公路路堤荷載下變剛度復合地基設計方法優(yōu)化及其試驗研究.pdf

1、在公路建設中，采用水泥攪拌樁等樁基處理地基時，橫斷面通常采用等樁長、等樁距的布樁方式，這種等剛度復合地基將導致地基在均布荷載作用下產(chǎn)生橫向差異沉降；橋頭縱向過渡段通常采用跳躍方式改變樁長或樁距，這使得過渡段將出現(xiàn)縱向差異沉降?？v、橫向差異沉降均會使路面產(chǎn)生不同程度的病害，從而降低公路的使用性能。針對公路地基處理設計中存在的不合理布樁方式，本文提出了減少差異沉降的變剛度布樁思路，即通過合理調(diào)整樁長或樁距，優(yōu)化復合地基的剛度分布，最終實現(xiàn)減

2、少差異沉降的目標，并從試驗研究、設計方法優(yōu)化等兩個方面圍繞這一思路進行了研究和探討，提出了變剛度復合地基的受力變形規(guī)律及優(yōu)化設計基本方法，以期為完善變剛度復合地基處理設計打下基礎。
　　 首先，選取江蘇省高速公路中常用的水泥攪拌樁復合地基為研究對象，依托江蘇在建的濟徐高速公路項目，通過變樁長和變樁距兩種優(yōu)化方案的現(xiàn)場試驗，埋設相關儀器，獲得了第一手實測數(shù)據(jù)，包括路堤荷載下變樁長和變樁距的水泥攪拌樁復合地基沉降（沿路堤橫向斷面沉降

3、、縱向差異沉降）、深層水平位移、樁土應力比等。
　　 然后，為了進一步掌握變剛度復合地基的受力及變形規(guī)律，以現(xiàn)場試驗方案為基礎，通過8組室內(nèi)離心試驗模型，分別進行了采用等樁長下等樁距、等樁長下變樁距和等樁距下變樁長的不同地基處理方案的離心模型試驗，獲得了各方案地基沉降（沿路堤橫向斷而沉降、縱向差異沉降）、樁土應力比等數(shù)據(jù)。
　　 接著，與離心模型試驗相對應，開展了有限元數(shù)值模擬分析，視水泥攪拌樁為理想彈塑性材料，采用Dr

4、ucker-Prager模型，對土體采用修正劍橋模型，按與離心模型試驗同斷面、同參數(shù)并結合有限元模型相關要求確定有限元模型參數(shù)，運用ABAQUS大型有限元軟件建立二維平面應變模型，對其地基沉降（沿路堤橫向斷面沉降、縱向差異沉降）、深層水平位移及樁土應力比進行分析。
　　 通過上述試驗研究（現(xiàn)場試驗、離心模型試驗、數(shù)值模擬分析）可知：
　　 ①無論采用等樁長變樁距或等樁距變樁長水泥攪拌樁復合地基方案，現(xiàn)場試驗、離心模型試驗

5、、數(shù)值模擬分析三種方法結果（沿路堤橫向斷面沉降、縱向差異沉降、土體深層水平位移、樁土應力比等）的趨勢均具有較好的一致性。
　　 ②無論采用等樁長變樁距或等樁距變樁長水泥攪拌樁復合地基方案，在減少用樁量，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟效益的同時，控制橫向差異沉降的效果也很顯著，甚至可以優(yōu)于傳統(tǒng)設計方法，且等樁長變樁距方案要好于等樁距變樁長方案。無論采用等樁距變樁長或等樁長變樁距水泥攪拌樁復合地基方案，均可大大調(diào)節(jié)縱向差異沉降，提高行車舒適性，且從減

6、小縱向差異沉降來看，等樁長變樁距方案要優(yōu)于等樁距變樁長方案，能更有效地減緩縱向差異沉降。
　　 ③土體深層水平位移有兩個極大值，一個位于地表以下較淺處，一個位于樁端平面以下附近；天然地基經(jīng)過水泥攪拌樁復合地基處理后，地基最大側向水平擠出位移區(qū)向地基深處轉移，增加了地基的穩(wěn)定性；就限制地基土體水平位移而言，變樁距方案外側樁體有阻止土體深層水平位移的作用，變樁長方案由于外側為短樁則沒有這樣的作用。
　　 ④樁土應力比隨樁長的

7、增加呈現(xiàn)增加趨勢，當樁底未進入下臥持力層時，樁土應力比明顯減小；樁土應力比隨樁距的增加先減小后增大，當樁間距超過2.Om后，樁分擔的荷載明顯增大。
　　 ⑤地基采用水泥攪拌樁處理后，最大剪應力場轉移到樁尖以下，在地基深處擴散，增加地基的穩(wěn)定性；等樁長變樁距方案與等樁距變樁長方案相比，前者樁體的最大剪應力場的范圍更大，即前者能更有效地阻止地基土體的側向位移。
　　 ⑥從設計、施工控制、質(zhì)量檢測、工程造價和現(xiàn)場試驗效果等多方

8、面來看，變樁距方案均優(yōu)于變樁長方案。
　　 在上述試驗研究基礎上，進行了如下的優(yōu)化設計推導：
　　 ①選取Gibson地基以符合工程實際，推導了圓形均布荷載作用下，Gibson地基上的沉降計算近似解。
　　 ②給出了Gibson地基土條件下，矩形分布荷載中心線上某點的地表沉降計算公式。
　　 ③采用剪切位移法，給出了單樁樁頂荷載與樁頂沉降之間的理論關系計算公式。
　　 ④推導了Gibson土地基條

9、件下，樁周土體沉降引起樁自身的沉降計算解析解。
　　 ⑤推導了彈性條件下，不同樁長時樁對樁的相互作用系數(shù)計算公式。
　　 ⑥針對傳統(tǒng)樁-樁相互作用系數(shù)求解中的不足之處（只考慮樁樁之間的單向影響），本文以兩樁之間存在的反復相互影響為基礎，利用無窮等比級數(shù)求和，得到了單樁在單位荷載作用下計入兩樁之間反復相互影響的樁頂沉降量。
　　 ⑦提出考慮兩樁相互作用情況下，樁i對樁j的作用系數(shù)計算公式。
　　 ⑧推導了在

10、多樁同時存在條件下，某樁對周圍樁的名義作用系數(shù)。
　　 ⑨提出了一種切實可行的簡化計算方法，來考慮其它樁的存在對某一特定樁沉降的影響。
　　 ⑩推導出樁土復合體的剛度近似計算公式。
　　 (11)提出變樁長、變樁距復合地基調(diào)平優(yōu)化設計步驟：第一步，建立計算模型，將半無限體的樁-土連續(xù)介質(zhì)簡化為相互離散的支承剛度不同的彈簧，確定土、單樁剛度參數(shù)，為了簡化計算，不計入土-土相互影響，并將土-樁、樁-樁相互作用和影響凝

11、聚到樁的彈簧剛度上；第二步，通過求解樁周土沉降引起的單樁i樁頂沉降量，獲得周邊群樁樁項受荷引起的單樁i樁頂沉降；第三步，通過樁土應力比，可分別得到均布荷載下橫（縱）斷面土體沉降曲線與各樁樁頂沉降量計算值；第四步，由橫斷面（縱向過渡段）預期的設計沉降曲線，和橫（縱）斷面土體計算沉降曲線，可以得到橫（縱）斷面上各樁頂位置設計沉降量及沉降量計算值，通過調(diào)整復合地基參數(shù)（如樁長、樁距），將樁頂差異沉降量（設計沉降量與沉降量計算值的差）調(diào)整為0，