pcc桩复合地基褥垫层特性足尺模型试验研究与分析

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1、河海大学博士学位论文PCC桩复合地基褥垫层特性足尺模型试验研究与分析姓名：谭慧明申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：刘汉龙20080101摘要摘要褥垫层是PCC桩复合地基的重要组成部分，在复合地基中起到了保证桩土共同承担荷载、调整桩土荷载分担比例的作用。根据PCC桩系列研究的进展以及复合地基褥垫层的研究现状和存在的问题，本文针对PCC桩复合地基的褥垫层通过试验研究、数值模拟以及理论分析等方法进行了较为系统的研究。通过足尺模型试验研究了刚性基础下PCC桩复合地基的荷载传递机理，并通过设置不同

2、性质的褥垫层分析了其对PCC桩复合地基荷载传递的影响；通过分析现场试验及数值模拟的结果，研究了路堤下褥垫层在复合地基中作用及其影响，并以此为基础从理论上分析了路堤填土与褥垫层的共同作用，进而得出了路堤等柔性基础下PCC桩复合地基的沉降计算方法。本文主要结论如下：(1)开发了大型桩基模型试验系统，为足尺模型试验的开展提供了保证。该系统主要包括：模型槽系统、加载系统、量测系统及试验用土料和模型桩体。提出了使用该模型系统进行试验时的操作步骤和试验准备工作。(2)利用该试验系统进行了PCC单桩竖向静压试

3、验，验证了使用本系统进行足尺模型试验的可行性，得到了PCC桩侧摩阻力等的分布规律和承载力各组成部分的发挥情况，并详细阐述了其荷载传递机理。(3)以大型桩基模型试验系统为依托，进行了PCC单桩复合地基竖向静压足尺模型试验，详细研究了PCC桩复合地基的荷载传递规律。在PCC桩复合地基中，桩芯土压力和内摩阻力都沿桩长向下呈指数形式递增。随着外荷载的增加，它们也都是增大的。(4)褥垫层厚度对比试验表明：对于同一种褥垫层而言，在相同荷载作用下，随着褥垫层厚度的增加，加载板沉降是增大的，而桩土应力比、桩身各

4、处轴力、桩芯土压力和内摩阻力都是减小的。通过桩体传递的荷载比例也随着褥垫层厚度的增加而减小，其中通过负摩阻力传递的荷载比例是增大的，但仍然以桩顶直接作用这种途径为主向桩体传递荷载。(5)褥垫层加筋材料层数对比试验表明：对于厚度相同的褥垫层而言，在相同的荷载下，随着加筋材料层数的增加，从无筋到单层加筋再到双层加筋，加载板沉降量是减小的，但桩土应力比、桩身各处轴力、桩芯土压力和内摩阻力都是增大的。此外，通过桩顶直接传递给桩体的荷载比例是逐渐增加的，而由负摩阻力传递给桩体的荷载却是在减小，通过这两条途

5、径所传递给桩体的总荷载比例是增大的，桩体同样起到了主要荷载传递的作用。Ⅲ摘要(6)通过分析现场试验数据表明：采用60cm厚的灰土垫层比50cm厚的碎石垫层更有利于减小桩土差异沉降、提高桩土应力比；加筋材料不同的预张拉程度导致桩土应力比出现了前期增长和后期增长两种模式：增大加筋材料的预张拉程度对减小地基土的水平位移是有利的，可以增加路堤的稳定性。(7)通过有限元对路堤下PCC桩复合地基进行了数值模拟，结果显示，加筋褥垫层通过影响路堤填土拱效应以及垫层刚性承台效应等，对桩土应力调整的过程和结果都有影

6、响，详细分析了加筋褥垫层特性变化(包括：褥垫层模量、厚度、褥垫层材料抗剪强度、加筋材料抗拉强度以及加筋材料铺设层数和位置)对复合地基荷载传递规律(如：桩土应力调整、地基沉降、路堤表面沉降、路堤填土等沉面高度以及桩土差异沉降)的影响。(8)根据路堤填土拱效应以及加筋褥垫层刚性承台效应等荷载传递机理，对路堤填土进行了受力平衡分析，从理论上分析了填土的土拱效应，同时结合PCC桩复合地基加筋路堤的实际情况，分别以弹性薄板小挠度理论和大挠度理论为基础对加筋褥垫层进行了理论分析，然后根据填土底面与褥垫层项面

7、变形协调的条件，对加筋褥垫层和填土理论分析所得方程进行了求解，提出了桩土应力比及差异沉降等的计算方法。(9)在路堤填土与加筋褥垫层共同作用分析的基础上，进一步对复合地基加固区PCC桩体、桩周土体以及桩芯土体进行了受力分析，得出了路堤下考虑土拱效应和褥垫层刚性承台效应的PCC桩复合地基沉降计算方法。利用该方法还可以对桩体下刺量等进行计算。关键词：现浇混凝土大直径管桩：褥垫层：复合地基；足尺模型试验；基础刚度；刚性承台效应；土拱效应；沉降IVABSTRACTCushionisoneofthekeyp

8、artsofPCCpilecOmpositefbundation，whichistOmakethep¨eandsoiIco．worktogetherandadiustthedistributionofloadsbetweenpjleandsoiI．AccOrdingt0theprobIemsofthePCCpiIeandcushiOninp陷ct．ce，asystematicresearchhasbeenmadebyexperiment，nUmericaIsimuIa“onandtheoreti