摘 要

复合地基褥垫层是复合地基协调工作的核心，影响复合地基的变形协调能力以及承载力发挥。为了研究复合地基褥垫层的工作特性，采用多活动门试验箱装置对褥垫层的作用和荷载传递机理进行了研究。试验采用钢棒相似土作为垫层填料，以相对垫层高度h/(s-a)和相对桩间距(s-a)/a为影响因素进行研究，采用粒子图像测试技术对复合地基垫层颗粒进行全场位移监测，通过与砂填料试验结果对比很好的验证了试验的可行性。试验发现桩荷载分担比在一定的活动门沉降量时先达到峰值，然后保持最大值。桩最大荷载分担比随相对垫层厚度的增大而显著降低，随相对桩间距的增大而逐渐减小。

通过离散单元法DEM对模型试验进行数值模拟，并进行复合地基加筋垫层试验来研究加筋垫层对复合地基工作特性研究。土工格栅铺设位置过低时，上部荷载主要由桩和土工格栅承担荷载，桩间土不能充分发挥其承载力；位置过高时，土工格栅未充分发挥其承载力；位置适中时，桩、桩间土、土工格栅三者都能充分发挥其承载力。

关键词：复合地基；模型试验；加筋垫层；离散元；数值模拟；变形协调

Abstract

The cushion layer of composite foundation is the core of the coordination work of composite foundation, which affects the deformation coordination ability and bearing capacity of composite foundation. In order to study the working characteristics of the composite foundation mattress, the action and load transfer mechanism of the mattress were studied by using the multi-movable door test box device. The steel rod similar soil was used as the pad filler in the test, the relative cushion height h/(s-a) and the relative pile spacing (s-a)/a were taken as the influencing factors for the study, and the particle image test technology was used to monitor the total displacement of the cushion particles in the composite foundation. It is found in the test that the pile load sharing ratio first reaches the peak value and then maintains the maximum value at a certain amount of movable gate settlement. The maximum load sharing ratio of piles decreases with the increase of relative cushion thickness and decreases with the increase of relative pile spacing.

Through DEM of discrete element method, the numerical simulation of model test and the test of reinforced cushion of composite foundation are carried out to study the working characteristics of reinforced cushion on composite foundation. When the laying position of geogrid is too low, the upper load is mainly borne by pile and geogrid, and soil between piles cannot give full play to its bearing capacity. When the position is too high, the geogrid does not give full play to its bearing capacity. When the position is right, pile, soil between piles and geogrid can give full play to their bearing capacity.

Key words: composite foundation; Model test; Reinforced cushion; Discrete element; Numerical simulation; The deformation coordination

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 3

1.3 研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 5

第2章 复合地基垫层试验 7

2.1 试验设置 7

2.2 钢棒相似土的性质 8

2.3 试验安排 9

2.4 钢棒相似土与砂填料试验结果对比 10

第3章 褥垫层工作特性分析 13

3.1 褥垫层变形模式 13

3.2 垫层基础底板受力分析对比 15

3.3 桩荷载分担比 16

3.4 应力扩散角分析 17

3.5 刚性筏板下接触应力分布 19

3.6 试验的限制 20

3.7 小结 20

第4章 复合地基加筋垫层工作特性DEM数值模拟 22

4.1 加筋垫层DEM标定 22

4.2 土工格栅DEM标定 22

4.3 文克尔地基模型DEM标定 23

4.4 模型试验的DEM建模及试验安排 26

第5章 复合地基加筋垫层工作特性分析 30

5.1 垫层颗粒位移图像对比分析 30

5.2 加筋垫层力链图像及分析 32

5.3 优化设计方法探讨 34

第6章 结论 36

参考文献 37

致谢 39

第1章 绪论

1.1 研究背景

中国目前正处于深化城市化的关键时期。未来，国家将保持高速铁路和水利基础设施的快速发展，这些项目将不可避免地遇到地面治疗问题。由于复合地基由于能够发挥桩间土的承载力并可以获得较好的经济效益，因此各类复合地基广泛的应用于土木工程建设领域中。

复合地基的发展历史经历了一个漫长的过程。

1835年，法国工程师设计了最早的碎石桩。后来，第二次世界大战后，苏联工程师开始大面积使用碎石桩技术，并在承载力和施工技术的计算方面进行了很大的改进，并开发了新技术：振动法和锤击法。1934年阿别列夫教授自主研发的土桩挤密法在对改进湿陷性黄土的湿陷性沉降性质方面明显的降低了湿陷性黄土的沉降，1950年我国引入到西部黄土地区的湿陷性黄土的地基处理上并取得很好的效果。经过多年试验，我国学者在60年代中期发明了灰土挤密桩法，在处理湿陷性黄土地基上取得极好的效果。

1936年，德国工程师S.Steuerman首先提出振动方法并揭示其原理。振动器的原理是产生水平振动力，通过锤击和振动使填料和周围土壤振动，并在振动过程中使基础土压实，以减小孔隙比，然后改善极限轴承基础土的容量，增加基础土的稳定性，适当减少基础土的沉降，提高基础土的抗震液化能力，之后开发出第一款振动器。英国在1957年引入了振动器并对其进行了改进，取而代之的是使用水力来进一步扩大振动器的作用。美国在20世纪40年代引入振动器，也进行了改进，发明了深层搅拌法地基处理技术并在建筑施工工程中进行了广泛的应用，并且体现出其技术和经济优势。

20世纪60年代，日本学者在前人的基础上建立了砂型地基的数学模型，主要是通过振动将管道打入天然地基土中，形成碎石桩。碎石桩复合地基和日本学者提出了碎石桩与桩间土壤共同承载地基上部的理论，为复合地基研究理论的提出与发展奠定了很好的理论上的基础。

1970年，为了有效地去除砂质土的液化部分，大大提高基土的承载力，我国工程师及学者逐渐开始使用砂砾桩复合地基进行地基处理并取得较好的效果。之后将其用于处理粘土地基中，但由于粘土具有塑性指数大、压实不充分的特点，对地面土超压能力的提高没有影响。其主要原因是散乱物质桩的内附力不足，维持地基承载能力的途径主要取决于桩间土的横向约束。为了解决这一问题，中国独立开发了水泥桩。这种桩具有一定的粘结强度，因此能与桩间土一起承受上部荷载。之后我国的学者在前人的基础上也发明了第一个振动式水冲器，同年在中国研究人员的努力下，深度混合方法试验和设备也得到了很好的发展。

1980年，中国建筑科学院基础独立开发了一套完整的CFG桩复合地基技术，该技术是将碎石、水泥、砂和粉煤灰与水泥和水混合形成高粘结桩。在这项技术中垫层的使用大大的提高了基础的承载力并在之后的国内外得到了广泛的应用。

1990年，在黄熙龄号召中国举办了第一届以复合地基为主题学术会议。在会议上，来自全国各地的代表对中国复合地基处理技术及其在世界各地的应用进行了探讨和总结，为中国复合地基等地基处理方法的开发奠定了良好的基础。1996年，我国复合地基的研究人员还在浙江大学开展了关于复合地基理论基础和实际应用的学术交流。会议期间，与会各成员交换信息认真，全面总结了经验，并探讨现有的复合地基的研究和开发的问题。这次会议极大地促进了基本理论和复合地基的操作实践的改善。近年来，复合地基的理论探索和实际操作日益完善，广泛应用于住宅建设，高铁，铁路路基等土木工程领域。同时，我国复合地基的地基处理方法已经是国内外地基处理的一种常见非常形式，这种复合地基处理方法已经在全球范围上都取得了很好的经济效益。^[1-8]

复合地基包括狭义复合地基和广义复合地基两个概念^[9-10]，只要加固体与地基基体产生变形协调作用，能够共同承担上部基础荷载的地基都可以纳入广义复合地基的范围。上世纪90年代，法国工程师开始在桩与上部基础底板之间设置颗粒垫层，以转移荷载。他们将这种地基称为刚性增强体地基。这项技术在法国、希腊、日本、墨西哥和印度尼西亚等多国得到广泛应用^[11]。

在大多数国家，桩承式路堤作为地基处理方法，已经被广泛的应用于道路施工。桩承式路堤的桩间土虽承担一定的上部荷载，但它的主要目的是控制地基沉降，而不是主要为了提高天然地基的承载力，但在英国规范BS8006-1^[12]、德国手册EBGEO^[13]和荷兰手册CUR226^[14]中，许多国家的学者对桩间土之间的荷载分担评价方法的可靠性持谨慎态度，对桩间土体沉降过程中桩间土体承担的可持续性荷载也持谨慎态度^[12-14]。

复合地基技术在垫层铺设、承载力计算和沉降预测等方面，工程规范还存在许多不足而且有很多需要继续完善的地方。因此，在以规范为设计前提的情况下对其内部机理的探讨逐渐引起土木工程学者的关注。

随着复合地基构件间材料性能差异的增大，构件间的联系应得到更多的重视。法国工程界较早认识到这个问题。2005年至2011年，ASIRI国家项目与法国国内39家公司和研究机构合作，在刚性增强体地基研究上共投入约2700万欧元，并于2012年出版了设计与施工手册。ASIRI手册将构件之间的相互作用分为四个部分：1.结构与垫层之间相互影响；2.垫层与桩体还有桩间土之间的相互影响；3.桩间土与桩体之间的相互影响；4.桩端与土体相互影响。其中，与垫层相关的1和2，是实现垫层变形协调功能的关键，并决定着复合地基的工作特性。因此，作为复合地基核心的垫层，其复杂的工作机理成为复合地基理论研究的瓶颈，导致目前复合地基理论在垫层参数选取与承载力确定上缺乏可靠的理论支撑，故对于垫层的研究显得尤其重要。

早期的散体桩复合地基由于可以实现桩土协调，并不一定需要设置垫层。随着复合地基的发展，各类柔性桩^[15]，半刚性桩^[16]，PTC桩^[17]、PHC管桩^[18]、以及近年来专门开发的PCC桩^[19]、现浇X型桩^[20]等刚性桩也都应用于复合地基中，褥垫层的工作特性对桩基础的影响也越来越被国内外的学者们重视。

复合地基有常见的两种破坏模式：一种是桩体首先破坏，进而发生复合地基的整体破坏，另一种是桩间土首先破坏进而引发复合地基的整体破坏。第一种破坏模式由于发展较快，是最为危险的一种破坏模式。复合地基在工后服务期间，桩间土固结沉降还将继续发展，服务期间还可能面临地下水位降低、周边开挖施工等不利工况的干扰，桩间土承担荷载部分持续降低是全寿命工况下不可避免的情况，这一情况的发生将导致上部荷载进一步向桩体集中。半刚性桩由于桩土相对刚度大，桩顶位置相对位移发生明显，桩体荷载集中程度高，加之全寿命期的增量荷载，有可能发生第一种破坏，目前的复合地基并不具备防范这一风险的能力。

1.2 研究现状

国内学术界将垫层视作复合地基协调工作的核心，影响了复合地基的破坏模式和承载力发挥。有学者认为垫层的协调工作有两种极端情况：一是若垫层为绝对刚性，垫层就成为基础的一部分；二是若垫层为绝对柔性，则褥垫层又成为桩间土的一部分，因此，桩很难有效地发挥其承载能力。并认为出现第二种极端情况相对更为不利。法国在20世纪90年代开始使用“Rigid Inclusions”，即一种刚性增强复合材料基础，2005年启动了Rigid Inclusion Ground Improvements（ASIRI）^[11]项目，把主要研究对象限定于0.5~1.0m的垫层厚度以及2~5%的低置换率地基。ASIRI项目将复合地基的协调分为两个方面：1.基础与垫层之间相互作用，2.垫层与桩及桩间土的相互作用两个方面。由此可以看出，复合地基中的褥垫层对复合地基的作用的重要性是国内外学者们的共识。

闰明礼^[21]指出在CFG桩复合地基成套技术中，褥垫层能够使复合地基中桩的最大轴力作用点不在桩顶处，并总结出褥垫层的厚度宜取10-30cm。

何结兵^[22]利用ANSYS有限元数值软件对水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基承载与变形特性进行分析，通过单桩复合地基承载与变形特性数值分析以及桩土应力比数值分析，就不同的桩长、荷载水平、褥垫层厚度、褥垫层材料、置换率、桩土模量比、基础刚度、桩尖地质条件,对桩土应力比的影响、桩土荷载分担规律进行了分析研究。发现设置褥垫层能有效调节桩土荷载分担比，并对褥垫层的合理化设计进行了讨论。

韩云山^[23]发现原规范和现行规范中承压板下垫层规定的不同并对此问题结合实验进行深入探讨，设计了用慢速维持荷载法对CFG桩复合地基垂直静载荷试验，对载荷板下桩土应力进行测试。发现地基载荷试验的垫层厚度不能太薄，只有达到一定厚度才能起到调节桩-土应力比、载荷分担比的作用；但是也不能太薄，受载荷板的尺寸效应影响，垫层受力后侧向挤出会造成垫层压缩量加大从而误以为沉降过大。

雷金波^[24]进行了PTC型控沉疏桩复合地基足尺现场试验研究，设计了4组单桩静载试验和1组双桩复合地基静载试验来研究PTC型控沉疏桩的桩长、侧摩阻力的发挥度对复合地基沉降变形的影响，桩身轴力的分布特征，地表土压力分布特征，桩侧摩阻力随荷载的变化特征，、单、双的桩土荷载分担比与荷载的关系，以及桩土应力比等力学性状。

郑刚^[25]对刚性桩复合地基褥垫层的设置目的进行了分析并设计了不同厚度褥垫层时桩顶进入褥垫层的试验，研究不同厚度的褥垫层在竖直荷载作用下的桩土荷载分担比、桩顶刺入量、总沉降量及垫层压缩量。发现竖向刚度很大的桩不能充分发挥其承载力，但在桩顶设置褥垫层有利于提高桩的荷载分担比并减小刺入量。

史三元^[26]对桩-土-垫层的相互作用关系进行了分析, 通过对不同厚度垫层的单桩复合地基现场载荷试验来分析不同垫层厚度对荷载作用下的沉降、桩土应力比、应力集中系数和应力扩散作用的影响。

刘汉龙^[27]通过现场试验，在不同的标段设置不同厚度不同材料的加筋褥垫层，并在铺设土工格栅时改变其预张拉程度。现场通过埋设的土压力盒、沉降板以及测斜管，测得了典型断面桩土差异沉降过程线、典型断面上桩芯、桩顶、桩间土应力变化过程线、各断面最终的桩土差异沉降及桩土应力比随路堤填筑的变化过程线、各断面表面水平位移变化过程线。并采用有限元软件PLAXIS来数值模拟分析了褥垫层中加筋材料抗拉强度及铺设层数和位置的影响。

张伟丽^[28]针对淤泥质土，进行了现场载荷试验。试验通过埋设的沉降磁环和沉降管位置的变化来分析复合地基的沉降规律，对水泥土搅拌桩采用有限差分软件FLAC^3D对设置不同厚度垫层复合地基的分层沉降进行计算。进行实测曲线和数值模拟曲线的对比分析、实测分层沉降曲线和数值模拟分层沉降曲线的分析，发现垫层可调节荷载在土中的传递、减小桩土应力比、增大土体承担的荷载，桩分担的荷载比例减小，使荷载在土中传递的深度加深，桩的沉降量减小。但垫层设置过厚，反而会增大沉降。

郑俊杰^[29]以单桩模型试验为研究背景，采用FDM-DEM耦合建模的方法发现了褥垫层的调整均化作用是通过过渡区域内的颗粒从桩顶的高应力区域向较远的低应力区域流动实现的。

朱小军^[30]通过刚性桩复合地基碎石垫层室内模型试验、以及用离散单元法对垫层破坏模式用PFC软件进行颗粒流数值模拟，分别得到荷载-沉降曲线、荷载-桩土应力比曲线、桩身轴力图曲线、碎石颗粒矢量位移云图。两者之间的比较表明，当垫层的厚度小于桩径，中性点集中在0.2-0.4倍的桩长处，并且桩顶层颗粒形成两个小的三角形核心区，土体滑移线从核心区延伸到土体内部。并且不到达土体的表面，引起局部剪切破坏；当缓冲垫的厚度比桩直径大时，中性点位于桩长0.7-0.9倍处，并且在桩顶层颗粒形成一个三角形的核心区，土体滑移从核心区域到土体颗粒的表面，形成了一个完整的滑动面，并且发生整体剪切破坏。如果缓冲垫的厚度过薄，会发生在桩的顶部的应力集中，并且垫层太厚会造成材料浪费和沉降过大。

郭红梅^[31]通过室内模型试验来获取了材料细观参数并以离散元法软件PFC^2D建立DEM桩承式路堤颗粒流模型，分析桩承式路堤中的接触力分布、主应力方向分布、竖向位移分布和侧向位移分布，并分析桩净间(s-a)距和路堤填土高度h对路堤土拱效应的影响。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：