1   緒論 

1.1   研究背景 
隨著經(jīng)濟、技術(shù)的發(fā)展，建筑用地的日益短缺，高層、超高層建筑日趨增多。上部荷載的增加，對地基承載能力及沉降的控制要求也逐漸增高。 長短樁復(fù)合地基作為一種新型的地基處理形式，充分利用了樁間土的承載力，降低了工程造價，備受學(xué)者的關(guān)注。復(fù)合地基與傳統(tǒng)樁基的最大區(qū)別在于復(fù)合地基中樁與土體共同承擔荷載。復(fù)合地基從二戰(zhàn)以后，開始在工程上采用，近年來，復(fù)合地基的應(yīng)用也越來越多。不同的時代背景、施工工藝、建筑材料、建筑規(guī)格等造就了復(fù)合地基形式的不斷改進與發(fā)展。復(fù)合地基有很多形式，包括 CFG 樁復(fù)合地基、混凝土樁復(fù)合地基、長短樁復(fù)合地基、碎石樁復(fù)合地基、攪拌樁復(fù)合地基等。 目前，很多學(xué)者通過對剛性基礎(chǔ)或柔性基礎(chǔ)下，樁體采用剛性樁或柔性樁的復(fù)合地基形式進行了大量的研究，也得出了很多寶貴的結(jié)論。中國建科院、同濟大學(xué)及鄭州大學(xué)等院校科研機構(gòu)采用理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬等方法對樁與土的發(fā)揮系數(shù)、承載性狀研究做了大量的工作。但是對于剛性基礎(chǔ)下剛性長短樁復(fù)合地基，長樁與短樁間的相互作用機制的研究較少。本文采用室內(nèi)模型試驗的方法，對長樁與短樁間相互影響進行了試驗研究，旨在為復(fù)合地基承載性狀提供試驗數(shù)據(jù)支持。 
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1.2 剛性長短樁復(fù)合地基研究現(xiàn)狀
Alamgir 等（1996）[1]假定樁和樁間土均為線彈性體，分析了柔性基礎(chǔ)下端承樁復(fù)合地基，選擇合適的典型單元體變形模式，該典型單元體側(cè)面剪應(yīng)力為零，另考慮樁土界面位移協(xié)調(diào)條件，通過分析樁與樁間土的平衡關(guān)系給出了柔性基礎(chǔ)下端承樁復(fù)合地基中附加應(yīng)力和沉降計算的解析解。 牛順生（2006）[2]通過深入分析各種樁體復(fù)合地基承載力的計算方法，得到了長短樁復(fù)合地基承載力的計算方法；在 Geddes 法的基礎(chǔ)上，根據(jù)復(fù)合地基樁側(cè)摩阻力分布的特點，利用 Mindlin 解和 Boussinesq 解導(dǎo)出了樁端下臥土層頂面的附加應(yīng)力計算公式，并提出了沉降計算方法。 李秀（2006）[3]在長樁、短樁、褥墊層承載機理的基礎(chǔ)上，根據(jù)三者的協(xié)同作用，在一定的假設(shè)下，，建立了組合樁復(fù)合地基樁土荷載傳遞的微分方程，推導(dǎo)出樁、土分擔荷載的解析解，并通過 MATLAB 進行驗證，表明此種方法與已有的研究結(jié)果有較好的相似性。 曹明，陳龍珠，陳勝立等[4]（2007）采用積分方程法推導(dǎo)出第二類 Fredholm積分方程，計算出樁樁、樁土、土土之間的相互作用系數(shù)，并用疊加原理驗證了該方程的正確性。 郭院成，李明宇[5]（2009）通過分析柔性基礎(chǔ)下長短樁復(fù)合地基中樁頂褥墊層內(nèi)受力分布，建立了力學(xué)模型理論，推導(dǎo)出柔性基礎(chǔ)下剛性長短樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的解析公式。將柔性基礎(chǔ)下長短樁 4 樁現(xiàn)場靜載試驗測得的樁土應(yīng)力比結(jié)果與推導(dǎo)出的公式進行了對比驗證。結(jié)果表明，該公式有很好的工程適用性。并得出結(jié)論：該條件下的樁土應(yīng)力比與上部荷載的大小、褥墊層的厚度呈正比，同樁徑成反比。 曹明，陳龍珠，陳勝立[6]（2011）利用樁-樁、樁-土、土-土之間的相互作用系數(shù)，建立了一種分析單樁沉降以及各樁荷載分擔比的方法。此種方法將相互作用的兩根樁分解為兩根虛擬樁和半空間無限土體，很好的考慮了樁的“加筋效應(yīng)”。因不對群樁進行整體分析，計算率較高，具有一定的工程應(yīng)用前景。 詹祥元[7]（2012）對長短樁復(fù)合地基的沉降變形規(guī)律和影響因素進行了深入探討，歸納了長短樁復(fù)合地基沉降優(yōu)化設(shè)計思路。研究表明：在進行沉降控制設(shè)計時，在滿足地基承載力的條件下，長樁長度和長短樁長度比是影響復(fù)合地基總沉降的關(guān)鍵。 張明飛[8]（2012）對“非線性變形模量法”進行了一些改進，提出了一種新的長短樁布置形式，即短樁頂部不設(shè)置墊層。將此新形式與傳統(tǒng)布樁形式進行對比，發(fā)現(xiàn)除正常滿足承載力和沉降要求之外，也節(jié)省了 14%的樁，該方法具有一定的工程實用性。 
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2 剛性長短樁復(fù)合地基靜載試驗 

2.1   引言 
剛性長短樁復(fù)合地基自開始在工程上應(yīng)用以來，已進行了大量的試驗研究。對樁承載力發(fā)揮度、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁土應(yīng)力比、樁土荷載分擔比等進行了研究。近年來，對群樁的整體空間效應(yīng)，也開始有了現(xiàn)場試驗研究。群樁的數(shù)量對試驗結(jié)果有很大影響，由于復(fù)合地基試驗所消耗的時間、人力、物力都非常大，試驗時具體采用多大規(guī)模的復(fù)合地基是一個難題。 原位試驗中，樁長一般大于 10m，對于樁身軸力的測量、樁端壓力量測設(shè)備的布置都存在一定困難。為進一步探求長樁與短樁間的相互作用機制，進行一系列室內(nèi)大比例縮尺試驗。 
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2.2   試驗內(nèi)容 

根據(jù)本文的研究內(nèi)容，模型試驗包括 1 組長樁單樁、1 組短樁單樁、1 組長樁單樁復(fù)合地基、1 組短樁單樁復(fù)合地基、1 組 4 樁長短樁復(fù)合地基共 5 組靜載荷試驗。試驗中，利用微型土壓力盒、鋼筋應(yīng)變計、混凝土應(yīng)變片、位移計分別對樁頂、樁間土、樁端的壓應(yīng)力和樁身應(yīng)變、樁頂沉降進行了監(jiān)測。試驗內(nèi)容如表 2.1 所示。其中，2 組單樁靜載試驗，單樁指的是樁頂不加褥墊層，直接承受上部荷載，即從基礎(chǔ)傳來的荷載全部由單個樁體承擔，土體不承擔承載。2 組單樁復(fù)合地基靜載試驗，是指由一根樁組成的復(fù)合地基，其關(guān)鍵是控制地基的面積置換率。1組 4 樁復(fù)合地基試驗，是指由 4 根樁組成的復(fù)合地基，面積置換率與單樁復(fù)合地基相同。 模型試驗分為方案設(shè)計、模型制作、試驗加載三個階段，歷時十二個月。 

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3   試驗數(shù)據(jù)整理與分析 ........ 34 
3.1   樁身編號 ........ 34 
3.2   單樁靜載荷試驗 .......... 34 
3.2.1   荷載-沉降曲線 .......... 34 
3.2.2   樁身軸力曲線 .... 35 
3.2.3   樁側(cè)摩阻力 ........ 36 
3.3   單樁復(fù)合地基 ....... 37 
3.3.1   荷載-沉降曲線 .......... 37 
.3.2   樁土荷載分擔比、樁土應(yīng)力比 .... 38 
3.3.3   樁身軸力 ..... 40 
3.3.4   樁側(cè)摩阻力 ........ 41 
3.4   四樁復(fù)合地基....... 42 
3.5   不同工作形式樁的承載性能對比分析 ......... 46 
3.5.1   樁頂刺入 ..... 46 
3.5.2   同等沉降條件下樁身軸力對比 .... 47 
3.5.3   同等沉降條件下樁側(cè)摩阻力對比 ....... 49 
3.6   本章小結(jié) ........ 51 
4   數(shù)值模擬 ....... 52 
4.1   引言 ......... 52 
4.2   三維有限元模型建立 ......... 52 
4.3   承載性狀分析 ....... 55
4.4   本章小結(jié) ........ 62 
5   結(jié)論與展望 .......... 63 
5.1   主要研究結(jié)論 ....... 63 
5.2   展望 ......... 63 

4   數(shù)值模擬 

4.1   引言 
通過對試驗數(shù)據(jù)的整理與分析，認為短樁樁端壓力對長樁樁身下段樁側(cè)摩阻力有減小的趨勢。長樁對短樁樁側(cè)摩阻力、樁端阻力影響不大。為了進一步驗證該試驗結(jié)果，采用 ABAQUS 有限元模擬軟件，對試驗所用樁型進行模擬，構(gòu)造部件包括樁（pile）、土體（soil）、褥墊層（cushion）、承臺板（raft）。分別建立單樁、單樁復(fù)合、四樁復(fù)合有限元模型，對比分析其樁側(cè)摩阻力的變化趨勢。有限元模型共包括 5 組模型，分別為長樁單樁 1/4 模型、短樁單樁 1/4 模型、長樁單樁復(fù)合地基 1/4 模型、短樁單樁復(fù)合地基 1/4 模型、4 樁長短樁復(fù)合地基模型。 土體本構(gòu)模型描述的是土體的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，在數(shù)值分析中直接影響土體的變形，進而影響到樁體的承載性狀，因此土體的本構(gòu)在數(shù)值分析中是一個關(guān)鍵性因素。巖土工程中通常采用的土體本構(gòu)模型主要包括：D-P 模型、修正劍橋模型、摩爾-庫倫模型、鄧肯-張模型，其中摩爾-庫倫模型所使用的參數(shù)物理意義明確，且較易取值，能夠較為準確地反映土體的工程特性，因此本文采用摩爾-庫倫模型。
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結(jié)論 

隨著長短樁復(fù)合地基在工程上的應(yīng)用，其承載性狀越來越受到學(xué)者的重視。關(guān)于長短樁復(fù)合地基的承載力、沉降、樁土相互作用等進行了大量的研究。其中，樁樁相互作用的研究對長短樁復(fù)合地基的設(shè)計有著重要的影響。本文通過模型試驗和數(shù)值模擬對長短樁間的相互作用機制進行了分析，得出了以下結(jié)論。 
（1）短樁單樁、短樁單樁復(fù)合地基、4 樁復(fù)合地基中的短樁，樁身軸力分布規(guī)律不一致。短樁單樁樁身軸力呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，短樁單樁復(fù)合地基由于褥墊層的存在，樁身軸力先增大后減小，4 樁復(fù)合地基中的短樁樁身軸力分布規(guī)律與短樁單樁復(fù)合地基樁身軸力的分布規(guī)律比較一致； 
（2）長樁單樁、長樁單樁復(fù)合地基、4 樁復(fù)合地基中的長樁，樁身軸力分布規(guī)律有較大差別。長樁單樁樁身軸力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，長樁單樁復(fù)合地基由于褥墊層的存在，樁身軸力先增大后減小，4 樁復(fù)合地基中的長樁的樁身軸力存在極大值，第一個出現(xiàn)在靠近樁頂位置處，第二個出現(xiàn)在短樁樁端影響范圍附近位置處； 
（3）短樁單樁、短樁單樁復(fù)合地基、4 樁復(fù)合地基中的短樁，樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律不一致。短樁單樁復(fù)合地基樁側(cè)摩阻力存在負摩阻區(qū)，位置處于接近樁頂位置處，4 樁復(fù)合地基中的短樁樁側(cè)摩阻力分布趨勢與短樁單樁復(fù)合地基中樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律較接近； 
（4）長樁單樁、長樁單樁復(fù)合地基、4 樁復(fù)合地基中的長樁，樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律不一致。長樁單樁的樁側(cè)摩阻力存在負摩阻區(qū)；4 樁復(fù)合地基中的長樁樁側(cè)摩阻力存在兩個負摩阻區(qū)，第一個負摩阻區(qū)位置與長樁單樁復(fù)合地基比較接近，第二個負摩阻區(qū)存在于短樁樁端影響范圍內(nèi)。認為由于短樁的存在，長樁樁側(cè)摩阻力在短樁樁端影響范圍內(nèi)，發(fā)生了重分布。  
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參考文獻(略)

本文編號：148735