刚柔性桩复合地基非线性计算方法与其特性分析

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1、第1章绪论第1章绪论1.1引言随着我国建筑行业的快速发展，建筑物的使用功能、结构特点和场地地质条件的不同，对地基的承载性能提出了更高要求，同时地基基础的优化设计、处理也显得日益重要。当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时，就必须对地基进行处理或采用桩基础。复合地基是指天然地基在地基处理过程中的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）和增强体两部分组成的人工地[2]基。其基本概念和特点就是充分利用增强体和土各自的承载能力以减少基础沉降。复合地基技术符合软基处理的发展，在工程设计与

2、施工中充分挖掘土体本身固有强度潜能和自稳能力，其使用粉煤灰、钢渣等工业废料符合环保的要求；从受力性能上看，复合地基与天然地基相比，具有承载力高且沉降和差异沉降小等优点，与桩基等深基础相比又节省费用；从适用范围上看，可根据土性、地下水位、承载力要求、地方材料和工业废料供应条件、施工环境等选择不同类型、不同桩体强度的复合地基处理方法，适用范围大。由于复合地基上述特点，我国高层建筑中广泛应用，已经产生了良好的社会效益和经济效益，受到学术界和工程界的广泛关注。根据地基中增强体的设置方向，复合地基可分为水平向增强体复合地基、竖向增

3、强体复合地基。竖向增强体复合地基一般称为桩体复合地基。根据竖向增强体的性质，竖向复合地基可分为三类，有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，桩身材料没有黏结强度，单独不能形成柱体，必须依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体，通常有砂桩、碎石桩、矿渣桩等。柔性桩复合地基桩体刚度较小，但其桩体具有一定黏结强度，常用的柔性桩有水泥搅拌桩、石灰桩、粉喷桩、灰土桩等。刚性桩复合地基的桩体刚度比较大，桩身强度比较高，桩身材料一般采用混凝土。目前较广泛的刚性桩包括沉管灌注桩、预应力管

4、桩、钻孔灌注桩。复合地基技术较充分地发挥了桩间土的承载能力，有效节省了工程造价。这些优点使得复合地基技术具有较大的生命力，日益得到重视，应用越来越多。复合地基现较多1河北大学工学硕士学位论文应用于多层建筑以及高层建筑的基础、路堤、大面积堆场基础、油罐基础、港口码头的地基处理。在荷载作用下，地基中附加应力随着深度增加而减小，地基应变也逐渐减小，所需“地基刚度与强度”也相应变小。为更有效地利用复合地基中桩体的承载潜能，调整竖向增强体复合地基的桩土刚度和强度分布就可以适应附加应力由上而下减小的特征。[1-3]在地基处理技术的不

5、断发展下，复合地基技术在土木工程建设中广泛应用。刚柔性桩复合地基形式也应运而生。刚柔性桩复合地基是通过刚性桩、柔性桩和桩间土体变形协调共同承担荷载的复合地基。而刚柔性长短桩复合地基是一种新型的地基处理形式，它是利用刚柔性桩相结合，调整复合地基的桩土刚度和强度分布，从而对地基进行的综合处理。刚柔性桩复合地基中桩土共同作用问题是其技术问题的灵魂，关键是保证荷载作用下协调刚性桩、柔性桩和桩间土的变形以保证刚性桩、柔性桩和桩间土共同承担荷载。因此，作为一种先进的技术方法，刚柔性桩复合地基有着良好的应用前景，已成为我国基础工程领域

6、的研究热点。其示意图如图1-1：建筑物垫层柔性桩刚性桩图1-1刚柔性桩复合地基示意图1.2刚柔性桩复合地基研究现状近年来，关于在上部结构、基础荷载作用下，刚柔性桩复合地基的沉降变形特征、2第1章绪论承载传递机制、及各相应部分的作用等方面的研究方兴未艾。人们在理论分析、试验研究及工程实测方面对其承载特性、工作机理进行了许多探讨，取得很多研究成果。同时，研究成果在工程设计中也得到了应用，产生了可观的经济和社会效益。目前，对刚柔性桩复合地基的研究主要从试验、数值方法等方面展开。1.2.1试验研究由于刚柔性桩复合地基的理论基础在

7、于桩土共同作用，合理、可行的刚柔性桩复合地基设计方法依赖于对桩土共同作用问题的全面了解程度。因此通过现场试验研究刚柔性桩复合地基的应力场和位移场，可加深对这种复合地基的认识，同时给出正确的评价。[4]杨志刚，李英萍，巨玉文(2005)由两例不同桩体刚度的工程实例进行了室内试验和非线性有限元分析，探讨了柔性桩复合地基和半刚度复合地基受力、变形性能的不同[5]所在。王志军，钦祥伟(2006)通过试验对刚柔性组合桩复合地基的受力性能进行了研究，得出刚柔性桩、土的荷载分担情况及荷载分担比与时间关系的曲线。蔡靖，张献民，[6]王建

8、华(2006)通过模型桩室内试验模拟真实的桩土相互作用边界条件，应用低应变反射波法对桩土相互作用的阻尼系数进行系统研究，表明桩土相互作用阻尼系数随着桩周[7]土应力增大而增大，同时还与土质和土体的含水状态有关。朱奎、徐日庆(2006)通过试验表明，有褥垫层刚柔性桩复合地基和无褥垫层刚柔性桩复合地基的荷载-沉降关系、土