高速铁路沉降控制复合桩基的性状试验研究

基于沉降控制设计理念,无砟轨道京沪高速铁路地基处理采用筏板+垫层+疏桩的方法,形成复合桩基以实现有效减少工后沉降和充分利用地基承载力的优化加固方案。为探索该新方法沉降控制机制,选用CFG桩开展了复合桩基现场试验研究,对复合桩基在高速铁路路基填筑、静置、预压卸载过程中的地基沉降变形、桩和桩间土土压力、筏板顶与底部压力进行了长期观测,分析了路基沉降变形、桩-土应力比和荷载分担比以及筏板的受力随填筑高度和固结时间的变化规律。研究表明：筏板＋垫层＋疏桩联合加固地基方案在初期充分发挥了桩间土承载作用,导致桩与桩间土产生差异沉降;随着垫层的调节作用,筏板可集中发挥桩体的承载能力及显著提高桩顶应力集中程度,地基土沉降主要发生在加固区范围内,从而揭示了复合桩基在路基荷载下的承载机制和变形特性。现场试验结果可为指导高速铁路CFG桩复合桩基设计参数的进一步优化提供试验依据。     

侧向约束下柔性桩复合地基沉降特性

侧向约束技术在地基处理工程中能有效地减小地基沉降。本文结合铁路工程与软土工程特性,采用模型试验与数值模拟的方法,研究了侧向约束(桩)对柔性桩(夯实水泥土桩)复合地基沉降的影响,分析了柔性桩和土体沉降变化随荷载水平的变化规律,探讨了侧向约束条件下土体模量、桩间距等因素对地基沉降的影响。研究结果表明:在柔性桩复合地基中设置侧向约束桩,当土体压缩模量较小时,采用2d(d为桩径)或3d桩距皆能较好地降低桩的沉降量;随着土体压缩模量的增大,桩距采用3d时减沉作用降低、2d时减沉效果增强、4d时减沉作用不明显;桩间土体沉降量在桩距为2d及3d时,减沉作用呈现先减小后增大的特点,4d时其沉降量减小比值为4%~5%。因此,合理设置侧向约束桩才能有效限制软土侧向挤出,以达到减少复合地基沉降的目的。     

微型钢管-旋喷复合桩在软土区的试验研究

软土地质条件下的既有建筑物地基基础加固或改造面临诸多复杂条件,施工安全和周边环境保护尤为重要,为此提出微型钢管--旋喷复合桩工艺。通过开展微型钢管--旋喷复合桩各项承载力现场试验研究,获取钢管桩应变数据,分析其承载特性及传力机制,总结提出微型钢管--旋喷复合桩承载力设计计算公式,为开展工程应用提供理论依据。     

CFG桩复合地基边桩效应分析

CFG桩复合地基是软土地基处理中的一种较为有效的方法,近年来得到广泛的应用。通过有限元分析程序对CFG桩复合地基边桩效应进行分析,讨论边桩对CFG桩复合地基沉降、土体应力和承载力的影响。分析表明由于边桩的存在,限制了桩间土体的侧向挤出,减小了土体的竖向位移。同时,边桩增大了附加应力影响范围,能够在一定程度上提高复合地基的承载力,并促进了桩间土承载潜力的发挥。     

沉降控制复合地基设计与测试研究

分析了深层搅拌桩复合地基承载特性及影响复合地基沉降变形的因素,针对具体工程,对深层搅拌桩复合地基以沉降作为控制标准进行设计,并通过桩间土应力和桩顶应力的测试,研究了复合地基桩土应力分布特性。沉降监测结果表明,该建筑物沉降量与预测值较为接近,表明在软土层较厚并且存在软弱下卧层地区,复合地基按沉降控制设计是可行的。     

旋喷桩加固地基过程中的地基沉降及其影响因素分析

旋喷桩在黄土地区已有建筑物地基加固应用比较广泛。本文通过两个工程实例,论述了旋喷桩加固地基过程中地基沉降规律及其影响因素,并提出了减小施工附加沉降的建议。     

堤坝软土碎石桩复合地基计算参数研究

目前确定碎石桩复合地基参数时,工程界常采用碎石与原状土参数按平面面积占比叠加的简化方法进行计算,对其适用条件较少关注。以卢旺达那巴龙格河二号水电站高土石坝深厚覆盖层软弱地基处理项目为背景,基于PLAXIS有限元平台,对不同面积置换率下含碎石芯软黏土复合试样进行三轴固结排水试验数值模拟,经室内三轴试验验证了数值模拟方案的合理性。对软土碎石桩复合地基的桩-土作用机制和土体硬化模型计算参数进行研究,将所获参数应用于坝基的变形分析,并与传统参数叠加法和碎石桩墙法进行对比。结果表明：采用数值复合试样法确定的土石坝软土碎石桩复合地基参数是合理的,在计算复合地基沉降时误差小;传统参数叠加法低估了软土碎石桩复合地基的沉降,仅适用于低应力水平、高面积置换率的情况,并且会高估复合地基的强度参数。采用数值复合试样法参数对坝基变形的二维有限元分析表明,根据坝体高度不同采取不同置换率的碎石桩分区加固地基的优化方案是可行的。     

高压旋喷桩复合地基承载力与沉降计算方法分析

以具体工程为背景,以准确翔实的承载力与沉降量实测资料为依据,以高压旋喷桩复合地基的承载力、沉降量实测值与计算机值进行了对比与分析。结果表明，旋喷复合地基载荷试验时承压板下桩数不同，测得的复全地基承载力也不同，承压板下桩数越多，所得的承载力标准值越低；高压旋喷桩的加固深度与承台宽度的比值I/B对复合地基沉降量的计算机有较大影响；用分层总和法计算机复合土层的沉降量时，复合压缩模量的不同计算方法，会使计算结果出现较大差异。     

考虑路堤-加固区相互作用的刚性桩复合地基沉降算法

为合理计算路堤荷载作用下刚性桩复合地基沉降,考虑路基填土中的土拱效应以及路堤-地基加固区竖向荷载传递的耦合特征,基于填土中内、外土柱界面摩阻力系数随深度线性发挥模式以及复合地基中桩土相对位移模式与桩侧摩阻力系数分布模式,采用微元体静力平衡原理,并考虑路堤-加固区-下卧层之间的应力连续与变形协调条件,推导出了路堤下刚性桩复合地基的桩土应力比、桩土沉降差、加固区沉降量的计算公式,定量反映了路基填高、填土及软土地基的黏聚力和内摩擦角、桩长、桩径、桩间距等多个主要因素。实例分析表明,加固区沉降量的计算值与实测值误差一般不超过15%;桩长对加固区沉降呈非线性影响;面积置换率、地基土内摩擦角与黏聚力对加固区沉降均具有线性的负相关影响特征,且沉降量受内摩擦角影响比黏聚力更敏感。     

海相软土对刚性桩复合地基的影响机理分析

海相软土特性对刚性桩复合地基形成有很大影响,但其影响机理尚不够清晰,工程实践中常被工程相关人员所忽略,造成大量的工程质量问题。依托多个近年来典型工程实例的综合分析、研究成果,主要研究了海相软土的固结沉降、结构性、低渗透性等特性对刚性桩复合地基的影响机理。结合多个工程事故实例的计算分析及现场实测数据,佐证了研究成果的合理性。研究结果认为,海相软土地区刚性桩复合地基应用时,必须充分考虑海相软土固结沉降、高灵敏度、挤土施工扰动等特性的影响,并经现场试验性施工,明确处理效果后方可实施,否则不应直接采用。由于桩端持力层不同,固结沉降引起两种典型复合地基破坏模式:如果桩端悬浮在软土层中,桩端将发生显著的向下刺入变形,桩间土发生塑性变形;如果桩端落在硬土层上,桩体将先发生强度破坏,然后桩间土破坏;宏观上则表现为复合地基沉降长期不收敛甚至出现加速下沉。因挤土施工扰动影响,被基桩挤排的海相软土可视为流体,利用流体总是向最小阻力路径流动的性质,分为三种不同排土路径:沿桩侧塑性区向上排土、沿场地内整体向上排土、沿场地周边薄弱处侧向排土。由于桩间海相软土地基承载力很低,在上部荷载作用下应保证有足够的土拱高度。提出了海相软土地区刚性桩复合地基工程实践中的应对措施及建议。     

高速公路拓宽工程沉降控制复合地基优化设计

按沉降控制设计理论,结合有关公路设计规范、路面功能性和结构性的要求以及有限元法分析路基差异沉降引起路面附加应力的计算结果,提出了采用工后路基路拱横坡度变化小于等于0.45 %作为软土地基上高速公路拓宽工程的容许新老路基差异沉降控制标准。采用有限元法对佛山-开平高速公路拓宽工程标准断面进行分析,采用不同参数计算出水泥土搅拌桩复合地基的新老路基差异沉降。根据沉降控制标准,优化出既满足新老路基差异沉降控制要求,又效益最优的高速公路拓宽工程软土路基水泥土搅拌桩处理的设计参数,即工程水泥土搅拌桩采用面积置换率为8.9 %(对应桩间距1.6 m),桩长8 m,桩径为0.5 m,水泥掺入比为15 %;实际使用时,考虑桩土存在一定的不协调,可适当提高桩体面积置换率达10.1 %（对应桩间距1.5 m）。     

高速拓宽软土路基差异沉降数值计算及监测分析

路基差异沉降控制是软土地区高速拓宽工程中的关键性技术问题之一,本文以北方某高速拓宽工程的试验段为例,运用ABAQUS软件进行了拓宽软土路基变形的有限元数值计算,并与路基现场变形监测数据进行对比分析,数值计算与实测结果基本吻合,结论一致地反映了路堤填筑初始阶段新路基的沉降速率较大,旧路基在填筑后期才产生较明显的附加沉降变形; 路基变形在拓宽侧呈现明显的"沉降盆"效应,新、旧路基的差异沉降是造成路基路面纵裂的主要因素; 桩端地基土呈现出较明显的侧向挤压效应,则表明采用带帽PTC桩复合地基中用于减沉时,桩端应置于具有较高承载力的有效持力层上。     

竖向荷载下群桩-土-承台相互作用数值分析

在大桩径、小桩距的群桩条件下,不仅有来自桩侧、桩端和承台传递的多重应力叠加,还有群桩对桩间土的夹持作用影响,桩-土-承台之间作用更加复杂。用有限差分软件模拟固定桩距、桩径,变化竖向荷载下桩-土-承台的相互作用。从各层土的侧摩阻力、不同位置桩的桩顶荷载、荷载-沉降关系、桩间土体位移等方面的计算结果分析桩-土-承台之间的相互影响。结果表明,荷载超出117.8 MN（略大于Pu/2,Pu为群桩极限承载力）后,群桩对上部桩间土的夹持作用开始减小,桩侧上部侧摩阻力增大;桩侧下部侧摩阻力在多重应力叠加作用下呈减小趋势,不同位置的桩侧摩阻力影响范围有差异;用群桩沉降达到5%倍桩径时的荷载作为群桩的竖向极限承载力是可取的;当沉降与桩径的比值超出1%后,承台分担荷载的比例逐渐增大,群桩分担荷载的比例减小。     

复合地基沉降的复合本构有限元分析

提出了平面应变条件下复合地基沉降计算的复合本构有限元法。根据桩土界面处力的平衡条件和竖向变形协调条件,由桩、土材料各自的本构方程形成复合地基的本构方程,桩和桩周土可以采用任意非线性本构模型。工程实例分析表明,所建议的方法是有效的。     

Three-dimensional analysis of bearing behavior of piled raft on soft clay

The piled raft has proved to be an economical foundation type compared to conventional pile foundations. However, there is a reluctance to consider the use of piled rafts on soft clay because of concerns about excessive settlement and insufficient bearing capacity. Despite these reasons, applications of piled rafts on soft clay have been increased recently. Current analysis methods for piled rafts on soft clay, however, are insufficient, especially for calculating the overall bearing capacity of the piled raft. This study describes the three-dimensional behavior of a piled raft on soft clay based on a numerical study using a 3D finite element method. The analysis includes a pile–soil slip interface model. A series of numerical analyses was performed for various pile lengths and pile configurations for a square raft subjected to vertical loading. Relatively stiff soil properties and different loading types were also used for estimating the bearing behavior of the piled raft. Based on the results, the effect of pile–soil slip on the bearing behavior of a piled raft was investigated. Furthermore, the proportion of load sharing of the raft and piles at the ultimate state and the relationship between the settlement and overall factor of safety was evaluated. The results show that the use of a limited number of piles, strategically located, might improve both bearing capacity and the settlement performance of the raft.     

大厚度黄土地基超长群桩承载特性模型试验研究

大厚度黄土地基中大直径长桩、超长桩的应用急剧增多,但黄土地基中超长桩的承载变形机理、侧阻和端阻的发挥性状与普通桩差别较大。采用研制的黄土相似材料填筑模型,分别进行超长单桩和群桩竖向抗压静载试验,分析桩顶荷载作用下荷载-沉降、桩身轴力、桩侧阻力、桩端土体塑性区发展变化规律。研究结果表明:超长单桩在竖向荷载作用下,荷载主要由桩侧阻力承担,桩侧阻力由上向下逐步发挥,属纯摩擦桩,单桩破坏形式为刺入破坏,桩端土体塑性变形影响范围约为1.1 d。与单桩相比,超长群桩基础桩端承载力有较大幅度的提高,桩身轴力衰减深度范围有所减小,侧阻力沿桩身逐渐增大,桩端土层的影响范围约为1.25 d,与超长单桩的影响范围较为接近。本文的研究方法和结果可为大厚度黄土地区超长桩基的承载特性研究提供参考。     

预制管桩-搅拌桩复合地基静载试验分析

控制沉降和不均匀沉降是深厚软土地基上多层建筑工程设计的关键问题。以温州某康居工程为背景,把预制管桩结合水泥搅拌桩这种新型的刚柔性桩复合地基运用于该小区的地基处理,通过大型现场静载试验,研究了该类复合地基沉降随荷载变化规律,分析了刚性桩和柔性桩应力比、刚性桩土应力比、柔性桩土应力和荷载分担百分比随荷载变化的发展规律。研究表明,两种桩和土应力比值在静载试验中随荷载增加其值变化不大,充分发挥了桩间土的承载力特性。所得结论可为该类地基进一步的理论研究及工程设计提供有益的参考依据。     

循环荷载作用下水泥土桩复合地基模型试验研究

设计并完成了循环荷载作用下水泥土桩复合地基的模型试验。对水泥土桩复合地基的竖向附加应力、桩土应力比、孔隙水压力及沉降等问题进行了研究讨论。结果表明,（1）水泥土桩加固饱和软基后发生了应力重分布;（2）循环荷载作用下复合地基桩土应力比受加荷周数、循环应力比和置换率等因素的影响较显著;（3）水泥土桩加固饱和软基降低了孔压值,减小了由于孔隙水压力的消散而产生的工后沉降;（4）水泥土桩复合地基在循环荷载作用下桩顶和桩间土变形并不协调,桩顶永久沉降小于桩间土永久沉降,且加荷周数越大这种趋势越显著。     

桩网结构路基承载特性的现场试验研究

为了考察路堤荷载作用下桩网结构路基桩土间的荷载分担与传递、垫层筋带拉力的组成与分布,选择某新建铁路桩网结构路基试验工点进行了现场试验,测试了地基变形、路堤基底压力、孔隙水压力、桩身轴力和格栅拉力等数据。测试数据表明：①地基沉降以压密下沉为主,路基结构稳定,软土较厚一侧地基变形较大;②当桩、土间沉降差与桩间净距的比值为5.93%时,土拱效应完全发挥,之后增加的路堤荷载完全由桩承担;③桩间土竖向附加应力在加固区内沿深度呈K型分布;④筋带拉力沿路基横向呈M型分布,软土较厚一侧拉力较大;⑤筋带拉力由路堤荷载作用下的桩间筋带张力与路堤横向滑移引起的筋带拉力两部分组成,设计筋带时二者均需考虑。