水泥土组合桩承载及变形机理研究
|
摘要
水泥土组合桩在国内是一项刚刚开展研究的地基加固新技术。水泥土组合桩是在水泥土搅拌桩成桩之后，水泥土初凝之前，用压桩机械将预制混凝土芯桩压入水泥土体内，待水泥土凝固后，芯桩与水泥土共同工作，承受上部荷载的一种新桩型。水泥土组合桩有机的结合了混凝土预制桩与水泥土搅拌桩的优点，形成了一种中间强度高、四周强度低的合理桩身结构，充分发挥了芯桩与水泥土桩体的性能。
本文对水泥土组合桩进行了试验研究和理论分析，采用有限元法对单桩的荷载传递性状进行分析，编制了单桩非线性分析的有限元程序。对工程试桩的静载试验结果进行分析，确定单桩极限承载力。室外模型桩试验通过在桩身埋设测试元件，研究水泥土组合桩荷载传递规律以及变形特性。
利用有限元计算分析了同比(桩长相同、桩径相同)水泥土组合桩、水泥土搅拌桩和混凝土钻孔灌注桩，得到了它们的荷载沉降曲线、桩身应力曲线、桩身轴力曲线、桩侧桩端分担荷载曲线等，通过这些曲线对它们的荷载传递规律以及变形特性进行了深入的分析。
利用有限元对相同的外包搅拌桩形式、相同芯桩截面、不同芯桩桩长的水泥土组合桩的Q-S曲线进行了对比，得出了最优的芯桩桩长与水泥土组合桩桩长比。
根据室内外试验和有限元分析的结果，提出水泥土组合桩的构造要求和水泥土组合桩竖向承载力计算公式。和目前常用桩在施工工艺、施工速度、成桩质量及经济性等进行了比较，得出此种桩在多层建筑中广泛应用前景的结论。
The cement-soil mixing pile with concrete core is a new soil improvement method, it means that, a concrete core is plugged into cement-soil mixing pile. Concrete core pile and the cement-soil mixing pile undertake together vertical load. It appropriately combines the advantages of the precast concrete pile with the cement-soil mixing pile. The cement-soil mixing pile with concrete core forms a new reasonable structure of pile, it means that, the strength of core pile is more strong than the strength of round pile, therefore, the cement-soil mixing pile with concrete core takes advantage of property of concrete core pile and cement-soil mixing pile.
This paper studies the cement-soil mixing pile with concrete core by experiment and by theory, analyzes the feature of load transferring using finite element method. Finite element program of non-linear analysis to pile is made and together with results of building test pile and model test pile, therefore, the feature of load transferring and deformation mechanism were deeply analyzed.
The same type of cement-soil mixing pile with concrete core, concrete pile and cement-soil pile that means they have the same pile length and pile diameter is deeply analyzed by finite element program. We get the Q-S curve, the axis force of pile body curve, the stress of pile curve and the side and the end sharing load ratio of the pile curve by finite element program.
With the help of the finite element program, the paper finds the relations between the pile's parameter and its bearing capacity and load transferring properties.
According to the results of the tests and finite element program, the paper put forward the structure need of the cement-soil mixing pile with concrete core, gives the calculating formula of pile's bearing capacity. Finally, we draw a conclusion that the cement-soil mixing pile with concrete core will be used widely in Tianjin city zone by comparing with other piles in technology, speed, quality, and economy.
本文对水泥土组合桩进行了试验研究和理论分析，采用有限元法对单桩的荷载传递性状进行分析，编制了单桩非线性分析的有限元程序。对工程试桩的静载试验结果进行分析，确定单桩极限承载力。室外模型桩试验通过在桩身埋设测试元件，研究水泥土组合桩荷载传递规律以及变形特性。
利用有限元计算分析了同比(桩长相同、桩径相同)水泥土组合桩、水泥土搅拌桩和混凝土钻孔灌注桩，得到了它们的荷载沉降曲线、桩身应力曲线、桩身轴力曲线、桩侧桩端分担荷载曲线等，通过这些曲线对它们的荷载传递规律以及变形特性进行了深入的分析。
利用有限元对相同的外包搅拌桩形式、相同芯桩截面、不同芯桩桩长的水泥土组合桩的Q-S曲线进行了对比，得出了最优的芯桩桩长与水泥土组合桩桩长比。
根据室内外试验和有限元分析的结果，提出水泥土组合桩的构造要求和水泥土组合桩竖向承载力计算公式。和目前常用桩在施工工艺、施工速度、成桩质量及经济性等进行了比较，得出此种桩在多层建筑中广泛应用前景的结论。
The cement-soil mixing pile with concrete core is a new soil improvement method, it means that, a concrete core is plugged into cement-soil mixing pile. Concrete core pile and the cement-soil mixing pile undertake together vertical load. It appropriately combines the advantages of the precast concrete pile with the cement-soil mixing pile. The cement-soil mixing pile with concrete core forms a new reasonable structure of pile, it means that, the strength of core pile is more strong than the strength of round pile, therefore, the cement-soil mixing pile with concrete core takes advantage of property of concrete core pile and cement-soil mixing pile.
This paper studies the cement-soil mixing pile with concrete core by experiment and by theory, analyzes the feature of load transferring using finite element method. Finite element program of non-linear analysis to pile is made and together with results of building test pile and model test pile, therefore, the feature of load transferring and deformation mechanism were deeply analyzed.
The same type of cement-soil mixing pile with concrete core, concrete pile and cement-soil pile that means they have the same pile length and pile diameter is deeply analyzed by finite element program. We get the Q-S curve, the axis force of pile body curve, the stress of pile curve and the side and the end sharing load ratio of the pile curve by finite element program.
With the help of the finite element program, the paper finds the relations between the pile's parameter and its bearing capacity and load transferring properties.
According to the results of the tests and finite element program, the paper put forward the structure need of the cement-soil mixing pile with concrete core, gives the calculating formula of pile's bearing capacity. Finally, we draw a conclusion that the cement-soil mixing pile with concrete core will be used widely in Tianjin city zone by comparing with other piles in technology, speed, quality, and economy.
引文
[1] 龚晓南．复合地基．杭州：浙江大学出版社，1992。
[2] 龚晓南．有关复合地基的几个问题．地基处理．2000，第3期：42～48
[3] 侯伟生．搅拌桩技术及其发展浅议．地基处理．2000，第3期：75～81
[4] 《桩基工程手册》编写委员会．桩基工程手册．北京：中国建筑工业出版社，1997
[5] 地基处理手册编写委员会．地基处理手册．北京：中国建筑工业出版社，1988
[6] 吴迈．水泥土组合桩单桩竖向承载力试验研究：[硕士学位论文]．河北工业大学：天津，2001
[7] 叶书麟．叶观宝．地基处理．北京：中国建筑工业出版社，1997
[8] 刘金砺．桩基础设计与计算．北京：中国建筑工业出版社，1994
[9] 刘金砺．高层建筑桩基工程技术．北京：中国建筑工业出版社，1998
[10] 沈保汉．桩基础测试、勘察、设计和施工．北京：中国建筑工业出版社，1992
[11] 沈保汉．桩工作性状的P-S曲线．第五届土力学与基础工程会议论文集．北京：中国建筑工业出版社，1990
[12] 段继伟，龚晓南，曾国熙．水泥搅拌桩的荷载传递规律．岩土工程学报，1994，第16卷
[13] 叶观宝，叶书麟．水泥土搅拌桩加固软土地基的试验研究．同济大学学报．1995，第3期：240～274
[14] 何开胜，袁文明．超长水泥土搅拌桩的承载能力和临界桩长．工业建筑．2000，第1期：26～30
[15] 张忠坤．复合地基临界桩长的研究．岩土工程学报．1999，第2期：184～188
[16] 周建民，丰定祥，郑宏．深层搅拌桩复合地基的有限元分析．岩土力学．1997，第2期：44～50
[17] 邹宗煊，林锋．钢筋混凝土劲芯水泥土复合桩的设计与施工原理——软土地基中使用的新桩型．第六届全国地基处理学术讨论会暨第二届全国基坑工程学术讨论会论文集，温州，2000
[18] 殷宗泽，朱泓，许国华．土与结构材料接触面的变形及其数学模拟．岩土工程学报．1994，第3期：14～18
[19] 陆贻杰，周国钧．搅拌桩复合地基模型试验及三维有限元分析．岩土工程学报．1989，第5期：86～91
[20] 王勖成，邵敏，有限单元法基本原理与数值方法．第2版．北京：清华大学出版社，1997
[21] 张德兴．有限元素法新编教程．上海：同济大学出版社，1988
[22] 罗定安．工程结构数值分析方法与程序设计．天津：天津大学出版社，1995
[23] 钱家炊，殷宗泽．土工原理与计算．第2版．北京：水利水电出版社，1994
[24] 朱百里，沈珠江．土工数值分析．北京：中国铁道出版社，1990
[25] 张学言．岩土塑性力学．天津：天津大学出版社，1992
[26] 梁仁旺，于宁．加筋水泥土梁力学性能的试验研究．岩土力学．2000，第3期：267～270
[27] 许成祥，吴军民．水泥土搅拌桩复合地基沉降计算．江汉石油学院学报，第1期：35～37
[28] 张志刚，钟岱辉．水泥土桩体与地基土相互作用的递归公式．山东工程建筑学院学报．2000，第3期：17～20
[29] 陈灏沆．关于水泥土复合地基质量检测的几点体会．工程质量．2000，第6期：23～24
[30] 田野，刘经韬，李建航．单排加芯材水泥土挡墙的施工及质量控制．武汉水利电力大学学报．2000，第2期：43～45
[31] 王健．劲芯水泥土地下连续墙技术的发展及应用．西部探矿工程．2000，第5期：19～21
[32] 郑刚，顾晓鲁，姜忻良．水泥搅拌桩复合地基承载力辨析，岩土工程学报．2000，第4期：487～489
[33] 凌光荣，安海玉，谢岱宗．劲性搅拌桩的试验研究．建筑结构学报．2001，第2期：92～96
[34] Desai, C. S. Numerical Design-Analysis for Piles in sands, J.of the Geotechnical Eingineering Division, 1974, vol. 100, No.GT12
[35] Fleming, W. G. K. A new method for single pile settlement prediction and analysis, Geotechnique, vol43 No.4, pp615～619
[36] Clough, G. W. and Ducan, J. M.. Finite element analysis of retaining wall behavior. J. Soil. Mech. and Found. Div. ASCE. 97, SM12
[37] Ducan, J. M., and Chang, C-Y., Nonlinear analysis of stress and strain in soils, J. of the soil mechaniacs and foundation division Div. ASCE, 1963 No. SM3.
[38] Kulhawy, F. E., et al., Finite element analysis of stresses and movement in embankments during construction, Geotechanical engineering report No, TE69-4, Department of civil engineering, University California, berkeley, 1969
[39] Goodman, R. E., Talor, R.L., Bre kke, T.L.. A model for the mechanism of jointed rock. J.of Soil Mech.and Found. Div. ASCE, vol.94. No. SM3
[40] Desai,C.s., Zaman, M.M.et.al. Thin-layer element for interfaces and joints. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 1984.vol.8.pp 19～43
[41] 史佩栋，张美珍．水泥土及加劲水泥土搅拌桩施工技术发展现状．工业建筑．2001，第2期：41～45
[42] 史佩栋．SMW工法地下连续墙．工业建筑．1995，第四期：56～60
[43] 叶观宝，叶书麟．地基加固新技术．北京：机械工业出版社，2000
[44] 王恩远．水泥土搅拌桩加固软土地基的应用．住宅科技．1999，第1期：21～27，第2期：25～28
[45] 屈智炯．土的塑性力学．成都：成都科技大学出版社，1988
[2] 龚晓南．有关复合地基的几个问题．地基处理．2000，第3期：42～48
[3] 侯伟生．搅拌桩技术及其发展浅议．地基处理．2000，第3期：75～81
[4] 《桩基工程手册》编写委员会．桩基工程手册．北京：中国建筑工业出版社，1997
[5] 地基处理手册编写委员会．地基处理手册．北京：中国建筑工业出版社，1988
[6] 吴迈．水泥土组合桩单桩竖向承载力试验研究：[硕士学位论文]．河北工业大学：天津，2001
[7] 叶书麟．叶观宝．地基处理．北京：中国建筑工业出版社，1997
[8] 刘金砺．桩基础设计与计算．北京：中国建筑工业出版社，1994
[9] 刘金砺．高层建筑桩基工程技术．北京：中国建筑工业出版社，1998
[10] 沈保汉．桩基础测试、勘察、设计和施工．北京：中国建筑工业出版社，1992
[11] 沈保汉．桩工作性状的P-S曲线．第五届土力学与基础工程会议论文集．北京：中国建筑工业出版社，1990
[12] 段继伟，龚晓南，曾国熙．水泥搅拌桩的荷载传递规律．岩土工程学报，1994，第16卷
[13] 叶观宝，叶书麟．水泥土搅拌桩加固软土地基的试验研究．同济大学学报．1995，第3期：240～274
[14] 何开胜，袁文明．超长水泥土搅拌桩的承载能力和临界桩长．工业建筑．2000，第1期：26～30
[15] 张忠坤．复合地基临界桩长的研究．岩土工程学报．1999，第2期：184～188
[16] 周建民，丰定祥，郑宏．深层搅拌桩复合地基的有限元分析．岩土力学．1997，第2期：44～50
[17] 邹宗煊，林锋．钢筋混凝土劲芯水泥土复合桩的设计与施工原理——软土地基中使用的新桩型．第六届全国地基处理学术讨论会暨第二届全国基坑工程学术讨论会论文集，温州，2000
[18] 殷宗泽，朱泓，许国华．土与结构材料接触面的变形及其数学模拟．岩土工程学报．1994，第3期：14～18
[19] 陆贻杰，周国钧．搅拌桩复合地基模型试验及三维有限元分析．岩土工程学报．1989，第5期：86～91
[20] 王勖成，邵敏，有限单元法基本原理与数值方法．第2版．北京：清华大学出版社，1997
[21] 张德兴．有限元素法新编教程．上海：同济大学出版社，1988
[22] 罗定安．工程结构数值分析方法与程序设计．天津：天津大学出版社，1995
[23] 钱家炊，殷宗泽．土工原理与计算．第2版．北京：水利水电出版社，1994
[24] 朱百里，沈珠江．土工数值分析．北京：中国铁道出版社，1990
[25] 张学言．岩土塑性力学．天津：天津大学出版社，1992
[26] 梁仁旺，于宁．加筋水泥土梁力学性能的试验研究．岩土力学．2000，第3期：267～270
[27] 许成祥，吴军民．水泥土搅拌桩复合地基沉降计算．江汉石油学院学报，第1期：35～37
[28] 张志刚，钟岱辉．水泥土桩体与地基土相互作用的递归公式．山东工程建筑学院学报．2000，第3期：17～20
[29] 陈灏沆．关于水泥土复合地基质量检测的几点体会．工程质量．2000，第6期：23～24
[30] 田野，刘经韬，李建航．单排加芯材水泥土挡墙的施工及质量控制．武汉水利电力大学学报．2000，第2期：43～45
[31] 王健．劲芯水泥土地下连续墙技术的发展及应用．西部探矿工程．2000，第5期：19～21
[32] 郑刚，顾晓鲁，姜忻良．水泥搅拌桩复合地基承载力辨析，岩土工程学报．2000，第4期：487～489
[33] 凌光荣，安海玉，谢岱宗．劲性搅拌桩的试验研究．建筑结构学报．2001，第2期：92～96
[34] Desai, C. S. Numerical Design-Analysis for Piles in sands, J.of the Geotechnical Eingineering Division, 1974, vol. 100, No.GT12
[35] Fleming, W. G. K. A new method for single pile settlement prediction and analysis, Geotechnique, vol43 No.4, pp615～619
[36] Clough, G. W. and Ducan, J. M.. Finite element analysis of retaining wall behavior. J. Soil. Mech. and Found. Div. ASCE. 97, SM12
[37] Ducan, J. M., and Chang, C-Y., Nonlinear analysis of stress and strain in soils, J. of the soil mechaniacs and foundation division Div. ASCE, 1963 No. SM3.
[38] Kulhawy, F. E., et al., Finite element analysis of stresses and movement in embankments during construction, Geotechanical engineering report No, TE69-4, Department of civil engineering, University California, berkeley, 1969
[39] Goodman, R. E., Talor, R.L., Bre kke, T.L.. A model for the mechanism of jointed rock. J.of Soil Mech.and Found. Div. ASCE, vol.94. No. SM3
[40] Desai,C.s., Zaman, M.M.et.al. Thin-layer element for interfaces and joints. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 1984.vol.8.pp 19～43
[41] 史佩栋，张美珍．水泥土及加劲水泥土搅拌桩施工技术发展现状．工业建筑．2001，第2期：41～45
[42] 史佩栋．SMW工法地下连续墙．工业建筑．1995，第四期：56～60
[43] 叶观宝，叶书麟．地基加固新技术．北京：机械工业出版社，2000
[44] 王恩远．水泥土搅拌桩加固软土地基的应用．住宅科技．1999，第1期：21～27，第2期：25～28
[45] 屈智炯．土的塑性力学．成都：成都科技大学出版社，1988