筋箍碎石桩复合地基承载机理及其设计计算方法研究

在工程中应用极为广泛的碎石桩桩顶一定深度范围内设置土工加筋套筒构成一种新型的筋箍碎石桩复合地基技术，由于加筋套筒的环箍约束作用，可增加碎石桩的桩身刚度，有效控制桩体鼓胀变形，提高地基承载力和减少沉降，近年来备受工程界重视，但目前其相关的理论研究尚处于初级阶段，其承载机理及受力变形特性尚缺乏深入系统地研究。为此，本研究基于已有研究成果，通过试验分析、理论研究、及工程应用分析等多种途径对筋箍碎石桩复合地基承载机理及其设计计算理论进行了较深入的研究。 首先基于相似理论，设计并完成了多组筋箍碎石桩复合地基模型试验，探讨分析筋箍碎石桩复合地基的荷载传递过程、变形发展模式、破坏模式以及桩顶荷载-沉降曲线特征等。其次，基于室内模型试验实测数据及承载机理分析，针对桩-筋材-土三者协调变形的特殊机制，结合荷载传递法及变形协调思想，探讨分析筋材的侧向环箍作用及复合地基非线性大变形特性。最后，本研究结合筋箍碎石桩复合地基非线性大变形特性以及室内试验资料，考虑桩-筋材-土三者协调变形，提出了筋箍碎石桩复合地基承载力及沉降等计算公式，进而建立筋箍碎石桩复合地基变形与荷载之间的关系，提出相应的设计计算方法。 归纳总结筋箍碎石桩复合地基的加固机理可得如下结论：(1) 与传统碎石桩相比，加箍碎石桩具有更大的极限承载力、更小的桩身竖向变形以及侧向臌胀变形；(2) 土工材料加箍套筒对桩体起着显著的约束作用，尤其以2倍桩径范围内格栅套筒对整个桩体承载力的提高效果最为明显； (3) 筋箍复合地基中桩体可分担更多的上部结构荷载，提高地基承载力，减少地基沉降。湖南省通平高速公路某路段现场静载试验结果标明：相比较于传统碎石桩，筋箍碎石桩的单桩承载力有明显提高，加筋长度2m单桩承载力可提高30%；相同处治面积下，采用筋箍碎石桩复合地基技术，置换率可减少30.7%，筋箍碎石桩复合地基技术较普通碎石桩复合地基技术更为经济。 相关研究成果在核心期刊上发表(录用)期刊论文8篇（SCI论文4篇，其中1篇录用待刊），获发明专利1项。通过本项目的研究，能更深入地认识筋箍碎石桩复合地基承的载机理，可促进该处治技术及其设计理论的进一步完善，加速其推广应用，其成果具有一定的学术价值与广泛的社会经济效益。 2100433B

在工程中应用极为广泛的碎石桩桩顶一定深度范围内设置土工加筋套筒构成一种新型的筋箍碎石桩复合地基技术，由于加筋套筒的环箍约束作用，可增加碎石桩的桩身刚度，有效控制桩体鼓胀变形，提高地基承载力和减少沉降，近年来备受工程界重视，但目前其相关的理论研究尚处于初级阶段，其承载机理及受力变形特性尚缺乏深入系统地研究。为此，本研究拟从几组室内模型试验入手，深入研究筋箍碎石桩的加筋机理及其复合地基的承载机理。针对其受力变形特性，结合荷载传递法及变形协调思想，考虑筋材的环箍作用及复合地基非线性大变形特性，引入非线性互补算法，建立筋箍碎石桩复合地基的非线性控制方程组并采用同伦摄动法进行求解。同时综合考虑应力集中效应、桩内径竖向组合渗透、桩体鼓胀变形等的影响，对筋箍碎石桩复合地基承载及变形的时间效应进行深入探讨，进而建立筋箍碎石桩复合地基变形与荷载之间的关系，提出相应的设计计算方法。

加筋碎石桩较传统碎石桩显著提高了承载力，减少了地基沉降量，是一种应用前景极为广阔的新型软土地基处理方法。目前对其研究多采用小比例尺的1g相似物理模型试验，缺少符合实际应力场条件的现场试验和模型试验研究，其变形和破坏机理尚不明确，且缺少对桩体结构自身在轴向和侧向荷载下承载特性的研究。本项目拟通过大三轴试验、单轴压缩试验和抗弯承载力试验，研究加筋碎石桩桩体在轴向荷载下的应力应变关系以及在侧向荷载下的抗弯承载特性；通过现场试验和基于PIV图像处理技术的离心模型试验，并结合三维有限元流固耦合数值模拟，研究加筋碎石桩复合地基在路堤荷载下的变形特性、荷载传递机理、桩土荷载分担比和超孔隙水压力变化规律、下卧层附加应力分布规律，以及复合地基破坏机理和破坏模式；在此基础上提出加筋碎石桩复合地基路堤沉降和稳定性设计计算方法。研究成果为今后加筋碎石桩复合地基路堤的设计和施工技术提供理论基础。

开展了不同筋材强度、不同填料类型和压实度加筋碎石桩桩体的单轴压缩试验和大三轴试验，获得桩体在轴向荷载下的应力-应变关系及强度特性；根据莫尔-库伦理论和极限平衡原理推导出加筋碎石桩桩体强度及模量计算公式，并采用试验结果对公式进行修正。开展了加筋碎石桩桩体抗弯承载试验，结合三维数值模拟得出桩体受弯截面正应力分布规律，基于此分布规律及Euler-Bernoulli梁模型，建立了加筋碎石桩极限抗弯承载力和抗弯刚度计算公式。开展了基于人造软土的加筋碎石桩复合地基路堤相似模型试验和离心模型试验，研究其在不排水条件下的变形特性和破坏机理，路堤中心下的加筋碎石桩桩体可发生向路堤内的屈曲失稳，而边坡下的桩体在不排水的桩间土体滑移作用下产生显著的向路堤内的弯曲变形；开展了基于高岭土的加筋碎石桩复合地基路堤离心模型试验，并结合现场试验和三维有限元流固耦合数值模拟，研究了其在排水条件下的变形特性和破坏机理，桩体具有很好的排水性能，边坡下桩体发生向路堤外的弯曲变形，而有水平加筋垫层时，桩体则向路堤内弯曲变形。基于弹塑性理论，建立了路堤荷载下加筋碎石桩复合地基桩土应力比计算模型，考虑应力扩散效应和自重应力，推导得出加筋碎石桩复合地基桩土应力比计算公式。基于复合地基理论，提出了路堤荷载下加筋碎石桩复合地基承载力、沉降和稳定性计算公式，研究成果已纳入中国土木工程学会标准编制计划《土工织物散体桩处理软土地基技术规程》中。 2100433B