（岩土工程专业论文）基于有限元方法的半刚性桩复合地基承载能力分析.pdf

基于有限元方法的半刚性桩复合地基的承载能力分析 摘要 复合地基较天然地基能提高承载力、控制变形，又比桩基经济，得到广泛应用。 目前，复合地基的理论研究远落后于实践，其工作机理及变形计算还有待于进一步研 究。本文对以下问题进行了研究： 1 半刚性桩复合地基由桩一桩间土一褥垫层协同工作共同承担上部荷载。由于 复合地基工作机理影响因素很多，其研究还有待于进一步深入本文运用a n s y s 有 限元程序，分析了半刚性桩复合单桩地基竖向荷载下、桩土应力比、桩身轴向应力、 沉降等随荷载不同、垫层厚度不同、桩长不同等因素变化的分布规律，比较了群桩与 单桩变化规律，进一步了解了半刚性桩复合地基的工作机理，以便于更好的指导工程 实践。 2 半刚性桩复合地基，较天然地基能较好的控制地基变形，但和桩基相比，复 合地基一般沉降较大，如何利用复合地基有效控制变形以满足工程需要，是学术界研 究的一个重点。c f g 桩复合地基采用“双控”的设计思路，即同时满足强度和变形 两个条件，按沉降控制设计理论比按承载力控制设计理论更严格，也更合理。复合地 基沉降计算方法很多，本文介绍了复合模量法等工程中使用到的计算方法。 3 通过对半刚性桩复合地基理论计算及工程实践应用的总结，提出几点经验体 会。 关键词：复合地基；半刚性桩；a n s y $ 有限元；褥垫层；桩土应力比；承载力：沉 降；复合模量。 r e s e a r c ho nb e a r i n g c a p a c i t yo fs e m i - r i g i dp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nb a s e do nf e m p r o g r a m a b s t r a c t w ea l lk n o wt h a tc o m p o s i t eg r o u n dh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n g i n e c r i n gb e c a u s ei t g a se n h a n c e b e a r i n gc a p a c i t yo f n a t u r a lg r o u n dw i t l lr e l a t i v e l ys m a l lc o s t h o w e v e r , 丘l r t h e r r e s e a r c hi sn e c e s s a r ya st h e o r e t i c a ls t u d yi sf a rb e h i n dp r a c t i c ea n dp r e c i s et h e o r ya n d d e s i g nm e t h o da r es t i l ln o ta v a i l a b l e t h ef o l l o w i n gq u e s t i o n s8 r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r ： 1 t h ev e r t i c a ll o a d i n go ns e m i 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 ni sb e a r e db y e x ) - a c t i o n a m o n gp i l ec a p u s h i o n ，p i l ea n dt h ee a r t h b yu s i n go f a n s y sf e mp r o g r a m , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ep i l ea r es t u d i e dw i mp i l ea x i ss t r e s s ，p i l e - s o i ls t r e s sr a t i oa n d s e t t l e r n e n tc h a n g e db yf a c t o r ss u c ha sl o a d i n g ，t h i c k n e s so f t h ee a r t h ，l e n g t ho f p i l e ，a n d e t c f u t h e r m o r e ，g r o u pp i l e sa n ds i n g l ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw h i c ha n a l y s e db y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si s 强p o u n d e di nt h i sp a p e r 2 c o m p a r e dw i t hp i l ef o u n d a t i o n ，s e t t l e m e n to fe o m p o s i t ef o 岫d a t i o ni s m u c h g r e a t e rt h o u g hi tc a nc o n t r o ld i s t o r t i o no ff o u n d a t i o nb e t t e ra sr i g i d i t yp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n s e m i - r i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na d a p tt h ed o u b l e - c o n t r o ld e s i g nm e t h o d w h i c hi sb a s e do nt h et h e o r yo fs e t t l e m e n tc o n t r o lc a ns a t i s f yi n t e n s i t ya n dd i s t o r t i o n ，i s m o r er i g o r o u sa n dr e a s o n a b l et h a nt h a tb a s e do nt h et h e o r yo f b e a r i n gc a p a c i t y t h i sp a p e r a n a l y s ep r a c t i c a lv a l u eo ft h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fc o m p o s i t em o d u l u sa n dp o i n to u t i n s u f f i c i e n c yo f t h e f o r m u l ab yc o m b i n i n gw i t he n g i n e e r i n ge x a m p l e s 3 t h i sp a p e ra l s op u tf o r w a r ds o m ee x p e r i e n c e so fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nb yw i t h e n g i n e e r i n ge x a m p l e s k e y - w o r d s ：c o m p o s i t eg r o u n d ，s e m i - r i g i dp i l ep i l e ，f i n i t ee l e m e n t ，c u s h i o n ； a n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；p i l e - s o i ls t r e s sr a t i o ：b e a r i n gc a p a c i t y ； s e t t l e m e n t ；c o m p o s i t em o d u l u s 。 插图清单 图i - i 桩土基础p - s 曲线7 图1 - 2 桩身应力随深度变化示意图一7 图2 - i 当层法1 4 图2 - 2 三角形压实体滑动面示意图1 6 图2 - 3 三角形脱离体1 7 图3 - 1 平面四结点等参元2 1 图3 2 轴对称四结点等参元2 3 图4 _ 1 单桩有限单元网格划分图2 9 图4 2单桩模型应变图”3 0 图4 - 3单桩模型应力图3 0 图4 - 4不同荷载作用下桩身应力分布“3 1 图4 - 5桩土应力比与荷载关系”3 1 图4 _ 6沉降与荷载关系3 2 图4 - 7 沉降与深度关系3 2 图4 - 8不同垫层厚度作用下桩身应力分布”3 3 图4 _ 9桩土应力比与垫层厚度关系3 4 图4 - 1 0 桩长径比对桩身应力分布影响“3 5 图4 一1 1 沉降与桩长径比关系3 5 图4 - 1 2 垫层模量与桩体应力分布关系一3 6 图4 - 1 3 垫层模量与沉降关系“3 7 图4 1 4 应力比一置换率关系( 改变承台面积) 。“3 7 图4 - 1 5 沉降与置换率关系( 改变承台面积) “3 8 图4 - 1 6 群桩有限元模型”3 9 图卜1 7 群桩复合地基应变图”3 9 图 1 8 群桩复合地基沉降一荷载关系图钧 图4 一1 9 不同荷载下群桩与单桩的沉降比较“4 l 图4 - 2 0 群桩复合地基应力比一荷载关系图4 1 图4 2 l 群桩与单桩的应力比与荷载关系比较4 2 图4 2 2 群桩与单桩的应力比与置换率关系比较“4 2 图5 1复合地基计算简图4 6 图5 2复合地基有限元网格划分图4 6 图5 - 3复合地基有限元计算沉降图“4 7 图5 4优化后复合地基有限元计算沉降图4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 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 金g b 王些盔堂 或其他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谢 意。 学位论文作者签名： 签字日期：哆年舌月，o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒自b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金蟹 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：曩，簪 签字日期：矽叼年月珀 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：乡 钨角舣，覆j 岛窆设吓f 幻 通讯地址： 导师签名： 签字日期：刃汐年占月日 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师合肥工业大学土建学院王国体教授表示 最诚挚的感谢l 感谢导师在学业上和生活上给予我的极大关怀和帮助j 在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了 王国体老师的悉心指导，无论课程学习、论文选题，还是收集资料、论文成稿， 都倾注了王国体老师的心血。王老师深厚的学术修养、严谨求实的治学态度和 豁达乐观的生活态度，以及对于科学研究的追求是我学习的楷模。他那广博的 学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身 受益。此外王国体老师还教导我要虚心请教，甘于吃苦，甘于吃亏、不断求进。 这使我得以顺利完成小论文的发表和我的硕士学位论文。在此，再次向他表示 最诚挚的感谢! 感谢土建学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理论基础，并 创造了许多必要条件和学习机会。 感谢同学王新珂、李海勤、张学喜等，他们在生活和学习上给与了我极大 的帮助，使我度过了许多美好的时光，在此，向他们表示感谢f 吴卓 2 0 0 7 年6 月 第一章绪论 1 1 复合地基的发展历史 复合地基的概念是日本学者在2 0 世纪6 0 年代提出来的。当时是指一种砂型 地基的数学模型，随着地基处理技术的发展，复合地基的概念得到了很大的的 扩展。现在复合地基是软弱地基处理时的常用的一种技术，其适用性很广，目 前大多数的地基处理方法是通过形成复合地基以达到提高地基承载力，减少沉 降，提高经济效益。 现代的地基处理技术是从1 9 世纪3 0 年代欧洲应用砂桩算起的。1 8 3 5 年，法 国工程师设计了最早的砂石桩，桩长2 m ，直径2 0 c m ，设计承载力l o k n 。应用于 海湾沉积软土上建造兵工厂的地基工程中。但是由于当时科技水平的限制，地 基技术发展缓慢，一直到二战以后，地基处理技术才得到广泛的重视，同时也 得到了迅猛的发展。 6 0 年代来，国内外在地基处理方面发展十分迅速，老方法得到改进，新方 法不断涌现，在6 0 年代中期，从如何提高土的抗拉强度这一思路，发展了土的 “加筋法”：从如何有利于土的排水和加速固结这一基本观点出发，发展了土工 聚合物、砂井预压和塑料排水带：从如何进行深层密实处理的方法考虑，采用加 大击实功能的措施，发展了“强夯法”和振动“水冲法”等。1 9 3 4 年，苏联阿 别列夫教授首创了土桩挤密法，对湿陷性黄土进行深层处理，取得了极大的成 功。德国工程师s s t e u e r m a n 在1 9 3 0 年提出采用振冲法加密砂性土原理。后来在 美国，欧洲，日本等地得到应用。1 9 6 0 年左右，英国开始将振冲法应用于粘性 土地基。不久，在德国，美国日本也用于加固软填土地基。2 0 世纪6 0 年代，法 国m e n a r d 技术公司首创了强夯法处理地基。2 0 世纪7 0 年代，日本最早将高压喷 射技术用于地基加固和防水帷幕，也就是现在的高压喷射法。二战以后美国发 明了深层搅拌法地基处理技术，随着新方法的引入、地基处理工程的实践和新 工程问题的出现，人们在改造土的工程性质的同时，不断丰富了对土的特性研 究和认识，从而又迸一步推动了地基处理技术和方法的更新，因而成为岩土工 程领域中一个较有生命力的分枝。 1 2 复合地基的应用 随着高速公路，高层建筑的大规模的建设，工程中遇到的软基闯题愈来愈 多，对软基处理的设计、施工也进行了大量的研究，可以说目前所有的地基处 理方法都在高速公路软基处理中得到应用，同时新的地基处理方式也不断涌现。 但从已建高速公路的使用情况来看，仍然存在一个较普遍的世界性问题就是桥 梁台后普遍存在着搭板断裂及不均匀沉降，最终导致桥头跳车现象的产生，桥 头跳车问题已成为高等级公路营运中应该重视并亟待解决的问题：在老路加宽 改造工程中，软基段新老路堤之间也大量存在明显的不均匀沉降，导致路面开 裂，影响工程质量等较多的不良软基处理闯题。对于上述桥头跳车、新老公路 不均匀沉降等问题，若采用常规的地基处理方法，往往取不到较好的效果，如 排水固结法、堆载预压等其施工工期长，影响老路的交通，若采用粉喷桩复合 地基，碎石桩等处理方法，在沉降稳定、有效桩长、承载强度和施工质量控制 等方面存在许多不尽人意的地方，故其使用范围受到限制。因此对这类结构物 地基与一般软基之间的差异沉降和桥头与一般软基之问的差异沉降问题必须采 用一些不常规的，更为有效可靠的地基处理方法来满足工后沉降要求。这就要 从大量的工程实践经验总结开始，更新设计理念入手，抓住问题的本质( 即协调 变形) ，通过系统的室内试验研究、现场试验研究和严密的理论研究，创建新的 施工工艺和质量控制标准来解决软基结构物地基与一般软基之间的差异沉降阎 题是今后一段时间的研究发展方向。全方位、多角度、系统化治理软基差异沉 降将是高等级公路软基处理的发展趋势。复合地基承载力提高幅度大，变形小、 沉降稳定快、工程造价低等特点，在处理此类软基差异沉降问题具有广泛的应 用前景。 复合地基具有以下特点： ( 1 ) 工艺简单：复合地基的工艺可概括为成孔和成桩两大部分，有的桩型 如深层搅拌桩可一次完成成孔与成桩，施工速度快，工期短。由于桩径小且不 需要钢筋，避免了桩基础中常见的塌孔、颈缩等通病，质量容易保证。复合地 基目前已有较为成熟的施工工艺，原料拌和、灌注、夯填均易操作，技术指标 容易控制。 ( 2 ) 施工方便：复合地基旌工机械均为常用建筑机械，如长螺旋钻机、振 动沉管机、振冲器、粉喷机、混凝土搅拌机、混凝土泵等，某些工艺如夯实水 泥土桩，采用人工洛阳铲即可施工。 ( 3 ) 造价低廉：复合地基充分发挥桩间土的承载力，减少用桩量，且不使 用昂贵的钢材，耗用建筑三材少，一般可就地取材或使用工业废料，如粉煤灰、 矿渣或其它工业废料、建筑垃圾等，大大降低造价，且有利于环保。 ( 4 ) 适用范围广；采用复合地基可明显提高地基承载力，减少沉降。过去 人们认为复合地基只能用于中小型工程，随着复合地基技术的发展，在大型工 程及高层建筑中，应用越来越广，在超高层中的应用也不乏其例。此外，复合 地基还可用于消除地基液化、边坡加固等。 1 3 复合地基研究现状 1 3 1 柔性桩、散体材料桩复合地基现状 石灰桩i l 】是指用人工或机械在土体中成孔，然后灌入石灰块，经夯压后形 成的一根桩体。石灰桩的应用和研究起始于上世纪5 0 年代，8 0 年代我国部分省 市相继开展石灰桩的课题研究，并大量应用于工程实践。它适用于杂填土、填 2 土、一般粘性土、湿陷系数不大的黄土类土，以及透水性小的粉土，石灰桩复 合地基承载力可达成2 0 0 k p a 。一般认为在软土中石灰桩的置换作用和吸水膨胀 作用是主要的，而在杂填土中置换和挤密起着同样重要的作用。作为一种柔性 桩，其桩体胶结程度较差，因此石灰桩有效长度有限，仅为5 6 m ，这个因素也 限制了它的使用范围。 土桩和灰土桩复合地基是由桩间挤密土和分层夯填密实的土或灰土组成的 人工复合地基。士桩挤密法1 9 3 4 年首创于原苏联，主要用以消除黄土地基的湿 陷性。上世纪5 0 年代，我国在西北黄土地区开展士桩挤密法的试验应用，6 0 年 代中期又试验成功了具有中国特色的土桩挤密桩法。土桩挤密地基的加固作用 主要是增加土的密实度，从而消除地基湿陷性，其承载力及处理范围与土垫层 相同，灰土桩挤密地基的承载力可达天然地基的2 倍，变形模量可2 1 - 3 6 m p a ，从 而大幅度减小地基的压缩沉降量。 夯实水泥土桩复合地基【3 】是近十年来在河北、北京地区兴起的一种地基处 理新技术，其施工方法及工作机理同灰土挤密桩类似。桩体材料采用水泥和土 料( 体积比l ：5 - l ：8 ) ，在桩孔外拌合均匀后，用机械在桩孔内分层将填料夯实。 夯实水泥土桩以其重锤夯实作用及水泥与土体的离子交换作用使夯实水泥土无 侧限抗压强度达到5 5 - 6 5 m p a ，复合地基变形模量达5 9 m p a ，而灰土桩的这两项 指标分别为0 5 - 1 6 m p a 和2 1 - 3 6 m p a ，故夯实水泥土桩复合地基的承载力更高， 可以达到3 0 0 k p a 。 土桩，灰土桩和夯实水泥土桩同属于柔性桩，深度处理范围由浅至深分别 为土桩、灰土桩和夯实水泥土桩。 砂石桩i f 是指利用振动或冲击方式，在软弱地基中成孔后，填入砂、石等 填料并将其挤入士中，形成较大直径的密实砂石桩的地基处理技术。砂石桩 一开始用来处理松散砂土和人工填上地基，现在也用来处理软弱粘性土地基。 工程实践表明，利用砂石桩处理砂土或非饱和粘性土软弱地基，可以提高地基 承载力，减少地基固结沉降，而且可以防止砂土由于振动或地震产生的液化。 砂石桩复合地基承载力与其周围土层的强度有很大关系，而软粘土地基的强度 较低，对砂石桩侧限约束作用很小，使桩体砂石不易密实，故在软粘土中该种 复合地基承载力提高幅度有限。 高压喷射注浆法 1 1 ，又称“旋喷桩”，开发于上世纪7 0 年代。它将硬化剂( 如 水泥等) 形成高压喷射流，借助其切削和混合作用，使硬化剂同土体混合，达到 加固地基的效果。这种方法主要适用于砂土，也可应用于粘性土，其中同时喷 射高压清水，压缩空气和低压浆液灌注的三重管法加固的直径为0 8 - 2 o m ，加固 深度达2 0 3 0 m 。梁伟平、黄宏伟【2 6 】等选用水泥与新型材料( 上海宝钢的粒化高 炉矿渣) 的混合料作为固化剂，按照不同的比例掺入需加固土，然后分析其无侧 限抗压强度。试验表明，混合料加固土的强度相对于纯水泥加固土的强度有大 幅度提高，且提高幅度随固化剂中新型材料的掺入量的增大而增大。 深层搅拌法【l 】利用水泥或石灰等材料作为固化剂的主剂，在地基深处将软 土和固化剂强制搅拌，使软土硬结成具有整体性和一定强度的优质地基。根据 施工工艺的差别，可分为干法和湿法，其适用范围也有所差别。根据目前的施 工记录，国内水泥土搅拌桩的长度可达2 7 m ，复合地基承载力达2 7 0 k p a ，这些数 据对于超长水泥土搅拌桩复合地基的研究有较高的价值。当超长水泥土搅拌桩 的桩身质量较好时，上部荷载及复合地基面积较大时，桩端处附加应力可达到 桩顶处的3 5 以上，因此其有效桩长的确定理论应予以修正。 石坚，卢萍【6 j 通过有限元方法计算分析了在灰土桩复合地基中考虑与不考 虑灰土桩作用两种情况下地基的强度变形特征，挤密土的本构模型选取邓肯双 曲线模型。计算结果表明，置换率小于2 0 的情况下，是否考虑挤密地基中灰土 桩的作用对地基的变形，应力特征影响不大。这是因为挤密土承载面积比灰土 桩的承载面积大得多，另外灰土桩的变形模量与挤密土变形模量相差2 2 5 倍。 杨涛、殷宗泽【7 】采用强度随时间变化的比奥固结有限元分析二灰土桩复合 地基在路堤荷载作用下的变形特征，二灰土桩和桩固土的应力一应变关系采用 d u n c a n c h a n g 非线性弹性模型。计算结果表明桩土应力比与荷载水平，固结度 及桩上的位置有关。随桩顶荷载的增加，桩土应力比最大值向桩顶处发展：复合 地基沉降随桩长的增加而减少，但达到“临界桩长”后沉降不再变化，即桩长 的增加已无加固效果，二灰土桩临界桩长约为1 2 m ；此外，提高二灰土桩置换率 只能减少加固区的压缩量而不会影响加固区以下土层的压缩量，即桩的打入实 际效果在于降低临界桩长范围内加固区的压缩量 陈小平、邢仲星【2 2 】结合工程实例采用有限元方法对深层搅拌桩复合地基中 桩土应力的传递和分配进行了数值模拟。土体材料采用d u n c a n c h a n g 非线性弹 性模型，在土与桩体的接触面采用无厚度的g o o d m a n 单元对其进行模拟。作为柔 性桩，桩体承担的轴向荷载主要依靠桩侧阻力沿深度呈指数衰减模式向软土地 基传递，因此桩的竖向承载力同桩周土层和桩底持力层的性质，桩的外形和尺 寸密切相关。计算结果表明，同荷载作用下，随桩土模量比的提高，桩身应 交减少，但桩身应力却增加，出现明显的桩身应力集中的现象：另外，复合地基 的破坏模式与桩身强度有关，其破坏主要发生在浅层，即桩体上部横向压缩和 纵向开裂。 师旭超”】等将水泥粉喷桩复合地基视为双层地基，假定上下两层均为各肉 同性均质的线弹性体，运用有限元方法进行了分析。计算结果表明，随着面积 置换率的增加，复合地基的变形逐渐减小，但桩长一定的情况下，就控制的效 果而言，存在一个最优面积置换率。随着加固层厚度的增加，变形逐渐减小， 但对于一定面积置换率的粉喷桩复合地基，存在一个最优的加固层厚度。 4 1 3 2 半刚性桩复合地基研究现状 半剐性桩复合地基是界于刚性和柔性桩之间的一种地基处理技术。一般包 括水泥土搅拌桩，c f g 桩等等，与一般的柔性桩复合地基相比，用半刚性桩处理 地基，可使地基承载力大幅度提高，这是因为半刚性桩桩体本身刚度比较大， 使桩顶荷载向桩底部传递，并具有很大可调性的特点。在天然地基承载力较低 而设计要求的承载力较高，用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求时，半刚 性桩复合地基则有明显的优势。另外，半刚性桩复合地基在充分发挥桩承载力 的同时，也使桩间土承载力得以发挥，故其经济效益十分显著，般情况下， 和桩基础相比可节省工程投资i 3 一i 2 。近年来，半剐性桩复合地基在全国迅速 推广，特别是c f g 桩，并越来越多地应用于高层建筑基础工程，取得了良好的经 济效益。潘纪顺 3 7 1 等对c f g 桩复合地基承载性状进行了试验研究，试验表明：当 复合地基不设褥垫层，即桩及桩间土直接与基础接触的情况下：桩项荷载小于 桩的允许承载力时，荷载主要由桩承担：当桩顶荷载超过其允许承载力时，桩端 土由弹性变形进入塑性变形阶段，沉降明显增大，桩问土开如承担荷载：若荷载 进一步增加，荷载增量很大部分由桩间土分担，直至达到极限承载力，这时复 合地基破坏。 根据复合地基受力性状的特点，半刚性桩复合地基可以采取长、短桩相结 合的方法进行设计。若全部采用长桩，难免因为保守造成浪费：若全部采用短桩， 又可能难以满足荷载或变形的要求。通过采用这种方法对某高层建筑的地基进 行处理，通过使长、短桩的施工工艺有所差别以保证施工便利。经过核算这种 复合地基能够满足设计对承载力及变形的要求，取得了良好的经济效益和社会 效益。 在湿陷性黄土地区的地基处理工程中，采取c f g 桩虽然能够大幅度提高地基 承载力，却不能完全消除桩间土的湿陷性，因此在c f g 桩的中间加入能完全消除 地基湿陷性的夯实水泥土桩，以满足规范对湿陷性地基处理的要求。通过利用 这种方法对某幢1 l 层教学楼的湿陷性黄土地基进行了处理，这种组合型复合地 基充分发挥了各自桩型的特点，既达到了承载力的要求，又满足了湿陷性黄 土地区建筑规范对场地的要求。 李宁、韩煊【5 3 】利用数值仿真试验的方法，系统研究了褥垫层对c f g 桩复合 地基承载机理的影响。其假定条件为，桩与桩间上的本构模型为线弹性，模拟 桩土间界面时采用服从m o h r c o u l o m b 剪切滑动破坏准则的1 6 结点高精度曲面摩 擦一接触界面单元。计算结果表明，褥垫层可以显著地降低桩身荷载的集中程 度，并且可以削弱群桩的“边角效应”，原因是c f g 桩刚度远大于桩间土，而褥 垫层可以使桩间土承载能力充分发挥。褥垫层对复合地基桩身应力、桩侧摩阻 力、桩问土中应力等的影响均在浅层。褥垫层最佳厚度一般为0 2 - 0 4 m ，若进 一步增加厚度，其降低桩身应力及桩顶应力的效果越来越不明显。 5 李春灵【”】通过c f g 桩复合地基在有无边载作用下承受竖向静载试验的对 比，分析了边载对复合地基承载机理的影响。试验结果表明，有边载作用条件 下c f g 桩复合地基桩间土的承载力增加明显，而对复合地基中桩的承载力影响较 小，有边载条件下的沉降量小于无边载条件下的沉降量。有边载条件下，桩上 荷载分担比明显不同于无边载条件下的值，同一荷载水平时，边载条件下桩的 荷载分担比低于无边载时的，而桩间土荷载恰恰相反。因此在有边载作用的情 况下，对于强度较高的土，复合地基承载力的深度修正系数取1 偏于安全，应根 据不同的土类，结合工程实践经验适当提高。 1 3 。3 半刚性桩复合地基承载特性 碎石桩主要通过有限桩长( 一般为6 d - l o d ) 传递垂直荷载，在2 倍一3 倍桩径 范围内为高应力区，当桩长大于某一数值后，桩传递荷载的作用将明显减弱。 半刚性桩不同于碎石桩，它是具有一定粘结强度的桩，在外荷载作用下，桩身 不会像碎石桩那样鼓胀破坏，并可全桩长发挥侧摩阻力，承受的荷载可通过桩 周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中，其复合地基承载力可大幅提高。由此 可见，半刚性桩没有像碎石桩那样的临界桩长，它可以像刚性桩一样把外荷载 传递到深层地基。 当半刚性桩复合地基承受垂直荷载作用时，桩和桩间土共同参加工作。由 于半刚性桩的变形模量远比桩间土的变形模量大，所以在荷载作用下，桩的沉 降变形要比桩间土变形小。由于基础下设置了一定厚度的垫层，桩体可以向上 刺入，伴随这一变化过程，垫层材料不断调整补充到桩间土上，以保证在任一 荷载下桩和桩问土始终参与工作。 半刚性桩复合地基中【8 】，根据室内实验得到的数据显示桩土应力比n 在 2 7 5 5 之间，半刚性桩的荷载承担比p p p 在0 7 5 o 9 0 之间，远较一般碎石桩 复合地基中的h 和p 。p 值大( 碎石桩复合地基中玎在2 4 之间) ，其工程特性介 于一般碎石桩复合地基和混凝土灌注桩桩基之间，而且更接近于混凝土桩基。 由半刚性桩和自然土层共同组成的复合地基在上部垂直荷载作用下，由于桩间 土承受荷载后被压缩( 压缩量较小，产生的负摩擦力很小) ，增加了桩周土对桩 体的约束力和抵抗力，从而增加了桩体的侧摩阻力和支撑能力，使荷载逐渐向 桩体转移。随着上部荷载的增加，桩体承担的荷载逐渐增大，同时，桩间土的 沉降变形对桩体产生的负摩擦力也相应加大。当荷载p 超过 时，桩体所承担 的荷载超过其极限荷载值。荷载随时间向桩体转移的现象消失，桩体承担的荷 载略有向桩间土转移的现象，但很快就消失，桩土应力比很快就趋于稳定。 1 3 4 半刚性桩轴力传递特征 桩基中桩与承台刚性连接，在正常情况下，受垂直荷载后桩项的沉降、桩 间土表面的沉降以及承台的沉降都相等。桩项以下桩各部位的位移都大于相应 6 部位土的位移，桩侧土体对桩产生与桩位移相反方向的侧阻力，即正摩擦力。 桩的最大轴力发生在桩的顶部。 p 图1 - 2 桩身应力随深度变化示意图 桩基在某些特殊情况下，比如桩穿越欠固结土层或由于土性的变化，也可 以引起土对桩的负摩擦作用。在桩基中，负摩擦对桩的承载能力会产生不利的 影响，而在半刚性桩复合地基中，土对桩的负摩擦作用对复合地基并非有害， 它对提高桩阔士的承载力，减少复合土层的沉降变形起着有益的作用。 7 1 4 研究思路和内容方法及本文的主要工作 半刚性桩复合地基的内容十分广泛，专家学者及工程界内关于些闯题都 有共同的认识，但是理论研究方面还不够深入，对一些问题的研究还停留在现场 试验及模型试验上，只有一些定性的认识，没有上升到理论研究的高度 半刚性桩本身具有混凝土刚性桩的特点，设计理论涉及到桩基、复合地基、 疏桩理论，设计上又有按承载力控制、沉降变形控制以及按沉降和承载力双控 等。因此针对半刚性桩复合地基的研究，不能停留在某一固定的模式上，应针对 不同的软基处理目的，应用不同的模式，采用相应的设计方法与计算理论。 本文在前人对半剧性桩，特别是c f g 桩复合地基研究的基础上，就半剐性桩 承载能力以及工作性状方面的一系列问题进行分析和探讨。探讨半刚性桩复合 地基结构体系加固机理、垫层与桩基共同作用理论、承载和变形特性等，并用 大型有限元软件a n s y s 对这种特殊结构体系的工作性状进行了模拟分析。并对 于传统方法设计出的半刚性桩复合地基进行优化，半刚性桩设计的主要参数包 括桩长，桩径，桩间距，桩体强度，垫层的厚度以及材料强度，其中桩长一般 根据地质条件确定，使桩基础能进入持力层0 5 - 1 0 米，桩径由采取的机械设 备所决定，文献t 4 ；桩体强度大于某一数值时，提高桩体标号对复合地基承载力 影响不大所以就剩下桩的长径比，桩间距，垫层的厚度以及材料强度等几个参 数需要确定了，本文在选定的工程算例的条件下，采取不同的参数进行搭配， 通过有限元软件a n s y s 的模拟，从而寻求各个参数的相互制约关系。 第二章半刚性桩复合地基作用机理以及计算设计理论 2 1 半刚性桩复合地基加固机理 复合地基中桩间土的性状不同、桩体材料不同、成桩工艺不同，复合地基 的效应也有所不同，下面以c f g 桩复合地基的加固机理来简单介绍一下半刚性桩 复合地基的加固机理，可概括为桩体的置换作用、排水和加筋作用，褥垫层的 调整均化作用。对于砂性土、粉土和塑性指数较小的粉质粘土，采用不排土成 桩工艺施工，还具有挤密、振密作用，有利于桩间土的性质改良。 2 1 1 桩体的置换作用 c f g 桩桩体的强度和模量远比桩问土大，因此，在荷载作用下，桩顶应力比 桩间土表面应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递，从而减少了桩间 土承担的荷载，这种由于桩的作用使复合地基承载力提高、变形减小的作用称 之为桩体的置换作用或桩体效应。 大量试验及工程实践表明，复合地基置换作用的大小主要取决于桩体材 料的组成，这一点正是碎石桩与c f g 桩受力情况不同的根本点。因为碎石桩桩体 材料是松散碎石，桩体本身无粘结强度，桩顶承受垂直荷载后，依靠周围土体 约束才能承受上部承载，桩顶以下一个较小的范围产生压胀区，压胀区以下的 桩体传递垂直荷载的能力很小，当桩长大子压胀区深度后，靠增加桩长来提高 单桩承载力是很困难的，而半刚性桩身具有一定的粘结强度，在荷载作用下， 不会出现压胀变形，桩承受的荷载通过桩周摩擦阻力和桩端阻力传至深层地基 中，其复合地基承载力提高幅度比碎石桩大。大量工程实例证明，c f g 桩的桩土 应力比都比较大，远远高于水泥掺量在5 一3 0 之间的水泥搅拌桩的桩土应力比， 石灰桩的桩土应力比介于2 5 5 ，0 和碎石桩的桩土应力比2 4 ，显示出c f 6 桩 的桩体效应大大优于石灰桩、水泥搅拌桩和碎石桩等散体材料桩。 2 1 2 褥垫层的应力调整作用f 1 卅 在竖向荷载作用下，c f g 桩复合地基由于褥垫层的作用，桩体逐渐向褥垫 层中刺入，桩顶上部垫层材料在受压缩的同时，向周围发生流动。垫层材料的 流动补偿，一方面可以部分消散桩项、基底部分的应力集中，另一方面也为桩 顶处人为地提供了一个压缩余地，使得桩间土与基础底面始终保持接触并使得 桩间土的压缩量增大，从而使桩问土的承载力得到充分发挥，桩土共同作用得 到保证。 在荷载作用下，垫层产生垂直、水平两个方向的挤压、互补作用，从而促 使在受荷过程中，桩间土与基底始终保持紧密接触，从而使地基的接触压力得 到了均化和调整，地基中的竖向应力分布得到均化，复合地基的承载力得到大 大提高。实践证明，褥垫层这个这个巧妙的构造较为成功地解决了桩与桩问土 9 的变形协调，为充分调动桩间土的承载潜力，确保在荷载作用下形成桩与桩间 土共同工作的复合地基，提供了可靠的构造保证。 2 1 3 排水作用【l 副 c f g 桩的排水作用不象碎石桩、砂桩那样具有良好的排水通道，c f g 桩在 加固区域内是否能够形成自然土层的排水通道，主要取决于桩体的材料性质和 成桩工艺。研究表明，c f g 桩桩体材料的渗透性与混合料中粉煤灰和水泥的用 量有关，也与粉煤灰的性质有关。室内试验结果显示，c f g 桩桩体的渗透系数 一般在1 0 4 1 0 - 1 范围内，而置桩范围内自然土层的渗透系数一般在1 0 6 1 旷 之间，远较桩体渗透系数为小。振动沉管c f g 桩在桩体初凝前也具有相当大的透 水性，可使振动产生的超孔隙水压力能过桩体得以迅速消散。由此看来，桩体 相对土体而言，实际上构成了固结排水通道，置桩加速了桩周土体的固结过程， 因此，桩体具有排水作用。 2 1 4 桩同土性质改良 对松散填土、松散粉细砂、粉土和塑性指数较低的粘性土采用挤土和振动 成桩工艺，可使桩闻土孔隙比减小、密实度、摩阻力得到增加，提高桩间土的 强度和模量。测试结果表明。地基加固后桩间土的物理力学性质得到了较大改 善。在含水量较高的情况下，经过处理后含水量降低1 4 1 9 ，天然容重增大1 以上，孔隙比减小3 以上，压缩系数减小1 i - 5 2 ，尤其对工程性能以及本身结 构较好的粉质粘土和粉土，桩阈土的性质改善较明显。 2 2 半刚性桩复合地基计算方法 2 2 1 复合地基承载力的计算方法 比较常用的复合地基承载力的计算方法有两种， ( i ) 将复合地基承载力用天然地基承载力扩大一个倍数来确定：实质上就是 把复合地基看成一个整体，用一个适当的弹性模量来重新定义复合地基， 然后按照分层总和法来计算这个整体的复合地基的沉降量以及承载力。 ( 2 ) 分别确定单桩以及桩间土的承载力，在根据一定的比例来确定桩以及桩 间土对于承载力的贡献，然后进行叠加，从而计算出复合地基的承载力。 下面着重介绍方法二，这个方法也是规范推荐的计算方法，文献 8 认为 c f g 桩复合地基承载力不是天然地基承载力和单桩承载力的简单叠加，需要考虑 一些因素的影响：施工时对桩间土是否产生扰动挤密，桩间土承载力有无降低或 提高；桩对桩间土有约束作用；复合地基中桩的q - s 曲线呈加工硬化型，比自由 单桩的承载力高；桩和桩间土承载力的发挥都与变形有关，变形小时，其承载 力发挥都不充分；桩闻土承载力的发挥与与褥垫层厚度有关。综合考虑以上情 况，结合工程实践经验，半刚性桩复合地基承载力可用下面的公式进行估算： k 等+ 筇( 1 - m ) ，i f ，i = 【1 + m ( h 一1 ) 】q 日f t ( 2 1 ) 式中：厶一复合地基承载力标准值( k p a ) ： 一天然地基承载力标准值( k p a ) ： 一一面积置换率： 栉一桩土应力比： 4 一单桩截面面积； 口一桩间土强度发挥系数，口= 厶五：其中厶为加固后桩问土承载 力标准值： 卢一桩间土强度发挥系数：宜按地区经验取值，无经验时可取 = 0 7 5 0 9 5 ，天然地基承载力高时取大值； 一单桩承载力标准值( k n ) ： 长螺旋钻孔压灌成桩工艺属部分挤土工艺，桩间土强度提高幅度不大， 一般可作为安全储备，口通常取1 0 ，沉管灌注工艺属挤土工艺，对可挤密的土， a 可取大于1 0 的提高系数。 取可按下式计算： r k = 怫呜+ q p k 4 ) 七 ( 2 2 ) 式中：u 一桩的周长：o 口m 一第i 层土与土性和施工工艺有关的极限侧阻力标准值，可按地区经验 确定，无当地经验值时，可参照建筑桩基技术规范j g j 9 4 9 4 有关规定取值： 一第i 层土厚度： 一与土性和施工工艺有关的极限端阻力标准值，可按地区经验确定， 无当地经验值时，可参照建筑桩基技术规范j g j 9 4 9 4 有关规定取值： k 一安全系数，取2 o o 当用静载荷试验求得单桩极限承载力r 后，墨可按下式计算： r = 民k ( 2 3 ) 2 2 2 复合地基中对于参值的影响因素总结 由上面公式看出，我们在计算复合地基承载力的时候，合理的选择参数是 十分重要的，参数的取值如果不合理的话，对于计算结果的影响是很大的，而 参数之中，最为重要的是桩间土强度发挥系数夕，下面通过总结前人的研究成 果，提出了以下几点影响芦值的因素。 ( 1 ) 桩间土对口值的影响 原地基土的物理力学性质对桩问土承载力的发挥也有一定影响。对于具有 剪缩性质的土体，如松散粉土、砂土、正常固结土，在挤压和振动作用下，可 有效减少桩间土孔隙比，降低土的压缩性，提高土的承载力，因此口值可以取 较大值。而对于具有剪胀性土体，如密实粉土、砂土、超固结软黏土，如采用 振动沉管法施工则会产生土体挤出现象，非但不会增加土体强度，还会使c f g 桩破坏，从而使复合地基承载力减小，因此只能采用非挤土成桩法，则桩间土 承载力并不显著提高，值必须取较小值，以保证设计的安全性。另外， 建筑 地基处理技术规范( j g j 7 9 一2 0 0 2 ) 中规定c f g 桩复合地基桩间土承载力的发挥 程度还与天然地基承载力的大小有关，当天然地基承载力大时口值取较大值， 反之取小值 ( 2 ) 成桩工艺对口值的影响 复合地基承载力与成桩工艺密切相关，非挤土成桩工艺和挤土成桩工艺对 桩闯土的影响区别很大。如振动沉管法属于挤土成桩工艺，对桩同土的振动挤 密作用较显著。在打桩施工过程中，土体受到振动，原有结构破坏，但随着时 间增长土体结构强度会慢慢恢复，同时土体因桩的打入被挤密，孔隙比变小， 桩间土承载力提高，因此对此工艺桩间土承载力折减系数相应可以取大值。 而对于土体强度较高、土体密实、砂层较厚的地基土，尤其是桩端持力层较硬 的情况，常采用的长螺旋钻孔、管内泵压法非挤土成桩工艺，承载力提高主要 与置换作用有关，对桩间土的挤密作用不如振动沉管法，值可取小一些。 ( 3 ) 置换率对p 值的影响 随着桩土置换率增大，复合地基中桩的面积增加，才能够而使桩顶的接触 应力降低，桩顶处的沉降变形随之减小。显然，整个复合地基承载力随之提高、 基础沉降变形减小，表明荷载分配向桩体转移，桩体承担的荷载越来越大，桩 间土的承载力发挥越小，桩问土承载力折减系数声取值也越小。但置换率与桩 间土承载力折减系数芦值并不是线性变化的，具体的定量关系有待进一步研究。 ( 4 ) 褥垫层厚度对口取值影响 褥垫层是复合地基重要的一部分，设置褥垫层能够保证桩土共同承担荷载， 调整桩土荷载分担比，减小基础底面的应力集中以及调整桩土荷载分担比。当 褥垫层过薄时，桩顶应力较大，桩的作用发挥明显，但桩间土作用发挥不足。 反之，若褥垫层过厚，桩顶应力减小，与桩间土共同承担荷载，桩土应力比较 小，沉降较大，这时桩间土易发生破坏，而桩的承载力得不到充分发挥。因此 合理选择褥垫