（岩土工程专业论文）散体材料桩复合地基沉降分析方法探讨.pdf

散体材料桩复合地基沉降分析探讨 摘要 复合地基以其良好的处治效果已在工程实践中得到广泛的应用，特别是对于 一些较为经济的复合地基形式，如碎石桩复合地基、矿渣桩复合地基等，更为工 程人员所青睐，这一类桩被统称为散体材料桩复合地基，然而，由于散体材料桩 复合地基的成桩材料均为多孔介质，在荷载作用下，因材料孔隙体积变化而导致 的桩土相互作用关系十分复杂，使得散体材料桩复合地基的沉降计算理论远落后 于工程实际应用。因此，有必要在现有研究基础上，充分考虑散体材料桩复合地 基自身的材料特性，并结合桩土间相互作用关系，建立出更加符合工程实际的散 体材料桩复合地基沉降计算方法，对完善散体材料桩复合地基沉降分析理论与工 程实际应用具有重要的意义。 本文首先针对散体材料桩复合地基桩土材料的多孔特性，分析散体材料桩复 合地基的承载机理和变形机理；其次，基于桩土承载与受力变形机理，探讨散体 材料桩复合地基在受力变形过程中孔隙率变化规律，并建立桩与桩间土体力学参 数及其几何参数随荷载的变化关系，进而建立出考虑孔隙率变化的散体材料桩复 合地基桩土力学参数与几何参数的确定方法；然后，在此关系基础上，通过引入 分级加载和分层计算的思想，建立出考虑孔隙变化的散体材料桩复合地基沉降计 算新方法，并给出了相应的沉降计算流程；最后，针对多个工程实例进行计算分 析，并同其它沉降计算方法分析结果进行对比，分析结果验证了本文所建立散体 材料桩复合地基沉降计算方法的合理性和可靠性。 本文所建立的散体材料桩复合地基沉降计算方法，不仅能够反映散体材料桩 复合地基受力和变形随深度变化而变化的特征，而且能够体现上部建筑施工所产 生的分级荷载对复合地基受力变形的影响这一过程；同时，以桩土变形机理以及 桩土相互作用机理为基础，考虑桩土力学参数以及几何参数变化对复合地基沉降 计算的影响所建立的沉降计算方法，能避免复合地基压缩曲线和人为修正系数的 使用，且能反映应力历史对复合地基桩土力学参数的影响，体现散体材料桩复合 地基桩体与土体的变形非线性特征，对复合地基理论的发展具有一定的促进作用， 完善了现有的散体材料桩复合地基沉降计算理论。 关键词：复合地基；散体材料桩；桩土相互作用；沉降；孑l 隙；变形模量 i i a b s t r a c t w i t hae x c e l l e n te f f e c to nf o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni su s e d w i l d l yi na c t u a lp r o je c t s s o m ee c o n o m i c a lc o m p o s i t ef o u n d a t i o n s ，s u c ha sg r a v e lp i l e a n ds l a gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，a r ew e l l r e c e i v e db yt h ee n g i n e e r s t h i sk i n do f c o m p o s i t ef o u n d a t i o n si sc a l l e dd i s c r e t em a t e r i a lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n h o w e v e r ， b e c a u s ep i l eo ft h i sk i n do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sm a d eo fd i s c r e t em a t e r i a l ，u n d e r t h el o a d ，p i l e s o i li n t e r a c t i o ni sv e r yc o m p l i c a t e d t h e o r yw h i c hi su s e dt oc a l c u l a t e s e t t l e m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hd i s c r e t em a t e r i a lp i l ec a nn o tc a t c hu pw i t hi t s a p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ， an e wm e t h o do fs e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n f o rc o m p o s i t e f i o u n d a t i o nw i t hd i s c r e t em a t e r i a lp i l ec o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fp i l e b o d y ，m u s tb ee s t a b l i s h e da n da p p l i e di na c t u a lp r o j e c t s ，w h i c ha i m sa ti m p r o v i n gt h e s e t t l e m e n tt h e o r yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hd i s c r e t em a t e r i a lp i l ew a sp r o p o s e d i nt h ep r e s e n ts t u d y ； c o n s i d e r i n g t h ep o r eo fp i l eb o d ya n ds o i l ， b e a r i n g m e c h a n i s ma n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n w i t hd i s c r e t e m a t e r i a lp i l ew e r ed i s c u s s e d t h e n ，b a s e do na b o v em e c h a n i s m ，t h er e l a t i o n s h i p st h a t m e c h a n i c sp a r a m e t e r sa n dg e o m e t r yp a r a m e t e ro fp i l eb o d ya n ds o i lv a r i e sw i t ht h e a p p l i e dl o a df o rt h ev a r i a t i o no ft h ev o i dr a t i ow e r ed e v e l o p e d a tt h es a m et i m e ， m e t h o d st od e t e r m i n i n gt h em e c h a n i c sp a r a m e t e r sa n dg e o m e t r yp a r a m e t e r sw e r e e s t a b l i s h e d ，c o n s i d e r i n gt h ev a r i a t i o no f v o i dr a t i o t h i r d l y ，b yi n t r o d u c i n gt h ea b o v e r e l a t i o n s h i p si n t os e t t l e m e n ta n a l y s i s ， an e wm e t h o dt oc a l c u l a t ed i s p l a c e m e n to f c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hd i s c r e t em a t e r i a lp i l ew a sp r o p o s e db yu s i n gt h em u l t i 。s t a g e l o a d i n ga n dt h el a y e r w i s es u m m a t i o na p p r o a c h t h i sm e t h o di s e f f e c t i v ea c c o u n t i n g f o rt h ee f f e c to fv a r i a t i o n so fv o i dr a t i oo nd e f o r m a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t h d i s c r e t em a t e r i a lp i l e a n dt h ec o r r e s p o n d i n gn o wc h a r to fs e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nw a s e s t a b l i s h e ds u b s e q u e n t l y f i n a l l y ，t h ep r o p o s e dm e t h o dw a su s e dt oa c t u a lc o m p o s i t e f o u n d a t i o np r o b l e m ，w h o s et h e o r e t i c a lr e s u l t sw e r ep r e s e n t e da n dc o m p a r e dt ot h o s eo f o t h e rm e t h o d s t h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o dw e r ei d e n t i 6 e dt h r o u g h c o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h em e t h o dt oc a l c u l a t es e t t l e m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hd i s c r e t em a t e r i a l p i l ep r o p o s e di nt h i sp a p e r ，i sn o to n l yr e f l e c t i n gt h ep r o g r e s st h a tm u l t i 。s t a g e1 0 a d i n g d u et ob u i l d i n go p e r a t i o n sa f f e c t ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t h d i s c r e t em a t e r i a lp i l eb u ta l s od e s c r i b i n gt h ev a r i a t i o no fm e c h a n i c sp a r a m e t e r sa n d g e o m e t r yp a r a m e t e r sw i t ht h ea b o v el o a d b a s e do nd e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d i d i l e s o i li n t e r a c t i o n ，u s i n gt h em e t h o d e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rt oc a l c u l a t es e t t l e m e n t ， c o m p r e s s i o nc u r v ea n dm o d i f l c a t i o n f a c t o ra r ea v o i d e d i n f l u e n c eo f s t r e s sh i s t o r y a f f e c t so nm e c h a n i c sp a r a m e t e r s a n dn o n l i n e a rd e f o r m a t i o n o fp i l ea n ds o l l a r e d e s c r i b e dw h i l eu s i n gt h i sm e t h o dt oc a l c u l a t es e t t l e m e n t o fc o m p o s l t et o u n d a t l o n l t p r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fc o m p o s i t e f o u n d a t i o nt h e o r y ，a n dp e r f e c t sp r e s e n tt n e o r y t oc a l c u l a t es e t t l e m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hd i s c r e t em a t e n a ip 1 1 e k e y w 。r d s ：c 。m p 。s i t ef o u n d a t i 。n ；d i s c r ? e m a t e r i a lp i l e ；p i l e s 。i l i n e r a c t i 。n ； s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ；v b i dr a t i o ：d e f o r m a t i o nm o d u l u s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：诎诌浇日期：沙。7 年岁月i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：饥逝i 拓 刷帷轹椭 日期：伽7 年 日期：o ( 年 多月恪日 s 月1 日 硕士学位论立 1 1 问题的提出 第l 章绪论 我国地大物博，幅员辽阔，从东向西，由南至北，自然地理环境各不相同， 土质各异，地基土的区域性较强。对于承载能力较高的土体，可以直接利川其作 为地基，无须作特殊的处理。但是，在很多地质条仲不好的地区，主要包括：软 黏十、杂填土、冲填十、饱和粉细砂、软塑及流塑状态粉土、湿陷性黄土、膨胀 图l l 墨西哥某大楼图图12 七台河电厂 图l3 意大利比萨斜塔圈 图l4 接吻的谷仓 土、红黏土、多年冻土、泥炭土、岩溶土洞等。另外，山区的土在某种条件下也 可能成为不良地基。地基虽不是建筑物本身的部分，但它在建筑巾占有十分重 要的地位。对r 不怠地基处理不当，影响最直接的便是其承载力、上部建筑物和 构筑物的沉降。特别是不均匀沉降的，”生，不仪影响建筑物的造价，而且直接影 响建筑物的安危，它关系到整个r 程质量、投资和进度，冈此其重要性已愈来愈 散体材料桩复合地基沉降分析方法探讨 多地被人们所认识到。图1 1 所示的为墨西哥某大楼由于地下水位下降，产生了地 基不均匀沉降，导致建筑物严重变形。图1 2 则为七台河电厂厂房由于地基沉陷导 致的墙体开裂。图1 3 为著名的意大利比萨斜塔，由于地基的不均匀沉降，塔向南 倾斜，南北两端沉降差1 8 米，塔顶离中心线5 2 7 米，倾斜5 5 0 米，成为危险建筑。 图1 4 为建于加拿大红河谷的l a k ea g a s s i z 粘土层上的饲料储存仓，由于两筒之间 的距离过近，在地基中产生的应力发生叠加，使得两筒之间地基土层的应力水平 较高，从而导致内侧沉降大于外侧沉降，仓筒向内倾斜。由上述实例可见，不良 地基对建筑物的影响不仅是美观上的，更严重的可导致使用功能的损害，甚至造 成事故。因此，对于这些不满足设计和使用要求的不良地基，就必须提前对其进 行处理，改善地基条件，包括改善剪切特性、改善压缩特性、改善透水特性、改 善动力特性、改善特殊土得不良地基的特性等，从而保证建筑物的正常使用。根 据地基处理方法的原理，目前常用的地基处理方法有：碾压及夯实、换垫层法、 排水固结、振密挤密、置换及拌入、加筋、灌浆、冻结、托换、纠偏技术等等。 根据地基处理之后，所形成的人工地基的形式可以分为均质地基，桩基础，复合 地基。 近些年来，复合地基凭借其良好的处治效果，在工程实践中得到广泛的应用， 特别是对于一些较为经济的复合地基形式，如碎石桩复合地基、矿渣桩复合地基 等，更为工程人员所亲睐，这一类桩被统称为散体材料桩复合地基。但是，由于 散体材料桩复合地基的成桩材料不同于其他复合地基，荷载作用下，桩土相互作 用关系十分复杂，散体材料桩复合地基的各种理论远落后于工程实际应用，如承 载力以及沉降计算。因此，必须充分考虑散体材料桩复合地基自身的特性，并结 合桩土相互作用的关系，提出新的、适用于散体材料桩复合地基的一系列理论和 方法，并将其运用到工程实际当中去，以期完善散体材料桩复合地基的理论研究， 这也正是本文研究的核心内容。 1 2 复合地基的发展简史 由于散体材料桩复合地基隶属于复合地基，其受力和变形机理，以及桩土相 互作用的关系同其他形式的复合地基有一定的相似性和相同性，而现有的复合地 基也是随着时间的推移逐步完善起来的，因此，要想在现有的复合地基理论基础 之上，研究散体材料桩复合地基，就必须了解现有复合地基理论是如何发展起来 的，为此，以下将简要回顾复合地基的发展简史。 国外考古人员研究发现，早在2 0 0 0 多年前，就有人利用烧制的石灰与土体混 合，将该混合物运用于建筑物地基的挚层当中，用垫层和天然地基所形成的复合 地基减少建筑地基的沉降。古埃及利用石灰、石膏和砂子来加固的大金字塔地基 和尼罗河河堤，虽历经岁月沧桑仍坚固耐用，成为世界为之惊叹的奇迹；古罗马 2 硕士学位论文 帝国利用火山灰掺和不同比例石灰所制成的被称为“罗马水泥 的固化剂，让古 罗马帝国的城墙固若金汤，成就了罗马帝国的千秋霸业。 现代复合地基技术起源于欧洲。1 8 3 5 年，法国工程师最早利用砂石桩处理海 湾沉积软土，当时的设计桩长为2 m ，直径为2 0 c m ，每根桩的承载力为l0 k n ，在 处理之后的地基之上建造的兵工厂其沉降和承载力都得到了良好的改善。1 9 3 4 年， 苏联阿别列夫教授首创土桩挤密法，对湿陷性黄土进行深层处理，取得了极大的 成功。1 9 3 7 年，德国s s t e u e r m a n 供职的j o h a n nk e l l e r 公司研制了第一台具有现代 振冲器形式的雏形振动机，对柏林某大楼深达7 5 m 的松砂地基进行处理，使该砂 基的密实度由4 0 振密为8 0 ，承载力提高了1 倍。19 5 7 年，该方法被引入英国， 并被改良为水力驱动，提高了振冲效率。之后美国将振冲法运用到了鲍尔特门桥 基的处理中，加固了深达2 5 m 的松砂，以及利用该法在箱峡水电站拦河闸基础的 细砂层处进行处理，都使得加固后地基的承载力和沉降得以改善。日本于2 0 世纪 5 0 年代将该技术运用到油罐的松砂地基加固当中，以此来提高松砂地基的抗液化 能力。1 9 6 4 年和1 9 6 8 年，日本新泻与十胜冲地区先后发生了7 7 级和7 8 级地震， 结果凡用振冲法处理的松砂地基，其上部建筑物均未受到严重的破坏，证明了该 该种加固方法的效果。随后的2 0 世纪7 0 年代，日本最先将高压悬喷技术用于地基 处理和防水帷幕，即c c p 法，奠定了现代高压悬喷桩的基础。第二次世界大战之 后的美国首创了m i p 法，即深层搅拌技术，并在地基处理方面取得了不俗的效用， 这一技术演变出了现有深层搅拌桩复合地基，该技术随后在日本得到了进一步的 完善和推广。 我国历史源远流长，早在7 0 0 0 多年前的浙江余姚河姆渡人就懂得采用各种木 桩来加固沼泽地基上的杆栏式建筑；在甘肃省东部的大地湾遗址考古发掘当中发 现，史前人类早在五六千年前的仰韶文化时期就已在“房基”中采用夯实黄土地 基：春秋战国以前就有人运用石灰、黏土和砂子拌和成三合土修筑驿道。 我国现代的复合地基技术起源于2 0 世纪5 0 年代，苏联的土桩挤密技术首先被 引入我国。经历了5 0 6 0 年代和8 0 年代以后两个繁荣发展时期，我国的复合地基 技术已经得到长足的发展和进步。特别是改革开放以来，随着国家科教兴国战略 的实施，复合地基的理论研究和实践应用发展得非常迅猛，许多技术、设备和工 艺都处于国际领先地位。 2 0 世纪6 0 年代中期，我国对于土桩挤密法进行了大量的试验研究，为解决我 国部分地区的杂填土地基的深层处理问题发明了灰土挤密法，并利用它进行了湿 陷性黄土地基的处理。大量的工程实践表明，该方法对消除黄土的湿陷性效果显 著。目前，土桩挤密法和灰土挤密法已在广阔的黄土地区得到了广泛的应用，成 为湿陷性黄土地区地基处理的主流方法，取得了良好的效果，也奠定了我国现代 复合地基地基的基础。 3 散体材料桩复仑地基沉降分析方法探讨 1 9 9 7 年振冲法引进我国之后即获得迅速地推广，大量用于土建、水利、冶金、 和交通等工程的地基与土构物的加固处理。水利部南京水利科学研究所和交通部 水运规划研究院共同研制了我国第一台13 k w 的振动水冲器，19 7 7 年9 月首先应用 于南京船厂船体软粘土地基加固，加固深度达13 18 m 。官厅水库下游坝基松砂 地基以及铜街子水电站工地漂卵石层下的细砂均采用了振动法进行了加密，处理 效果非常的显著。南通天生港电厂烟囱、厂房的粉细砂地基处理后，其极限承载 力由15 0 k p a 提高到6 0 0 k p a ；江阴澄西船厂宿舍及重型设备基地为吹填粉细砂，处 理后其承载力达2 0 0 k p a ；龙口电厂主厂房的砂基为了防止液化，处理后的密实度 由4 0 6 7 提高到6 9 “7 ，徐州铜山水泥厂的粉砂地基的标贯仅6 5 击，处 理后增至2 3 7 击，承载力大于2 5 0 k p a ，消除了7 级地震液化的可能：华东石油销售 公司高桥油罐地基为粘质粉土、淤泥、粉质粘土等，其承载力为9 0 1 0 0 k p a ，处 理后复合地基的承载力到达2 0 0 k p a ；引碧入连供水工程( 北段) 大沙河倒虹吸深 挖槽地基的细粉砂地段，利用复合地基技术进行处理之后，其承载力提高至 4 0 0 k p a ，远远高于设计值2 1 0 k p a ；长海县第一中学教学楼地基主要为淤泥、淤泥 质软土等，厚达8 m 左右，承载力仅4 0 1 0 0 k p a ，远远不能满足设计要求。经过多 种方案的比较后，采用振冲碎石桩处理，取得了令人满意的效果，复合地基承载 力标准值均大于设计的2 0 0 k p a ，比原拟采用的预制桩方案，可节约总投资近5 0 ， 且不采用三材，缩短了工期；锦州市马家小区住宅楼地基近一、二年堆填含一定 量的生活垃圾的杂填土，厚1 5 7 2 m ，土质松软，强度低，经振冲复合地基处理 之后，其承载力标准值大于1 8 0 k p a ，满足设计要求；汤普水库东、西主坝坝基采 用振动碎石桩复合地基处理，经检测表明效果良好，完全满足设计要求；浙江毛 屿等海塘的修复、增高，其下的淤泥质软土地基采用碎石桩复合地基处理，取得 良好的效果，阻止了滑动失稳的危险【2 j 。 随着复合地基在实践中的应用，复合地基理论也随之在我国发展起来。近些 年来，广大从事岩土教学和科学研究的人员，集思广益，提出了许多关于地基承 载力及沉降等方面的方法，丰富了复合地基的研究理论。 1 3 复合地基及其分类 作为介于均质地基以及桩基础之间的一种地基处理形式，复合地基因其独特 的优越性而运用广泛。从复合地基的特点可以看出，在上述众多地基处理方法之 中，绝大多数都可以划分到复合地基的范畴之中来。不同形式的复合地基往往在 受力和变形性能上有相关性和相同性。因此，将复合地基进行合理的分类对研究 复合地基承载能力以及其变形机理和特征都有一定地指导和帮助作用。 现阶段，对于复合地基的分类通常是根据其增强体方向的不同，成桩材料的 不同，以及成桩后桩体的强度( 或者刚度) 不同这三个方面进行的。 4 硕士学位论文 丽一一一 ( a ) 竖向增强体 复合地基 ( b ) 横向增强体 复合地基 ( c ) 纵横向桩复 合地基 ( d ) 斜向增强体 复合地基 图1 5 各类桩体复合地基示意图 竖向增强体复合地基【3 6 】也叫桩体复合地基，其主要特征是增强体通常是垂直 于地基表面而存在与复合地基当中( 如图1 5 a 所示) 。竖向增强体复合地基包括散 体材料桩复合地基、柔性桩复合地基、半刚性桩复合地基和刚性桩复合地基四类。 横向增强体复合地基【7 9 】的主要特征是增强体平行于地基表面存在与复合地 基当中，主要是通过横向增强体与原有地基在水平方向产生的摩擦力，以增强体 本身的抗拉能力来提高原有软弱地基的承载能力的( 如图1 5 b 所示) 。最常见的横 向增强体复合地基有土工合成材料、金属材料格栅等形成的复合地基。 若在软弱地层中同时加入竖向增强体和横向增强体所形成的复合地基则为纵 横向复合地基【1 0 1 2 1 ( 如图1 5 c 所示) 。这种复合地基结合了纵向和横向增强体复 合地基二者共同的特征。纵横向复合地基的产生主要是为了克服某些刚度较低的 桩体复合地基在竖向荷载作用下会发生鼓胀破坏这一缺点，利用横向增强体较强 的张拉强度将桩体材料紧紧束缚在一起，限制桩体的侧向变形，从而提高桩体复 合地基的承载力。典型的纵横向复合地基如土工格栅+ 碎石桩的组合。 斜向增强体复合地基【1 3 】则是根据地基内部所产生应力的方向，布置斜向的 增强体，并由斜向增强体和竖向增强体共同承担上部荷载在地基中产生的应力， 并共同协调变形( 如图1 5 d 所示) 。 1 3 2 按照桩体材料分类 复合地基桩体材料的种类对于复合地基承受上部荷载之后，应力在其内部分 散方式以及变形机理有很大的影响，桩体复合地基的承载能力基本上取决于桩体 材料的物理性能，包括粘聚力，内摩擦角，孔隙率等等。因此，有必要按照成桩 材料来对桩体复合地基进行分类。 一般来说，按照桩体材料复合地基一般可以分为散体材料桩复合地基、水泥 土类桩复合地基、混凝土类桩复合地基以及钢管桩类复合地基。 5 散体材料桩复合地基沉降分析方法探讨 散体材料桩复合地基其桩体材料没有粘聚力或者粘聚力很小，桩体材料颗粒 之间的孔隙较大。荷载作用之后，一方面颗粒与颗粒之间会发生相互之间的错位， 滑动，孔隙会减小，桩体可能被压密。另一方面，由于桩体材料之间没有粘聚力 或者粘聚力很小，桩体会发生很明显的鼓胀变形。最具代表性的散体材料桩复合 地基有砂桩复合地基、碎石桩复合地基、矿渣桩复合地基等； 水泥土类桩复合地基的最主要特征是水泥和土体混合，是土体和水泥发生物 理化学反应，组成具有一定整体性和一定强度的水泥土增强体，该类复合地基适 用于处理包括淤泥、淤泥质土、粉土、砂性上、泥炭土等各种成因的饱和软粘土， 含水量较高且地基承载力标准值不大于1 2 0 k p a 的粘性土等地基。对泥炭土或地下 水p h 值较低、有机质含量高的粘性土，宜通过试验确定其适用性。典型的有水泥 土搅拌桩复合地基、悬喷桩复合地基等。 混凝土类桩复合地基是指由水泥、土体以及碎石等其他材料组成的复合地 基。与上述其他形式的复合地基相比，混凝土类桩复合地基的刚度更大，桩体材 料之间的粘聚力更强，荷载作用下桩体发生的侧向鼓胀变形十分微小。桩体主要 依靠其与桩周土体之间的摩擦力发挥承载作用，从这个意义上说，混凝土类桩复 合地基与摩擦型桩基础更加接近，但是，由于桩周土体会分担一部分应力，所以 将其划分到复合地基范畴。典型的混凝土类桩复合地基包括水泥粉煤灰碎石桩 ( c f g 桩) 、树根桩、锚杆静压桩、素混凝土桩复合地基等等。 1 3 3 按照桩体刚度或者强度分类 由上述分析可以看出，桩体复合地基在复合地基的研究和应用当中占主要地 位，而桩体复合地基的成桩材料对于复合地基的性能有很大影响，但归根结底， 也是由于成桩材料的不同，导致桩体的刚度不同，从而影响到了桩体的刚度或者 强度，最终导致复合地基的受力机理以及设计和计算方法有所区别。因此，有必 要根据成桩后桩体的强度( 或刚度) 对复合地基进行分类，以便对复合地基设计 和计算方法的研究提供一定的指导意见。 按照桩体刚度或者强度对桩体复合地基进行分类可以参照图1 6 。由图中可 匣应 座麈 图1 6 按刚度分类示意图 6 硕士学位论文 以看出，虽然对于各类不同刚度或者强度的桩体复合地基进行了较为明确的分类， 但是，各类桩体复合地基之间还是存在着很大的联系。若提高半刚性桩中水泥掺 入量，其桩体的强度有所提高，承载性能将会与刚性桩接近。若是半刚性减少水 泥掺入量，桩体的特性又似柔性桩。典型的例子如碎石桩复合地基和c f g 桩复合 地基，c f g 桩复合地基又名水泥粉煤灰碎石桩复合地基，与碎石桩相比，其桩体 材料内部加入水泥以及粉煤灰，两种材料对于桩体材料的粘聚力都有提高作用， 从而提高桩体的整体刚度，故相对于属于散体材料桩复合地基的碎石桩而言，c f g 桩复合地基被归为半刚性桩复合地基一类。可以看出，c f g 桩复合地基与碎石桩 复合地基存在很大的联系，其受力变形机理有所区别，亦有其相似的一面，因此， 在研究各类桩体复合地基的计算和设计方法时，需要相互对比和类比，在找出各 类桩体复合地基之间的差别之外，还要找出其相互之间的联系，然后才能取得较 好的效果。 1 3 4 复合地基定量化分类 上述复合地基分类方法为现阶段的主要分类方法，具有较强的合理性。除此 之外，有些学者从定量方面对复合地基进行了分类。其主要思路就是从具体的刚 度计算值入手，首先利用各种解析手段对桩体的荷载传递规律进行分析，得到桩 体刚度的解析表达式，并认为桩体刚度是区分柔性桩以及刚性桩的关键。文献 14 】 得出桩土刚度的计算表达式如下： k = ， 式中，e 桩体的弹性模量，m p a ； 三桩体长度，m ； ，桩体半径，m ； 巨桩间土弹性模量，m p a ； 以桩间土泊松比。 文献 1 5 】对上述表达式进行了改进，如下： k ：丛三 、j2 g s 其中， 孝：1 1 1 墨塑幽，或者，取临界桩长t 。 根据相对刚度k 的大小，可以大致把桩分为两类： 合地基；当k l 时，称为刚性桩复合地基。 7 ( 1 2 ) 当k l 时，称为柔性桩复 散休材料桩复合地基沉降分析方法探讨 1 4 散体材料桩复合地基沉降计算 1 4 1 散体材料桩复合地基沉降计算的分层总和法 分层总和法是各种地基沉降计算当中最基本的一种方法，对于复合地基，分 层总和法仍然适用。通常把复合地基沉降量分为二部分，如图1 7 所示。日为复合 地基加固区厚度，z 为荷载作用下地基压缩层的厚度。复合地基加固区的压缩为 s 1 ，地基压缩层厚度内加固区下卧层厚度为( z - 日) ，其压缩量为s 2 。于是，在荷 载的作用下复合地基的总沉降量s 可表示为二部分之和，即s = s 1 + 跎。 根据加固区沉降计算方法的不同，散体材料桩复合地基沉降计算的分层总和 法被分为了很多种。 1 4 1 1 复合模量法( e 。法) 复合模量法是将复合地基加固区 中增强体和基体两部分视为一复合土 体，采用复合压缩模量e 。，来评价复合 土体的压缩性。建筑地基处理技术规 复合地基加 范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 【1 6 j 中所推荐的就是 复合模量法。将加固区土层分成胛层， 每层复合土体的复合压缩模量为e 加固区土层压缩量表达式为： 上部荷载 r 1r r l _ 荔 雾 一t 象 霆 【区 鬟 霎 s藜 荔 h 藜餮，黧 乃j 餮 z 、 加固区下卧层 s ：争垒堕e ( 1 3 ) 图1 7 桩体复合地基沉降示意图 = e 嘶l 式中，4 尸，第j 层复合土体上附加应力增量； 凰第j 层复合土层的厚度。 可以看出，与均质地基的分层总和法有所区别的是，复合地基的分层总和法中采 用的复合模量疋建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 【1 2 1 中关于复合模量的 计算方法如下： ，= 垅乓，+ ( 1 一聊) 色 ( 1 4 ) 式中， 瓦，第f 层复合地基的复合模量； 最。第f 层复合地基的土体模量： e ，第f 层复合地基的桩体模量； 聊复合地基的面积置换率： 刀复合地基的桩土应力比。 然而，由于桩体材料的特殊性，利用上述基本方法并不能在所有的复合地基沉降 计算中都得到比较符合工程实际的计算结果。因此，国内外学者在考虑复合地基 种类的不同，在复合地基沉降计算的研究上，取得了很好的成效，具体如下。 8 硕七学位论文 盛崇文【i7 j 根据现场荷载板试验曲线，在分别确定出桩与土模量基础之上，利 用桩土复合地基的面积置换率对桩与土的模量进行简单地加权平均确定桩土复合 地基的复合模量； 张土乔1 8 1 采用弹性理论方法，根据复合地基总应变能与桩和桩间土的应变能 之和相等的原理推到出复合土体的复合模量公式： = 刚h m 等篙群篆 5 ， 式中，牛而翻。 弘丽翻。 6 5 。赤了。 e 复合地基土体的杨氏模量； & 复合地基桩体的杨氏模量； m 复合地基的面积置换率。 o m i n e 和o h n o r 等【1 9 1 基于双重介质模型，考虑桩土介质各向异性特征，利用桩 土复合地基面积置换率得到了桩土复合地基复合模量的确定方法如下： 珞= 赢岽靠 6 ， 式中， 6 = ( e ) 9 。 g 值的取值与桩体在复合地基中的分布方式有关系，可通过各个方向上取不 同的g 值来考虑各向异性的情况。 徐洋等2 0 1 总结了复合模量计算的研究现状，认为由于桩体对桩间土体的加固 作用而使复合模量比单桩模型的计算值有所增加，同时考虑了沉桩对桩间土体模 量的提高作用，提出了考虑群桩间相互影响的复合地基模量计算公式，如下所示： 岛= 口。乓+ 最 ( 1 7 ) 式中， = ( 詈) 2 + ( 詈) 2 - 一( 詈) 2 莩 t 一( 詈 2 + 斗2 1 - 研； 9 散休材料桩复合地基沉降分析方法探讨 桩体半径； 1 2 桩间距； 桩间距； 七和某桩相邻的群桩中其作用可以覆盖于整个影响区域的共有桩组 数，三角形布桩时取后= 2 。 王凤池【2 1 1 等在复合地基桩体承载机理研究基础之上，考虑桩长及桩端土性质 的影响，提出了桩土复合地基复合模量的修正方法，如下所示： = 屁( 1 一所) 最+ 聊b ( 1 8 ) 式中， 属= 五( 兄砌五+ 厂) ( 7 砌a + a ) ； 旯= 三向4 ； y = 屯4 乓； 风桩体模量调节系数； 以桩体的横截面面积； 舷桩问土刚度； k 桩端土刚度； 郑俊杰【2 2 1 等假设桩间土的弹塑性本构模型为双折线模型以及假设桩土位移 协调的两个前提条件下，利用参变量最小势能变分原理，推导出复合地基复合 模量的解析解。其具体表达式如下： f 略= ( 1 一所) 巨+ 聊乓 。岛4 + 缉4 ( 1 9 ) 1 。雨蔷衙筹万 式中，桩间土体的屈服应力； 巨桩间土体进入屈服状态之前的模量； e 桩间土体进入屈服状态之后的模量； 第一式适用与桩间土在荷载作用下未屈服的情况，第二式适用与桩间土在荷 载作用下屈服之后的情况。 1 4 1 2 应力修正法( 反法) 在采用应力修j 下法计算压缩量时，认为桩间土体和整个复合地基之间的压缩 量存在对应关系，单独考虑桩间土的压缩模量，忽略增强体的存在，采用分层总 和法计算加固区土层的压缩量【2 3 1 ，以加固区土体的压缩量乘以一个修正系数，得 出整个复合地基的压缩量，表达式为： s = 车等一= 喀等e 碱 l o 酊p l “蚶 1 0 硕士学位论文 式中， 4p 卜一未加固地基( 天然地基) 在荷载p 作用之下，第f 层土体的附 加应力增量； 4 尸。l 在荷载p 作用之下，复合地基中第f 层桩间土的附加应力增量； s l 。未加固地基在荷载p 作用下相应厚度内的压缩量； 应力修正系数，= l 【l + 聊( 玎1 ) 】。 由上述应力修正法的基本表达式可以看出，应力修正法也是分层总和法中的 一种，但是与其它的复合地基分层总和法相比，应力修正法最关键的步骤就是求 得应力修正系数，因此，对于应力修正法的研究，也主要是集中在应力修正系数 的求解之上。国内外许多学者都在应力修正系数的研究之上取得一定的成果，并 将其运用到工程实际当中，取得了不错的效果，具体如下所示。 郭蔚东等【2 4 1 认为复合地基中散体材料桩桩体与周围土体的相互作用表现为 桩对土的挤压和土对桩的约束作用。在表面荷载作用下，应力集中与桩体之上。 因此，首先根据r o w e 的剪胀理论，得出了桩土应力比的表达式如下： 疗：竺二堡( 1 11 )疗= o l1 1lj 一2 熊 然后在上述桩土应力比的表达式基础之上，提出了桩土复合地基沉降计算的 折减系数法，如下： 肛习姻 “_ 2 lk 一2 熊 式中，k 桩间土体的被动土压力系数； k 桩体的被动土压力系数； 段桩间土体的泊松比； 以桩体的泊松比。 王长科【2 5 】等假定桩周土均质，利用桩土应力与变形呈线性关系并考虑桩土应 力比的影响，提出了桩土复合地基沉降计算的折减系数表达式如下： = 高南( 惫 式中，k 土体的刚度； 蚝在垫层和桩间土体的相互接触应力作用之下，垫层的刚度系数。 张定2 6 2 8 1 认为碎石桩复合地基变形为竖向和横向变形的叠加，并通过研究桩 土竖向及径向应力与应变的关系，也提出了桩土复合地基沉降折减系数计算的方 法如下： 散体材料桩复合地綦沉降分析方法探讨 肛南 “j 4 分i 蠡 “。5 ) 1 一熊51 一m 式中，艇为散体材料桩复合地基桩体的横向变形系数。 1 4 1 3 桩身压缩量法( 尾法) 一般来说，对于柔性桩以及散体材料桩复合地基，由于其桩体的刚度与土体 刚度比较接近，因此，复合地基在受到上部在荷载作用下，若桩体不会发生桩底 端刺入下卧层的沉降变形，那么桩体的竖向压缩量就与整个复合地基的压缩量相 等。在这种情况下，可以考虑通过计算桩身的压缩量得出复合地基加固区土层的 压缩量【2 9 1 。 1 ) 若桩侧阻力为平均分布，桩底端承力密度为尸b ，则桩身压缩量为： s ：坠! 型乃( 1 1 6 ) 2 2 ) 若桩侧阻力不是平均分布，则需先计算桩身应力沿深度z 的变化情况，在 进行积分，可得到桩身压缩量，其表达式为： s ：r 卫丝如 ( 1 1 7 ) 丙瓦( z ，p ) 式中，p 复合地基上平均荷载密度； 纬( z ) 桩身应力沿深度z 变化密度： 廓( z ，p ) 桩身变形模量，可以是深度z 和桩身应力p 的函数。 由上述可以看出，利用桩身压缩量法计算复合地基沉降，可以考虑不同桩侧 阻力作用下复合地基的沉降。然而对于纵向和横向刚度均较小的散体材料桩复合 地基以及柔性桩复合地基，其桩侧摩阻力较小，且分布规律较为复杂，很难通过 试验或者理论的方法测出。且对于散体材料桩复合地基来说，其加固机理并不是 依靠桩侧的摩阻力来实现桩土之间的受力和变形协调，而是依靠桩体的侧向鼓胀 来协调变形的，因此对于侧向和竖向刚度较小的散体材料桩以及柔性桩复合地基， 桩身压缩量法都不适用。而对于桩体刚度较大的半刚性桩和刚性桩复合地基，其 桩体刚度和桩基础基桩的刚度较为接近，因此桩身压缩量法更为适用。但是，由 于桩体刚度的增大，导致桩体可能发生刺入下卧层的情况，此时，利用桩身压缩 量的方法计算桩体沉降时，还需要同时考虑桩体刺入下卧层所产生的沉降量，复 合地基总的沉降量应为桩体压缩量与下卧层刺入量二者之和。 1 2 硕上学位论文 1 4 2 散体材料桩复合地基沉降计算的等效模量法 该方法将桩土复合体看成是变形等效的复合均质土层，充分考虑影响应力分 散的加固层复合模量瓦和未加固区模量巨之间的差异情况，将加固层换算成与未 加固区模量相当的土层，再将荷载作用于当层顶面计算下卧层内的应力分布1 3 0 3 4 】。采用等效模量法计算复合地基沉降的主要步骤如下： 1 ) 桩体复合地基的等效压缩模量按照下时进行计算： = m b + ( 1 一m ) 疋 ( 1 1 8 ) 式中符号所表示的含义前述相同。 2 ) 将复合地基作为有下卧层的双层地基，设下卧层土体压缩模量为巨一首 先考虑整个地基内的应力分散性，分别计算复合地基各土层内各点的当层深度 互。，以及下卧层内各控制点的当层深度z ，： 毛，= 红瓦 ( 1 1 9 ) z 2 ，= 毛，+ 啊毛。 ( 1 2 0 ) 3 ) 根据各控制点的