柔性基础下刚性桩复合地基的稳定分析与工程应用研究

随着土木工程建设的蓬勃发展，各种形式的复合地基技术在高速公路、铁路等领域得到了广泛的应用和推广，并取得了良好的经济效益和社会效益。刚性桩复合地基由于其承载力高，工后沉降小，施工速度快的优点，在软土地基道路工程中的应用越来越多。但路堤下黏结材料桩复合地基的稳定分析仍沿用传统的剪切破坏假定严重高估了复合地基的稳定性，由此设计出的工程往往处于不安全状态。近年来我国珠三角、长三角及内地软土地区的路堤采用刚性桩加固后仍时有滑坡事故发生。 本项目通过离心模型试验、数值分析和解析分析法，对路堤下刚性桩复合地基的工作性状、破坏模式及稳定分析方法等方面进行了深入系统的研究，取得以下成果： （1）通过离心机模型试验，采用变加速度加载法、恒加速度加载法和气囊加载法模拟路堤填筑、工后使用和失稳破坏过程，研究了复合地基的工作性状和破坏模式，揭示了加载过程中路堤和地基土体的位移场、不同位置桩体内力和位移、桩间土应力和孔隙水压力的变化规律，以及路堤下不同位置桩体破坏模式的差异性； （2）采用三维有限元数值方法，首次采用损伤模型模拟桩体受损后的应力重分布，揭示了路堤下刚性桩复合地基渐进破坏的过程和不同位置桩体破坏模式的差异性； （3）根据路堤下不同位置桩体破坏模式的差异性，将桩体的破坏模式分为受压破坏、受拉破坏和受弯破坏三种，并进行了合理分区。根据极限平衡法基本原理，提出考虑桩体破坏模式差异的柔性基础下刚性桩复合地基稳定分析方法。 项目已发表论文5篇，其中SCI/EI收录4篇。研究成果已应用于龙丽温高速公路、温州绕城高速公路西南线工程、甬台温高速公路复线、乐清湾大桥及接线工程、台州湾大桥及接线工程等高速公路工程中，社会效益和经济效益显著。研究成果获得中国岩石力学与工程学会2017年科技进步特等奖1项，浙江省科技进步一等奖1项（已通过答辩）。 2100433B

对于柔性基础下的复合地基，除了进行承载力和沉降计算外还应进行稳定分析。目前国内外通常采用极限平衡法，假定桩和桩间土均发生剪切破坏，采用抗剪强度来计算边坡的稳定性，忽视了桩体可能发生的受弯、受拉及受压破坏的情况，导致所得稳定安全系数偏高，其结果偏于不安全。课题组拟通过离心模型试验、三维大变形固结有限元和强度折减有限元分析方法，考虑桩体开裂或破坏后复合地基应力场的重分布以及不同强度桩体（钢筋混凝土桩和素桩）破坏模式的差异性，系统研究路堤边坡下刚性桩复合地基的受力特性以及失稳破坏的全过程，分析失稳过程中地基位移场、应力场和孔隙水压力的变化规律，桩体破坏模式和内力重分布规律，失稳滑动面及稳定安全系数的变化规律。在前述工作基础上，合理假定失稳滑动面并考虑不同破坏模式桩体的抗滑贡献，提出柔性基础下刚性桩复合地基的稳定分析简化方法。

概念

柔性基础复合地基与以往所说的复合地基的区别在于基础刚度的不同。判别基础是刚性或者是柔性，采用的标准是基础的抗弯刚度EI。建筑物下的混凝土基础，其刚度很大，可以认为其抗弯刚度EI趋于无穷大，这类基础均可认为是刚性基础。在中心荷载作用下，刚性基础不会发生挠曲变形，基底各点的沉降是相同的。在刚性基础复合地基中，基底面处满足等应变假设，即桩顶与桩间土的变形相同。

当基础的抗弯刚度趋于0时，认为这种基础为绝对柔性基础。如果假设这种基础是由许多小块组成，那么各小块之间光滑而无摩擦，基础上的荷载通过小块直接传递在土上，基础底面的压力分布图形将与基础上作用的荷载分布图形相同，基础底面的沉降则各处不同。对于由土筑成的路堤，可以近似的认为路堤本身不传递剪力，那么它就相当于一种柔性基础。本文中的柔性基础复合地基即是指路堤荷载作用下的复合地基。在柔性基础复合地基中，桩顶与桩间土体的变形不同，存在一沉降差，这就使得柔性基础复合地基的受力与变形性状不同于刚性基础复合地基。

按桩端持力层强度分类

根据复合地基中桩的荷载传递机理，以及工程中遇到的复合地基实际情况，按桩端持力层强度，将复合地基分为两类:一是桩体穿透整个软弱土层，桩端支撑在较坚硬的土层上形成的支承式复合地基， 其下卧层的变形和承载力均能满足要求；二是桩体未能穿透整个软弱土层，复合土层下仍然存在软弱下卧层的悬浮式复合地基。一般情况下，第一类复合地基常以承载力为控制条件，而第二类复合地基则须以变形为控制条件。

第一类复合地基类似于桩基础中的端承桩，两者荷载传递的不同之处是：复合地基中的桩体是地基的一部分，是承载结构，而桩基础中的桩体是传力结构。对于柔性基础复合地基，在桩土变形协调的过程中，复合地基中的桩体和土体分别承担了上部荷载的作用，因而，复合地基的承载力是由这两部分组成的，即要考虑桩的端阻力和侧阻力；而端承桩基础中，外部荷载通过桩身直接传递给基岩，桩的承载力主要由桩的端部提供，一般不考虑桩侧摩阻力的作用。

第二类复合地基类似于桩基础中的摩擦桩。按成桩后桩体的强度(或刚度)分类；1)柔性桩复合地基—以散体土类桩构成，如碎石桩、砂桩等。2)半刚性桩复合地基—以水泥土类桩构成，如水泥土搅拌桩、旋喷桩等。3)刚性桩复合地基—以混凝土类桩构成，如水泥粉煤灰碎石桩(亦称CFG桩)、素混凝土桩等 。

《刚性长短桩复合地基理论与工程应用》是作者多年研究成果的总结。全书以刚性长短桩复合地基基础体系为研究对象，采用基底沉降变形一致的基本假定，以单桩变形刚度、单桩复合地基变形刚度研究为基础，全面、翔实地介绍了长短桩复合地基中长桩、短桩及桩间土体的相互作用机制及其变形刚度计算理论。

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