o p r 万。 ( 2 5 ) 所= c r p f 仃s( 2 6 ) 2 1 3 桩土荷载分担比 复合地基中，桩土的荷载可用桩土应力表示，也可用桩土荷载分担比表示： 长桩荷载分担比万，= p d p ( 2 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 短桩荷载分担比占产厅p ( 2 8 ) 土荷载分担比蠡= 只p( 2 - 9 ) 式中p ，一长桩承担的荷载； 尸，一短桩承担的荷载； 只一土承担的荷载； 尸一总荷载。 荷载分担比是标志刚柔性长短桩复合地基桩土共同作用程度的重要参数，它表征 了复合地基各组成部分承载力状况，同时，复合地基中桩土荷载分担比的变化会引起 沉降的变化【5 4 】。 2 2 长短桩复合地基中长桩、短桩的作用 实际工程中桩的作用有两个：提供承载力和控制沉降。合理的桩基设计应该是根 据使用桩基的不同目的而对桩加以不同的利用。长短桩复合地基考虑了桩的两种作用 的发挥效率，分别让不同的桩承担不同的作用，以减少工程量，达到优化设计的目的。 在长短桩复合地基中，长桩称为主桩，短桩称为次桩。长桩多采用刚度较大的桩， 如c f g 桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢管桩等。短桩多采用散体材料桩和柔性桩， 如碎石桩、水泥土搅拌桩、石灰桩等。 2 2 1 长桩作用 长桩的作用有：提高地基承载力、控制沉降量，其中控制沉降量是长桩最主要的 作用。长桩将荷载通过桩身传递到地基深处，以减小压缩层变形，达到控制沉降作用。 同时刚性长桩对柔性短桩起到保护作用，并与短桩一起抑制地基周围土体的破坏。但 就沉降而言，所需桩数并不多f 5 5 】，图2 1 为采用长桩时基础沉降与长桩数的关系。可 以看出，5 9 根长桩时，即能有效地控制基础沉降，再增加长桩对沉降控制而言效果不 明显。 5 0 0 4 0 r 1 至3 0 0 辫 釜黜 l o o ( ) 05 0l ( r 91 5 0 2 0 0 长桩数量根 图2 1 基础沉降与长桩数的关系曲线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 2 2 短桩作用 短桩主要作用是对浅层土体进行处理，提高其承载力，但根据地基土的物理力学 性质的不同以及采用短桩的材料不同，在长短桩复合地基中的作用可分为两类： 1 、当地基为较厚的软弱土层时，采用短桩对该区域土层进行加固，可提高基底软 弱土层的承载力，改善土的工程性质。如采用水泥土搅拌桩，水泥土抗压强度、抗剪 强度、变形模量等指标分别比天然软土提高数十倍至数百倍。若采用碎石( 砂) 桩等散体 材料桩作为短桩加固土层，散体材料形成的桩体本身就是良好的排水通道，软土中的 水经桩体排出，可以加速地基土的排水固结，从而提高地基的承载力。 2 、当地基中存在上、下两层较为理想的持力层时，为充分发挥上下两层桩端持力 层的作用，可将长、短桩分别落在上、下两层较为理想的持力层上，短桩提高复合地 基的承载力，长桩控制沉降，在满足设计要求的同时减少地基处理的工作量。 2 3 褥垫层技术 褥垫层技术是长短桩复合地基中的一个核心技术，复合地基的许多工程特性都与 褥垫层有关。褥垫层是由粒状材料组成的散体垫层，一般由砂、碎石或砂与碎石的混 合体组成。 2 3 1 褥垫层的作用 ( 一) 保证桩、土共同承担荷载 若基础下面不设置褥垫层，基础直接与桩和桩间土接触，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。 如果桩端落在坚硬土层或岩石上，桩的沉降很小，桩上的荷载向土上转移的数量 很小，桩间土承载力很少发挥。 在基础下设置一定厚度的褥垫层，情况明显不同，即使桩端落在好的土层上，也 能保证一部分荷载通过褥垫层作用在桩间土上。 ( 二) 调整桩、土荷载分担比 当不设褥垫层时，复合地基的桩、土应力比很大，桩分担的荷载相当大。当褥垫 层设置很厚时，桩、土应力比接近于1 ，此时桩的荷载分担比很小，并有艿p 聊。桩、 土荷载的分担与褥垫层厚度密切相关。 图2 2 和图2 3 反映了在单一桩型中褥垫层对桩土应力比的影响【5 7 1 ，随着褥垫层厚 度的增加，桩土应力比逐渐降低；随着褥垫层刚度的增加，桩土应力比逐渐增加，当 褥垫层刚度的增加到某一值后，桩土应力比增加就很微弱，此时褥垫层就不能起到调 整桩土应力比的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 1 0 8 蓑6 ：爿 14 2 o 1 02 0 3 04 0 5 0 褥挚层厚度e m 图2 2 单一桩型中褥垫层厚度对桩土应力比的影响 1 ( ) ) 1 0 61 o o 1 0 81 0 0 1 0 i o1 0 0 10 1 2 褥挚层刚度p a 图2 - 3 单一桩型中褥垫层刚度对桩土应力比的影响 ( 三) 减小基础地面的应力集中 当不设褥垫层时，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。当褥垫层厚度增大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布。 ( 四) 调整桩、土水平荷载的分担 当不设褥垫时，水平荷载主要由桩承担，桩间土分担的很少，随着褥垫层厚度的 增加，桩承担的水平荷载越来越少，而土承担的水平荷载越来越多。当褥垫层厚度增 大到一定程度后，此时桩受的水平荷载很小，水平荷载主要由桩间土承担。 ( 五) 褥垫层对沉降的影响 褥垫层厚度、模量的变化影响着地基的沉降，图2 4 和图2 5 表明，当褥垫层厚度 增加时，地基的沉降也增加；地基沉降随着褥垫层模量增加而减小，当褥垫层模量增 大到一定程度后，地基沉降基本保持在某一定值。这是因为褥垫层厚度、模量的变化 都影响着桩土荷载分担比，当土所承担的荷载较多时，沉降就增大。反之，当全部荷 载都由桩承担时，沉降就较小，并为定值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 2 褥垫层的模量 图2 - 4 褥垫层厚度对沉降的影响 褥垫层模量的变化对复合地基性状产生了很大的影响。褥垫层模量增大可以有效 地降低褥垫层的压缩量，并增加刚性桩的荷载承担比，减少地基总沉降，见图2 4 。刚 性桩桩身应力随着垫层模量的增加而增加，同时也加剧了刚性桩桩身应力的集中程度； 对于柔性桩而言，褥垫层模量的降低可以更充分地发挥柔性桩的承载力；长短桩应力 比则随着垫层模量的变化而非常敏感。 i 0 0 1 0 7 i 0 0 1 ( 】1 1 1 0 0 1 ( ) 9 1 0 0 10 1 0 1 0 0 1 0 1 11 0 0 1 0 j 2 褥挚层刚度p a 2 3 3 褥垫层的合理厚度 图2 5 褥垫层刚度对沉降的影响 如果褥垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲 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。而且褥垫层厚度过小，桩间土承载能力就不能充分发挥，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 沉降量较小。 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。而且褥垫层厚度大，能够充分发挥桩间 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 土的承载能力，可以减少桩的数量，降低成本。 若褥垫层厚度过大，会导致桩、土应力比等于或接近于1 。此时桩承担的荷载太少， 实际上复合地基中桩的设置已失去意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地 基有较大地提高，而且建筑物的变形也大。 综合以上分析，褥垫层就存在合理厚度的问题，如何确定褥垫层的合理厚度是褥 垫层技术的一个关键问题。 2 4 褥垫层破坏模式分析 2 4 1t e r z a g h i 破坏模式 当褥垫层足够厚，其厚度d 芝力( t e r z a g h i 破坏模式滑动面厚度) ，垫层发生整体 剪切破坏的，就可能发生t e r z a g h i 破坏模式