（岩土工程专业论文）柱锤冲扩桩法复合地基承载性能研究.pdf

寸阂石油土学 单位代码：1 0 4 2 5 学号：s 0 7 0 6 0 7 1 6 硕士学位论文 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm a s t e rd e g r e et h e s i s 柱锤冲扩桩法复合地基承载性能研究 b e a r i n gp e r f o r m a n c er e s e a r c ho fd d c p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 学科专业：岩土工程 研究方向：岩土加固理论与技术 作者姓名：金忠良 指导教师：程玉梅副教授 二。一。年五月 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：j i nz h o n g l i a n g s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f c h e n gy u m e i c o l l e g eo f a r c h i t e c t u r e & s t o r a g ee n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) l i i i ii ii ii ii i i ii i i l l l l l y 17 7 7 6 4 9 的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位敝作者躲丝苎受 日期：z 多夕年r 月三7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：坌墨氐 指导教师签名：趣垒：丝 日期：加声年 日期：沙卜年 日 日 o，身 2 z 月 月 争上1 演化而来的新型基 在处理湿陷性黄土 地基的过程中，能有效地降低孔隙率，消除地基湿陷性，工程运用十分广泛。但柱锤冲 扩桩复合地基技术在理论方面的发展却远远落后于实践。因此，我们迫切希望通过理论 研究对柱锤冲扩桩复合地基的加固原理、优化设计提出更好的方案。 本论文对柱锤冲扩桩复合地基的承载性能、消除湿陷性等方面进行了研究。研究表 明，柱锤冲扩桩复合地基能有效的加固软弱地基和消除湿陷性。通过工程实例，验证了 该法加固地基的可行性。 运用a n s y s 有限元分析软件，对单桩模型进行模拟，模拟值与实测值相比较，并 对两者之间的误差进行了总结分析。论证了a n s y s 有限元软件模拟柱锤冲扩桩复合地 基的有效性和实用性。 建立柱锤冲扩桩多桩模型，通过改变变量的方式，对影响该法加固地基的因素进行 一一比对。对工程实际中运用柱锤冲扩桩法起到了一定的指导作用。 关键词：复合地基，柱锤冲扩桩，湿陷性，承载性能 r m a n c er e s e a r c ho fd d cp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n j i nz h o n g l i a n g ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f e s s o rc h e n gy t t m e i a b s t r a c t p i l e st h r u s t e d - e x p a n d e di ne x p a n d e di nc o l u m nh a m m e rc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni san e wt e c h n o l o g y e v o l v e df r o ms o i lc o m p a c t i o np i l em e t h o da n dd y n a m i cc o m p a c t i o n t h em e t h o dc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h eb e a r i n gc a p a c i t y , r e d u c es e t t l e m e n ta n de l i m i n a t ec o n s t r u c t i o nw a s t e i nd e a l i n gw i t hc o l l a p s i b l el o e s s f o u n d a t i o n ，t h em e t h o dw h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ep o r o s i t ya n de l i m i n a t ec o l l a p s i b i l i t y , a r ew i d e l y u s e di ne n g i n e e r i n g b u tt h et h e o r yo fd e v e l o p m e n th a sl a g g e db e h i n dt h ep r a c t i c e s ow eu r g e n t l yh o p et o c o m e u p w i t hb e t t e r p r o g r a m e st h r o u g h t h e o r e t i c a l s t u d y o fr e i n f o r c e m e n tt h e o r yo f p i l e s t h r u s t e d - e x p a n d e di ne x p a n d e di nc o l u m nh a m m e rc o m p o s i t ef o u n d a t i o na n do p t i m i z a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e dt h eb e a r i n gp e r f o r m a n c ea n de l i m i n a t i n gc o l l a p s i b i l i t yo fp i l e st h r u s t e d - e x p a n d e d i ne x p a n d e di nc o l u m nh a m m e rc o m p o s i t ef o u n d a t i o n s t u d i e sh a v es h o w nt h a tp i l e st h r u s t e d e x p a n d e di n e x p a n d e di nc o l u m nh a m m e rc o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a r le f f e c t i v e l yr e i n f o r c es o f tg r o u n da n de l i m i n a t e c o l l a p s i b i l i t y w ev e d f i e dt h ef e a s i b i l i t yt h a tt h ea c tc a nr e i n f o r c ef o u n d a t i o nb yp r o j e c t u s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，w es i m u l a t e ds i n g l ep i l em o d e l s i m u l m i o nw a sc o m p a r e d w i t ht h em e a s u r e dv a l u e s ，a n dt h ee r r o rb e t w e e nt h et w or e s u l t sw a sa n a l y z e d e f f e c t i v e n e s sa n d p r a c t i c a l i t y h a v eb e e np r o v e d ，t h r o u g ha n s y ss i m u l a t et h ep i l e st h r u s t e d e x p a n d e di ne x p a n d e di n c o l u m nh a m m e r e s t a b l i s h e dam u l t i - p i l em o d e la b o u tp i l e st h r u s t e d - e x p a n d e di ne x p a n d e di nc o l u n mh a m m e r c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，w ec o m p a r e dt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h er e i n f o r c e m e n to ff o u n d a t i o nb yc h a n g i n gt h e v a r i a b l e s t h a tw i l lp l a yag u i d i n gr o l ef o re n g i n e e r i n gp r a c t i c eb yu s i n gp i l e st h r u s t e d e x p a n d e di n e x p a n d e di nc o l u m nh a m m e rc o m p o s i t ef o u n d a t i o n k e yw o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，d d cp i l e ，c o l l a p s i b i l i t y , b e a r i n gc a p a c i t y 录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状。1 1 2 1 复合地基国内外发展概况1 1 2 2 柱锤冲扩桩发展现状2 1 2 3 柱锤冲扩桩施工器具及加固原理3 1 3 柱锤冲扩桩承载性能的影响因素5 1 4 柱锤冲扩桩法与其他地基加固技术的比较7 1 5 本文研究的主要内容9 第二章复合地基的承载性能理论探讨一1 0 2 1 桩土荷载分担比和桩土应力比的影响因素一l o 2 2 复合地基沉降计算1 3 2 2 1 加固区压缩量墨的计算方法14 2 2 2 下卧层士层压缩量s 2 的计算方法2 0 2 3 柱锤冲扩桩沉降公式分析2 3 2 3 1 柱锤冲扩桩复合地基岛沉降计算2 3 2 3 2 柱锤冲扩桩复合f f 堪s 2 沉降计算2 5 d 、结一2 6 第三章柱锤冲扩桩处理湿陷性黄土2 7 3 1 湿陷性黄土的定义一2 7 3 2 湿陷性黄土的物理力学性质2 7 3 2 1 湿陷性黄土的物理性质2 7 3 2 2 湿陷性黄土的力学性质2 8 i i i ：1 9 ：1 9 ：1 9 ：1 9 ：1 9 ：1 9 ：i ( ) ：；l ：；：1 3 5 1 垫层法消除湿陷性3 2 3 5 2 夯实法消除湿陷性3 2 3 5 3 挤密桩法消除湿陷性3 3 3 5 4 预浸水法消除湿陷性3 3 3 6 柱锤冲扩桩设计施工及检验3 3 3 6 1 柱锤冲扩桩的设计3 3 3 6 2 柱锤冲扩桩施工3 5 3 6 3 柱锤冲扩桩的检测3 8 3 7 柱锤冲扩桩处理湿陷性实例评价3 8 d 、结4 0 第四章工程实例及a n s y s 有限元分析对比一4 1 4 1 工程实例概况4 l 4 1 1 地基处理的设计要求4 2 4 1 2 施工单位的自检实测资料4 3 4 1 3 自检结果4 4 4 2a n s y s 有限元分析软件简介5 1 4 3 桩土模型简介5l 4 3 1d p 材料模型参数的输入5 2 4 3 2d p 材料模型的屈服准则5 2 4 3 3 桩土接触问题5 3 4 4 柱锤冲扩桩单桩复合地基模型建立5 4 4 4 1 基本假设5 4 4 4 2 参数选取5 4 4 4 3 建模过程5 5 一5 7 。5 7 。5 9 。6 l 6 3 一6 3 5 2 模型后处理6 4 5 3 影响因素对比6 6 5 3 1 桩体压缩模量的影响6 7 5 3 2 桩长的影响6 7 5 3 3 桩径的影响6 8 5 3 4 垫层厚度的影响6 9 小结。7 0 结论与展望7 1 结论7 1 展望一7 2 参考文献7 3 致谢7 5 v t 气 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 中国是人口大国，但是土地资源十分有限，人均耕地仅为世界平均数的1 1 0 。节省 耕地是我国进行可持续发展的重要因素。因此我们要尽量利用各种不能用作耕地的土 壤，如淤泥、软土、回填土、砂基、垃圾坑、废料堆场以及深厚湿陷性黄土等不良地基， 通过新型技术、方法，对软弱土进行加固，保证其承载力及沉降，确保各种建筑物的质 量，能使建筑拥有更好的安全性能。 在复合地基发展的新阶段，司炳文先生发明了柱锤冲扩桩法加固地基技术【l 】。该技 术利用先进的施工方法和新型材料，使地基加固进入了新的阶段。该方法利用建筑垃圾 等无机废料作为填料，大大降低了建筑垃圾对环境的污染，同时也减少了施工成本。先 进的施工工具和技术也能使地基更加结实，有效地消除了湿陷性。司炳文先生正是凭借 柱锤冲扩桩等技术获得8 项国家发明专利。 1 9 9 7 年颁布了河北省工程建设标准柱锤冲孔夯扩桩复合地基技术规程 ( d b l 3 ( j ) 1 0 9 7 ) 。随着柱锤冲扩桩对自身材料、施工器具和施工方法的改进，柱锤冲扩 桩在处理软弱地基、液化地基和湿陷性黄土等方面显现出独特的优势。当采用建筑渣土、 工业废料作为桩身材料时，避免了对环境的污染，同时还具有环保作用，同时还节省了 工程的成本。因此在建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 9 1 ) 修订时增加这一内容。该技 术经过发展、改进后被编入中华人民共和国行业标准建筑地基处理技术规范 ( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 第1 5 章，命名为“柱锤冲扩桩法 【2 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 复合地基国内外发展概况 复合地基这个概念，至今还没有定论。欧洲是近代地基处理技术的起源地。1 9 世纪， 法国出现了最早的砂桩加固地基。直到2 0 世纪，地基处理技术才进入了蓬勃的发展期， 1 9 3 6 年，德国工程师s s t e u e r m a n 提出采用振冲法加密砂性土原理。随后，欧洲其他国 家先后引进了这一技术用来处理软粘土地基。 二战以后，在美国出现了就地搅拌桩法称m i p 。该技术利用旋转钻头喷射水泥浆， 与土进行搅拌形成桩体。1 9 5 3 年，日本从美国引进了这一技术，改进形成了最早的水泥 第一章绪论 土桩f 3 】。水泥土深层搅拌法处理地基在日本得到了发展和完善，对复合地基的发展起到 推动作用。 上世纪5 0 年代中国的地基处理技术开始发展，引入了苏联的土桩挤密法技术。7 0 年代我国开始采用碎石桩处理地基，碎石土桩在我国运用十分广泛，取得了不错的地基 处理效果。之后在碎石土桩的基础上掺入了水泥等胶性材料，形成水泥土桩。 复合地基( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 的概念在国际上最早是在2 0 世纪6 0 年代初提出的。 当时是指一种计算砂井地基的数学模型【4 】，随后广泛地运用于土桩、碎石桩、深层搅拌 桩、石灰桩等加固地基的理论分析之中。随着地基处理技术的发展，复合地基的概念得 到了很大的扩展。现在，复合地基是指在地基处理过程中，部分土体得到增强或被置换， 或在地基中设置加筋材料，加固区是由基体和增强体两个部分组成的人工地基，在荷载 作用下，基体与增强体共同承担荷载的作用。因此，复合地基既不同于天然地基，也不 同于桩基。绝大多数地基处理方法形成的人工地基属复合地基。 复合地基理论的诞生又极大地促进了地基处理技术的进步。复合地基理论第一次提 出桩土共同承担上部荷载的思想【5 】，非常符合处理后的地基承载实际情况。大部分地基 处理后的人工地基可以用复合地基理论研究。 复合地基的承载能力问题需要综合地基的强度和沉降量这两个相辅相成、相互联系 的方面。复合地基在对其强度和沉降这两个方面的理论研究过程中，还有很多问题没有 解决，复合地基的理论还处在发展中。 1 2 2 柱锤冲扩桩发展现状 柱锤冲扩桩在工程中已经开始逐步运用，在处理湿陷性黄土、软土、杂填土等各类 地基有完整的施工器具及施工流程。相对来说，在现阶段柱锤冲扩桩的理论方面停滞不 前。一方面由于工程总数不是很大，难以得出相对系统的数据及总结出精确的数学公式， 能指导更好的施工。另一方面和其他复合地基一样，对复合地基结构的不确定性、不均 匀性难以加以把握，也造成理论的发展缓慢。下面是柱锤冲扩桩柱锤冲扩桩在工程应用 中的发展概况。 初级阶段在1 9 9 4 年，柱锤冲扩桩的发展处在初步阶段，地基处理深度很浅，一般 深度不大于4 米，桩体的材料一般为建筑渣土和灰土，建筑物一般为低层的砖混结构。 主要运用的范围在黄河流域的砂土和黄土地区，加固机理以挤密为主，施工器具也比较 简单，方法较为落后。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代中期柱锤冲扩桩法处理复合地基开始被大家所认知，该法被引进天 津，用于处理软粘土及杂填土等各种软弱地基。在施工工艺和施工器具上，该法也有了 很大的进步，开始采用夯击成孔和套管成孔等新技术。材料方面借鉴了生石灰桩，在桩 身材料中加入了生石灰等材料，使得柱锤冲扩桩复合地基的强度增大，沉降减小，在工 程运用中广受好评，在加固原理上利用了本身对桩间土的挤密作用，再加上石灰的凝固 作用，使强度上了一个新的台阶【6 】。 上世纪末，柱锤冲扩桩的处理深度变深和处理强度变高，在桩体材料中添加了水泥、 级配砂石等材料。施工工艺的进步和施工器具的发展也为该法提供了更大的市场竞争 力，该法的处理范围变得越来越广，在路基、广场等工程中开始大范围运用。 近几年来，柱锤冲扩桩法应用领域进一步扩大。工程实践表明，柱锤冲扩挤密灰土 桩可用于湿陷性黄土地区。通过合理确定设计参数，并经试桩施工及桩问土检测，证明 该技术可以有效地消除黄土的湿陷性，处理深度可达1 5 2 0 m 。随着水泥等材料的引入， 柱锤冲扩桩复合地基的强度进一步得到提高。在山区、液化地基等特种地基的处理中， 柱锤冲扩桩都发挥了良好的加固作用。 1 2 3 柱锤冲扩桩施工器具及加固原理 柱锤冲扩桩技术是在强夯、灌注桩、灰土桩等多种地基处理技术的基础上，通过工 程实践的总结验证、不断提高而发展起来的一项强夯处理地基新技术。夯锤形状较以往 的强夯有所区别如图1 1 。 尖锥杆状夯锤图橄榄状夯锤图 图1 - 1 柱锤冲扩桩夯锤形状 f i g l 一1 t h eh a m m e r s h a p eo fd d cp i l e 过去强夯处理地基，均采用方形或圆形的扁锤夯击，锤高与锤宽或锤直径之比为 o 3 o 5 ，这种夯锤在强夯时基本上是把大部分能量以面波形式沿地面向四周传播，易 造成噪声污染。仅有一小部分能量是沿竖向向下用于地基加固，地基处理的有效加固深 度较浅。当采用杆状锤时，这种夯锤的锤高h 远大于其直径d ( h d = 1 5 - - 3 ) ，能量集 第一章绪论 中，夯击时约7 0 的能量用于加固地基，只有少部分的能量传向四周。能量直接加固深 层的软弱下卧层。这种自下而上的均匀加固，深度可达2 5 - - 一3 0 m ，而普通强夯法的有效 加固深度一般不到1 0 m 7 , 8 】。 与强夯法相比，柱锤冲扩桩复合地基加固较为均匀，能有效地加固软弱下卧层。而 强夯法对表层土能较好地加固，但对深层地基加固效果不明显，特别是有软弱下卧层的 地基，无法达到加固的目的。 总之，应用柱锤冲扩桩技术处理地基，夯击能量高加固深度大，密实性和均匀性都 好。而且由于桩锤重量较小，对夯锤及器具的要求条件低，所产生的公害也小。采用的 桩体材料可取建筑无机渣土，使废物得到利用，消纳了垃圾。在柱锤冲扩桩技术的基础 上，通过加大夯锤、提高夯击能量、运用水泥等胶性材料发展起来的孔内深层强夯技术， 在地基处理深度、处理范围等方面运用更加广泛。孔内深层强夯技术规程 ( c e c s l 9 7 。2 0 0 6 ) 规定常用的成孔方法、成孔直径、中心距见表1 11 9 。 表1 - 1 成孔方法孔径及中心距 t a b l e l - - 1 p o r e - f o r m i n gm e t h o dd i a m e t e ra n dc e n t e rd i s t a n c e 成孔方法 成孔直径( m m ) 中心距沏所) 夯后桩径沏m ) 机械钻孔、掏孔4 0 0 1 5 0 02 o 3 0 d5 5 0 2 0 0 0 冲击成孔 2 5 t 5 0 0 1 0 0 0 2 0 - - 3 5 d6 0 0 1 5 0 0 夯锤重 5 1 0 t1 0 0 0 - 一1 4 0 02 o 3 5 dl5 0 0 2 0 0 0 ( t ) 1 0 2 0 t14 0 0 2 0 0 02 0 - 3 5 d2 0 0 0 3 0 0 0 注：b 成孔直径。 桩孔内填料、最优含水量应通过实验确定，也可按当地经验确定。填料的粒径、配 比可参照表1 2 确定。 表l - 2 桩体填料颗粒及配比 t a b l e l - 2f i l l e rp a r t i c l e sa n dt h er a t i oo fp i l e 桩型填料填料颗粒配比 单组分、双组份或多黄土、粉土、砂土、 一、1 05 成。一 组分的混合桩体 素土桩 粘土、杂土 土、碎砖瓦、沙、 单组分、双组份或多 渣土桩石料、混凝土块、 g 而j ) 成孔直径 组分的混合桩体 工业废料等 碎石桩碎石、石屑 q 一一l 、戍扎百径 碎石或碎石加石屑 、1 05 7 7 。3 。一 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表1 - 2 桩体填料颗粒及配比( 续) t a b l e l - 2f i l l e rp a r t i c l e sa n dt h er a t i oo fp i l e 灰： 2 5 0 k p a五 5 0 0 k p a 4 0 01 5 0 0 0 凝土桩灰土桩根 西安四医大 软弱饱 2 2 0 0 干休所住宅和黄士 石 4 0 0 k p a静压桩 灰土桩 正 4 5 0 k p a 1 6 01 2 0 0 0 根 渭南水利湿陷性大挖建筑 7 8 01 5 0 0 大厦黄土 五 2 2 0 k p a五 3 0 0 k p a 大填渣土桩根 西安市6 3 1 湿陷、 1 6 0 0 软弱 五 3 0 0 k p a 静压桩灰土桩 六 4 5 0 k p a 5 04 0 0 0 所生产车间 根 9 1 3 m 1 5 本文研究的主要内容 本课题主要研究柱锤冲扩桩加固地基的承载力、沉降及变形。由于这项技术在国内 的并不成熟，处于半理论半经验的状态，因此对其的主要研究内容如下： 1 介绍柱锤冲扩桩复合地基承载性能的基本原理，以及复合地基承载性能计算的理 论方法，总结柱锤冲扩桩沉降计算的方式及存在的问题。 2 分析湿陷性性黄土产生的原因、机理及加固方法，结合工程实例，分析使用柱锤 冲扩桩法加固地基对地基承载力性能的改变以及对消除湿陷性黄土湿陷性的作用，总结 此方法的优点。 3 结合工程实例，通过运用a n s y s 有限元软件，对工程桩进行三维模拟。通过模 拟静载过程，得到沉降、应力、桩中应力等数据图表，对比分析实际工程和模拟过程的 异同点，得到结果对工程起指导性作用。 4 对多桩型柱锤冲扩桩复合地基进行有限元模拟，采用不同的对比参数，例如桩长、 桩径、褥垫层厚度等，分析参数的改变对柱锤冲扩桩承载性能的影响，并得出随影响因 素变化而变化的规律。 9 i _ i 一 探讨 2 1 桩土荷载分担比和桩土应力比的影响因素 能理论探讨 复合地基是由桩间土和桩体共同承担由上部传递而来的荷载。桩土荷载分担比是桩 体承担的荷载与桩间土承担的荷载的比值，而桩土应力比是桩体上部所承担的平均应力 与桩间土承担的平均应力的比值。桩土荷载分担比与桩体应力比从本质上来说是一致 的，都是描述桩体和桩间土承担上部结构传来荷载的比重大小，是复合地基中重要的参 数。 影响桩土荷载分担比与桩土应力比的因素很多，桩体的刚度、桩间土的刚度、褥垫 层的厚度、下卧层加固区、荷载水平等。桩土荷载分担比与桩土应力比对复合地基的承 载性能影响很大，直接影响到整个复合地基的承载力与沉降，因此在设计施工过程中， 对荷载的分配问题是设计过程中要解决的重要问题。 由于桩土应力比的不确定性与离散性，关于桩土应力比的理论研究较少。随着复合 地基工程的发展，近年来人们对桩土应力比与桩土荷载分担比的认识开始加深。对于作 用于复合地基刚性承台上的均布荷载，传递到桩体和桩间土中的荷载确不是均匀分布 的。图2 1 a 和图2 1 b 分别为碎石桩和水泥搅拌桩单桩带承台载荷试验所测得的承台下 应力分布刚1 2 1 。 p刚性承台 i i ii + p刚性承台 i i i 弋 龋1 汹j 、 m o 塞压华挂轴 妊力k p a a ) 碎石桩b ) 水泥搅拌桩 图2 - 1复合地基刚性承台下实测应力分布图 f i 9 2 - 1r i g i dc o m p o s i t ef o u n d a t i o nb e a r i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o nm e a s u r e da u d i e n c e 由于复合地基中桩体和桩问土的非线性，桩体中的应力应变关系与桩间土中的应力 应变关系也都是非线性的，在荷载的作用下桩土应力分担比随外部因素的变化而变化。 图2 2 a 和图2 2 b 分别为由九个碎石桩复合地基工程和7 0 组实测资料。 l o 论文 a ) 砂性土碎石桩复合地基 是变化的，对于砂性土碎石桩的桩 水平的提高而提高的变化状态【1 3 】。 b ) 粘性土碎石桩复合地基 01 0 02 0 03 0 0 4 0 0 5 0 00 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 c 0 pf礅pkuv c ) 小桩复合地基d ) 水泥搅拌桩复合地基 图2 - 2 桩土应力比刀与荷载水平关系 f i 9 2 - 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i l e - s o i ls t r e s sr a t i ona n dl o a dl e v e l 【r 】为天然地基容许承载力。由图a 可知，碎石桩复合地基当p r , 】不大于1 0 时， 桩土应力比n 比较离散，随着p b 】值的增大，桩土应力比”的离散性变小，大约为2 3 ，平均值为2 5 。而粘性土碎石桩复合地基，桩土应力比n 的离散性较小，分布趋势较 为一致，随p 【足】值增大而增大，其值大约为3 5 。图2 - 2 c 和图2 2 d 分别表示小桩型 复合地基和水泥搅拌桩复合地基载通过荷试验所得到的桩土应力比值随荷载水平提高 变化的情况。通过观察图2 2 d ，可以看到当荷载水平达到某一临界值后，桩土应力比拧 会迅速减小。这是由于水泥土的屈服产生的效果。水泥掺合比和桩体的增长也会使刀变 大。当水泥掺合比口。1 0 时，z 值会随荷载水平提高而提高，且逐渐稳定，不会出现图 2 2 d 中所示出现峰值然后下降的情况。随着水泥掺合比的提高，复合地基中桩体的破坏 模式将会不同。因此，在水泥搅拌桩中桩土应力比以的变化模式也将会不同1 1 4 , 1 5 1 。 3 2 l o t暑器芒蔷lo午尝山鼙or12器罄ls=o日，sk 2 o 8 6 4 2 o c ot甘甥p暑：lor盘ld 第二章复合地基的承载性能理论探讨 由图2 2 可以看出，对于像砂性桩等的散体材料桩，桩土应力比r 值一般较小，随 着荷载水平的提高，其变化幅度一般不会很大，桩土应力比以值的离散性较大。对于像 水泥土搅拌桩等桩体刚度较大的复合地基，桩土应力比值刀一般较大，随着荷载水平的 提高，甩值也将会提高，离散性也较小。这和复合地基中加强体的材料有关。 桩土应力比刀值是复合地基中的重要参数，对于桩土的应力分布，桩土模量比也起 到非常重要的作用。图2 3 是根据在特殊条件下，通过分析得到的桩土应力比与桩土及 桩间土模量之间的关系，由图可以看出桩土应力比刀与e 。e 。成线性关系【1 6 1 。 , i e p e s 图2 - 3 桩土应力比刀值与乓关系 f i 9 2 _ 3 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i l e 。s o i ls t r e s sr a t i on a n d 心ep | e s 桩土应力比与桩体的长径比也有关系，如图2 - 4 所示。在桩土模量比不同的情况下 桩土应力比的变化形式是不一样的。由图可知在桩土模量比一定的情况下，桩体长径比 的增加会有一个临界值，超过临界值随着长径比的增加桩土应力比不会增加17 1 。 4 0 3 5 3 0 譬 董2 5 量2 0 专1 5 尝1 0 q - 5 0 01 0 2 03 04 05 0 l f n 图2 - 4 桩土应力比与桩体长径比关系 f i 9 2 - 4 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i l e - s o i ls t r e s sr a t i oa n dp i l ea s p e c tr a t i o 1 2 4 2 o 8 6 4 2 o 嚣ot甚嚣甜五”lo甲廿lt艮 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 复合地基置换率对桩土应力比的影响见图2 5 ，由图中可以看出在桩土模量比和桩 体长径比确定的情况下，随着复合地基置换率的增大，桩土应力比是减小的。这是由于 在增大置换率时，上部荷载会向复合地基中的桩体集中，桩间土将会产生固结和蠕变的 现象，桩间土所承担的荷载减小。 01 0 2 0 ) u 4 05 0 r e p l a c e m e n tr a t em 图2 - 5 复合地基桩土应力比与置换率关系 f i 9 2 5 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i l e - s o i ls t r e s sr a t i oa n dr e p l a c e m e n tr a t e 桩土应力比的确定需要依靠大量的工程桩的数据来进行统计，由于复合地基的离散 特性，桩体和桩间土的应力测定相当困难，测试时数据的准确性只能在该处得到肯定， 在复合地基的不同地点都不能用，不同的复合地基间桩土应力比的确定将更加困难。因 此，在现阶段想利用桩土应力比作参数进行复合地基的设计计算是不现实的，参数的取 值只能根据当地的历史统计和经验估计。随着技术水平的发展和工程实践的增多，桩土 应力比的定量计算可能会实现。 由图2 2 可以看出，在复合地基中桩体刚度对桩土应力比的影响很大，随着桩体模 量的增大，桩土应力比也会相应增大。另外，影响复合地基桩土应力比的因素也很多， 在设计计算过程中要考虑这么多因素最后确定桩土应力比非常困难。柔性桩复合地基中 桩土应力比范围比较小，一般是在2 5 3 5 之间，而刚度较大的桩体复合地基的桩土应 力比变化范围很大，因此计算结果会不准确。因此用桩土应力比作定性分析较为合理。 2 2 复合地基沉降计算 在工程中控制复合地基的沉降是控制整个复合地基承载力的主要因素，直接关系到 上部结构的稳定性及可靠度。随着复合地基沉降理论的发展，我们已经能够很好地掌握 复合地基沉降的基本因素。 复合地基的沉降计算模型是把复合地基分为加固区和下卧层两部分。这两部分在荷 1 3 5 0 5 譬暑譬莹0gjfi钆 第二章复合地基的承载性能理论探讨 载作用下分别产生沉降，加固区的沉降较大，而下卧层的沉降相对较小。如图2 - 6 。复 合地基的整体沉降为复合地基加固区的沉降与下卧层的沉降之和【1 7 1 。垫层厚度较薄，在 计算过程中不予考虑。 s = s 1 + 是( 2 一1 ) 加固区下卧层 图2 - 6 复合地基沉降 f i 9 2 - 6 s e t t l e m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n 在理论计算过程中对复合地基加固区压缩量岛的计算方法采用三种计算思路，运用 分层总和法进行求解。对下卧层压缩量s ：也采用分层总和法。 2 2 1 加固区压缩量置的计算方法 复合地基加固区压缩量_ 的计算方法主要有以下几种： ( 1 ) 复合模量法( 疋法) ：复合地基加固区加强体和土体通过复合地基置换率肌计算 出复合模量玩后采用分层总和法求解加固区的沉降。加固区沉降计算式为： 而2 车争、“c 矾 式中衄第f 层复合土上附加应力增量； 曩第f 层复合土层的厚度。 ( 2 2 ) 复合地基加固区的复合模量瓦采用复合地基置换率来进行计算，即： 玩= 聊+ ( 1 一朋) 玩 ( 2 3 ) 1 4 ! 里互塑奎堂! 兰奎! 堡主堂垡笙奎 式中增强体压缩模量； 瓦桩间土压缩模量5 m 复合地基置换率。 利用弹性力学的方法也可以求得复合模量计算公式【1 8 】，如图2 7 所示。 图2 - 7 计算简图 f i 9 2 - 7 c a l c u l a t i o nd i a g r a m 采用圆柱坐标，引入a i r y 应力函数，应力分量为： q = 吾掌d r = 窘= = 。 q2 一_ - 2 了万2 2 u ，口一 根据弹性力学，应力分量除满足平衡方程外，还应当满足双谐调方程： 眵搿 得带有四个位置常数的通解： 中= 彳1 1 1 厂+ 肼2 l n ，+ d 2 + d 将式( 2 - 6 ) 代入式( 2 4 ) ，得： q ：一1 _ d o _ ：了a b ( 1 + 2 i n ，) + 2 c i - 2 i n q2 一_ _ 。了 + ，j + rd r，。 ：嬖：一一a + b ( 3 + 2 1 n 卅2 c 2 万一一r 2 + b ( + n r ) + t r o = r e r = 0 在轴对称问题中应变和位移的关系，并根据广义胡克定理得： 1 5 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 第二章复合地基的承载性能理论探讨 土体和桩间土的应力分量常数分别取彳，b ，c ，d ，土中应力： 吒，：善+ 2 b2 7 + 一等+ 2 曰 = 笋瑚1 一詈+ 2 c j 彳= 2 啊哆t b = 一啊垅乞 c = ( 1 一所) 啊乞 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中扛为： 啊= d 篙 p 蚴 式中a p 、鸬分别为桩体和土体的泊松比； 聊复合地基置换率： 1 6 c 、ii_llli，i_i_j c 2 互 + + 4 0 彳广广 r q 、il， k 。、巨分别为桩体和- i - _ 体的杨氏模量。 将常数a 、b 和c 的值代入式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) ，可得到桩体应力和桩问土应力，并 根据广义虎克定理可得到桩体和桩间土的应变值。 复合地基应变能守恒得： 一1 i u o 乞d v = 毛l p 。s 睨+ 。 r + a 帕s 枷雒 + 吉l ( 气+ o s r s s r + c r , e c ，o ) d ( 2 - 1 3 ) 将上述推导所得桩体和土体的应力和应变值代入上式，经化简可得复合模量的表达 式： e = 聊t + c - 一聊，e + i ：兰羹 乏 兰笔精 c 2 - 4 ， 式中左边两项为根据置换率求解的面积加权表达式，最后一项为在荷载作用下，桩 体和桩间土的共同作用对复合模量的影响。式( 2 1 4 ) 右边第三项大于零，故： 疋m e p + ( 1 一珑) t ( 2 1 5 ) 通过室内试验也可得到复合地基置换率和复合地基复合模量之间的关系，通过采用 不同置换率的水泥土复合地基进行压缩破坏试验【1 8 】。图2 -