（岩土工程专业论文）格栅套筒加筋碎石桩复合地基承载力计算方法研究.pdf

t h er e s e a r c ho nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o df o rg e j l g r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n b y c h e nq i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a o m i n g h u a d e c e m b e r ，2 0 1 0 6舢7嗍2 709 川川-y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 强及 日期：沙11 年多月7 日 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。本人授权湖南大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：陈厌日期：2 , 0 1 1 年多月c i e l 刷币纱弋嗍唧f l q ”日 格栅套简加筋碎石桩复合地基承载力分析与计算 摘要 碎石桩因其取材方便、施工简单、造价低廉，具有提高地基承载力、加速软 基固结沉降等作用而在软基加固工程中得到广泛运用。竖向荷载作用下，当桩周 土体强度较低而不能提供足够的侧向约束力时，碎石桩极易发生侧向鼓胀而导致 整个复合地基失效。已有研究表明：碎石桩侧向鼓胀变形易发生在距桩顶1 3 倍 桩径深度范围内。为充分发挥碎石桩承载潜能及其优势，可以考虑在碎石桩桩顶 附近一定深度范围内包裹土工格栅套筒以形成加筋碎石桩，有效控制桩体鼓胀变 形，从而提高碎石桩单桩承载力及复合地基承载力。本文正是基于此种理念出发， 引出加筋碎石桩复合地基概念并对其承载特性及承载力计算方法进行研究。 本文首先对碎石桩复合地基加固机理进行分析，归纳土工格栅套筒加固碎石 桩的承载特性和变形特征，探讨加筋碎石桩复合地基的荷载传递机理。在此基础 上，进一步分析加筋碎石桩复合地基垫层的作用机理，探讨路堤等柔性荷载下， 加筋碎石桩桩间土垫层共同工作的原理。 其次，探讨桩侧摩阻力与桩土相对变形的关系，进而根据桩土垫层变形协 调条件，引入“中性点 概念，基于荷载传递法，假定桩与桩间土均是理想线弹 性体，桩侧正、负摩阻力均沿桩长均匀分布，导得了可以综合考虑桩侧正、负摩 阻力，桩体上、下刺入变形以及桩径、桩长和土层性质等影响因素的加筋碎石复 合地基桩土应力比计算新公式。 再次，通过对比普通碎石桩和土工格栅套筒加筋碎石桩复合地基的受力变形 特点，探讨加筋碎石桩复合地基的几种单桩破坏模式。破坏模式一主要由格栅套 筒抗拉强度控制，破坏模式二由加筋段桩侧摩阻力和非加筋段桩鼓胀破坏前向上 提供的端承力共同控制。在此基础上，基于b r a u n s 单桩极限承载力计算理论，根 据极限平衡原理推导了不同破坏模式下加筋碎石桩单桩极限承载力计算公式。 最后通过某实际工程对加筋碎石桩复合地基进行设计计算，验证了本文关于 加筋碎石桩复合地基承载力的计算公式。并对影响加筋碎石桩复合地基承载特性 的相关参数进行了分析，探讨了不同破坏模式下加筋碎石桩复合地基的承载特性， 为相关设计和施工提供了可靠依据和可借鉴的经验。 关键词：加筋碎石桩；桩土应力比；极限平衡；破坏模式；土工格栅；极限承载 力 硕十学位论文 a b s t r a c t g r a v e lp i l ec a nr a i s et h ef o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t y ，a c c e l e r a t i n gt h es o f t f o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n tf o rt h ec o n v e n i e n tm a t e r i a l s ，s i m p l ec o n s t r u c t i o n a n dl o wc o s t ，s og r a v e lp i l ei su s e dw i d e l yi ns o f tf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n tp r o j e c t g r a v e lp i l eb o d y 。sf o r m a t i o na n dt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ep l a ya r es u b j e c tt ot h e l a t e r a lb i n d i n gl i m i t so fs o i l sa r o u n dt h ep i l e u n d e rv e r t i c a ll o a d ，w h e nt h es t r e n g t h o fs o i la r o u n dp i l ei sl o w e ra n dc a nn o tp r o v i d ea d e q u a t el a t e r a lb i n d i n g ，g r a v e lp i l e e a s i l yh a p p e nl a t e r a ld e f o r m a t i o na n dc a u s e dt h ew h o l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nf a i l u r e s t u d i e sh a v es h o w nt h a t ：g r a v e l p i l e d e f o r m a t i o ni s e a s i l yo c c u r r e di n l a t e r a l d e f o r m a t i o nf r o mp i l et o p1 - 3t i m e st h ed e p t ho fp i l ed i a m e t e rs c o p e i no r d e rt of u l l y e x e r tg r a v e lp i l eb e a r i n gp o t e n t i a la n da d v a n t a g e s ，c a nc o n s i d e rp a r c e l l i n gg e o g r i d s l e e v ea r o u n dt h eg r a v e lp i l et o pn e a rc e r t a i nd e p t hr a n g et of o r ms t i f f e n e dg r a v e lp i l e ， e f f e c t i v ec o n t r o lo fp i l el a t e r a ld e f o r m a t i o n ，s oa st oi m p r o v et h es i n g l ep i l eb e a r i n g c a p a c i t ya n dg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t y t h i sp a p e ri sb a s e d o nt h e c o n c e p to ft h a t ，t h ec o n c e p t o fg e o s y n t h e t i c e n c a s e d g r a v e lp i l e s i s p r o p o s e d ，a n dr e s e a r c h e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fg e o s y n t h e t i c - e n c a s e dg r a v e lp i l e s c o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e dr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fg r a v e lp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n a c c o r d i n g t ot h e g r a v e lp i l e s v e r t i c a la n dr a d i a ld e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ， c o n c l u d e d g e o s y n t h e t i c e n c a s e d g r a v e lp i l e sl o a d b e a r i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd i s c u s s e dg e o s y n t h e t i c e n c a s e d g r a v e lp i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n sl o a dt r a n s f e rm e c h a n i s m b a s e do nt h i s ，i tf u r t h e r a n a l y z e dt h ea c t i o nm e c h a n i s mo fc u s h i o no fg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，a n d d i s c u s s e dw o r kp r i n c i p l eb e t w e e np i l e - s o i l - c u s h i o nu n d e rt h el o a do fe m b a n k m e n te t c s e c o n d l y ，i nv i e wo fd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg e o s y n t h e t i c e n c a s e dg r a v e l p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，r e s e a r c h e dt h ee f f e c t i o no ff o u n d a t i o ns t i f f n e s s t ot h e u p w a r dp u n c t u r eo fp i l e s o nt h i sb a s i st oe x p l o r ef r i c t i o no fp i l e s i d ea n dp i l e s o i l d e f o r m a t i o n ，t h e na c c o r d i n gt o t h e r e l a t i o n s h i p o f d e f o r m a t i o n c o m p a t i b i l i t y c o n d i t i o nb e t w e e np i l e s o i l c u s h i o n i n t r o d u c e dt h ec o n c e p to f ”n e u t r a lp o i n t ”o nt h e b a s i so fl o a dt r a n s f e rm e t h o d ，t h ep i l e sa n dt h es u r r o u n d i n gs o i lw e r ea s s u m e dt ob e l i n e a re l a s t i cm a s s e s ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n so fp i l e - l a t e r a lf r i c t i o n sa b o v ea n du n d e rt h e i i i 一 格栅套筒加筋碎石桩复合地基承载力分析与计算 e q u a ls e t t l e m e n ts e c t i o nw e r ea s s u m e dt ob el i n e a ra l o n gt h ep i l e ，r e s p e c t i v e l y o nt h e b a s i so ft h ed e f o r m a t i o nc o o r d i n a t i o no fp i l e s o i l c u s h i o n a n dt h el o a dt r a n s f b r m e t h o d ，ac a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i ow a sp r o p o s e dt a k i n gi n t o c o n s i d e r a t i o no fp o s i t i v ea n dn e g a t i v es k i nf r i c t i o nr e s i s t a n c eo np i l e s t h eu p w a r d p u n c t u r ea n dt h eb o t t o mp u n c t u r ed e f o r m a t i o n so f p i l e s ，d i a m e t e ra n dl e n g t ho fp i l e s a n ds o i ll a y e rp r o p e r t y ，e t c a g a i n ，t h r o u g hc o m p a r i n gd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nc o m m o ng r a v e l p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n d g e o s y n t h e t i c e n c a s e dg r a v e lp i l e s c o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，s e v e r a lk i n d so ff a i l u r em o d e sw a si n v e s t i g a t e d f a i l u r em o d e1 i sm a i n l v c o n t r o l l e db yt h es t r e n g t ho fg e o g r i ds l e e v e ，a n df a i l u r em o d e2i sc o n t r o l l e db vt h e p i l e l a t e r a lf r i c t i o no fg e o s y n t h e t i c - e n c a s e ds t o n ec o l u m na n dt h e e n db e a r i n g c a p a c i t yo fc o m m o ns t o n ec o l u m nb e f o r et h ed a m a g eo fd r u md e f o r m a t i o n b a s e do n b r a u n s c a l c u l a t i o nt h e o r yo ft h eu l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l ep i l e ，a n d a c c o r d i n gt ol i m i te q u i l i b r i u mt h e o r yi nd i f f e r e n tf a i l u r em o d e sac a l c u l a t i o nf o r m u l a o ft h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fg e o s y n t h e t i c e n c a s e ds t o n ec o l u m n s w a sp r o p o s e d a n dt h el e a s tc a l c u l a t i o nr e s u l ti ns e v e r a ld i f f e r e n tf a i l u r em o d e si s a st h er e s u i to f e o s y n t h e t i c 。e n c a s e dg r a v e lp i l e s b e a r i n gc a p a c i t y f i n a l l y ，t h r o u g ha l ia c t u a lp r o j e c to fe o s y n t h e t i c e n c a s e dg r a v e lp i l e sc o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fb e a r i n gc a p a c i t yh a v eb ev e r i f i e do fr e a s o n a b l e t h e i n f l u e n c i n gf a c t o rt ob e a r i n gc a p a c i t yo fe o s y n t h e t i c e n c a s e d g r a v e lp i l e s c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw a sa n a l y z e d ，a n dl o a d b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c si nd i f 诧r e n t f a i l u r em o d e so fe o s y n t h e t i c - e n c a s e dg r a v e lp i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw a ss t u d i e d t op r o v i d er e l i a b l eb a s i sa n de x p e r i e n c ef o rt h er e l e v a n td e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：e o s y n t h e t i c e n c a s e dg r a v e l p i l e s ；p i l e s o i l s t r e s s r a t i o ；t h el i m i t e q u i l i b r i u m ；f a i l u r em o d e ；g e o g r i d ；t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 复合地基概述1 1 1 1 按增强体方向分类1 1 1 2 按照桩体材料分类2 1 1 3 按照桩体刚度或强度分类3 1 2 碎石桩复合地基发展简史4 1 3 土工合成材料简介及其在复合地基中的应用一6 1 4 加筋碎石桩研究进展1 0 1 5 本文研究内容：1 1 第2 章加筋碎石桩复合地基承载机理1 3 2 1 碎石桩复合地基加固机理1 3 2 1 1 碎石桩复合地基的工程特性1 3 2 1 2 加固砂性土地基原理1 5 2 1 3 加固粘性土地基原理1 6 2 2 加筋碎石桩复合地基荷载传递机理17 2 3 变形机理分析2 0 2 3 1 竖向变形机理2 0 2 3 2 径向变形机理2 1 2 4 加筋碎石桩复合地基垫层的效应2 3 2 4 1 桩体复合地基中褥垫层技术2 3 2 4 2 刚性基础下垫层的作用机理2 5 2 4 3 柔性基础下垫层的作用机理2 5 2 5 路堤荷载下桩土共同作用机理2 6 2 6 本章小结2 7 第3 章考虑桩体向上刺入的桩土应力比计算2 8 3 1 问题的提出与解决思路2 8 3 2 基础刚度对桩顶向上刺入变形的影响一2 8 3 3 加筋碎石桩复合地基桩土应力比分析一2 9 格栅套简加筋碎石桩复合地基承载力分析与计算 3 3 1 桩土应力比影响因素一2 9 3 3 2 常用桩土应力比计算方法3 l 3 4 考虑加筋桩上刺入变形的桩土应力比计算3 5 3 4 1 计算模型及基本假定3 5 3 4 2 基本方程的建立及求解3 6 3 4 2 1 中性点以上3 6 3 4 2 2 中性点以下3 8 3 4 2 3 中性点位置的确定3 9 3 5 本章小结4 0 第4 章加筋碎石桩复合地基承载力计算方法研究4 1 4 1 引言4 1 4 2 破坏模式分析4 2 4 2 1 普通碎石桩单桩破坏模式4 2 4 2 2 加筋碎石桩单桩破坏模式4 3 4 3 普通碎石桩承载力计算4 4 4 3 1 普通碎石桩承载力计算研究进展4 4 4 3 2 普通碎石桩单桩极限承载力计算常用方法4 7 4 4 加筋碎石桩单桩极限承载力分析与计算一5 2 4 4 1 土工格栅套筒被拉断破坏模式下的极限承载力公式推导一5 2 4 4 1 1 基本假定5 2 4 4 1 2 公式推导5 2 4 4 2 土工格栅套筒下方碎石桩鼓出破坏模式下的极限承载力公式推导5 3 4 4 2 1 基本假定5 3 4 4 2 2 公式推导5 3 4 4 3 破坏模式判断和单桩极限承载力取值5 6 4 5 本章小结5 7 第5 章工程应用实例5 9 5 1 工程概况5 9 5 2 设计计算5 9 5 2 1 处治方案和效果分析5 9 5 2 2 桩长及桩径确定一5 9 5 2 3 桩距确定6 l 5 2 4 桩体材料和格栅材料6 1 5 2 5 加固范围及布桩形式61 硕上学位论文 5 2 6 桩体材料碎石灌入量计算6 1 5 2 7 碎石桩复合地基承载力计算6 2 5 3 影响因素分析6 2 5 3 1 土工格栅抗拉强度6 2 5 3 2 加筋深度6 3 5 3 3 碎石桩桩径6 4 5 3 4 桩体碎石料内摩擦角6 6 5 4 小结6 7 结语6 9 参考文献7 l 致谢7 5 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录7 6 硕士学位论文 1 1 复合地基概述 第1 章绪论 我国地域辽阔，不同地区地质条件区别较大，十分复杂，尤其是沿海地区和 内陆湖沼地区分布着较多的软土地基。随着我国高速公路的发展，穿越软基地区 的线路越来越多，面临的软基处治问题也逐渐增多。在软土地区修建高速公路， 高路堤常常存在稳定性差和沉降过大的问题，而低路堤在交通荷载作用下，常因 软基过大的沉降严重影响道路的质量和正常使用。因此，在软土地区修建高等级 公路，软基处理显得尤为关键，软基处理已经成为一个重要研究课题。 软基处理的方法很多，其中复合地基是目前应用最为广泛的处治方法之一。 复合地基( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 于19 6 2 年在国际会议上首次提出，并随着时 间的发展逐渐形成了一套理论。龚晓南曾较系统地总结了国内外在复合地基理论 和应用方面的研究成果，提出了复合地基理论的基本框架3 】。 复合地基是指天然地基和部分填土地基在地基处理过程中，部分土体得到增 强或被置换，或在这些地基中设置加筋材料而形成增强体，由增强体及其周围地 基土共同承担上部荷载并协调变形的人工地基【4 】。在荷载作用下，增强体与基体 之间通过变形协调共同承担上部荷载是形成复合地基的基本条件。根据地基中增 强体的方向及其性质，复合地基一般可以按如下分类： 1 1 1 按增强体方向分类 按照增强体方向可将复合地基分为竖向增强体复合地基、水平向增强体复合 地基，双向增强体复合地基和斜向增强体复合地基四大类，见图1 1 。 j j i；j _ j j 1夕 图1 1 复合地基按增强体方向分类示意图 ( a ) 竖向增强体复合地基：( b ) 水平向增强体复合地基： ( c ) 双向增强体复合地基；( d ) 斜向增强体复合地基 竖向增强体复合地基也叫桩体复合地基，其主要特征是增强体垂直于地表而 存在于复合地基中。竖向增强体复合地基一般包括刚性桩复合地基、半刚性桩复 合地基、柔性桩复合地基和散体材料桩复合地基。水平向增强体复合地基的主要 格栅套筒加筋碎石桩复合地摹承载力分析与计算 特征是增强体平行于地表，主要是利用水平向增强体与原有地基在水平方向的摩 擦力，以增强体本身的抗拉强度或抗弯强度来提高原软弱地基的承载能力。常见 的水平向增强体复合地基有土工格栅、土工格室和土工网等形成的水平向增强的 复合地基。 若在软弱地基中同时加入竖向增强体和水平向增强体所形成的复合地基为双 向增强体复合地基【5 ，6 1 。双向增强体复合地基结合了竖向增强体复合地基和水平向 增强体复合地基两者的优点。双向增强体复合地基主要是为了克服某些刚度较低 或粘聚力较小的桩体复合地基在竖向荷载作用下会发生较大的侧向变形这一缺 点，利用水平向增强体本身较高的抗拉强度将桩体材料束缚在一起，限制桩体的 侧向变形，从而提高桩体复合地基的承载能力。典型的双向增强体复合地基有土 工格栅( 土工格室) + 碎石桩的组合。 斜向增强体复合地基【_ 7 】则是根据地基内部所产生的应力方向，在地基中设置 斜向的增强体，并由斜向增强体和竖向增强体共同承担上部荷载，并共同协调变 形。 1 1 2 按照桩体材料分类 桩体复合地基中桩体材料的性质对复合地基的承载特性和变形特征都有很大 的影响。桩体复合地基的承载能力主要取决于桩体材料的物理性质，如粘聚力、 内摩擦角、孔隙比等，有些也与桩体材料的化学性质有关。按照桩体材料的不同， 复合地基一般可以分为散体材料桩复合地基、水泥土类桩复合地基、混凝土类桩 复合地基和钢管桩类复合地基。 散体材料桩复合地基中桩体材料没有粘聚力或粘聚力很小，桩体只有依靠周 围土体的围箍作用才能形成桩体，桩体材料本身不能单独形成桩体。散体材料桩 在受荷后，一方面颗粒与颗粒之间会发生相互错动，孔隙会减小，桩体会压密； 另一方面，由于桩体材料几乎没有粘聚力，桩体材料会发生比较明显的侧向鼓胀 变形。具代表性的散体材料桩复合地基包括碎石桩复合地基、砂石桩复合地基和 矿渣桩复合地基等。 水泥土类桩复合地基的主要特征是水泥和土体混合为一体，水泥和土体发生 的一系列物理化学反应，使之形成具有一定整体性和一定强度的竖向增强体。水 泥土类桩复合地基适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、砂性土等各种成因的饱和 软粘土和含水量较高且地基承载力较低的粘性土地基等。对于泥炭土或地下水p h 值较低、有机质含量较高的粘性土，应该通过试验确定其适用性。典型的水泥土 类桩复合地基有水泥土搅拌桩和旋喷桩复合地基等。 混凝土类桩复合地基是指是指由水泥、土体和碎石等材料构成桩体的复合地 基。这种桩体的刚度更大，桩体材料之间有很强的粘聚力，在竖向荷载作用下发 2 硕士学位论文 生的侧向鼓胀变形很小或者几乎不变形。桩体主要依靠桩土之间的摩擦力及端阻 力发挥承载作用。典型的混凝土类桩复合地基有水泥粉煤灰碎石桩、素混凝土桩、 树根桩和锚杆静压桩复合地基等。 1 1 3 按照桩体刚度或强度分类 桩体复合地基成桩材料的不同导致桩体的刚度不同，从而导致复合地基的受 力变形机理以及设计计算方法有所区别。按照桩体刚度或强度对桩体复合地基的 分类见图1 2 。 按照桩体刚度分类 散体材料桩复合地基一碎石桩复合地基 柔性桩复合地基_ 水泥土桩复合地基 半刚性桩复合地基一c f g 桩复合地基 刚性桩复合地基一混凝土桩复合地基 图1 2 复合地基按刚度分类示意图 从图1 2 中可以看出，虽然对各种不同刚度或强度的桩体复合地基进行了分 类，但各类桩体复合地基还是存在很大的关联。如提高半刚性桩桩体中水泥的掺 入量，则桩体的刚度和强度会有所提高，承载性能将会与刚性桩接近。若减小半 刚性桩复合地基中桩体的水泥掺入量，则桩体的特性就靠近柔性桩。另外，如碎 石桩复合地基和c f g 桩复合地基，c f g 桩与碎石桩相比，其桩体材料中加入了 水泥和粉煤灰，对桩体粘聚力有很大的提高作用，从而提高了桩体的整体刚度， 所以相对于碎石桩复合地基而言，c f g 桩复合地基当属于半刚性桩复合地基。如 果采用土工格栅套筒对碎石桩进行围箍，则可提高碎石桩的整体刚度，使其自成 为桩体。当采用较低强度格栅时，加筋碎石桩承载特性向柔性桩接近；当采用较 高强度格栅时，加筋碎石桩的承载特性可能更加接近半刚性桩。 复合地基的作用机理可以体现在以下几个方面【8 】： ( 1 ) 桩体作用。复合地基中桩体与土体是共同工作的，由于桩体的刚度较周 围土体大，在刚性基础下桩土变形相等时，上部荷载将按材料模量进行重新分配， 桩体产生应力集中而桩周土应力降低。复合地基的承载力和刚度都高于原地基， 沉降量则会有所减少。随着复合地基中桩体刚度的增加，其桩体作用更加明显。 刚性桩复合地基通过桩体可将荷载传递到更深的土层中。 ( 2 ) 垫层作用。复合地基可视为由桩体置换部分土体而形成的一个深厚的垫 层，其性能优于原天然地基，它可以起到类似于垫层的换填、均匀地基应力和增 大应力扩散角等作用。在桩体没有贯穿整个软弱地层情况下，垫层作用尤为明显。 ( 3 ) 加速固结作用。不少竖向增强体和水平向增强体，如碎石( 砂) 桩、土工织 物加筋体间的粗粒土等，都具有良好的透水性。在荷载作用下，地基土体中会产 格栅套筒加筋碎石桩复合地基承载力分析! j 计算 生超孔隙水压力，这些排水通道可有效地缩短排水距离，加速地基的固结。桩间 土体在排水固结的过程中抗剪强度得到提高。另外，水泥土类桩和混凝土类桩在 施工过程中也可提供良好的排水通道，某种程度上也可加速地基的固结沉降。 ( 4 ) 挤密作用。一些复合地基在施工的过程中会对地基土有挤密、排土等作 用，如碎石桩、砂( 砂石) 桩等在施工过程的振动和挤压等均会对桩间土有一定的 挤密作用。而对于石灰桩，由于其材料具有吸水、发热和膨胀等作用，对桩间土 同样可以起到挤密作用。 ( 5 ) 加筋作用。各种增强体除了可提高地基承载力和整体刚度外，还可以提 高桩间土的抗剪强度，增加边坡的抗滑能力等。复合地基中增强体的设置使复合 地基加固区整体抗剪强度提高。水平向增强体的加筋作用则更为明显。在稳定性 分析中，一般采用复合抗剪强度来度量加固区复合体的强度。复合地基加固区的 复合土体具有较高的抗剪强度，可以承担大部分附加应力，从而可以有效提高地 基承载力及稳定性。 ( 6 ) 其他作用。石灰桩和搅拌桩中的生石灰、水泥粉等都具有吸水、发热、 膨胀等作用，除了对桩间土的挤密效果外，还会与桩间土体产生一系列的物理 化学反应；水平向增强体，如土工格栅、土工格室和土工织物等，铺设于土中或 垫层中，可起减小土体竖向变形以及约束边坡侧向变形等作用。 目前我国应用较多的复合地基形式主要有【9 】：碎石桩复合地基，水泥土桩复 合地基，灰桩复合地基，低强度桩复合地基，钢筋混凝土桩复合地基，加筋土地 基等。随着复合地基技术的发展和推广应用，复合地基已与浅基础和桩基础一起 成为工程中常见的三种地基基础形式。 1 2 碎石桩复合地基发展简史 碎石桩复合地基是一种开发比较早的地基加固处理技术。这种方法施工机具 简单，操作容易，材料来源广泛，造价比较低廉，是一种适合我国国情的适用性 较强的地基处理技术。随着我国交通事业的迅速发展，碎石桩复合地基在高速公 路建设中的应用日益增多，特别是在南方软土较多的地区，碎石桩复合地基应用 极为广泛。 碎石桩( g r a v e lp i l e ) 是以碎石或卵石为主要材料制成的复合地基加固桩，碎石 桩在国外又称为粗颗粒土桩( g r a n u l a rp i l e ) 。碎石桩是散体材料桩的一种，是指用 振动、冲击等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石料压入已形成的孔中，在周围 地基土的约束下形成密实的桩体。碎石桩复合地基的加固机理主要体现在桩体作 用方面。在上部荷载作用下，由于桩体刚度较大，桩土协调变形时，大部分荷载 传递给刚度较大、强度较高的碎石桩体，土体上的负荷大为减小，软土地基的工 程性能明显改善，承载力得到提高，稳定性增强，沉降和不均匀沉降减少。 4 硕士学位论文 据h u g h e s 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) i o j 的资料介绍，碎石桩复合地基的应用最早始于 1 8 3 5 年，在法国某地区建造兵工厂时曾使用过，但后来很长一段时间被人们所遗 忘。直到1 9 3 0 年，s s t e u e r m a n 提出用振动水冲加密松砂的原理，1 9 3 3 年j k e l e r 制成了第一台振动器，并于1 9 3 5 年在n u r e m b u r g 地区用振冲法加固了深度达到 1 6 m 的松砂地基，1 9 3 6 年l o o s 在第一届国际土力学和基础工程会议上提出了用 振冲法加固松散砂土的论文。二次大战期间，s t e u e r m a n 将振冲技术带到了美国， 用于加固砂土地基，如汉姆敦公路，安第斯大堤、曼努港，最大加固深度已达到 2 5 m 。l9 6 0 年美国c e m e n t a t i o n 公司首次应用碎石桩加固粘性土地基，此后陆续 在各国得到应用。1 9 6 4 年和1 9 6 7 年在日本新泻、十胜冲分别发生的7 5 级和7 8 及地震中，未经处治的砂土地基上的建筑物基本上都发生了倒塌，而经过振冲法 加固地基的几座造纸厂只有轻微损坏，平均沉陷9 8 m m ，最大的为1 4 m m ，之后， 振冲技术的抗震效果得到世界公认。 我国应用振冲法始于1 9 7 7 年l l 。3 0 多年来，该法在我国道路、桥涵、坝基、 大型厂房及工业与民用建筑地基处理中得到广泛应用。早期的碎石桩加固技术主 要利用振冲技术成桩，随着理论的不断发展和施工工艺的不断改进和提高，现在 已经有了各种不同的施工工艺，如沉管法、干法振动、振动气冲法、强夯法等。 这些不同的施工方法各有优缺点，应根据不同的地质条件和设计要求，以及施工 设备等具体情况选择合适的施工方法。根据不同的施工工艺，目前碎石桩主要可 以分为以下几类： ( 1 ) 振冲碎石桩。振冲碎石桩是指利用振冲器成孔和制作的桩。振冲器主要 有两个功能：一是振动时产生几十到几百k n 的水平振动力作用于周围土体，二 是从侧面和端部进行高压射水。振动力是加固地基的主要因素，射水协助振动力 在土中钻进成孔，并在成孔后实现清孔和护壁。 ( 2 ) 干振碎石桩。干振碎石桩是对振冲碎石桩的直接改进，即以不射水干振 的“振动器”取代振动时加水冲的“振动器”进行成孔和成桩，从而避免泥水污染环 境及非饱和土遇水泡软的缺点。干振碎石桩技术由河北省建筑科学研究所等单位 研制开发，19 8 5 年通过省级技术鉴定，到19 9 0 年底，已应用于五十多项工程， 加固面积达4 1 0 4m z 以上。 ( 3 ) 沉管碎石桩。沉管碎石桩包括振挤碎石桩、心管干振碎石桩、锤击碎石 桩( 内击沉管桩或干冲碎石桩) 和管内取土、锤击填料法等。其中，振挤碎石桩又 叫振动沉管碎石桩，它是以振动沉管打桩机为主要施工机械，模仿挤密砂桩施工 工艺而制成的碎石桩。心管法制成的碎石桩称为心管密实碎石桩，它包括心管干 振碎石桩和心管锤击碎石桩两种不同施工工艺。锤击碎石桩是采用重锤内击沉管 和分层击实填料工艺造成的碎石桩。 格栅套筒加筋碎石桩复合地基承载力分析与计算 ( 4 ) 强夯置换碎石桩。强夯置换碎石桩是指利用强夯设备和技术制造的粗而 短的“矮胖型”碎石墩，是一种过渡型( 边缘型) 地基加固技术。国内有少数单位在 一些工程中结合强夯机具使用。 ( 5 ) c f g 桩( 水泥粉煤灰碎石桩) 。水