（地质工程专业论文）京沪高速铁路CFG桩复合地基刚性与柔性静载荷试验对比分析研究.pdf

中文摘要 摘要：水泥粉煤灰碎石桩( i ! p c f g 桩) 是一种新型软弱地基处理技术，它具有 地基承载力提高幅度大，沉降量小，沉降稳定快等特点，已广泛地应用于各种基 础工程中。尤其是近年来，随着我国高速铁路的发展，c f g 桩复合地基也成为高速 铁路地基处理的重要形式。 c f g 桩复合地基是一种刚性桩复合地基，其承载力和沉降采用静载荷试验确 定。然而，目前普遍使用的c f g 桩复合地基静载荷试验方法适用于工业与民用建筑 的刚性基础，而不适用于高速铁路的柔性基础，所以急需找到新的静载荷试验方 法。 本文概述了国内夕i - c f o 桩复合地基的研究成果，并分别介绍了c f g 桩复合地基 的加固机理以及承载力和沉降的计算方法。 本文在结合具体工程并采用国际大型有限元软件( a n s y s ) 进行计算分析的基 础上，探讨了一种新的适用于高速铁路c f g 桩复合地基的柔性静载荷试验方法。通 过把数值模拟计算数据和现场试验数据进行对比，说明了新方法较之原方法的改 进之处，得到了一些有工程意义的结论。 本文最后对高速铁路c f g 桩复合地基的静载荷试验方法的进一步研究提出了 一些建议。 关键词：高速铁路：c f g 桩复合地基；柔性静载试验；有限元；荷载分担比；地基 沉降 a bs t r a c t a b s t r a c t ：c e m e n tf l y a s hg r a v e lp i l e ( t h ec f g p i l e ) i sa n e wt y p eo ft e c h n i q u e f o ri m p r o v i n gt h ew e a kg r o u n d i tc a r li m p r o v et h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ng r e a t l y ，a n dh a v eas m a l ls e t t l e m e n tc l o s et os t a b i l i t yw i t hh i 曲s p e e d t h e c f g p i l eh 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 ne n g e n e e r i n g w i mh i 曲一s p e e d r a i l w a y sd e v e l o p m e n ti nc h i n a , i ta l s oh a sb e e nu s e di nh i g h - s p e e dr a i l w a y sg r o u n d t r e a t m e n t a sak i n do fr i g i dp i l e ，i t sb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n ta led e t e m i n e db yt h es t a t i c l o a d i n gt e s t h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fs t a t i cl o a d i n gt e s ti sg o o df o r t h e i n d u s t r i a la n dc i v i lb u i l d i n g s r i g i df o u n d a t i o n ，b u tn o tf l e x i b l ef o u n d a t i o no ft h eh i g h - s p e e dr a i l w a y t h e r e f o r ew es h o u l df i n dan e wm e t h o dt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lo n e t h er e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a do fc f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na r e s u m m a r i z e d t h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fb e a r i n gc a p a c i - t ya n ds e t t l e m e n ta r er e s p e c t i v e l yi n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r ，c o m b i n i n gt h ep r a t i c a lp r o j e c ta n du s i n gf e m a n a l y s i sp r o g r a m ( a n s y s ) ，t h ef l e x i b l es t a t i cl o a d i n gt e s tm e t h o d i ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ec 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 ，t h en e wm e t h o di sm o r e s u i t a b l ef o rt h ef l e x i b l ef o u n d a t i o n s e v e r a ls u g g e s t i o n sh a v e b e e nm a d ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h es t a t i cl o a d i n g t e s to ft h ec f g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n k e y w o r d s ：h i 曲一s p e e dr a i l w a y ；c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；f l e x i b l es t a t i c l o a d i n gt e s t ；f e m ；l o a d s h a r i n gr a d i o ；f o u n d a t i o ns e t t l e m e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 1 冶放 签字日期：p 蛩1 年g 月，e t签字日期：0 哆笋衫月f 。媚 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：砜 签字同期：力民意年月。日 5 9 致谢 在紧张而艰苦的研究生学习期间，曾得到了众多老师、同学及亲朋好友的关 心、支持和帮助，借此机会，向他们深表谢意。 首先感谢导师王连俊教授对本论文的悉心指导，其严谨的治学态度和科学的 工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来王连俊老师对我的关心 和指导。 沈宇鹏、陈祥两位老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在项目现场及撰写论文期间，姜龙、丁桂伶等师兄师姐以及魏瑞城、魏朝霞 等同学对我的论文给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢中铁四局集团、十七局集团各位同事的帮助和支持。 第一章绪论 1 1 复合地基概述n 2 1 当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基的承载力和沉降要求时，需要进行 地基处理，形成人工地基，以保证建( 构) 筑物的安全与正常使用。按加固原理 分类，地基处理方法主要有下述六大类：置换、排水固结、振密、挤密、灌入固 化物、加筋、以及冷热处理等。经过地基处理形成的人工地基大致上可分为三类： 均质地基、分层地基和复合地基。 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或 在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体或被改良的天然地 基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。在荷载的作用下，基体和增强体共同 承担荷载的作用。 根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合 地基。 水平增强体复合地基主要包括由各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料格 栅等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩，竖向增强体复合地基通常称为 桩体复合地基。桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为三类：散体材料桩 复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。 散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度， 单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料桩复 合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧侧 限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。 柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定的粘结强度，柔性桩中部 分强度较高的桩已较强的表现出桩的性状。柔性桩复合地基的承载力由桩体和桩 间土共同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。 刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主作为胶结材料，有时由混凝土、或由 混凝土和其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩土共同作用，通常在桩项设 置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基 具有更高的承载力和压缩模量。 从上个世纪6 0 年代复合地基概念提出到目前国内外的广泛使用，前后只有到 五十年的时间，但在这短短的几十年中复合地基理论的发展却极为迅速。原因之 一就是它引入了桩体和土体相互作用、相互受力的概念，力求把天然材料和人工 材料的潜力发挥到极至，是实用性和经济性两者的完美结合。但由于桩土材料性 质的差异，造成复合地基形式的千变万化，进而不可避免地带来很多问题，其应 力、变形等性状还需进一步深入研究。 1 2c f g 桩复合地基概述1 c f g 桩，全称水泥粉煤灰碎石桩( c e m e n tf l y a s hg r a v e lp i l e s ) ，是由碎石、 石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用各种成桩机械在地基中制成的强度 为c 5 一c 3 0 的桩。而c f g 桩复合地基就是c f g 桩、桩间土和褥垫层一起构成的刚性 桩复合地基。 这种处理方法是通过在碎石体中添加以水泥为主的胶结材料，添加以增强混 合料的和易性并有低标号水泥作用的粉煤灰，同时还添加适量改善级配的石屑， 从而使桩体获得胶结强度并从散体材料桩转化为具有某些刚性桩特点的高粘结强 度桩。 不同于碎石桩等散体材料桩，在竖向荷载作用下，桩身横向变形不显著，不 会如碎石桩般出现鼓胀破坏，并可以全桩长发挥侧摩阻力。桩落在好土层上具有 明显的端承力，桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中，其 复合地基承载力大幅度提高。另外c f g 桩没有像碎石桩那样的临界桩长，它可以 把外荷载传到深层地基。其与钢筋混凝土桩相比，桩体强度和刚度小很多，这样 有利于充分发挥桩体材料的潜力，降低地基处理费用。 c f g 桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题，于1 9 8 8 年立题进行试 验研究，并应用于工程实践。其成果于1 9 9 2 年由建设部组织鉴定，1 9 9 4 年被建设 部、国家科委列为国家级全国重点推广项目。1 9 9 7 年被列为国家级工法，并制定 了中国建筑科学研究院企业标准，现已列入国家行业标准建筑地基处理技术规 范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 。为进一步推广这项技术，国家投资对施工设备和施工工艺进 行了专门研究，并列于“九五”国家重点攻关项目，1 9 9 9 年1 2 月通过国家验收， 该技术已在全国2 3 个省、市广泛应用。 1 3c f g 桩复合地基的研究现状 c f g 桩复合地基不仅具有桩土共同承担荷载这一复合地基共有的优点，而且还 有桩身材料掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力等优点。 此外，该地基的加固方法也具有振冲碎石桩和水泥搅拌桩两者的优点：工艺简单、 无场地污染、振动影响小。据统计，与桩基相比，其工程造价可节省1 2 - 1 3 。因 此，c f g 桩复合地基近年来在我国大量推广应用，并取得良好的经济效益和社会效 益。同时，c f g 桩复合地基的研究工作也是蓬勃发展。 虽然到现在为止c f g 桩复合地基的各种理论尚不成熟，较实践远远落后。不 过经过长时间的研究发展，也有了一定成果。 2 1 3 1 理论方面 董必昌等h 。从c f g 桩复合地基沉降变形模式出发，推导出一种考虑桩一土一垫层 相互作用的沉降计算方法以及桩土应力比公式，并讨论了参数取值问题。 郭明田等怕。通过对c f g 桩复合地基的主要设计参数( 桩径、桩长及桩间距) 的 正交试验计算，分析了其主要设计参数对地基处理效果的显著性影响水平，提出 了c f g 桩复合地基优化设计的可靠方法。 杨丽君等。探讨了褥垫层在c f g 桩复合地基中的重要作用，并进一步分析了垫 层厚度和垫层材料对复合地基作用机理的影响。 詹云刚等分析了路堤荷载下c f g 桩复合地基的变形机理，根据假定的沉降模 式及桩侧摩阻力分布形式，推导出了考虑桩一土一褥垫层共同作用的简化沉降计算 公式。 毛前、龚晓南哺1 在探讨桩体的上刺入变形量与褥垫层、桩体、桩间土之间的关 系时，采用了小孔扩张理论进行分析。 王年云岸1 假定桩顶刺入褥垫层时，褥垫层的破坏滑动面形状符合t e r z a g h i 对 数螺旋线，由极限平衡分析得出褥垫层料内摩擦角的上限值。 池跃君等w 假定桩端落入硬土层，桩顶向褥垫层刺入，采用m a n d e l 与 s a l e n c o n 破坏模式进行分析，得出了桩土应力比i i 、褥垫层厚度h 、内摩擦角由 的关系式，可以根据设计要求的桩土应力比n 、褥垫层材料的内摩擦角由来确定 合理的褥垫层厚度，以及反推桩土应力比。 1 3 2 试验方面 吴春林、阎明礼等。对天然地基载荷试验、c f g 桩单桩载荷试验及c f g 桩复合 地基载荷试验结果进行了对比分析，初步总结了c f g 桩复合地基竖向荷载下的受 力特性，并提出了c f g 桩复合地基承载力的简易计算公式。 化建新等u 副根据单桩复合地基载荷试验，研究了桩土应力比随垫层厚度、垫 层材料粒径的变化趋势。 吴建奇等u 3 。通过c f g 桩复合地基的室内模拟试验研究，分析得出了桩长、褥 垫层、桩土应力比之间的关系。 杨素春u 刮通过c f g 桩单桩及三桩复合地基原位试验，对c f g 桩桩土应力比及 褥垫层厚度进行研究。 冯震等u 叫通过室内模型桩试验，分析了竖向荷载对c f g 桩的水平位移、桩身 弯矩的影响。运用三维有限元的方法对模型桩进行了模拟分析，并通过现场原型 试验对分析结果进行了验证。 张东刚u 驯基于两个现场载荷试验和两个模型试验，分析了c f 6 桩复合地基在 线性变形阶段桩间土以及桩尖下卧层的变形，认为复合地基桩间土的变形和下卧 3 层的变形构成了复合地基的总变形，提出了复合地基在线性阶段的变形计算方法。 1 3 3 数值模拟方面 郑东明等。采用有限元数值分析方法，对c f g 桩单桩带台复合地基褥垫层的 效应进行了研究，验证了褥垫层有减少承台底面应力集中，调整桩土荷载分担比， 保证桩土共同分担荷载的作用。 娄国充等副也采用平面有限元数值模拟，并在桩土之间设置g o o d m a n 单元来 模拟桩土的滑移，研究了桩长、置换率、褥垫层厚度对复合地基的影响。 王瑞芳等刈u 训采用了有限元a n s y s 程序对c f g 桩复合地基单桩、群桩的荷载 传递规律、变形特性及影响因素进行了分析，得出了减小复合地基沉降的方法和 措施，对工程有一定的借鉴作用。 何结兵等口u 利用a n s y s 程序对c f g 桩复合地基的承载与变形特性进行数值分 析，通过多种方案计算，分析研究了在不同的荷载水平、桩长、置换率、桩土模 量比、桩尖地质条件等因素下，桩土应力比和桩土荷载分担的规律。 张建伟等u 副通过有限元数值模拟分析得到了桩土沉降与荷载之间的关系，获 得了褥挚层厚度及其压缩模量对桩土应力比、桩土沉降等的影响规律。 张兵瞄驯利用有限元软件a n s y s 对c f g 桩复合地基进行了非线性有限元分析。 分别讨论了有边载和无边载两种情况下单桩复合地基和九桩复合地基的应力及变 形特性。 从上述c f g 桩复合地基的研究现状可见，随着土工计算机技术的发展，数值 分析已成为研究c f g 桩复合地基工作机理的重要手段。对于c f g 桩复合地基的数 值分析是计算机技术、数值方法、有限元分析和地基基础工程基本理论四者研究 成果的结晶。它可以模拟c f g 桩复合地基工作原理和受力状态，以便进一步探索 复合地基的作用机理、荷载传递及变形发展的过程。总的说来，c f g 桩复合地基的 研究主要集中在：桩体材料及其性状；加固机理；褥垫层技术；承载、变形特性 等方面。 1 4 本论文的研究背景 相对于工业与民用建筑而言，c f g 桩在铁路建设中的应用起步较晚，应用还处 于探索阶段。目前在铁路路基处理工程应用中，c f g 桩复合地基的c f g 桩桩径一般 取4 0 0 - - - , 5 0 0 m m ；桩间距取1 2 2 4 m ，以1 5 m 、1 6 m 居多；桩长根据土层及持力 层条件不同而不同，原则上要进入良好持力层0 5 - - 1 o m ；褥垫层的厚度一般取 3 0 - - - 6 0 c m ，以5 0 c m 左右居多，且一般均铺设一到两层的土工格栅。 铁路路堤首次引进c f g 桩技术是在2 0 0 2 年，部控科研项目2 0 0 2 g 0 1 高速铁 路软土地基沉降控制试验研究在上海安亭试验工点进行了c f g 桩复合地基试验 4 并取得了一系列研究成果。武广客专、沿海铁路等均采用c f g 桩处理土质地基， 其设计采用的计算方法主要为建筑地基处理技术规范规定的方法。广深线采 用c f g 桩处理涵洞基础、京津城际线在c f g 桩顶设置c 3 0 钢筋混凝土板的结构型 式均可归于刚性基础范畴。 铁路c f g 桩复合地基与其他工业与民用建筑行业相比主要存在以下问题：一 是传统房屋建筑基础为刚性基础，通过垫层传递到桩和桩间土上的荷载比较明确， 而铁路路堤基础为柔性基础，柔性基础条件下荷载与桩及桩间土的相互作用关系 不确定性因素较多，还没有形成公认的计算理论和设计方法；二是其他建筑荷载 为静荷载，工后阶段桩土间应力比基本能维持建筑完工后的平衡状态，而铁路地 基承受动荷载，桩土应力关系在工后阶段变化的可能性比较大，桩的上刺和下穿 都会破坏上面路基的完整性和下卧层的稳定性、对沉降控制不利；三是其他建筑 地基沉降标准最小为1 2 0 r a m ，而高速铁路路基工后沉降要求一般不大于15 r a m ，标 准远高于民用建筑地基；四是铁路线路纵向地质条件变化复杂，c f g 桩复合地基施 工质量控制更为复杂，桩基质量检测成为关键性问题，尤其是长桩和桩群质量的 快速质量检测还缺乏成熟可靠的检测方法。 京沪高速铁路北京至徐州段正线路基总长2 2 7 1 k m ( 京徐段长11 7 o k m ，徐沪 段长1 1 0 1 k m ) ，地基处理总长8 3 9 k m ( 京徐段长2 8 k m ，徐沪段长5 5 9 k m ) 。在广 泛调研国内外地基处理现状的基础上，根据分工点地基条件和路堤设计参数，采 用了以c f g 桩复合地基为主的处理方案，其处理的主要地基土为中等压缩性土。 该类土具有较高的承载力和地基稳定性，可以满足一般铁路路基工程的要求，但 是，对于铺设无碴轨道的高速铁路，经计算分析，它不能满足工后沉降小于1 5 r a m 的要求，必须采取必要的处理措施 鉴于柔性荷载下c f g 桩复合地基的作用机理、计算理论等尚未成熟，也没有 相关经验可供参考，从我国高速铁路和客运专线的发展现状来看，开展c f g 桩的 相关试验工作十分必要。在京沪高速铁路开展c f g 桩相关试验工作，一方面可优 化c f g 桩复合地基设计参数，指导京沪高速铁路c f g 桩设计与施工：另一方面， 可以通过试验工点的测试，研究分析提出柔性荷载作用下的c f g 桩复合地基的计 算方法和设计原则或验证目前采用设计计算方法的合理性，为编制相关规范提供 依据，更好地指导我国的高速铁路建设。 1 5 本论文的研究目的和思路 由于铁路路基为柔性基础，这与房屋建筑基础的刚性基础不同，使得两者在 所受荷载和桩与桩间土的相互作用都有不相同的地方。并且当前我国高速铁路建 设当中普遍使用的传统c f g 桩基静载试验检测方法，是一种在不能很好的模拟工 5 后复合地基所受荷载变化及桩与桩间土的相互作用条件下的方法，这也就在桩基 质量检测方面产生了很多问题。 本文得到了铁道部科技开发项目“高速铁路c f g 桩复合地基综合技术研究 ( 2 0 0 7 g 0 4 6 ) 资助和支持，先由项目组负责人王连俊教授提出一种在柔性基础下 的静载试验方法一即在载荷板和c f g 桩复合地基( 或褥垫层) 之间加入一层橡胶 板，来模拟高速铁路路基的柔性基础，然后通过三维模拟有限元分析及现场试验 数据对比分析，来验证这种新型静载荷试验方法的可行性，从而探讨在柔性基础 作用下，c f g 桩复合地基的桩土载荷分担情况及桩与桩间土不同位置的沉降变形情 况，得出一些对高速铁路地基工程有益的结论和建议，为柔性基础下c f g 桩复合 地基的设计、施工、检测提供可靠的依据。 1 6 本论文的研究内容和方法 1 6 1 研究内容 ( 1 ) 确定有限元模拟c f g 桩复合地基刚性和柔性静载荷试验时，载荷板、橡 胶板、褥垫层、c f g 桩、土层、桩土界面单元等的本构关系模型及模型参数。 ( 2 ) 用三维有限元软件a n s y s 对c f g 桩复合地基刚性和柔性静载荷试验进行数 值模拟分析，研究刚性与柔性静载荷试验的数值模拟分析方法。 ( 3 ) 进行现场静载荷试验，测量桩与桩间土的应力分布与沉降，研究可靠的桩、 土的应力和沉降位移的观测方法和简易可行的柔性静载荷试验方法，模拟高速铁 路柔性基础的加载过程。 ( 4 ) 研究不同试验形式条件下高速铁路c f g 桩复合地基的桩土荷载分担和桩 土沉降变形分布情况。 1 6 2 研究方法 ( 1 ) 根据有限元法的原理和利用a n s y s 有限元软件，模拟现场试验环境对c f g 桩复合地基进行三维的有限元分析，并进行数据对比，得出初步结论。 ( 2 ) 进行现场c f g 桩复合地基的单桩复合地基刚性与柔性静荷载试验，将刚 性和柔性静载荷试验数据进行对比分析，然后把实测结果同有限元计算结果进行 对照，得出最后结论，并提出未来一些可能的发展方向。 1 7 本章小结 ( 1 ) 概述了复合地基和c f g 桩复合地基的一些基本情况，明确了二者之间的 相同点与不同点。 ( 2 ) 在阅读了大量相关材料的基础上，分三方面介绍了c f g 桩复合地基的研 究现状，并以此为基础开始本文的研究。 6 ( 3 ) 说明了本论文的研究背景、目的和思路，结合研究现状提出了本论文的 研究内容和方法。 7 第二章c f g 桩复合地基的理论概述 2 1c f g 桩复合地基的加固机理 c f g 桩复合地基的加固机理主要可概括为以下五种：桩体作用、挤密作用、褥 垫层作用、排水作用和加筋作用。 ( 1 ) 桩体作用 同碎石桩或石灰桩等无粘结或低粘结强度桩相比，c f g 桩具有较高的桩体模量 和强度。荷载作用下，c f g 桩的压缩变形小于桩间软土，因此基础传给复合地基的 附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上，出现应力集中现象。大量工程实测证 明，c f g 桩的桩土应力比n 远大于碎石桩和石灰桩的桩土应力比，这说明c f g 桩的 桩体效应明显大于一般的柔性桩和碎石桩，表现出明显的桩体作用。 ( 2 ) 挤密作用 对于沙性土、粉土和塑性指数较小的分质粘土等挤密效果好的土，采用振动 沉管法等不排土成桩工艺施工，使桩问土得到挤密，桩间土强度提高，桩的侧摩 阻力提高，从而提高复合地基承载力。对于不可挤密土，其承载力的提高只是雹 换作用。 ( 3 ) 褥垫层作用 c f g 桩桩体模量大于桩间软土，则其在荷载下的压缩变形小于桩间软土。首先， 褥垫层的存在使得桩体在竖向荷载作用下逐渐产生向上的刺入量，而垫层材料的 流动补偿使得桩间土与基础底面始终保持接触，从而使桩问土承载力得到充分的 发挥，达到桩土共同承担荷载的目的。其次，褥垫层的存在减少了基础底面的应 力集中。这是因为垫层的流动补偿保证桩土共同工作，使得桩体承担的荷载有所 减少，实测资料表明桩土应力比随垫层厚度增加而减少。 ( 4 ) 排水作用 c f g 桩在饱和粉土和沙土中施工是，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超 孔隙水压力。较好透水层上面还有透水性较差的土层时，刚刚施工完的c f g 桩将 是一个良好的排水通道。孔隙水将沿着桩体向上排出，直到c f g 桩结硬为止，这 样的排水过程可以延续几个小时。 ( 5 ) 加筋作用 c f g 桩复合地基除可提高地基的承载力外，还可以用来提高土体的抗剪强度， 因此可提高土坡的抗滑能力。国外将砂桩和碎石桩用于高速公路的路基或路堤加 固，以提高地基土体的稳定性。 2 2c f g 桩复合地基的承载力计算理论乜钔心5 1 8 目前复合地基承载力计算公式较多，下面介绍两种常用的公式，其一是桩间 土承载力和单桩承载力进行合理组合叠加；其二是将复合地基承载力扩大一个倍 数来表示。 不过复合地基承载力不是由天然地基承载力和单桩承载力的简单叠加，需要 对如下的一些因素给予考虑： ( 1 ) 施工时对桩间土是否产生扰动和挤密，桩间土承载力在加固后和加固前 比较是否有降低或提高 ( 2 ) 桩对桩间土有约束作用，使土的变形减少，在垂直方向上荷载水平不太 大时，对土起阻碍变形作用，使土沉降减小，荷载水平高时起增大变形的作用 ( 3 ) 复合地基中的桩p - s 曲线呈加工硬化型，比自由单桩的承载力要高 ( 4 ) 桩与桩间土承载力的发挥与变形有关，变形小，桩与桩间土承载力的发 挥都不充分 ( 5 ) 复合地基桩间土承载力的发挥与褥挚层厚度有关 综合以上因素，结合c f g 桩复合地基的工程实践，对于c f g 桩复合地基承载 力特征值常采用如下经验公式估算： 厶= 聊争+ 筇( 1 一m ) f a ：m 争+ f l ( 1 一坍巩 “p 。 或0 = 【1 + 肌( 疗一1 ) a f l f , a = 1 + 胁( ，z 一1 ) 】尼乞 式中： 厶一复合地基承载力特征值( k p a ) ，l 一面积置换率 彳一单桩的截面面积( m 2 ) 口一桩间土的强度提高系数，口可根据经验预估或实测给定，没有经 研也无实测资料时，对一般粘性土取口= 1 0 ，对灵敏度较高的土和结构性土采用 对桩间土产生扰动的施工工艺且施工进度很快时，口宜取小于1 的数值，口= 挚 ) d k 一桩间土强度发挥系数，一般工程= 0 9 0 - 0 9 5 ，对重要或变形要求 高的建筑物p ：o 7 5 - 0 9 0 厶一天然地基承载力特征值( k p a ) 见一单桩承载力特征值( k n ) 刀一桩土应力比，一般取力= 1 0 - 1 4 厶一加固后桩间土的承载力特征值( k p a ) 由于复合地基承受的荷载达到其承载力的标准值时，桩体承载力和地基土承 载力并非同时达到标准值，于是就出现了上式中的桩间土强度发挥系数矽，而值 9 的取值显然与是否有褥垫层、褥垫层厚度、桩土刚度比、土质情况、成桩工艺等 很多因素有关，还与对复合地基的沉降变形要求有关。 单桩竖向承载力特征值见的取值有两种方法确定： 1 建筑地基处理技术规范( j 6 j7 9 - 2 0 0 2 ) 的规定 ( 1 ) 当采用单桩静载试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2 ( 2 ) 当无单桩静载试验资料时，可按下式估算 咒= “，f f + 郇a p 式中： 9 1 “。一桩的周长( m ) 刀一桩长范围内所划分的土层数 g ，f 、g 口一分别为桩周第i 层土的侧摩阻力、桩端端阻力特征值( k p a ) ， 可按现行建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 有关规定确定 t 一第i 层土的厚度( m ) 2 也可按以下两式计算，取其小值 见= 矾。爿。 兄= ( “，g “7 l j + g ，a p ) j j 式中： 5 叩一强度折减系数，取0 3 0 - 0 3 3 厶一桩体材料2 8 d 立方体试块( 1 5 c m x1 5 c m 1 5 c m ) ，为桩体混合料试 块标准养护条件下的抗压强度平均值，厶应满足3 1 a ( k p a ) 月p 甜。一桩周长( m ) 一第i 层土的极限侧摩阻力 忽一第i 层土厚度( m ) q p 一桩的极限端承力 一一单桩的截面面积( 胧2 ) 七一安全系数，k = 1 5 0 - i 7 5 当用单桩静载试验求得单桩极限承载力r 后，民可按下式计算、 r = r k 对重要工程和基础下桩数较少时，k 值取高值；一般工程和基础下桩数较多时，七 值取低值。后的取值比建筑地基处理技术规范( j g j7 9 - 2 0 0 2 ) 中规定的k = 2 降低了1 2 5 一2 5 ，这是根据工程反算并综合考虑复合地基中桩的承载力与单桩承 载力的差异、桩的负摩擦作用、桩间土受力后桩的承载力会有提高等一系列因素 而确定的。 l o 2 3c f g 桩复合地基的沉降变形计算理论瞳铂瞳5 1 沉降计算的理论和实践正处在不断发展之中，相比之下，复合地基沉降计算 远不如承载力计算研究的更深入、更成熟，尽管按变形控制进行复合地基设计更 为合理，但由于沉降计算理论尚不成熟，在实际工作中用的还比较少。 目前比较统一的的一个认识是把总沉降量分为加固区的沉降s 和下卧层的沉 降& ，分别计算再求和。 c f g 桩复合地基的沉降s 可以由下式计算得出，见图2 - 1 所示，即 s = s l + s ，+ s ， 式中： s 一桩长范围内土的压缩变形 最一加固区下卧层的变形 墨一褥垫层的压缩变形 p s ，褥缝层的难缩变彤 s l 桩长弛国内土的挂鳓变 p 一一一，一一o - - _ _ 十一一o 、一 下野层弋一& 加固区下卧层的变形 图2 1c f g 桩复合地基的沉降组成 由于褥垫层厚度不大，压缩变形量很小，因此可以忽略不计。 加固区土的压缩变形墨和是采用以下两种方法计算： 第一种沉降计算方法( 分层总和法) 对单、双排布桩的条形基础和桩数较少的独立基础，用荷载p o ( p o = p 一归， p 为基底压力，归为基底处原有的自重压力，d 为基础的埋置深度) 在基底桩间 土产生的附加应力g 。作为荷载计算加固区压缩变形墨，采用荷载风在下卧层产 生的附加应力作为荷载计算下卧层压缩变形最，计算值与实测值不会产生大的误 差，置换率越低，桩数越少，两者的差异就越小。 当荷载不超过复合地基承载力时，按下式计算复合地基沉降 s = 墨+ 岛砒( 羔争，+ 窆缸) i i i 。鲥 2 l “耐 式中： 旷加固区土分层数 n - 下卧层土分层数 a o - “一桩间土应力在加固区第i 层土产生的平均附加应力( k p a ) 哦，一荷载p o 在下卧层第j 层土产生的平均附加应力一( k p a ) e 一加固区第i 层土的压缩模量( k p a ) ，即复合土层的压缩模量 巨，一下卧层第j 层土的压缩模量( k p a ) 啊，| l ，一分别为加固区和下卧层第i 层和第j 层土的分层厚度( m ) 虬一沉降计算经验系数，根据当地沉降资料及经验确定 第二种沉降计算方法( 复合模量法) 假定加固区的复合土体为与天然地基分层相同的若干层均质地基，不同的是 压缩模量都相应扩大f 倍，这样加固区和下卧层均按分层总和法进行沉降计算。 当荷载风不大于复合地基承载力时，总沉降量s 为 s = s i + 是= 虬s = 虬( 芝等+ 窆笔咄) 式中 1 1 r 加固区土分层数 n 下卧层土分层数 ，一荷载p o 在第i 层土产生的平均附加应力( k p a ) e “一第i 层土的压缩模量( k p a ) h i 一第i 层土的分层厚度( m ) f 一模量提高系数，g - = a 1 + m ( n 1 ) 】，其中i l l 为面积置换率，n 为桩土 应力比，口为桩问土强度提高系数 y ，一沉降计算经验系数 2 4 本章小结 ( 1 ) 对c f g 桩复合地基的加固原理进行了介绍。 ( 2 ) 对c f g 桩复合地基的承载力和沉降计算方法进行了说明。 1 2 第三章c f g 桩复合地基有限元分析 3 1 有限单元法的基本原理乜6 儿2 7 3 有限单元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是工程方法 和数学方法相结合的产物，可以求解许多过去用解析方法无法求解的问题。有限 元解析法是在连续体中选择一定数量的离散点，将其离散为三角形和矩形的单元 的等价系统，建立每个单元的刚度矩阵，推导其平衡方程。在计算概念上，有限 元解析法可通过类似于对杆系结构一维问题的分析思路来求解连续介质中较复杂 的二维和三维结构的问题。 位移型的有限元法是建立在满足各单元内部及其边界上的运动协调条件的位 移函数的基础上的。其解题步骤为： ( 1 ) 结构离散化 有限元法求解的第一步是将结构或求解问题的定义域划分单元，这一过程称 为结构的离散化。所以待分析的结构必须用恰当的有限元来模拟( 建模) ，离散 化需要确定单元的类型、数量、尺寸大小和构成顺序。 ( 2 ) 选择合适的插值函数或位移模式 因为复杂结构在任意荷载作用下的位移解，不能用解析的办法求得，所以在 一个单元的局部范围内只好假设一个恰当的解来近似该未知解。从计算的角度讲， 假设的解必须简单，但又能满足一定的收敛要求。一般选择多项式来作为单元内 的位移解或插值函数或位移模式。 ( 3 ) 推导单元刚度矩阵和荷载矢量 由假定的位移插值函数，可用平衡条件或变分原理来推导单元e 的刚度矩阵 k 。和荷载矢量p 。 ( 4 ) 集成单元方程得到整体平衡方程 因为结构是由若干个有限单元组成的，所以每个单元的刚度矩阵和荷载矢量 应以一定的方式进行集成，得到总体平衡方程 而： 式中：k 为结构的总刚度矩阵；艿为节点位移矢量( 未知、已知分量都有) ； p 为整个结构的节点力矢量。 ( 5 ) 处理约束条件 总体平衡方程没有涉及到约束，即对刚体位移未作任何限制，故节点位移艿无 唯一解。因占中含有已知位移，即节点位移被约束限制的那些位移分量为已知道， 所以要对总体平衡方程进行修改，以满足结构的真实约束情况。经过处理后，平 衡方程变为 k 万= p ( 6 ) 求解未知节点位移 求解处理后的平衡方程得节点位移万。如果是线性问题，则处理后的平衡方程 很容易求解。但对于非线性问题，因为此时刚度矩阵已不是常量，故必须用特殊 的方法如增量法来求解。 ( 7 ) 节点内力，单元应变、应力计算 求出节点位移万后，就可以用结构力学、弹性力学的公式计算单元节点的内力、 应变和应力等力学参量。 有限单元法适合于分析复杂的几何形状的连续介质问题，便于引入各种要求 的边界条件，而且能成功地反映各种复杂的材料性质及其不均匀性，这些特点是 其它数值方法难以比拟的。自从有限单元法问世以来得到大家的认可，有限元十 分需求大容量、高速运算的加速计算机，近年来计算机技术的飞速发展，使有限 元的理论和应用水平节节上升。在弹性力学应用方面，从分析静力平衡问题延伸 到稳定问题、动力问题、波动问题，分析对象也从线弹性材料延伸到非线弹性、 塑性、粘弹性、粘塑性、粘弹塑性材料。有限元在木工程工程领域中应用也十分 广泛，以有限元分析为基础的各种软件己成为计算机辅助设计的重要组成部分：在 岩土工程领域，一般的数值计算方法难以解决岩土介质的问题非线性和粘弹塑性 岩土力学工程问题，而有限元得到广泛地应用，另外在基坑支护，上部结构，地 基基础共同作用等方面也得到了应用。 虽然有限元的前景十分广阔，但在使用上也存在着局限性和困难。由于目前对 材料性态的认识和解决手段仍落后于分析方法的进展，所以在选取与计算方法相 适应的本构关系和符合实际的各有关材料参数方面存在一些困难：网格划分和数 据输入容易出错，不易检查，而且要结合实际经验判断：计算模型有待进一步改进， 计算方法进一步完善，从而扩大自身应用范围。 3 2a n s y s 软件的基本介绍乜们n 们 3 2 1a n s y s 有限元的简介 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软 件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交 通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家 电等一般工业及科学研究。 a n s y s 程序是个功能强大的、灵活的设计分析及优化软件包。该软件可在大 多数计算机及操作系统中运行，从p c 机到工作站直至巨型计算机，a n s y s 文件在 其所有的产品系列和工作平台上均兼容。 1 4 a n s y s 程序为用户提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线 性分析，电磁分析，计算流体动力学分析、设计分析、设计优化、接触分析、自 适应网格划分、大应变、有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言( a p d l ) 的扩 展宏命令等功能。 3 2 2a n s y s 软件在桩土模型中的应用 ( 1 ) 单元类型 a n s y s 中可供选择的单元类型比较多，对于复合地基的分析，a n s y s 采用的单 元类型主要是p l a n e 4 2 单元和s o l i d 4 5 单元。 p l a n e 4 2 单元一般使用于二维固体结构中，此单元可以作为平面单元，既可以 用于平面应变，也可以用于平面应力分析，或者用于轴对称分析。此单元在每一 个节点上有两个自由度。即沿着坐标x 轴和y 轴方向的自由度。单元中包含了塑 性、蠕变、应力刚度、大变形和大应变分析。 s o l i d 4 5 单元为3 一d 固体结构单元，由八个节点组成。在单元每一个节点上有 三个自由度，即分别沿着三个坐标轴方向。此单元可以进行塑性、蠕变、应力硬 化、大变形、以及大应变分析。 ( 2 ) 网格划分 网格的密度对计算结果的准确性有很大的影响，网格划的越细，计算结果越 精确，但是同时所需的计算时间也越长，因此合理选择网格密度非常重要。 在复合地基有限元分析中，同时具有载荷板、褥垫层、桩和土等多种材料结 构，不同材料所需要的计算精度不同。在a n s y s 中，可以先以较疏网格划分模型 计算，然后由疏到密不断的加密网格，当前后两次的网格划分所得的结果很相近 时，即可认为精度符合要求。而且在结构复杂区域还可以局部加密网格，像桩与 桩附近的土是桩土模型研究的重点，a n s y s 就可以使这两个区域的网格比桩远端土 密，达到计算精度和计算时间的平衡。 ( 3 ) 接触 桩土模型中主要使用的是刚体柔体的面一面接触方式。把刚性体表面当作“目 标 面，分别用t a r g e l 6 9 和t a r g e l 7 0 来模拟2 - d 和3 - d 的“目标 面；把柔性 体表面当作“接触面，用c o n t a c l 7 1 、c o n t a c l 7 2 、c o n t a c l 7 3 、c o n t a c l 7 4 来模 拟。一个目标单元和一个接触单元叫一个“接触对”，程序通过一个共享的实常数 号识别“接触对 与点一面接触单元相比，面一面接触单元有如下的优点： 支持低阶和高阶单元；支持有大滑动和摩擦的大变形、协调刚度阵计算、单 元提法不对称刚度阵的选项；提供更好的接触结果，例如法向压力和摩擦应力； 没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性可以不存在自然的或网格离散引起 的表面不连续；允许多种建模控制，例如：绑定接触、渐变初始渗透、目标面自 动移动到初始接触、平移接触面以及支持死活单元。 3 3 刚性荷载和柔性荷载应力一应变模型的建立 3 3 1 几何模型的建立 在本文所建的计算模型中，模型材料分为五种：载荷板、橡胶板、褥垫层、 c f g 桩体、土体，桩身直径为4 0 0 咖，桩长为1 5 m ，载荷板采用半径为9 0 0 m ，厚 度为2 0 咖的圆形钢板。而计算过程中，将承受轴对称垂直荷载作用下的c f g 桩复 合地基认为是一个轴对称问题，使问题简化为i 4 桩体进行求解。根据以往单桩 复合地基静载荷试验的沉降结果，在距离一倍载荷板直径处，其地表沉降及其微 小，因此本模型取大于三倍载荷板直径宽度作为有限元解域的侧面边界，在深度 范围内，解域的底面边界的取值为两倍桩长深度。 具体几何模型如图3 - i 所示： 图3 - 1 几何模型 3 3 2 单元类型和应力一应变模型的选取 c f g 桩的材料由水泥、粉煤灰、碎石等组成，其成分与混凝土比较接近，其应 力一应变关系与