雙向增強(qiáng)復(fù)合地基承載機(jī)理及其設(shè)計(jì)計(jì)算理論研究.pdf

1、雙向增強(qiáng)復(fù)合地基是由豎向樁體復(fù)合地基與土工材料等水平加筋墊層組合而成的一種新型軟土地基處治形式，其可充分發(fā)揮水平向筋(板)體復(fù)合地基和豎向樁體復(fù)合地基的優(yōu)點(diǎn)。目前該處治技術(shù)在公路、鐵路路基加固等工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，取得了良好的加固效果。但其理論研究尚處于初級(jí)階段，尤其是承載機(jī)理與設(shè)計(jì)計(jì)算理論研究尚有待進(jìn)一步深入。為此，本文結(jié)合國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“大面積不均勻公路軟弱地基按變形控制雙向增強(qiáng)處治技術(shù)”(2006AA11

2、Z104)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“散體材料樁復(fù)合地基承載機(jī)理及其按變形控制設(shè)計(jì)理論研究”(51078138)、湖南省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目及湖南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文基金項(xiàng)目，基于雙向增強(qiáng)復(fù)合地基已有的研究成果，通過理論分析和室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，對(duì)路堤等柔性基礎(chǔ)下雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的承載機(jī)理及其設(shè)計(jì)計(jì)算理論進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。
　　本文首先分析了剛性樁、柔性樁和散體材料樁的受力變形特性、荷載傳遞規(guī)律等，深入研究了樁體復(fù)合地基的承載機(jī)理及其破

3、壞模式，筋(板)體復(fù)合地基的側(cè)向約束效應(yīng)、網(wǎng)兜效應(yīng)和柔性筏基效應(yīng)、應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)以及加筋地基的破壞模式，進(jìn)而對(duì)雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的樁-筋(板)-土體系的承載機(jī)理及其與路堤填土間的相互作用進(jìn)行了深入研究。
　　其次，針對(duì)豎向荷載下散體材料樁和粘結(jié)材料樁各自的受力變形特性及其復(fù)合地基的荷載傳遞規(guī)律，基于Vesic圓孔擴(kuò)張理論，導(dǎo)得了散體材料樁樁體極限承載力計(jì)算公式；針對(duì)豎向荷載作用下散體材料樁樁頂一定深度范圍內(nèi)不僅發(fā)生豎向壓縮變形且伴有側(cè)

4、向鼓脹變形的特性，導(dǎo)得了散體材料樁復(fù)合地基沉降計(jì)算公式；引入Mylonakis& Gazetas模型模擬粘結(jié)材料樁復(fù)合地基中樁與樁及樁與土之間的相互作用，采用理想彈塑性模型模擬樁側(cè)土體應(yīng)力應(yīng)變的非線性關(guān)系，基于剪切位移法導(dǎo)得了能綜合考慮樁-土體系共同作用的粘結(jié)材料樁復(fù)合地基沉降計(jì)算公式。根據(jù)軟土路基中水平加筋墊層的應(yīng)力擴(kuò)散和網(wǎng)兜作用，提出了路堤下筋(板)體復(fù)合地基承載力計(jì)算公式和考慮樁體作用的雙向增強(qiáng)復(fù)合地基承載力計(jì)算公式，并基于Win

5、kler彈性地基梁模型提出了水平加筋體受力變形分析的矩陣表達(dá)式，進(jìn)而推廣應(yīng)用到雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的受力變形分析，導(dǎo)得了雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的沉降計(jì)算矩陣表達(dá)式。
　　考慮雙向增強(qiáng)復(fù)合地基中水平加筋體與其上下土體間的摩阻效應(yīng)及樁土剛度差異，對(duì)傳統(tǒng)彈性地基梁模型進(jìn)行改進(jìn)，將樁體與樁間土體比擬為不同剛度的彈簧體系，導(dǎo)得了能考慮筋土接觸摩擦效應(yīng)的雙向增強(qiáng)復(fù)合地基沉降計(jì)算冪級(jí)數(shù)解；在此基礎(chǔ)上，考慮地基梁變形的幾何非線性及其在外荷載、豎向和水平向地

6、基反力作用下產(chǎn)生的縱橫耦合變形特性，導(dǎo)得了雙向增強(qiáng)復(fù)合地基受力變形分析的Galerkin解；進(jìn)而考慮土體受力變形的非線性，提出了基于理想彈塑性模型的雙向增強(qiáng)復(fù)合地基受力變形分析的分步計(jì)算法。算例分析驗(yàn)證了上述三種解答的正確性和合理性，分析結(jié)果還表明筋土界面摩阻效應(yīng)對(duì)加筋體受力變形影響較大。
　　再次，基于相似理論設(shè)計(jì)并完成了單一軟土地基、土工格室加筋復(fù)合地基、碎石樁復(fù)合地基和土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基等四組大比例室內(nèi)模型試驗(yàn)

7、，從路基豎向承載力和豎向變形的變化規(guī)律、土工格室張拉應(yīng)變發(fā)展規(guī)律、碎石樁徑、豎向變形規(guī)律和樁側(cè)土壓力分布規(guī)律等方面探討了土工格室加筋墊層、碎石樁復(fù)合地基和土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基等的承載變形機(jī)理，并利用模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)前述復(fù)合地基沉降以及碎石樁變形計(jì)算理論進(jìn)行了驗(yàn)證分析。自行開發(fā)研制出量測(cè)樁身鼓脹變形的散體材料樁膨脹量測(cè)試儀，成功解決了模型試驗(yàn)中碎石樁鼓脹變形量測(cè)這一難題?；诏B梁試驗(yàn)，提出了土工加筋墊層剛度參數(shù)測(cè)試技術(shù)，并給出了

8、土工格室加筋墊層彈性模量的合理取值范圍，為理論分析筋(板)體復(fù)合地基和雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的受力變形提供了重要參數(shù)依據(jù)。
　　最后，根據(jù)深厚軟土路基中雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的受力變形特點(diǎn)，提出了按變形控制設(shè)計(jì)雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的思路?；陔p向增強(qiáng)復(fù)合地基受力變形分析方法，探討分析了加筋墊層復(fù)合彈性模量、墊層高度、樁體剛度、樁距、路堤高度等因素對(duì)雙向增強(qiáng)復(fù)合地基受力變形的影響，建立了復(fù)合地基荷載與變形之間的關(guān)系；并基于按變形控制設(shè)計(jì)思路及相應(yīng)的