深厚海陆交互相软土刚性桩复合地基承载机理与变形特性研究

摘要

由于独特的地质和水动力条件，在江河入海口处常形成复杂的海陆交互相沉积层，其软土不仅埋藏深、厚度大，且具有高含水量、高压缩性、低强度、非均质、欠固结等特点，使其成为该类地区高速公路建设面临的工程与科学难题。传统的地基处理方式难以满足高速公路工程沉降变形控制要求，刚性桩复合地基因具有工后沉降及不均匀沉降小、处理深度大、复合地基承载力高等优点，在高速公路软基处理中得到应用，但在深厚海陆交互相软土中尚无成功经验，缺乏相应的设计计算理论。本文以江苏省交通科学研究项目(09Y33)和澳大利亚研究理事会研究项目(DP120102142)为依托，结合崇明-启东长江公路大桥接线工程，采用现场试验、室内试验、数值模拟和理论分析相结合的方法，对刚性桩复合地基加固深厚海陆交互相软土地基技术进行了系统研究。论文主要研究内容和成果如下:
　　(1)通过室内外试验与孔压静力触探(CPTU)测试，对深厚海陆交互相软土物理力学性质进行了系统研究，提出了考虑固结状态的欠固结软土OCR计算方法。结果表明，崇启大桥北接线工程沿线深厚海陆交互相软土工程性质极其复杂，各土层颗粒组成以粉粒为主，其含量超过50％;粉土-粉砂层(②2)中粉质粘土与粉、细砂互层，类似于“千层饼”特征，且为可液化土层;淤泥质粘土(③1)层顶埋深超过15m，厚度大于20m，局部粘土与粉细砂互层，该软土为低液限粘土，且具有高压缩性;基于CPTU的孔压消散试验，引入“似固结度”参数，可作为软土欠固结状态判断的依据，分析表明深厚淤泥质粘土(③1)处于欠固结状态。
　　(2)通过现场沉桩试验、桩间土CPTU测试、路堤荷载下刚性桩复合地基现场试验，论证了刚性桩处理深厚海陆交互相软土地基的有效性，分析了刚性桩加固此类软土地基的机理和效果。结果表明，管桩可以克服粉土-粉砂层的挤密效应，打入淤泥质粘土层，从而实现处理深厚海陆交互相软土的目的;沉桩后粉土-粉砂的内摩擦角和相对密实度均增大，其抗液化能力得到有效提高;深厚淤泥质粘土的不排水抗剪强度得到提高，而固结系数则降低;刚性桩复合地基静压场地桩顶和桩间土累计沉降、桩土差异沉降均低于锤击场地，说明此类软土中刚性桩静压施工后沉降控制效果优于锤击沉桩工艺。
　　(3)采用非线性大变形有限元方法，考虑相应的边界条件，建立了深厚海陆交互相软土中刚性桩贯入机理分析模型，研究了此类软土中刚性桩贯入机理及其规律。结果表明，桩侧挤土效应沿贯入深度逐渐增强，桩端处最强，桩端以下迅速衰减;桩端以下影响深度为8倍桩径，桩侧土径向位移临界深度为10倍桩径;贯入阻力和土中水平向应力分别随着土体内摩擦角、剪胀角、粘聚力和静止土压力系数的增加而增大;贯入阻力约在土层界面以上l倍桩径处达到峰值，土层界面对贯入阻力、桩侧土水平向应力和位移的影响范围为界面上5倍桩径至界面下6倍桩径。
　　(4)考虑桩体不排水和相应边界条件，建立了深厚海陆交互相软土中未打穿刚性桩复合地基固结计算模型，分析了刚性桩复合地基固结规律。结果表明，刚性桩复合地基固结速率随桩长、桩体模量和面积置换率的增加而大幅度提高;桩未打穿情况下，随着淤泥质粘土渗透系数的增加，复合地基固结速率加快;粉质粘土与粉砂互层的埋深、厚度、渗透系数和压缩模量对刚性桩复合地基固结性状影响较小。桩打穿粉质粘土与粉砂互层时，提高淤泥质粘土的压缩模量，下卧层中超孔压消散速率显著提高，加固区超孔压消散速率则无明显变化。
　　(5)总结分析世界范围内不同土质条件下单桩竖向承载力试验成果基础上，将基于CPTU的软土不排水强度公式引入Ruiter和Beringen提出的刚性桩承载力估算方法（简称欧洲法）中，建立了考虑超固结比(OCR)、水平应力(σh)和长径比(L/D)的深厚海陆交互相软土中刚性桩竖向承载力非线性计算方法。分析表明，圆锥系数随OCR的增加非线性增大，两者成指数函数关系;桩侧阻力修正系数随σh和L/D的增大均非线性降低;深厚软土中桩端阻力修正系数取值为9.36。
　　(6)通过现场试验和室内离心机试验，研究了深厚软土中不同桩端开口形式、桩体截面形状和桩侧土排水条件下刚性桩水平承载特性及桩土相互作用机理。结果表明，单桩水平承载力随桩侧土锥尖阻力的增大而增大;闭口桩的水平承载力大于开口桩;桩土响应处于线弹性阶段时，荷载，位移曲线与桩端类型及截面形状无关;沉桩引起的超孔压完全消散后，刚性桩水平承载力得到提高;桩身材料、桩端开口形式和桩入土深度相同时，H型桩的水平承载力最大，而圆截面桩最小。
　　(7)在试验研究、理论分析和数值模拟基础上，提出了路堤荷载下深厚海陆交互相软土中按变形控制的刚性桩复合地基优化设计方法，确定了详细设计步骤和设计流程，给出了桩长、桩间距、桩帽尺寸、加筋垫层、填土高度等参数的设计计算方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 海陆交互相软土物理力学性质研究现状

1．2．2 基于CPTU的软土应力历史研究现状

1．2．3 刚性桩贯入机理研究现状

1．2．4 刚性桩复合地基固结理论研究现状

1．2．5 刚性桩竖向承载力计算方法研究现状

1．2．6 刚性桩水平承载特性研究现状

1．3 存在问题及不足

1．4 本文主要研究内容与技术路线

第二章 深厚海陆交互相软土沉积特征与工程性质研究

2．1 海陆交互相软土沉积特征分析

2．1．1 长江三角洲第四纪沉积特征

2．1．2 长江三角洲全新世沉积特征

2．1．3 长江三角洲全新世砂体垂向分布特征

2．2 海陆交互相沉积土工程性质分析

2．2．1 粉质粘土层工程性质分析

2．2．2 粉土(粉砂)层工程性质分析

2．2．3 淤泥质粘土层工程性质分析

2．2．4 粉质粘土与粉砂互层工程性质分析

2．2．5 基于孔压消散试验的深厚软土应力历史研究

2．3 本章小结

第三章 刚性桩加固深厚海陆交互相软土现场试验研究

3．1 场地工程地质条件

3．2 试验内容和方法

3．2．1 沉桩贯入试验

3．2．2 路堤荷载下刚性桩复合地基试验

3．3 试验结果分析

3．3．1 沉桩贯入试验结果分析

3．3．2 基于CPTU的管桩加固前后桩间土性质分析

3．3．3 路堤荷载下刚性桩复合地基加固效果评价

3．4 本章小结

第四章 深厚海陆交互相软土中刚性桩贯入机理研究

4．1 单层土中贯入分析

4．1．1 非线性大变形分析方法

4．1．2 轴对称计算模型建立

4．1．3 本构关系及边界条件

4．1．4 刚性桩贯入模型计算方案

4．1．5 粉土(粉砂)中贯入结果分析

4．1．6 淤泥质粘土中贯入结果分析

4．2 深厚海陆交互相软土中刚性桩贯入分析

4．2．1 刚性桩贯入模型建立

4．2．2 刚性桩贯入结果分析

4．3 本章小结

第五章 深厚海陆交互相软土刚性桩复合地基固结特性研究

5．1 双层未打穿刚性桩复合地基固结模型

5．1．1 刚性桩复合地基固结模型基本假定

5．1．2 刚性桩复合地基固结模型建立

5．1．3 刚性桩复合地基固结模型边界条件

5．1．4 刚性桩复合地基固结模型求解

5．1．5 刚性桩复合地基固结模型验证

5．1．6 刚性桩复合地基固结性状分析

5．2 深厚海陆交互相软土未打穿刚性桩复合地基固结模型

5．2．1 刚性桩复合地基固结模型边界条件

5．2．2 刚性桩复合地基固结模型求解

5．2．3 刚性桩复合地基固结模型验证

5．2．4 刚性桩复合地基固结性状分析

5．3 本章小结

第六章 基于CPTU的刚性桩竖向承载力非线性计算方法

6．1 桩侧阻力非线性计算方法

6．1．1 圆锥系数非线性计算方法

6．1．2 桩侧阻力修正系数非线性计算方法

6．2 桩端阻力非线性计算方法

6．3 深厚海陆交互相软土中刚性桩承载力计算

6．3．1 CPT／CPTU方法预测结果

6．3．2 CPT／CPTU方法预测能力评价

6．4 本章小结

第七章 深厚软土中刚性桩水平承载特性试验研究

7．1 砂土中刚性桩水平承载特性现场试验

7．1．1 场地工程地质条件

7．1．2 试验方法与步骤

7．1．3 试验结果讨论与分析

7．2 深厚软土中刚性桩水平载荷离心试验

7．2．1 试验方法与步骤

7．2．2 试验结果讨论与分析

7．3 水平荷载传递规律分析

7．3．1 砂土中桩土荷载传递规律

7．3．2 软土中桩土荷载传递规律

7．4 本章小结

第八章 刚性桩复合地基加固深厚海陆交互相软土设计方法

8．1 路堤荷载下刚性桩复合地基工作机理

8．2 按变形控制的刚性桩复合地基优化设计方法

8．3 刚性桩复合地基具体参数设计计算

8．3．1 详细设计参数

8．3．2 刚性桩设计

8．3．3 桩帽设计

8．3．4 加筋垫层设计

8．3．5 刚性桩复合地基承载力验算

8．3．6 刚性桩复合地基沉降验算

8．3．7 刚性桩复合地基稳定性验算

8．4 本章小结

第九章 结论与展望

9．1 本文主要结论

9．2 主要创新点

9．3 下一步研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间论文发表情况