第8章 地基承载力-2

1、铁路工程地基处理技术规程铁路工程地基处理技术规程西南交通大学道路与铁道工程系西南交通大学道路与铁道工程系蒋关鲁蒋关鲁 教授教授二二O O九年三月九年三月 桩体复合地基承载力计算模式桩体复合地基承载力计算模式调研调研-研究研究引引 言言 研究目的和意义研究目的和意义 浅基础的各种承载力公式可以说源于塑性力学普浅基础的各种承载力公式可以说源于塑性力学普朗特尔（朗特尔（Prandtl）解，而摩擦桩的承载力是由桩侧摩）解，而摩擦桩的承载力是由桩侧摩阻力和端承力两部分组成的。阻力和端承力两部分组成的。 浅基础浅基础和和桩基础桩基础的承载力计算已有较多的工程积的承载力计算已有较多的工程积累和理论研究成果，

2、虽然还有不少问题值得进一步研累和理论研究成果，虽然还有不少问题值得进一步研究，应该说还是较为成熟。究，应该说还是较为成熟。 现有现有桩体复合地基桩体复合地基承载力计算公式认为复合地基承载力计算公式认为复合地基承载力是由地基承载力和桩体的承载力两部分组成的。承载力是由地基承载力和桩体的承载力两部分组成的。如何合理估计如何合理估计两者对复合地基承载力的贡献是桩体复两者对复合地基承载力的贡献是桩体复合地基计算的关键。合地基计算的关键。 复合地基在荷载作用下破坏时，一般情况下桩体和复合地基在荷载作用下破坏时，一般情况下桩体和桩间土两者桩间土两者不可能同时到达极限状态不可能同时到达极限状态，或者说两者同

3、时，或者说两者同时达到极限状态概率很小。达到极限状态概率很小。 通常认为复合地基中桩体先发生破坏，但也有例外。通常认为复合地基中桩体先发生破坏，但也有例外。 若复合地基中桩体先产生破坏，则复合地基破坏时若复合地基中桩体先产生破坏，则复合地基破坏时桩间土承载力发挥度达到多少是需要估计的。若桩间土桩间土承载力发挥度达到多少是需要估计的。若桩间土产生破坏，复合地基破坏时桩体承载力发挥度达到多少产生破坏，复合地基破坏时桩体承载力发挥度达到多少也只能估计。也只能估计。 另外复合地基中的桩间土的极限荷载与天然地基是另外复合地基中的桩间土的极限荷载与天然地基是不同的。同样，复合地基中的桩体所能承担的极限荷载

4、不同的。同样，复合地基中的桩体所能承担的极限荷载与一般桩基也是不同的。因此桩体复合地基承载力计算与一般桩基也是不同的。因此桩体复合地基承载力计算比较复杂。比较复杂。研究目的和意义研究目的和意义 桩体复合地基中，散体材料桩、柔性桩和刚性桩桩体复合地基中，散体材料桩、柔性桩和刚性桩荷载传递机理是不同的。桩体复合地基上基础刚度荷载传递机理是不同的。桩体复合地基上基础刚度大小、是否铺设垫层、势层厚度等都对复合地基受大小、是否铺设垫层、势层厚度等都对复合地基受力性状有较大影响，在桩体复合地基承载力计算中力性状有较大影响，在桩体复合地基承载力计算中都要考虑这些因素的影响。都要考虑这些因素的影响。 复合地基

5、工程实践积累较少，而且复合地基技术复合地基工程实践积累较少，而且复合地基技术正在发展，不少新的复合地基形式得到应用，应该正在发展，不少新的复合地基形式得到应用，应该说复合地基承载力计算理论还很不成熟，需要加强说复合地基承载力计算理论还很不成熟，需要加强研究、发展、提高。研究、发展、提高。 研究目的和意义研究目的和意义调研调研-研究内容研究内容1 桩体复合地基承载力计算模式桩体复合地基承载力计算模式2 桩体极限承载力计算方法桩体极限承载力计算方法3 桩间土极限承载力计算方法桩间土极限承载力计算方法4 现有规范关于复合地基承载力的计算方法现有规范关于复合地基承载力的计算方法5 现有规范关于桩基的计

6、算方法现有规范关于桩基的计算方法6 按现有规范计算承载力算例按现有规范计算承载力算例7 路基稳定性计算算例路基稳定性计算算例8 基底应力数值计算算例基底应力数值计算算例1 桩体复合地基承载力计算模式桩体复合地基承载力计算模式 目前桩体复合地基承裁力的计算模式还不成熟，其计目前桩体复合地基承裁力的计算模式还不成熟，其计算思路常用的有二种。算思路常用的有二种。一是先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力，再根据一一是先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力，再根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力；定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力；二是采用稳定分析法计算，一般可采用圆弧分析法计

7、算，二是采用稳定分析法计算，一般可采用圆弧分析法计算，假设的圆弧滑动面往往经过加固区和末加固区，未加固区假设的圆弧滑动面往往经过加固区和末加固区，未加固区采用天然地基土体强度指标；加固区土体强度指标要采用采用天然地基土体强度指标；加固区土体强度指标要采用复合土体综合强度指标，也可分别采用桩体和桩间土的强复合土体综合强度指标，也可分别采用桩体和桩间土的强度指标计算。度指标计算。式中：ppf 单桩极限承载力，Kpa；psf天然地基极限承载力，Kpa；K1反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不同的修正系数，一般大于1.0；K2反映复合地基中桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力不同的修

8、正系数，其值视具体工程情况确定，可能大于1.0，也可能小于1.0；l1复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，可称为桩体极限强度发挥度，若桩体先达到极限强度，引起复合地基破坏，则 =1.0，若桩间土比桩体先达到极限强度，则 1.0；l2复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例，可称为桩间土极限强度发挥度，一般情况下，复合地基中往往桩体先达到极限强度， 通常在0.41.0之间；m复合地基置换率。 先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力，再根据先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力，再根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力的计算公式：的

9、计算公式：sfpfcfpmKmpKp)1 (2211ll 2 桩体极限承载力计算方法桩体极限承载力计算方法桩体极限承载力桩体极限承载力粘结材料桩粘结材料桩散体材料桩散体材料桩柔性桩柔性桩刚性桩刚性桩 粘结材料桩和散体材料桩的荷载传递机理是不一样的。粘结材粘结材料桩和散体材料桩的荷载传递机理是不一样的。粘结材料桩的承载力大小取决于桩侧摩阻力和桩底端承力，而散体材料桩料桩的承载力大小取决于桩侧摩阻力和桩底端承力，而散体材料桩的承载力大小主要取决于桩侧土所能提供的侧限力大小。的承载力大小主要取决于桩侧土所能提供的侧限力大小。粘结材料桩极限承载力计算粘结材料桩极限承载力计算 刚性桩极限承载力多为摩擦桩

10、，其极限承载力表达刚性桩极限承载力多为摩擦桩，其极限承载力表达式为：式为： 在计算桩周摩阻力时应特别注意是否出现负摩阻力现象在计算桩周摩阻力时应特别注意是否出现负摩阻力现象。另，另，若复若复合地基中刚性桩为端承桩，则复合地基上应铺设足够合地基中刚性桩为端承桩，则复合地基上应铺设足够厚厚的垫层的垫层；其其桩体的承载力由桩底端承力提供桩体的承载力由桩底端承力提供( (需需进行桩身强度验算进行桩身强度验算) )。柔性桩极限承载力：柔性桩极限承载力： (1)根据桩身材料强度计算承载力： (2)根据桩侧摩擦力和桩端端阻力计算承载力。 二者中取较小值为单桩极限承载力。PpiapfARALfSp/ qppf

11、散体材料桩极限承载力计算散体材料桩极限承载力计算 散体材料桩是依靠周围土体的侧限阻力保持其形状并承受荷载 ，桩周土可能发挥的对桩体的侧限能力对散体材料桩复合地基的承载能力起关键作用 。 式中： 为桩间土提供的侧向极限应力，Kpa； 桩体材料的被动土压力系数。 散休材料桩桩侧土所能提供的侧向极限应力计算主要方散休材料桩桩侧土所能提供的侧向极限应力计算主要方法：法：BraunsBrauns(1978)(1978)计算式，圆筒形孔力扩张理论计算式，计算式，圆筒形孔力扩张理论计算式，Wong H.Y.(1975)Wong H.Y.(1975)计算式，计算式，HughesHughes和和Withers(

12、1974)Withers(1974)计算式和计算式和被动土压力法等。被动土压力法等。prupfKprupK3 桩间土极限承载力计算方法桩间土极限承载力计算方法复合地基中桩间土极限承载力与天然地基极限承载力密切相关，但两者并不完全相同。两者的差别随地基土的工程特性、竖向增强体的性质、增强体设置方法不同而不同。桩间土极限承载力比天然地基极限承载力大，而且又较难计算时。工程实际中常用天然地基极限承载力值作工程实际中常用天然地基极限承载力值作为桩间土极限承载力。为桩间土极限承载力。天然地基极限承载除了直接通过荷载试验，常采用Skempton极限承载力公式进行计算：DLDLBNCpcuaf)2 . 01

13、)(2 . 01 (4 现有规范关于复合地基承载力的计算方法现有规范关于复合地基承载力的计算方法建筑地基处理技术规范建筑地基处理技术规范（JGJ 79-2002JGJ 79-2002）推荐的计算方法：）推荐的计算方法：承载力计算方法水泥搅拌桩CFG桩碎石桩skpaspkfmARmf)1 ( skpaspkfmARmf)1 ( skpkspkfmmff)1 ( ppisipaAqlqRpcuaAfRppisipaAqlqR5 现有规范关于桩基的计算方法现有规范关于桩基的计算方法铁路桥涵地基和基础设计规范铁路桥涵地基和基础设计规范（TB 10002.5-2005TB 10002.5-2005）推荐

14、的容许承载力计算方法：推荐的容许承载力计算方法：打入、震动下沉和桩坚爆扩桩： 单桩承载力： 复合地基承载力：钻（挖）孔灌注桩的容许承载力计算公式为： 单桩承载力： 复合地基承载力：)(21lARlfUPiii AmlfUPii021 CRAP )(21UhCACRP公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）推荐的计算方法）推荐的计算方法 ：摩擦桩承载力容许值端承桩承载力容许值)3(2200hkfmqarlnirpiikaqAlquR121miniikisrkiiirkpaqlufhcufAcR1121216 按现有规范计算承载力按现有规范计算承载力计算假设

15、路堤填筑高度分计算假设路堤填筑高度分3m3m、5m5m、8m8m、10m10m、15m15m、30m30m，路堤顶宽，路堤顶宽1313米，两侧边坡比都米，两侧边坡比都是是1 1：1.51.5，地基分为，地基分为3 3种情况：种情况：3030米厚淤泥质土。米厚淤泥质土。上覆上覆8 8米厚淤泥质土米厚淤泥质土, ,下卧有下卧有2222米厚粘土。米厚粘土。上覆上覆8 8米厚淤泥质土米厚淤泥质土, ,下卧岩层；下卧岩层；地基处理方式有地基处理方式有4 4种：水泥土搅拌桩、种：水泥土搅拌桩、CFGCFG桩、碎石桩、碎石桩、混凝土桩。桩、混凝土桩。 路堤的横截面尺寸和基底应力路堤的横截面尺寸和基底应力 路

16、堤高度，m 3 5 8 10 15 30 路堤顶宽，m 13 13 13 13 13 13 路堤底宽，m 22 28 37 43 58 103 路堤横截面面积，m2 52.5 102.5 200 280 532.5 1740 每延米路堤重，KN 1155 2255 4400 6160 11715 38280 桩长,m 15 15 15 15 15 15 桩径，m 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 桩间距，m 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 每延米桩截面面积，m2 1.919 2.443 3.228 3.752 5.061 8.988 置换率 0.087 0.087

17、 0.087 0.087 0.087 0.087 桩应力，Kpa 601 922 1362 1641 2314 4258 单桩承受的力，KN 118 181 267 322 454 836 基底平均应力，Kpa 52.5 80.535 118.918 143.255 201.982 371.650 计算结果分析计算结果分析（1 1）30m30m淤泥质粘土条件下淤泥质粘土条件下采用采用CFGCFG桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，3m3m、5m5m高路堤下满足要求，高路堤下满足要求，8m8m高路堤下基本满足要求，高路堤下基本满足要求，10m10m、15m15m、

18、30m30m高路堤下不满足要求。高路堤下不满足要求。采用水泥土搅拌桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，采用水泥土搅拌桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，3m3m高路堤下满足要求，高路堤下满足要求，5m5m、8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路高路堤下不满足要求。堤下不满足要求。采用碎石桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，采用碎石桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，3m3m、5m5m高路堤下满足要求，高路堤下满足要求，8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤下高路堤下不满足要求。不满足要求。采用钢筋混凝土桩时，路基高度为采用钢筋混凝土桩时，路基高度为3 3、5 5、8m

19、8m时单桩承时单桩承载力满足要求，路基高度为载力满足要求，路基高度为1010、1515、30m30m时单桩承载时单桩承载力不满足要求，群桩承载力验算对所有路基高度都满力不满足要求，群桩承载力验算对所有路基高度都满足要求。足要求。计算结果分析计算结果分析（2 2）8m8m淤泥质粘土淤泥质粘土+22m+22m粘土条件下粘土条件下采用采用CFGCFG桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，3m3m、5m5m、8m8m、10m10m高路堤下满足要求，高路堤下满足要求，15m15m、30m30m高路堤下不满足高路堤下不满足要求。要求。采用水泥土搅拌桩时，对于单桩承载力和群桩承

20、载力，采用水泥土搅拌桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，3m3m高路堤下满足要求，高路堤下满足要求，5m5m、8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤高路堤下不满足要求。下不满足要求。采用碎石桩时，对于群桩承载力，采用碎石桩时，对于群桩承载力，3m3m、5m5m高路堤下满高路堤下满足要求，足要求， 8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤下不满足要求。高路堤下不满足要求。采用钢筋混凝土桩时，路基高度为采用钢筋混凝土桩时，路基高度为3 3、5 5、8 8、1010、15m15m时单桩承载力满足要求，路基高度为时单桩承载力满足要求，路基高度为30m30m时单桩承载力时

21、单桩承载力不满足要求，群桩承载力验算对所有路基高度都满足不满足要求，群桩承载力验算对所有路基高度都满足要求。要求。计算结果分析计算结果分析（3 3）8m8m淤泥质粘土淤泥质粘土+22m+22m基岩条件下基岩条件下采用采用CFGCFG桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，所有高桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，所有高度路堤下均满足要求。度路堤下均满足要求。采用水泥土搅拌桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，采用水泥土搅拌桩时，对于单桩承载力和群桩承载力，3m3m高路堤下满足要求，高路堤下满足要求，5m5m、8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤高路堤下不满足要求。下不满足要求。采用碎石

22、桩时，对于群桩承载力，采用碎石桩时，对于群桩承载力，3m3m、5m5m高路堤下满高路堤下满足要求，足要求， 8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤下不满足要求。高路堤下不满足要求。采用钢筋混凝土桩时，路基高度采用钢筋混凝土桩时，路基高度3 3、5 5、8 8、1010、1515、30m30m时单桩承载力满足要求。群桩承载力验算对所有路时单桩承载力满足要求。群桩承载力验算对所有路基高度都满足要求，而且有很大的富余。基高度都满足要求，而且有很大的富余。7 路基稳定性计算路基稳定性计算类型 地基 条件 软弱土层厚度 /m 容重 /KN/m3 泊松比 粘聚力/kPa 摩擦角 / 路基

23、 - - 22 0.3 20 30 单层地基 软土 30 17 0.42 17 9.5 软土 8 17 0.42 17 9.5 双层地基 硬塑粘土 22 18 0.4 30 9.5 软土 8 17 0.42 17 9.5 双层地基 基岩 22 27 0.25 6.72 42 路基-地基计算参数 加固工法桩长/m桩间距/m桩径/m容重/KN/m3粘聚力/kPa摩擦角/CFG桩151.50.52254045碎石桩151.50.518038水泥搅拌桩151.50.52015020钢筋混凝土桩1520.6251190048断面参数滑动面云图滑动面云图 未加固未加固8m路基路基 CFG桩加固桩加固8m路

24、基路基 滑动面云图滑动面云图碎石桩加固碎石桩加固8m路基路基水泥搅拌桩加固水泥搅拌桩加固8m路基路基滑动面云图滑动面云图钢筋混凝土桩加固钢筋混凝土桩加固3m路基路基 最小稳定系数分析最小稳定系数分析 计算采用计算采用Geo-slopeGeo-slope程序，分别列出以下四种方法计算程序，分别列出以下四种方法计算所得最小安全系数所得最小安全系数: :1)1)圆弧滑动法圆弧滑动法2)Bishop2)Bishop法法3)3)JanbuJanbu法法4)Morgenstern-price4)Morgenstern-price法法最小稳定系数分析最小稳定系数分析0510152025300.51.01.5

25、2.02.5稳定安全系数路堤高度/m 瑞典条分法 bishop法 janbu法 Mogenstern-price法0510152025301.01.52.02.53.03.54.0稳定安全系数路堤高度/m 瑞典条分法 bishop法 janbu法 Mogenstern-price法 图 7-91 稳定系数随路堤高度变化曲线（未加固） 图 7-92 稳定系数随路堤高度变化曲线（CFG 桩） 0510152025300.51.01.52.02.53.0稳定安全系数路堤高度/m 瑞典条分法 bishop法 janbu法 Mogenstern-price法0510152025300.51.01.52.

26、02.53.03.54.0稳定安全系数路堤高度/m 瑞典条分法 bishop法 janbu法 Mogenstern-price法 图 7-93 稳定系数随路堤高度变化曲线（碎石桩） 图 7-94 稳定系数随路堤高度变化曲线（水泥搅拌桩） 最小稳定系数分析最小稳定系数分析未加固地基及碎石桩、水泥搅拌桩加固地基采未加固地基及碎石桩、水泥搅拌桩加固地基采用用BishopBishop法和法和JanbuJanbu法计算稳定系数比瑞典条法计算稳定系数比瑞典条分法的计算结果要小分法的计算结果要小6%8%6%8%。CFGCFG桩和钢筋混凝桩和钢筋混凝土桩加固地基采用四种计算方法所得的稳定安土桩加固地基采用四种

27、计算方法所得的稳定安全系数非常接近，仅在高路堤情况下略有不同，全系数非常接近，仅在高路堤情况下略有不同，仍然是仍然是BishopBishop法和法和JanbuJanbu法的计算结果偏大。法的计算结果偏大。最小稳定系数分析最小稳定系数分析0510152025300.51.01.52.02.53.0 稳定系数 拟和曲线安全稳定系数路基高度/m0510152025300.51.01.52.02.53.03.54.0 稳定系数 拟和曲线安全稳定系数路基高度/m 图 7-96 稳定系数随路堤高度变化拟合曲线（未加固） 图 7-97 稳定系数随路堤高度变化拟合曲线（CFG 桩） 0510152025300

28、.51.01.52.02.53.0 稳定系数 拟和曲线安全稳定系数路基高度/m0510152025300.51.01.52.02.53.03.54.0 稳定系数 拟和曲线稳定系数路基高度/m 图 7-98 稳定系数随路堤高度变化拟合曲线（碎石桩） 图 7-99 稳定系数随路堤高度变化拟合曲线（搅拌桩） 最小稳定系数分析最小稳定系数分析（2）路基坡面安全稳定系数随着路堤高度的增加相应减小，上图对瑞典条分法所得计算结果进行拟合，拟合公式如下： 式中：a、b、c为拟合参数。cxbaey滑动面形状参数分析滑动面形状参数分析滑动面面积L1L2LHL 地基面滑动范围L2 坡脚外地基土滑动范围L路基面以下地

29、基土滑动范围H 压入深度 图 7-101 滑动面示意图 滑动面形状参数分析滑动面形状参数分析未加固地基稳定系数小于未加固地基稳定系数小于1.251.25左右（路基高度左右（路基高度H H8m8m），），滑动面压入地基面的深度呈线性增加。稳定系数小于滑动面压入地基面的深度呈线性增加。稳定系数小于1.11.1左右（路基高度左右（路基高度H H10m10m），路堤坡脚处出现大面积滑动），路堤坡脚处出现大面积滑动破坏。破坏。刚性桩（刚性桩（CFGCFG桩、钢筋混凝土桩）滑动面发生在路基坡桩、钢筋混凝土桩）滑动面发生在路基坡面，滑动范围小，安全系数大，加固效果显著。面，滑动范围小，安全系数大，加固效果显

30、著。低路堤时，柔性桩（水泥搅拌桩）地基滑动面主要发低路堤时，柔性桩（水泥搅拌桩）地基滑动面主要发生在路基坡面，随着路基高度的增加，地基开始出现滑生在路基坡面，随着路基高度的增加，地基开始出现滑动破坏。从滑动面的形状上看，滑动范围和深度都没有动破坏。从滑动面的形状上看，滑动范围和深度都没有出现线性增长，但是当稳定系数小于出现线性增长，但是当稳定系数小于1.251.25时（时（H H30m30m）滑动范围出现显著增加。滑动范围出现显著增加。散体材料桩（碎石桩）的滑动范围和压入深度较水泥散体材料桩（碎石桩）的滑动范围和压入深度较水泥搅拌桩小，但是增长速度快。低路堤时，滑动主要发生搅拌桩小，但是增长速

31、度快。低路堤时，滑动主要发生在地基表层，并且随着路基高度的增加向路基内部发展。在地基表层，并且随着路基高度的增加向路基内部发展。8 补充基底应力数值计算补充基底应力数值计算断面形式（i=1：1.5 ）断面形式 基底应力分布规律基底应力分布规律 表 8-3 两种断面形式基底中心点应力比较 断面形式? （kPa） 断面形式（kPa） 数值分析法 数值分析法 路基 高度 （m） 粘性土 地基 砂土 地基 h 法 均布荷载法 粘性土 地基 砂土 地基 h 法 均布荷载法 5 82 86.1 100 80.5 80 91.3 100 78.5 8 125.8 136.4 160 118.9 134.4 142.4 160 117 10 163.3 169.8 200 143.3 165.4 175.6 200 141.5 15 244 250.9 300 202 267.9 285.2 300 200.5 30