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随着经济的发展,近年来土木工程建设规模不断的扩大,对天然软弱地基的处理已成为建筑设计和施工越来越关注的环节。随着地基加固处理技术的不断发展,复合地基加固技术在土木工程建设中得到了愈来愈多的应用,复合地基理论研究近十多年来也得到了较大的发展。但是由于复合地基中设置的增强体材料不同、强度不同、发挥的效用不完全相同,因而各类复合地基的机理也就不相同,这就导致各类复合地基的沉降计算方法各不相同。
CFG桩复合地基是刚性桩复合地基,较天然地基能更好的控制地基变形。CFG桩复合地基以其经济、快捷和效果良好等优点,在工程上得到了广泛的应用。特别是,CFG桩复合地基能较大幅度地提高地基的承载能力,可以有效地控制建筑物的沉降变形,使得其应用范围也由初期的多层建筑向高层建筑发展。目前,对于CFG桩复合地基的理论研究还不成熟,特别是沉降计算的理论要远远落后于实际工程中的应用,如何利用CFG桩复合地基有效的控制变形以满足工程需要,是学术界研究的一个重点。
本文对于CFG桩复合地基的理论基础、沉降特性及沉降计算方法进行了较系统的研究,主要有以下几个方面的内容:
首先,系统的介绍了CFG桩复合地基的机理,主要包括:荷载传递机理、CFG桩复合地基桩侧负摩阻力作用机理、CFG桩复合地基桩土协调变形机理、CFG桩复合地基加固机理、褥垫层作用机理这四个方面的内容。其中,详细的介绍了桩体的置换作用、排水和加筋作用、振动挤密作用、桩对土的约束作用的CFG桩复合地基加固机理;重点介绍了保证桩土共同承担荷载、调整桩土荷载分担比、减小基础底面的应力集中、调整桩土水平荷载分担比的褥垫层作用机理。
其次,简单介绍了以弹性理论为基础的解析法、以有限元为代表的数值计算法、和以解析法为基础的半理论半经验方法的三种复合地基沉降计算方法。CFG桩复合地基的沉降在计算时一般只考虑了桩长范围内土的压缩变形和下卧层的压缩变形,没有考虑褥垫层的压缩变形。本文重点介绍了规范推荐的复合模量法、李峰基于弹性理论和静力平衡理论提出的基于上下刺入量的沉降计算方法、池跃君基于实测的土中附加应力场提出的双层应力法这三种计算方法,并总结了CFG桩复合地基沉降计算方法在分层总和法共同假设上存在的问题和各分层总和法存在的问题。
然后,介绍了有限差分数值模拟软件FLAC-3D的基本功能、优缺点,以及有限差分法求解的基本原理和各向同性弹性模型和摩尔-库伦弹塑性模型;结合工程实例建立了基于三维有限差分程序FLAC-3D的CFG桩复合地基模型,分析研究了在竖向荷载作用下CFG桩复合地基的沉降特性,考察了荷载水平、褥垫层厚度、褥垫层模量、桩长、桩端土与桩间土模量比、桩体模量等主要设计参数对于CFG桩复合地基沉降的影响,并得到了一些有用的结论。
最后,结合南京钢铁集团有限公司的某工程实例,利用前面介绍的规范推荐方法、基于上下刺入量的变形计算方法、双层应力法和FLAC数值模拟的方法对该工程的最终沉降进行了计算,并将最终计算结果进行了对比分析得出:上下刺入量法的误差最大,规范法的计算误差次之,双层应力法误差最小。结合数值模拟结果来看,双层应力法的计算结果最贴近工程实际。
本文完成的主要工作是用数值模拟的方法分析荷载水平、褥垫层厚度、褥垫层模量、桩长、桩端土与桩间土模量比、桩体模量等主要设计参数对CFG桩复合地基在竖向荷载作用下的沉降特性影响;根据工程实例,采用不同的沉降计算方法进行对比分析,得出了对工程实际有指导意义的结论。