（岩土工程专业论文）刚性桩复合地基褥垫层设置问题研究.pdf

舅雾琴霉誉意薹簟i l 冀篓暑墨繁雾= 篙篙冀置雾“雾? 薹繁j 琴鬻薯爹警毒翠攀攀霉葺零鬻 原创性声明 f l ur l li ii i i f l l l fr l l i i l ll riiil y 18 3 3 0 9 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。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科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者 日期：沁。年厂月) 。日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 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；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者 日期：矽，口年厂月；。日 摘要 捅斐 随着复合地基理论的不断进步，c f g 桩等刚性桩复合地基得到了越来越广 的应用，而褥垫层技术是刚性桩复合地基的一个核心技术，由于具有保证桩土 共同作用、调整桩土荷载分担比、减小基础底面应力集中、调整桩土水平荷载 等多种作用，一直备受岩土工作者的关注，但目前褥垫层的设计主要是根据规 范以及相关工程经验来确定，相关的理论研究具有诸多假设；室内试验又由于 其尺寸、边界条件等限制，不能完全模拟实际情况，因此，刚性桩复合地基褥 垫层设置问题的理论研究一直不太充分。在现有研究的基础上，本文针对刚性 桩复合地基褥垫层的厚度设置问题展开研究，主要工作如下： ( 1 ) 首先分析了刚性桩复合地基褥垫层的研究现状，指出了目前褥挚层研 究中存在的问题，并对现有褥垫层破坏模式和合理厚度的研究成果进行了详细 的讨论，指出了其局限性。 ( 2 ) 利用大型数值分析软件f l a c 3 d 模拟了实际工程中的刚性桩复合地基 载荷试验，数值结果与实测结果吻合较好，证明了本构模型和计算参数的选取 是符合实际情况的，也验证了f l a c 3 d 程序模拟刚性桩桩复合地基的可行性。 ( 3 ) 利用数值方法研究了不同桩土刚度比下刚性桩复合地基的桩土应力比 随褥垫层厚度的变化规律。结果表明，褥垫层的厚度范围并不局限于规范所规 定的1 5 , - - 一3 0 c m ，且天然地基土质的软硬程度对褥垫层厚度的设置有较大影响， 褥垫层合理厚度的设置应根据不同地质条件进行区分。 ( 4 ) 研究了不同褥垫层厚度下复合地基桩项荷载与沉降的关系曲线( n - s 曲线) ，进一步说明了调节褥垫层厚度可调节复合地基的单桩承载力，进而对复 合地基的设计进行优化。 ( 5 ) 研究了复合地基桩径的大小对桩土应力比的影响。在桩长不变时，同 一垫层厚度下，随着桩径的增大，桩土应力比越来越小；不同桩径下，桩土应 力比随褥垫层厚度的变化趋势也不尽相同，因此，垫层合理厚度的设置要考虑 桩径的影响，提出以垫层厚度与桩径的比值来作为衡量桩土应力比的标准。 ( 6 ) 通过工程实例，介绍了褥垫层厚度优化刚性桩复合地基设计的具体实 施过程，验证了此方法的可行性。 关键词：刚性桩复合地基；褥垫层厚度；桩土应力比；优化设计；数值仿真； a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sp r o g r e s so fe m p o s i t ef o u n d a t i o nt h e o r y , t h er i g i d - p i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw a sa p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y c u s h i o ni s t h ec o r e t e c h n o l o g yo ft h er i g i d - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i th a sr e c e i v e dm u c hc o n c e r l lo f s o i lw o r k e r sb e c a u s eo fi t sm u l t i p l eu s e s ，s u c ha sg u a r a n t e e i n gp i l e s o i li n t e r a c t i o n , a d j u s t i n gt h el o a dd i s t r i b u t i o nr a t i oa n dt h eh o r i z o n t a ll o a db e t w e e np i l ea n ds o i l ， r e d u c i n gs t r e s s 。c o n c e n t r a t i o no ft h eb a s eb o r o m ，a n d s oo n t h ee x i s t i n gd e s i g no f c u s h i o ni sd e t e r m i n e dm o s t l ya c c o r d i n gt ot h en o r m sa n de x p e r i e n c ei ne n g i n e e r i n g , w h i l et h er e l e v a n tt h e o r yh a sm a n ya s s u m p t i o n s ，l a b o r a t o r yt e s t sc a nn o ts i m u l a t e t h ea c t u a ls i t u a t i o nc o m p l e t e l yo na c c o u n to ft h e l i m i t a t i o n so ft h e i rs i z ea n d b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h e r e f o r e , t h es e t t i n go fc u s h i o no fr i g i d - p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nh a sb e e nu pi nt h ea i r f o rt h es t r e n g h sa n dw e a k n e s s e so fe x i s t i n g r e s e a r c h ，t h es e ti s s u e so fc u s h i o nt h i c k n e s so fr i g i d - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na r e s t u d i e dd e e p l y ( 1 ) t h er e s e a r c hs t a t u so fc u s h i o no fr i o d - p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ni s a n a l y z e df i r s t l y , t h ee x i s t i n gp r o b l e m so fc u s h i o ni ns t u d ya r ep o i i l t e do u t ，f a i l u r e m o d e sa n dr e a s o n a b l ec u s h i o nt h i c k n e s sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，a n di t sl i m i t a t i o n s a r ea l s op o i n t e do u t ( 2 ) t h el o a dt e s t so fr i g i d - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni na c t u a lp r o j e c t s a r e s i m u l a t e db yt h el a r g e s c a l en u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r ef l a c 3 d ，t h en u m e r i c a l r e s u l t sa g r e e 、析t l lt h em e a s u r e dw e l l t l l er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n s t i t u t i v em o d e l a n dp a r a m e t e r sa r ei nl i n ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n ，a n du s i n gf l a c 3 dp r o g r a m st o s i m u l a t et h ep r o p e r t i e so fr i g i d p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sf e a s i b l e ( 3 ) u n d e rd i f f e r e n tp i l e s o i ls t i f f n e s sr a t i o ，t h er e l a t i o n s h i po fp i l e - s o i ls t r e s s r a t i ow i t ht h ev a r i a t i o no ft h et h i c k n e s so fc u s h i o ni ss t u d i e db yn u m e r i c a lm e t h o d ， t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h i c k n e s so fc u s h i o ni sn o tl i m i t e dt os p e c i f i c a t i o n sr e q u i r e d b y15 3 0 c m ，a n dt h eh a r d n e s so fs o i lh a ss i g n i f i c a n ti m p a c to nt h es e to fc u s h i o n t h i c k n e s s ，s ot h et h i c k n e s so fc u s h i o ns h o u l db ed i s t i n g u i s h e db a s e do nd i f f e r e n t g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s a b s t r a c t _ _ - - - - _ - _ - - - - - - - _ - - - _ - - _ _ _ _ - - - - _ - - _ _ - _ _ 一一_ 一 ( 4 ) w i t ht h ev a r i a t i o no ft h i c k n e s so ft h ec u s h i o n ，t h er e l a t i o n s h i p ( n sc u r v e ) o f l o a do f p i l et o pa n ds e t t l e m e n ti ss t u d i e d ，t h er e s u l t sf u r t h e ri l l u s t r a t et h et h i c k n e s so f c u s h i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a l la d j u s tt h 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 t h e no p t i m i z et h ed e s i g no f c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ( 5 ) t h es i z eo fp i l ed i a m e t e ro fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sag r e a ti n f l u 肌t o t h ep i l e - s o i ls t r e s sr a t i o ，w h e nt h e p i l el e n g t ha n dt h ec u s h i o nt h i c k n e s sa r ec o n s t 锄1 t w i t ht h ep i l ed i a m e t e ri n c r e a s e s ，t h ep i l e - s o i ls t r e s sr a t i o g e t t i n gs m a l l e ra n ds m a l l e r ；, u n d e rd i f f e r e n tp i l ed i a m e t e r s ，t h et r e n do ft h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i ow i t ht h ec u s l l i o n t h i c k n e s sa r en o tt h es a m e s o ，r e a s o n a b l et h i c k n e s so fc u s h i o ns h o u l dc o n s i d e rm e i m p a c to fp i l ed i a m e t e r , a n dt h er a t i oo fc u s h i o nt h i c k n e s sa n dp i l ed i a m e t e ri s p r o p o s e da sas t a n d a r dt om e a s l l r et h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i o ( 6 ) t h ei m p l e m e n tp r o c e s s e so fc u s h i o nt h i c k n e s so p t i m i z i n gt h ed e s i 趴o f r i # d p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ei n t r o d u c e db ye n g e e r i n gp r o j e c t s ，a n dt h er c s u l t s v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d k e yw o r d s ：r i g i d 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 nt h i c k n e s s ；p i l e s o i ls t r e s sr a t i o ； o p t i m i z a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 前言1 1 2 刚性桩复合地基概述2 1 3 刚性桩复合地基褥垫层的研究现状3 1 3 1 理论研究方面4 1 3 3 数值分析方面8 1 3 3 试验研究方面9 1 4 褥垫层研究中存在的问题1 0 1 4 1 褥垫层对复合地基承载力的影响1 l 1 4 2 褥垫层对复合地基沉降的影响1 1 1 4 3 褥垫层对桩土应力比的影响1 2 1 4 4 褥垫层对复合地基承担水平荷载的影响1 2 1 5 本文的研究思路与方法1 2 2 褥垫层的作用机理1 4 2 1 褥垫层的分类及效用1 4 2 1 1 褥垫层的分类1 4 2 i 1 褥垫层的效用1 4 2 2 褥挚层的作用机理1 6 2 2 1 桩土竖向变形协调方程1 6 2 2 2 桩及桩侧土的应力和变形1 7 2 3 褥挚层破坏模式分析2 l i v 目录 2 3 1 褥垫层足够厚的情况2 1 2 3 2 褥垫层厚度较小的情况2 2 2 3 2 褥垫层厚度很薄的情况2 3 2 4 本章小结2 3 3 复合地基载荷试验的数值分析2 4 3 1f l a c 3 d 简介2 4 3 2f l a c 3 d 有限差分法求解的基本原理2 5 3 2 1 应变速率的计算j 2 6 3 2 2 应力的计算2 7 3 2 3 速度与位移的求解2 8 3 2 4 不平衡力的计算2 9 3 3 载荷试验的数值仿真3 0 3 3 1 复合地基载荷试验3 0 3 3 2 数值模拟结果对比分析3 3 3 4 本章小结3 5 4 褥垫层厚度设置的研究3 6 4 1 褥垫层厚度取值范围的探讨3 6 4 1 1 问题的提出3 7 4 1 2 不同桩土刚度比下桩土应力比随垫层厚度变化的数值分析3 8 4 2 刚性桩复合地基设计的优化4 2 4 3 褥垫层合理厚度设置的主要影响因素4 4 4 3 1 桩径的影响4 5 4 3 2 桩间土模量的影响4 6 4 4 褥垫层合理厚度的确定5 0 4 5 本章小结5 2 5 刚性桩复合地基优化设计的应用5 4 5 1 工程概况5 4 v 目录 5 2 复合地基载荷试验的数值分析5 7 5 3 复合地基优化设计的应用6 0 5 4 本章小结6 l 6 结论与展望6 3 6 1 结论6 3 6 2 展望6 4 参考文献6 5 致谢6 8 个人简历7 0 v i 1 绪论 1绪论 1 1 前言 随着市场经济的发展和对外开放的加快，各类工程建设如火如茶的展开， 进而遇到了越来越多的不良地质情况。为保证建筑工程安全可靠，满足结构对 地基变形、承载力和抗震等级的要求，必须对一些不良的天然地层进行人工处 理。随着地基处理技术的不断发展，复合地基在土木工程建设中也得到了广泛 应用。1 9 9 0 年，在黄熙龄院士的主持下，我国第一次召开了以复合地基为专题 的学术研讨会，此次会议的召开为复合地基的推广应用打下了基础。伴随着复 合地基技术的逐步发展，它所带来的社会效益和经济效益日渐显露，其基本理 论也在逐步完善。早在1 9 9 2 年龚晓南就对复合地基进行了较全面的定义，即复 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，其加固区是由基体和增强体两个部分组成的人工地基【l 】。 根据增强体的方向可将复合地基分为水平向增强体复合地基和竖向增强体 复合地基两类。水平向增强体复合地基主要指加筋地基，加筋材料主要包括土 工织物、土工格栅等，竖向增强体复合地基通常是指桩体复合地基；两者结构 简图如图1 1 ( a ) 、( b ) 所示。 uu i 匕 增强体 lliir 增 强 体 ( a ) 水平向增强体复合地基( b ) 竖向增强体复合地基 图1 1 复合地基 根据增强体的性质又可将复合地基分为三类：散体材料桩复合地基、柔性 桩复合地基和刚性桩复合地基。 散体材料桩复合地基的桩体材料本身一般没有粘结强度，单独不能形成桩 体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体，且在荷载作用下易发生鼓胀 l 绪论 变形，这种情况下，依靠桩周土提供的被动土压力来维持桩体平衡，诸如砂桩 复合地基、碎石桩复合地基等均为散体材料桩复合地基。 相对于散体材料桩，柔性桩和刚性桩也可称为粘结材料桩，均是依靠桩端 阻力和桩侧摩阻力将作用在桩体上的荷载传递给地基土体。柔性桩的桩体刚度 较小，在外荷载作用下桩体会产生一定的变形，如石灰桩、水泥搅拌桩等；而 刚性桩的桩体刚度较大，在外荷载作用下桩体的变形很小，通常是通过桩体向 上刺入垫层或向下刺入下卧层来达到桩土共同承担上部荷载的目的，如c f g 桩、混凝土桩等。 1 2 刚性桩复合地基概述 通常当地基土较软弱，不能满足建筑物对承载力和沉降的要求时，需对地 基进行处理。处理方法从早期的散体材料桩复合地基逐渐发展到了柔性桩复合 地基，这两类复合地基的共同特点是：桩土模量相差不大，桩土变形基本协调， 形成复合地基共同承受上部荷载，但其承载力都不是很高，一般不超过2 0 0 k p a ， 而且由于桩身强度的原因，此类复合地基模量较天然地基模量提高幅度有限， 因此，复合地基仍有较大变形。经过国内外大量 的研究及实践，越来越多的设计人员认识到采用 散体材料桩和柔性桩来加固软弱地基，其承载力 提高幅度有限，沉降也得不到有效的控制，于是 刚性桩复合地基应运而生。 刚性桩复合地基包括c f g 桩复合地基、钢筋 混凝土桩复合地基，素混凝土桩复合地基等。最 早提出刚性桩复合地基设计思想的是中国建筑科 学研究院黄熙龄院士，中国建筑科学研究院地基基 础研究所于1 9 9 2 年开发了c f g 桩复合地基，这就 图1 2 刚性桩复合地基 是最早的刚性桩复合地基。c f g 桩由碎石桩改造而来，碎石桩的桩身轴力传递 收敛很快，即使桩端落在较好土层上，桩的端阻作用也很难发挥，因此，通过 在碎石桩桩体中掺加适量水泥、粉煤灰、石屑等，制成一种粘结强度较高的桩 体，使其具有刚性桩的性状，刚性桩基本上可以发挥全桩长的侧阻，而且桩端 落在好土层上还可很好地发挥端阻作用，为保证桩土变形协调，通常在桩顶铺 2 1 绪论 设一定厚度的褥垫层，以利于桩顶向上刺入，这样桩、桩问土和褥垫层三者共 同作用，真正形成复合地基，c f g 桩复合地基的构成如图1 2 所示。 对于桩基来讲，由于没有充分利用天然地基的承载力，上部荷载基本全由 桩体承担，且桩身通常设有钢筋，因而工程造价很高，桩身设计承载力可调幅 度也很小。 虽然目前各种柔性桩复合地基的计算理论和分析方法比较成熟，但由于柔 性桩的桩身强度不是很高，且柔性桩复合地基存在临界桩长，当桩长超过其临 界值以后，其桩体的承载能力很难继续增强，故柔性桩复合地基的承载力难以 保证，沉降也难以控制。 基于进一步提高复合地基承载力和减少沉降这一思路，人们自然想到将桩 体刚度提高，采用混凝土桩代替柔性桩，但如果桩土刚度比太大，则大部分荷 载由桩体承担，桩土变形不能协调，桩间土的承载力便不能发挥，则无异于桩 基，只有通过褥垫层的作用，使桩间土能始终参与工作，才能形成真正的桩土 复合地基。 总的来说，刚性桩复合地基同桩基相比，它发挥了桩间土的承载力，桩数 可有所减少，且桩体一般不需配筋就能满足承载力的要求，故用料省，施工简 便，较桩基经济的多；同散体材料桩、柔性桩复合地基相比，由于其桩体刚度 大，能较大幅度提高地基的承载力，还可很好的发挥桩侧和端阻作用，因此， 它广泛应用于2 0 层以上的高层建筑。 刚性桩复合地基以其突出的优点在土木工程中得到了广泛的应用。目前国 内应用刚性桩复合地基的省、市、自治区己达2 3 个，据不完全统计，采用刚性 桩复合地基的高层建筑己经超过1 0 0 0 栋，但是，同其他很多基础工程技术一样， 刚性桩复合地基技术的发展同样是理论落后于实蹦2 1 。 1 3 刚性桩复合地基褥垫层的研究现状 基于上述各种优势，刚性桩复合地基得到了越来越广泛的应用，而复合地 基的核心技术是褥垫层，褥垫层的存在使得桩土能够共同承担上部荷载，且能 较大程度的利用桩间土的承载力。适当厚度的褥垫层可使桩土荷载分担比更加 合理，桩与桩间土各自的承载力发挥到极限，减少基础地面的应力集中，最大 限度的优化复合地基设计。 担，桩对基础将产生显著的应力集中，此时需考虑桩对基础的冲切作用，这势 必导致基础加厚。而复合地基要达到设计要求的承载力，只能通过增加桩数、 桩长或者加大桩径，这又将导致工程成本增加。且褥垫层厚度过小可能会导致 桩土不能共同作用，基础所承受的水平荷载基本上仍由桩来承担，复合地基中 的桩体有可能发生断裂，导致整个复合地基承载力不足，沉降过大。 当褥垫层厚度较大时，虽能够充分发挥桩间土的承载能力，但是桩承担的 荷载过少，桩土应力比等于或接近1 ，这样不仅复合地基的承载能力提高的幅 度不大，且上部结构的沉降也将比较大，复合地基也就失去了意义。 复合地基中的褥垫层为桩顶向上刺入提供了条件，并通过垫层材料的流动 补偿使桩间土与基础始终保持接触，保证桩土共同工作。然而，目前对复合地 基褥垫层破坏机理的研究还不充分，褥垫层厚度和材料的合理选取还没有统一 的标准。下面简要介绍当前在刚性桩复合地基褥垫层方面的主要研究工作。 1 3 1 理论研究方面 毛前、龚晓科3 】研究了垫层、桩体、桩问土 三者模量与刺入量之间的关系，利用v e s i c 小孔 扩张理论对桩顶刺入垫层量进行分析，桩顶向垫 层的刺入采用了图1 3 所示的理想球孔破环模 式。桩头为半球形，初始状态以一均匀分布的内 压力p 向周围垫层材料扩张。随着基础上部荷载 的增大，桩所承担的荷载逐步增加，扩张内压力 p 随之增大，并使桩头周围的球形孔区域由弹性 状态逐步进入塑性状态，根据v e s i c 小孔扩张理 论，给出了弹性状态及塑性状态下的桩土荷载分 垫层 图1 3 半球形桩头刺入垫层 担比。图1 3 中q 、分别为径向和环向应力； 厂p 为塑性区半径；u p 为塑性区外侧边界的径向位移；p 为均匀分布的球孔内 压力。 傅景辉、宋二祥【4 1 在假定桩、桩间土、褥垫层均为均质弹性体的基础上， 讨论了刚性桩复合地基的荷载沉降特性，推导了当桩端土层为w i n l d e r 地基时 的桩体沉降、土体沉降、桩顶荷载、土面荷载和受荷后垫层的厚度等计算公式， 4 1 绪论 并根据这些公式探讨了影响桩土应力比的多种因素。 l 列 2 一桩 ab 图1 4t e r z a g h i 破坏模式 王年爿5 】在探讨垫层最大厚度时采用了如图1 4 所示的t e r z a g h i 破坏模式。 当桩顶向垫层刺入时，垫层内土体会出现两类滑动面形状：其一，当垫层厚度 相当大时，承台底面不与滑动面接触，桩顶垫层内土体的滑动面形状符合 t e r z a g h i 对数螺旋线的破坏模式，如图1 4 a ；其二，当垫层厚度不大时，承台 底面与滑动面相交，如图1 4 b 。该文认为，承台底面与滑动面顶点刚接触时的 垫层厚度是可取的最大值，且基于1 4 a 的滑动面形状，利用t e r z a g h i 极限平衡 方法所得到的极限承载力公式给出了褥垫层厚度的最大值纯。，其值是桩径和 垫层内摩擦角的函数，详见文献 5 】。王年云曾基于图1 4 a 的滑动面形状导得垫 层内摩擦角的上限值及垫层的最小厚度【6 1 ，= ( d 2 ) 州2 恤伊。 图1 5m a n d e l 与s a l e n c o n 破坏模式 池跃君等【j 7 】针对工程中常见的褥垫层较薄的情况，建议了另一种破坏模式 m a i l d e l 与s a l e n c o n 破坏模式，如图1 5 。m a n d e l 与s a l e n c o n 破坏模式发生 的条件是当土层下埋藏着粗糙刚性层且基底下土层的厚度较薄时，地基破坏的 滑动面受到限制的情况。m a n d e lj 与s a l e n c o nj 利用塑性理论并借助数值积分 的方法，对粗糙刚性基底提出了极限承载力公式。假定桩端土层坚硬，桩顶向 5 1 绪沦 垫层刺入，产生了极限平衡区并处于极限平衡状态，符合m a n d e l 与s a l e n c o n 破坏模式，据此得出了桩土应力比和垫层厚度、桩径d 、垫层内摩擦角的关系： 以= s 虬，其中是承载力系数，可根据垫层材料的内摩擦角值，查图1 6 确定；s = 卜所，为形状修正系数，i 7 1 是h d 和妒角的函数，可通过查图1 7 来确定。 夕 ， f 8 么 r 1 6 彭71 4 p l ， 图1 68 0 与h d 、内摩擦角矽角的关系图1 7m 与h d 、内摩擦角角的关系 王长科、郭新海等【8 】认为褥垫层是可流动的均质土，垫层受到上部荷载及 桩顶刺入后，材料流向周围区域，桩顶上部垫层的刚度与土体表面上部垫层的 刚度并不相同，可将桩、桩间土、垫层的相互作用简化为力学模型，整个复合 地基视为垫层与桩、垫层与桩间土分别构成串联弹簧后再将两部分并联起来的 弹簧模型，与w i n k l e r 模型类似。最终得出桩土应力比的计算公式，见公式1 1 ： l k ， 1 k ， 式中，颤为桩间土的刚度系数；恕。为桩间土上部垫层的刚度系数；k 。为桩的刚 度系数；k 为桩顶上部垫层的刚度系数。 由上式王长科等认为，仅从概念上，可通过改变垫层材料及厚度来调整桩 土荷载分担比。这样的假定将垫层的刚度按接触面一分为二，如何确定垫层厚 度尚须研究。 李小青等( 9 _ 0 0 1 ) 【9 】根据复合地基的形成条件和工作特性，分析其柔性垫层设 置的必要性及调节作用，利用v e s i c 小孔扩张理论，分析计算桩体向上刺入垫 层量，确定垫层的设置厚度。 6 l、，l，l 车 i 绪论 王凤池、朱浮声等人 1 0 , i i 认为当褥垫层较厚时破坏模式为t e r z a g h i 模式， 褥垫层较薄时为m a n d e l 与s a l e n c o n 模式。 周龙翔、童华炜【1 2 】等针对深层搅拌桩的褥垫层厚度展开研究，认为桩间土 上部褥垫层与桩顶上部褥垫层存在差异沉降，此差异沉降随着距离桩项高度的 增加而减小，褥垫层的最小厚度应按照其顶面为均匀沉降面来确定，即差异沉 降减小为0 时所对应的褥垫层厚度即为最小厚度，并将深层搅拌桩项的褥垫层 取隔离体进行分析，建立隔离体平衡方程，求解出了褥垫层顶面作用均布荷载 时，褥挚层最小厚度计算公式： h = 而高一1 d ( 1 2 ) 式中，h 为褥垫层最小厚度；1 1 为桩土应力比；d 为桩径；m 为置换率；吒为被 动土压力系数，缈为垫层材料的内摩擦角。 郑俊杰等【1 3 】基于刚性桩复合地基的工程实践，提出只需桩径名和垫层材料 内摩擦角痧两个参数表达的褥垫层厚度设计的经验公式，见公式( 1 3 ) 。 d = 詈。ex p t a n 巾a n ( 1 3 ) 亓乐，施建勇，曹权【1 4 】假定垫层为均质弹性体，取垫层的等效单元体为研 究对象，在不考虑褥垫层自重的情况下，建立褥垫层局部平衡方程，得出对应 于某一桩土应力比下的最大、最小褥垫层厚度。 驴臀 4 ， 玩= 眨铄老型 5 ， 式中，z 为基础的极限破坏承载力，p 为基础上部作用荷载，吃为被动土压力 系数，缈为垫层材料内摩擦角，l 为桩土应力比，聊为复合地基置换率，d 为 桩径。 比较以上研究成果可以看出，理论研究大都通过对桩顶刺入褥垫层时产生 不同的滑动面形式的假定，采用极限平衡理论进行分析。但实际工程中压力水 1 绪论 平较低，复合地基工作时桩土相互作用并未达到极限平衡状态，同时褥垫层散 体材料在桩土沉降差作用下产生塑性流动变形，这与上部荷载作用下达到极限 状态产生的破坏滑动面是有根本区别的，因此，上述理论研究成果具有一定的 局限性。 1 3 2 数值分析方面 杨军等【1 5 】采用d u n c a n c h a n g 非线性弹性模型对条形基础下的刚性桩复合 地基进行了数值计算，通过对比有、无垫层情况下的桩土分担特性说明了褥垫 层大幅度提高了桩间土反力，桩土相对变形得到了有效的调整。 王瑞芳，雷学文( 2 0 0 3 ) 1 6 】对单桩在竖向荷载下的桩土荷载分担特性及沉降 特性进行了数值分析，讨论了沉降与荷载、垫层厚度、模量、桩长径比、置换 率、桩土模量比等的影响变化规律。 阎明礼，杨军等【1 1 7 】采用d u n c a n c h a n g 模型对九桩复合地基模型试验进行 了有限元计算，得到了不同荷载下的九桩复合地基的变形场、竖向应力等值线 图，并将其与无垫层的桩基础进行了比较。 池跃君，宋二祥，陈肇元( 2 0 0 3 ) 【”】着重讨论了桩身轴力、基础沉降等随褥 垫层厚度、褥垫层模量、桩长、土体模量等因素变化的规律，指出褥垫层的加 入增加了基础沉降，但变化幅度不大，复合地基承载力特征值与桩基相差不多， 沉降对垫层厚度、模量的变化不敏感。 张建伟，戴自航( 2 0 0 5 ) t 1 9 】通过数值分析得出了桩土沉降与荷载之间的关系， 获得了褥垫层厚度及其压缩模量对桩土应力比、桩土沉降等的影响规律，指出 垫层厚度的增加加大了土表面的荷载及沉降，桩土应力比、桩顶沉降随着垫层 压缩模量的增加而增加，随着垫层厚度增大，桩土应力比减小，最后趋向一定 值。 郑东明等( 1 9 9 9 ) 2 0 】利用数值方法分析了c f g 单桩复合地基褥垫层的作用， 指出单桩复合地基的褥垫层对于调整桩土荷载分担比、减少基础底面应力集中 有很好效果，保证了桩土共同承担荷载。 葛忻声( 2 0 0 3 ) 【2 1 】建立了高层建筑刚性桩复合地基的整体弹塑性模型，指出 垫层对刚性桩复合地基的影响主要在1 2 桩体长度以上的浅层。建议从满足建 筑物的容许沉降出发，设置合理的褥垫层厚度来调整桩土受力情况。 李宁、韩煊( 2 0 0 1 ) 2 2 】对不同刚度复合地基的承载性状进行了研究，采用数 8 1 绪论 值试验的方法说明了褥垫层具有提高桩间土承载能力的作用，并据此提出了利 用垫层对复合地基进行优化设计的基本思路与方法。 1 3 3 试验研究方面 黄熙龄，闰明礼【2 3 】通过模型试验，测得桩项对应的基础底面反力仃b 与桩间 土对应的基础底面反力之比，用表示( = t r y , ) 。p 值随褥垫层厚度 h 的变化如图1 8 所示。提出当褥褥垫层厚度大于1 0 c m 时，桩对基础底面产 生的应力集中显著降低，当脯为3 0 c m 时，值已经很小，接近1 2 。 亭 j 量 图1 8 桩土应力比随褥垫层厚度的变化关系曲线 池跃君、宋二祥( 2 0 0 2 ) 2 4 】通过刚性桩复合地基( 单桩) 的现场试验，获得了桩 土应力比与褥垫层厚度和土体模量成反比的规律，试验结果表明垫层起到了使 桩土共同参加工作的作用。 化建新( 1 9 9 8 ) 等【2 5 】利用载荷试验研究了c f g 桩桩顶的中粗砂、砾砂、碎石 褥垫层的桩土应力比，并对褥垫层性质和厚度进行了讨论。建议c f g 桩的桩顶 褥垫层采用1 0 2 0 c m 厚碎石为宜。 。 阎明礼，吴春林，杨军( 1 9 9 6 ) t 2 6 】利用室内模型试验及现场原位试验，详细 探讨了c f g 桩复合地基褥垫层的作用机理，认为在褥垫层参与工作的情况下， 存在一个临界桩长，当桩长小于临界桩长时，土承担的荷载永远大于桩所承担 的荷载。而随着褥垫层厚度的增加，基础底面压力近乎均匀分布，且褥垫层厚 度越大，桩顶水平位移越小，桩顶受到的水平荷载越小，当上部荷载为2 0 0 k p a 时，不同挚层厚度下桩顶水平位移和荷载水平的关系，如图1 9 。 9 1 绪论 1 6 1 1 2 昌l o ；o 8 o 6 o o 2 o 图1 9 不同垫层厚度时q , 8 。曲线 杨宏宇【2 7 】通过试验得出，褥垫层的厚度对c f g 桩复合地基承载力的发挥有 影响，垫层不宜过薄，也不宜过厚，从试验的结果看，褥挚层厚度选1 0 0 r a m - - 2 5 0 r a m 时复合地基承载力发挥较好。 刘杰，张可能等( 2 0 0 1 ) t 2 8 】对复合地基褥垫层的作用机理展开详细讨论，指 出闫明礼等结合大量的工程实践的总结，认为褥垫层厚度取0 4 5 - o 5 0 倍桩径 为宜。 建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) t 2 9 1 要求桩顶和基础之间的褥垫层厚 度宜取1 5 3 0 e r a ，当桩径或桩距大时褥垫层厚度宜取高值。褥垫层材料宜用中 砂、粗砂、级配沙石或碎石等，最大粒径不宜大于3 c m 。 可以看出，以上褥垫层的设置方法，无论是从褥垫层的破坏模式、数值分 析以及工程经验角度分析，都没有得到较为明确的结论。所以，在工程中，目 前大多采用规范建议的范围值1 5 3 0 c m ，至于该厚度针对具体工程地质条件是 否经济、科学、合理，并未作进一步考虑。合理的垫层厚度，应考虑到不同地 质条件和荷载情况下的差异。因此，垫层厚度合理选取还有待研究。 1 4 褥垫层设置研究中存在的问题 前面介绍了有关刚性桩复合地基褥垫层方面的研究，在理论方面，挚层的 加入使得复合地基的破坏模式更加复杂，导致求解刚性桩复合地基解析解变得 十分困难，所以，目前的研究都是在各种假定的基础上，简化力学模型，对刚 性桩复合地基体系进行求解；而试验方面，大多是比例模型试验，且以单桩复 1 0 1 绪论 合地基载荷试验为主，试验结果经常受模型尺寸及边界条件上的限制；数值方 面的研究多数是对模型试验的模拟计算，考察各设计参数对刚性桩复合地基承 载性能和变形特征的影响规律等，基本上停留在定性研究的层面上。综合而言， 目前在刚性桩复合地基褥垫层方面的研究，仍然存在以下问题： 1 4 1 褥垫层对复合地基承载力的影响 褥垫层的调节作用使土体承担了部分荷载，但由于上刺作用，桩顶侧会出 现负摩阻力，这对桩的承载力是不利的。而褥垫层厚度、密实度、侧面约束条 件等也影响着载荷试验时褥垫层的压缩量，压缩量的变化直接影响复合地基的 沉降，从而影响承载力的确定。对刚性桩复合地基，当根据沉降比来确定复合 地基承载力时，如取规范规定的s b = o 0 0 4 0 0 1 时对应的荷载为复合地基承载力 特征值，对l m xl m 的承压板，则相当于取4 - 1 0 m m 。根据某工程复合地基实测 资料所述，测得桩顶处褥垫层的压缩量为5 1 2 m m ，土上褥垫层压缩量为 3 5 7 m m ，桩顶刺入量1 5 5 m m ，褥垫层压缩量占了承压板沉降量的很大部分， 显然，根据这样的承压板沉降量确定的承载力与实际承载力相比严重偏低 3 0 1 ， 这足以说明褥垫层对复合地基承载力的影响。 因此，有必要进一步研究褥垫层对静载荷试验的影响，以便得出准确的复 合地基承载力。 1 4 2 褥垫层对复合地基沉降的影响 褥垫层能够调节桩与土的荷载分担比，影响复合地基的沉降。但目前常采 用的复合模量法无法反映出褥垫层对复合地基沉降的影响。 在刚性桩复合地基沉降计算中，要考虑褥垫层在桩顶荷载下的压缩变形， 将其叠加至桩的p s 曲线中，而传统理论和计算中存在诸多假设，如通常假设 垫层为弹性材料，褥垫层的压缩量计算式为： 丛：! h( 1 6 ) e 其中，e 为褥垫层的变形模量，p 为桩项荷载，h 为褥垫层厚度。传统的计算公 式为线性计算公式，而实际工程中，垫层发挥作用，桩顶向上刺入褥垫层，褥 垫层必然会产生塑性变形，垫层刚度必然是非线性变化过程，故传统的线性计 量的计算方法是值得探讨的 籍嚣o ：o 篓二：= 0 妻鬟= = 二嚣翟嚣鬟= 嚣蔷焉= 孥j ：；二：，囊：，j ：吼二二毒k = _ 嚣黧：裂。：= ：翟譬= 。：点嚣；二：z 二：嚣。嚣“：2 鬻蜀篓，0 ：嚣三嚣。 ：嚣舅鬻j 翟蔫；品；：= = ；：黧= 了= ：鸳糍嚣纛焉嚣笏鞲_ = = 嚣王= 嚣疆嚣嚣 l 绪论 问题。 1 , 4 3 褥垫层对桩土应力比的影响 目前这方面的研究多为褥垫层厚度、刚度等因素对桩土应力比影响的定性 描述，且没有考虑各种因素之间的联系，不