（岩土工程专业论文）广义疏桩支撑路堤工作机理与设计方法研究.pdf

摘要 摘要 疏桩支撑路堤结构是近年来软土地区发展起来的种新型路堤型式，相对传统复合地基，具有深层加 固、有效“减沉”、经济合理等明显优势，具有广阔的应用前景。疏桩支撑路堤在取得良好“减沉”效果的同 时，使得不同性质路段合理过渡与局部差异沉降控制成为一个亟待研究解决的新课题。本文围绕疏桩支撑 路堤纵向连接的局部差异沉降合理控制的问题开展研究。依托锡张高速公路试验段，主要包括以下内容： ( 1 ) 用f l a c 3 d 软件建立三维数值模型，研究了广义疏桩支撑路堤的变形特性和受力特性的诸多影 响因素，如桩间距、桩帽尺寸等，并分析了基体补强疏桩支撑路堤中水泥搅拌桩的作用。 ( 2 ) 基于柱面剪应力转移模型的粘聚力修正模型，明确疏桩支撑路堤基底荷载的转移特征，基于数值 模拟的疏桩桩侧摩阻力的三角形分布形式，且在桩长的3 4 处达到最大的分布特征，应用m i n d l i n - - g c d d e s 应力解法耦合计算桩土荷载共同作用下在地基中的竖向附加应力场，并分析桩间距、桩帽尺寸、桩长变化 对附加应力场的影响。 ( 3 ) 基于上述分析建立的附加应力场，建立了广义疏桩支撑路堤的实用沉降计算方法，基于土体结构 性理论，利用土层还原后的压缩曲线，进行了沉降计算，计算结果表明更能反映原位土层在外荷载作用下 的实际压缩变形情况。 ( 4 ) 基于建筑领域概念设计理念，提出了疏桩支撑路堤处置桥头连接段，基体补强疏桩支撑路堤处置 桥头连接段和一般路段间的过渡段的方案；充分考虑构造物荷载水平相对两侧填土低1 3 2 3 的荷载分布 特征，提出了降低构造物基础下疏桩加固地基整体刚度，合理提高两侧填土路基下疏桩加固地基整体刚度 的整体设计方案。提出了评价指标，验证了加固方案的合理性。 关键词：广义疏桩支撑路堤；基体补强；桩帽：差异沉降：荷载传递：数值分析：实用沉降计算。 a b s t a c t a b s t r a c t t h es p a r s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n ti san e wt y p eo fe m b a n k m e n tu s e dt oc o n s t r i l c th i g h w a y so ns o f ts o i l s i nr e c e n ty e a r s t h es y s t e mh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u ea n db r i g h tm a r k e tp r o s p e c td u et oi t sd e e p e rr e i n f o r c e m e n t , m o r ee c o n o m i c a l a n ds m a l l c rt o t a la n dd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t so v e rt r a d i t i o n a ls o f ts o i l st r e a t m e n tm e t h o d s 1 1 圮 s p a r s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n tc r e a t e san e wt o p i cw h i c hi sr e a s o n a b l et r a n s i t i o ns o l u t i o n so fs e c t i o n so f d i f f e r e n tn a t u r ew a y sa n dp a r t i a ld i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tc o n t r o lw h i l ea c h i e v e sg o o dr e s u l t si nr e d u c i n g s e t t l e m e n t t h ec o r ei s s u eo fs p a r s ep i l es u p p o r te m b a n k m e n ti sr e a s o n a b l ec o n t r o lo fs e t t l e m e n t , t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h er e a s o n a b l ec o n t r o lo fp a r t i a ld i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to ft h es u b g r a d ev e r t i c a lt r a n s i t i o ns e c t i o n c o n n e c t i n g t h em a i nc o i r g n t - qa r ca sf o l l o w ： ( 1 ) at y p i c 斌g e n e r a l i z e ds p a r s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n tm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n gt h ef l a c 一3 d s o f t w a r e t h i sp a p e rh a sa n a l y s e dt h es i z eo fp i l ec a p ，t h ed i s t a n c eo ft w op i l e sw h i c hi n f l u e n c et h em e c h a n i c a l p r o p e r t ya n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fg e n e r a l i z e ds p a r s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n t , a n dh a sas i m p l ea n a l y s i s a b o u tt h ef u n c t i o no f c d m p i l ei i lt h em a t r i xr e i n f o r c e m e ms p a r s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n t ( 2 ) b a s e do nt h ec o h e s i o nf o r c em o d i f i e dm o d e lo fc y l i n d r i c a ls h e a rs t r e s st r a n s f e r , t h el o a ds h a r i n gb e t w e e n p i l e sa n ds o i l si sm a d ec l e a r a n db a s e do nt h ed i s t r i b u t i o no fp i l es h a f tr e s i s t a n c e ，t h ea d d i t i o n a ls t r e s so f g e n e r a l i z e ds p a l s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n th a sb e e nc a l c u l a t e db ym i n d l i n - - g c d d 船s o l u t i o ma n d b o u s s i n e s qs o l u t i o n sa n dt h ei n f l u e n c eo ft h es i z eo fp i l ec a p ，t h ed i s t a n c eo ft w op i l e s , t h el e n g t ho fp i l ea n dt h e p o i s s o n sr a t i oh a sb e e na n a l y z e d ( 3 ) b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i so ft h ea d d i t i o n a ls t r e s sf i e l d , p r a c t i c a ls e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n so fl a y e r w i s e s u m m a t i o nm e t h o do fg e n e r a l i z e ds p a l 瞎op i l es u p p o r t e de m b a n k m e n tw 鹪e s t a b l i s h e d b a s e do l lt h es t n l c t u r a l t h e o r yo fs o i l , t h er e s u l to fs e t t l e m e n tc a l c u l a t e du s i n gv 诬g i nc o m p r e s s i o no u r v es h o w st h a ti ti sb e t t e rt or e f l e c t t h ea c t u a lc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n ( 4 ) b a s e d0 1 1c o n c e p t u a ld e s i g no ft h ec o n s u u o t i o n , t h ed e s i g np r o g r a mt h a tt h eu a n s i t i o np r o g r a mo f s e c t i o no ft h eb r i d g ei sd e a l e dw i t hs p a r s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n t , t h et r a n s i t i o np r o g r a mb e t w e e n $ e c t i o no f t h eb r i d g ea n dg e n e r a ls e c t i o ni sd e a l e dw i t ht h em a t r i xr e i n f o r c e m e n ts p a r s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n ti s b r o u g h tf o r w a r d ；t h ed e s i g np r o g r a mt h a tr e d u c ef o u n d a t i o ns t i f f n e s so ff o u n d a t i o no fs t r u c t u r e s ，r a i s et h e s t i f f n e s so fe m b a n k m e n tb o t hs i d e sw h i c hh a sc o n s i d e r e dt h el o a db o a t e db ys l m c t u r e 惑玳l o w e rb y1 3 - 2 3 t h a ne m b a n k m e n to fb o t hs i d e si sb r o u g h tf o r w a r d e v a l u a t i o ni n d e xw a sp r o p o s e dt ov e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so f s t r e n g t h e n i n gp r o g r a m k e yw o r d s ：g e n e r a l i z e ds p a r s ep i l es u p p o r t e de m b a n k m e n t ；n l a 打i 】【r e i n f o r c e m e n t ；c a p ；d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ； l o a dt r a n s f e r ；, n u m e r i c a la n a l y s i s ；s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：熬遵照e t 期：巡笸屋 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 近年来，随着国民经济的快速发展，我国高速公路建设也进入快速发展时期，截至2 0 0 8 年底全国高 速公路通车总里程达到6 0 3 万公里，居世界第二位。新建的高速公路大部分分布在中东部地区，特别是经 济比较发达、交通运输量需求较旺盛的东南沿海地区。然而，我国东部沿海地区大部分的海岸线( 山东部 分路段除外) 分布着淤泥质士层，在地质上属于第四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、溺谷相和湖 泊相的粘性十沉积物或河流冲积物，有的属于新近淤积物。分布埋藏浅、厚度大( 往往深达3 0 5 0 m ) ，其 基本的物理力学参数参见表1 1 。该类软土具有孔隙比大、含水量高、渗透性差、压缩性高、承载力低等 特点。在此类软土地基上修建高速公路，必须进行软基加固处理，提高地基承载力、保证地基的稳定性， 减小路堤的总沉降、差异沉降、侧向变形，保证t 后沉降在允许的范围内。 东部沿海地区饱和软粘土基本参数i l l表1 - 1 孔隙比 含水率渗透系数c m s 压缩指数c 。承载力c i l l 【, p a 1 2 广义疏桩支撑路堤概述 1 2 1 发展沿革 1 9 6 2 年，国际上首次提出天然地基( 基体) 与有限刚度桩体( 增强体) 组合的软土地基加固方案，称 之为复合地基( c o m p o s i t eg r o u n d c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) ，其涵义随着工程应用和理论研究的深入而不断丰 富和发展。传统复合地基加同软土地基方案应用十分广泛，然而传统复合地基中竖向增强体的刚度、有效 加固深度和单桩的综合承载性能相对传统桩基明显偏低，在某些特定( 软土性能差、厚度大：荷载水平高； 沉降要求严格等) 条件下，增强体与基体共同承担荷载时，一方面软弱基体可能承担过大的荷载，使得部 分地基土体在工作荷载阶段产生非线性变形或达到塑性变形阶段；另一方面可能导致竖向增强体布置过密 ( 置换率过大) ，造价提高，技术合理性降低。随着我国东部沿海深厚软土分布广泛地区修建的高速公路、 铁路越来越多，这种以水泥土搅拌桩、碎石桩等柔性桩或半刚性桩为代表的传统竖向加固体复合地基，由 于竖向增强体刚度有限，以及施工机械的局限性，无论是工作机理上，还是施工技术上，处治深厚软土地 基都出现明显的局限性。 图1 1 典型疏桩格糖桩帽多元组合支撑结构示意图 近年来，深厚软士地区高速公路软基处理出现了一种新方式桩承式路堤。其设计理念与国内外众 多学者研究的建筑结构“减沉”疏桩基础的理念相吻合。疏桩( s c a t t e r e dp i l e ) 基础，系指桩距在6 倍桩径或 以上的大桩距稀疏布置的低承台摩擦群桩( 或端承作用较小的端承摩擦桩) 与刚性承台底面接触土体共同 承载的桩基础：是传统桩基与天然地基之间的过渡型基础形式，是现代桩土共同作用理论的重要研究成果 之一。b u r l a n d & b r o m s 教授 2 1 ( 1 9 7 7 ) 最早提出疏桩减沉概念，并认为建筑基础刚性低承台下的少量基桩 稀疏布置方案，就可确保工作荷载下的基础沉降减少到容许限值的范围内。之后，代表性研究成果验证了 东南大学硕士学位论文 上述疏桩基础工作机制，并进一步指出，竖向刚度较大的桩土混合地基所需桩数不多，桩数进一步增加对 减少最大沉降和差异沉降作用很小，且桩距为6 8 倍桩径的基桩疏布方案，几乎与较小桩距时一样的有效 1 。从而奠定了疏桩基础的技术支撑。 刚性基础下疏桩基础的工作性状分析已建立了一套相对比较完善的理论和方法，但上述理论不能简单 的应用到疏桩支撑路堤的工作性状分析。工程实践和理论研究表明基础刚度大小对荷载作用下地基工作性 状有重要影响。高速公路的路堤结构效应，一方面既不同于刚性基础，即路堤结构相对的“柔”性，降低了 基底荷载向疏桩转移水平，桩间( 软土) 地基( 基体) 分担荷载偏高，引起较大的非线性变形或塑性变形 问题；另一方面亦不同于理想柔性基础，即疏桩与基体刚度差异，基底荷载作用效应客观上存在有限刚度 路堤结构内部应力重分布引起的荷载向疏桩的转移，引起疏桩荷载反作用于路堤的结构抗力与稳定性问 题。正冈这一复杂的结构效应，一般在桩顶设置加筋( 足够刚度和劲性) 垫层形成桩网复合结构；或设置 独立托板形成桩帽组合结构；或上述两种方案组合形成的多元复合结构，参见图1 1 。 上述路堤结构形式中刚性桩的间距一般较大( 5 6 倍桩径甚至以上) ，因此可称作疏桩支撑路堤。疏桩 支撑路堤的核心设计理念是桩的设置用来补偿天然地基、改善天然地基，以充分调动浅层天然地基承载力 这一吠然资源”为根本和目标，以控制路堤沉降量、补偿浅层天然地基承载力不足，来确定疏桩的补偿量， 实现强度设计状态与变形设计状态的平衡设计。上述路堤结构形式综合了疏桩深层荷载传递有效“减沉”和 “协力”与充分发挥浅层天然地基承载力两方面优势，具有理念上的科学性、技术上的先进性、资源上的节 约型和环境方面的友好型等特征。 1 2 2 工程应用 上世纪八十年代至九十年代后期，由于对琉桩支撑路堤的承载变形机理缺乏深刻的认识，此路堤形式 未大规模推广应用。伦敦s t a n s t e d 机场的铁路连接线加宽工程p j 、巴西圣保罗北部的公路拓宽工程1 6 1 和荷 兰的部分高速公路r 7 l 等工程采用了该结构形式。美国t e x a sa m 大学的c p a u b e n y 通过查阅文献，收集 了国外的桩承式路堤的工程实例，详见表l - 2 。 疏桩支撑路堤工程实铡嗍表1 2 近年来，随着疏桩支撑路堤结构理论研究的深入，工程应用日渐增多。国内首先在沪杭甬高速公路拓 宽工程一期工程中得到大规模的应用【9 l ，沪宁高速公路路基拓宽改造工程( 王斌等，2 0 0 4 ) 、上海f 1 赛场 【m l 、苏沪高速公路l i l j 、京珠高速公路( 广东段) 、杭州至浦东高速公路、宁波绕城高速公路西段、杭州湾 跨海大桥南岸和北岸连接线： 程【1 2 1 、申嘉湖高速公路( 浙江段) 、诸暨至嘉高速公路等：c 程中得到了应用。 疏桩支撑路堤能够有效调整桥头等结构物相邻路段的不均匀沉降，解决桥头跳车的通病，在高速公路 建设中的主要应用范围为： ( 1 ) 软弱土地基上，荷载较大，变形要求较严格的高路堤： 2 第一章缔论 ( 2 ) 软弱1 ：地基上，桥头哑通道与路堤的衔接邮化，川来承受荷载，调搀沉降与变形： ( 3 ) 软f + 地基上，两相邻新老蹄堤之间，或柘宽路堤的过渡段，j l 来承璺荷裁调节沉醉j 变彤， 可j jk 短桩逐渐过渡。 1 2 3 概念提出 p o u l o s 1 3 k 2 0 0 1 ) 曾明确指u i ：当地基为相对诬崖时，适州干采川疏桩米加i 州也基。此时，筏扳f 地基 t 4 提供足够的承载能力。而桃的设越主要下提高基础使川性能减沉”，这也是“减沉”称谓来源。但 足肖地基浅部分布深厚软弱f 层城在距地表一定深度范围内存在深厚软掰士层等情况则不宜采j 疏桩 基础。冈为，地基拽部软弱1 ：层的存在使得筏扳基础f 软基仅能提供有佛l 的承载力而软弱f n 层引起 的0 c 降x 会减小筏扳对基础k 期( l o n g - l e 加) 刚度的贡献。此外饱和软t 电基中捧土( 或部分捧十) 桩 旆【：引起的1 ：中孔陬水压力韭聚甚至隆起，之后的消故引起地基吲绪沉降，甚至出现承台脱审现象，娃著 影响承台f 地基十的承载力发挥。基于上述分析，浅州深厚软f + 地区拽层地基承载力低，限制了疏桩支撑 踏堤结构在此地1 ) ( 的席川。 咎丁此，往浅埋深厚软1 地i i ，捉高兢桩问基体的性能，刚、柔性纽含技术j 芷为确保“减沉”琉桩地基 整体刚度的一种新的尝试”( 蘸晓l j ，2 0 0 7 ) 。硫桃支挥蹄燧技术与软弱基体加i n 技术纽含的地基加周形 _ r i = ( 如阿1 - 2 所示) 被粟川i 谜多元f l 结构可简称“丛体补强航桩支撑路斑结构”。 s ； 川t。r玎 # 一l 黼隧 图1 - 2 基僻 强疏桩支捧麝埋结构示意圈 基体补强技术一般来川相对柔性的水抛搅扦桩，以承载力有效桩长控制加瑚深度，形成悬浮柔性桩浅 层基体补强加州，提高栈层软弱毖体的承载力”。藕体补强方案不仅碗著改善战提高了浅屡软基的承拽性 能；也_ = i 浅坪潍厚软土地基琉桩萆础戍j 刨遗丁g q t ：同时，为进步提高疏桩基础硫化程度，有散控制 地基粒体刚度台理“减沉”，提供丁新的踏向剐性疏桩采川刷性长桩( 例如p t c ) ，进一步硫化了桩问 距( 例如p t c 3 l 疏化为p t c 45 ，l ) ，并以穿越深厚软十层，舍理进入良好持力层。有效“减沉”为i t 标控制 桩k ；这种多兀纽台技术与单纯的柔性搅拌桩复台地基乖l 单纯的刚性疏桩补偿地基相比，加同机理的合理 性、加l 州效果的可稚性、经济遗价的1 i 约性等方面更具优势，有精明确的经挤和技术意义。 基体补强疏桩支撑路堤是疏桩支撑路堤的延忡羽l 发艘，扩人了其内涵和戊用范i 学，使得琉桩支撺路堤 技术可以麻川于浅埋深厚软十地k ，奉文基于此，提出了j 1 义琉桩史撑路堤的概念范畴，它包括疏桩支撑 路堤和基体补强疏桩支撑路堤。 1 2 4 过渡问题 高述公路路基为典型条带状构遗物平面戍变问题，纵向j ：程地质条件和路基荷载性质的变化，使 女l 纵向沉降变形连续性1 瑚厦性的控制1 分重要。不同性质踏段的j ：后沉降控制标准显并不耐，样观i + 存 在不同控沉标准的小同性质路段问的衔接与过渡问题例如桥台基础与桥头连接段、构遗物与两侧连接段、 特殊加同路段与一般路基段。 高述公路疏桩立掉踏堤结构墩褂赶好“减机”效果( 较好解决了桥头j ，连接段问的变形协调) 的同时， 应该台理“控制”沉降，而h i 址完仓的“抑 埘”沉降，避免加剧桥头连接段与一般路段问变形协调控4 的难度。 h 前，疏桩支撑蹄堤形式的高逃公窖i 纵向局部过渡段方案设计，延川，传统复台地基请檀挑k 、琉化桩闻 东南大学硕士学位论文 距的过渡方法。例如，采用p t c 3 l 进一步疏化布置为p t c 3 5 l 的方法，适度减小桩长作为过渡段方案。 但是，即使根据复合地基置换率的简单概念，搅拌桩复合地基竖向增强体间距1 0 m 增至1 5 m 过渡方案， 置换率降低5 5 ，疏桩间距3 0 m 增至3 5 m 过渡方案，桩体置换率降低约2 5 。对于小间距竖向加固体疏 化布置，对整体刚度调整相对明显；对于大间距，则效果有限。既有建筑领域关于疏桩基础工作机理的研 究表明，疏桩基础用桩量的增减，在一定幅度范围内对基础沉降影响很小( h o o p e r ，1 9 7 9 ；w c o o k e ， 1 9 8 0 ：1 9 8 6 ：h o r i k o s h i & r a n d o l p h ，1 9 9 9 ) ，适度增加疏桩间距方案，从疏桩工作机理上是否能达到预期 局部沉降过渡的目的，尚无可靠的理论支撑。众所周知，桩长是影响沉降的关键因素，采用调整桩长过渡 方案，理论上能够达到不同沉降域值的过渡效果，但是鉴于过渡段长度的局限性，且考虑过渡段工程地质 性质与桥头连接段性质基本相同的特点，采用调整桩长过渡方案，容易形成软土地基中悬浮桩( f l o a t i n g p i l e s ) 支撑体系，其控制沉降的效果值得商榷。 与之类似，涵洞等小型构造物基础采取疏桩补偿地基加固方案取得了良好的“减沉”效果，地基加固设 计往往忽视了小型构造物长期( l o n g - t e r m ) 荷载显著低于两侧路基填土荷重( 仅占约1 3 以3 ) 的荷载分 布特征，客观上加剧了构造物与两侧联接段的局部差异沉降，加之小型构造物两侧无搭板等构造措施，运 营后短期内，容易出现小型构造物两侧衔接处局部差异沉降，甚至横向开裂现象。 鉴于上述，对疏桩支撑路堤过渡段合理控制沉降的研究还不系统，严重滞后于高速公路工程实践的现 状，开展不同性质路段连接过渡的局部差异沉降与过渡段方案的专项研究十分重要。 1 3 研究现状分析 疏桩支撑路堤结构是一个由桩( 桩帽) 、水平加筋材料、路堤填十和地基土等几部分组成的整体。各 组成部分相互调整，共同工作。其： 作机理非常复杂，存在以下几个关键问题：桩( 帽) 一土之间的荷载 分配规律；路堤荷载下桩土共同作用的性状；沉降变形特征、承载性能以及设计方法等等。路堤结构( 基 础) 特征既不同于理想刚性基础，也不同于理想柔性基础，严格意义上讲，在桩承路堤的基底面，桩土应 变状态处于等应变状态和自由应变状态之间。目前，国内外许多著名学者主要集中于对桩( 帽) 一土之间 的荷载分配规律的研究，并取得了丰硕的成果，但对后三个问题的分析研究还不够系统，尤其是设计理论 严重滞后于工程实践，目前没有令人满意的设计方法指导工程设计( s t e w a r t & f i i z ，2 0 0 5 ) 。英国规范( a s s 0 0 6 ， 1 9 9 5 ) 和北欧国家规划( n o r d m 锄d b 0 0 k ，2 0 0 2 ) 对这种型式路堤的设计计算有一些规定。但如h a n e t a l ( 2 0 0 5 ) 所指出，这两本规范的规定过于简略，所提出的设计理论与实际情况有比较大的差异。目前国外主要侧重 在土拱理论和张拉膜理论的研究，而国内工程设计中多数采用现有理论分析桩土应力分担比后，沿用刚性 基础复合地基或常规复合地基的分析计算方法，没有较好地反映出疏桩支撑路堤结构五个组成部分相互作 用的工作性状，其分析结果与实际往往存在较大误差。因此开展广义疏桩支撑路堤的工作机理和设计方法 研究十分重要。 1 3 1 疏桩支撑路堤工作机理研究现状 一试验研究方面 众多学者通过现场试验或室内模型试验对疏桩支撑路堤结构的工作机理进行了研究。雷金波【1 卯，徐泽 中等，何良德，陈志芳【1 6 】等结合苏沪高速公路疏桩处理工程，对高填土路堤下p t c 型控沉疏桩的作用机 理、沉降变形、承载特性、荷载传递、桩土应力比及桩土问相互作用等力学性状，进行了足尺寸现场试验 研究。施峰【1 7 】通过在预应力高强混凝土管桩( p h c 桩) 的桩项、桩端及桩周各主要土层的分界面埋设钢筋 计的静荷载试验，研究了高强预应力混凝十管桩的荷载传递机理，分析了侧阻力、端阻力的变化规律，实 测了压桩力与入十深度的相互关系。许峰 1 s l 等通过室内模型试验，对带桩帽的疏桩支撑路堤结构进行了试 验研究。周云东，彭贵1 1 9 1 等对高速公路运用较多的现浇薄壁管桩( p c c 桩) ，通过一系列现场试验观测， 对桩士荷载分担、沉降、桩土差异沉降、路堤稳定性等的变化规律进行了探讨。林文强等【2 0 】、谭祥韶，许 永清等【2 l 】介绍了疏桩补偿地基在某高速公路软基试验j l 程中的应用及桩土应力进行了对比试验研究。现 场试验具有重要的研究价值，为疏桩支撑路堤在柔性基础下的应用提供了珍贵的第一手资料，积累了大量 的工程经验，但由于每个疏桩支撑路堤的桩型、材料、布桩方式以及地质条件不尽相同，在应用时，应结 合具体情况具体分析。 二理论分析方面 目前，疏桩支撑路堤的工作特性与机理研究，多采用相对全面的解析解和数值分析方法，其中多以混 4 第一章绪论 合算法( h y b r i dm e t h o d ) 的形式出现( 杨嵘昌等，1 9 9 4 ：何思明，1 9 9 傅景辉，2 0 0 0 ；董必吕等，2 0 0 2 ； 刘杰，2 0 0 3 ；陈1 = ：鹏，2 0 0 4 ) ，但由于岩土体性质和地基基础相互作用的复杂性，以及不同的假设条件， 计算结果与实测值有一定偏差，计算精度存在问题。褥垫层的加入和桩土界面错动，使得求解高粘结强度 桩处理的地基的解析解比较困难，常作出各种假定，简化力学模型，如： 阎明礼、杨军、吴春林等( 1 9 9 2 ) 假设基础中点下( 垫层底) 附加应力所产生的压缩变形等于该点桩的 刺入变形，在弹性范围内分别求出了土层的压缩沉降与桩的沉降量，然后利用变形协调的关系，求出了桩 土荷载分担比。在求土层的压缩沉降时采用分层总和法；求桩的沉降时用等效剪切模量法。 王长科、郭新海等( 1 9 9 6 ) 假定垫层可压缩，桩间土为均质体，垫层、桩、土的力学模型均采用弹簧 模式，印：压力等于刚度系数乘以变形。弹簧的刚度系数不等，相互之间无影响。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。根据这个模 型给出了桩土应力比n 的计算公式。 傅景辉、宋二祥【2 列( 2 0 0 0 ) 考虑基础一垫层一桩一土的共同作用，求得桩土应力比。求解中假定：基础具 有足够大的底面积，桩等间距布置：上部结构在基础底面产生的压力经垫层调整后，分别以均布荷载的形式 作用于桩顶及土体表面：垫层与土为均质弹性体；只考虑附加应力的作用：考虑桩土界面错动，桩侧摩阻力 与桩土相对位移呈弹塑性关系再利用桩体微单元竖向受力平衡微分方程求出桩侧摩阻力的表达式，然后采 用分层总和法计算不同深度桩间+ 的沉降，最后利用桩土界面剪力与位移协调的关系以及垫层处的边界条 件求出桩体微分方程的解，进而求出桩土分担与沉降。沈伟、池跃君、宋二祥( 2 0 0 1 ) i 瞪过桩、土竖向平衡 微分方程，利用桩土界面剪力与位移协调的关系以及垫层处位移协调关系进行求解。 上述学者的研究成果为进一步的解析法研究奠定了坚实的基础。有关学者采用弹性理论法、剪切位移 法、有限元法及荷载传递法的单桩沉降计算分析方法，分析荷载作用下桩的承载变形性状，在上述学者研 究的基础上，对路堤荷载卜疏桩支撑路堤的荷载传递规律进行了分析。 ( 1 ) 弹性理论法 弹性理论法是对桩土系统用弹性理论方法来研究单桩在竖向荷载作用下桩土之间的作用力与位移之 间的关系，进而得到桩对桩、桩对土、土对桩以及土对土的共同作用模式。弹性理论法首先由a p p o l o n i a 和r o m u a l d i ( 1 9 6 3 ) 提出，以后t h u r m a n 和a p p o l o n i a ( 1 9 6 5 ) ，s a l a s 和b e l z u n c e ( 1 9 6 5 ) ，n a i r ( 1 9 6 7 ) ， p o u l o s 和d a v i s ( 1 9 6 8 ) ，m a t t e s 和p o u l o s ( 1 9 6 9 ) ，b u t t e r f i e l d 和b a n e r j e e ( 1 9 7 1 ) ，b a n e r j e e 和d a v i e s ( 1 9 7 7 ) ， 以及r a r d o l p l 和w o r t h ( 1 9 7 5 ) 、l e e ( 1 9 9 0 ) 等均用弹性方法研究桩土的共同作用问题。在国内，1 9 8 1 年费勤 发，张问清和赵锡宏也对此课题做了研究。 p o l o u sa n dd a v i s ( 1 9 8 0 ) 作为集大成者，对基于弹性理论桩基沉降分析( b e m ) 方法进行了全面、系 统的总结，成为后来进一步研究的基础。但是该方法用单一的模量参数去反映分层的、非线性的士的压缩 特性，在工程应用上受到较大的限制，因此后来这种方法推广应用于有限深土层、桩一土存在滑移的情况 以及通过将弹性模量按土层厚度加权平均的方法推广到层状非均质士的情况。在桩身范围内土的模量变化 不大的情况下，由弹性理论法可获得在实用上满足要求的解答，但其计算上的竖向柔度矩阵较费时，而且 弹性模量e 和泊松比趑两个重要指标的正确选择还有待进一步探讨。马海龙、费勤发、洪毓康( 1 9 9 6 ) 运用 m i n d l i n 解和分层总和法，建立了桩一承台一土共同作用矩阵方程，并对其求解，从而可得到沉降、桩土 应力比和侧摩阻力分布等规律。 ( 2 ) 荷载传递法 荷载传递法又称传递函数法，最早由s e e d & r e e s e ( 1 9 5 7 ) 提出，此方法将桩离散为许多单元，每单 元与一“弹簧”连接，以表示该处桩与土的联系，“弹簧”的应力应变关系反映土阻力与桩位移的关系，选取 合适的曲线可以考虑非线性因素。目前传递函数形式有线弹性模趔( 佐藤悟( 1 9 6 5 ) ) 、双线性硬化模型( 陈 龙珠，1 9 9 4 ) 、三线性硬化模型( 陈明中，2 0 0 0 ) 、三线型软化模型( l i u e t a l ，2 0 0 4 ) 及双曲线模型( k i m c ta 1 1 9 9 9 ：田美存，1 9 9 7 ；周万欢，2 0 0 5 ) 等。 荷载传递法可以考虑士体的成层性和非线性，也可以考虑桩土之间的相对滑移，但由于该法假定桩侧 任意点的摩阻力仅与该点桩土相对位移有关，即荷载传递法没有考虑桩侧不同位置土体之间的相互作用。 荷载传递法关键的问题是如何取得桩的传递函数。目前根据求取传递函数的手段不同，又把传递函数分为 两种计算方法：一种称为位移协调法，是用实测或试验方法得到传递函数，然后建立各单元桩的静力平衡 条件及位移协调条件求解。何思明( 1 9 9 7 ) 利用桩沉降与桩周土沉降变形协调关系，用荷载传递函数来求解 复合地基沉降。雷金波等( 2 0 0 4 ) 基于单桩承载力试验的受力模式，采用荷载传递函数法，对带帽单桩复 合地基桩土相互作用的力学性状进行了线性分析，得到了带帽单桩复合地基中桩体沉降、桩帽下土体的竖 向位移、桩帽间士体的竖向位移、桩身轴向应力、桩帽下土体的竖向戍力、桩帽间土体的竖向应力、桩身 侧摩阻力、桩帽边缘土体之间的侧摩阻力与荷载水平、深度之间的控制微分方程并得到其解析表达式。 5 东南大学硕士学位论文 其基于单桩承载力的受力模式，没有考虑疏桩补偿地基中桩问士会对桩产生负摩擦力作用的特性，与实际 工程中的受力模式有一定的出入。另一种方法称为解析法，这种方法是吧传递函数简化为某种曲线方程，- 然后直接求解平衡条件的微分方程。曹卫平 2 3 1 ( 2 0 0 6 ) 总结了已有的s s i ( s o i l s t r u c t u r ei n t e r f a c e ) 改进了 前人关于桩土荷载传递的双曲线模型，分析了桩身摩阻力、桩身中性点位置、桩承载力随时间的变化特点。 这两种方法都曾用来分析原位试桩的实测结果，取得较为满意的效果。但关键的问题是采用什么样的实测 手段取得传递函数，以及如何确定传递曲线方程的计算参数，这些都是还未解决尚待深入研究的。 ( 3 ) 剪切位移法 剪切位移法由c o o k e 提出，认为桩沉降时周围土体随之发生剪切变形，剪应力从桩侧表面沿径向向四 周扩散到周围士体中，假定桩侧上下土层之间没有相互作用，离开桩身距离相等处的剪应力是相等的。在 c o o k e 研究的基础上，r 柚d o l p h ( 1 9 7 8 ) 擢；导了基于c o o k e 假设的可压缩性桩的单桩解析解，l 乇a n d o l p h 0 9 7 9 ) 又将单桩解推广至群桩情况。n o g a m i ( 1 9 8 4 ) 又将r a n d o l p h ( 1 9 7 8 ) 单桩结论用文科尔模型描述，并进一步将 其推广至群桩。r , r a f m a l ( 1 9 8 0 考虑了土体的非线形性状，将r a n d o l p h 单桩解推广至土体非线形情况。 c h o w ( 1 9 8 6 ) 将k r a f t 结论用于群桩分析。k 吲1 9 9 1 ) 进一步将c h o w ( 1 9 8 6 ) 方法用于桩端士层与桩侧不一致的 非均质土分析中。王启铜( 1 9 9 1 ) 将r a n d o l p h 单桩解从均质地基推广至成层地基，并考虑了桩端扩大的情况。 在分析群桩时，采用位移场假设，并考虑了士体的非线形特性。杨嵘昌、宰金珉( 1 9 9 4 ) 在将剪切位移法推 广到塑性阶段从而得到桩周土非线性位移场解析表达式的基础上，与层状介质的有限层法和结构的有限元 法联合运用，建立了上部结构一承台一群桩土共同作用的增量矩阵方程形式，并求解了荷载沉降曲线，为 桩一土一承台共同作用提供了一个半解析半数值方法。 三数值模拟方面 因采用数值方法如有限差分或有限元法，能较好地模拟群桩和复杂地基等工况，国内外许多学者对疏 桩补偿地基作了二、三维的数值分析，以研究其受力机理。h a n j i e ( 1 9 9 8 ) 采用快速轴对称拉格朗日方法对 单桩轴对称模型进行了分析，综合分析了桩、地基土体、格栅和路堤受力系统中格栅拉力、桩土应力比和 路堤沉降等。j i eh u a n g & j i eh a r t ( 1 9 9 9 ) 利用三维f l a c 程序建立典型路段下的三维数学分析模型，分析 了疏桩支撑路堤的性状。g k e m p t o n 和d r u s s e l l 等( 1 9 9 8 ) 利用有限差分法对疏桩补偿地基分别进行了二 维和三维数值计算，分析了不同桩帽尺寸下桩体荷载分担比随填士高度的变化规律。陈仁朋，贾宁【2 4 l 等 ( 2 0 0 4 ) 对桩承式加筋路堤，把单桩处理区及上部路堤等效为圆柱体，采用弹塑性有限元法分析了瞬时加 载后低级中超静孔隙水压力的分布特征及消散过程，研究加筋格栅的受力和路堤的沉降特性，分析了桩长、 桩间距及桩托板大小对桩体荷载分担比和路堤沉降的影响。刘汉龙，费康等【2 5 j ( 2 0 0 4 ) 用非线性有限元模 型分析了路堤下p c c 桩的的内摩阻力、分析了土塞底部的水平应力在荷载作用过程中的变化。江璞( 2 0 0 5 ) 利用a n s y s 商业软件建立了平面的有限元分析模型，开展了疏桩补偿地基的工作性状研究，考虑了基础的 高度、半径和模量、土体和桩体的模量，置换率以及桩长等因素的影响，并在分析单桩工作性状的基础上， 进一步采用数值分析方法分析疏桩补偿地基的沉降特性，得到了路堤高度、宽度和模量以及置换率等因素 对沉降特性的影响规律。p o r o o s h a s b | 2 们、t a o a t 2 7 1 、l i l 2 引、o ，s h e a r 2 9 1 、h a r t 3 们、t a l b o t l 3 1 1 、b e t g a d 0 1 3 羽、a o u a s s i d a l 3 埘l 等学者通过数值手段对路堤荷载下的桩土作用进行了分析。 1 3 2 基体补强疏桩支撑路堤研究现状 工程实践中，当一般的地基处理方法不能满足要求时，通常会采用桩基础，为节约投资，有些人就尝 试着将多种地基处理方法与桩基础结合起来综合利用，形成了由不同类型桩、或不同长度桩体所组成的多 元组合技术。这种多元组合技术近年来受到岩土工程界的广泛关注，与之相关的理论研究及工程实践也在 不断丰富和快速发展。根据桩体材料刚度或桩的长度不同，利用刚性长桩与刚性、半刚性或柔性短桩相结 合对地基进行处理，长桩主要控制变形：短桩主要提供浅层承载力，疏桩多元组合技术已经应用于土木工 程多层及小高层建筑，目前已有不少成功的实例，具有较为显著的经济效益。从近年发表文献的看，已 有一些学者针对刚性基础下这种新型疏桩多元组合技术从理论、试验和实践等多个方面进行了研究。 在理论与实践的研究中，以数值分析居多。能够严格反映桩与土以及土与筏板之间相互作用的有限元 计算方法，计算效率较低( 杨敏m l 等，2 0 0 5 ；葛忻声等【3 6 l ，2 0 0 3 ) ：反之，计算效率高应用方便的计算方法， 由于简化公式的应用而在理论上不够严密( 赵明华等，2 0 0 5 ) 。现场试验研究结果可靠( 刘奋勇，2 0 0 3 ：陈 龙珠【3 7 l ，2 0 0 4 ；张子新，2 0 0 5 ) ，但成本高周期长。葛忻声等用有限元分析了长短桩复合地基的工程性状； 梁发云等( 2 0 0 3 ) 采用有限单元法，全面分析了多元复合地基工程特性。近年来，基于虚拟桩模型，采用 积分方程法对长短桩分析取得了一些成果，例如梁发云1 3 川等( 2 0 0 7 ) 基于m u k i ( 1 9 7 0 ) 提出的长短桩相 6 第一章绪论 互作用的虚拟桩模型和宋二祥( 2 0 0 3 ) 采用w i n l ( 1 e r 分布弹簧模拟垫层作用的简化方法，推导出求解长短 桩相互作用系数所需要的第二类f r e d h o l m 积分方程，结合文献【3 7 】，建立了长短桩桩筏基础整体方程组， 并进行了参数分析，但由于对长、短桩及地基整体建立方程组进行求解，计算效率较低。在现场试验研究 方面，刘奋勇等( 2 0 0 3 ) 应用载荷板试验对混