（交通运输规划与管理专业论文）带帽刚性疏桩复合地基数值分析和优化设计研究.pdf

摘要 p t c 疏桩复合地基在沉降控制要求较高的桥头软基加固中特别适用，近年来在 高速公路软基处理中得到了广泛的应用。但作为一种全新的软基加固处理技术其理 论研究落后于工程实践，对p t c 疏桩复合地基工作性状的理论研究地还不够，特别 是高速公路路堤填土下p t c 疏桩复合地基力学现状。论文针对上述问题，将现场试 验与有限元分析相结合，从理论分析和数值模拟等方面对带帽桩复合地基的力学性 状进行了研究和探讨，论文完成的主要工作内容如下： 1 用a n s y s 软件建立p t c 单桩模型进行数值模拟，分析了荷载一沉降曲线 特性、桩土荷载分配、桩土应力比、桩身应力、侧摩阻力等多个方面，并通过与现 在试验结果对比分析，得到有限元模拟结果与现场载荷实验结果大致一致，说明模 型是可行的。 2 通过a n s y s 软件建立了典型p t c 桩复合地基计算模型，分析了褥垫层、 桩长、桩帽尺寸、桩间距、土体模量等各种因素，对p t c 桩复合地基力学性状的影 响和变化规律。 3 在现有其它桩型复合地基研究的基础上，根据有限元分析结果，推导p 1 桩复合地基桩土应力比计算公式，将荷载进行简化，采用m i n d l i n 解和b o u s s i n e s q 解联合求解竖向附加应力，以及沉降的计算，并提出p t c 疏桩复合地基的优化设计 思路。 关键词：高速公路；带帽管桩；复合地基；a n s y s ；桩土应力比；荷载分担比； 数值分析；有限元；优化设计 a b s t r a c t c o m p o u n df o u n d a t i o nw i t hc a p p e ds p a i s op i l e t uc o n t r o ls e t t l e m e n ti s a p p l i e dt os o f t s o i l i m p r o v e m e n ta tb r i d g e h e a d i nr e c e n ty e a r s , i th a sb e e na p p l i e da b r o a di ns o f ts o f ti m p r o v e m e n to f e x p r e s s w a y b u tb eb r a n d - u e wt e c h n o l o g yo fs o i li m p r o v e m e n tw h o s et h e o r ys t u d y i n gb e i n gb e h i n d p r o j e c tp r a c t i c e w 蛐et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f p t cp 丑ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sf a i r l yi n s u f f i c i e n t ， e s p e c i a l l yu n d e re m b a n k m e n ti nt h ee x p r e s s w a y a c c o r d i n gt oa b o v ed i s c u s s i o n , c o m b i n i n gs p o t e x p e r i m e n ta n df m i t ee l e m e n tm e t h o d , t h i sp a p e rs t u d ya n da n a l y z et h em e c h a n i c sc h a r a c t e ro fi t m a i nc o n t e n t 玳a sf o l l o w s 1 u s i n gf i n i t ea n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，as i n g l ep t cp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d a n dh a v ea n a l y s e dl o a d - s e t t l e m e n t , p i l e - s o f tr a t i o ，p i l e - s o f ts t r e s sr a t i o ，p n es u f c o n t r a s t i n gw i t ht e s tl e s u l t 伽g e tt h a tf i n i t ee l e m e n tm e t h o ds i m u l a t er e s u l t a c c o r d st os p o t e x p e r i m e n t , w i t c he x p l a i n st h a tt h em o d e li sf e a s t h l e 2 u s i n gf i n i t ea n a l y s i ss o f t w 缸ea h s y s ，at y l h c a lf i cp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d a n dh a v ea n a l y s e dc u s h i o n ，t h el e n g t ho fp i l e ，s i z eo fp n ec a p ，t h ed i s t a n c eo ft w op i l e s ， m o d u l e so f s o i l , w i t c hi n f l u e n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f p t cp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 3 b a s e do nt h ef o r m e rs t u d yi d e ao fo t h e rp i t ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n , t h ec a l c u l a t i o no fs t r e s s r a t i ow a sc o n d u c t e da c c o r d i n gt ot h er e s u l to ff e ma n a l y s i s c o m b i n em i n d l i nm e t h o da n d b o u s s i n e s qm e t h o d ，t h ea d d i t i o n a ls t r e s sa n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nh a sb e e nl a yo u t a tt h ee n d ，t h e t h o u g h to fo p t i m i z i n gt h ed e s i g n o ft h ec o n t r o ls e t t l e m e n ta n ds p a r s e p i l ew i t hc a pc o m p o s i t e f o u n d a t i o n h a v e b e e n p e t f o r c c a r d k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ；c a p p e dp i l e ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；a n s y s ；p i l e - s o i ls t r e s sr a t i o ；p i l e - s o i l l o a dr a t i o ；n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；d e s i g na n do p t i m i z a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同 事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。如不实，本人负全部责任。 门，砖彳 论文作者( 签名) ： 丞么2 垒9 7 年，朋，日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子 文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布【包括刊登) 授权河海大学研 究生院办理。 论文作者( 签名) ： 耘薹薹吵年朔，于日 河海人学颅i 论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着高速公路建设的突飞猛进，我国对与公路工程技术相关课题的试 验研究也取得长足的发展，特别是关于高速公路路基处理方面的研究，因为其问题 的特殊性与复杂性而更为工程界所重视。 在我国沿江、沿湖、沿海等处广泛分布着软土【1 1 而这些地区一般又是经济发 达地区，对公路交通需要迫切，尤其要发展高速公路。这些地区除少数地段外，大 部分地质条件不太好，土层多为海相沉积、湖相沉积和河相沉积。土的类别多为淤 泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土及淤泥混砂层，属于饱和的软粘土。这些土抗剪强 度低、含水量大、压缩性大、透水性差、灵敏度高。在这类软土地基上修建公路， 会遇到稳定及变形等问题；特别是对于高速公路而言，不仅要求路堤稳定，而且对 工后沉降要求高，尤其是要严格控制工后不均匀沉降。从已建软土地基上高速公路 运行情况看，工后沉降较大，路面产生较大的不平整和横向裂缝；在桥头、涵洞、 通道等人工构造物处特别容易造成“桥头跳车”现象，轻者影响行车速度，损坏车 辆，严重的会导致交通事故，造成人员伤亡。因此，在软土地基上修建高速公路， 如何减小工后沉降是一个迫切需要解决的问题。 目前在修建高速公路时对软基的处理主要有以下几种方法：桥梁跨越、减轻路 堤荷载、地基处理、工后修补和综合处理。在实际应用中，常用的地基处理方法可 分为土质改良和复合地基两大类【2 】。土质改良包括排水预压法、强夯法、换填土层 法和其他方法。若采用堆载预压法，不仅施工工期长，而且质量难以保证。强夯法 主要是针对透水性较强的软土的加固效果明显，对软粘土不适宜。复合地基法对于 软弱地基特别是桥头过渡段，可以有效地减小不均匀沉降。 然而，为适应或适当超前经济发展要求，公路建设尤其是高速公路建设任务重 且工期紧张，常规的地基处理方法一般解决不了工期紧张的问题。刚性混凝土桩如 预应力管桩复合地基具有施工便捷、提高地基承载力、显著降低施工工期和工后沉 降的优点。因此，在深厚软土路基中，带帽预应力管桩等刚性桩基础形式在高速公 路建设中逐渐得以推广、应用。但理论研究的相对滞后，必然会制约其发展的空间 和速度。随着对这类刚性桩复合地基的同益重视，很多问题诸如桩基础型式、设计 标准与设计方法等正亟待解决。 河海人学坝i 论史 第一帝绪论 1 2 复合地基理论研究现状 1 2 1 复合地基的发展和应用 复合地基法是在天然地基中设置一定比例的增强体( 桩体) ，使桩土共同承担 荷载，并具有密实法和置换法的效应 3 1 。复合地基与桩基都是采用以桩的形式处理 地基，两者有其相似之处，但复合地基属于地基范畴，而桩基属于基础范畴，所以 两者又有其本质区别1 4 1 。 1 9 6 2 年，国外首次使用复合地基一词。在我国，复合地基概念的提出是工程界 对碎石桩、挤密桩、石灰桩等加固地基的机理认识的深化。用复合地基的理论去研 究分析某些地基加固方法，往往容易得到与实际比较一致的结果。随着工程实践的 发展，复合地基的内涵也在不断的延伸。广义的复合地基包括水平向增强体复合地 基和竖向增强体复合地基两大判5 1 。狭义的复合地基主要指竖向增强体复合地基， 以下简称复合地基，如图1 1 所示。 图1 i 复合地基示意图 复合地基有两个基本特点：一是复合地基加固区是由基土和增强体两部分组成 的；二是在荷载的作用下，基土和增强体共同承担荷载的作用。 叶书麟( 19 9 4 ) 按成桩材料，将复合地基分为三类1 6 j ： ( 1 ) 散体土类桩复合地基，如砂桩、碎石桩、矿渣桩、渣土桩复合地基； ( 2 ) 水泥土类桩复合地基，如水泥土搅拌桩、旋喷桩复合地基； ( 3 ) 混凝土类桩复合地基，如混凝土疏桩、小桩、树根桩、c f g 桩复合 2 i j 海人学顾i 。论义第一帝绪论 地基。 散体材料桩需要桩周土的约束才能形成桩体，其承载力取决于桩周土所能提供 的侧限力；柔性桩、刚性桩复合地基在荷载作用下，通过桩周摩擦力和桩端阻力把 作用在桩体上的承载力传递给地基土体 4 1 。 复合地基能充分发挥天然地基和地基处理材料的潜能，最有效地利用资源，节 约投资。当前，复合地基处理技术在工业与民用建筑、高速公路等工程中得到广泛 的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。随着地基处理技术的发展，复合地基 在土木工程建设中大量运用，人们对复合地基荷载传递机理的认识不断深化1 1 4 1 ，促 进了复合地基理论的发展。 1 2 2 刚性桩复合地基研究应用现状 1 2 2 1 试验研究 从现在已有的文献资料来看，对刚性桩复合地基进行的试验研究主要是单桩复 合地基试验，试验内容大多是测定p 喵曲线，其中部分试验测试了桩土应力比，而 对群桩复合地基的现场测试较少。试验场地以北方地区的居多，东南沿海软土场地 的现场试验较少。其中有代表性的试验有： ( 1 ) 阎明礼1 7 1 等对不f 司桩身模量情况下的大比例单桩复合地基模型进行了载荷 试验。试验结果表明：仅仅桩身模量改变的情况下。复合地基的荷载一沉降曲线基 本相同。这表明桩体材料刚度的变化对刚性桩复合地基承载性能影响不大。同时， 阎明礼等在静三轴仪中对用桩体材料制成的圆柱体试件所做不同围压下的三轴压 缩试验表明，高粘结强度材料在不同围压下的应力应变曲线几乎重合，围压对其压 力变形关系没有影响。在破坏之前，应力与应变呈线性关系，其变形模量远大于土 体的变形模量。张雁等( 1 9 9 3 ) 认为，在实际工程中桩体材料的强度一般控制在l o m p a 左右比较合适。 ( 2 ) 阎明礼【8 1 等在中国建筑科学研究院地基基础研究所模型实验室进行了3 组 大比例的模型试验，试验共包括3 9 个单体试验。 第一组试验首先对不同桩长情况下单桩复合地基沉降特性进行了对比。结果表 明；加荷初期不同桩长情况下的沉降曲线差别不大，但在较大的荷载下，沉降随着 桩长的增大而减小，加大桩长能够明显提高承载力。其次，试验分别对4 桩复合地 基和6 桩复合地基分别进行了桩土应力比的测试，并考查了不同垫层厚度情况下的 i 1 1 i 海人学坝i 论义第一市绪论 桩土分担情况。 第二组针对上部土质较好，下部土层相对较软时的复合地基进行了一组9 桩的 复合地基试验。试验测定了复合地基的变形场及基底反力。 第三组对比了不同桩长情况下的9 桩复合地基变形场。试验测得了桩土受力时 程曲线、桩的上下刺入、垫层、加固区以及下卧层的变形，桩间土的深层变形曲线 等。 上述3 组试验比较了不同桩长、垫层厚度对桩土分担的影响，以及桩长、桩数 对复合地基变形场的影响，同时还与天然地基进行了对比。试验结果对研究桩土分 担以及刚性柱复合地基的深层变形特性具有指导意义。 ( 3 ) 阎明礼等( 1 9 9 2 ) 对桩端持力层不同的单桩复合地基进行了现场载荷试 验。其中一组桩端土落在较硬的透镜体上，而另一组没有。试验表明：相同荷载下， 端土较硬的复合地基其沉降明显较小。这表明桩端土强度的变化对刚性桩复合地基 承载力的影响很大。 ( 4 ) 龚晓南【9 烽对不同置换率的“双灰”低强度混凝土单桩复合地基沉降进行了 对比。这里的“双灰”低强度混凝土桩指的是在碎石体中加入适量的砂、粉煤灰、石 灰和少量水泥加水拌和制成的一种具有粘结强度的低强度混凝土桩。这种桩型加固 土体则形成刚性桩复合地基。试验表明；“双灰”低强度混凝土桩复合地基能很好的 起到加固土体的作用，地基的承载力显著提高而沉降则降低。 ( 5 ) 化建新【l o l 等通过改变垫层的材料和厚度，做了9 组单桩复合地基的试验， 测得各级荷载下的桩土应力比。对褥垫层的性质与厚度进行了讨论，并建议c f g 桩复合地基的褥垫层采用1 0 0 2 0 0 m m 厚，碎石层为宜。 ( 6 ) 黄涛【l l l 等通过试验研究总结了c f g ( 水泥粉煤灰钢渣桩) 复合地基的设计、 监测和加固效果，其中特别对c f g 桩复合地基的承载力特性、附加应力、桩土应 力分担比、荷载分担比各自特征和相互关系进行了分析论述，与类似的c f g 桩复 合地基做了简单的对比。 ( 7 ) 李春列1 2 1 等通过有、无边载作用下c f g 桩复合地基静载荷试验的对比， 分析了边载对复合地基的影响。试验结果表明：边载增大了土的分担作用，对提高 复合地基承载力具有明显作用，并指出刚性桩复合地基的深度修正系数对于强度较 高的土取1 0 偏安全，建议可根据不同的土性，结合工程经验适当提高深度修正系 4 i i 海人学硕i 论直笫一章绪论 数。 c 8 ) 郭忠贤0 3 等通过对素混凝土桩复合地基载荷试验测定了桩顶反力、桩间 土反力，研究了桩、土受力特征。分析了复合地基的桩土应力比，桩、土荷载分担 比，桩体应力集中系数和桩间土应力减少系数的变化规律。 ( 9 ) 池跃君【1 町等在两种土质中各进行了l 组9 桩复合地基试验。在桩问土及 桩身分别埋设压力盒和钢筋计，对刚性桩复合地基桩间土不同深度的竖向应力、桩 身轴力、侧摩阻力进行了观测。所得结果揭示了桩间土竖向应力以、桩侧摩阻力的 分布规律以及荷载传递的全过程。试验结果可以为刚性桩复合地基沉降计算的假定 提供合理依据，同时，能够为荷载传递机理的研究带来帮助。 ( 1 0 ) 朱世哲f 1 5 】对刚性桩处理的路基进行了现场试验研究，主要分析了在复杂 的地质条件下，如有杂填土或填塘情况下刚性桩复合地基的性状。观测了路基沉降， 土体沉降和孔隙水压力的变化。 此外。王步云等，张聚山等，岂连生，黄涛，娄国充对单桩复合地基桩土分担 比进行了测试【5 9 6 。 1 2 2 2 解析方法 求解刚性桩复合地基的解析解十分困难，其原因在于挚层的加入和桩土界面的 错动，以及桩间土本构关系的复杂性。因此一些学者作出各种假定并简化力学模型， 以能够对刚性桩复合地基体系进行求解，为进一步的理论探讨和理解刚性桩复合地 基的工作特性有很大帮助。 ( 1 ) 阎明礼嗍等假设基础中点下( 垫层底) 附加应力所产生的压缩变形等于该 点桩的刺入变形，在弹性范围内分别求出了土层的压缩沉降与桩的沉降量，然后利 用变形协调的关系求出了桩土荷载分担比。在求土层的压缩沉降时采用分层总和 法，求桩的沉降时用等效剪切模量法。 ( 2 ) 王长科、郭新海【1 6 1 在对基础垫层复合体体系共同作用的分析中假定垫层 可压缩，桩间土为均质体。垫层、桩、桩问土的力学模型均采用弹簧模式，即：压 力等于刚度系数乘以变形。弹簧的刚度系数不等，相互之间无影响。整个复合地基 视为垫层与桩、垫层与桩间土分别构成串联弹簧后再将两部分并联起来的弹簧模 型，与w i n k l e r 模型类似。根据这个模型给出了桩土应力比厅的计算公式： j 1 1 海人学坝i 论史第一章绪论 ll 上 一= * l k pk c p 式中，乞为桩闻土压力下桩问土的刚度系数；气为桩闯土压力下垫层的刚度系 数；为桩顶压力下桩的刚度系数；为桩顶压力下垫层的刚度系数。 ( 3 ) 毛前、龚晓南【1 刀利用v e s i c 球孔扩张理论对桩体刺入垫层的情况进行了研 究，并推导了一种桩土荷载比名的表达式。该推导的假定条件为：桩问土和垫层都 是理想弹塑性体；材料服从m o h r - c o u l o m b 破坏准则；垫层足够厚；刺入变形只发 生在垫层，而下卧层为不可压缩层；桩头为半球形，初始状态以一均布压力p 向周 围垫层材料扩张；随着桩承担荷载p 的增加，扩张压力p 也在增大，并使球形孔周 围区域由弹性状态逐步进入塑性状态；该解答没有考虑桩侧的摩阻力，桩为弹性体。 由此得到了弹性阶段和塑性阶段的桩土荷载比。 ( 4 ) 王年云( 1 8 , m l 在探讨垫层所能采用的最大厚度时假定垫层符合晚a g h i 破 坏模式。当桩顶向垫层刺入时，垫层内土体的滑动面形状会出现两类：第一类，当 垫层厚度相当大时，承台底面不与滑动面接触，桩顶垫层内土体的滑动面形状符合 t e r z a g h i 对数螺旋线的破坏模式；第二类，当挚层厚度不大时，承台底面与滑动面 相割。该文认为承台底面和滑动面顶点刚接触时的垫层厚度是比较合适的厚度，并 基于第一种滑动面形状，利用t e 忆a g b i 极限承载力公式给出垫层内摩擦角与垫层最 大厚度的关系。 ( 5 ) 傅景辉、宋二祥【2 0 】考虑基础一垫层一桩一土的共同作用，求得桩土应力 比。求解中假定：基础具有足够大的底面积，桩等间距布置；上部结构在基础底面 产生的压力经垫层调整后，分别以均布荷载的形式作用于桩顶及土体表面垫层与土 为均质弹性体；只考虑附加应力作用；考虑桩土界面错动。 在以上假定的基础上先利用桩体微单元竖向受力平衡微分方程求出桩侧摩阻 力f 的表达式，然后采用分层总和法计算不同深度桩间土的沉降，最后利用桩土界 面剪力与位移协调的关系以及垫层处的边界条件求出桩体微分方程的解，进而求出 桩土分担比和荷载。文献没能考虑土体的非线性。 ( 6 ) 沈伟等川对群桩复合地基中桩、土、垫层的基本单元进行了求解。该解 6 i | f 海人学颀i 论史 第一帝绪论 答对桩间土应力与变形采用弹性理论求解，不再采用分层总和法。求解时分别对桩、 土列竖向受力平衡方程，然后利用桩土界面剪力与位移协调的关系以及垫层处位移 协调关系进行求解。 ( 7 ) 池跃君峰根据桩、土和垫层的共同作用，推导出大面积群桩中桩、土 的荷载传递基本微分方程并给出解答。该方法提高了计算速度，土性参数均为常规 指标。该方法还考虑了桩侧摩阻力随侧向土压力的变化以及垫层、土体压缩模量随 压力的变化。 ( 8 ) 朱世哲【1 习推导了带垫层的刚性桩复合地基桩土应力比的计算公式，将垫 层分为弹性体和理想弹塑性体两种情况，并考虑了刚性桩刺入垫层和下卧层的情 况，对公式进行了分析，推导出了刚性桩桩顶刺入垫层深度的计算公式。 1 2 2 3 数值方法 ( 1 ) 杨军等嘲采用三维有限元程序对2 4 m 宽条形基础下的刚性桩复合地基进 行了计算。计算采用了d u n c a n - c h a n g 非线性弹性模型。计算中对比了有、无垫层 情况下的桩土分担比及桩身轴力。 ( 2 ) 阎明礼【8 】等分别采用二维轴对称、三维有限元程序对其进行的刚性桩复合 地基模型试验进行计算。计算采用d u n c a n - c h a n g 模型，轴对称有限元中采用四节 点等参元，同时兼容三角形单元：三维问题中采用八节点等参元。计算内容为不同 荷载级别下9 桩复合地基模型试验的变形场、竖向应力等值线，并与无垫层的桩基 础进行了比较，给出了刚性桩复合地基端阻力随影响因素( 基础宽度口，桩间距s a ) 的变化规律。 ( 3 ) 李春灵【1 2 1 采用三维八节点等参元对其进行的无边载情况下的刚性桩复合 地基模型试验进行了计算。该计算中土体、垫层为d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性材料；桩 体为线弹性体：底板刚性；桩土界面及荷载板与垫层问不发生相对滑移。计算内容 为不同级别荷载下9 桩复合地基模型试验的变形场、竖向应力等值线、桩身轴力。 ( 4 ) 郑东明讲1 等采用八节点轴对称有限元对不同垫层厚度情况的刚性桩复合 地基分别进行了计算。计算了桩土应力比与垫层厚度的关系，以及桩身轴力在不同 垫层厚度下的变化情况。计算视承台、桩体为线弹性，土体为非线性，并采用 d u n c a n - c h a n g 模型，垫层为d r u c k e r - p r a g e r 理想弹塑性模型，并认为桩与周围土不 发生错动。 7 w 海人学帧i 论文 第一章绪论 ( 5 ) 李宁、韩煊1 2 5 捌对复合地基中褥垫层的作用进行了计算分析。对比了几 种不同桩身模量的群桩复合地基加褥垫层后的承载性状。计算模型采用三维有限 元，土体为线弹性，桩土界面用1 6 节点接触单元，并服从m o 睡c o i l l o m 破坏准则。 ( 6 ) 葛忻声叨用数值分析方法建立了高层建筑刚性桩复合地基的整体弹塑性 模型，其中土体采用空间八节点等参元，上部结构的梁、柱构件采用三维梁单元模 拟，桩则采用三维管单元模拟。土体选用d r u c k e r - p r a g e r 理想弹塑性模型，桩及梁 柱取为线弹性模型。文中考虑上部结构的刚度、桩土模量比、垫层、置换率等因素 的变化对刚性桩复合地基所产生的影响。 ( 7 ) 朱世刮1 5 1 结合现场试验进行建模，并进行有限元计算模拟，得出刚性桩 复合地基应用于路基工程时地基士的附加应力分布，复合地基压缩沉降变化，桩体 受力以及超孔隙水压随时间变化等，并和实测情况进行了分析比较。文中地基土视 为理想弹塑性体，土体模型采用m o h r - c o u l o m 模型。 1 2 3 刚性桩复合地基承载力及沉降计算方法研究现状 1 2 3 1 刚性桩复合地基承载力计算方法 刚性桩复合地基工程实践积累较少，刚性桩复合地基技术尚在发展过程中，其 承载力计算理论也在发展中。如同其他的桩体复合地基一样，刚性桩复合地基承载 力计算思路也是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力，再根据一定的原则叠 加这二部分承载力得到复合地基的承载力。 龚晓静堋提出桩体复合地基的极限承载力p 。普遍表达式可用下式表示： p 矿= k i ，l p + k 2 如( 1 一m ) p 矿 式中：p p 单桩极限承载力( k p a ) ； p 0 天然地基极限承载力( k p a ) ； 墨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 ； 圮反映复合地基中桩i b j 土实际极限承载力与天然地基极限承载力不同的 修j 下系数；其值视具体工程情况确定，可能大于1 0 ，也可能小于1 0 ； 复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例： 河海人学顿i 论文第一审绪论 五复合地基破坏时，桩日j 土发挥其极限强度的比例； m 复合地基置换率。 其中，复合地基中单桩的极限承载力和天然地基极限承载力可以通过静载荷试 验获得，也可以通过地质勘探资料计算得到。桩闻土的极限承载力可取天然地基极 限承载力，有时需考虑桩体设置造成的影响。单桩的极限承载力与复合地基的破坏 模式有关，因而也与桩体材料直接相关。 若能有效的确定复合地基中桩体和桩问土的实际极限承载力，而且破坏模式是 桩体先破坏引起复合地基的全面破坏，建筑地基处理技术规范建议在初步设计 阶段可以按下式计算承载力： 硼冬4 - 胛叫) 厶 式中，p 甜复合地基承载力特征值( k p a ) ； m 面积置换率； 兄单桩竖向承载力特征值( 1 满) ； 彳。桩的截面积( 1 n 2 ) ； 桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值； 厶处理后桩间土承载力特征值( k p a ) ，宜按当地经验取值，如无 经验时，可取天然地基承载力特征值。 1 2 3 2 复合地基沉降计算方法 深厚软土地区建筑工程事故不少是由于沉降过大，特别是不均匀沉降过大引起 的，许多工程采用复合地基处理方法主要是为了减少沉降。复合地基沉降计算在复 合地基设计中占有重要地位。 目前复合地基沉降计算中，通常不考虑垫层的压缩量，将其沉降量分为两部分， 即复合地基加固区压缩量s 和下卧层压缩量曼，总沉降通常表达为： s = s i4 - s l 9 j l i 海人学坝i 论义 笫一章绪论 f 图1 2 复合地基沉降计算示意图 在复合地基沉降计算中，加固区沉降墨的计算方法主要有复合模量法( e c 法) 、 应力修正法( e 法) 和桩身压缩量法( e p 法) 等三种计算方法；而对于下卧层的沉降是 则采用分层总和法进行计算，包括压力扩散法、等效实体法和改进的g e d d e s 方法 等1 2 9 1 。 1 加固区压缩量s 的算法 ( 1 ) 复合模量法( e 法) 复合模量法是将桩问土体和桩体视为整体，在上覆荷载作用下，用复合模量采 用分层总和法来计算复合地基加固区的压缩变形。建筑地基处理技术规范 ( j g j 7 9 9 1 1 【跏中计算复合地基中复合模量公式为： e 。= m e 。+ ( 1 一肌) e 复合地基表面的荷载采用平均荷载强度，其加固区的压缩量可用下式计算： s t2 军n a p , 式中：印第f 层复合土体上附加应力增量； 日第i 层复合土体的厚度； 复合模量法要求桩、土整体变形协调一致1 0 l ，而刚性桩复合地基中，桩体通常 会向下卧层和褥垫层发生刺入，当垫层上为柔性基础时，采用e 法计算结果会偏于 l o i l i 海人学坝l ：论文 第一章绪论 不安全。 ( 2 ) 应力修正法( 五法) 应力修正法以桩间土作为计算对象，根据桩间土上的荷载，按照桩问土的压缩 模量，采用分层总和法计算加固区的压缩量。桩间土上荷载的计算式为： p l = + m ( 蚪一1 ) ) 。, p 式中：p 复合地基上平均荷载强度； 复合地基中桩土应力比； 以应力修正系数，z , 2 i 写而1 在算出桩间土的荷载后，即可采用分层总和法计算其加固区范围内的压缩量。 ( 3 ) 桩身压缩量法( e 。法) 桩身压缩量法通过计算桩体的压缩量来求得复合地基加固区的沉降。桩身压缩 量可根据作用在复合地基中桩身应力和桩体变形模量来得到，计算加固区沉降时还 需考虑桩端向下卧层的刺入量。桩身应力计算涉及到桩顶荷载和桩侧摩阻力的分 布，复合地基中桩体上荷载的计算式为： 毋2 + 所( 川) ) 2 以p 式中：纬_ 力集中系数，p = 南。 桩侧摩阻力的分布相当复杂，一般假设为沿桩身均匀分布。此外还需计算桩端 反力才能得到桩身应力分布，然后沿桩长进行积分得到桩身压缩量。 2 下卧层压缩量s ，的算法 计算下卧层压缩量时，主要是求得作用在下卧层顶面上的荷载。目前工程实践 中，才采用以下几种计算方法。 ( 1 ) 压力扩散法 压力扩散计算方法如图1 4 所示，若以d 、口分别表示复合地基表面荷载的长 度和宽度，假设加固区压力扩散角为，则下卧层上的荷载以计算式为： 洲海人学坝i 论文第一帝绪论 所= 面砑忑丽b o 万p 砑面j 式中：h 如图所示为复合地基加固区厚度。 下卧层下卧层 图l _ 3 压力扩散法计算示意图 图1 4 等效实体法计算示意图 ( 2 ) 等效实体法 等效实体法将复合地基加固区视为一整体，等效实体四周作用有侧摩阻力厂， 则下卧层上的荷载p 。计算式为： 仇= b d p - 五2 ( b 矿+ 一d ) h f 应用等效实体法计算方法的关键是在于合理选用侧摩阻力厂，当桩、士相对较 小时，厂变化大，很难合理估计，计算误差往往较大 2 9 1 。 ( 3 ) 改进g e d d e s 法 s d g e d d e s ( 1 9 6 6 ) 认为单桩在荷载的作用下可近似作为桩端集中力、桩侧均 匀分布的摩阻力、桩侧随深度线性增长的摩阻力三种形式的组合，并根据弹性理论 半无限体中作用一集中力的m i n d l i n 应力解积分，导出了上述三种荷载在地基产生 的应力计算公式。 黄绍铭等( 1 9 9 1 ) 建议计算复合地基沉降时将桩、土荷载分开来考虑，桩体荷 载引起的竖向应力按上述g e d d e s 法计算，再与桩问土上荷载在地基中产生的竖向 应力叠加，然后用分层总和法计算复合地基加固区下卧层的沉降【2 9 1 。 此外，也有不少学者采用有限单元法计算复合地基的沉降。 丌州叫j tlilii叫iilf土阿州叫j 河海人学坝i 论文 第一辛绪论 1 3p t c 疏桩复合地基概述 1 3 1p t c 桩的发展和应用 预应力管桩是一种新型基桩，是由专业厂家采用先张法预应力工艺和离心成 型，蒸汽养护而成，是一种细长空心等截面预制混凝土构件。 预制混凝土桩被广泛应用于各类建筑物和构筑物的基础工程上，如高层建筑、 公共建筑、一般工业与民用建筑、港口、码头、高速公路、桥梁、重型机床、仓库、 护岸等领域。回顾它的发展历史，桩在罗马时期已开始应用，那是木短桩。1 8 9 4 年 h e n n e b i g u e 发明了预制混凝土桩。1 9 0 6 年，出现了采用配螺旋筋的混凝土桩，桩的 形状开始设计并使用三角形、正方形、六角形、八角形。1 9 2 0 年，澳大利亚人 w r h t m a e 发明了用离心密实混凝土的成型方法，很快用来制造环形管桩、圆锥形 桩、竹节形桩及各种管子和混凝土电杆。1 9 2 5 年日本引进了这种技术用于钢筋混凝 土管桩，1 9 3 4 年开始制造离心混凝土管桩( r c 管桩) ，1 9 6 2 年开发了预应力混凝土 管桩( p c 管桩) ，1 9 7 0 年又开发了离心预应力高强度混凝土管桩( p h c 管桩) ，并在 1 9 8 2 年制定了j i s a 5 3 3 7 先张法离心高强度混凝土管桩标准【3 0 l 。我国在1 9 4 4 年 开始生产r c 管桩，2 0 世纪6 0 年代末期铁道部丰台桥梁工厂开始生产先张法预应 力混凝土p c 管桩，当时主要用于铁道桥梁工程的基础建设。1 9 6 9 年开始批量生产， 7 0 年代研制后张法预应力悬滚离心混凝土管桩( 雷蒙特桩) 。8 0 年代以来，我国开 始研制p h c 管桩。1 9 8 4 年，参照英国h s 标准和日本j i s 标准，广东省部分厂家从 国外引进主要生产设备，软件以国内为主开始研制和应用p h c 管桩。1 9 8 7 年上海 交通部第三航务工程局混凝土预制品厂从日本引进了p h c 管桩的制造技术和设备， 开始用于码头等水上工程。我国于1 9 9 2 年制定国家标准先张法预应力混凝土管 桩( g b l 3 4 7 6 1 9 9 2 ) ，并于1 9 9 9 年进行了修订( g b l 3 4 7 6 - 1 9 9 9 ) 。根据目前我国预 应力混凝土管桩生产企业的实际情况，管桩按混凝土强度等级分为预应力混凝土管 桩( 代号p c ) 、预应力高强混凝土管桩( 代号p h c ) 和预应力混凝土薄壁管桩( 代 号p t c ) 【3 1 捌。 从大量的工程实践来看，与传统的沉管灌注桩，钻孔灌孔桩和现场预制方桩相 比，预应力管桩具有桩身质量稳定可靠、施工工期短、承载力高、造价经济、监理 方便等优点，而且，预应力管桩的规格型号众多，配桩极为方便，因此近年来已越 来越受到工程界技术人员和建设业主的欢迎，在工业与民用建筑和高速公路等建设 l t f 海人学帧l 。论文 第一帝绪论 领域发展迅猛。自2 0 0 2 年以来，预应力管桩复合地基技术先后用于沪嘉杭高速公 路、苏州绕城高速、汕汾高速 3 3 l 、沪宁高速公路拓宽工程等高速公路软基处理土程。 在高速公路桥头软基处理课题中，p t c 疏桩复合地基处理方式属刚性摩擦桩复 合地基，其布置方式与一般复合地基不同，除桩距( 7 5 倍桩径) 较大外，需在桩 顶设置桩帽。由于路基为柔性基础，而p t c 桩单桩承载力较高，桩帽的作用主要体 现在充分利用桩的承载能力，同时减少桩顶对路基的刺入量1 3 4 1 。p t c 疏桩复合地基 属长桩疏布，桩帽顶铺设褥垫层，带帽桩体与桩帽间土通过褥垫层协调作用共同承 担路堤及行车荷载，如图1 - 5 所示阅。 中央分隔带 图1 - 5p t c 疏桩复合地基处理示意图 原地面 、 = = 7 1 3 2 预应力管桩的理论研究 预应力管桩技术的应用虽然己经非常广泛，但其理论方面的研究还比较少。目 前的研究主要是单桩承载机理和承载力方面。 朱红兵1 3 6 从分析预应力管桩的两大效应一土塞效应和挤土效应着手，详细剖析 了预应力管桩的受力性状以及独特的承载机理，对大量的预应力管桩竖向静载荷试 验结果进行了统计归纳，并对管桩实际承载力与设计计算承载力之间的差异进行了 分析研究，提出了对建筑桩基技术规范中的经验公式的修正公式，并通过计算 值与实测值的对比，验证了修正公式的实际意义。 j u l a h w a l ll e e 等1 3 7 1 通过室内模型试验和现场试验，分析了砂土中闭口和开口管 桩的承载力。文中还讨论了闭口管桩试验中静力触探的侧摩阻力与端阻力之比和砂 土密实度的关系，以及丌口管桩的填充比和密实度的关系。会兴平1 33 j 通过荷载传递 计算和实测资料分析了桩侧土性质、桩端土性质、桩身混凝土弹性模量、预应力管 1 4 河海人学坝f ：论文 第一章绪论 桩的桩径、开口预应力管桩管壁厚度、进入持力层深度对预应力管桩的承载力性状 的影响，并利用实测资料研究了开口管桩土塞的工作性状：通过静力触探的锥尖阻 力和侧壁摩阻力与预应力管桩的端阻的相关分析计算，建立了利用双桥静探的侧摩 阻力和锥尖阻力来估算预应力管桩单桩竖向极限承载力的计算公式。 陈志芳 3 9 1 通过现场静载试验的方法，对带帽p t c 单桩以及双桩复合地基的承 载性状进行研究，分析桩身、桩帽、桩问土共同作用下其沉降变形规律。试验结果 表明，土体在承载过程中存在滞后效应，随着上覆荷载的增大，复合地基的沉降变 形呈现两个阶段性的变化，在第一阶段主要由桩体承担荷载，在第一拐点处桩体到 达极限，第二阶段土体共同承载，第二拐点处土体到达极限，复合地基发生破坏 桩帽将更多的荷载传至桩体，使得桩体的承载力得以充分发挥，桩帽也改善了桩顶 的应力集中状况，整个桩体的上刺量很小。地表土压力可以看成均匀分布，桩间土 受荷沉降时对桩体会产生负摩擦力，相同沉降下，桩体承载力较之自由状态有所降 低。同时，试验分析表明碎石垫层的作用并不明显。 总体来说，目前p t c 桩的研究还处于起步阶段，p t c 桩的理论远落后于工程 实践，需要通过大量的现场试验资料和模型试验数据来验证p t c 桩已有理论成果， 并且展开大型足尺模型试验来验证已有结论。 1 4 存在的问题及本文的主要工作 1 4 1 问题的提出 了解荷载作用下复合地基的应力场及位移场的分布规律对进行复合地基的沉 降计算有着重要的意义。现行规范中复合地基沉降主要是基于刚性基础下复合地基 的，主要是根据以下三个基本假定1 2 8 ，4 0 l ：( 1 ) 基础为刚性，基底处桩与桩间土的竖 向变形相同；( 2 ) 在竖向荷载作用下桩与桩问土只发生竖向变形，不发生侧向变形； ( 3 ) 复合地基土内部任意水平截面上桩与桩间土的竖向压缩变形相同。对于刚性 基础，假设( 1 ) 是显而易见的，为满足桩土竖向变形协调，假设( 3 ) 也是成立的， 假设( 2 ) 则要根据桩体的材料性质( 刚性桩、柔性桩或半刚性桩) 具体分析。对 于路堤等柔性荷载作用下的复合地基来说，受力变形后基底处桩与桩间土的变形是 不相同的，因此现行的复合地基计算方法不适合路堤堤坝等柔性基础下的复合地 基。 河海人学顾i 。论立=第一章绪论 对刚性基础下复合地基的研究，国内外已开展了大量的研究工作，通过室内试 验、理论分析( 包括解析方法和数值方法) 和现场测试等方法对复合地基的承载力、 变形、桩土应力比、荷载传递机理等进行了了大量的研究工作。随着高速公路的迅 猛发展以及软弱地基处理的迫切需要，管桩复合地基作为一种有效的处理手段，已 经得到了广泛的关注，并且已经被大量的应用。但目前对管桩的研究多数集中在设 计理论和施工工艺方面，在设计方面大多是根据现有的其他半刚性桩的理论或经 验。因此管桩复合地基承载和沉降机理的复杂性以及理论研究的相对滞后，必然制 约管桩复合地基在实际工程中的应用和发展。 路堤荷载下用管桩对软弱地基处理后，我们关心的是复合地基的承载力和沉降 问题。这两个问题是关联的，在过去的工作中，对软土路堤的设计偏重于稳定性分 析，设计的标准是要满足稳定性要求。目前，高速公路的发展以及城市道路下埋设 管线等对沉降标准的要求，使得路基对变形要求非常突出，地基处理的发展趋势转 变为以控制工后沉降为目标。因此，对管桩复合地基沉降规律的研究，对与复合地 基沉降密切相关的桩土应力比和桩侧摩阻力分布的研究，是非常迫切和必要的。 1 4 2 本文的主要工作 在有限元分析软件与现场试验的框架下，建立有限元计算模型，通过数值计算， 研究其工作机理，寻求沉降变形、荷载传递、桩土应力比、桩侧摩阻力等桩土相互 作用方面的一般性规律；在前人研究的基础上，扬长避短，吸收6 管人合理的分析方 法与研究成果，对p t c 疏桩复合地基进行创新研究，在沉降计算、荷载传递等方面 的理论分析和计算方法上有所突破，从而提出p t c 疏桩复合地基优化设计方法。 根据工程实践的需要和目前复合地基的研究现状，本文从以下几个方面做工 作： 1 、将有限元方法应用于复合地基的研究，用a n s y s 软件建立p t c 单桩模型 进行数值模拟，分析了荷载一沉降曲线特性、桩土荷载分配、桩土应力比、桩身应 力、侧摩阻力等多个方面，并通过与现在试验结果对比分析，得到有限元模拟结果 与现场载荷实验结果大致一致，说明模型是可行的； 2 、用三维有限元分析p t c 疏桩复合地基中桩土模量比、桩的长径比、桩帽大 小、置换率等因素对复合地基变形、桩土应力比的影响和变化规律，提供了数据以 供工程实践参考； 1 6 河海人学顾l 论文 第一帝绪论 3 在现有其它桩型复合地基研究的基础上，根据有限元分析结果，推导p t c 桩复合地基桩土应力比计算公式，将荷载进行简化，采用m i n d l