垫层结构对预应力混凝土管桩复合地基承载力影响因素研究.pdf

2 0 1 5年 1 0月 第6卷 第 5期 高速铁路技术 HI G H S P E ED RAI L WAY T EC HNOL OGY No ． 5． Vo 1 ． 6 0c t ． 2 0 1 5 文章编号 l 6 7 4 8 2 4 7 2 0 1 5 O 5 0 0 3 4 0 5 垫层结构对预应力混凝土管桩复合地基承载 力 影响 因素研究 李英杰 中铁三局集团有限公司， 太原 0 3 0 0 0 1 摘要 通过研究不同的垫层结构对预应力混凝土管桩复合地基承载力产生的影响， 对已有承载力公式进行 完善。针对深厚松软土特性， 依托郑徐客运专线项 目， 建立有限元模型。通过模型数据与现场实测数据对比 分析， 推导垫层结构对预应力混凝土管桩复合地基承载力影响因素， 完善计算公式。经研究得出结论 1 有 限元软件 Mi d a s G T S可以较准确地反应复合地基受力变形情况； 2 印证了在桩径、 桩长、 桩间距、 荷载一致的 条件下 ， 桩网结构复合地基变形大于桩筏结构复合地基的普遍规律， 垫层部分的刚度对复合地基承载力有较 大影响； 3 提出了针对不同垫层结构对桩和桩间土的修正系数 、 单桩承载力发挥系数， 垫层结构刚度系数， 对承载力计算公式进行了修正。 关键词 预应力混凝土管桩 ； 桩网结构； 桩筏结构；复合地基 ； 垫层结构 中图分类号 T U 4 7 3 ． 1 2 文献标志码 A Re s e a r c h o n t h e I n flu e n c i ng f a c t o r s o n t h e Co mp o s i t e Fo u nd a t i o n Be a r i ng Ca pa c i t y o f Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Pi p e Pi l e b y Cu s h i o n S t r u c t u r e L I Y i n g j i e C h i n a R a i l w a y N o ． 3 E n g i n e e r i n g G r o u p C o ． ， L t d ． ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 1 ，C h i n a Abs t r a c t By s t u d y i n g t h e i n flu e nc e s c a u s e d b y d i f f e r e n t c u s h i o n s t r u c t u r e s o n t h e c o mp o s i t e f o u n d a t i o n b e a r i n g c a p a c i t y o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i p e p i l e，t h e e x i s t i n g f o r mu l a o f b e a rin g c a p a c i t y i s i mp r o v e d．Du e t o t h e c h a r a c t e ris t i c s o f de e p s o ft s o i l ， t h e fi n i t e e l e m e n t m o d e l i s e s t a b l i s h e d r e l y i n g o n Z h e n g z h o u X u z h o u p a s s e n g e r d e d i c a t e d r a i l w a y p r o j e c t ．B y c o mp a rin g t h e mo d e l d a t a a n d fie l d me a s u r e d d a t a，t h e i n flu e n c i n g f a c t o r s o n t h e c o mp o s i t e f o u n d a t i o n b e a rin g c a pa c i t y o f t h e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i p e p i l e b y c u s h i o n s t ru c t u r e a r e d e d uc e d a n d t h e c a l c u l a t i o n f o rm u l a i s i mp r o v e d ． Re s e a r c h c o n c l u s i o n s 1 T h e fi n i t e e l e me n t s o f t w a r e Mi d a s G T S c a n r e fl e c t t h e d e f o r ma t i o n o f t h e c o mp o s i t eu n d a t i o n a c c u r a t e - l y ； 2 I t c o n fi r m s t h e u n i v e r s a l r u l e t h a t t h e d e f o rm a t i o n o f c o m p o s i t eu n d a t i o n o f C o l u m nN e t S t r u c t u r e i s g r e a t e r t h a n t ha t o f Pi l e ． Ra ft S t ru c t u r e wh e n t h e p i l e di a me t e r ，p i l e l e n g t h，pi l e s p a c i n g，l o a d a r e t h e s a me，wh i l e t h e r e i s b i g g e r i n fl u e n c e o n t h e b e a ri n g c a p a c i t y o f c o m p o s i t e u n d a t i o n b y t h e r i g i d i t y o f c u s h i o n p a r t ； 3 T h e c o r r e c t i o n c o e f fi c i e n t o f t h e p i l e s a n d s o i l b e t we e n p i l e s b y d i f f e r e n t c u s h i o n s t ruc t u r e s ，t h e s i n g l e p i l e b e a ri n g c a p a c i t y c o e ffic i e n t ，r i g i d i t y c o e ffic i e n t o f c us hi o n s t r u c t ur e a r e pu t f o r wa r d a n d t he c a l c u l a t i o n f o rm u l a o f b e a r i ng c a p a c i t y i s c o rre c t e d． Ke y wor ds p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i p e p i l e； c o l u mn n e t s t r u c t u r e； p i l e r a f t s t ruc t u r e； c o mp o s i t e u n d a t i o n； c u s h i o n s t ru c t u r e 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 7 - 2 2 作者简介 李英杰 1 9 8 5 一 ， 男 ， 工程师 。 引言 郑徐客运专线永城北站位于深厚松软土地 区， 软 土厚度 3 0～ 4 5 m， 路基全长1 4 5 5 ． 5 m， 其 中 8 7 0 m采 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 李英杰 垫层结构对预应力混凝土管桩复合地基承载力影响因素研究 2 0 1 5年 1 0月 用预应力混凝土管桩复合地基加固。由于预应力混凝 土管桩成桩速度快 、 质量容易保证 ， 在高速铁路地基加 固中得到越来越广泛 的应用。采用该结构进行地基加 固后， 由于垫层部分结构刚度的多样性， 对地基受力变 形有较大影响。本文依托郑徐客运专线永城北站路基 工程 ， 通过有限元模型并结合试验 ， 开展垫层结构对复 合地基变形影响的分析 ， 提 出考虑垫层结构刚度复合 地基承载力计算修正系数 ， 并进行计算方法的探索 ， 为 类似工程提供参考依据。 2工程概况与数值建模简介 2 ． 1 工程概 况 2 ． 1 ． 1 项 目概况 永城北站试验段位 于河南省永城市芒砀山镇 ， 前 接芒砀山特大桥 ， 后接萧县特大桥 ， 地处黄淮冲积平原 区， 地势平坦、 开阔， 大多为旱地、 林地、 坟地、 村庄、 道路 等 ， 交通便利。路基全长1 4 5 5 ． 3 1 i n ， 填高 5～ 8 ． 4 I T I 。 2 ． 1 ． 2 地质概况 地基上部以第四系全新统 冲积层 的粉土、 粉质黏 土为主， 多为粉 土、 粉质黏 土、 黏土互层 ， 厚度 3 0 ． 0 4 5 i n ， 呈软塑 一可塑状 ， 偶夹薄层砂类土 ； 下部第 四系 上更新统冲积层粉质黏土地层 ， 厚度 大于 2 0 m， 呈硬 塑 ～半坚硬状 ， 局部可塑。局部地段第 四系底部 为奥 陶系泥质灰岩 ， 深灰色 ， 弱风化 ， 节理裂隙较发育 ， 最小 埋深约 3 0 i n 。 地下水主要为孔隙潜水， 局部略具承压性 ， 受大气 降水 、 地表水补给 ， 由于无 明显 含水层 ， 富水性较差 。 下伏泥质灰岩 中， 含基岩裂 隙、 溶隙水 ， 富水性一般 。 地下水具明显地动态变化特征 ， 随季节 、 降水量变化而 变化 ， 测时地下水埋深 2 ． 9～ 4 ． 2 i n 。 2 ． 2数值建模简介 2 ． 2 ． 1 基本假定 本文采用大型有限元软件 Mi d a s G T S建立模型模 拟复合地基 ， 并进行非线性静力分析。有限元模 型符 合以下假定 1 桩和筏板采用线弹性实体单元 ； 2 土与桩之间的作用采用接触单元模拟 ； 3 土体采用非线性 实体单元 ， 摩尔 一库伦 破坏 准则 ； 4 模 型 中不 考 虑 地 下 水 对 复合 地 基 变 形 的 影响； 5 土工格栅 室 与土层采用 2 D接触单元模拟 。 2 ． 2 ． 2 有限元模型参数及模型 建立预应力混凝土管桩桩筏复合地基和桩网复合 地基。预应力 混凝 土管桩 桩筏 复合 地基 筏板 厚 为 0 ． 5 11 1 ， 筏板下铺设 1层为 0 ． 2 m厚 的碎石垫层 ， 桩长 t ．3 2． 0 厚 m 0 m 磊 1 至 呈 蓑a 基 桩 顶 铺 设 ． 3 厚 碎 石 垫 层 ，其 上 铺 设层 土 工 格 ■ 栅 或 土工 格室 ， 再铺 设 0 ． 3 m厚 碎石 垫层 ， 桩 长 3 2 m， 桩 间距 2 ． 0 m。管桩桩筏结构和桩 网结构地质 条件如表 1 、 表 2所示 ， 管桩参数如表 3所示。 表 1 管桩桩筏复合地基地质条件 地层 号 土质 密实度 厚度／ m 弹性模量／ M P a 泊松 比 密度／ k N m 粘聚力／ k P a 内摩擦角／ 。 l 4 2粉土 稍密 6 ． 8 8 ． 7 8 O ． 2 5 l 9 ． 2 1 9 4 6 2 3 3 1粉质 黏土 可塑 4 ， 9 4 ． 7 8 0 。 3 8 1 9 ． 8 l 9 2 2 3 3 3 2粉质 黏土 可塑 1 8 ． 2 4 ． 7 8 O ． 3 8 1 9 ． 8 1 9 2 2 4 3 3粉质黏土 可塑 1 5 ． 1 9 ． 0 4 0 ． 2 5 2 0 ． 1 1 9 4 6 表 2 管桩桩网复合地基地质条件 土层 号 土质 密实度 厚度／ m 弹性模量／ MP a 泊松 比 密度／ k N in。 粘聚力／ k P a 内摩擦角／ 。 l 3 2粉质黏土 软塑 3 ． 2 3 ． 7 3 O ． 2 5 1 9 ． 2 1 9 2 2 2 4 2黏土 稍密 3 ． 3 8 ． 7 8 0 ． 2 5 1 9 ． 2 1 9 4 6 3 3 3 i粉质黏土 可塑 8 ． 6 4 ． 7 8 O ． 3 8 1 9 ． 8 1 9 2 2 4 4 3黏土 密实 4 ． 5 9 ． 0 4 O ． 2 5 2 O ． 1 1 9 4 6 5 33 2粉质黏土 可塑 1 3 ． 8 5 ． 1 4 0 ． 3 8 2 0 3 7 3 7 ． 5 6 4 4粉土 密实 5 ． 3 1 0 ． 4 9 O ． 2 5 2 O ． 1 3 1 2 9 表 3高强预应 力管桩参数表 弹性模量／ MP a 泊松 比 密度／ k N In 桩径／ m 3． 8 0 o 0． 2 2 5 O ． 4 桩网结构和桩筏结构地表沉降有限元模型共分 7 个工况 ， 分别为填筑高度 0 、 2 ． 4 I n 、 2 ． 7 i n 、 3 13 1 、 3 ． 3 i n 、 6 ． 3 in和9 ． 3 In ； 桩网结构分层沉降有限元模型共分 4个工况 ， 分别为填筑高度 0 、 3 I l l 、 6 ． 2 5 IT I 、 9 ． 2 5 m； 有限 元路基断面模型尺寸为 顶面宽 2 3 ． 5 i n ， 底面 宽4 0 i n ， 纵向取 1 2 I n建立模型 ， 沿横向截取 ， 如图 1 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 李英杰 垫层结构对预应力混凝土管桩复合地基承载力影响因素研究 2 0 1 5年 1 0月 图1 管桩复合地基模型剖面图 3 实测与数值结果对 比分析 现场采用单点沉降计和分层沉降计测量地表沉降 量和每层土的沉降值 ， 收集数据 ， 与有限元模拟值对比 分析 。 3 ． 1 有限元模拟结果与现场实测结果对 比分析 通过计算分别提取有限元模型中地表土沉降值与 实测值进行分析 ， 对 比结果绘制成如图 2 4所示。 1 2 量 o ． 4 螺 0 4 吕 蹩 0 6 4 O 5 1 O 填筑高度／ m r a 4 9 m深土层沉降 5 1 0 填筑高度， m f c 3 6 m深土层沉降 5 l O 填筑高度／ m e 2 2 r r 睬 土层沉降 墨 蒌 6 图2 管桩桩筏复合地基地表沉降实测值与模拟值 口 2 0 高1 5 世1 0 s O 0 2 4 6 8 1 0 填筑高度／ m 图3 管桩桩网复合地基地表沉降实测值与模拟值 从图 2可以看出， 管桩桩筏结构复合地基沉 降的 现场实测值与有限元模拟值相差约 0 ． 6 m m， 差距很 小 ， 实测值与模拟值在不同工况下变化趋势一致。 从图 3可以看出， 管桩桩 网结构复合地基沉降的 现场实测值与有限元模拟值相差约 2 ． 8 m l n ， 差距很 小， 实测值与模拟值在不同工况下变化趋势一致。 量2 蜉 O _重4 z O 8 量 蟋 0 O 2 4 6 8 1 O 填筑高度／ m f b 1 4 1 m深土层沉降 5 1 0 填筑高度／ m d 3 3 i n 深土层沉降 5 1 0 填筑高度， m ∞ U m深土层沉降 图4 预应力混凝土管桩分层沉降曲线图 从 图4可以看出， 管桩桩网结构复合地基分层沉 降现场实测值与有限元模拟值最大差距为 1 ． 3 mm， 差 距很小 ， 实测值与模拟值在不 同工况下变化趋势一致。 通过沉降分析得 出 有限元模型分析值 与实测值 接近 ， 变化规律一致 ， 有限元模型能够准确反应现场地 基受力变形情况 ， 有限元模型可以进一步分析 ， 提供接 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 李英杰 垫层结构对预应力混凝土管桩复合地基承载力影响因素研究 2 0 1 5年 1 0月 近现场实际的受力变形数据。 3 ． 2桩网结构和桩筏结构地表沉降对比分析 根据单点沉降计测量 出的地表沉降数据绘制成 图 5 。根据桩筏 和桩 网结构 的沉降 曲线 可知， 桩筏结 构 最大 沉 降量 为 8 ． 1 5 m i l l ， 桩 网结构 最大 沉 降量为 l 8 ． 5 I T l m； 在桩径 、 桩间距 、 桩 长一致 的条件下 ， 施加相 同堆载， 桩网结构复合地基地表沉降值， 大于桩筏结构 复合地基地表沉降值。 2 O 鲁 乓 留l 0 遨 0 O 4 6 8 l 0 填筑高度／ m 柱 撂 图7 桩筏结构和桩网结构的桩荷载分担比图 薹 。 釜4 o 2 0 髂 0 图 5 桩筏结构与桩 网结构地表沉 降实测值对比图 图 8 桩筏结构与桩 网结构的桩承载力发挥 比例 图 根据对比分析结果得出 模型 中桩网结构 和实际 情况 中桩 网结构和桩筏结构只有垫层结构不 同， 即桩 网结构上部是级配碎石夹土工格栅 ， 桩筏结 构上部是 级配碎石垫层上加筏板 ， 桩筏结构刚度大于桩网结构 刚度 ， 垫层结构对地基变形的影响较 大。对于变形作 为主要控制因素的地基 中， 设计时需考虑垫层结构对 变形 的影响。 4垫层结构对桩土应力影 响分析 提取桩网结构复合地基有限元模型 、 桩筏结构复 合地基有限元模型中桩身应力和桩间土应力 ， 计算得 出桩土应力 比、 桩荷载分担 比、 桩间土荷载分 担比、 桩 承载力 发挥 比例和桩 间土承 载力发挥 比例 ， 绘制 成 图6 ～图9 。其中桩筏结构预应力混凝土管桩单桩承 载力特征值 为1 1 4 4 k N， 桩 间土承载力为 1 2 0 k P a ， 桩 网结 构 预 应 力 混 凝 土 管 桩 单 桩 承 载力 特 征 值 为 1 3 0 7 k N， 桩问土承载力为 1 2 0 k P a 。 趔 丑 R 爨 图6 桩筏结构与桩网结构的桩土应力比图 通过图 6可以得出桩筏结构 的桩土应力 比大于桩 网结构 ； 通过图 7可 以得出桩筏结构 的荷载分担 比大 于桩 网结构 ； 通过 图 8可以得 出桩筏结构 比桩网结构 的桩承载力发挥 比例大 ， 同时单桩承载力特征值并未 鞑 憾 厘 图 9桩筏 结构与桩 网结构桩 间土承载 力发挥 比例 图 发挥到 1 0 0 ％ ； 通过 图 9可知桩 网结 构的桩问土承载 力发挥 比例大于桩筏结构。 分析以上曲线 ， 桩网结构采用碎石垫层夹土工格 栅或者土工格室 ， 相 比桩筏结构 刚度小 、 变形大 ， 能将 更多荷载传递至桩间土。桩间土利用率更高， 桩利用 率较低， 桩筏结构反之； 桩网结构和桩筏结构复合地基 管桩均未发挥桩 的承载力特征值。 5 预应 力混凝土管桩复合地基承载力 计算公式修正 5 ． 1 预应 力混凝土 管桩复合地 基承载 力现行 计算 公 式 根据 T B 1 0 1 0 6 --2 0 1 0 铁路工程地基处理技术规 程 复合地基承载力公式 r n] pm 1一m 1 P 可知根据规范设计 复合地基承载力 ， 是在充分发 挥单桩承载力基础上 ， 桩间土部分发挥 ， 减少 了对桩间 土的利用 ， 设计偏于保守； 根据前述试验结果与有限元 分析结果可知 ， 实际工程中桩不能充分发挥承载力 ， 桩 和桩间土 承载力 的发挥与垫层结构 的刚度有关。因 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 李英杰 垫层结构对预应力混凝土管桩复合地基承载力影响因素研究 2 0 1 5年 1 0月 此 ， 需要将桩的承载力发挥系数 、 垫层结构对桩的影响 系数 、 垫层结构对桩 间土的影 响系数考虑到复合地基 承载力计算公式中。 5 ． 2 预应 力混凝土 管桩 复合地基 承载力计 算公式 修正 结合式 1 ， 得出一个基 于复合地基垫层结构 刚 度的复合地基承载力公式 2 f s D k A m T - 1一， 扎 k 2 p 式中 O ／ 垫层结构对桩的影响系数 ； A单桩承载力发挥系数 ； m桩的面积置换率 ； R 。 桩体容许承载力 k N ； A 桩截面面积 1 1 1 ； 垫层结构对桩间土的影响系数 ； 桩问土承载力发挥系数 ； 处理 后 复 合 地 基 桩 间 土 容 许 承 载 力 k P a 。 该公式考虑 了桩承载力发挥 系数 、 垫层结构刚度 对桩的影响系数和对桩间土的影响系数 ， 与实际紧密 结合 ， 尽可能利用桩间土的作用 ， 考虑了桩的承载力发 _ 墓 合地基承载力计算公式更加完善 。 5 ． 3 修正系数的取值计算探索 考虑到现场试验的周期及经济性 ， 探索使用有 限 元软件模拟复合地基受力变形状态 ， 结合现场试验计 算出垫层结构对桩和桩间土的影响系数。 首先建立精确的有限元模型， 进行非线性静力分 析 ， 得出不同填筑工况下桩 承载力发挥 比例和桩问土 承载力发挥 比例 ， 如表 4所示。通过现场 的平板载荷 试验可以求出单桩承载力发挥系数 A和桩 问土承载 力发挥系数 ， 并根据布桩形式和间距求出桩的面积 置换率 ， 进而通过有限元模 型计算 出的表 4可 以求得 垫层结构对桩的影响系数和垫层结构对桩间土的影响 系数 ， 作为类似工程的参考。 表 4 预应力混凝土管桩复合地基桩和桩间土承载力发挥比例 桩筏结构复合地基 桩网结构复合地基 填筑高度 桩承载力 桩 问土承载力 桩承载力 桩间土承载力 发挥 比例 发挥 比例 发挥 比例 发挥 比例 A m 1一m A m 1一m 2． 4 0． 1 6 6 0． 1 O 4 0． 0 9 7 0． 0 8 2 2． 7 0 ． 1 9 6 0． 1 1 6 0． 1 0 2 0 ． 1 08 3． O O ． 2 1 4 0． 1 2 5 0． 1 4 0 0 ． 1 4 3 3． 3 0 ． 2 2 6 O． 1 3 1 O． 1 5 4 0． 1 5 7 6． 3 0 ． 4 3 5 0． 2 4 8 0． 2 6 2 0． 2 5 4 9． 3 0 ． 4 7 9 O． 2 7l 0． 3 6 6 0． 3 6 3 6 结束语 由本文研究可以看 出， 使用 Mi d a s G T S建立有 限 元模型， 可较为准确地反应复合地基受力变形特性 ， 对 复合地基受力变形研究提供支撑。复合地基垫层结构 形式对地基承载力有较为 明显的影 响， 而传统设计计 算 中未考虑垫层结构的影响。本文通过试验和有限元 模型的结合 ， 在其他条件一致的情况下 ， 使用桩网和桩 筏结构进行对比分析， 得出了垫层结构对桩和桩问土 的影响 ， 并对承载力计算公式进行修正 ， 为类似工程提 供 了参考 。建议考虑区域特点， 对复合地基承载力计 算公式修正系数进一步完善 ， 更有利于复合地基承载 力理论的发展。 参考 文献 [ 1 ] T B 1 0 1 0 62 0 1 0铁路工程地基处理技术规程 [ S ] ． TB 1 01 0 6 2 0 1 0 T e c h n i c a l C o d e f o r G r o u n d T r e a t me n t o f R a i l wa y E n g i n e e ri n g[ S ] ． [ 2 ] J G J 7 9 2 0 1 2建筑地基处理技术规范 [ S ] ． J GJ 7 9 2 01 2 T e c h n i c a l Co d e f o r Gr o u n d T r e a t me n t o f Bu 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i o n [ J ] ．E n g i n e e ri n g Me c h a n i c s ， 2 0 0 3 ， 2 0 3 3 64 2 ． [ 6 ] 李作勤． 复合地基 中桩土应力 比和优化设计 [ J ] ． 岩土力学 ， 1 9 9 5 ， 1 6 4 3 0 3 7 ． L I Z u o q i n ．S t r e s s R a t i o o f P i l es o i l a n d O p t i m a l D e s i g n [ J ] ．R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s ， 1 9 9 5， 1 6 4 3 03 7 ． [ 7 ] 秦然 ， 陈征 宙， 董平．水 泥土桩复合地 基桩土应 力 比的一 种解 析 算法[ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 0 1 ， 2 2 1 9 6 9 8 ． Q I N R a n ，C HE N Z h e n g z h o u ，D O N G P i n g ．A n a l y t i c a l C a l c u l a t i o n o n P i l e - s o i l S t r e s S R a t i o o f C e me n t s o i l F o u n d a t i o n『 J ] ．R o c k a n d S o i l Me e h a n i e s ， 2 0 0 1 ， 2 2 1 9 6 9 8 ． [ 8 ] 冷长明．高速铁路地基不均匀沉降 的因素及 机理分析 [ J ] ．高速 铁路技术， 2 0 1 1 ， 2 3 5 8 ． L ENG Ch a n g mi n g ．An a l y s i s o f t h e F a c t o r a n d Me c h a n i s m o f Un e v e n S e t t l e me n t o f Hig h s p e e d R a i l w a y S u b g r a d e [ J ] ．Hi g h S p e e d R a i l w a y T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 2 3 5 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o 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