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c f g 桩联合碎石桩长短桩结合的复合地基优化设计研究 摘要 干振碎石桩、c f g 桩等复合地基已经广泛的应用在工程建设中，并具有 良好的安全性和经济实用性，经济效益和社会效益都很显著。目前，其理论 和设计还不够完善和成熟。随着复合地基技术的发展，设计者不再局限于传 统的设计模式，他们开始寻找越来越多的新技术，以便建立更严谨和合理的 设计理论。 本文首先分别详细介绍了干振碎石桩、c f g 桩复合地基的加固机理以及 设计计算等内容，然后在c f g 桩、干振碎石桩承载和变形研究的基础上，建 立了承载力和沉降双重控制的c f g 桩联合干振碎石桩长短桩结合的复合地基 优化设计模型。 相应于桩长相等的复合地基，本文论证分析了散体桩( 干振碎石桩) 和 刚性桩( c f g 桩) 两种桩型长短桩相结合的复合地基，并建立了承载力和变 形双重控制下的优化设计模型。进而将实用非线性规划理论运用到优化模型 的求解中，针对本文所建立的优化模型，选用l i n g 0 9 0 进行计算。最后， 在结合具体某电厂冷却塔地基处理工程实际的基础上，论证了所建立的模型 是可行和有效的。 本文提出了散体桩和刚性桩两种桩型长短桩相结合的复合地基的承载 力和沉降的计算公式。本文的研究结果对长短桩复合地基，特别是散体桩( 干 振碎石桩) 和刚性桩( c f g 桩) 两种桩型长短桩相结合的复合地基的工程实 践具有实用价值，也是对该种复合地基研究的发展和完善。同时，承载力和 变形双重控制下的工程造价优化设计模型应用于生产实践中必将产生较好 的经济效益和社会效益。 关键词：c f g 桩复合地基，干振碎石桩复合地基，长短桩复合地基，承载力， 变形，优化设计。 s t u d yo nt h eo p t i m u md e s i g na b o u tt h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ni n t e g r a t e db yl o n gp i l e s ( c f gp i l e s ) a n ds h o r tp i l e s ( g r a v e lp i l e s ) a b s t r a e t ： s i n c et h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no fd r y - v i b r a t e dg r a v e lp i l ea n dc f gp i l eh a st h e p r o p e r t i e so fg o o ds a f e t ya n de c o n o m i cp r a c t i c a b i l i t y , i t h a sb e e n w i d e l yu s e di n t h e e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dg o tt h er e m a r k a b l ee c o n o m i c a la n ds o c i a l b e n e f i t s a tt h e p r e s e n tt i m e ，i t st h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d sa r en o tv e r ys a t i s 母i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ed e s i g n e r sa r e n ol o n g e rl i m i t e db yt h e t r a d i t i o n a ld e s i g nm o d e ，t h e yt u r nt om o r ea n dm o r en e wt e c h n o l o g ys oa st ob u i i dt h e m o r ep r e c i s ea n dr e a s o n a b l et h e o r y t h ed e t a i l s ，s u c ha st h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n dd e s i g nm e t h o d s ，o ft h ed r y v i b r a t e dg r a v e l p i l ea n dc f gp i l ew e r es e p a r a t e l yi n t r o d u c e da tf i r s t a n dt h e nb a s e do n t h es t u d i e so fb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o n ，t h eo p t i m u md e s i g nm o d e la b o u tt h e c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni n t e g r a t e db yl o n gp i l e s ( c f gp i l e s ) a n ds h o r tp i l e s ( g r a v e lp i l e s ) d o u b l e c o n t r o l l e dw a sb u i l t r e l a t i v et ot h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hp i l e so ft h es a m el e n g t h ，t h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nw i t hp i l e so fd i f f e r e n tl e n g t h s ，n a m e l yf l e x i b l ep i l e s ( d r yv i b r a t e dg r a v e lp i l e s ) a n dr i g i dp i l e s ( c f gp i l e s ) ，w e r ed e m o n s t r a t e da n da n a l y z e d a n dt h eo p t i m u md e s i g n m o d e ld o u b l e c o n t r o l l e db yt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nw a sb u i l t f u r t h e r m o r e ， t h ep r a c t i c a ln o n l i n e a rp r o g r a m m i n gt h e o r yw a sa p p l i e dt ot h er e s o l v i n go ft h eo p t i m u m m o d e lb u i l ti nt h i sp a p e r ，a n dl i n g ov 9 0s o f t w a r ew a sa d o p t e dt oc a l c u l a t e f i n a l l y ，o f f t h eb a s i so ft h es t u d yo ft h ef o u n d a t i o nt r e a t m e n to ft h ec o o l i n gt o w e ro fo n ep o w e rp l a n t ， t h ep a p e rd e m o n s t r a t e st h a tt h em o d e lb u i l ti sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h ec o m p u t i n gf o r m u l a eo ft h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o no ft h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nw i t hp i l e so fd i f f e r e n tl e n g t h s ，n a m e l yf l e x i b l ep i l ea n dr i g i dp i l e ，h a v eb e e n p r e s e n t e d t h er e s u l t sh a v et h ea c t u a lv a l u e st o t h ep r a c t i c eo ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n o fl o n gp i l e sa n ds h o r tp i l e s ，e s p e c i a l l yt ot h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni n t e g r a t e db yf l e x i b l e p i l e s ( d r yv i b r a t e dg r a v e lp i l e s ) a n dr i g i dp i l e s ( c f gp i l e s ) i ti sa l s ot h ed e v e l o p m e n ta n d p e r f e c t i o nt o t h es t u d y0 ft h i sk i n d o fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nt h eo p t i m u md e s i g nm o d e l d o u b l e - c o n t r o l l e db yt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nw i l lp r o d u c eb e t t e re c o n o m i c b e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t si np r a c t i c e k e yw o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n o fc f gp i l e ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o no fd r yv i b r a t e d g r a v e lp i l e ；c o m p o s i t e f o u n d a t i o no fl o n gp i l e sa n ds h o r tp i l e s ；b e a r i n gc a p a c i t y ； d e f o r m a t i o n ；o p t i m u md e s i g n 河海大学工程硕士学位论文 1 概述 1 1 长短桩复合地基的提出和发展 我国地域广大，工程地质条件复杂，有许多不良地基和特殊地基，不能满足上部结 构需要，需要经人工处理，对于各种地基处理技术的原理和方法，我国广大的设计人员 开始熟悉起来。加上建筑地基处理技术规范的编制和地基处理手册的出版，为 应用地基加固新技术创造了有力依据。随着我国基本建设的发展，大型、重型、高层建 筑和有特殊要求的建筑物日益增多，许多不良或者复杂的地质条件需要处理，所有这些 促使了工程技术人员不得不针对性的采用不同的地基基础方式。作为其中之一的复合地 基技术应用也得到了迅速的发展，这一方面归因于大量的工程设计人员对其理论进行不 断的完善，另一方面人们在实际工程中积累的施工经验也有助于复合地基的发展。 复合地基设计中主要考虑两个问题：即承载力和沉降量计算。但在实际工程中我们 不难发现会出现以下问题：当其中一个条件满足时，另一个条件可能有富余，这势必造成 物力和财力的巨大浪费。例如当全部采用短桩方案时，变形不能满足设计要求。但当全 部采用长桩方案时，设计又过于保守。基于以上的考虑，于是科研工程人员提出了“长 短桩复合地基”的设计思想，提出在长短桩复合地基中，通过长短桩间作，利用长桩不 仅能提高承载力，而且可将荷载通过桩身向地基深处传递，减少压缩层的变形；利用设 置短桩来加固局部软弱层，以达到方案合理、节约资金的目的。 但对于由两种不同类型( 或同种类型而长度差别较大) 的桩与土组成的组合型复合 地基的研究与应用相对较少。一般来说，较短的桩采用柔性桩，主要是对土体进行处理， 提高其承载力；较长的桩多采用刚性桩，在增加地基的承载力的同时更重要的是控制整 体的沉降。这种类型的复合地基可用于多层及高层建筑目前已有一些成功的应用范例， 其经济效益和社会效益均很显著。 1 2 长短桩复合地基的研究现状 一般情况下，长短桩的桩型组合主要为短桩采用柔性桩，主要是对土体进行处理， 提高其承载力；长桩多采用刚性桩，在增加地基的承载力的同时更重要的是控制整体的 沉降。而其中最常见的组合就是碎石桩( 短桩) 和c f g 桩( 长桩) 的组合，这也是本 文所研究的组合桩型。 河海大学工程顶士学位论文 碎石桩最早起源于1 9 3 6 年，随着德国振动水冲法的发明，上世纪7 0 年代，碎石桩开 始应用于处理可液化土层，形成碎石桩复合地基。1 9 7 6 年该方法由南京水利科学研究院引 入我国，并在工程界得到广泛应用。对于碎石桩复合地基的理论与实践，由于发展历史 较长，国内外学者对其材料、施工工艺、地基加固机理、排水效应、承载力和计算以及 变形特征等采用多种理论和试验已进行了不少研究工作并取得了丰硕的成果，现在在我 国已成为一种广泛应用的成熟的地基处理方式m i 。 c f g 桩复合地基是由中国建筑科学研究院地基所于1 9 8 5 年研究开发的，是在碎石桩 基础上发展起来的，碎石桩在砂土、粉土中消除地基液化和提高地基承载力方面取得了 令人满意的效果，但在遇到塑性指数较大，挤密效果不明显的粘土时效果却不明显。于 是人们将碎石桩加以改造，使其具有刚性桩的某些性状，这样桩的作用不但得到了加强， 复合地基承载力也将会大大提高。阎明礼等人在此基础上进行了大量的试验研究。对 c f g 桩桩体材料、复合地基承载和变形特性、c f g 桩复合地基承载力和变形计算、c f g 桩施工工艺和施工中常见的一些问题作了详细的论述，并进行了大量的沉降观测。 而作为不同桩型组合的长短桩复合地基的研究，因其发展时间较短，目前研究主要 为以下几方面： 葛忻声，龚晓南等利用有限元方法对同等地质条件下的长短桩、全长桩、全短桩和 天然地基的情况进行了应力、变形的对比分析。从中得出长短桩复合地基在有效减小建 筑物沉降量的同时，可降低基础沉降差，使基础受力更均匀；另外，长桩的存在，可使 浅层土应力减少、较深层土的沉降值降低。并提出了相应的承载力、沉降计算方法【4 】。 杨军龙，丁璐等以数值方法为工具，建立了长短桩复合地基的计算模型，探索了长 短桩复合地基桩土相互作用的机理、荷载传递的性状及附加应力分布的规律，为长短桩 复合地基的优化设计提供了理论基础1 5 l 。 王经雨采用有限元分析程序，对土采用弹塑性模型，系统分析了由碎石桩和混凝土 方桩及不同混凝土方桩组成的复合地基的荷载传递机理和沉降性能，并给出了主要参数 的影响规律1 6 】。 作为一种先进的技术方法，长短桩组合型复合地基具有良好的应用前景，它将成为 我国基础工程领域的一个研究热点。虽然近些年来对这一问题在理论分析、试验研究及 工程实测方面进行了一些探讨，并取得了一些成果，在工程设计中也得到了应用，但到 目前为止，人们对这一崭新的设计理念的认识还停留在初步阶段，对其基本机理、设计 和现场试验等的认识还不够全面和深入，也未形成比较完善的设计理论和计算方法，研 河海大学工程硕士学位论文 究工作仍处于探索阶段，许多问题有待深入研究与解决。 1 3 长短桩复合地基优化设计的现实意义 为了取得最佳的设计方案，找到设计条件都可恰好同时满足的设计方案。这就要求 我们对整个设计过程进行优化。优化理论最早是第二次世界大战时期英美等国在军事活 动中率先应用的。由于其显著的成效，因而备受人们的关注，并迅速渗透到各个部门各 个领域中，发展到今天，内容已非常丰富，分支也很多。应用优化理论解决问题时一般 有以下特点：第一个特点是从全局的观点看问题，追求总体效果最优。第二个特点是通 过建立和求解模型，使问题在量化的基础上得到合理的决策。第三个特点是多学科交叉， 因为要解决的实际问题来自各行各业各个不同领域，故建立和求解模型时，不可避免的 要涉及到各方面的科学技术知识和方法。第四个特点是与计算机密切相关，计算机的出 现和发展使许多优化方法得以实现和发展。如果没有计算机，优化只是一种理论科学， 不会成为一种广泛应用不断发展的新兴学科。传统的设计思想是只要在可行域中取满足 设计要求的一点即可，而优化设计则要求在可行域内用优化方法去搜索所有的设计方 案，并从中找出最优的设计方案。 优化设计是近二十多年发展起来的- - 1 3 新技术。它的出现，使设计者能从被动的分 析校核进入主动的设计，这是设计上的一次飞跃。优化设计不仅能合理地利用材料的性 能达到设计所需的安全度，还能降低工程的造价，取得良好的经济和社会效益。由此我 们不难看出优化设计摆脱了传统设计的局限性，是实现设计最终目标一适用、安全、经 济的有效途径。 1 4 本文研究的主要内容和方法 本文主要研究的是把c f g 桩( 刚性桩) 联合干振挤密碎石桩( 散体桩) 进行地基 处理，这种处理地基的方法既能发挥碎石桩的优点，c f g 桩的插入又使得碎石桩的侧限 约束作用得到增强，从而减少碎石桩顶部分的水平鼓胀，避免产生鼓胀破坏的可能。由 于预先设置了碎石桩提高了土体的抗剪强度，也可使c f g 桩避免产生刺入破坏的可 能。该方法使c f g 桩的加筋作用效果更加显著，取得了较好的效果。 本文在分别对于振碎石桩和c f g 桩特性分析之后，结合具体工程将运筹学的知识 运用到复合地基的优化设计中，由于在复合地基的设计过程中涉及的参数太多，尤其是 河海大学工程硕士学位论文 翻长短桩时参数较多，对个别参数在该工程场地已育处理经验的基础土，进行了适当 的简化。在优化模型建立之后，采用目前较为精确、方便的l i n g o 软件对其进行求解， 最终提供。套安全经济的方案。本文最主要的任务就是将一种被动的、很大程度上依赖 于工程技术人员经验的设计通过运筹学的理论转化为主动的、有规则的搜索，使其达到 预期的地基处理效果。 河海大学工程硕士学位论文 笈i 干振碎石桩复合地基及其特性 2 1 千振碎石桩加固地基的机理 2 1 1 干振碎石桩的作用 干振碎石桩加固地基的实质是把松散的天然地基变成由碎石柱和挤密的桩间土组 成共同工作的复合地基，其承载力可以大幅度提高，建筑物沉降可大幅度减少，干振碎 石桩有以下作用： 1 ) 挤密效应 由于干振碎石桩主要在非饱和土中采用，在成孔和挤密碎石的过程中，土体在水平 激振力作用下，产生径向位移，其密度增高：孔隙比减少，承载力比加固前提高6 0 以上，因此挤密和振密桩问土是复合地基承载力提高的主要因素。挤密和振密效果与土 的粘粒含量和含水量大小有关。土的粘粒含量越高挤密和振密效果越不显著，含水量 接近最佳含水量挤密效果最好，太干的土和接近饱和土挤密效果欠佳，挤密和振密效应 是碎石桩复合地基承载力提高的主要因素。 2 ) 置换作用 由于桩间土对桩身有很好的约束作用，所以碎石桩体的强度高、模量大。在刚性基 + 珀，斗 图2 1 碎石桩垫层应力扩散示意图 f i g 2 - 1s k e t c hm a pa b o u tt h es t r e s sd i f f u s i o no f g r a v e lp i l ec u s h i o n 础作用下，地基中应力按模量大小进行分布，因此桩上应力集中是复合地基承载力提高 河海大学工程硕士学位论文 的第二个因素。1 3 ) 垫层作用 碎石桩垫层作用主要是指在较厚的软弱土层中，碎石仍没有穿透，这样整个碎石桩 复合地基对于没有加固的下卧软弱层起垫层作用、垫层的作用在于将建筑物传到地基上 的附加应力减少，从而使下卧层的附加应力在允许范围之内，见图2 一l 。 2 1 2 干振碎石桩复合地基承载力提高的原因 干振碎石桩承载力提高的主要原因经大量的室内外试验证明是由于桩间土经振密 和挤密所致。 1 ) 单桩干振碎石桩挤密效应的试验研究 为了探索干振碎石桩挤密效果，河北建筑科学研究院等单位对干振碎石桩挤士效应 进行了试验研究，初步揭示了干振碎石桩对周围土体挤密的规律。 距桩心距离( m ) 00 o8 12 16 深度( m ) 图2 2 原体试验取土样剖面图 f i g 2 - 2s e c t i o nm a pa b o u tt h ei n - s i t ut e s ts a m p l e 6 口蚓罔吲吲h同幽 一 塑塑查兰三至堕主堂垡堡茎 ： 。一。! ：一，= 一 毒、| # d ( 1 n m s 、 , f 3【41 51 6 。? b - 8 麓 2o ，、篡 器i 4 。 篡 ； 6 g 距桩心0 4 m 距桩心o 8 一距桩, g 1 2 0 0 0 4 08 l2 15 2o 24 8 5 32 奶36 4 0 44 48 5 2 5 ； 60 7 。受妻。l e i i t2 3 碎石桩周土体干密度竖直方向变化图 图2 4 碎石桩周土体孔隙比竖直方向变化图 f g 2 - 3c h a n g i n gm a pa b o u td r yd e n s i t yo f t h e f i g 2 - 4c h a n g i n gm a pa b o u tv o i dr a t i oo f t h e s o i la r o u n dt h eg r a v e lp i l ei nv e r t i c a ld i r e c t i o ns o i la r o u n dt h eg r a v e lp i l ei nv e r t i c a ld i r e c t i o n 04 08 12 l6 0 2 4 2 8 32 23 6 4 2 44 48 5 2 s 6 叫( z ) 8 9 l dl i 1 21 3 1 41 5 1 61 7 ：81 9 图2 5 碎石柱周土体含水量竖直方向变化图 f i g 2 - 5c h a n g i n gm a pa b o u tw a t e rc o n t e n t o ft h es o i la r o u n dt h eg r a v e lp i l ei nv e r t i c a ld i r e c t i o n 0 04 08 l2 l6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 , 6 ：4 0 u 44 48 5 2 5 6 6 0 f s ( m p a ) 0369 忙1 51 8 图2 6 碎石桩周土体压缩模量竖直方向变化图 f i g 2 - 6c h a n g i n gm a pa b o u tm o d u l u so f c o m p r e s s i b i l i t yo f t h es o i la r o u n dt h eg r a v e lp i l ei n v e r t i c a ld i r e c t i o n 试验结果表明，碎石桩周土体的物理力学性质在径向离桩中心2 d 距离内都有显著 7 变化砖秉密度此加固前增加3 1 9 ( 图2 - - 3 ) ，孔隙比降俯8 、一3 3 ( 周2 - 4 ) 。， 、含水量降低4 一3 2 ( 图2 - 5 ) ，压缩模量增加2 8 1 7 3 一( 图2 - - 6 ) 。土的物理力 学性质在竖直方向上变化只发生在桩底以上，桩底以下土性没有明显变化。土的物理力 学性质在水平方向的变化见图2 7 。 上距桩心距离( n ) 图2 7 土性在水平方向的变化曲线 ( b ) ( a ) 干密度( p 一) 、孔隙比( 白) ：( b ) 含水量( 甜) ：( c ) 压缩模量( e s ) f i g 2 - 7c h a n g i n gc i n v ea b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i co f s o i li nh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ( a ) a r y d e n s i t y ( p 曲，v o i dr a t i o ( e 0 ) ；( b ) w a t e r c o n t e n t ( ) ；( c ) m o d n l n so f c o m p r e s s i b i l i t y ( e s ) 从以上几组曲线不难看出，土性变化幅度同含水量密切相关。含水量最小部位挤密 效应最差；接近最佳含水量处，土性变比幅度最大，挤密效应显著。 从图2 7 可知，单桩桩周土在水平方向变化，干密度从桩边至离桩边2 d 范围内逐 渐减小，离桩边2 d 以外接近加固前的数值：孔隙比( p 。) 从桩边至离桩边2 d 范围内逐 渐增大，离桩边2 d 以外，其孔隙比接近加固前的数值：压缩模量( 西) 从桩边至离桩 边3 d 范围内，不断降低，离桩边3 d 以外压缩模量接近加固前；桩边含水量为离桩边4 d 以外已接近加固前数值。 综上所述，得出以下结论： 河海大学工程硕士学位论文 单桩挤密试验表明：单桩挤密有效影响半径2 出显著影响半径1 5 d 。所谓有效影 响半径是指在成孔和制桩过程中，土体干密度比加固前平均提高约5 ，孑l 隙比降低约 1 0 范围的半径。所谓显著影响半径是指在成孔和制桩过程中，土体干密度比加固前平 均提高约1 0 ，孔隙比平均降低约2 0 范围的半径。根据施工经验采用4 0 k w 干振器加 固地基时，桩距采用3 d 为宜。 2 ) 群桩挤密效应 所谓群桩挤密效果是指两根以上桩的挤密效果。通过试验在相同地质条件下，采 用相同干振器，群桩的挤密效应比单桩要明显，这说明挤土效应有明显的叠加效果。从 上述分析得出以下几点看法： a ) 干振碎石桩挤密效应明显，桩间土的承载力可以大幅度提高。 b ) 干振碎石桩挤密、振密效果与土性有关。对于粘性土粘粒含量越低，挤密、振 密效果越明显；与含水量有关，含水量接近最佳含水量时，挤密、振密效果最好，含水 量太低( 干硬) 和接近饱和的土振密和挤密效果差。 c ) 干振碎石桩挤密和振密效果同干振器的功率有关，功率越大，挤密和振密效果 越好。 d ) 干振碎石桩挤密和振密效果与工艺有关，如留振时间越长，加固效果越佳。 e ) 干振碎石桩复合地基承载力提高的主要原因是由于桩阃土的挤密和振密，由统 计分析可知，桩间土承担复合地基荷载的6 0 以上【1 0 】。 2 1 3 侧向约束力与碎石级配对桩体性状的影响 侧向约束力对碎石桩性状影响至关重要，如果把碎石桩制在水中，由于水对桩的约 束力近于零，所以不能成桩而坍塌；如果把碎石桩制在刚性简中，由于约束力很大，因 此模量亦非常大，变形极小。 1 ) 通过三轴试验发现，碎石桩切线模最随着围压的增加而增加。即在实际工程中， 随着桩周土侧向约束力的增加，桩的切线模量也越大，因而桩传递竖向荷载的能力增加， 变形减少。由此可见，对散体桩，桩的挤密效应越显著，桩周士对桩的约束力亦越大， 所以地基加固效果也越显著； 2 ) 轴向应变与径向应变 径向应变与轴应变之比为泊松比，由三轴试验可知，对于碎石桩，围压越大，泊 松比越小对随着应变的增加，泊松此也逐渐增大。由此可见，桩周土对桩的侧向约束 9 力越大，桩的植响变形越；| 好：而在同每侧向约柬力作用下，随着桩土轴向应力增加轴 应变加大，径向往变也越夹： 3 ) 三轴试验揭示了碎石桩切线模量和泊松e 匕与桩体材料级配关系极小。 2 1 4 垂向荷载作用下桩身应力传递规律 揭示碎石桩应力传递规律是对碎石桩加固地基机理研究的基础，是设计计算的理论 依据。 1 ) 单桩载荷试验应力传递分析 根据单桩载荷试验测取的数据绘桩身应力随深度变化的瞄线，见图2 8 。 图2 8 口一s 曲线图2 9 口- - 0 0 曲线 圈中：l 、2 k n ；2 、4 k n ；3 、6 k n ；4 、8 k n ；图中：1 、0 0 m ( 测点深度) ：2 、0 2 m ； 5 、1 0 k n ；6 、1 2 k n ；7 、1 4 k n ；8 、1 6 k n 3 、0 5 m ；4 、0 9 m ；5 、1 4 m ；6 、2 0 m f i g 2 - 8 。一sc u l v ef i g 2 - 9 。一0 0 c u f v e i nt h em a p ：1 、2 k n ；2 、4 k n ；3 、6 k n ；4 、8 k n ；i nt h em a p ：j 、0 0 r e ( d e p t ho f t e s ts p o t ) ；2 、0 2 m ； 5 、1 0 k n ；6 、1 2 k n ；7 、1 4 k n ；8 、1 6 k n 3 、0 5 m ；4 、0 9 m ；5 、1 4 m ；6 、2 0 m 从该图可以看出，在每级荷载作用下桩项应力最大，随着深度增加，应力迅速减少。 河海大学工程硕士学位论文 为了便于分析，将桩身某点实测应力a 与荷载板下平均应力0 0 之比称为该煮的应力相对 值a ( ) ，绘制口一0 0 曲线如图2 9 。从该图可知，单桩桩中各深度应力相对值a 随 应力水平的增加而增加。随着深度的增加，应力相对值口减少。n 一0 0 曲线变得更加平 缓。从图2 9 还可以看出，板下桩中心处的应力相对值在任何应力水平下都小于l ，说 明板下桩中心处应力小于板下平均应力，由此可推断板下应力呈中间小、边缘大的马鞍 形。桩受竖向力后，其竖向应力通过桩周摩擦力逐渐向桩周土体扩散和转移。由于碎石 桩体无粘结强度，在无边载的条件下，上部桩周土对桩的约束力很小，因此在桩顶不大 的范围内，桩体发生侧向膨胀，因而使桩上应力迅速衰减。随着深度增加，桩周土开始 对桩产生较大的约束力，桩上应力通过摩擦向桩周土转移，直至桩上应力等于桩周土的 应力。 2 ) 单桩复合地基载荷试验应力传递分析 根据测试的数据绘制桩中应力随深度变化图2 1 0 2 1 3 。 图2 一l o 单桩复合地基载荷试验桩体 应力随深度变化曲线 ( 栽荷板尺寸o 5 2 5 mxo 5 2 5 m ) f i g 2 - 1 0c 1 1 r v eo f s t r e s sc h a n g i n ga l o n g w i t ht h ed e p t ho i lt h e1 0 a d i n gt e s tp i l e o f o n es i n g l ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ( d i m e n s i o no f l o a d i n g t e s tp l a t e ：0 5 2 5 m x 0 5 2 5 m ) 桩体应力。( k p a ) 图2 1 1 单桩复舍地基载荷试验桩体 应力随深度变化曲线 ( 载荷板尺寸0 7 1 m 0 7 1 m 】 f i g 2 - 1 1c u r v eo f s t r e s sc h a n g i n ga l o n g w i t ht h ed e p t ho nt h el o a d i n gt e s tp i l eo f 0 1 1 es i n g l ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ( d i m e n s i o n o f l o n d i n g t e s t p l a t e ：o 7 1 m 0 7 l m ) 从图上可见，各种板宽的单桩复合地基桩中应力传递规律是相似的。下面从几个方 柯海大学工程硕士学位论文 面分析复合地基中桩中应力传递规律 a ) 板下桩顶中心的应力特征： 桩体应力。一p 。 ：04 u- u 0 n1 0 0l c _ i 1 4 1 1 一一一05 n ”l ，7 一。山 裂，j ，多歹_ = 二= = 乒臻 。篡名形夕7 叶二：= ；蝴 ul = = = = = = 二一 图2 一1 2 单桩复合地基栽荷试验桩上 应力随深度变化曲线 ( 栽荷扳尺寸1 2 mx 1 2 m ) f i g 2 - 1 2c u r v eo f s t r e s sc h a n g i n ga l o n gw i t ht h e d e p t ho ot h el o a d i n gt e s tp i l eo f o n es i n g l ep i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ( d i m e n s i o n o f l o a d i n g t e s tp l a t e ：1 2 m x l , 2 m ) 图2 13口一石。曲线圈 ( 载荷板尺寸0 5 2 5 mxo 5 2 5 m ) f i g 2 - 1 3 口一0 0 c l l r y e ( d i m e n s i o no f l o a d i n g t e s tp l a t e ：05 2 5 m 0 5 2 5 m ) 从图2 1 3 可知，在o 0 曲线都是随着载荷板下平均应力i 。的增加而上升，这说 明施加在载荷板上应力水平越高。则板下桩中心应力相对值越高，说明桩上应力比也越 高。 河海大学工程硕士学位论文 1 2 9 k p o 1 0 5 k p q 9 0 k pc t 7 5 k p 0 6 0 k p & 4 5 k p o 3 0 k p a 1 5 k p q 0 4050 6 070 , 89 , 910 1 l 载荷板宽日( m ) 图 2 1 4 口一口曲线图( 桩中) ( 测点标高0 o m ) f i g 2 - 1 4 口一bc u r v e ( m i d d l eo f t h ep i l e ) ( 1 e v e lo f t h et e s ts p o t ：0 o m ) 从图2 1 4 可知，不论在什么情况下，板下桩中应力相对值a 都小于l ，即在桩顶 中心应力盯小于板下平均应力o o ，由于桩的模量大于桩间土的模量，但桩顶中心处比板 下平均应力小，由此可推断，板下接触应力呈中间小、边缘大的马鞍形分布。 b ) 从图2 1 0 2 1 3 可看出，在某一深度处应力最大，因此该处应力大于板下 平均接触应力，这说明在水平方向应力分布已从马鞍形过渡到中间大边缘小的抛物线 形，由该处越向下，应力扩散程度越大，抛物线越扁平，复合她基中应力分布越均匀1 6 2 1 。 从图2 1 3 可以看出，随着板下平均应力水平的提高，桩中各截面处应力相对值一 般情况下增大，因此应力在竖直方向衰减变慢，所以荷载在复合地基中影响深度也随之 增加。 从图2 一1 5 发现，板下接触应力相同时，在桩中各截面应力与板宽有关。板越宽， 应力相对值口越高，桩中应力越集中。所以随着板宽增大桩土应力在竖直方向衰减交慢。 从上述分析得出以下结论： a ) 桩顶应力最大，从桩顶至l 倍桩径左右范围内，应力衰减迅速，在4 倍桩径深以 下，应力相对值已不随桩顶应力水平的增加而增加； b ) 单桩复合地基在压板呈刚性条件下，板下复合地基中上部应力分布为中间小、 塑鲎奎兰三望堡主堂垡! 壅：。 边缘大酊马鞍形分布，而随着深度的增加，马鞍形逐渐扁平，过渡到中间大边缘小的抛 物线形，该抛物线随深度增加逐渐扁平，说明应力扩散； c ) 在碎石桩复合地基中，竖直方向应力衰减与基础( 荷载板) 下应力水平、基础 ( 载荷板) 尺寸有关。应力水平越高，基础( 载荷板) 尺寸越大，则应力衰减越慢。 碎石桩 二誊，卜 溅标 图2 1 5 口一占曲践图( 5 0 = 1 2 0 k p a ) f i g 2 - 1 5 口一b c u r v e ( o0 2 1 2 0 k p a ) “i ：二! l 、u。0 c - 。 图2 16 深标平面图 f i g 2 - 1 6p l a ns k e t c ho f t h ed e e p t e s t ss p o t 由此可知，建筑物基础尺寸越大，使用荷载越大，其在地基中影响深度也越大，如 果地基需要处理。其处理深度也越大。一般情况下，软弱地基加固的重点是1 0 1 5 倍 基础宽的深度【。 2 1 5 干振碎石桩复合地基变形特性 从载荷板中心向对称轴的四个方向距板中曰4 位置对称布置4 个深层标点( 见图 2 - - 1 6 ) ，根据所测取的数据绘制变形随深度变化图( 图2 1 7 ) 。 1 _ i ， ， ， ， ， 一 r ， ” 一 ，。 。 ，篓脚 世嗡* 河海大学工程硕士学位论文 图2 1 7 栽荷板下地基垂直位移曲线 1 0 0 8 m p a ；2 0 1 2 m p a ；3 0 1 6 m p a ；4 0 2 0 m p a ；5 0 2 4 m p a ； 6 0 0 2 8 m p a ；7 0 3 2 m p a ；8 0 3 6 h f f a ；9 0 4 0 m p a ；10 0 4 4 m p a f i g 2 - 1 7d i s p l a c e m e n tc m v ci nv e r t i c a ld i r e c t i o no f t h ef o u n d a t i o nu n d e rt h el o a d i n gt e s tp l a t e 从图2 1 7 可看出，板下变形值都集中在2 m 以上。2 m 以上变形占全部变形的7 4 7 9 。载荷板宽为2 m ，由此可见，在i 倍板宽深度范围内，复合地基己完成了大 部分变形，因此，软弱地基加固的重点，对于独立基础，为1 o 1 5 倍基础宽度：对于 条形基础，由于应力扩散减为二个方向，所以荷载影响深度大于独立基础，因而重点处 理深度为1 5 2 0 倍基础宽度为宜m 。 2 1 6 干振碎石桩的有效桩长 所谓有效桩长是指桩体上的应力与桩问土的应力基本接近处以上部分的桩长。因此 桩长超过了有效桩长，复合地基承载力不再增加。软弱地基加固的合理深度可根据有效 桩长来确定，但是对于主要靠挤土效应来提高地基承载力，有效桩长的确定就不太重要， 主要是根据地基中应力扩散来确定合理的加固深度。通过试验可以得出有效桩长小于或 等于桩径7 倍左右( 见图2 1 8 ) 。根据工程实例资料和室内试验结果确认有效桩长同基 础宽度有关一般情况有效桩长为1 5 倍的基础宽度p ”。 河海大学工程硕士学位论文 尸c k p a ) i 003 04 05 060?o8 0 ，o1 0 0u o1 0 01 3 0 图2 1 8 不同桩长的p o 曲线 图2 19 护桩的影响 f i g 2 - 1 8p - s c u r v eo f t h ep i l e si nd i f f e r e n tl e n g t hf i g 2 - 1 9i n f l u e n c eo f t h ep r o t e c t i n gp i l e s 2 1 7 护桩的作用 护桩是指在基础底面范围外布置的桩。要不要布置护桩? 护桩起不起作用? 这是设 计部门十分关注的问题。试验结果以天然地基载荷试验确定的地基承载力为，则无护 桩的单桩复合地基承载力为2 2 f , 有护桩的单桩复合地基承载力为2 8 够有护桩比没护 桩的承载力提高2 9 ，( 见图2 1 9 ) 。 护桩之所以能提高复合地基承载力，这是因为地基沉降主要由二部分组成。一是土 体压缩变形，二是侧向挤出。由于护桩的作用，使土体侧向挤出的变形受到约束，从而 减少了变形，提高了承载力。有关试验证明，二排护桩比单排护桩更为显著。即使天然 地基，在基础外设置护桩也可减少沉降，提高承载力。试验还证明，护桩可使具有湿陷 性的天然地基湿陷量减少数倍。以上结论对已有建筑物地基加固有非常重要的工程意义 嘲。 天然地基承载力越低，护桩作用越明显，因为天然地基承载力低，必然对桩的约束 作用弱，护桩可以弥补土体对桩的约束弱的缺点，对强度高的土，土体对桩的约束作用 已相当大，所以护桩作用不明显。鉴于上述原因。对于填土地基、湿陷性黄土地基、欠 固结土地基及淤泥土地基采用离散体桩复合地基时宜设护桩。 河海大学工程硕士学位论文 2 1 8 置换率对复合地基承载力影响 采用碎石桩加固地基时，随着置换率的增加，其复合地基承载力也增加，但置换率 增加所用的填料也增加，因此费用亦增加，置换率增加到一定程度，施工难度也增加， 甚至根本不可能。所以合理地选取置换率是碎石桩加固地基设计的重要参数。为了探索 置换率增加、复合地基承载力增加的规律，中国建筑科学研究院地基所进行了模型桩的 试验。桩长2 0 0 c m ，载荷板为1 0 5 1 0 5 c m 的载荷共进行了五个，4 号载荷为天然地基， l l 号载荷板下设置4 根桩，桩径1 5 c m ，置换率m = 6 。4 ，34 号载荷试验板下设置4 根 桩，桩径2 1 c m ，置换率m = 1 1 4 ，1