复合地基课程论文 散体材料桩复合地基

华中科技大学研究生课程考试答题本

复合地基理论及应用

考生姓名X

考生学号X

系、年级X

类别硕士

考试科目复合地基理论及应用

考试日期X

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散体材料桩复合地基

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摘要：简单介绍了散体材料桩复合地基的定义，分类以及加固原理。通过FLAC 3D 建模浅析了散体材料桩复合地基与天然地基正在竖向荷载作用下的力学和变形的区别，并对散体材料桩复合地基沉降随深度变化性质和桩体的潜在破坏面进行了思考。

关键字：散体材料桩复合地基，数值模拟

1引言

近年来，随着我国基础建设的发展，遇见的地基问题也越来越多，。其中地基处理技术的优势越来越凸显。散体材料桩复合地基由于技术简单、施工简便，得到越来越广泛的应用。

散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的,桩身材料没有粘结强度,单独不能形成桩体,只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料桩复合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。对于不同性质的地基土和不同的施工方法，碎石桩和砂桩的加固机理不尽相同。

碎石桩又称为粗颗粒土桩,是用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后,再将碎石或砂挤压入已成的孔中,形成大直径碎石所构成的密实桩体。其加固地基的实质：将天然地基转变为碎石桩和桩周围的土体组成的复合地基,以提高地基承载力,减少地基的沉降量和沉降差。同时，碎石桩能发挥与砂井相同的排水作用,在地基的加载过程中桩体的排水作用使土体中的超静孔隙水压力不断消散,有效应力和桩周土的强度不断增大,复合地基的强度也随着增加。

砂桩法是指利用振动或冲击方式，在软弱地基中成孔后，填入砂井并将其挤压入土中，形成较大直径的密实砂桩的地基处理方法。地基土的土质不同时的，对应的砂桩作用原理也不尽相同。在松散砂土中，砂桩主要起到挤密作用，当采用振动法往砂土中下沉桩管和逐步拔出桩管成桩时，下沉桩管会对周围砂层产生挤密作用，拔起桩管会对周围砂层产生振密作用；在软黏土中，砂桩可以起置换作用：密实的砂桩在软弱黏土中取代了同体积的软弱粘性土，形成复合地基，使承载力有所提高，地基沉降变小，同时砂桩可以像砂井一样起排水作用，从而加快地基的固结沉降速率，起到排水作用。

2数值模拟分析

现通过建立天然地基和散体材料桩复合地基数值模型，分析对比了两种地基形式在竖向荷载作用下的表现形式。

采用FLAC 3D建立天然地基和加散体桩复合地基在20 kPa荷载作用下的数值模型，分析两种不同地基形式地基表面沉降大小以及桩体受力情况。图 2.1显示为

散体材料桩的复合地基模型，地基总尺寸为21218 m ，桩径为0.8 m ，桩长8 m ，桩间距2.4 m ，为桩径的3倍。模型四周及模型底面采用固支形式，在垫层上施加20 kPa 竖向荷载，模型各材料参数见表2.1。作为对比，同时建立了天然地基模型，采用了相同的地基土参数。

表2.1模型材料参数表

类别

E MPa 3()r N m u c kpa 地基土

4.5 17.8 0.35 12 16 散体材料桩

25 18 0.2 0 50 垫层

20 16.5 0.3 0 38

图1.1复合地基数值模型

3结果分析

3.1 地基沉降分析

天然地基和散体材料桩复合地基在20 kPa 竖向荷载作用下的沉降云图分别如

图3.1、图3.2所示。从图中可以看出，天然地基和散体材料桩复合地基在对称荷载作用下沉降是对称的，并呈现中心处沉降最大，距离中心越远，沉降越小；天然地基表面最大沉降为16 mm ，散体材料桩复合地基则为14 mm ，相比减少了2 mm ，表面最大沉降相对减少12.5%左右。图3.3则为两种地基中心点处不同深度沉降值对比，

从图中可以看出，两种地基中心点处不同深度的沉降值都是随着深度的增加而减小，在最底层都为0，在最顶面达到最大值；散体材料桩复合地基在3-8 m深度处沉降相比天然地基反而更大，在1-3 m处趋于相等，在0-1 m处要更小，同时从图3.3可以明显的看到，在深度为1 m处，图形出现明显的拐点，说明散体材料桩对地基在0-1 m处的沉降影响较大。

图2.1天然地基表面沉降云图（单位：m）

图3.2复合地基表面沉降云图（单位：m）

图3.3中心点处不同深度的沉降值（单位：mm）

图3.4复合地基整体沉降云图（单位：m）

3.2桩体受力分析

当碎石桩复合地基工作时，所承受的荷载将由碎石桩和桩周土共同分担。一般情况下。施加荷载的基础都是刚性的，土体和桩将产生同样的沉降，由于桩体的刚度远大于土体的刚度，因此基础传给复合地基的荷载随着桩土的等量变形逐步地转移到碎石柱，桩体将较桩周土体承受更高的应力，这种荷载的转移将持续直至碎石桩发生屈服[4]。

在轴向荷载作用下，散体材料桩复合地基可能出现鼓胀破坏、刺入破坏、整体剪切破坏和整体滑动破坏4种破坏形式，见图3.5.

(a)(b)(c)(d)

(a)鼓胀破坏；(b) 刺入破坏；

(c) 整体剪切破坏；(d) 整体滑动破坏

图3.5复合地基破坏模式

对于散体材料桩复合地基，常常由于在荷载作用下桩周土体不能向桩体提供足够的围压而导致桩体产生较大的侧向变形，即桩体鼓胀，进而导致复合地基破坏。因此，现有的设计理论均以鼓胀破坏形式为基础[6]。

图3.6和图3.7分别是散体材料桩竖向和横向的应力云图，从图3.6可以看出，最大竖向压力在桩底处达到最大，为110 kPa左右，并且沿着深度的增加而增大；而横向约束力在据桩顶1-3 m处相较其他位置更小，在据桩顶2 m处达到最小，如图3.7所示；从图11桩土界面相对剪切位移云图可以看出，界面在1-3 m处的相对剪切位移相比其他位置大了4个数量级，说明相对剪切位移在1-3 m有突变性，使其成为潜在的破坏面，相对图3.5(a)中的鼓胀破坏，鼓胀变形发生在1.2-3.8倍桩径处，与赵明华[7]等认为鼓胀变形主要发生在2-4倍桩径范围内相近。

图3.6散体材料桩竖向应力云图（单位：Pa）

图3.7散体材料桩横向应力云图（单位：Pa）图3.8复合地基整体竖向应力云图（单位：Pa）

图3.9桩土界面相对剪切位移云图(单位：m)

4结论

通过建立天然地基和散体材料桩复合地基数值模型，分析对比了两种地基形式在20 kPa竖向荷载作用下的表现形式，得到以下结论：

（1）天然地基和复合地基表面中心处沉降最大，距离中心越远，沉降越小；散体材料桩复合地基相比较天然地基，表面最大沉降相对减少12.5%左右；

（2）散体材料桩复合地基在中心点深度为1 m处，沉降随深度变化的图形在1 m处出现明显的拐点，说明散体材料桩对地基在0-1 m处的沉降影响较大；

（3）散体材料桩桩身横向约束力在据桩顶1-3 m处相较其他位置都小，在据桩顶2 m处达到最小值；潜在的破坏面发生在据桩顶1-3 m处，为桩径的1.2-3.8倍左右的深度。

5参考文献

[1]张玲,赵明华. 散体材料桩复合地基承载力计算[J]. 湖南大学学报(自然科学

版),2007,06:10-14.

[2]刘杰,张可能. 散体材料桩复合地基极限承载力计算[J]. 岩土力学,2002,02:204-207.

[3]郑俊杰. 复合地基承载特性分析及设计方法研究[D].浙江大学,2001.

[4]史良相. 碎石桩复合地基的试验研究及数值模拟[D].内蒙古工业大学,2007.

[5]赵明华,张玲,刘敦平. 散体材料桩复合地基桩土应力比分析[J]. 中南大学学报(自

然科学版),2007,03:555-560.

[6]龚晓南. 复合地基设计和施工指南[M]. 北京: 人民交通出版社,2003: 109-110.

[7]赵明华,邓岳保,杨明辉. 路堤荷载作用下碎石桩复合地基桩土应力比计算及试验

研究[J]. 岩土力学,2009,09:2623-2628.