双向增强体复合地基承载特性及其数值分析

论文摘要

近年来,随着我国高速公路建设的迅猛发展,软土地基问题日益突出,各种软基处治技术也随之得到了蓬勃发展。双向增强体复合地基法是目前国内外兴起的一种新型的软基处治技术,目前在高速公路路基加固、台背填土加固、不良地质条件的旧路加宽改造等工程中得到了广泛应用,并取得了良好的加固效果。但是该处治技术的理论研究尚欠成熟。为此,本文结合国家高技术研究发展计划（863计划）项目“大面积不均匀公路软弱地基按沉降控制双向增强处治技术”（2006AA11Z104）,从双向增强体复合地基的桩土应力比计算、沉降计算及固结分析等方面出发,通过理论分析、数值模拟及室内模型试验进行较深入系统的研究。本文首先针对竖向增强体-水平增强体-桩间土的整体相互作用的特点,将水平增强体视为具有一定刚度的板,竖向桩体及桩间土简化为刚度不同的弹簧系列。以单个竖向桩体影响范围内的复合地基作为典型单元体进行分析,基于Winkler弹性地基圆板理论计算出水平增强体的挠曲函数表达式,推导出双向增强体复合地基桩土应力比计算式。其次,基于薄板变形理论和双参数地基模型,推导了双向增强体复合地基桩土加固区工后沉降的计算公式。研究表明水平加筋垫层的水平抗力作用对控制双向增强体复合地基工后沉降是有利的。为了进一步研究双向增强体复合地基的沉降特性,以近似解析模型为基础,运用剪切位移法建立了竖向增强体中桩与桩,桩与土,土与土之间相互作用的刚度矩阵,引入无单元伽辽金法计算水平增强体刚度矩阵,通过双向增强体复合地基的竖向位移协调条件,建立竖向增强体与横向增强体共同工作的竖向平衡方程,将无单元法的应用推广到双向增强体复合地基的沉降计算。该方法具有不需划分单元,节点布置灵活,节点参数少,计算精度高的特点。根据桩体复合地基固结的特点,将整个桩截面和桩周土截面作为一个研究单元考虑,根据固结过程中孔隙水排出量等于单元体体积减小量的关系和平均超孔隙水压力的概念,推得了考虑桩体的固结变形的桩体复合地基的固结方程。通过等应变假设和初始边界条件,由分离变量法对该固结方程进行求解,得到了桩体和桩间土的平均超孔隙水压力、平均固结度、复合地基整体固结度。进一步完善了桩体复合地基固结解析理论。最后,在相似理论基础上推导了单纯软基模型试验,土工格室垫层路基模型试验以及土工格室垫层+碎石桩复合地基模型试验的相似准则,由此设计并完成了三组室内模型试验。试验数据分析表明,土工格室垫层加固软基能有效扩散和均化上部荷载、减少沉降及不均匀沉降。而土工格室+碎石桩复合地基加固软基则既能减小地基沉降和不均匀沉降,而且能够限制路堤外侧的隆起变形。同时,碎石桩与格室垫层共同构成比较完善的排水体系,有利于加速桩间土排水固结。基于本文桩土应力比解析理论的计算值以及无单元法所获得的沉降值与实测值吻合较好,验证了本文理论分析的合理可行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 复合地基概述
• 1.2 双向增强体复合地基技术发展概况
• 1.3 双向增强体复合地基理论研究现状
• 1.3.1 双向增强体复合地基承载力研究现状
• 1.3.2 双向增强体复合地基沉降分析研究现状
• 1.3.3 双向增强体复合地基固结研究现状
• 1.3.4 双向增强体复合地基数值分析研究概况
• 1.4 本文研究背景及主要研究内容
• 第2章 双向增强体复合地基桩土应力比计算
• 2.1 引言
• 2.2 双向增强体复合地基承载机理
• 2.2.1 水平加筋垫层作用机理
• 2.2.2 竖向桩体作用机理
• 2.2.3 双向增强体共同作用机理
• 2.3 基于Winkler弹性地基圆薄板理论
• 2.3.1 地基板的基本方程
• 2.3.2 双向增强体复合地基桩土应力比分析模型
• 2.3.3 方程求解
• 2.4 算例及参数分析
• 2.4.1 算例
• 2.4.2 参数分析
• 2.5 小结
• 第3章 双向增强体复合地基沉降计算
• 3.1 引言
• 3.2 基于双参数地基模型的水平加筋垫层的变形分析
• 3.2.1 水平加筋垫层的双参数地基模型
• 3.2.2 算例
• 3.2.3 参数分析
• 3.3 基于剪切位移法的竖向增强体刚度矩阵的建立
• 3.3.1 剪切位移法
• 3.3.2 单桩桩顶的柔度系数
• 3.3.3 桩与桩的相互作用柔度系数
• 3.3.4 桩与土的相互作用柔度系数
• 3.3.5 土与土的相互作用柔度系数
• 3.3.6 桩-土体系的刚度矩阵
• 3.4 小结
• 第4章 双向增强体复合地基沉降计算的无单元法
• 4.1 引言
• 4.2 无单元伽辽金法基本原理
• 4.2.1 移动最小二乘法
• 4.2.2 权函数选取
• 4.2.3 节点影响域半径
• 4.2.4 离散和数值计算
• 4.2.5 本质边界条件实现
• 4.2.6 不连续问题中权函数及近似函数的处理
• 4.3 算例分析
• 4.3.1 一维算例——基于m法的横向受荷桩无单元伽辽金分析
• 4.3.2 二维算例——弹性地基板的无单元伽辽金分析
• 4.4 双向增强体复合地基沉降计算的无单元伽辽金法
• 4.4.1 双向增强体共同作用基本方程
• 4.4.2 算例验证
• 4.5 小结
• 第5章 桩体复合地基的固结计算
• 5.1 引言
• 5.2 桩体复合地基的固结解析计算
• 5.2.1 计算模型的建立
• 5.2.2 固结方程的推导
• 5.2.3 固结方程的求解
• 5.3 公式讨论及实例验证
• 5.4 参数研究
• 5.4.1 置换率的影响
• 5.4.2 井阻的影响
• 5.4.3 桩土模量比的影响
• 5.4.4 涂抹作用对固结的影响
• 5.5 小结
• 第6章 复合地基室内模型试验
• 6.1 引言
• 6.2 相似理论
• 6.2.1 相似理论简介
• 6.2.2 相似理论的三大定理
• 6.2.3 复合地基的相似条件
• 6.3 模型试验方案中的相关参数
• 6.3.1 材料相似
• 6.3.2 荷载相似
• 6.3.3 几何条件与边界条件相似
• 6.3.4 初始条件相似
• 6.4 试验设计
• 6.4.1 模型箱设计
• 6.4.2 加载装置设计
• 6.4.3 数据量测与采集系统
• 6.5 试验内容与方法
• 6.5.1 单纯软土地基模型试验
• 6.5.2 土工格室加筋垫层处理软土地基试验
• 6.5.3 土工格室加筋垫层＋碎石桩复合地基模型试验
• 6.6 小结
• 第7章 室内模型试验成果分析
• 7.1 引言
• 7.2 荷载—沉降曲线分析
• 7.3 应力实测数据分析
• 7.3.1 第二组试验垫层上下土压力实测数据
• 7.3.2 第三组试验桩土应力比实测数据
• 7.4 孔隙水压力实测数据分析
• 7.5 小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间论文、科研及获奖情况