（森林工程专业论文）季冻土地区混合型复合地基褥垫层厚度的研究.pdf

摘要 我国地域辽阔，地基条件复杂，不可避免地要在季冻土地区修建工程，而道路、桥 梁、工程建筑等的修建，都面临冻土建筑基础的问题。对于新型的混合型复合地基也会 受到不同程度冻害影响，发生不均匀下沉，桩基被拔断，从而导致上部结构变形，影响 建筑的美观和居民居住安全。因此，分析冻胀力作用下的混合型复合地基的受力特性有 着很重要的意义。本论文首先研究季冻土地区地基土的冻胀特性，包括土、水、温与附 加荷载四个主要影响因素。然后通过模拟试验分析不同含水量、不同土质类型下冻胀量 和冻胀力的差异，为在冻胀力作用下混合型复合地基工作性状的研究做准备。 混合型复合地基充分利用了桩和天然地基土通过变形协调承担荷载的特点，是近年 来发展起来的一种比较合理的地基处理形式，主要利用了垫层材料的流动补偿，使得桩 和桩间土共同承担上部荷载。褥垫层是混合型复合地基的关键，复合地基许多性质都与 褥垫层有关。褥垫层的设置充分发挥了桩问土的承载力，调整了桩土荷载分担比。褥垫 层过厚反而使桩顶的承载力下降，过薄又使得桩间土的承载能力又不能发挥，所以在设 计研究冻土下混合型复合地基时，要考虑合理的褥垫层厚度，充分发挥桩土共同承担荷 载的特点。 简化分析冻土下褥垫层作用机理，从变形协调的角度对混合型复合地基褥垫层厚度 进行理论推导。构建了桩体沉和桩间土沉降量、桩顶刺入量、褥垫层压缩量和冻胀量四 者之间的平衡关系，建立了季冻土地区混合型复合地基褥垫层厚度的公式。同时采用了 载荷试验法验证理论分析，通过变化褥垫层的厚度，研究了不同褥垫层下桩土应力比的 变化情况：褥垫层过薄，对桩体的荷载分担比例调整不明显；随着褥垫层厚度的增大， 调整作用增大，桩土应力比逐渐减小。结合理论和试验分析，确定季冻土地区褥垫层合 理厚度5 2 c m 。 关键词混合型复合地基；承载力；褥垫层：冻胀力 a b s t r a c t o u rc o u n t r yh a sav a s tt e r r i t o r y , a n dt h ef o u n d a t i o nc o n d i t i o ni sc o m p l e x i ti si n e v i t a b l e t ob u i l dc o n s t r u c t i o ni nt h ef r o z e nr e g i o ns u c ha s b u i l d i n go ft h er o a d s ，b r i d g e s ，a n d e n g i n e e r i n gc o n s t m c t i o na n ds oo n a tt h es a m et i m e , t h eh y b r i d - c o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a s a l r e a d yb e e na f f e c t e d a c c o r d i n g l y , t h eb u i l d i n g so ft h eb e a u t yi nt h ef r o z e ns o i la r eu s u a l l y d e s t r o y e db yt h ea b o m i n a b l ee n v i r o n m e n t s a f e g u a r d i n gc i t i z e n s l i v e si nt h ef r o z e na r e aa r e a l s os e r i o u s l yi n f l u e n c e db yt h ea b o m i n a b l ee n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t or e s e a r c ht h es t r u c t u r a lm e c h a n i c so ft h eh y b r i d - c o m p o s i t cf o u n d a t i o ni nt h e 台o z e na r e a t h e t h e s i ss t u d i e st h eh e a v ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef r o z e ns o i lf o u n d a t i o n , i n c l u d i n gt h em a j o r i n f l u e n c ef a c t o r so fs o i l ，w a t e r , t e m p e r a t u r e ，a n da d d i t i o n a ll o a d i n g t h e n ，d i f f e r e n c ei nt h e f r o z e n - h e a v ef o r c ea n da m o u n ti sr e s e a r c h e db ym a k i n gt h ee x p e r i m e n to nd i f f e r e n tw a t e r c o n t e n ta n dt y p eo fs o i l i ti sw e l lp r e p a r e df o rs t u d y i n gw o r k i n gp e r f o r m a n c eo fh y b r i d - c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni nt h ef r o z e na r e a h y b r i d - c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni so n ek i n do fq u i t er e a s o n a b l ef o u n d a t i o nt r e a t m e n tf o r m w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e di nt h er e c e n ty e a r s i tt a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h ep i l ea n dt h en a t u r a l f o u n d a t i o nt h a ta b s o r bl o a dw i t hc o m p a t i b i l i t yo fd e f o r m a t i o n t h ec u s h i o nc a nm a k et h ep i l e a n dt h es o i lt ob e a rl o a dt o g e t h e rb yi t sc o m p e n s a t i o na n df l o wo fm a t e r i a l m a n y c h a r a c t e r i s t i c so fh y b r i d - c o m p o s i t ef o u n d a t i o na r er e l a t e dt ot h ec u s h i o nw h i c hi st h ec o r e t e c i m q u eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h ec u s h i o nc a na d j u s tt h er a t i o no ft h es h a r i n gl o a d b e t w e e nt h ep i l ea n dt h es o i lb yc u s h i o n t h er a t h e rt h i c ko ft h ec u s h i o n 锄c a u s et h e s u p p o s i n gc a p a c i t yo ft h eh e a do fp i l et od r o p o nt h ec o n t r a r y , e x c e s s i v e l yt h i no ft h ec u s h i o n e n a b l e st h el o a ds u p p o r t i n g c a p a c i t yo fs o i la m o n gt h ep i l e st od i s p l a y r e a s o n a b l et h e t h i c k n e s so ft h ec u s h i o ns h o u l db ec o n s i d e r e dw h e nt h eh y b r i d c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s d e s i g n e d , w h i c hm a k e st h ep i l ea n dt h es o i lt ob e a rt h el o a dt o g e t h e r t h r o u g ht h es i m p l i f i c a t i o no fa n a l y s i sm e c h a n i s mo fa c t i o no ft h ec u s h i o n , t h i st h e s i s c a r r i e so nt h ei n f e r e n t i a lt h e o r yo ft h et h i c k n e s so ft h ec u s h i o nf r o mc o m p a t i b i l i t yo f d e f o r m a t i o n s i m u l t a n e o u s l y , t h er a t i o no ft h es h a r i n gl o a db e t w e e nt h ep i l ea n dt h es o i li nt h e d i f f e r e n tt h i c k n e s so ft h ec u s h i o ni sr e s e a r c h e db yl o a d i n gt e s ta n dt h er e a s o n a b l es c o p ei s v a l i d a t e d w h i c hi s5 2 c mo ft h et h i c k n e s si nt h ef r o z e na r e a k e y w o r d s h y b r i d - c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；b e a r i n gc a p a c i t y ；b e d d i n gc u s h i o n ；f r o z e n h e a v ef o r c e h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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，也不包含为获得壅皇垦盎些盘堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：鹰名丕娴1 ； 签字日期：莎椤年朋幺日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢皇垦盎些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权壅兰垦盎些盘鲎可以将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、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：鹰蜘 导师签名： 签字日期：护7 年月g 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期嘴年歹月厂矿日 电话： 邮编： 1 绪论 1 ，1 选题的背景及意义 复合地基技术在我国土木工程建设中已经得到了广泛的应用。我国地域辽阔，地基 条件复杂，冻土地区修建工程，都不同程度受到冻害的影响，如何在保证工程质量、在 保证质量的前提下如何节省工程投资都是十分重要的。由于复合地基技术充分利用了天 然地基和增强体共同承担的潜能，因此与其它基础相比具有比较经济的特点。但是目前 关于复合地基研究的理论重点在于沿海软土地基加固，针对北方气候特点的理论研究还 很少，所以本论文主要阐述冻土下混合型复合地基的应力传递情况和桩土应力比的变化 规律，从而找出满足承载力要求的褥挚层的合理厚度。 近年来，对复合地基理论和实践的研究日盏得到重视。从可持续发展的角度讲，复 合地基技术符合在工程设计与施工充分挖掘土体本身固有的强度潜能和自稳能力的地基 处理发展趋势，同时，使用粉煤灰、钢渣等工业废料符合环保要求。从受力性能上看， 复合地基与天然地基相比，具有承载力高、沉降和差异沉降小等特点，与桩基等深基础 相比，节省费用。从使用范围上看，复合地基适用范围大，可根据土性、地下水位、承 载力要求、地方材料和工业废料供应条件、施工环境等，选择不同类型、不同桩体强度 的复合地基处理方法。由于复合地基上述特点，因此受到学术界和工程界的广泛关注。 在工程设计中，基础的作用就是把建筑物的荷载安全可靠地传递给地基，保证地基 不会发生强度破坏或者过大的变形；同时充分发挥地基的承载能为，保证建筑物的稳定 性。桩基础成为土木工程中常用的基础形式之一 l j ，也是一种具有悠久历史的基础形 式。混合型复合地基是近年来发展起来的一种地基处理形式，他主要利用桩和桩闯土共 同承担上部荷载，从而增加地基整体的承载力，它不同于普通的地基处理形式，又与常 用的地基处理形式有着必然的联系。复合地基技术是一门不断发展的技术。初期阶段的 复合地基主要是指碎石桩复合地基，大量的研究工作都是建立在碎石桩复合地基的实际 应用上。随着水泥土桩复合地基的应用，复合地基的概念发生了变化，由散体材料桩复 合地基逐步扩展到粘结材料桩复合地基，地基承载能力得到了较大的提高。随着桩基技 术的发展和各类低强度混凝土桩复合地基的应用，复合地基的概念进一步扩展。因此， 有必要加强复合地基的理论研究，只有这样才能促进复合地基技术的进一步发展。 复合缝基中褥垫层的厚度直接影响着桩一土共同承担荷载分担比和应力分担比。褥 垫层厚度过小，桩对基础将产生很显著的应力集中，需考虑桩对基础冲剪，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体发生断裂。由于褥垫 厚度过小，桩间土承载能力不能充分发挥，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剪作用，基础受水平荷载的 东北林业大学硕士学位论文 作用，不会发生桩的折断，并能充分发挥桩间土的承载能力。若褥垫层厚度过大，会导 致桩、土应力比等于或接近l 。此时桩承担的荷载太少，实际上复合地基中桩的设置已 失去了意义。这样设计的复合地基承载力，不会比天然地基有较大的提高，而且建筑物 的变形也大。那么，考虑到技术上可靠、经济上合理，褥垫层厚度取多大为宣昵? 这是 设计人员最关心的问题，也是本论文主要研究的问题。 1 2 复合地基的概念及研究状况 1 1 2 1 复合地基概念 复合地基( c o m p o s i t eg r o u n d 或c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 是指天然地基在地基处理过 程中采用增强或被置换的方法，在土中设置由散体材料( 土、砂、碎石等) 或弱胶结材 料( 石灰土、水泥土等) 构成加固桩柱体( 也称增强体) ，与桩间土( 也称桩侧土) 共 同承担建筑物的基础传来的荷载，有时桩间土的性质在增强体设置的过程中也受到不同 程度的改善，从而使地基的强度与刚度得以提高，这类有两种不同强度的介质组成的人 工地基【2 j 称为复合地基。 二十世纪6 0 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。在此之前，地基设计中要么地基土承担上部荷载，要么桩体承担上部荷载， 复合地基第一次提出桩土共同承担上部荷载的思想，非常符合处理后的地基承载的实 际。 增强体是由强度和模量相对原地基土高的材料组成，按照习惯将竖向增强体称为 桩。例如，由碎石组成的竖向增强体叫碎石桩；由水泥和土搅拌形成的纵向增强体称为 水泥土桩等等。需要特别提出的是，不论是碎石桩、水泥土桩，还是强度和模量都很高 的水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) ，都应视为天然土体中的增强体，它和原土一起形成复 合土体，属地基范畴，不是一种基础形式。 1 2 2 复合地基的分类 复合地基包括水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基两类。竖向增强体复合 地基，也称桩体复合地基。龚晓南，根据竖向增强体的性质将复合地基分为三类 2 , 3 1 ： ( 1 ) 敏体材料桩复合地基，如砂桩、碎石桩、矿渣桩等复合地基g ( 2 ) 柔性桩复合地基，如石灰桩、水泥土桩、低强度混凝土桩复合地基等； ( 3 ) 刚性桩复合地基，混凝土疏桩、小桩复合地基、c f g 桩等。 散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材科没有粘结强度，单独不 能形成桩体，必须依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体土类桩复合地基的承载 力主要取决于散体材料的内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧阻力。 柔性桩( 水泥土类桩) 复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定的粘结强度。柔 性桩复合地基的承载力由桩体和桩| 日】土共同承担，其中绝大多数情形为桩体的置换作 用。 i 绪论 刚性桩复合地基主要是通过桩体的置换作用来提高地基的承载能力，由于桩体本身 强度较高，所以承载能力比散体桩、柔性桩复合地基提高很多。中国建筑科学研究院地 基基础研究所于1 9 9 2 年开发成功的c f g 桩复合地基( 强度等级在c i o 以上) 即为 中国最早的刚性桩复合地基。 目前，柔性桩复合地基和刚性桩复合地基的判别还未取得统一认识。通常情况下， 按桩土相对刚度的概念来区分柔性桩和刚性桩复合地基。王启铜1 4 ) 建议桩土相对刚度k 定义为： k =2 e p ( 1 + v , ) i 二 丘，l 式中三桩长( m ) ； ，桩体半径( m ) ； b 、匕分别为桩问土弹性模量和泊松比： e 。桩体弹性模量( m p a ) 。 段继伟1 5 i 对式( 卜1 ) 作了修正，并考虑了有效桩长的影响，建议桩土相对刚度k 采 用下式表示： x _ j 象 z ， 式中掌修正系数， 善= i n 2 5 l ( 1 v 。) ，】 ( 卜3 ) 当桩长小于有效桩长厶时，为实际桩长；当桩长大于等于有效桩长厶 时，取l = l o ； 当k 1 时，复合地基中桩体为刚性桩：当k ： 阡0 = o 9 2 y 5 - y d + 0 o s w ( r ) 式中：以为土颗粒密度，乃为土干容重，睨( n 为未冻 7 - 7 d 水含水量。为总含水量。 2 2 2 临界含水量 表示土极限水分状态，此时在冻结土中水的含量实际上不发生水分迁移，但它都可 2 冻土性质的研究 能由于原位初始含水量冻结结晶膨胀而产生弱的冻胀。因此发生冻胀的第二个初始条件 为：w w c 。俄罗斯学者a e o e6 0co b 和m 1 4 r o j i h 皿m te n 晦曾经采用土的塑限 含水量，即耽* 矸或者是根据式子计算： 形- ( _ 、1 + 3 7 , w l ( 1 + 7 , w l ) e x p ( - 2 s i p ) 一1 ) ( 2 - 1 ) 式中彤、，。表示土颗粒的液限含水量、塑性指标。 2 3 温度 显然，只有当大气温度降低到负温以后并低于土壤水的冻结温度时，才有可能在土 中出现冰析现象。冻结时，土中冰晶体及其冰透镜体的生长方向与热流方向总是一致 的。陈肖柏、刘鸿绪通过室内实验及野外观测工作，得出孔隙水原位冻结所形成的冻胀 速率一直与冻结速率成正比增加，而冰分凝作用形成的冻胀速率开始阶段也随冻结速率 而呈非线性形式递增，直至某一冻结速率达到极值，然后随冻结速率增加，冻胀速率却 呈递减趋势，并且到达某一临界冻结速率值时，土中不再出现冰分凝作用。他们还提出 在冻渗中止之前计算冻胀量曲的经验公式a h - a 1 一叫丢位一弓 ，赫：口， 芦为土的普通特性常数，与土体中粒径d 。有关。 2 4 附加荷载 土层上覆盖的附加荷载，一方面使土层脱水压缩固结，增加了相应的密实度，使土 壤水导湿率改变，从而影响水分迁移速率；另一方面只有在冰透镜体生长面上冻胀应力 等于或大于附加荷载时出现冻胀现象。实际上建筑物地基土都会有一定的附加荷载， a i t e k e n 通过野外现场三年的实际荷载加负冻胀场及室内试验，证明冻胀速率对数值与 加负的荷载大小呈直线关系。陈肖柏搜集分析亚黏土的试验资料及室内黄土与中砂的试 验结果，得到冻胀率与冻胀速率随荷载的增长呈指数函数衰减，即叩一r 。e x p ( 一印。) 或 r - r o c x “一6 。) ，式中：r 。、r o 为无荷载时的冻胀率与冻胀速率，6 、b 为试验特 征系数。 2 5 冻土的力学性质 冻土是一种多相介质，需要用多相介质力学原理来描述冻土的性质。冻土的力学性 质主要体现在荷载作用下冰与未冻水的相互转化或冻土结构的“损伤”与“愈合”转 化。一方面要借鉴土力学基本原理，另一方面应该着重对其受力过程及相应机理进行试 验研究，找到冰一未冻水一土颗粒之间的相互作用。至今冻土力学的研究对象基本上是因 为自然气候形成的冻土，对其进行的热质迁移、冻结敏感性和冻胀、力学性质、环境土 冻结、工程设计、工程实例等的研究，属于大气为冷源的一维导热形成的冻土力学特 性、力学行为问题。 东北林业大学硕士学位论文 2 5 1 冻结强度 土的冻结强度又称为土与基础问的冻结力，表示基础与地基土之间的冻结能力。冻 结强度的大小与土的性质、基础表面状况、土的温度有关。桩基础类型相同时，纯净的 砾石土的冻结力最小，含粉粘粒的砾石土稍大，粘性土更大，砂类土最大。表面粗糙的 桩基础与地基土之间的冻结力较大，基础表面越光滑，冻结力越小。一般说来，在其他 条件相同时，温度越低，冻结力越大，随着温度升高，越来越多的冰转化成水，冻结力 也就逐渐减小。到完全融化时，桩基与土之间就不存在冻结力而只有摩擦力了。 2 5 2 抗压强度 土在冻结状态下的抗压强度，一般都比它在融化状态下大得多，土温降冰也越多， 因而强度有所增大，但当含水量超过某一定值时，含水量的进一步增大导致冻土抗压强 度的降低，最后趋于某个定值【4 5 j 。 2 5 3 冻胀力 2 5 3 1 垂直法向冻胀力 沿着土冻胀方向，且垂直于地表及基础底面的冻胀力，称为垂直法向冻胀力，单位 面积上的垂直法向冻胀力称为垂直法向冻胀应力。包括两个内容：一、在基础底面与冻 土接触面间，由于下卧土层的冻胀而产生的冻胀应力，属于基础底面的接触冻胀应力。 二、在土壤内部的冻结界面上或在土壤水剧烈相变温度范围之内的土层中，单位面积上 的冻胀力称为土的冻胀应力。 基础接触冻胀力，只有通过对基础底面以下持力层范围之内的应力分布形状和大小 的分析与计算才可得到解决，它属于冻土地基的计算问题，不仅受土的冻胀应力影响， 还受基础的几何形状、底面尺寸、基础埋深以及冻结深度等因素的影响。 土的冻胀力是土在冻结过程中所表现的一种力学性质，它与土的其他物理性质一 样，是有试验获得的，它受土质及其有关的物理性质、土中水及其分布情况、土中温度 及温度梯度等主要原因。 2 5 3 2 切向冻胀力 当基础埋于冻结层中时，沿着土冻胀方向作用于基础侧面的冻胀力，称为切向冻胀 力以。作用在基础周围单位宽度上的切向冻胀力，称为相对切向冻胀力及单位侧面 积上的平均切向冻胀力f ，公式如下：f 。最 基础伸入冻土层中的厚度。 q 詈式中t 为基础周长肭 与法向冻胀力一样，f 也受控于土质、水分及温度等条件，也与基础变形受束缚程 度及基础材料与粗糙度等有关，可以通过实地试验求得，也可通过经验公式计算得到。 2 5 3 3 水平法向冻胀力 沿着土的冻胀方向、与地表平行并垂直于基础表面的冻胀力，称为水平法向冻胀 2 冻土性质的研究 力，其单位面积上的平均值称为水平法向冻胀力。 2 6 算例及其分析 2 6 1 试验目的 选两种不同粒径的土颗粒，按照试验要求测试在不同含水量的条件下，冻胀力的变 化情况。以便应用于第四章冻土下褥垫层厚度的研究。 2 6 2 试验装置 ( 1 ) 试验箱：采用高1 2 m 钢板箱。 ( 2 ) 试验设备：采用j m z x - 5 0 0 6 a 型钢弦式土压力盒，d h 3 8 1 8 型静态应变频率 接收仪。 ( 3 ) 垫层：采用粒径干燥细砂( 保护土压力盒) 。 ( 4 ) 土：采用粘土、砂土。 2 6 3 试验方案 因为易溶盐成分和浓度会影响土体的冻结，所以试验中样品的制备，采用蒸馏水和 土体混合配置。先将土配成含水量约为5 - 3 5 的散土体，并在限制蒸发条件下保持 6 h ，使土体均匀，然后分层装模，按试验的要求将土夯实，将样模放在野外进行实验。 应力量测试元件采用j m z x - 5 0 0 6 a 型钢弦式土压力盒，单膜土压力传感器采用d h 3 8 1 8 型静态应变频率接收仪，实验前对压力盒进行严格标定。压力盒设置采用砂垫层法，试 验前将土顶平面清平，预先铺设一层细砂，用细砂将压力盒覆盖，保护压力盒。 2 6 4 实验数据分析 切向冻胀力是指地基土在冻结膨胀时产生的作用在平行基础侧面( 通常垂直于冻结 锋面) 的冻胀力，是冻土地区基础发生冻胀时主要的冻结力【拍】，在其作用下，常使地基 土发生冻胀变形，基础上拔。 2 6 4 1 土中含水量对冻胀的影响 不同的含水量对冻胀力的影响如图2 - 1 0 ) 所示，冻深为1 0 0 n 时，含水量2 0 的冻 胀力为5 5 5 k p a ，而含水量3 0 的冻胀力为4 3 8 k p a ，此时，含水量小的冻胀力略大于后 者，但是随着冻深厚度的增加，前者冻胀力逐渐减少，后者逐渐增加；冻深为3 5 c m 时，含水量2 0 的冻胀力为2 7 7 k p a ，而含水量3 0 的冻胀力为3 8 7 k p a ；含水量增加， 冻胀力增大，这是由于含水量增加，基础与土颗粒之间的冰胶结作用增加，冻结强度增 大，且冻胀量增大，所以冻胀力增大。 由于土的塑限对冻胀量影响很大，所以试验测得粘土的塑性含水量为2 5 ，并同其 它含水量一并进行研究。图2 - 1 ( b ) 可看出，含水量5 一2 0 ，冻胀量增加的幅度不是很 大，不超过9 e m ，当含水量大于塑限时冻胀量增量明显加大。尤其是含水量2 5 和3 0 时，增量为l l c m 和1 3 c r a 这是因为土中含水量增大，水结冰膨胀的体积越大，土体的 冻胀量也越大。 东北林业大学硕士学位论文 6 0 0 5 0 0 4 0 0 橱 崔3 0 0 始 2 0 0 1 0 0 o 0 0 o 7 o 6 g 0 5 至o 4 始 o 3 0 2 051 01 52 02 53 03 54 0 冻深c m a + 冻胀率 + 冻胀增量 吉水量 b 图2 - 1 不同含水量的冻胀量 对于含水量对冻胀力的影响，国内外有很多学者研究。早期学者曾提出起始冻胀含 水量对冻胀率的影响，并通过试验数据分析得到：w ot o 8 4 w 式中砰乞为土的塑限含水。 量；国内资料表明，土中冻前含水量对冻胀有一定影响，但不是全部水分，而是超出起 始冻胀含水量的水分，其关系式用下式表达：叩t a ( w 一睨) 其中瑁为冻胀率；w 为冻 土层内冻前平均含水量( ) ；w 为塑限含水量( ) ：口为系数；朱强年认为冻胀o 1 9 8 3 率与土壤含水量线性关系：竹- a w b ，a ，b 为土壤系数。 2 6 4 2 不同土质对冻胀的影响 基本规律是：粗颗粒的土由于水分易于排出而不易产生冻胀，随着土颗粒粒径减小 和土体分散性增大，冻胀性也增强，但是当粒径达到粘土范围时，由于水分迁移量减 小，冻胀量也相应减小。 冻胀力随深度加大而增高，图2 2 可以看出：在同一深度粘土的冻胀力大于砂土。 这是因为粘土在冻结过程中，水分向冻结锋面迁移和聚集，在冻结锋面形成冰透镜体和 2 冻土性质的研究 冰夹层，体积剧烈膨胀，从而切向冻胀力发展很快。而砂土冻结过程中，在重力作用下 水分离开冻结锋面向深处迁移和聚集，从而在深部聚集了较多水分，这些水分直至冻结 末期才完全冻结。 图2 2 可以看出：粘土冻结速率快于砂土，粘土在冻结前期，切向冻胀力随冻结深 度增加而增大，并达到最大值。在冻结后期，随冻结深度进一步增加切向冻胀力却略有 减小。砂土的切向冻胀力发展与此不同，在整个冻结过程中，切向冻胀力均随深度的增 加而增大，并且主要在冻结后期发展，在冻深达最大时，切向冻胀力达最大值。砂土和 粘土切向冻胀力的发展规律，是由它们冻结过程中的水分迁移特性决定的。所以，砂土 的切向冻胀力主要在冻结后期发展。粘土的冻胀敏感性大于砂土的，且粘土的单位冻结 力也大于砂土，所以粘土产生的切向冻胀力明显大于砂土的切向冻胀力。 o 8 0 7 0 6 d 暑0 5 o 0 4 r 董0 3 嚣 0 2 0 1 o + 砂土 + 粘土 051 01 52 02 53 03 54 0 冻= ；鬻( c m ) 图 2 粘性土和砂土不同冻深的冻胀力 2 7 本章小结 、 在寒区的许多工程问题中，由于冻胀的影响，基础会出现变形或损坏现象。有的拱 起、有的断裂、有的倾斜、有的失稳倒塌。这些都影响人民的正常生产和生活，会给国 家造成财产损失和给人民生命安全带来隐患。所以我们在研究复合地基时，需要准确了 解地基土的一些力学性质，并通过试验分析地基土的类型、粒径大小和含水量等因素对 冻胀的影响状况。 东北林业大学硕士学位论文 3 混合型复合地基工作性状分析 目前，有些人尝试着将多种地基处理方法与桩基础结合起来综合应用形成了一种先 进的技术方法一混合型复合地基【4 7 l 。混合型复合地基又根据桩体材料刚度或桩的长度 不同，又被称为刚一柔性桩或长一短桩复合地基。 3 1 混合型复合地基作用机理 混合型复合地基般由褥垫层、长桩、短桩等部分组成( 见图3 - 1 ) 。混合型复合地 基充分利用了桩与天然地基土体通过变形协调承担荷载，它是一种比较合理的地基加固 形式。混合型复合地基通过柔性褥垫层的塑性流动变形，调整桩土之间的变形，有效的 调整桩土荷载分担比，保证桩土共同作用承担荷载。不同材料、不同厚度的褥垫层调整 效果不同，随着褥垫层厚度增大，调整桩土变形的效果增大i 矩j 。 图3 1 混合型复合地基剖面图 桩、土的复合形式在地基的刚度上形成了从上到下的三个梯度，有利于达到桩土共 同工作的三维应力状态，上部结构荷载传递至桩顶时，上部桩身受力产生压缩而发生相 对于土的向下滑移，此时桩间土体通过摩阻力来抑制桩的滑动。荷载在桩身向下传递的 过程就是不断克服土体摩阻力继而向土体中传递的过程，桩身轴力沿桩长逐渐减小；另 由于桩端持力层在桩端压力作用下产生压缩，使桩随之下沉，在下沉过程中与土体又发 生相对滑移，同样桩周摩阻力又得到了发挥。随着上部荷载的逐渐增加，就是桩间土体 逐渐得到发挥的过程，当上部摩阻力达到极限不变后，桩问土体摩阻力极限点不断向下 部桩端移动，直至整个桩身全部达到摩阻力极限值。 3 1 1 长桩作用 在混合型复合地基中，长桩的主要作用是将萄载通过桩身向地基深处传递，减小压 缩土层的变形，同时对柔性短桩起到“护桩”作用，并与短桩一起抑制地基周围土体的 隆起。混合型复合地基利用长桩进入深层良好土层来减少地基的沉降，控制建筑物的沉 3 混合型复合地基工作性状分析 降，同时由于长桩本身强度较高，对混合型复合地基承载力的提高亦有较大贡献。 随着长桩模量的增加，沉降有所减小，长桩承担的荷载略有增加，短桩和桩间土的 荷载分担有所降低，但变化是很大。随着长桩桩长的增加，混合型复合地基的沉降明显 减小，长桩桩身应力相应增加，长桩分担的荷载也增加，桩间土分担的荷载相应降低。 长桩桩长对控制混合型复合地基的沉降和提高桩顶荷载效果明显。但是长桩桩长也存在 有效长度，超过该长度对降低混合型复合地基的沉降和提高承载力效果小明显。 3 1 2 短桩作用 在混合型复合地基中，短桩主要作用是用于提高基础或承台( 浅基) 持力层的土体 强度，提高地基的承载力；当基底以下存在较厚的软弱土层时，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。 在混合型复合地基中，短桩的选型变化较大，散体桩、柔性桩和( 半) 刚性桩都比较 常见。短桩的效应小仅受于自身的材料特性有关，受桩间土性状和长桩的置换率的影响 较大。所以改变短桩参数，模拟出来的结果也不尽相同。当短桩为散体或柔性桩时，增 加短桩模量，混合型复合地基沉降较小，短桩分担的荷载增加，桩问土和长桩分担的荷 载有所降低，但此时增加短桩的桩长对混合型复合地基的沉降和承载力影响不大。当短 桩为( 半) 刚性桩时，表现出和刚性长桩相同的性状，增加短桩模量对混合型复合地基的 沉降和承载力影响不大，但是增加桩长可以有效地降低沉降和提高承载力。 一般短桩采用柔性桩( 如水泥搅拌桩、碎石桩等) ，长桩采用刚性桩( 如c f g 桩、 砼预制桩等) 。为了刚性桩、柔性桩与土体共同承担上部荷载并共同协调变形，就在基 础底部设置了褥垫层。 3 1 3 桩间 桩间土对混合型复合地基沉降和桩土荷载分担特性的影响较大。随着浅层土体模量 的增加，混合型复合地基沉降减小，桩间土分担的荷载增加，桩体分担的荷载相应减 小。下卧土层( 相对长桩而言) 土体模量增加，混合型复合地基沉降减小。与浅层土体对 荷载分担的影响不同的是，下卧层土体的变形模量越高，长桩分担的荷载就越多，而桩 间土体分担的荷载则减小。这是因为在混合型复合地基中，长桩对整体沉降起控制作 用，下卧层土体的变形模量越大，长桩越难发生刺入变形，下卧层土体自身的变形越 小，从而使混合型复合地基的整体沉降减小。 3 2 混合型复合地基的承载性状分析 3 2 1 桩轴向应力特性 混合型复合地基的长桩轴向应力分布( 图3 2 ) 和刚性桩复合地基分布相同，桩身最 大应力点不在桩顶，而在桩顶以下z 。处。并随着荷载的增大，z o 减小，当接近极限荷载 时，最大应力点基本达到桩顶( 即z 。= o ) 。这是因为在复合地基中，在基底与桩顶之间 设置了褥垫层，在承受上部荷载时，因长桩体模量较大，应力集中明显，造成桩顶在褥 东北林业大学硕士擘位论文 垫层中产生应力塑性区，随着的荷载增加，长桩将向褥垫层刺入，造成在复合地基桩土 上部某一深度z 。范围内竖向方向上，土体位移大于桩的位移，因而在z 。以上范围内，土 体对桩身形成负摩阻区，也即桩体一定深度z 。范围内会出现桩与桩间土的等沉面上，等 沉面以上的桩问土将相对桩体向下移动，等沉面以下范围内，桩体相对桩间土向下移 动，故桩间土对产生正摩擦阻力区。在等沉面以上，桩的轴向应力随深度增加而增大， 等沉面以下桩的轴向应力随深度增加而减小，桩的最大轴向应力就在中性点处。 o h l i i l i l i i j 浔l i j ， j 一 _ n 。 一 - - - - - 一 - - j 二 _ j f j j z 图3 - 2 混合型复合地基的桩轴向应力分布图 3 2 2 参数介绍 。 3 2 2 1 桩土应力、桩土应力比和桩顶应力比 复合地基中桩顶或桩间土上的应力分布并不是均匀的，桩、土应力通常是指桩顶或 桩间土上的平均应力。桩土应力比h 是指复合地基中桩顶上的平均应力和桩问土上平均 应力的比值。桩土应力比是反映复合地基工作性状的一个重要参数，反映了复合地基中 应力的集中情况。影响桩土应力比的因素很多，主要有桩体的刚度、桩的承载特性、面 积置换率、荷载水平、褥垫层厚度等。长桩和短桩的桩顶应力和桩土应力比大体上均随 总荷载的增加而增加，并且桩体刚度大、承载特性好的长桩的桩顶应力和桩土应力比明 显大于短桩桩土应力比。 3 2 2 2 桩土荷载分担比 当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土都要发生沉降变形。桩的模量远大于土的模 量。所以桩比土的变形小，但由于基础下面的褥垫层可以起变形的协调作用，桩刺入褥 垫层，垫层材料调整进入桩间土，这就保证了在任意荷载作用下，桩和桩间土始终参与 工作。 桩间土的荷载分担比随着复合地基总荷载的增加而逐渐减小，而桩的荷载分担比则 随总荷载的增加而逐渐增加。这说明由于褥垫层存在，桩间土在加载初期就发挥了较大 的作用，桩的承载力及其在复合地基中的作用需要荷载达到一定级别后才逐渐发挥出 3 混合型复合地基工作性状分析 j i i - _ ，_ _ - _ j | _ _ e _ e e _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ e _ | = 0 _ = = ! e _ _ e = _ = = j j e = = ! = = _ _ = _ 日_ _ = ! = j _ = z - | = = = j _ _ - _ = e ，_ e j - _ j | e _ _ _ 来。桩体刚度较大的长桩的荷载分担比较大、桩体刚度较小的短桩的荷载分担比较小， 两类桩的荷载分担比均随荷载的增加逐渐增加。 3 3 褥垫层技术 3 3 1 基础和桩之间是否设置褥垫层 如图3 - 3 所示，土层i 为较软弱土层，土层i i 为坚硬层，土层i i 的压缩模量e ，远 大于的土层i 的压缩模量e 。图a 中基础直接作用于桩和桩间土上，桩穿透土层i ， 桩端落在土层u 上。由于桩端落在坚硬土层上，复合地基沉降主要由桩的压缩变形控 制。通常桩的压缩模量远大于桩间土，压缩变形很小。相应桩问土的变形很小，桩间土 的承载力，荷载基本由桩承担。 基础和桩间土之间设置一定厚度散体粒状材料组成的褥挚层，桩体的受力情况与图 a 所示的情况就有很大的不同。在荷载作用下，由于桩的模量远大于土的模量，桩间土 表面变形大于桩顶变形，桩向褥垫层刺入，伴随这一变化过程，粒状散体材料不断调整 补充到桩间土表面上，基础通过褥垫层始终与桩间土保持接触，桩间土始终参与工作， 桩间土承载力可以得以发挥。 lj rj r “上“j rj rj rj rj rj r l lj r l lj rj rj r ， 基础 桩 土层土层 a 不设褥垫层b 设置褥垫层 图3 - 3 是否设置褥垫层 所以说，基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。特别是对刚性或半刚 性桩复合地基，基础下不设置褥垫层，复合地基承载特性与摩擦桩基础相似，在给定荷 载作用下，桩承受较多荷载，随时间增加，桩发生沉降，一部分荷载逐渐向土体转移， 桩承担的荷载随时间的增加而有所减少，土承担的荷载随时间的增加而有所增加。桩间 土承载力发挥依赖于桩的沉降。基础下设置褥垫层，桩间土承载力的发挥就不单纯依赖 于桩的沉降。即使桩端落在好土层上，也能保证荷载通过褥垫层到桩间土上，使桩土共 同承担荷载。 东北林业大学硕士学位论文 3 3 2 褥垫层的作用 3 。3 。2 1 保证桩土共同承担荷载 带褥垫层复合地基加载初期，荷载通过垫层比较均匀的传到桩间土上，由于桩的刚 度和承载力远高于土，随着荷载的增加，桩顶的垫层材料不断向外挤出，造成桩顶向上 刺入垫层中，桩顶上的垫层材料在受压缩的同时，会向周围流动。这样使土与基础始终 保持接触，同时对桩与土的应力进行调整，以适应土与桩的协调变形的要求i 4 。这样垫 层就起到了一个调节桩土荷载分配的作用。 3 3 2 2 调整桩土应力比 一 混合型复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比”表示，也可以用桩、土荷载 应力j 。、疋表示。当褥垫层厚度：0 时，桩、土应力很大，在软土中，桩土应力比一 可以超过1 ，桩分担的荷载相当大。在很大时，桩、土应力比接近于1 4 7 1 。此时桩的 应力比很小，并有j 。近似等于 i 。 3 3 2 3 藏小基础底面的应力集中 当褥蛰层厚度= o 时，桩对基础的应力集中很明显，和桩基础一样，需要考虑桩 对基础的冲切破坏。当大到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布 3 。3 2 ：4 调整桩、土水平荷载的分担 当褥垫层厚度h o = o 时，基础受竖向荷载p 和水平荷载q 作用。在竖向荷载p 作用 下桩的荷载分担比j 。很大，而土的荷载分担比万，很小。在无埋深条件下，荷载q 传到 桩上的水平力为绒，传到土上的水平力为q ，并有：q = q ，+ q j ，q = 肥式中： 只桩间土分担的荷载；p 基础和土之间的摩擦系数，p 多在0 2 5 - 0 4 5 之间变化。当褥 垫层厚度= o ，只较小，则q 也很小，此时水平荷载主要由桩来分担，绯很大。当褥 垫层厚度氏增大到一定数值时，作用在桩顶和桩间土上的剪应力f ，和f ，不大，桩顶受 到的剪应力q 。= m a r 。，式中：m 为置换率；a 为基础面积；r ，为拉顶剪应力。剪应力 占水平荷载的比例大体与面积置换率相当，即使此时桩受的水平荷载很小，水平荷载主 要由桩问土承担。 3 3 。3 褥垫层作用机理 在混合型复合地基中，上部建筑物的荷载作用由基础底板传递至褥垫层，再由褥垫 层传递至桩体和桩问土。垫层材料主要选用一些相对桩体刚度较小的材料，所以为复合 地基中桩顶产生向上刺入模式提供了条件，相反褥垫层相对桩间土刚度较大，褥垫层向 桩间土流动。建筑物荷载作用于复合地基初期，复合地基通过褥垫层的作用将荷载均匀 的传到土上，由于桩的刚度和承载力要远大于桩间土，荷载作用下土面的沉降将引发桩 项相对刺入的情况，随着桩顶的刺入，桩顶上的垫层材料会挤向周围土体，通过垫层材 料的流动补偿。使得桩阃土与基础始终保持接触，调动了桩间土承载能力。 对复合地基下平衡和变形关系进行简化( 见图3 4 ) ：混合