（地质工程专业论文）cfg桩复合地基机理研究——以贵州省革东地区为例.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 c f g 桩复合地基是一种刚性桩复合地基，其承载力用静载试验确定。作为 一种新型的软弱地基的处理技术，能够较好地发挥桩土共同作用，具有地基承载 力提高幅度大、施工速度快、质量高、适用范围广、造价低、沉降量小， 沉降稳定快等优点，目前己广泛应用于地基处理工程中。本文结合贵州省酋例 c f g 桩复合地基工程，分析了桩土共同作用的机理，并采用分析软件a n s y s 建 立复合地基模型，对其进行计算分析，并把计算结果和荷载试验结果进行了对比。 探讨了c f g 桩复合地基中桩土共同作用下的一些工程特点和模型的改进方向， 得到了一些有工程意义的结论，本文完成的主要工作和主要结论如f ： ( 】) 用桩土共同作用机理分析c f g 复合地基的受力变形特点。 ( 2 ) 利用a n s y s 有限元程序建立模型，对c f g 桩复合地基承载性状( 竖向 位移、应力分布、破坏特点等) 进行了分析。 ( 3 ) 进行了静载试验，对实测的数据进行分析处理后并与理论分析计算结果进 行对比，分析产生差异的原因。 ( 4 ) 采用有限元方法模拟c f g 桩复合地基的工作特点是一种较有效的方法。 取得的结果和实测结果基本一致，可以作为复合地基设计施工的辅助工具。 ( 5 ) c f g 桩复合地基是一种具有某些柔性桩性质的刚性桩复合地基。在承载 机理上，部分具有一般碎石桩复合地基的特征，而在桩土分担荷载方面，更接近 于普通混凝土桩基的特性。 ( 6 ) 为贵州省软土地基处理建立经验数据库。 关键词： c f g 桩，复合地基，桩土共同作用，本构关系，有限元，承载力，静载试 验，刚性桩 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p o s i t ef o u n d a t i o no f c f g i sak i n do f r i g i dp i l e ，i t sb e a r i n gc a p a c n yi sd e t e r m i n e db yt h e s t a t i cl o a d i n gt e s t a san e wt y p eo ft e c h n i q u ef o ri m p r o v i n gt h ew e e kg r o u n d ，i t sh a st h eg r e a t v i r t u e so fs t r e n g t h e n i n gt h e b e a r i n gc a p a c i t y o ft h e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，h a v i n g s m a l l s e a l e m e n t sc l o s et os t a b i l i t yw i t hh i g hs p e e d b yt h i sn e wt e c h n i q u ei nc o n s t r u c t i o n ，t h es p e e d m a k e sf a s t e r ，t h ec o s ti sl e s sb u tt h eq u a l i t yi sh i g h e r s oi th a sa l r e a d yb e e na p p l i e di nf o u n d a t i o n t r e a t m e n te n g i n e e r i n g i n t h i sp a p e r , c o m b i n i n gt h ef i r s tc f gc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni ng u i z h o u a n d u s i n gf e ma n a l y s i sp r o g r a m ( a n s y s ) ，t h em e c h a n i s mo ft h ec o m m o na c t i o no fp i l ea n d s o i li s a n a l y z e da n d t h ec f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni ss i m u l a t e d a c c o r d i n gt ot h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa n dt h em e a s u r e do n e s ，s o m ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r s a n dn e wa p p r o a c h e st ot h ec f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ed i s c u s s e d ，a n ds o m ev a l u a b l e c o n c l u s i o n sa r ed r a w n t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g s ( 1 ) b yt h em e c h a n i s mo ft h ec o m m o na c t i o no fp i l ea n ds o i l c h a r a c t e r so fd i s t o r t i o no f t h e c f g c o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ea n a l y z e d ( 2 ) d e s i g n e dm o d e le s t a b l i s h e db ya n s y sp r o g r a mi su s e dt oa n a l y z et h el o a d i n gb e h a v i o r o ft h ec f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ns u c ha sv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t ，s t r e s sa n dc h a r a c t e ro f d e s t r u c t i v ec a p a b i l i t y ( 3 ) s t a t i cl o a d i n gt e s t sa r ec o m p l e t e d ，t h em e a s u r e dd a t aa r ep r o c e s s e da n dc o m p a r e dw i t ht h e t h e o r e t i c a lr e s u l t sa n dt h ec a u s e sa r ea n a l y z e d ( 4 ) s i m u l a t i n gt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft h ec f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hf e m m e t h o di saf e a s i b l em e t h o d t h ea n a l y z i n gr e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t a n tw i t ht h em e a s u r e d r e s u l t s ，s of e mp r o g r a mc a nb ea l la s s i s t a n tt o o lf o rd e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i n gt h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n ( 5 ) c o m p o s i t ef o u n d a t i o no fc f gi sak i n do fr i g i dp i l eb u tk i n do ff l e x i b l e i t sb e a r i n g m e c h a n i s mi ss i m i l a ra n di t sg 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 di t sl o a d - t a k e nb yp i l ea n ds o i l i ss i m i l a rt h en o r m a lc o n c r e t ep i l ef o u n d a t i o n ( 6 ) t h er e s u l t so fs t u d yp r o v i d er e f e r e n c e st ot h ew i d eu s ef o rc o m p o s i t ef o u n d a t i o no fc f g i ng u i z h o u k e yw o r d s c f gp i l e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，t h ec o m m o na c t i o no fp i l ea n ds o i l ，c o n s t i t u t i v er e l a t i o n ， f e m ，b e a r i n gc a p a c i t y , s t a t i cl o a d i n gt e s t ，r i g i dp i l e i i t f | ， 贵州大学硕士学位论文 第一章c f g 桩复合地基的研究现状 1 1c f g 桩复合地基的产生和发展 “复合地基”一词产生于2 0 世纪6 0 年代，最早的复合地基是 砂桩复合地基，然后是碎石桩、深层搅拌桩、旋喷桩、石灰桩、土桩 复合地基，复合地基的理论开始广泛应用于地基处理的分析之中。c f g 桩( c e m e n tf 1 y - a s hg r a v e lp i p l e ) 复合地基是1 9 8 5 年由中国建 筑科学研究院地基所研究开发的，桩体材料是由碎石、粉煤灰、石屑、 水泥、适量中粗砂和水按一定的配合比搅拌而成。添加粉煤灰的目的 是增加混合料的和易性并由低强度等级水泥的作用，同时添加适量的 石屑以改善级配，使桩体获得胶结强度并从散体材料转化为具有某些 柔性桩特性的高粘结强度桩。其桩体刚度介于碎石桩和混凝土灌注桩 之间，适用于对粘性土、粉质土、粉细砂、淤泥质土等地基的加固， 对软土地基加固效果尤为明显。 c f g 桩的桩体和桩间土、褥垫层和承台板一起形成c f g 桩复合地 基，属于刚性桩复合地基。与一般的柔性桩复合地基相比，c f g 桩复 合地基本身刚度大，使桩顶荷载沿桩向底部竖向传递，可以找到合适 的持力层；另外由于在在桩顶和承台之间可以设置1 5 0 - 4 0 0 m m 的褥垫 层，通过褥垫层的调整及应力扩散作用，使桩间土的承载力得到充分 发挥，故c f g 桩复合地基的承载力大幅度提高，可达4 0 0 - 7 0 0 k p a 。 和其他桩基础相比工程投资比较节约，经济效益明显。 c f g 桩复合地基技术1 9 9 2 年通过部级鉴定，1 9 9 4 年被建设部列 为全国重点推广项目，1 9 9 5 年被国家科委列为国家级重点推广项目， 1 9 9 7 年被列为国家级工法，建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - 2 0 0 2 ) 已对c f g 桩的设计和施工作了一般性的规定，目前该技术已经在全国 近二十个省市推广应用，已经成为多层至3 0 层以下高层建筑的地基 处理的主要技术之一。从民用建筑到工业厂房均可以使用。 t ； ， 贵州大学硕士学位论文 1 2c f g 桩复合地基在国内外的研究现状 我国是一个资金匾乏的发展中国家，复合桩基由于用桩量少， 能节省大量的工程投资，具有巨大的经济效益和社会效益，因而在我 国比在国外得到了更为广泛的重视，并进行了更多的工程实践。 童诩湘( 1 9 7 9 ) 基于群桩基础工作机理的分析提出了按沉降设计 桩基的初步想法，认为当容许建筑物有较大的沉降量时，可以考虑让 承台底土承担部分荷载，桩可发挥其极限承载力。在估算桩基沉降时， 要考虑桩与承台两者共同传来的附加应力，同时应验算整个桩基的整 体强度。 从八十年代初开始，随着改革开放和社会的进步，经济的发展， 国内诸多单位和专家结合工程实践开始进行复合桩基理论和应用的 探索工作。 八十年代中后期，上海民用院黄绍铭等人在6 e d d e s 应力解的基 础上，提出了复合桩基的设计方法。认为复合桩基实质上是以控制沉 降为原则，考虑桩与承台的共同作用，介于天然地基上浅基础和桩基 的一种基础形式。 从1 9 8 7 年开始，管自立提出用桩来补偿天然地基的新构思，利 用天然地基承载力来减少桩基，使桩基与天然地基达到互补效应，称 之为疏桩基础。疏桩基础不是简单的根据上部荷载来确定桩的数量， 而是以控制建筑物的沉降量来确定桩的补偿量。使之既要充分发挥单 桩承载力作用，达到控制沉降的目的，又要最大限度的利用桩间土的 天然承载力，达到减少桩数的目的。 董建国、赵锡宏( 1 9 9 1 ) 等人对高层建筑桩筏( 箱) 基础进行了现 场实测研究，探讨了桩数与沉降的关系。他们认为设计时可以加大桩 距，减少桩数以充分发挥筏底的地基承载力，但沉降增加并不大。并 提出了高层建筑桩筏( 箱) 基础的变形控制设计理论，桩基的沉降采用 他们所提出的简易理论法或经验半理论法计算。 宰金氓( 1 9 9 4 ) 提出了复合桩基的设计方法，并将复合桩基定义 为系按大桩距( 5 - 6 倍桩径及其以上) 布置的低承台摩擦群桩或端承作 2 | ， 广 贵州大学硕士学位论文 用较小的端承摩擦桩与承台底土共同承载的，以沉降控制为标准作为 其设计指导思想，介于纯桩基与天然地基之间的过渡型的新型基础形 式桩基础。由于群桩中单桩工作状态为接近其极限状态，使得桩与承 台最终有明确的承载分担，据此提出了在整体承载力和沉降量双重控 制下按单桩极限承载力p u 进行设计的方法。 黄显挺( 1 9 9 7 ) 从桩侧摩阻力的发挥入手，考虑桩土间的相对滑 移应用弹性理论中g e d d e s 积分解计算土体中的应力分布，4 考虑地基 士为弹性和非线性弹性，采用d u n c a n c h a n g 非线性模型，对桩一承 台一土共同作用的性状进行了分析。 石坚( 2 0 0 0 ) 利用有限元法，对黄土地基采用d u n c a n c h a n g 非线 性模型，桩、承台采用线性模型，在桩土界面采用d u n c a n c l o u g h 模型，考虑桩土的变形协调，分析了在黄土地基中桩一承台一土共同 作用的机理，得到了若干规律。 葛忻声( 2 0 0 3 ) 对浙江某一采用桩一筏复合桩基的高层建筑，用 有限元法进行了模拟计算，对复合桩基的位移场和应力场进行了分 析。 宰金眠( 2 0 0 1 ) 提出了塑性支承桩的概念，认为对于特大桩间距 的复合桩基，例如桩距大于或等于9 d ，可认为各桩的工作从弹性支 承转为如同一个完全塑性的支承，与超静定结构中塑性铰的概念相类 似，它始终承担p u 的荷载，任何新的荷载增量，它都不参与分配， 由于进入塑性阶段，它不再提供任何新的支承刚度，即沉降状态仅由 桩间土的抗变形能力控制。并给出了沉降量计算的方法和工程应用的 原则。 杨敏( 1 9 9 7 ) 提出了减少沉降量桩基沉降计算的实用公式，假定 土发生理想弹塑性变形，对极限承载力下的桩筏基础相互作用进行了 分析，并根据近似的桩土相互作用弹塑性分析从机理讨论了桩数的变 化对基底下地基士中应力场的影响问题。 窦远明( 1 9 9 8 ) 根据室内模型试验和有限元分析，提出了减少沉 降量复合桩基的简化计算方法。认为在设计时，若桩尖下有足够厚度 3 一， 毋 ， 贵州大学硕士学位论文 的持力层，并且持力层下无软弱下卧层，可以取0 9 尸。作为单桩的 承载力。 张雁( 1 9 9 4 ) 对沿海软土地区采用复合桩基进行了工程应用性研 究，工程测试结果表明软土地基承台下地基土分担的荷载比例一般为 1 0 $ 左右。 宰金氓( 2 0 0 1 ) 分别根据强度条件和变形条件给出了复合桩基在 不同桩数、桩长、桩距下最大可建层数的计算公式。并认为不论是片 面强调按强度控制设计桩基，还是片面强调按沉降控制进行桩基设计 都是不对的，应按强度变形双重控制进行设计。 董道洋认为：在c f g 桩复合地基设计中，应针对不同的地质情况， 结合结构计算对地基的要求，计算桩土应力比n 值，然后进行复合地 基设计方案比选，确定最佳布桩间距。同时可以根据计算所得的桩周 土顶面的坚向压力p s 值，对设计方案进行验算6 。 刘广君认为：桩身弯矩最大值发生在桩身的l 1 0 处，水平剪 力最大值则发生在桩顶，也就是在距桩顶的桩长1 1 0 段中，桩身侧 面可能发生拉裂或剪坏；从弯矩和水平剪力变化规律中可以看出，第 二大弯矩值( 负值) 大约发生在桩身的1 2 处，桩身以下逐渐衰减， 其衰减率相对桩身上半部的弯矩衰减较慢，而在l 2 桩身处剪力却 为零值，桩身下半部的剪力相对值却很小。这为c f g 桩复合地基设计 提供了这样一个思路，如果将桩身上段( 尤其是桩顶) 适当的加强， 比如适当调高水泥粉煤灰混凝土的标号或加入其他增强剂，而桩身中 问以下部位采用原设计指标，则整个c f g 桩复合地基的抗震性能将明 显的提高7 。 何世鸣认为：利用c f g 短桩载荷试验成果，反算桩间土承载力折 减系数b ，假定b = 1 0 时，对复合地基承载办的计算值与载荷试验 测试值作了对比分析，得出二者的误差均不大于4 1 3 ，根据b 值 的反算结果，建议式 f 。，k = m ( r k a ，) + qb ( 1 一m ) f 。k 中b 采用0 9 1 3 1 0 ，当无试验资料进行桩设计时，也可采 4 一 产 贵州大学硕士学位论文 用其平均值0 9 6 7 ，或利用略保守一点的数值0 9 5 。8 黎良杰认为：在同类条件下采用钻孔夯扩挤密桩与钻孔压灌c f g 桩二元桩复合地基设计，不仅可以充分发挥夯扩桩和c f g 桩的各自优 点，而且可以达到优化设计的目的。 何结冰认为：c f g 桩桩体强度等级一般在c 5 一c 2 5 之间，刚性大， 增强效果好，不存在有效桩长问题，桩体分担的荷载大一般情况下， 正常使用荷载，n 在2 0 3 0 之间，在一定范围内，提高桩体强度， 承载能力和减沉作用增强，但过大的桩体刚度，不利干桩间土承载力 的发挥设置褥垫层，能有效调节桩土荷载分担比，但对褥垫存在一 个合理化设计问题，一般建筑物褥垫层厚度宜取1 5 0 一4 0 0 m m ，褥垫 层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等，其啮合力强，置换率大 则承载能力高，但过大既不经济，也不利千桩间土体承载力的发挥， 一般建筑物对沉降的要求在2 0 - - 4 0m m 之间，合理的桩间距宜取3 5 倍桩径c f g 桩能全桩长发挥桩侧阻力的作用，端承效果明显，应 尽可能选择较好的土层作为持力层 贺武斌认为：刚性基础下桩的承载力能充分发挥，土的承载力得 不到充分发挥，如果适当调整褥垫层的厚度，使桩头向上刺入，桩土 产生的相对位移就可以使桩和土的承载力同步发挥，褥挚层在1 5 0 一 3 0 0 m m 时桩间土承载力系数8 = 0 7 5 1 0 。 目前对c f g 桩复合地基的研究主要集中在以下几个方面： 一、a n s y s 程序对c f g 桩复合地基进行有限元模拟，计算复合地 基的承载力和沉降量 二、c f g 桩复合地基承载力可靠度的研究 三、长、短桩组合模型承载力模型研究 1 3 本文的现实意义和技术路线 c f g 桩目前在基础工程中的应用已经比较普遍，但在贵州省的应 用尚属首次。2 0 0 5 年6 月，贵州省剑河县新县城地基基础方案中， 通过对比施工难度、工期、造价等因素选择了c f g 桩复合地基，开始 贵州大学硕士学位论文 运用c f g 桩对原来的填方地基进行处理，经过理论计算和现场试验， 确定出c f g 复合地基承载力，施工完毕后设定了观测点进行沉降量观 测，观测点最大沉降量为9 m m 。该工程地基处理比较成功。鉴于贵卅i 省工程地质条件的复杂性，c f g 桩在贵州省的推广应用必须有充足的 理论依据和工程实例的验证。 本文通过分析桩长、桩类型、褥挚层等因素的影响，建立桩土 单元的本构关系模型，利用有限元对c f g 桩复合地基进行模拟分析， 对比计算结果和工程实例的观测数据，确定出c f g 桩复合地基的有效 承载力，并对提高c f g 桩复合地基的优化提出建议，为c f g 桩在贵州 省的推广提供一定的参考。 医习 i _ j卤圈 l 与工程实例的窥测数据对比 图1 1 技术路线示意框图 6 贵州大学硕士学位论文 第二章c f g 桩工作机理 2 1c f g 桩复合地基特性 c f g 桩复合地基既适用于条形基础、独立基础，也适用于片筏基 础和箱形基础。就土性而言，c f g 桩适用于处理粘性土、粉土、砂土、 正常固结和超固结的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过 现场试验确定其适用性。c f g 桩用于处理挤密效果好的土时，既有挤 密作用，又有置换作用：用于处理挤密效果差的土时，承载力的提高 只与置换作用有关，这是c f g 桩的一个重要特征。 2 1 1 刚性桩性状使地基承载力大幅度提高 c f g 桩突破了桩基础传统设计思想，通过褥垫技术充分调动了水 平和垂直承载能力使地基承载力大幅度提高。 碎石桩主要是由散体材料一碎石组成的，本身没有粘聚力，其 承受垂直荷载的能力主要靠桩周土的约束提供。当桩周土承受极限荷 载发生侧向变形时，约束消除，桩的承载能力也随之消失。c f g 桩是 在碎石桩的基础上改进而成的，由于加入了粘性材料一水泥、粉煤灰 等，使得整个桩成为一个整体，在桩体没有破坏i ； ，桩体荷载可以通 过桩侧摩阻力和桩端端承力传递给桩间土和下卧层，充分发挥了桩间 土的承载能力，大大提高了承载力，复合地基承载力可达4 0 0 7 0 0 k p a ，对于一般的粘性土、粉土或砂土，桩端有好的持力层，经 c f g 桩处理后可以作为多层或高层建筑地基。 2 1 2 变形小，沉降稳定快 在桩顶和承台之间设置2 0 0 一3 0 0 m m 的压实碎石垫层，通过褥垫层 的调整应力扩散作用，桩间土充分受力，桩顶应力及基底反力都较均 匀。而c f g 桩复合地基变形主要是由桩间土的压缩和复合地基下卧层 的压缩变形所致，由于c f g 桩复合地基变形模量大，桩间土压缩量小， 7 贵州大学硕士学位论文 且c f g 桩桩底通常位于较好的持力层，下卧层变形量亦很小，加固后 复合地基沉降量较小，而且能够在较短时间内达到稳定。 2 1 3 施工速度快，质量高，工期短，适用范围广 采用长螺旋钻机将中空的长螺旋钻杆钻质至设计深度，在泵压( 4 y 一6 m p a ) 作用下边提升边灌注砼成桩，成孔成桩一起完成，有效避免了一般桩 身形成过程中在软弱土层中的缩径断桩现象。泵送砼强度一般为c 2 0 一c 2 5 。成孔能力强，可穿透强风化岩层和砂砾层，若施工过程中遇 到大直径块石( 超过4 0 0 ) ，长螺旋钻孔设备可改装大直径风动潜孔 锤引孔机械，可穿越含块石填土或砂卵石层。单机每日可成桩7 0 一 8 0 根。当桩身砼强度f 。3 ( r 。a 。) 时即可进行检测。 2 1 4 造价低 表2 1c f g 桩与人工挖孔桩的造价比较表 人工挖孔桩和c f g 桩复合地基设计工程量及工程造价比较 柱荷载( k n ) 2 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 0 人工桩身直径 1 0 0 0l 1 0 01 2 0 01 3 0 01 4 0 0 挖孔( m i l l ) 桩扩底直径 1 2 0 01 5 0 01 8 0 02 0 0 02 2 0 0 ( 1 n m ) 桩方量( m 3 ) 1 5 o1 7 41 9 92 1 o2 5 o 工程造价 9 0 0 01 0 4 4 01 1 9 4 01 2 6 0 01 5 2 0 0 ( p ，元) c f g 承台类型4 桩5 桩6 桩7 桩8 桩 桩 桩径( m m ) 4 5 04 5 04 5 04 5 04 5 0 复合 桩方量( m 3 ) 5 1 7 6 31 0 1 81 1 4 41 2 地基承台石方量 4 0 56 4 8 1 1 6 61 5 5 52 2 ( m 3 ) 8 贵州大学硕士学位论文 i 工程造价 5 4 4 08 3 7 01 2 8 2 61 5 7 5 92 0 3 ( p 。，元) 注： ( 1 ) 人工挖孔桩桩长1 i o m ，单价6 0 0 元m 3 ( 2 ) c f g 桩桩长8 0m ，单价6 3 0 元m 3 ( 3 ) 承台砼单价5 5 0 元m 2 1 5 各类型桩基础施工及技术参数对照见下表 表2 2 各类桩基础施工及技术参数对照表 沉管类桩人工挖孔桩c f g 复合地基 桩径 中4 0 0一中1 0 0 0中4 0 0 一中6 0 0 中6 0 0 成桩工艺锤击沉管挤人工挖孔取土长螺旋钻机取土 土土型( 排土) 型( 排土) 型 单桩承载力较小：一般大复合地基承载 3 5 0 一9 0 0 k n 力：3 5 0 k pa 一4 0 0 k pa 适用建筑物类多层各种类型均适多层和小高层 型 用 适用岩土层土层( 软土土层或岩石土层和强风化岩 和含大径块层( 含大径块石 石的土层除的除外) 外) 成桩工艺要求因穿透性较不适宜：自带引孔设备的 差，不适宜：1 地下水丰长螺旋桩机，对 i 填土中由富的岩土有地下水岩土层 大直径块层和较大直径的土 石2 有流泥，流层均适用 2 由卵石层 砂的土层 9 贵州大学硕士学位论文 的冲洪积 土层 造价( 注荷载比人工挖孔造价较高造价适宜( 充分 小于4 0 0 0 k n )桩低利用强夯或碾压 后土体承载力) 单机效率1 0 一1 5 根0 5 - 米2 0 米7 0 8 0 根天 天天 工期( 用户型约6 天约1 3 天约l 天 9 0 一2 单体建 筑作比较) 成桩质量在软弱土层除水下灌注的在4 6 m p a 泵压 中，成桩质工艺外，成桩下成桩，桩身质 量相对较差质量相对较好量好 检测费用及时检测数量较费用高，检测检测数量较少， 间多，且检测时间长( 成桩检测时间快( 成 时间较长后2 8 天)桩后7 天) ( 成桩后1 4 天) 对强夯或碾压不利用不利用充分利用 处理后的地基 的利用 2 2 c f g 桩复合地基变形计算 复合地基变形量由两部分组成：桩间土变形和下卧层变形量，采 用分层总和法分别计算桩间土和下卧层的变形。 2 2 1 单桩与复合地基承载力 单桩承载力与干成孔混凝土灌注桩的计算方法致，建筑地基 1 0 贵州大学硕士学位论文 基础处理规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中规定可按下式估算： r a = q 。a 。+ u ，q 。l 。1 i ( 8 5 5 1 ) 式中r a 一单桩竖向承载力特征值 q 。，q s l a 一桩端端阻力，桩侧阻力特征值，由当地静荷载试验结 果分析算得 a 。一桩底端横截面面积 u 。一桩身周边长度 1 。一第i 层岩土得厚度 t 复合地基承载力可按下式估算： f k = m ( r 。a 。) + ( 1 一m ) f t f k 一复合地基承载力特征值( k p a ) m 一面积置换率 r 。一单桩竖向承载力特征值 a 。一桩的横截面积 b 一桩间土承载力折减系数，取0 7 5 0 9 5 ，土质较好时取大值 f 。处理后桩间土承载力特征值( k p a ) ，可取天然地基承载力特 征值 2 2 2 变形计算 地基处理后的变形计算应按现行国家标准建筑地基基础处理规 范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 的有关规定执行。复合土层的分层与天然地基 相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的倍， 值可按下式确定： = f 。f 。 式中f 。一基础底面下天然地基承载力特征值( k p a ) 变形计算经验系数巾。根据当地沉降观测资料及经验确定，也可 采用表2 3 中数值： 表2 3 变形系数取值 ， 贵州大学硕士学位论文 式中e ，为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，按下式计算： e 。= a 。( a 。e 。t ) 式中a 。一第i 层土附加应力系数沿土层厚度的积分值 e 。一基础底面下第i 层土压缩模量值( k p a ) ，桩长范围内的复合 土层按复合土层的压缩模量取值。 地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并符合现行国家标准 建筑地基基础处理规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中地基变形计算深度的 有关规定。 2 3c f g 桩复合地基设计思想 c f g 处理软弱地基，以提高地基承载力和减少地基沉降为主要目 的，途径时发挥c f g 桩的桩体作用。 2 3 i 桩长 对于像砂桩和碎石桩那样的散粒材料桩，主要是通过有限桩 长，一般为6 1 0 d ，传递垂直荷载，载2 3 倍桩径范围内为高应力 区。当桩长大于一定数值后，桩传递荷载的作用明显减弱。 c f g 桩具有一定的粘结强度，载荷载作用下不会像碎出现剪涨破 坏，可像其他刚性桩一样发挥侧摩阻力，落载较好持力层上又具有明 显端承力。据统计资料表明，c f g 桩承担荷载占总荷载百分比可在3 5 一7 0 之间变化。当地基承载力较高荷载又不是很大时，可以将桩 长设计得短些，荷载大时，桩长可设计得长些；特别是天然承载力较 低而设计承载力要求较高用柔性桩难以实现时，可以用c f 6 桩较好地 解决问题。 2 3 2 桩径 c f g 桩径d 一般取3 5 0 6 0 0 m m 。若桩径过小，施工质量不易控 1 2 贵州大学硕士学位论文 制；桩径过大，需要加大褥垫层厚度才能保证桩土共同承担上部结构 传来地荷载。 2 3 3 桩间距 桩距的大小取决于设计要求的复合地基承载力和变形量、土性 和施工机具，所以选用桩距时需考虑承载力的提高幅度应满足设计要 求、施工方便、桩作用的发挥、场地地质条件和造价等因素。试验表 明，其他条件相同时，桩距越小复合地基承载力越大，当桩距小于3 倍桩径时，随着桩距的减小，复合地基承载力的增长率明显下降。从 桩、土作用的发挥考虑，桩距宜取3 5 倍桩径为宜。 2 3 4 褥垫层厚度 褥垫层宜采用中粗砂、级配碎石，最大粒径不宜超过3 0 m m ，不 宜采用卵石。 褥垫层厚度较小时，桩对基础冲切应力集中，导致基础加厚；桩 间土承载力不能充分发挥，要到达设计承载力，需增加桩的数量和长 度。好处是建筑物沉降量小。 褥垫层厚度过大时，会导致桩土应力比等于或接近于1 ，此时桩 承担的荷载太少，桩的设置失去意义，复合地基承载力不会有较大提 高。 结合工程实践，考虑技术和经济因素，褥垫层厚度取1 5 0 一3 0 0 m m 为宜，当桩径大、桩距大时取高值。 2 3 5 桩的平面布置 c f g 桩可只在基础范围内布置。对可液化地基，基础内可以采用 振动沉管c f g 桩、振动沉管碎石桩间作的加固方案，可在基础外某一 范围设置护桩( 可液化地基一般用碎石桩作护桩) ，通常情况下，桩 都布置在基础范围内。桩的数量可按下式确定 n p = m a a p 贵州大学硕士学位论文 式中m 一面积置换率； a 一基础面积( m 2 ) ； a 。一桩断面面积( m 2 ) ； n 。一面积为a 时的理论布桩数。 实际上布桩时受基础尺寸大小及形状等影响，布桩数会由一定的 增减。 对独立基础、筏形基础、箱形基础，基础边缘到桩的中心距一般 为桩径或基础边缘到桩边缘的最小距离不小于1 5 0 m m ，对条形基础不 小于7 5 m m 。 布桩时要考虑桩受力的合理性，尽量利用桩间土应力0 。产生的 附加应力对桩侧阻力的增大作用。通常，o 越大，作用在桩上的水 平力越大，桩的侧阻力也越大。 ( q ) 不合理( b ) 合理 图2 1桩平面布置示意图 1 4 贵州大学硕士学位论文 第三章c f g 桩复合地基的理论基础 3 1 桩土共同作用原理 桩与土共同作用分析方法目前有四种：荷载传递法、弹性理论法、剪切位移 法和有限单元法。其中前三种方法都是从单桩分析出发，再用一定的假设叠加 或重复使之用于群桩分析。这些方法都是在一定的假设前提下提出的，因而都 有各自的优缺点。 3 1 1 荷载传递法 s e e d 和r e e s e ( 1 9 5 7 ) 首先提出用荷载传递法来分析荷载传递规律及其沉降 计算。所谓荷载传递法，指的是将桩沿着长度方向离散成若干个弹性单元，以 “弹簧”来联系土体与各个桩体单元之间的相互作用，这样桩体每一点阻力仅 与这一点沉降有关，而与同一根桩上其他点的性状无关，与其他桩同样也不存 在联系。“弹簧”的应力一应变关系反映了土阻力和桩位移的关系，一般称之为 荷载传递函数。 荷载传递法的关键在于如何确定荷载传递函数。k e z d i ( 1 9 5 7 ) 假定荷载传 递函数为指数曲线，以求得刚性桩的位移解；佐藤悟( 1 9 6 5 ) 假定桩侧土的传递 函数是线弹性全塑性，并将这一结论推广至多层地基；c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 提出利用桩的现场试验或桩的模型试验得到每段桩的摩阻力与该段桩位移的关 系曲线来分析单桩与土的共同作用关系；c h o w ( 1 9 8 6 ) 将弹性理论方法和传递函 数相结合，用m i n d l i n 位移解来决定桩一土一承台三者之间的相互影响；罗惟德 ( 1 9 9 0 ) 提出了模拟桩周土约束的全深度一变深度剪切弹簧模型，并据此用数 学方法推导了载荷一沉降曲线的方程：陈龙珠等( 1 9 9 4 ) 假设荷载传递函数为双折 线硬化模型，推导了一组确定桩的轴向荷载一沉降曲线的解析算式。 在确定传递函数时荷载传递法能获得较为满意的结果，当将该方法推广到 群桩共同作用分析中时有其不足之处： ( 1 ) 荷载传递法假定任一点的桩位移仅与该点摩阻力有关，而与其他点的应 力无关，未能考虑土体的连续性。 贵州大学硕士学位论文 ( 2 ) 因忽视了土体的连续性，所以对分析群桩的荷载沉降关系是不适合的。 3 1 2 弹性理论法 d a p p o l o n i a 和r o m u a l d i ( 1 9 6 3 ) 首先提出了弹性理论法，所谓弹性理论 法，是指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作 用力与位移的关系，进而得到桩一桩、桩一土、士一桩和土一土的共同作用模 式。弹性理论法的基础是m i n d l i n 课题，m i n d l i n ( 1 9 3 6 ) 给出了对均质弹性半无 限空间体内任意一点作用竖向集中力时，在半无限体内任意位置引起的应力和 位移的积分形式解析解。p o u l o s 和d a v i s 1 9 6 8 ) 在m i n d l i n 解的基础上，分析了 桩一土、桩一桩相互作用性状，提出位移影响系数概念，通过位移影响系数的 迭加，把两根桩共同作用的分析结果推广到任意数量桩的群桩分析，给出了桩 周侧摩阻力和桩端阻力的大小和分布形式；国内学者张问清、赵锡宏( 1 9 8 0 ) ，杨 敏( 1 9 9 2 ) ，杨克2 ( 1 9 9 2 ) 等人也对此课题进行了相应的研究。 弹性位移法可以考虑土的连续性，可以进行桩一桩、桩一土的共同作用分 析，同时也有一定的不足之处。 ( 1 ) 弹性理论法把地基当作均质各向同性体，而实际上地基土存在成层性、 非线性以及各向异性等诸多特征，这些在弹性理论法中都难以体现。 ( 2 ) 分析桩基础时，需要把桩分段，然后计算各段之间的相互作用，计算工 作量大，而且如何正确选择两个重要指标弹性模量和泊松比还有待进一步探讨。 3 1 3 剪切位移法 c o o k e ( 1 9 7 4 ) 等在试验和理论分析的基础上首先提出来剪切位移法，用于 分析均质弹性地基中纯摩擦性刚性桩问题。c o o k e 认为摩擦桩的沉降主要是由 桩周土的剪切变形引起，并且假定离开桩身相等距离处的剪应力相等、剪应力 大小与离开桩身的距离成反比，通过简化方法分析了桩向周围土体传递荷载的 过程。后来，r a n d o l p h 和w o r t h ( 1 9 7 8 ) ，c o o k e ( 1 9 7 9 ) 和n o a m i ( 1 9 8 4 ) 又对剪切 位移法进行更深一步的研究，使其不断的发展、完善，并应用于群桩分析。剪 切位移法将桩身和桩端的变形分别计算：对于桩身部分，将桩周土的变形和剪应 力分布理想的视作同心圆柱体，求得桩周土的弹性变形公式；对于桩端部分，按 1 6 贵州大学硕士学位论文 弹性理论方法计算，再根据变形协调条件，求解桩的轴力、摩阻力以及位移等。 将桩周土的变形和剪应力分布理想的视作同心圆柱体，己得到了试桩结果( 宰金 眠，2 0 0 0 和有限元法( 宰金眠，2 0 0 2 ) 的证实。 剪切位移法概念清楚，可给出桩周土体的位移场，对群桩的分析可用位移 叠加的方法来实现。但是它没有考虑到桩一土间的相对滑移、桩尖的刺入变形 等。 3 1 4 有限单元法 有限单元法是一种非常有效、可靠的数值计算方法，可以同时考虑影响桩 基性状的许多因素，如土的非线性、非均匀性、各向异性、土的固结和蠕变等 等。由于有限单元法能很好的解决工程中碰到的诸多问题，自其问世以来，就 在桩基工程的研究中就得到了广泛的推广和应用。o t t a v i a n i0 1 9 7 5 ) 用8 节点立 方体单元对3 x 3 和5 x 5 的群桩作过三维线弹性分析；c h o w ( 1 9 8 7 ) 采用离散桩身 单元，通过单桩迭代求解方法，对桩基沉降性状、土模量随深度变化、土体各 向异性等问题进行了分析；r a j a p a k s e ( 1 9 9 0 ) 把单桩离散，通过g r e e n 函数以桩 的位移来表示桩周土体的应力，并用能量法列出了变分方程在不可压缩的均质 土、g i b s o n 土中对单桩位移和荷载传递的求解，他采用g r e e n 函数以非直接的 边界积分求得应力表达式，其表达式较复杂，数值计算过程也很麻烦；段继伟 ( 1 9 9 4 ) 采用柔性单桩一土一承台的计算模型，用轴对称有限元法分析了桩长径 比、置换率、桩土模量比对桩土应力比的影响，以及沉降和荷载传递特性；蒋镇 华( 1 9 9 6 ) 根据能量法原理，利用变分法推导了成层土中单桩有限里兹单元法公 式，只考虑同层桩单元的相互作用，对桩基性状进行了计算分析。刘亚莲( 2 0 0 2 ) 采用l a d e d u n c a n 模型和刚塑性薄单元，对竖向荷载作用下的复合桩基承载特 性进行了三维有限元分析：刘利波( 2 0 0 3 ) 使用s u p e rs a p 软件，对竖向荷载作用 下复合桩基的桩顶反力、侧摩阻力和承台底土反力分布进行了分析计算。 将有限元法应用于桩基分析中存在一些问题，主要困难是计算参数的选择， 以及计算机运算速度的限制。即便如此，有限元分析还是有其必要性和优越性， 采用有限元可以分析群桩工作机理，并用其指导实际工程设计，同时有限元对 于分析校核其它群桩计算方法也有很重要的意义。随着计算机技术的快速发展， 1 7 贵州大学硕士学位论文 有限单元法在桩基分析中也将得到更为广泛的应用和发展。 3 2 土体的破坏准则 本构模型是用数学手段来体现试验中所发现的土体变形特性。土体的变形 特性是建立本构模型的根据，也是检验本构模型理论的客观标准，因此在讨论 本构模型之前，讨论土体的变形特性是有必要的。概括起来，土体的变形主要 有以下几个特性： 1 、非线性、非弹性是变形的突出特点； 2 、土体内存在“交叉效应”，即球应力不仅可以引起塑性体积应变，而且 能引起剪应变，同时不仅剪应力能引起剪应变，而且剪应力还引起塑性体积应 变； 3 、土体的应力应变关系曲线有硬化和软化两种； 4 ，应力路径、应力历史、中主应力以及固结压力等对变形均有显著影响； 5 土体变形各向异性。 以上从五个方面概括了土体变形的基本特性，另外影响土体变形的因素还 很多，如土的种类、结构等。土体的变形规律十分复杂，要在本构关系模型中 全部反映这些特性是不可能的，也是没有必要的，应该抓住影响变形的主要特 性去建立数学模型。 3 2 1 本构模型的选择 在c f g 桩复合地基分析的研究中，建立反映土体变形特性的本构关系是至 关重要的。因此，正确的选择本构模型并合理的确定参数是数值计算成功的前 提。关于土的本构模型的理论，人们提出了数以百计的反映土的本构关系的数 学模型，引进了各种理论，可以说，几乎力学中的一切手段和理论的新发展都 先后被用于土的本构关系的研究中，人们用各种手段来验证这些数学模型，与 数值计算方法相结合，力图用它们解决一些实际问题。但是，为工程界所接受 的数学模型还比较少。这是因为本构模型的多功能要求和简便性之间存在着不 可协调的矛盾。由于土的力学性质的复杂性，为了尽可能的反映土的性状，会 使模型复杂化，尽管如此，还是不能完全成功的反映土的所有性状。所以，近 贵州大学硕士学位论文 年来对土的本构关系的研究主要是趋向深入和实用。一方面，人们引用和创造 一些新理论与方法来解决以前无法解决的特殊土力学问题；另一方面，一些长 期从事本构关系模型研究的学者们在解决实际问题的过程中，努力综合、简化、 修正原有模型，以便使其更