（检测技术与自动化装置专业论文）劲性搅拌桩复合地基性状研究.pdf

裹章可囊大謦洲商人学硕i 擘位论丈 摘要 混凝土芯水泥土搅拌桩( 又称劲性搅拌桩) 在国内是一项刚刚开展研究的地基加固新技 术。劲性搅拌桩是在水泥土搅拌桩成桩之后，水泥土初凝之前，用压桩机械将预制混凝土芯 桩压入水泥士，体内，待水泥土凝固后，混凝土芯桩与水泥土搅拌桩共同工作，承受上部荷载 的一种新桩型。劲性搅拌桩有机的结合了混凝土预制桩与水泥土搅拌桩的优点，形成了一种 中间强度高、四周强度低的合理桩身结构，充分发挥了芯桩与水泥土桩体的性能。 本文以大型有限元分析软件a n s y s 为工具，建立三维有限元模型，针对劲性搅拌桩单桩复 合地基在竖向荷载作用下的工作性状进行了数值分析。利用有限元计算分析了不同芯桩长度、 不同截面含芯率、不同水泥土模量和土体模量，得到它们的荷载沉降曲线、桩顶沉降曲线、 桩身位移曲线、桩身应力曲线、桩顶荷载分担曲线、桩侧摩阻力分布曲线等，通过这些曲线 本文对它们的荷载传递规律以及变形特性进行了深入的分析，得到一些有益结论：劲性搅拌 桩单桩的极限承载力并非随着芯桩长度和截面含芯率的增大而提高，而是存在一个最佳内外 芯桩长度比和最优截面含芯率；同等条件下，劲性搅拌桩单桩的极限承载力高于混凝土桩； 劲性搅拌桩桩顶沉降随着芯桩长度、截面含芯率、水泥土弹性模量以及土体弹性模量的增大 而减小；但能对单桩沉降产生显著影响的只有土体弹性模量和混凝土芯桩的长度；劲性搅拌 桩桩身的位移主要来源于桩端的沉降，桩身的压缩量所占比例甚小；劲性桩的桩身刚度比水 泥土桩大得多，其性状十分接近混凝土桩；由于褥垫层的调整作用，劲性搅拌桩芯桩的轴向 应力最大值并不在桩顶，而且芯桩长度、截面含芯率、土体弹性模量等并不影响应力最值出 现的位置；桩身应力在不同工况下沿深度分布的曲线变化趋势基本一致：在最值位置下方随 着深度的增大而迅速减小。水泥土外芯桩的轴向应力最大值均出现在桩顶；劲性搅拌桩内外 芯界面和桩土界面上的侧摩阻沿深度的分布是相似的。 并采用a n s y s 程序，以集中质量模拟上部结构的反馈作用，对不同地震作用下劲性搅拌 桩的桩一土一上部结构之间的相互作用进行了时程分析，并与桩基础的地震响应进行了对比 分析，对影响劲性搅拌桩复合地基抗震性能的因素进行了研究。研究表明：在同种地震作用 卜，劲性搅拌桩单桩的最大弯矩和最大剪力均小于桩基础；单桩的最大弯矩出现在距桩顶 ( 0 2 o 4 ) l 处，芯桩越长、截面含芯率越大，最大弯矩越大；截面含芯率对劲性搅拌桩 弯矩和剪力的影响程度较芯桩长度大，水泥土模量对之的影响甚微。 本文还简要介绍了群桩在竖向静力荷载和横向动力荷载作用下的工作性状及群桩设计计 算的几种方法。 关键词：勘性搅拌桩，有限元法，a n s y s ，竖向荷载，地震，横向荷载 黪坷扎k 謦龇搅拌桩复合地煳撇研究 a b s t r a c t t h ec o n e r e t ec o r em i x i n gp i l e isan e ws o l li m p r o v e m e n tm e t h o d i tm e a n st h a t ， ac o n c r e t ec o r eisp l u g g e di n t oc e m e n t s o i lm i x i n gp i l e c o n c r e t ec o r ep i l ea n d t h e c e m e n t s o l lm i x i n gp i l eu n d e r t a k et o g e t h e rv e r t i c a ll o a d i ta p p r o p r i a t e l yc o m b i n e s t h ea d v a n t a g e so ft h ep r e c a s tc o n c r e t ep i l ew i t ht h e c e m e n t s o i lm i x i n gp i l e t h e c e m e n t s o l lm i x i n gp i l ew i t hc o n c r e t ec o r ef o r m san e wr e a s o n a b l es t r u c t u r eo fp i j e ： i tm e a n st h a t ，t h es t r e n g t ho fc m r ep i l ei ss t r o n g e rt h a nt h es t r e n g t ho fr o u n dp i l e ： t h e r e f o r e t h ec e m e n t s o l im i x i n gp i l ew i t hc o n c r e t ec o r et a k e sa d v a n t a g eo fp r o p e r t y o fc o n c r e t ec o r ep i l ea n dc e m e n t s o l lm i x i n gp i l e t h is p a p e rm a k e sat h o r o u g h l ys t u d yo nt h eb e h a v i o ro f t h ec o n c r e t ec o r em i x i n g d i l ei nv e r t i e a l1 0 a d i n gw i t h3 - df i n i t ee l e m e n tm e t h o db y a n s y ss o f t w a r e t h e d i f f e r e n tc o r ep il e1 e n g t h ，t h ed i f f e r e n ta r e ar e p l a c i n gr a t i o ，t h ed i f f e r e n te l a s t i c m o d u l eo fc e m e n t s o l ia n dt h ed i f f e r e n te l a s t i cm o d u l eo fs o i li sd e e p l ya n a l y z e d b yf i n i t ee l e m e n tp r o g r a m w eg e tt h eq sc u r v e ，t h ep i l et o ps e t t l e m e n tc u r v e ，t h e d i s p l a c e m e n to fp i l eb o d yc u r v e ，t h es t r e s so fp i l ec u r v e t h ep i l et o ps h a r i n gl o a d r a t i oo ft h ep i l ec u r v ea n dt h es i d ef r i c t i o nf o r c eo ft h ep i l ec u r v eb yf i n i t ee l e m e n t p r o g r a m t h r o u g hw h i c h ，t h ef e a t u r e so fl o a dt r a n s f e r r i n ga n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m a r ed e e p l ya n a l y z e d ，i ti s e x p r e s s e dt h a tt h ec o r ep i l es h a f tf r i c t i o nu n d e r t a k e s t h em a s so fv e r t i c a ll o a do ft h ep i l ea n da1 i t t l eo fi tc a nt r a n s m i tt op i i et o p i tisa l s of o u n d e dt h a ta no p t i m a mc o r ep i i el e n g t ha n da na r e ar e p l a c i n gr a t i oo f t h er e i n f o r c e dm i x i n gp i l eh a db e e ne x i t e d c o m p a r i n gt h er e i n f o r c e dm i x i n gp i l ew i t h t h ec o n c r e t ep i l eu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ，i ti sf o u n d e dt h a tt h ew o r k i n gb e h a v i o r o ft h er e i n f o r c e dm i x i n gs i n g l ep i l ei ss i m i l a tt ot h a to ft h ec o n c r e t es i n g l ep i l e ， a n d ，t h ec o n c r e t ep i l ec a nb et a k e nt h ep l a c eb yt h er e i n f o r c e dm i x i n gp i l eu n d e r at e r r a i nc o n d i t i o n a n di nt h i sp a p e r ，t h ed i f f e r e n ts e i s m i o r e s p o n s ea n a l y s i si nt i m ed o m a i ni s p e r f o r m e dw i t h3df i n i t ee l e m e n tm e t h o db ya n s y ss o f t w a r e ，t a k i n gi n t oa c c o u n to f t h ei n t e r a c t i o na m o n gp i1 e - s o i l 一s u p e r s t r u c t u r e t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n c o m p o u n d f o u n d a t i o no ft h ec o n c r e t ec o r em i x i n gp i l ea n dp i l ef o u n d a t i o ni ns e i s m i cr e s p o n s e a r ea n a l y z e d s o m ep a r a m e t e r s i n f l u e n c i n gt h ea n t i s e t s m i cb e h a v i o ro fc o m p o u n d f o u n d a t i o no fc o n c r e t ec o r em i x i n gp i l ea r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a t t h e m a x i m a mm o m e n ta n ds h e a ro fc o n c r e t ec o r e m i x i n gp i l ea r eg r e a t e rt h a np i l e f o u n d a t i o n su n d e rt h es a m es e is m i cr e s p o n s e ：t h em a x i m u mm o m e n to fc o n c r e t ec o r e m i x i n gp i l el i e si nt h e ( 0 z o4 ) l ，t h eg r e a t e rt h ec o n c r e t ec o r ep i l ea n dt h e g r e a t e r t h ea r e ar e p l a c i n gr a t i o ，t h eb i g g e rt h el a r g e s tm o m e n t ：t h ee f f e c td e g r e eo fa r e a r e p l a c i n gr a t l oo nm o m e n ta n ds h e a ri sg r e a t e rt h a nc o n c r e t ec o r ep 订e s t h ee l a s t i c m o d u l eo fc e m e n t s o l l si s s l i g h t t h e n ，i ta l s oi n t r o d u c e sp r e c i s e l y w o r k i n gb e h a v i o r so ft h ec o n c r e t ec o r em i x i n e p i l eg r o u p su n d e rv e r t i c a ls t a t i cl o a d i n ga n ds e i s m i cl e v e l l o a d i n g ：s o m em e t h o d s o fp i l eg r o u p sd e s i g na r ea 1 s o i n t r o d u c e d k e y w o r d s ：c o n c r e t ec o r e m i x i n gp i l e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n s y s ，v e r t i c a l l o a d i n g ，s e i s m i c ，1 e v e ll o a d i n g 2 黔弗大謦? l j j 南人学碗1 1 学位论殳 第一章绪论 1 1 劲性搅拌桩出现的背景1 1 2 i 随着城市建设的蓬勃发展，许多建筑物有时不得不在地质较差的场地上修建，采用天然 地基通常难以满足承载力与变形的要求，为此在工程建设中往往需对软弱地基进行处理。常 用的地基处理方法采用桩土复合地基或桩基础。 根据近几年的统计”，天津市在多层住宅建设中，水泥土搅拌桩复合地基占地基处理总 面积的5 0 以上，取得了比较满意的效果，但是由于水泥土搅拌桩桩身强度较低，受有效桩 长的限制，对地基承载力提高有限( 一般为1 , 5 20 倍) ，通常难以满足高层建筑对承载力与 变形的要求，而且受土层情况、施工设备和施工队伍素质的影响，易造成水泥土搅拌不均、 桩身不连续等质量隐患。例如，对地基承载力高的土层采用水泥土搅拌桩法进行加固，一 旦施工质量达不到要求，由于搅拌桩机械对土的扰动，破坏了原土体结构，其效果反而比天 然地基还差；另一方面，被加固土土质松软也易造成桩身强度不连续。使荷载不能有效传递， 影响加固效果。段继伟与龚晓南在水泥土搅拌桩的荷载传递规律的研究中得出，水泥土搅 拌桩由于桩身强度低使荷载不能有效传递到桩身下部，当荷载加至破坏荷载时，桩顶3 d 4 d 处水泥土被压碎，桩全长范围的桩侧摩阻力远远没有发挥出来，实测表明水泥土桩的低模量 使桩存在着所谓临界桩长，当施加在桩顶的荷载增加时并不能使桩的轴力和变形向更深的深 度传递，而是使临界桩长”“”范围内的桩身变形增大以抵抗外荷载的增加，侧摩阻力的发挥 也仅局限于有效桩长范围内。 混凝土灌注桩具有较高的桩身强度，但是在以利用侧摩阻力为主的软土地区，如果桩长 不太长，桩身强度不能充分发挥，造成材料强度浪费，使工程造价提高。资料显示，混凝土 灌注桩桩长小于2 0 米时，桩的承载能力只有桩身混凝土材料本身能提供承载力的5 0 甚至更 低。 在处理软土地基时，水泥土搅拌桩和混凝土灌注桩表现出两种不同的破坏模式；桩身强 度破坏和桩周土破坏。水泥土搅拌桩由于桩身强度低使荷载不能有效传递到桩身下部，当桩 顶水泥土被压坏时，桩全长范围的桩侧摩阻力远远没有发挥出来，而混凝土灌注桩具有较高 的材料强度，但其极限摩阻力小于水泥土极限摩阻力，在工程中通常发生混凝土灌注桩刺入 破坏，即混凝土灌注桩与桩周土发生滑移，而桩体材料强度还远远没有发挥出来。通过以上 材料我们得知，这两种桩都是由于桩身强度和桩侧摩阻力不匹配，造成承载力低或桩身强度 浪费。所以，我们希望找到一种更好的桩型，能综合水泥土搅拌桩和混凝土灌注桩的优点， 克服其缺点，实现桩身强度和桩周土承载力的良好匹配，使荷载能有效传递，并且有较高承 载力和较低的造价。 1 2 发展简史 劲性搅拌桩是基于深层搅拌桩施工方法发展起来的。二次世界大战后，美国首先研制出 水泥土的搅拌桩施工方法，即m i p ( m i x i n g p l a c e p i l e ) i 法。1 9 5 3 年引入日本。1 9 5 5 年在大阪 市安治川河畔进行m i p 工法试验性施工，试验中发现水泥土搅拌桩成桩速度很快，且噪音小，于 是尝试依次连续施工做成一道柱列式地下连续墙，这就是sm w z 法的雏形。在1 9 6 4 年东京举 办奥运会，以m i p 工法施工形成的水泥土柱列式挡土墙以其施工噪音小、无振动、施工速度快 墼望查竺丝! ! 塑登塑塑型：些塑窒 等优势而受到青睐。挡土墙1 程中采用该施工方法的实例越来越多。由于m i p 工法是单轴搅 拌施t ，施丁时相邻桩之间往往搭接不完全，在这些不完全搭接的地方发生漏水现象，土砂流失 严重，从而导致邻近建筑物发生不同程度的沉降。1 9 6 8 年根据搅拌钻机原理开发出一种双轴搅 拌钻机，同原型相比，水泥土成桩质量有所提高，但仍存在着以f 缺点： ( 1 ) 水泥土桩成桩的垂直精度较难保证； ( 2 ) 施工中很难保持相邻桩之间的完全搭接： ( 3 悄0 孔过程中一旦遇到障碍物则削孔轴容易发生弯曲； ( 4 ) 在硬质粉十或活性指数较高粘土中搅拌较困难，水泥土搅拌质量较差，挡土墙墙体可靠 性差。 1 9 7 1 年日本成幸工业公司经过改进开发出多轴搅拌钻机，有效地解决了以前钻机的缺陷， 使相邻桩之间完全搭接，克服了挡墙渗漏、流砂等问题，同时，搅拌钻机的刚度也得到很大的提高 增强了搅拌轴的稳定性，保证成桩的垂直精度。由此，sm w 工法日趋成熟，其施工业绩备受注 目。sm w 工法经过多年的不断完善和发展，形成了一套在水泥土中插入加强芯材的结构体 系和技术，即加劲水泥土搅拌桩，又称s m w 工法地下连续墙。与1 9 7 6 年研究开发成功。所 谓s m w ，是英文s o i l m i x i n g w a t t 的缩写，意即“与土搅拌而成的墙体”。据报道，日本在各 类建( 构) 筑物深基坑工程及土体加固和防渗止水等工程中应用s m w 工法地下连续墙，至 1 9 9 3 年7 月已达1 2 1 6 万m 2 ，约合8 0 0 万m 3 ，约占全日本用各种工法施工地下连续墙实绩豹 5 0 左右；其施工最大深度已达6 5 m 。2 0 余年来，除日本外，该法已在英、美、法、新加坡、 泰国等国家，以及我国香港、台湾地区广泛应用。 我国对sm w 工法的研究和应用始于2 0 世纪8 0 年代后期。1 9 8 8 年冶金建筑研究总院立 题研究，并于1 9 9 4 年通过建设部技术鉴定。1 9 9 9 年建设部将劲性搅拌桩技术列为重点推广项 目。其所用加劲材料( 或称芯材) ，酴国外常用的h 型钢外，还根据国情研制了钢筋笼、轻型角钢 组合骨架和混凝土预制桩等，适用于开挖深度为6 1 0 m 的基坑。 与此同时，同济大学同建设设计所等亦开始研究sm w 工法，并于1 9 9 3 年应用于上海环球 世界大厦开挖深度为8 6 5 1 1 2 的基坑工程，这是我国采用sm w 工法的第一项工程。 上海隧道 ：程公司自1 9 9 4 年起对h 型钢水泥土复合结构进行了较系统豹试验研究，并丁 1 9 9 7 年初将其研究成果首次应用于上海申海大厦，该课题于1 9 9 7 年通过上海市科委技术鉴定。 同济大学博士生王健参与了试验研究，并于1 9 9 8 年完成了我国第一篇以sm w ，丁法及其设计 理论与计算方法为内容的博士学位论文p j 。 上海隧道工程公司和同济大学及江阴建筑总公司机械施工公司等单位合作，在上述课题中 着重对h 型钢的回收起拔技术( 包括其减摩隔离材料及起拔机械) 作了重点攻关，获得成功，从而 为降低sm w t 法地下墙的造价开辟了途径。另一方面，为适应工程需要，1 9 9 6 1 9 9 7 年，武汉、 上海两地先后引进了日本的三轴专用搅拌机数台。1 9 9 8 年，上海隧道工程公司等单位合作研制 sjb 4 2 3 0 4 型四轴搅拌机，获得成功。 我国冶金建筑研究总院在1 9 9 4 年进行了加筋水泥土复合桩的研究，通过室内加筋水泥土 和无筋水泥土对比试验以及现场工程试验对加筋水泥土抗弯、抗拉强度、加筋水泥土工作特 性、计算方法等作了分析，并对施工机械和施工工艺进行了研制开发。1 9 9 8 年上海市建委建设 技术发展基金会叉正式立项委托华东建筑设计研究院等单位开展“混凝土加芯水泥土复合桩” 的研究课题，在1 9 9 8 年8 月提出中期研究报告，这种复合桩已在上海地区的多层和小高层房屋 地基中应用、取得了明显的经济效益。 4 譬哆由大謦 7 ，u 南大学琐j 学位论殳 1 3 劲性搅拌桩的构造 劲性搅拌桩是以预制钢筋混凝土小桩插入水泥土搅拌桩中形成的复合材料桩。这种复合 村料桩是在外部的水泥土搅拌桩施工完毕后一至两个小时内，在水泥十搅拌桩中心插入一根 小直径的钢筋混凝土预制桩。即劲性搅拌桩由水泥土搅拌桩外芯和小直径钢筋棍泥土预制桩 内芯两部分组成，结构如图1 1 所示。 水泥 图1 1 劲性搅拌桩结构示意图 ( 1 ) 混凝土预制桩内芯 混凝士预制桩标号一般为c 3 0 ，为变截面方型桩，在工厂集中制成。采用混凝土预制桩作 为桩芯，是利用其高强度、低压缩量的特性，与钢管或钢棒作为内芯相比，混凝土预制桩要 便宜的多，设计中考虑预制桩内芯一般比外芯水泥土搅拌桩短1 2 m 。 ( 2 ) 水泥土搅拌桩外芯 水泥土搅拌桩外芯的强度不仅影响荷载在内芯桩与外芯桩间的分配，而且也决定了预制 桩内芯和水泥土搅拌桩外芯、水泥土搅拌桩外芯与土体之间的摩擦力，因此，对水泥土搅拌 桩的水泥参入量和水灰比都有一定的要求，典型的水泥参入量为1 5 2 0 ，水灰比为0 8 1 2 ，桩径一般为5 0 0 8 0 0 m m 。 1 4 劲性搅拌桩的施工工艺 劲性搅拌桩的施工，采用的机械为单轴搅拌机钻，次钻进一孔，注入水泥浆固化物和 土体充分搅拌，再插进桩芯，就成为水泥土、混凝土预制桩芯共同作用的劲性搅拌桩。 l 操作步骤 ( 1 ) 平整场地并清除地上和地下障碍物。 ( 2 ) 准备施工机械的作业面并检查作业面的承载能力。当表层土过于松软时应碾压夯实。 场地整平后，应测量场地整平标高，桩顶设计标高咀上宜预留o 5 m 以a 2 土层。 ( 3 ) 根据桩位设计图在施_ ：现场布置桩位，桩位布置与设计图误差不得h 于5 0 m m ，并经 塑坚童查!型型堂墨挫幽丛竺塑 监理复验后方可开j 二，在施工过程中尚应随时进行检查校验。 ( 4 ) 钻机定位，调平，调挺垂直度，钻杆对准中轴线，确定钻孔深度。 ( 5 ) 制备水泥浆液。 ( 6 ) 钻进喷浆搅拌，搅拌叶片下沉到设计深度后，提升2 0 e r a ，开启灰浆泵将水泥浆压入 土中，边喷浆边旋转。 ( 7 ) 重复上下搅拌。 ( 8 ) 压入桩芯，用吊车将桩芯垂直压入己形成的水泥_ 七桩中，压入到设计位置。 ( 9 ) 施工完毕清洗搅拌机。 ( 1 0 ) 清除泥浆及渣土。 2 施工程序 施工程序见l 2 图所示： 图1 2 施工工序流程图 1 5 劲性搅拌桩研究现状及研究的目的意义 劲性搅拌桩在我国出现较晚，而在日本、东南亚各国、早已出现并广泛应用，只是所采 用加强体( 芯桩) 形式和名称不同。就本文作者目前掌握的资料，我国近几年的主要科研成 鲎壁竺型! 绁业兰堂些 果如 ： 史佩栋、张美珍( 2 0 0 0 ) 综述了加劲水泥七搅拌桩在国内外的技术发展现状，着重阐述 ，近年在我国的各种应用。 刘澄华、刘晓平、嗣林生( 2 0 0 i ) 通过江阴东方明珠小区采用劲性搅拌桩进行地基处理 的一个丁程实际得出结论：劲性搅拌桩承载力高，造价低，环境影响小，应用效果好有 一定的推广价值。 凌光容、安海玉、谢岱宗、王恩远( 2 0 0 1 ) 通过第一批2 4 根原型桩系列对比试验，证实 芯长和古芯率适当的劲陛搅拌桩平均具有高于混凝土桩3 0 以上的承载力，并初步掌握了劲 性搅拌桩的荷载特性、工作机理和成桩工艺。 董平、陈征宙、秦然( 2 0 0 2 ) 介绍了劲性搅拌桩的设计和施工工艺，并在上海、江阴两 地试桩和实际工程应用的基础上，分析了该桩竖向承载力的发挥机理、破坏模式和极限承载 力。研究表明：劲性搅拌桩施工方便、单桩承载力高、沉降量小、造价低廉，且施r 对周围 环境影响小，在软土地基工程中具有广泛的应用价值。 徐向辉( 2 0 0 2 ) 通过对上海市轨道交通明珠线二期工程溧阳路站围护结构设计介绍，详 细阐述了劲性搅拌桩围护结构设计方法及计算过程，并提出该围护结构设计与施j 二中存在的 一些主要问题。 成立芹( 2 0 0 3 ) 测试了相同规格珂0 芯水泥土搅拌桩和混凝土钻孔灌注桩豹承载力，并研 究了芯桩长度对刚芯水泥土搅拌桩承载力的影响。 董平、秦然、陈征宙( 2 0 0 4 ) 在静载试验的基础上，采用弹塑性有限元方法研究了该桩 在竖向荷载下的力学性状，包括桩土和桩内外芯应力比，荷载的传递，桩侧塑性区分布以及 沉降特性等。 劲性搅拌桩适用于淤泥、淤泥质土、粘性士、粉土、素填土、饱和黄土等地基。根据己 进行的部分试桩的垂直静载试验结果，表明劲性搅拌桩对于提高地基承载力、改善地基变形 特性有显著作用。试桩结果表明，劲性搅拌桩的单桩承载力是同样规格的水泥土搅拌桩的3 倍左右，而成本只有后者的1 5 倍：与预制桩和灌注桩等桩基技术相比，承载力接近而成本降 低。与这些桩型相比，劲性搅拌桩具有自身的优势，即承载力高、造价低：施工工艺简单、 质量易于控制：施工噪音低、振动小、无土方和泥浆排出、无须泥浆护壁、无沉渣隐患等。 载环境保护意识日益增强的今天，这些优势预示着劲性搅拌桩厂阔的发展前景。 劲性搅拌桩综合了水泥土搅拌桩和混凝土预制桩的优点，使钢筋混凝土预制桩芯承受全 部竖向荷载，然后把上部荷载传递给水泥土，再由水泥土利用较大摩阻面传递给桩周软土， 从而达到提高单桩承载力的目的。从结构形式上看，劲性搅拌桩在国内属于新技术。而在国 外，特别使在日本、东南亚等地，与劲性搅拌桩构造类似的钻孔植入式预应力钢筋混凝土波 纹管桩和植入式肋形钢管桩已经大量使用，使用效果良好，以这两种桩为基础的新技术的开 发工作也在不断进行。同时作为深基坑支护的种方法，由于混凝土桩芯可以重新回收利用， 可以大大降低支护成本。可以预见，这种植入桩有望成为末来地基处理和深基坑支护的一个 方向。 1 6 本文主要研究内容 根据工程实践的需要和e l 前对劲性搅拌桩复合地基的研究现状，本文作了以i l 个方面 的工作： 7 ；哆囊大謦 觥搅拌枉 复台雌的性j 煳究 ( 1 ) 采用有限元软件( a n s y s 程序) 分析了劲性搅拌桩单桩基础在竖向荷载作用f 的i ： 作性状，并对影响桩工作性能的几个主要冈素条件下的桩的承载力、桩顶沉降、桩身轴向应 力、桩内外芯及桩土荷载分担比以及桩侧摩阻力等进行了对比分析；分析了单桩竖向承载力 发挥机理，荷载传递机理以及承载力提高的主要原因，为设计和进一步研究提供j ，借鉴和参 考。 ( 2 ) 仍以人型三维有限元程序分析软件a n s y s 为工具，以集中质量模拟上部结构的反馈 作用，对劲性搅拌桩单桩复合地基在不同地震动作用下的响应进行了时程分析，还针对桩基 础与劲性桩复合地基地震响应的差异，进行了对比计算及分析。分析劲性搅拌桩受水平地震 荷载作用f ，桩身弯矩、桩身剪力包络图、上部结构顶层水平位移时程位移、层问相对水平 位移；并对不同波型、不同芯桩长度、不同含芯率以及不同水泥士模量下的桩身弯矩、剪力 包络图进行了对比分析，为劲性搅拌桩的抗震设计研究提供一定的借鉴和参考。 ( 3 ) 研究了劲性搅拌桩单桩复台地基在水平荷载静力作用下的弯矩和剪力沿深度的分布 规律，并与水平地震荷载作用下的弯矩和剪力的分布规律进行了对比分析。 ( 4 ) 对群桩在竖向荷载和横向动力荷载作用下的工作性状在理论上进行了简要介绍分析。 鲫尊大謦 第二章有限单元法及静力模型体系分析方法 2 1 有限单元法 2 1 1 有限单元法的发展 在工程技术领域内，对于许多力学问题和场问题，人们可以得到它们应遵循的基本方程 ( 常微分方程或偏微分方程) 和相应的定解条件，但能用解析方法求出精确解的只有少数方 程性质比较简单，且几何性状相当规则的问题，面对于方程的某些性质为非线性或求解区域 的几何性状比较复杂的，往往只能通过数值法求解。 近三十多年来，随着电子计算机的飞速发展和广泛应用，数值分析方法已经成为求解t 程问题的主要工具。数值解法中最初用的是有限插分法，其特点是直接求解基本方程和相应 定解条件，步骤为：首先将求解域划分为网格，然后在网格的节点上用插分方程近似微分方 程。当采用较多的节点时，近似解的精度可以得到改进，但当遇到几何形状比较复杂的问题 时，精度将会降低，甚至发生困难。 有限单元法是随着电子计算机的发展而发展起来的一种很为有效的数值方法。它的创立 和应用在工程分析中具有重要的意义。在国外，有限单元法5 0 年代中起源于航空工程飞机结 构的矩阵分析，6 0 年代初，许多数学和力学工作者参加了有限单元法的研究，搞清了它的理 论基础，使有限单元法得到了很大程度的发展，被推广用来求解弹性力学的平面应力问题。 在我国，6 0 年代初，著名数学家冯康教授和他的研究组提出了一种以变分原理为基础的三角 形剖分的近似法，为偏微分方程求得了近似解，并在严密的数学基础上证明了它的收敛性、 稳定性和误差估计。当时还编制了程序，并成功的解决了刘家坝的应力分析和其他一些课题。 这个方法就是人们现在所熟知的有限单元法。 有限单元法的出现，是数值分析方法研究领域内重大突破性的进展。有限单元法发展十 分迅速，从结构分析发展到非结构分析，从静力计算到动力计算，从弹性问题到弹塑性力学 问题，几乎在所有的连续介质和场问题中得到了应用。它的应用涉及到一切工程行业和科技 领域，如士建、水工、桥梁、飞机、造船、航空、气象、导弹、污染、高能加速器、核反应 堆等等，成了一个超行业、跨学科的新的学科分支。 有限单元法的主要优点是它有很强的适应性，应用范围相当广泛。它有几个突出的优点： ( 1 ) 可以用于求解非线性问题；( 2 ) 可以分析非均质材料、各向异性材料；( 3 ) 也可以处理 复杂边界条件等难题。此外，有限单元法概念易瞳，容易掌握，它可以在不同水平上去理解， 既可以用直观的物理途径来掌握这一方法，也可以建立严格的数学解释。不少工程问题要找 到弹性力学基本解非常困难，但可以利用有限单元法求解各种具有复杂地质条件、应力历史、 边界条件的问题。1 9 6 6 年，c l o u g h 和w o o d w a r d 首先将有限元引入力学，6 0 年代后期，开始 将有限元应用于桩体分析，可用它来揭示桩的受力特性，并与试验结果相验证，以指导桩的 设计和旖工。 2 1 2 有限元分析对网格剖分的要求 有限元网格生成就是将工作环境下的物体离散成简单单元的过程，常用的简单单元包括： 一维杆元及集中质量元、二维三角形、四边形元和三维四面体元、五面体元和六亟体元。它 们的边界形状主要有直线型、曲线型和曲面型。对于边界为曲线( 面) 型的单元，有限元分 9 墅! 查查!塑鲨坚型型塑塞 析要求各边或面上有若干点，这样，既可保证单元的形状，同时，又可提高求解精度、准确 性及加快收敛速度。不同维数的同一物体可以剖分为由多种单元混合而成的网格。刚格剖分 应满足以下要求： 合法性。一个单元的节点不能落入其它单元内部，在单元边界上的节点均应作为单元的 节点，不可丢弃。 相容性。单元必须落在待分区域内部，不能落入外部，且单元并集筲于待分区域。 逼近精确性。待分区域的顶点( 包括特殊点) 必须是单元的节点，待分区域的边界( 包 括特殊边及面) 被单元边界所逼近。 良好的单元形状。单元最佳形状是正多边形或正多面体。 良好的剖分过渡性。单元之间过渡应相对平衡，否则，将影响计算结果的准确性甚至使 有限元计算无法计算下去。 网格剖分的自适应性。在几何尖角处、应力温度等变化大处网格应密，其它部位应较稀 疏，这样可保证计算解精确可靠。 2 2 静力模型体系分析方法 2 2 1 计算模型体系 本文所采用的竖向荷载作用下的静力模型体系如下： ( 1 ) 计算模型由对称式实体单元所组成，土体被简化为理想匀质、各向同性体。 ( 2 ) 桩垂直设置于士体之中，士体边界选用三维方向全部固定。 ( 3 ) 桩体和土体均采用a n s y s 有限元模拟分析程序中的s o l i d 4 5 单元。在桩与桩周土体 间殴置接触单元( 摩擦元) ，接触单元采用a n s y s 有限元程序中的t a r g e t l 7 0 、c o n t a c t l 7 4 单 元组成的接触对来模拟桩土之间的接触面。 ( 4 ) 材料的力学性质：桩体和垫层简化为线弹性体，土体简化为非线性弹塑性体，采用 a n s y s 有限元程序中d r u c k e r p r a g e r 模型来模拟土体的非线性性能。 ( 5 ) 荷载采用分级施加的方式，阻模拟实际加载方式。 2 2 2 计算模型的单元划分 2 221s o l i d 4 5 单元 在模拟分析中，桩体和土体均采用a n s y s 有限元程序当中s o l l d 4 5 单元。由于模型为 三维实体建模，桩体和土体均采用实际尺寸，因此要求单元能够反映荷载作用下的三维受力 性状，s o l i d 4 5 单元能够很好的实现这一目的。 s o l l d 4 5 单元中的八节点六面体单元有八个节点，如图2 1 所示。s o l i d 4 5 单元有能够 反应材料的塑性、屈曲、膨胀、应力硬化、大变形、大应变的能力，并可提供一个能反应时 间变化的简化的综合操作。对于八节点六面体单元来说单元每个节点有三个自由度，即水平 方向位移u 、v 及竖向位移w 。著假设单元位移函数是 “= a i + a 2 s + 口3 t + a 4 s t v = 盯5 + a 6 s + d 7 f + 0 8 s t( 2 1 ) w 2 a 9 + 口i o , y + a j l f + d t 2 s t 那么，单元内任意一点的场变量u 、v 、w 与结点变量之间用位移形函数n 来表示。则可以得 l o 黪哆由大謦 到 w j 打人学碗j j 学位论史 图2 ls o l i d 4 5 单元八节点单元示意图 u = 【，n ：n ，n 。n ，n 。n ，n s u ) 矿= 。2 3n 。n ，n 。n ，8 】( v ( 2 2 ) = 【1 ：，n 。n ，n 。n ，n 。】如) 函 = 函。 ( v ) = v 1 w ) = w 1 = f x l 一 。= ；( 1 + s x l 一r x l + r ) “2“3”4甜5甜6材7 v 2v 3v 4 v 5v 6v 7 w 2w 3w 4 w 5w 6 v 8 r w 7w 8 ) ( 2 3 ) 0 一 砸 j 0 l 一8 0 一 一 砸 r f 一 + 碘娟 + 十 o o ，一8，一8 = | | m m 以以 一 十 m f r 十 一 j f 一 十 o 0 1 8 1 8 = = 帆 m 、j、j r r + 砸 f r + + 娟哟 + 一 o 0 1 8 l 一8 = | | 屿 m 婶囊大謦 动怕搅拌种复合地堰的性状研究 2 2 2 2 模型的单元划分 在单桩与土体相互作 j 模拟分析中的单元划分，桩体和十体都是通过s o l i d 4 5 单元中的 八节点六面休单元来划分的。单元之间由节点相互连接，单元变形满足几何连续性，在应力 相对集中的地方网格的密度相对划分得较细，在靠近边界的地方网格划分的相对较粗，形成 单元划分由细到粗过渡的网格形状。 2 2 2 3 单元划分依据 为了减少单元数目，三维有限元分析的区域大小及网格的划分是在试算的基础上进行的， 其确定原则是：复合地基的应力与位移分布不随边界尺寸的增减而有明显变化，在高应力梯 度区，单元应尽可能小：在边界附近，单元可以适当划大些。试算表明，分析区域按下列原 则取值可以满足精度要求；底部刚性边界设在离地表3 倍桩长处，即考虑桩端下地基压缩厚 度为2 h ( h 为桩长) ；侧向计算边界取在离承台边缘1 0 b 处( b 为承台边长) ，侧向边界取二 位约束全固定；上边界为自由边界。利用对称性对其进行1 4 分析。以上确定计算范围和网格 划分过程中，分别对扩大计算范围和加密划分网格进行了试算，计算范围加大一倍或网格加 密一倍，位移和应力变化均小于5 ，此时计算结果影响视为可接受范围，以尽可能消除网格 划分带来的误莘。 2 2 3 材料非线性的模拟 本课题主要研究的是桩一土相互作用时体系的工作性状，而土的非线性力学性能是模拟 是否符合实际的关键，因此如何模拟土的非线性是重中之重。a n s y s 有限元程序中提供的 d r u c k e r - p r a g e r ( 简称d p 模型) 是比较经典的非线性模型。 d r u c k e r p r a g e r 模型使用d p 屈服准则，此屈服准则是对m o l a r - c o u l o m b 准则给予的近似， 以此来修正v o n m i s e s 屈服准则，即在v o n m i s e s 表达式中包含一个附加项，考虑了静水压力 的影响。其流动性准则可以使用不相关流动准则，其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变， 因此没有强化准则，然而其屈服强度随着侧限压力( 静水压力) 的增加而相应增加，其塑性 行为被假定为理想弹塑性，模型如图2 - - 2 所示，另外，这种材料考虑了由于屈服而引起的体 积膨胀，但不考虑温度变化的影响。此模型适用于混凝土、土和岩石等颗粒状材料。 图2 2d p 材料的屈服面 2 一d 对d p 利料，其受压时的屈服强度大于受拉时的屈服强度。如果有单轴受拉屈服应力和单 轴受压屈服应力，可以通过下式将此二值换成程序所需的输入值： 1 2 l 鬓鎏! r 由大謦河南人学碗i 学位论丈 蛐。朦 c ：生堡垒二型1 6 c o s 妒 上式，和盯。由受压屈服应力和受拉屈服应力计算得来a d p 模型的屈服准则是 2 赤南 ：二生! ! 3 b 。+ 盯，) f = a t ，l + ，2 一k = 0 式中，t 一应力张量的第一不变量，l = q + 吒+ o - ， j 2 - 偏应力张量的第二不变量，：= 吉峙c r 2 ) 2 + 0 - - - 0 - 3 ) 2 + h 材料常数a i 和后与材料的摩擦角妒和凝聚力c 有关 2 s i n 4 q 2 西商 2 面6 闽c c o s q ) 2 f ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 对d p 材料，当材料参数 和口，给定后，其屈服面在主应力空间为一圆锥面，在巧平面 上投影为一圆。 在a n s y s 程序中，d p 模型材料的特性值主要有三个参数；粘浆力c ，内摩擦角西，膨 胀角m ，。膨胀角被用来控制体积膨胀的大小，对压实的颗粒状材料，当材料受剪时，颗粒将 会膨胀，如果膨胀角为0 ，则不会发生体积膨胀，如果o ，= ，在材料中将会发生严重的体 积膨胀。 1 ) p 模型的优点是采用简单的方法考虑了静水压力对屈服和强度的影响，参数少，计算简 1 3 塑! 塑查!塑堂坚型型型业! 单，同时也考虑了岩土材料的剪胀性。 2 2 ，4 接触单元 如何台理地模拟土体与桩之间的相互作用是模拟分析中另一个非常重要的问题。桩一土 结构相互作用是通过接触应力传递的。满足平衡条件的接触应力可能有很多种分布形态，然 而，即满足平衡条件又满足接触面上结构物和土变形连续性条件和边界条件的接触应力分布 则是唯一的。由于混凝土与土的变形模量有很大的差异，需考虑土与桩的接触问题。 模拟中选a n s y s 有限元程序中提供的t a r g e t l 7 0 单元和c o n t a c t l 7 4 单元来生成接触对。 t a r g e t l 7 0 和c o n t a c t 7 4 单元如图2 3 所示。在研究两个物体之间的接触问题时，一个物体 的表面被看作接触面，与之相对应的另一个物体的表面被看作目标面。“接触和目标”的概念 已经广泛地被用于有限元模拟分析中。对刚一柔的接触问题，接触面与变形体相联系，目标 面必须是刚性面，接触面和目标面共同组成一个“接触对”。下面就对t a r g e t l 7 0 和c o n a c t 7 4 单元做一简单介绍。 图2 3 接触对示意图 接触面 单元的豪面 t a r g f t l 7 0 单元是为了和接触单元( c o n t a c t l 7 4 ) 相对应建立起来的，用来代表变化的三 维目标面。接触单元覆盖在变形体边界的实体单元的表面，这些接触面将于刚性目标面相接 触，这个刚性接触面被定义为t a r g e t l 7 0 单元。因此，一个目标面只是在空间内的一个集合 实体，它是当一个或几个接触面向目标面发生运动时产生反应的一种实体。目标面是通过一 系列的目标段形成的，典型的几种目标段组或了目标面，每个耳标段都是由个特殊的形状 或分段形式的一个简单单元。t a r g e t