刚性桩复合地基水平荷载下三维数值研究-three - dimensional numerical study of rigid pile composite foundation under horizontal load.docx

第1章绪论本章介绍了刚性桩复合地基的研究现状以及本文选题背景和研究思路，指出当前对刚性桩复合地基的研究在理论分析、试验研究和数值模拟三方面都已经有了很大的进展，本文针对水平荷载下单桩承载力等特性，进行数值模拟分析。1. 1 论文选题背景复合地基[1]的概念是日本学者在20世纪60年代初提出的，当时是指一种砂型地基的数学模型。随着地基处理技术的发展，复合地基的概念得到了很大的扩展。复合地基（compositesubgrade,compositefoundation）是指天然地基在地基处理过程中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（天然地基土体或被改良的天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基。复合地基在荷载作用下，其基体和增强体共同承担荷载的作用。根据复合地基中增强体的设置方向可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料如土工聚合物、金属材料格栅等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩，竖向增强体复合地基也被称为桩体复合地基。由于工程中使用的桩的类型很多，所以桩体复合地基根据桩的性质又可分为：①散体材料桩复合地基；②柔性桩复合地基；③刚性桩复合地基。此外，还要加上综合应用前三者而形成的多元复合地基。刚性桩复合地基是采用刚度较大的混凝土桩或高标号CFG 桩等作为竖向增强体的一种人工地基。在这种人工地基的桩顶和基础之间，往往铺设一定厚度的柔性褥垫层，以调整桩土之间的荷载分担，增大基底摩擦[2]。与散体材料桩和柔性桩相比，刚性桩桩体材料强度和刚度均较大，可以设置长桩，能充分发挥桩的侧摩阻力及桩端阻力作用，能够将荷载传递到深层，具有较大的承载能力而且能有效的、较大幅度的减小沉降量。因此，刚性桩复合地基应用范围更广，并较多用于在高层建筑。刚性桩复合地基经过许多研究人员长期探索，已经取得了一些成果，但仍然有许多问题亟待解决。目前，广大学者所做的研究大都是针对刚性桩复合地基的承载力和沉降计算进行的，而对于复合地基在水平荷载作用下的性状研究则较少，对于某些重大工程(如水利工程)中,水平荷载的作用是一个不可忽视的课题；在地震作用和风荷载作用下的结构,复合地基中也应该考虑水平荷载。因此，本文针对水平荷载作用下的刚性桩复合地基特性进行一定的研究。1. 2 选题研究现状多年来科研人员针对刚性桩复合地基工作机理做了相当多研究工作，推动了设计和应用理论的发展。以下从试验研究、解析理论分析、数值模拟三方面分别论述目前的研究进展。1.2.1 现场试验研究1991年，吴春林[7]等针对CFG桩复合地基，在长江北岸漫滩地貌单元上，进行了现场试验，提出了计算承载力的简易方法。1995年，闫明礼[8]等通过室内模型试验及现场原位测试，对CFG桩复合地基的变形特性、垫层的作用、桩土荷载分担比进行了探讨。1998年，化建新、董长和[9]等开展了对桩径400,桩长4的CFG桩在不同的垫层材料性质( 中粗砂、砾砂、碎石) 及不同的厚度下对桩土应力比影响的试验研究。2001年，吴慧明、龚晓南[10]对刚性基础与柔性基础下复合地基模型进行试验对比，得出两者在桩体荷载集中系数、桩土荷载比、桩土应力比等方面的显著差异, 并对两者的破坏机理等进行了分析。2002年，池跃君,宋二祥[11]等为了揭示刚性桩复合地基的变形特性,特别是垫层的压缩量、桩体的上下刺入量、加固区的变形特性、下卧层的压缩量以及桩土荷载传递特性,在北京北苑进行了单桩复合地基现场试验。2005 年，林文强、夏旭阳[12]等通过现场试验，研究了桩体复合地基随时间增长所引起的桩土应力比变化情况。以上试验揭示了刚性桩复合地基的一些工作特性：（1）单桩复合地基的破坏过程：桩周土首先承担较大荷载,使其从局部剪切破坏开始,逐步向整体剪切破坏发展,而后随着桩承担荷载的加大,桩承载力达到极限而破坏,进而复合地基发生破坏。（2）在最大工作荷载下，复合地基中地基土反力分布和刚性载荷板下地基反力分布形式相同，且复合地基中地基土所受平均压力和天然地基承载力基本相等。（3）在最大工作荷载下，复合地基中CFG 桩受力大于等于单桩承载力。（4）单桩复合地基加固层压缩量是发生沉降的主要原因,且其压缩主要集中在上部土层区域,下卧层的压缩量很小；垫层压缩量占沉降的比例与荷载大小有关。（5）褥垫层对桩土承载性能及复合地基沉降的影响主要包括：①保证桩、土共同承担荷载；②调整桩土荷载分担比；③减小基础底面的应力集中；④调整桩、土水平荷载的分担。1.2.2解析理论研究现有的解析理论方法大致可分为以下几类：1. 利用桩土沉降协调关系联立方程进行求解主要思路是根据刚性基础下桩体与桩间土的沉降协调关系，对无垫层复合地基利用桩间土表面和桩顶沉降相等；对有垫层复合地基利