刚性长短桩复合地基长短桩相互作用机制的试验研究

发布时间：2016-10-22 06:34

1   绪论 

1.1   研究背景 
随着经济、技术的发展，建筑用地的日益短缺，高层、超高层建筑日趋增多。上部荷载的增加，对地基承载能力及沉降的控制要求也逐渐增高。 长短桩复合地基作为一种新型的地基处理形式，充分利用了桩间土的承载力，降低了工程造价，备受学者的关注。复合地基与传统桩基的最大区别在于复合地基中桩与土体共同承担荷载。复合地基从二战以后，开始在工程上采用，近年来，复合地基的应用也越来越多。不同的时代背景、施工工艺、建筑材料、建筑规格等造就了复合地基形式的不断改进与发展。复合地基有很多形式，包括 CFG 桩复合地基、混凝土桩复合地基、长短桩复合地基、碎石桩复合地基、搅拌桩复合地基等。 目前，很多学者通过对刚性基础或柔性基础下，桩体采用刚性桩或柔性桩的复合地基形式进行了大量的研究，也得出了很多宝贵的结论。中国建科院、同济大学及郑州大学等院校科研机构采用理论分析、模型试验和数值模拟等方法对桩与土的发挥系数、承载性状研究做了大量的工作。但是对于刚性基础下刚性长短桩复合地基，长桩与短桩间的相互作用机制的研究较少。本文采用室内模型试验的方法，对长桩与短桩间相互影响进行了试验研究，旨在为复合地基承载性状提供试验数据支持。 
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1.2 刚性长短桩复合地基研究现状
Alamgir 等（1996）[1]假定桩和桩间土均为线弹性体，分析了柔性基础下端承桩复合地基，选择合适的典型单元体变形模式，该典型单元体侧面剪应力为零，另考虑桩土界面位移协调条件，通过分析桩与桩间土的平衡关系给出了柔性基础下端承桩复合地基中附加应力和沉降计算的解析解。 牛顺生（2006）[2]通过深入分析各种桩体复合地基承载力的计算方法，得到了长短桩复合地基承载力的计算方法；在 Geddes 法的基础上，根据复合地基桩侧摩阻力分布的特点，利用 Mindlin 解和 Boussinesq 解导出了桩端下卧土层顶面的附加应力计算公式，并提出了沉降计算方法。 李秀（2006）[3]在长桩、短桩、褥垫层承载机理的基础上，根据三者的协同作用，在一定的假设下，，建立了组合桩复合地基桩土荷载传递的微分方程，推导出桩、土分担荷载的解析解，并通过 MATLAB 进行验证，表明此种方法与已有的研究结果有较好的相似性。 曹明，陈龙珠，陈胜立等[4]（2007）采用积分方程法推导出第二类 Fredholm积分方程，计算出桩桩、桩土、土土之间的相互作用系数，并用叠加原理验证了该方程的正确性。 郭院成，李明宇[5]（2009）通过分析柔性基础下长短桩复合地基中桩顶褥垫层内受力分布，建立了力学模型理论，推导出柔性基础下刚性长短桩复合地基桩土应力比的解析公式。将柔性基础下长短桩 4 桩现场静载试验测得的桩土应力比结果与推导出的公式进行了对比验证。结果表明，该公式有很好的工程适用性。并得出结论：该条件下的桩土应力比与上部荷载的大小、褥垫层的厚度呈正比，同桩径成反比。 曹明，陈龙珠，陈胜立[6]（2011）利用桩-桩、桩-土、土-土之间的相互作用系数，建立了一种分析单桩沉降以及各桩荷载分担比的方法。此种方法将相互作用的两根桩分解为两根虚拟桩和半空间无限土体，很好的考虑了桩的“加筋效应”。因不对群桩进行整体分析，计算率较高，具有一定的工程应用前景。 詹祥元[7]（2012）对长短桩复合地基的沉降变形规律和影响因素进行了深入探讨，归纳了长短桩复合地基沉降优化设计思路。研究表明：在进行沉降控制设计时，在满足地基承载力的条件下，长桩长度和长短桩长度比是影响复合地基总沉降的关键。 张明飞[8]（2012）对“非线性变形模量法”进行了一些改进，提出了一种新的长短桩布置形式，即短桩顶部不设置垫层。将此新形式与传统布桩形式进行对比，发现除正常满足承载力和沉降要求之外，也节省了 14%的桩，该方法具有一定的工程实用性。 
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2 刚性长短桩复合地基静载试验 

2.1   引言 
刚性长短桩复合地基自开始在工程上应用以来，已进行了大量的试验研究。对桩承载力发挥度、桩身轴力、桩侧摩阻力、桩土应力比、桩土荷载分担比等进行了研究。近年来，对群桩的整体空间效应，也开始有了现场试验研究。群桩的数量对试验结果有很大影响，由于复合地基试验所消耗的时间、人力、物力都非常大，试验时具体采用多大规模的复合地基是一个难题。 原位试验中，桩长一般大于 10m，对于桩身轴力的测量、桩端压力量测设备的布置都存在一定困难。为进一步探求长桩与短桩间的相互作用机制，进行一系列室内大比例缩尺试验。 
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2.2   试验内容 

根据本文的研究内容，模型试验包括 1 组长桩单桩、1 组短桩单桩、1 组长桩单桩复合地基、1 组短桩单桩复合地基、1 组 4 桩长短桩复合地基共 5 组静载荷试验。试验中，利用微型土压力盒、钢筋应变计、混凝土应变片、位移计分别对桩顶、桩间土、桩端的压应力和桩身应变、桩顶沉降进行了监测。试验内容如表 2.1 所示。其中，2 组单桩静载试验，单桩指的是桩顶不加褥垫层，直接承受上部荷载，即从基础传来的荷载全部由单个桩体承担，土体不承担承载。2 组单桩复合地基静载试验，是指由一根桩组成的复合地基，其关键是控制地基的面积置换率。1组 4 桩复合地基试验，是指由 4 根桩组成的复合地基，面积置换率与单桩复合地基相同。 模型试验分为方案设计、模型制作、试验加载三个阶段，历时十二个月。 

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3   试验数据整理与分析 ........ 34 
3.1   桩身编号 ........ 34 
3.2   单桩静载荷试验 .......... 34 
3.2.1   荷载-沉降曲线 .......... 34 
3.2.2   桩身轴力曲线 .... 35 
3.2.3   桩侧摩阻力 ........ 36 
3.3   单桩复合地基 ....... 37 
3.3.1   荷载-沉降曲线 .......... 37 
.3.2   桩土荷载分担比、桩土应力比 .... 38 
3.3.3   桩身轴力 ..... 40 
3.3.4   桩侧摩阻力 ........ 41 
3.4   四桩复合地基....... 42 
3.5   不同工作形式桩的承载性能对比分析 ......... 46 
3.5.1   桩顶刺入 ..... 46 
3.5.2   同等沉降条件下桩身轴力对比 .... 47 
3.5.3   同等沉降条件下桩侧摩阻力对比 ....... 49 
3.6   本章小结 ........ 51 
4   数值模拟 ....... 52 
4.1   引言 ......... 52 
4.2   三维有限元模型建立 ......... 52 
4.3   承载性状分析 ....... 55
4.4   本章小结 ........ 62 
5   结论与展望 .......... 63 
5.1   主要研究结论 ....... 63 
5.2   展望 ......... 63 

4   数值模拟 

4.1   引言 
通过对试验数据的整理与分析，认为短桩桩端压力对长桩桩身下段桩侧摩阻力有减小的趋势。长桩对短桩桩侧摩阻力、桩端阻力影响不大。为了进一步验证该试验结果，采用 ABAQUS 有限元模拟软件，对试验所用桩型进行模拟，构造部件包括桩（pile）、土体（soil）、褥垫层（cushion）、承台板（raft）。分别建立单桩、单桩复合、四桩复合有限元模型，对比分析其桩侧摩阻力的变化趋势。有限元模型共包括 5 组模型，分别为长桩单桩 1/4 模型、短桩单桩 1/4 模型、长桩单桩复合地基 1/4 模型、短桩单桩复合地基 1/4 模型、4 桩长短桩复合地基模型。 土体本构模型描述的是土体的应力与应变之间的关系，在数值分析中直接影响土体的变形，进而影响到桩体的承载性状，因此土体的本构在数值分析中是一个关键性因素。岩土工程中通常采用的土体本构模型主要包括：D-P 模型、修正剑桥模型、摩尔-库伦模型、邓肯-张模型，其中摩尔-库伦模型所使用的参数物理意义明确，且较易取值，能够较为准确地反映土体的工程特性，因此本文采用摩尔-库伦模型。
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结论 

随着长短桩复合地基在工程上的应用，其承载性状越来越受到学者的重视。关于长短桩复合地基的承载力、沉降、桩土相互作用等进行了大量的研究。其中，桩桩相互作用的研究对长短桩复合地基的设计有着重要的影响。本文通过模型试验和数值模拟对长短桩间的相互作用机制进行了分析，得出了以下结论。 
（1）短桩单桩、短桩单桩复合地基、4 桩复合地基中的短桩，桩身轴力分布规律不一致。短桩单桩桩身轴力呈现逐渐减小趋势，短桩单桩复合地基由于褥垫层的存在，桩身轴力先增大后减小，4 桩复合地基中的短桩桩身轴力分布规律与短桩单桩复合地基桩身轴力的分布规律比较一致； 
（2）长桩单桩、长桩单桩复合地基、4 桩复合地基中的长桩，桩身轴力分布规律有较大差别。长桩单桩桩身轴力呈现逐渐减小的趋势，长桩单桩复合地基由于褥垫层的存在，桩身轴力先增大后减小，4 桩复合地基中的长桩的桩身轴力存在极大值，第一个出现在靠近桩顶位置处，第二个出现在短桩桩端影响范围附近位置处； 
（3）短桩单桩、短桩单桩复合地基、4 桩复合地基中的短桩，桩侧摩阻力分布规律不一致。短桩单桩复合地基桩侧摩阻力存在负摩阻区，位置处于接近桩顶位置处，4 桩复合地基中的短桩桩侧摩阻力分布趋势与短桩单桩复合地基中桩侧摩阻力分布规律较接近； 
（4）长桩单桩、长桩单桩复合地基、4 桩复合地基中的长桩，桩侧摩阻力分布规律不一致。长桩单桩的桩侧摩阻力存在负摩阻区；4 桩复合地基中的长桩桩侧摩阻力存在两个负摩阻区，第一个负摩阻区位置与长桩单桩复合地基比较接近，第二个负摩阻区存在于短桩桩端影响范围内。认为由于短桩的存在，长桩桩侧摩阻力在短桩桩端影响范围内，发生了重分布。  
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参考文献(略)

本文编号：148735