柔性基础下复合地基研究现状分析

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刚性基础下复合地基计算理论的假设 复合地基有了丰富的工程实践，复合地基计算
理论也有了一定的发展，现有复合地基计算理论主 要是建立在以下３个假设之上：ａ．刚性基础，基底处 桩与桩间土的竖向变形协调；ｂ．在竖向荷载作用下 桩与桩问土之间没有侧向挤压作用，各自都不发生 侧向变形；ｃ．复合地基土内部任一水平截面上桩与 桩间土的竖向压缩变形相同。 对于刚性基础作用下的复合地基，假设ａ是显 而易见的。为了满足桩与桩间土竖向变形的协调一 致，假设ｃ也是成立的。假设ｂ的成立与否则要根 据桩体的性质具体分析。在建筑工程中，基础都有 较大的刚度，在上部建（构）筑物荷载作用下，刚性 混凝土基础的沉降基本上是相同的，能够满足基础 下桩、桩问土的协调变形假设。由此假设所建立的
万方数据
雷金波等：柔性基础下复合地基研究现状分析 的塑性变形及其三维空间效应未能考虑，使模拟的 精确度得不到保证，并且对柔性基础下复合地基中 的桩和桩间土竖向变形的不协调性也没有研究。龚 晓南∽ｏ等指出在现有的复合地基理论中，大都以刚 性基础为前提，没有考虑基础刚度的影响，利用数值 方法研究了在不同刚度基础下复合地基中应力场和
位移场的差异。
２００５年第３期
窦远明¨４ ｏ等在分析现场观测结果和有限元计 算结果的基础上，对柔性荷载作用下水泥土桩复合 地基的承载力与沉降特性进行了分析研究，得出桩 土应力比随时间、荷载性质、面积置换率等因素变化 的规律，以及沉降随时间、荷载变化的特性，并分析 了桩顶处存在的刺入变形和土拱效应对复合地基承 载力的影响。他们在进行有限元模拟时假设桩、土 两类单元之间没有相对滑动，没有考虑柔性基础下 复合地基中桩和桩间土竖向变形不协调的基本特
关键词 柔性基础
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
复合地基研究现状
Ｓｔａｔ璐ＡｎａＩｙｓｉｓ
Ｌｅｉ Ｊｉｎｂ０１
ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｕｎｄｅｒ Ｆｌｅ】｜【ｉｂｌｅ Ｂａ∞ Ｘｉａｎｇ Ｄｏｎｇｄｅｌ
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Ｓｅｒｉｅｓ Ｎｏ．３４５ Ｍａｒｃｈ
２００５
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底
砖
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总第３４５期 ２００５年第３期
ＭＥＴＡＬ ＭＩＮＥ
柔性基础下复合地基研究现状分析
雷金波１’２
向东德１
姜弘道２
（１．南昌航空工业学院；２．河海大学） 摘要随着复合地基技术的广泛应用，刚性基础下复合地基性状分析已有了一些相对完善的理论和方法， 而对柔性基础下复合地基性状分析在理论和方法上都还不成熟。荷载作用下复合地基性状与基础刚度大小有很 大关系，目前柔性基础下复合地基研究仍沿用了刚性基础下复合地基理论假设，主要还处于数值模拟阶段，最后对 柔性基础下复合地基理论研究存在的一些问题提出了解决思路。
雷金波（１９７３一），男，南昌航空工业学院土木建筑系，河海大学博士 研究生，３３００４６江西省南昌市。
万方数据
总第３４５期
金
砥
醇
趣
２００５年第３期
计算理论用于诸如钢筋混凝土基础下复合地基承载 力和沉降计算有一定的实用价值，刚性基础下复合 地基性状分析有了一套相对比较完善的理论和方 法。复合地基计算理论主要包括复合地基沉降计 算、承载力计算和稳定性分析等三方面的内容…。
ｏｎ
ｕｏｕｓｌｙ ｓｏｌｕｔｉｏｎ
ｔｈｅ
ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ ｆ．ｏｒ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｒｉｇｉｄ ｂａｓｅ ａｎｄ ｉｓ ｓｔｉｌｌ
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ｔｈｅ
ｏｆ ｓｏｍｅ ｐｍｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｎｅｘｉｂｌｅ ｂａｓｅ ａｒｅ舀ｖｅｎ．
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了柔性基础下竖向增强体复合地基沉降计算的复合 本构有限元分析方法。这种方法是将加固区视为由 桩和桩间土组成的均质各向异性的复合材料，通过 合理的方式建立能反映复合地基整体的本构方程， 然后利用有限元法进行求解。同时基于修正的
Ａ１锄西ｒ的典型单元体变形模式，求出了路堤荷载下
复合地基加固区压缩量计算的解析式。刘杰＂、８ ｏ等 完善了复合本构有限元法，在采用杨涛推荐的竖向 变形模式的基础上，同时考虑了径向变形模式，利用 弹性理论及桩、土位移协调条件建立了桩及桩周土 的控制微分方程，并由此推导出了柔性基础下群桩 复合地基加固区内桩及桩周土压缩模量计算的解析 式，同时得出了桩、桩周土中竖向应力及桩侧剪应力 计算的解析式，也未能反映复合地基中桩与桩间土
ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｕｎｄｅｒ ｌｏａｄ—
ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ
ｕｓｅｓ
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ｂａｓｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ． Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ
ｎｅｘｉｂｌｅ ｂａｓｅ ｃｏｎｔｉｎ— Ｔｈｏｕｇｈｔｓ
２柔性基础下复合地基研究现状
桩土间的相互作用，采用复合试样和复合试样数值 试验的参数是合理的，并在复合地基局部水平应力 大于竖直应力的区域改用分层试样参数。 ２．２数值模拟研究方面 数值分析作为现代化计算手段，可以避免模型 尺寸、形状、荷载、参数等限制，并且可以模拟试验室 和现场难以达到的“试验条件”和“试验方案”，剔除 在一般试验中遇到的难以回避的干扰和影响（例如 制样、取样），使试验结果能够真实反映某种现象、 规律和机理。但是数值模拟要求建立逼真的力学与 数值模型，包括桩体及桩间土几何模型、本构模型及 加载模型等，而这些又都和路堤下复合地基的工程 应用联系在一起的，模型的好坏直接关系到计算结 果正确与否及其精度。 Ａ１ａｍｇｉｄＭｌ等在分析柔性基础下端承桩复合地 基时，假定桩和桩间土均为线弹性体，通过选择合适 的典型单元体变形模式，利用典型单元体侧面零剪 应力和桩土界面位移协调条件，通过各桩、桩问土单 元的平衡分析给出了柔性基础下端承桩复合地基中 桩和桩周土的附加应力和沉降计算的解析方法。杨
涛Ｍ、６ ｏ等在Ｓｃｈｗｅｉｇｅｒ和Ｃａｎｅｔｔａ工作的基础上，提出
工程实践和理论研究表明基础刚度大小对荷载 作用下复合地基性状有重要影响。大面积的堆载、 路堤和堤坝工程中，填方荷载或交通荷载作用下的 复合地基中桩体会刺入填方路堤，复合地基中桩、桩 间土的沉降不一致，两者在接触界面上有了竖向相 对滑移，即基底处桩、桩问土竖向变形不相同，也就 不再满足上述协调变形假设。因此若把现行理论直 接应用于诸如高速公路路堤、堤坝工程中的复合地 基计算，则计算值与工程观测值差异较大。随着我 国道路建设的迅猛发展，在深厚软土地基上修建的 高速公路、铁路越来越多，在工程实践中遇到的问题 主要是路堤沉降及竣工后沉降问题，如何解决路堤 （柔性基础）的变形与稳定就成为当前岩土界十分 关注的问题。 对于柔性基础作用下复合地基承载力和沉降量 的理论计算，目前这方面的研究成果国内外还不多 见，柔性基础下复合地基中桩与桩间土的竖向不协 调性是其基本特点，现有设计和计算报导仍然沿用 了刚性基础下桩、桩间土协调变形的假设，这不可避 ７免会给计算值与观测值带来较大的差异。柔性基础 下复合地基性状特点还处于讨论之中，现有的研究 成果也主要集中在模型试验和数值分析两方面。 ２．１试验研究方面 柔性基础下复合地基的性状试验难度大，现有 的试验不是很多。吴慧明嵋。等通过对不同刚度基 础下水泥土桩复合地基性状的现场模拟试验，观测 到不同刚度基础下复合地基中桩和桩间土在承载力 和沉降等方面的性状具有显著的差异，破坏机理也 不尽相同。在承担上部荷载作用时，刚性基础下桩 首先承受较大荷载，柔性基础下则是土首先承担较 大荷载，从而导致两者在荷载传递、桩土荷载比、桩 土应力比等在量值和发展规律上存在较大差异。 李广信∞１等在常规三轴试验的基础上得出了 用复合试样、混和试样、曲线叠加、数值试验、参数叠 加和分层试样确定堤坝复合地基的Ｄｕｎｃａｎ—Ｃｈａｎｇ 模型，并用这些参数进行了有限元计算。结果表明： 在复合地基非线性有限元计算参数的选取时应考虑
Ｆｌｅｘｉｂｌｅ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ
ｂａｓｅ，Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｓｔａｔｕｓ
随着地基处理技术的发展，复合地基技术广泛 应用于交沿海地区各 类超软、深厚软土地基上修建高速公路，复合地基技 术更加得到了长足发展，同时也将面临新的挑战。 随着地基处理实践积累和理论发展，复合地基的概 念逐渐得到了工程界和学术界的认同和深化。复合 地基¨１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。上 部荷载由基体和增强体共同承担。荷载作用下复合 地基性状与桩型、基础刚度的大小有很大关系…， 现行复合地基理论不完全适合于高填土路堤下复合 地基设计和计算，本文在前人工作基础上，对柔性基 础下复合地基性状作了初步的总结和探讨，并对所 存在的问题提出了自己的见解，以期能为柔性基础 下复合地基理论研究提供思路。
的竖向不协调性。
吴慧明嵋１利用Ａｌｇｏｒ有限元程序，对不同刚度 基础下复合地基位移场和应力场进行了初步分析。 通过现场模拟试验和有限元分析发现，在基础刚度
较小的情况下，复合地基中桩和桩间土不再满足协
调变形，对复合地基的承载力和沉降变形得出了一 些定性的观点，并对柔性基础下复合地基的设计进 行了一定的探讨。但作者对复合地基中桩和桩问土
点。
冯瑞玲¨叫等利用ＭＡＲｃ软件，选择弹塑性本构 模型并以线性Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｍｂ屈服准则作为屈服条 件，将平面问题有限元法用于对路堤荷载作用下的 桩体复合地基受力与变形性状进行了研究，分别分 析了本构模型中各参数（桩间土、桩体、路堤的变形 模量、泊松比、粘聚力及内摩擦角）对复合地基性状 的影响，得出一些有益的结论。但对各种参数的影 响程度没有进行深一步的研究，而且对柔性基础下 复合地基中桩与桩间土的竖向不协调性，只是利用 ＭＡＲｃ软件中通过定义接触体模拟桩土界面上的相 对滑移，没有考虑复合地基的三维空间效应。 张忠坤¨ｕ等通过对路堤下复合地基沉降发展 计算方法的探讨，提出了将可考虑填土荷载宽度及 桩土非均质性的半解析元法与沉降随时间发展的指 数法相结合，进行沉降随时问发展的预测，并将计算 结果与实际沉降曲线及根据Ｂｉｏｔ固结平面有限元 数值分析结果进行对比，发现半解析元法的数值分 析结果是有价值的。 朱云升¨２１等通过有限元方法，考虑复合地基中 各种材料的非线性特性，对柔性基础下复合地基的 力学性状作了初步的数值模拟分析，找出了柔性基 础下复合地基桩土问的荷载分担、荷载沿深度变化 和传递、桩土间相互作用、变形特性等力学性状的一 些基本规律。 刘义怀¨列等对路堤荷载下碎石桩复合地基的 桩土沉降等受力特性进行了平面线弹性有限元分 析。他们根据碎石料的变形特点和路堤荷载下碎石 桩复合地基的受力特性，将碎石桩复合地基概化为 纵向上均质、横向上非均质的平面应变受力体，以能 量原理为基础，推导出桩土单元均质化的弹性矩阵， 并将其运用于某高速公路路堤填土荷载下碎石桩复 合地基的沉降分析。计算结果表明，对路基延长方 向的桩土单元进行均质化处理，而横截面方向仍按 桩、土分别处理，可减少计算工作量，但作了如此简 化，不能反映桩、土问的相互作用关系，并且对计算 结果的精度也会受影响。