不排水悬浮桩复合地基固结解析理论研究

3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 1.52MB 45 页 15积分

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摘要

复合地基固结理论是复合地基理论的重要组成部分。目前散体材料桩复合地

基的固结分析计算问题上已经进行了比较深入的研究，但对于不排水桩（例如水

泥土桩）复合地基的固结计算研究很少。针对这一课题进行深入研究既有重要的

理论意义又有实际应用价值。本文对不排水悬浮桩复合地基的固结解析理论进行

了分析研究，主要工作如下：

1.利用 Plaxis 有限元分析软件对不排水悬浮桩复合地基的固结特性进行了数

值模拟分析，为不排水悬浮桩复合地基固结解析解的建立奠定了基础。

2.在等应变假定的基础上，推导出在瞬时加荷情况下不排水悬浮桩复合地基加

固区桩间土和下卧层土各自的固结方程。在双层地基固结理论的基础上，建立了

不排水悬浮桩复合地基的固结解析解，包括分别按沉降定义和孔压定义的复合地

基固结度解答。根据提出的复合地基固结度的解析解，分析了相对加固深度、置

换率以及桩与桩间土模量比对复合地基固结速率的影响。

3. 分别建立了不排水悬浮桩复合地基加固区桩间土和下卧层土固结解析解。

分析了置换率和桩土模量比对各自固结速率的影响。最后，将不排水悬浮桩复合

地基的加固区简化为下卧层的半透水边界，给出了半透水边界厚度的计算公式，

建立了下卧层固结度的简化计算方法。

关键词：不排水桩复合地基固结解析解加固区下卧层

ABSTRACT

Consolidation of composite foundation theory is an important part of the theory of

composite foundation. For consolidation of composite ground with impervious columns，

the theoretical researches and laboratory experiments have been achieved considerable

successes．However, many problems such as the consolidation of a composite ground

reinforced by partially penetrated impervious columns are remained to be

solved． Based on the research work available on the consolidation of a composite

ground with impervious columns and a double-layered compressible foundation，the

analytical consolidation theory and behavior of composite ground reinforced by

partially penetrated impervious columns are studied in this thesis．The main work is fits

follows：

1. Consolidation characteristics of composite foundation with undrained suspended

pile were simulated and analyzed by Plaxis finite element analysis software, laid the

foundation for the establishment of the analytical solution for consolidation of

composite ground.

2.Based on the axisymmetric consolidation model, the governing equations for the

average excess pore water pressures are derived within the surrounding soil and the

underlying unreinforced soil. Then, the corresponding solutions are developed on the

basis of the consolidation theory of a double-layer ground .The overall average degree

of consolidation of the composite ground is obtained. Finally, the consolidation

behavior of the composite ground is investigated. Analytical solution based on the

degree of consolidation proposed, analyzed the relative depth of reinforcement, the

replacement rate, and modulus ratio between the soil and the pile on the rate of

consolidation of composite ground.

3. On the basis of the above study, establish the undrained suspended pile

composite foundation reinforced area and substratum hole analytical solution of

consolidation pressure, and the factors, such as the replacement ratio and modulus ratio

of pile and soil ,affecting the effects of consolidation properties of suspended pile

composite foundation and makes a comparative analysis on the regularity in summary.

Key Word: impervious columns, composite ground consolidation

behavior, analytical solution, reinforced field,underlying stratum

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

1.1 引言 ....................................................... 1

1.2 复合地基固结解析解研究现状 .................................. 2

1.2.1 散体材料桩复合地基固结解析理论 .......................... 2

1.2.2 粘结材料桩复合地基固结解析理论 .......................... 3

1.3 本文研究内容 ................................................ 4

第二章不排水悬浮桩复合地基固结特性有限元分析 .................... 5

2.1 引言 ........................................................ 5

2.2 复合地基固结分析有限元模型 .................................. 5

2.2.1 几何模型 ................................................ 5

2.2.2 边界条件与材料计算参数 .................................. 6

2.3 不排水悬浮桩复合地基固结特性 ................................ 6

2.3.1 相对加固深度对复合地基固结速率的影响 .................... 6

2.3.2 置换率对复合地基固结速率的影响 .......................... 8

2.3.3 桩土压缩模量比对复合地基固结度的影响 .................... 9

2.4 结论 ....................................................... 10

第三章不排水悬浮桩复合地基固结解析解 ........................... 12

3.1 概述 ....................................................... 12

3.2 不排水悬浮桩复合地基整体固结度解析解 ....................... 12

3.3 级数解答项数的合理确定 ..................................... 17

3.4 本文解析解与其他方法解的比较 ............................... 19

3.5 不排水悬浮桩复合地基固结性状 ............................... 21

3.5.1 相对加固深度对复合地基整体固结速率的影响 ............... 22

3.5.2 置换率对复合地基整体固结速率的影响 ..................... 22

3.5.3 桩土压缩模量比对复合地基整体固结度的影响 ............... 24

3.6 本章小结 ................................................... 25

第四章复合地基加固区与下卧层固结解析解 ......................... 26

4.1 概述 ....................................................... 26

4.2 加固区与下卧层固结度解析解 ................................. 27

4.3 加固区桩间土的固结特性 ..................................... 27

4.3.1 桩间土与下卧层土体固结速率的比较 ....................... 27

4.3.2 置换率对加固区固结速率影响 ............................. 38

4.3.3 桩土压缩模量比对加固区固结速率影响 ..................... 29

4.4 下卧层土体的固结特性 ....................................... 30

4.4.1 置换率对下卧层土体固结速率影响 ......................... 30

4.4.2 桩土压缩模量比对下卧层土体固结速率的影响 ............... 31

4.4.3 相对加固深度对下卧层土固结速率的影响 ................... 32

4.5 下卧层固结简化计算 ......................................... 32

4.5.1 下卧层固结分析模型 ..................................... 32

4.5.2 下卧层固结度解答 ....................................... 33

4.5.3 半透水边界厚度 h3的确定 ................................. 33

4.6 本章小结 ................................................... 35

第五章结论与展望 ............................................... 37

5.1 主要结论 ................................................... 37

5.2 展望 ....................................................... 38

参考文献 ........................................................ 39

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 42

致谢 ............................................................ 43

第一章绪论

1.1 引言

复合地基概念是上个世纪60年代提出来的。我国从上世纪70年代开始通过碎

石桩技术对砂土和粉土地基进行地基加固，以便能消除地基液化和提高地基的承

载能力，工程效果比较理想。目前复合地基得到快速发展，这种地基处理技术在

建筑、市政工程、交通、水利以及矿业等领域的地基处理工程中得到广泛应用。

随着复合地基技术的实践经验积累和理论系统的研究，复合地基这种概念不断得

到了专业界的肯定和不断深化。在工程领域中为了适应不同的工程状况，各种形

式的复合地基不断出现。近年来，随着我国工程建设的快速发展，修建在深厚软

土地基上公和铁路项目越来越多。在深厚软土地基上进行高速公路铁路的修建，

控制工后沉降问题是工程中必须解决核心问题之一。高速公路通常在桥头和结构

物与路堤衔接处采用CFG桩、水泥土桩以及低强度混凝土桩复合地基技术进行加

固。与碎石桩和砂桩等散体材料桩相比，CFG桩、水泥土桩以及低强度混凝土桩

刚度大，渗透性低，属于不排水桩，在控制沉降和提高地基承载力方面远比散体

材料桩复合地基更为有效，在公路与铁路建设领域得到越来越广泛的应用。

复合地基的桩体根据材料性质的不同可以分为散体材料桩和黏结材料桩。通

常情况下，散体材料桩的渗透性相对于桩周土大很多，可以将其视为排水桩，碎

石桩、砂桩均属于排水桩。相比于散体材料桩，黏结材料桩的渗透性非常小，一

般小于桩周土甚至不透水。所以黏结材料桩可以视为不排水桩，例如水泥土桩、

CFG桩都为不排水桩。在一些软土地区软土层厚度很深，复合地基的桩体可能无

法贯穿整个软土层，这就形成了不排水悬浮桩复合地基。图1-1给出复合地基分类。

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水平向增强体复合地基

刚性桩复合地基

柔性桩复合地基

粘结材料桩复合地基

散体材料桩复合地基

竖向增强体复合地基

复合地基

图1-1 复合地基的分类

复合地基工后沉降控制必然涉及最终沉降和固结度的计算问题。高速公路桥

头路堤工后沉降不得超过10cm，而高速铁路路堤工后沉降控制标准只有15mm。严

格的工后沉降控制标准使得复合地基沉降与固结计算方法一直是复合地基理论研

究的两大热点问题。

1.2 复合地基固结解析解研究现状

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摘要：

摘要复合地基固结理论是复合地基理论的重要组成部分。目前散体材料桩复合地基的固结分析计算问题上已经进行了比较深入的研究，但对于不排水桩（例如水泥土桩）复合地基的固结计算研究很少。针对这一课题进行深入研究既有重要的理论意义又有实际应用价值。本文对不排水悬浮桩复合地基的固结解析理论进行了分析研究，主要工作如下：1.利用Plaxis有限元分析软件对不排水悬浮桩复合地基的固结特性进行了数值模拟分析，为不排水悬浮桩复合地基固结解析解的建立奠定了基础。2.在等应变假定的基础上，推导出在瞬时加荷情况下不排水悬浮桩复合地基加固区桩间土和下卧层土各自的固结方程。在双层地基固结理论的基础上，建立了不排水悬浮桩复合地...

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