土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基承載特性及沉降計(jì)算研究.pdf

1、土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基作為一種新型的軟基處治方法,因其良好的工作性能獲得了工程界的青睞,目前在公路軟基處治、鐵路路基加固、油罐地基加固等工程中得到了廣泛應(yīng)用,并取得了良好的加固效果,但是該處治方法的理論研究尚欠成熟。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沉降控制雙向增強(qiáng)處治技術(shù)”(2006AA11Z104)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51078138)及湖南大學(xué)博士學(xué)位論文選題資助項(xiàng)目,

2、從土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的承載機(jī)理分析、固結(jié)分析、樁土應(yīng)力比計(jì)算、沉降計(jì)算等方面出發(fā),通過理論分析和室內(nèi)模型試驗(yàn)并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行較深入系統(tǒng)的研究。
　　本文首先針對(duì)土工格室和碎石樁復(fù)合地基的作用機(jī)理進(jìn)行探討,在此基礎(chǔ)上對(duì)兩者組合而成的雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的作用機(jī)理進(jìn)行分析;對(duì)土工格室加筋墊層和碎石樁復(fù)合地基承載力計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié),考慮土工格室與碎石樁復(fù)合地基兩者相互作用,并結(jié)合碎石樁的固結(jié)效應(yīng),探討了土工格室+碎石樁雙向增

3、強(qiáng)復(fù)合地基承載力計(jì)算方法。同時(shí)基于軸對(duì)稱空間問題的彈性理論,選取不同的樁土單元,推導(dǎo)出碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計(jì)算公式,并在此基礎(chǔ)上考慮碎石樁三維軸對(duì)稱固結(jié)模式,基于樁體和土體的應(yīng)力時(shí)效特征,推導(dǎo)考慮時(shí)效的復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計(jì)算公式,并通過算例驗(yàn)證該解答的合理性。
　　其次,針對(duì)土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基變形特點(diǎn),探討了其變形機(jī)理并總結(jié)了已有的沉降計(jì)算方法;在此基礎(chǔ)上,考慮碎石樁復(fù)合地基樁土剛度差異并不大,將其視為一復(fù)合土體

4、,土工格室加筋墊層則視為置于 Winkler地基上的彈性地基梁(稱為土工格室梁),同時(shí)考慮土工格室加筋墊層與碎石樁復(fù)合地基之間的切向摩阻力,提出了土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基沉降計(jì)算模型,推導(dǎo)出土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基變形計(jì)算的控制方程,并結(jié)合微分算子級(jí)數(shù)法求得相應(yīng)的解析解,由此導(dǎo)得了土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基沉降計(jì)算公式。算例分析表明該解析解是正確合理的,進(jìn)一步的參數(shù)分析表明,復(fù)合土體的法向和切向彈簧剛度對(duì)土工格室+

5、碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基的變形有較大影響,土工格室加筋墊層的力學(xué)參數(shù)如彈性模量等及幾何參數(shù)如高度等則影響較小。
　　再次,根據(jù)前述土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基沉降計(jì)算的彈性地基梁模型,引入分步計(jì)算法概念,首先考慮各種豎向荷載下土工格室梁的撓度計(jì)算,推導(dǎo)并匯總了工程中常見豎向荷載下土工格室梁的撓度解答,然后考慮土工格室梁的實(shí)際變形曲線特征,建立切向相對(duì)位移與撓度之間的關(guān)系式,并推導(dǎo)出相應(yīng)土工格室梁的切向相對(duì)位移的解答,最后將地基反

6、力和切向摩阻力作為荷載作用于土工格室梁上,導(dǎo)出土工格室梁的最終變形并進(jìn)一步導(dǎo)得土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基沉降計(jì)算公式。算例分析驗(yàn)證了分步計(jì)算法計(jì)算結(jié)果與前述解析解的一致吻合性,表明分步計(jì)算法切實(shí)可行。
　　基于前述土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基沉降計(jì)算的彈性地基梁模型,從能量角度出發(fā),根據(jù)最小勢(shì)能原理,建立考慮切向摩阻力的土工格室梁撓度方程,并引入合適的位移函數(shù),導(dǎo)出考慮切向摩阻力作用時(shí)土工格室梁的撓度解答并進(jìn)一步導(dǎo)得土工

7、格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基沉降計(jì)算公式。算例分析表明該解答計(jì)算結(jié)果與前述解析解一致,表明該能量法解答切實(shí)可行,亦進(jìn)一步完善了土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基沉降計(jì)算的方法體系。
　　最后,根據(jù)相似理論,設(shè)計(jì)并完成了單純軟土地基、袋裝砂井地基、土工格室加筋復(fù)合地基、碎石樁復(fù)合地基、土工格柵+碎石樁復(fù)合地基和土工格室+碎石樁復(fù)合地基等六組室內(nèi)模型試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行了分析,從靜載試驗(yàn)、應(yīng)力分布、樁土應(yīng)力比和孔隙水壓力分布規(guī)律等方面

8、探討了袋裝砂井地基、碎石樁復(fù)合地基、土工格柵+碎石樁復(fù)合地基和土工格室+碎石樁復(fù)合地基等的承載變形機(jī)理以及排水固結(jié)特點(diǎn),并利用模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)前述沉降計(jì)算理論進(jìn)行了驗(yàn)證分析。結(jié)果表明,土工格室加筋墊層可有效擴(kuò)散和均化上部荷載,減小地基的總沉降和不均勻沉降;碎石樁樁頂應(yīng)力集中效應(yīng)明顯,可有效加速地基排水固結(jié);土工格室+碎石樁復(fù)合地基可有效提高地基承載力,降低樁土應(yīng)力比,同時(shí)能夠加速軟基排水固結(jié),減小地基沉降和不均勻沉降。此外,基于前述土工格