基于粵北巖溶地區(qū)的預(yù)制樁復(fù)合地基宏觀本構(gòu)的建立與研究碩士畢業(yè)論文

基于粵北巖溶地區(qū)的預(yù)制樁復(fù)合地基宏觀本構(gòu)的建立與研究摘要粵北地區(qū)巖溶較強烈，尤其是粵北韶關(guān)、清遠地區(qū)，隨著粵北地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，各縣市城市的發(fā)展進入一個新的階段，大量的高層建筑拔地而起，對基礎(chǔ)和地基的承載力要求更加迫切。巖溶區(qū)存在的工程隱患較多，尤其是在隱伏巖溶區(qū)，常見的工程事故有：巖溶地面塌陷、建筑樁端基巖下沉、水庫壩基巖溶滲漏等。因此，適用于粵北巖溶地區(qū)工程建設(shè)的基礎(chǔ)和地基處理方式的研究日益迫切。剛性樁復(fù)合地基是指在天然地基不能滿足上部結(jié)構(gòu)承載力和沉降要求的情況下，在原有地基內(nèi)擠入、置換或以其它方式加入樁體，通過樁土變形協(xié)調(diào)，最終由樁體和樁間土共同承擔(dān)上部荷載的復(fù)合加強型地基。華南理工大學(xué)高層建筑研究所通過在粵北巖溶場地一系列的工程實踐證明，對于該地區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)，采用剛性樁復(fù)合地基-筏板基礎(chǔ)形式能夠施工方便、造價經(jīng)濟、安全可靠。剛性樁復(fù)合地基的發(fā)展是近十年的事情，尤其是預(yù)制樁作為剛性樁的復(fù)合地基現(xiàn)階段研究甚少。本文采用上部結(jié)構(gòu)-筏板-復(fù)合地基整體共同作用分析法，對清遠地區(qū)某臨江超高層住宅建筑進行預(yù)制樁復(fù)合地基設(shè)計分析，且后續(xù)進行預(yù)制樁復(fù)合地基現(xiàn)場壓板試驗，測出樁土壓力變化規(guī)律以及樁土荷載分擔(dān)變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進行假定設(shè)計復(fù)合地基本構(gòu)的修正，最后提出適用于該地區(qū)相似場地條件的預(yù)制樁復(fù)合地基宏觀模型本構(gòu)。首先，介紹了粵北地區(qū)巖溶地質(zhì)的分布狀況和特征，并說明該地區(qū)的巖溶工程隱患；介紹復(fù)合地基的概念、分類及作用機理，并闡述了剛性樁復(fù)合地基的研究現(xiàn)狀。其次，對上部結(jié)構(gòu)-筏板-復(fù)合地基的整體共同分析方法進行了總結(jié)，并說明其相對于常規(guī)規(guī)范設(shè)計方法的不同和優(yōu)點。而后，對清遠地區(qū)某臨江超高層住宅進行了復(fù)合地基設(shè)計，并采用基于有限元的整體共同分析法進行了筏板基礎(chǔ)的分析和設(shè)計，并進行現(xiàn)場單樁復(fù)合地基壓板試驗，測出樁土之間的力學(xué)性能變化規(guī)律。最后，基于試驗對假定設(shè)計復(fù)合地基本構(gòu)進行修正，提出二折線彈簧宏觀本構(gòu)，并進行對比分析，說明新的本構(gòu)模型能夠更準(zhǔn)確地進行該地區(qū)相似場地條件的復(fù)合地基模擬。關(guān)鍵詞：粵北巖溶地區(qū)；剛性樁復(fù)合地基；共同作用；復(fù)合地基設(shè)計；壓板試驗；彈簧宏觀本構(gòu)。IIIAbstractLinear elastic analysis no longer meets the actual requirement of the fast development of seismic theory，architectural form，calculation means and so on. It is urgent to set up the inelastic analysis method in global structural analysis. Because of the complex and lack of tools，inelastic analysis is usually carried out on structural members only，but not for the global structure. Finite element method based on macro element，which has fewer degrees and effective computation，can be applied to global structural nonlinear analysis which has great prospect in engineering application. The results should be compared with tests to prove their accuracy.This paper presents the nonlinear analysis with shear wall element model by Perform-3D，which is a 3-dimensional nonlinear analysis software. The model is according to the full scale reinforced concrete shear wall structure shaking table test. Dynamic nonlinear analyses have been completed. Analysis results are compared with that of shaking table test to study the accuracy of nonlinear analysis of macro models.Firstly，the research situation of shear wall modals and characteristics of Perform-3D procedure are introduced. The process of the full scale reinforced concrete shear wall structure shaking table test is introduced，which was carried out in the University of California at San Diego. In order to build up the global model of the 7-story shear wall structure，material parameters are calibrated by simulating material tests，and element constitutions used in shear wall model are defined. Before the nonlinear time-history analysis is carried out，linear time-history analysis is conducted in both ETABS and Perform-3D to verify that Perform-3D models are reasonable. Secondly，dynamic nonlinear analysis model under 4 different intensity earthquakes are conducted respectively. Some issues about the number of fibers in element sections and the finite element mesh are discussed.Lastly，the practical application of Perform-3D procedure in an actual project is introduced. Based on the elastic analysis under frequent and moderate earthquake action，inelastic time history analysis under rare earthquake is carried out using Perform-3D. The analytical results are reasonable by comparing the analysis of elastic and elasto-plasticity.，and indicate the adequate lateral performance of the towers. It can also be concluded that the damper can effectively improve the seismic performance of structures and reduce the nonlinear damage of the components.Compared with the experimental results，the analytical results confirm that the nonlinear analysis method based on shear wall element，which saves the computational costs due to fewer DOFs，can reflect inelastic behavior of structure. It is found that the shear wall element in Perform-3D procedure can be applied to global inelastic analysis for multiedstroy and high-rise reinforced concrete shear wall structures under earthquake actions in 7 and 8 degrees.Keywords：macro models; shear wall structure; shaking table test，nonlinear analysis; Perform-3D目錄第1章 緒論11.1 研究背景11.1.1 廣東省巖溶地區(qū)地質(zhì)概況11.1.2 粵北地區(qū)巖溶分布特點21.1.3 巖溶的工程隱患41.2 剛性樁復(fù)合地基的概念51.2.1 復(fù)合地基概述51.2.2 剛性樁復(fù)合地基概述71.2.3 剛性樁復(fù)合地基作用機理81.2.4 樁體復(fù)合地基的破壞模式（可調(diào)整到第四章）91.2.5 樁體復(fù)合地基的重要參數(shù)（可調(diào)整到第四章）111.3 剛性樁復(fù)合地基的研究現(xiàn)狀121.3.1 剛性樁復(fù)合地基的試驗研究131.3.2 剛性樁復(fù)合地基設(shè)計方法的解析理論研究151.3.3 剛性樁復(fù)合地基數(shù)值模擬研究161.4 本文研究目的和內(nèi)容171.5 論文結(jié)構(gòu)18第2章 共同作用的分析模型及分析方法192.1 共同作用分析模型192.1.1 地基的分析模型192.1.2 筏板的分析模型222.1.3 上部結(jié)構(gòu)的處理方法-子結(jié)構(gòu)法222.2 高層建筑上部結(jié)構(gòu)-筏板-復(fù)合地基共同分析的分析方法232.2.1 上部結(jié)構(gòu)分析方法232.2.2 筏板分析232.2.3 樁土體系的分析方法232.3 共同作用的數(shù)值模擬232.3.1 基于winkler宏觀彈簧地基模型的整體面彈簧法242.3.2 基于Drucker-Prager地基土模型的微觀實體模型法242.4 本章小結(jié)24第3章 清遠地區(qū)某臨江住宅小區(qū)筏板-復(fù)合地基設(shè)計253.1 工程概況253.2 工程地質(zhì)條件253.3 PHC管樁復(fù)合地基設(shè)計（與原方案的經(jīng)濟型與周期性比較）253.4 整體面彈簧法有限元分析（筏板內(nèi)力計算、沉降計算-規(guī)范方法與有限元計算結(jié)果，原因）26第4章 PHC管樁復(fù)合地基承載性狀的試驗研究274.1 試驗概況274.1.1 試驗內(nèi)容284.1.2 現(xiàn)場地質(zhì)條件294.2 試驗方法314.2.1 單樁承載力的試驗方法314.2.2 單樁復(fù)合地基載荷試驗方法314.2.3 樁-土應(yīng)力測量方法與結(jié)果分析324.3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析344.3.1 1#樓各個試驗點試驗現(xiàn)象及初步分析344.3.2 2#樓各個試驗點試驗現(xiàn)象及初步分析424.3.3 結(jié)果總體分析534.4 本章小結(jié)55第5章 基于試驗的有限元分析565.1 單樁復(fù)合地基數(shù)值荷載試驗565.1.1 軟件介紹565.1.2 數(shù)值模型建立與加載方案565.2 試驗結(jié)果分析565.2.1 荷載-沉降分析565.3 Winkler宏觀彈簧地基模型的修正565.4 基于修正Winkler宏觀彈簧地基模型的工程設(shè)計結(jié)果對比分析565.5 本章小結(jié)57結(jié)論與展望58研究成果58展望59VII第1章 緒論第1章 緒論1.1 研究背景1.1.1 廣東省巖溶地區(qū)地質(zhì)概況廣東省碳酸鹽巖分布面積2.9104km2，占全省總面積7%，碳酸鹽巖較集中分布在粵北的韶關(guān)、清遠兩市，其次為云浮、陽春和肇慶，以及廣州花都地區(qū)，其它地區(qū)均為零星分布(圖11)。除志留系、中三疊統(tǒng)、下-中侏羅統(tǒng)地層外，自震旦系至第三系的地層中均或多或少地夾有巖溶地層，第四系有鈣華沉積，中-上泥盆統(tǒng)和石炭系地層中巖溶地層分布最廣，石炭系比泥盆系可溶性好1。圖11 廣東省碳酸鹽巖、溶洞和水系分布關(guān)系圖Fig 11 The distribution relationship of carbonates，karst caves and water system由于地形、地質(zhì)、水文和氣候等條件的差別和相互制約作用，造成各地區(qū)巖溶強度的差異和溶洞的不均勻分布(圖11)。總的來看，在碳酸鹽巖層發(fā)育區(qū)，特別是質(zhì)純層厚的碳酸鹽巖區(qū)巖溶作用比較強烈，溶洞也比較發(fā)育。根據(jù)巖石組合可以把碳酸鹽巖層分為3種巖石組合層。(1) 碳酸鹽巖夾碎屑巖層，地層由老至新有：泥盆系中統(tǒng)：出露面積達921 km2，粵北占92%，羅定、陽春地區(qū)各為37.21km2，廉江、懷集、廣州尚有零星分布。以深灰色厚層灰?guī)r，薄層及泥質(zhì)條帶灰?guī)r為主。泥盆系上統(tǒng)：出露面積約1493km2，主要分布于粵北、陽春等地，河源、開平、高要、從化等地零星出露。巖性為薄層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、大理巖，少量生物灰?guī)r。石炭系上統(tǒng)：出露面積約3912km2，主要分布于粵北(約占85%) 。粵西陽春、羅定地區(qū)約30km2，其它地區(qū)有零星出露。巖性為薄-厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、大理巖和白云巖等。二疊系上統(tǒng)：含煤碎屑巖系，厚以百米計，僅在粵北的上部略具硅質(zhì)碳酸巖系。三疊系：三疊紀(jì)碳酸鹽巖零星出露，為夾有碎屑巖的泥質(zhì)碳酸鹽巖系。(2) 碳酸鹽巖層，地層由老至新有：石炭系中統(tǒng)：出露面積約39km2，分布于連平、翁源，巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、大理巖。石炭系中上統(tǒng)、上統(tǒng)：出露面積約922km2，主要分布于粵北、粵東北及珠江三角洲地區(qū)僅有零星分布，巖性為厚層狀灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、大理巖等。二疊系下統(tǒng)：分布于連縣、陽山、韶關(guān)、清遠、連平、興寧、惠陽、陽春、廣州地區(qū)，巖性主要為深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、燧石灰?guī)r等。(3) 紅層巖溶地層紅層巖溶地層是白堊紀(jì)以來在大陸環(huán)境中形成的紫紅色的沉積層2，由泥頁巖、砂礫巖、泥灰?guī)r和石灰?guī)r組成，紅層既可以形成巖溶地貌又可形成挺拔峻秀的丹霞地貌。分布在連縣清江鄉(xiāng)、星子鎮(zhèn)、大路邊鎮(zhèn)、樂昌縣坪石鎮(zhèn)、云浮縣白石鎮(zhèn)、羅定縣華石鎮(zhèn)、蘋塘鎮(zhèn)等處3。1.1.2 粵北地區(qū)巖溶分布特點地處南嶺中段南坡粵北地區(qū)，區(qū)內(nèi)地級城市有韶關(guān)市和清遠市，是粵北政治文化中心，包括兩市轄下的連州、英德等14個縣(市)。粵北地區(qū)隨著京珠高速公路和韶贛高速的貫通、106、107、323等國道的擴建、建成的武廣鐵路、以及即將建成的清連高速公路、京珠高速復(fù)線，交通狀況有極大地改善，地方經(jīng)濟飛速發(fā)展。因此，巖溶區(qū)工程隱患防治已成為本區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要工作?；洷钡貐^(qū)巖溶較強烈，發(fā)育著大大小小的溶洞和縱橫交錯的溶裂。粵北巖溶發(fā)育區(qū)約占粵北面積的1/3，可分裸露型和覆蓋型兩類。裸露型巖溶區(qū)以峰林突兀的侵蝕喀斯特地貌為主，基巖裸露；覆蓋型巖溶區(qū)則表現(xiàn)為剝蝕殘丘或山間平原地形，基巖被第四第松散層覆蓋。南部英德-翁源，中北部韶關(guān)-乳源，西部連縣-陽山為主要巖溶分布區(qū)，其間分布著韶關(guān)、清遠、連州、連南、英德、陽山、翁源、乳源等主要城市，而樂昌、仁化、始興、新豐等縣城也有溶巖分布(圖12)?？梢姡緟^(qū)巖溶發(fā)育非常之廣，而且大多數(shù)城區(qū)都分布在巖溶發(fā)育地區(qū)，各城市區(qū)域巖溶發(fā)展具體情況如下1：（1） 連縣本區(qū)巖溶由于受不同構(gòu)造及花崗巖體隆起的影響，發(fā)育差異性變化明顯。根據(jù)溶洞發(fā)育的地貌特征分為三類：巖溶山區(qū)主要分布在大坪復(fù)向斜及秤架復(fù)背斜核部和翼部，該區(qū)各地段溶洞發(fā)育程度差異明顯，多成層分布，主要發(fā)育于海拔600800m范圍內(nèi)，以中、小型為主，大-巨型比較少，海拔大于800m以及小于600m發(fā)育弱；多級臺地巖溶區(qū)本區(qū)共有四級臺地，溶洞主要分布在南部的高山、西江、龍坪和連州以及中部的上庫、沈家坑、清江、山塘和黃沙堡一帶，在兩級臺地間的過渡帶或臺地邊緣為河谷深切，巖溶強烈發(fā)育，溶洞形態(tài)以垂直類型為主；弧形條狀垅谷巖溶區(qū)主要分布在連縣的東北部，為一系列彎曲向西突出的復(fù)式褶皺構(gòu)造形成的弧形條狀山垅谷地相間的巖溶區(qū)，溶洞多見于垅背。圖12 粵北地區(qū)巖溶分布圖Fig 12 The distribution of karst area in northern Guangdong（2） 韶關(guān)韶關(guān)地區(qū)溶洞眾多，主要分布在以下地段：天子嶺背斜東南翼位于天子嶺背斜與芙蓉山向斜的復(fù)合部位，為長廊谷地地貌，以發(fā)育小型溶洞為主，發(fā)育深度1060m，少數(shù)達100120m，高度一般小于0-2m；北江、武江河谷地帶位于蓮花山背斜兩翼與芙蓉山向斜交接部位，該地帶溶洞規(guī)模大、數(shù)量多，高度常在1m以上，深度1555m，武江河谷地段深達120m左右；馬壩-韶鋼水源地位于楓灣馬壩向斜南西段，向斜兩翼為低山山壟地貌，核部為孤峰平原(谷地)地貌，鹽溶發(fā)育程度和規(guī)模較大，溶洞常發(fā)育于向斜的核部和平原谷地內(nèi)；東聯(lián)地段該地段垂直高度2m以上溶洞占40%，發(fā)育深度多在60m以上，少數(shù)可達100120m。（3） 英德英德地區(qū)順層面、斷裂帶發(fā)育的溶洞較多，溶洞常為水平狀，其次為管道狀、階梯狀、隙狀和通天洞等。溶洞主要發(fā)育于以下地段：石牧塘復(fù)向斜盆地位于英德的西部、牛婆洞向斜東部，該區(qū)溶洞發(fā)育深度較淺、規(guī)模較大，大者可容納百人；北江復(fù)向斜盆地：位于英德谷地，巖溶相當(dāng)發(fā)育，可見大、巨型溶洞，有可容納數(shù)萬人以上的溶洞(寶晶宮容納45萬人，通天洞容納萬人以上)；翁江復(fù)向斜盆地向斜核部及斷層帶上發(fā)育溶洞，溶洞內(nèi)常見石鐘乳、石筍、石柱、石花、石帷幕等多姿百態(tài)的巖溶形態(tài)；英德九龍-清遠白花朗地區(qū)溶洞規(guī)模大小不等，溶洞多層次性極明顯，大致可分3層，長數(shù)米、數(shù)十米或百余米，高度小于30m，寬數(shù)米至50m，石鐘乳、石柱頗發(fā)育。（4） 粵北其他縣市乳源瑤族自治縣：石灰?guī)r溶蝕地貌顯著、峽谷多。巖溶層以壺天群和孟公坳組灰?guī)r為主，巖溶形態(tài)為溶洞、落水洞等，大多為水平發(fā)育，在垂向上大致可分為兩級，常分布在均容谷地的南坡及西坡、近河床岸邊地帶。連平縣：碳酸鹽巖呈條帶狀主要分布于西部一帶，溶洞分布深度50100m，常被砂礫石、粘土充填；深100150m巖溶率減少，多為半填充空洞。1.1.3 巖溶的工程隱患巖溶區(qū)存在的工程隱患較多，尤其是在隱伏巖溶區(qū)，常見的工程事故有：巖溶地面塌陷、建筑樁端基巖下沉、水庫壩基巖溶滲漏等。隨著粵北地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，各縣市城市的發(fā)展進入一個新的階段，大量的高層建筑拔地而起，對基礎(chǔ)和地基的承載力要求更加迫切。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)大部分高層建筑均采用樁基礎(chǔ)形式，而隱伏巖溶區(qū)的建筑物，當(dāng)采用可溶巖石作樁基持力層時，由于基巖面溶蝕坑(槽)發(fā)育，起伏變化大，或下伏溶洞頂板薄，由于樁端力較大，未將整個樁端置于足夠強度的基巖中，極易造成樁基下沉或溶洞頂板坍塌。因此，基礎(chǔ)施工前，必須首先做好場地工程地質(zhì)勘察工作。對巖溶發(fā)育地段，應(yīng)進行超前鉆探，一樁一孔，負(fù)荷重、跨度大的重要工程甚至采用一樁多孔，確?；A(chǔ)進入完整基巖4。在巖溶區(qū)工程地質(zhì)勘察過程中，勘察施工與編錄工作都顯得非常重。鉆探時應(yīng)及時記錄基巖面深度、各層溶洞頂、底埋深，洞內(nèi)填充情況，漏水位置。巖溶區(qū)基巖面上常常發(fā)育軟流塑狀土，甚至發(fā)育為土洞，鉆進時應(yīng)記錄清楚。由于巖溶區(qū)地層巖性較復(fù)雜，因此，編錄人員應(yīng)常到現(xiàn)場及時編錄、監(jiān)督。對隱伏巖溶區(qū)上覆卵礫石層，常常給鉆探施工帶來很大困難。經(jīng)過多年摸索實踐，跟管擊進是行之有效的措施，方法是先用90mm的鉆具擊進，起鉆后用108mm套管跟進，這種方法最經(jīng)濟實用，特別是在北江中下游較為適用。但在河流上游卵、漂石覆蓋的隱伏巖溶區(qū)，只能當(dāng)樁基檢測發(fā)現(xiàn)樁基承載力不足時，應(yīng)采用鉆探查明原因，若是巖溶地基造成時，可用鉆孔灌注水泥砂漿加固，以提高承載力4。但是，由于需要采用一樁一孔的超前鉆，加之超前鉆的不確定性，在施工現(xiàn)場要求需要超前鉆無發(fā)現(xiàn)溶洞或土洞，才能進行樁施工，否則，需要對溶洞進行有效處理?，F(xiàn)階段溶洞處理主要是采用鉆孔灌注水泥砂漿，若溶洞是彼此貫通或者形成了地下河道，則會導(dǎo)致無法灌滿。這樣會導(dǎo)致基礎(chǔ)施工工期的不可預(yù)見性，阻礙整個項目的開發(fā)周期。因此，對于巖溶地區(qū)高層建筑基礎(chǔ)形式的研究是很有必要的。1.2 剛性樁復(fù)合地基的概念1.2.1 復(fù)合地基概述淺基礎(chǔ)(shallow foundation )、復(fù)合地基(composite foundation)、樁基礎(chǔ)(pile foundation)已成為工程建設(shè)中常用的三種地基基礎(chǔ)形式5。它們有不同的適用范圍與類型：當(dāng)天然地基滿足建筑物對承載力、變形等方面的要求時，可采用淺基礎(chǔ)的形式；當(dāng)天然地基不能滿足建筑物對承載力、變形等方面的要求時，就要對天然地基進行處理，如上部荷載全部由所設(shè)置的豎向樁體來承擔(dān)時，就形成了樁基礎(chǔ)；而上部荷載由所設(shè)置的加筋體與土體共同承擔(dān)時，就形成了介于淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)的復(fù)合地基的基礎(chǔ)形式。圖13 淺基礎(chǔ)示意圖Fig 13 Shallow foundation（a）端承樁基礎(chǔ)（b）摩擦樁基礎(chǔ)圖14 樁基礎(chǔ)Fig 14 Pile foundation（a）不設(shè)置墊層（b）設(shè)置墊層圖15 樁體復(fù)合地基Fig 15 Composite foundation復(fù)合地基6是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強，或被置換以加強材料，或在天然地基中設(shè)置加筋材料，加固區(qū)是由基體(天然地基土體)和增強體兩部分組成共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載的人工地基。淺基礎(chǔ)中荷載是通過基礎(chǔ)直接傳遞給地基土體并隨之?dāng)U散到下層土體，如圖13所示。而樁基礎(chǔ)可分為摩擦樁基礎(chǔ)和端承樁基礎(chǔ)兩大類，如圖14所示：對端承樁基礎(chǔ)，荷載通過基礎(chǔ)傳遞給樁體，樁體主要通過樁端端承力將荷載傳遞給地基下部堅硬土體；對摩擦樁基礎(chǔ)，荷載通過基礎(chǔ)傳遞給樁體，樁體主要通過樁側(cè)摩阻力將荷載傳遞給地基土體。故而樁基礎(chǔ)是荷載通過基礎(chǔ)先傳遞給樁體，再通過樁體傳遞給地基土體。對樁體復(fù)合地基，荷載通過基礎(chǔ)將一部分荷載直接傳遞給地基土體，另一部分通過樁體傳遞給地基土體，即是樁土共同承擔(dān)基礎(chǔ)傳遞的荷載，如圖15所示。從荷載傳遞路線的比較分析可知復(fù)合地基的本質(zhì)是樁和樁間土共同直接承擔(dān)荷載，這也是復(fù)合地基與淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)之間的主要區(qū)別6。1.2.2 剛性樁復(fù)合地基概述樁體復(fù)合地基7是指在天然地基不能滿足上部結(jié)構(gòu)承載力和沉降要求的情況下，在原有地基內(nèi)擠入、置換或以其它方式加入樁體，通過樁土變形協(xié)調(diào)，最終由樁體和樁間土共同承擔(dān)上部荷載的復(fù)合地基。根據(jù)樁體材料力學(xué)性質(zhì)的不同，可分為三類：散體材料樁復(fù)合地基、柔性樁復(fù)合地基、剛性樁復(fù)合地基。各類樁體復(fù)合地基特性如下：散體材料樁如碎石樁、砂樁等，樁體均采用散體材料，其承載力主要取決于周圍地基土體所提供的側(cè)限力。其具有兩點特征：一是達到一定的樁長條件后，由于樁身剛度的不足，增加樁長不會提高其極限承載力；二是當(dāng)天然地基極限承載力很小時，由于土體提供的側(cè)限不足，散體材料樁復(fù)合地基的承載力不會有明顯提升。柔性樁復(fù)合地基如水泥土樁、灰土樁等，其樁體材料自身具有一定的粘結(jié)力，其承載力主要取決于樁側(cè)摩阻力、端阻力及樁體自身的強度。它也存在一個有效樁長的問題，即達到有效樁長后，承載力并不再提高。剛性樁復(fù)合地基是通過在基礎(chǔ)與地基交界面設(shè)置墊層使得剛性的樁與土共同承擔(dān)上部荷載，考慮了樁土的共同作用的復(fù)合地基。因此，摩擦樁和端承作用較小的端承摩擦樁，如考慮了周圍土的作用，即可歸為剛性樁復(fù)合地基；如為端承樁，周圍土不能承擔(dān)荷載，就不能形成此類復(fù)合地基。剛性樁C樁(增強體)包括預(yù)制混凝土樁、混凝土灌注樁和鋼管注漿樁等，適用于處理黏性土、粉土、砂土和分層壓實的素填土等地基。剛性樁復(fù)合地基的樁體強度和剛度較高，為保證樁土共同作用，充分發(fā)揮其承載性能，減少沉降變形，通常在基礎(chǔ)底面與表層土之間鋪設(shè)一定厚度的粗砂或碎石褥墊層，鋪設(shè)厚度可以根據(jù)樁體單樁承載力和樁土相對剛度進行確定，一般為100300mm厚，樁體單樁承載力越大或樁土剛度比越大則宜取厚。設(shè)置褥墊層后，剛性樁復(fù)合地基在受力時，樁頂向上刺入褥墊層，并通過褥墊層的調(diào)整，使得樁間土承載力得到充分的發(fā)揮，而不會使得荷載過分的通過樁傳到樁端土層。另外，與散體材料樁、柔性樁復(fù)合地基相比，剛性樁剛度相對較大，使部分上部荷載能向深部土層傳播，從而能夠最大程度的調(diào)動和分配荷載于地基下各部分土體，故能大幅度地提高地基承載力，且剛性樁復(fù)合地基的沉降量相對較小。當(dāng)建筑物對復(fù)合地基的承載力要求較大時，常采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力管樁作為剛性樁。其特點和適用條件如下：預(yù)應(yīng)力混凝上管樁是一種細長的空心等截面預(yù)應(yīng)力混凝上構(gòu)件，管樁按樁身混凝上強度等級的不同分為PC樁(C60，C70)和PHC樁(C80)；按樁身抗裂彎矩的大小分為A型，AB型，和B型；外徑300 600mm，壁厚為65125 mm，常用節(jié)長712 m。主要采用錘擊法和靜壓法施工。樁尖型式有十字型，錐型和開口型。樁節(jié)之間的連接采用端頭焊接連接。管樁復(fù)合地基較適合的應(yīng)用條件：(1)要求復(fù)合地基的承載力特征值較大的高層建筑，選用管樁較經(jīng)濟合理；(2)基巖埋深在1530 m左右，有較厚的強風(fēng)化巖層作持力層；(3)淤泥軟上較厚的地基，近海建筑，采用其他樁型易出現(xiàn)質(zhì)量事故，采用管樁為首選。1.2.3 剛性樁復(fù)合地基作用機理在剛性樁復(fù)合地基中，通過褥墊層作用，一部分荷載在地基上部由樁土共同承擔(dān)，另一部分通過樁側(cè)摩阻和樁端端阻傳遞給下部地基土體，從而最大限度地調(diào)動整個地基的共同作用。剛性樁復(fù)合地基受力機理如圖15所示?？蓪⒌鼗譃閮刹糠郑涸鰪婓w加固區(qū)和非加固區(qū)。對于剛性樁復(fù)合地基，通過樁體作用，可將荷載傳遞給地基中較深的土層，使上層地基土(增強體加固區(qū))中附加應(yīng)力減小，而使深層地基土(加固區(qū)下臥層)中附加應(yīng)力相對增大。與天然地基相比較，剛性樁復(fù)合地基加固區(qū)中不僅模量提高，而且附加應(yīng)力減小，土層壓縮量減小明顯；相應(yīng)的，加固區(qū)下臥層的附加應(yīng)力增大，但是其一般下部土體強度較大，故而壓縮量增大但不會過大。總之，采用剛性樁復(fù)合地基能夠合理的調(diào)配載荷，可以明顯減小沉降8。剛性樁復(fù)合地基除了擁有一般復(fù)合地基的各種效應(yīng)，還有自身獨立的特點，如置換效應(yīng)、擠密效應(yīng)和約束效應(yīng)5。由于復(fù)合地基樁土之間的變形協(xié)調(diào)，及剛性樁體與樁間土具有很大的模量比，在荷載作用下，復(fù)合地基承受的部分荷載通過樁體向較深處的優(yōu)質(zhì)土層中傳遞，且還減少了上部樁間軟弱土承受的荷載。復(fù)合地基中樁體起到的合理調(diào)配荷載于所在范圍內(nèi)地基土，既提高地基承載力，又減小地基變形的作用，稱為置換效應(yīng)或樁體效應(yīng)。在人工填土或者松散砂土中，采用擠土成樁工藝設(shè)計施工復(fù)合地基，使得樁間土的孔隙比減小，密實度增大，樁間土因而被擠密，復(fù)合地基的承載力和模量都得到提高，稱為擠密效應(yīng)。當(dāng)采用振動沉管工藝時，素混凝土樁復(fù)合地基也具有擠密效應(yīng)。由于剛性樁與土體的相對剛度很大，故而在荷載的作用下，樁間土的側(cè)向變形受到了樁體的約束。由于樁間土的側(cè)向變形受到了約束，其相應(yīng)的豎向變形也受到約束，故而承載力得到提升，且變形有所降低，這就是約束效應(yīng)。1.2.4 樁體復(fù)合地基的破壞模式（可調(diào)整到第四章）樁體復(fù)合地基的破壞型式分為三種：1）樁間土首先破壞進而發(fā)生復(fù)合地基全面破壞；2）樁體首先破壞進而發(fā)生復(fù)合地基全面破壞；3）樁間土和樁體同時達到破壞使得復(fù)合地基全面破壞。實際工程中，第三種破壞型式是很難遇到的5。事實上，復(fù)合地基的破壞型式與基礎(chǔ)的剛度直接相關(guān)。在剛性基礎(chǔ)下，大多數(shù)情況下都是樁體先破壞，繼而引起復(fù)合地基全面破壞。而在柔性基礎(chǔ)下，則一般是樁間土先破壞，進而發(fā)生復(fù)合地基全面破壞。樁體復(fù)合地基中樁體的破壞模式可以分成下述4種型式：刺入破壞、鼓脹破壞、樁體剪切破壞和滑動剪切破壞5，如圖16所示。 (a)刺入破壞 (b)鼓脹破壞 (c)樁體剪切破壞 (d)滑動破壞圖16 樁體復(fù)合地基破壞模式Fig 16 Failure modes of piled composite foundation(a) 樁土相對剛度很大，此時荷載絕大部分由樁體承擔(dān)，并通過樁體傳遞到樁端土層，當(dāng)樁端地基土承載力不足(或端承于溶洞頂蓋時)的情況下容易發(fā)生樁體刺入破壞。一旦樁體發(fā)生刺入破壞，承其擔(dān)荷載大幅度降低，導(dǎo)致復(fù)合地基樁間土破壞，造成復(fù)合地基全面破壞。在樁端持力層選取不當(dāng)時，剛性樁復(fù)合地基較容易發(fā)生刺入破壞，特別是柔性基礎(chǔ)下的剛性樁復(fù)合地基，由于基礎(chǔ)的調(diào)配荷載能力不足，局部的樁體由于受荷大且樁端土差，更容易發(fā)生刺入破壞。(b) 荷載作用下，樁間土不能提供樁體足夠的圍壓以防止樁體發(fā)生過大的側(cè)向變形，從而產(chǎn)生樁體鼓脹破壞。這種破壞形式當(dāng)采用管樁作為剛性樁時不易出現(xiàn)，主要在剛性基礎(chǔ)和柔性基礎(chǔ)下散體材料樁復(fù)合地基較易發(fā)生鼓脹破壞。(c) 復(fù)合地基中樁體發(fā)生剪切破壞，進而引起復(fù)合地基全面破壞。剛性基礎(chǔ)和柔性基礎(chǔ)下低強度柔性樁復(fù)合地基均可產(chǎn)生樁體剪切破壞，另外，由于基坑開挖或施工不當(dāng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)樁體中產(chǎn)生不對稱的剪切力，導(dǎo)致樁體剪切破壞(上海蓮花河畔倒樓案)。(d) 荷載作用下復(fù)合地基沿某以滑動面產(chǎn)生滑動破壞。在滑動面上，樁體和樁間土均發(fā)生剪切破壞。各種復(fù)合地基均可能發(fā)生滑動剪切破壞。影響復(fù)合地基破壞形式的因素很多，不但與復(fù)合地基中增強體材料性質(zhì)有關(guān)，還與荷載形式、復(fù)合地基上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。另外，樁體本身剛度對復(fù)合地基的破壞模式有較大影響。樁與樁間土的性質(zhì)影響也很大，若兩者相對剛度較大，較易發(fā)生樁體刺入破壞?？傊?，對于具體的樁體復(fù)合地基的破壞模式應(yīng)考慮上述各種影響因素，通過綜合分析加以估計。1.2.5 樁體復(fù)合地基的重要參數(shù)5（可調(diào)整到第四章）（1） 置換率樁體復(fù)合地基中，若樁體的橫斷面積為Ap，該樁體所對應(yīng)（或所承擔(dān)）的復(fù)合地基土體面積為A，則復(fù)合地基置換率m定義為：(11)樁體在平面上的布置形式有三種：等邊三角形、正方形布置和矩形布置，布置形式如圖17所示。對于圓柱形樁體，若樁體直徑為d，樁間距為l，則各布樁形式的復(fù)合地基置換率計算公式如下：（正方形布置）(12)（三角形布置）(13)（長方形布置）(14)（a）正方形布置（b）三角形布置（c）長方形布置圖17 樁體平面布置形式Fig 17 Different location of piles若樁體橫截面為方形，則將上面二個式子中的換為，a為方樁的邊長。(2)樁土荷載分擔(dān)比與樁土應(yīng)力比在荷載作用下，復(fù)合地基中樁體承擔(dān)的荷載與樁間土承擔(dān)的荷載之比稱為樁土荷載分擔(dān)比。復(fù)合地基加固區(qū)的表面上樁體的豎向應(yīng)力和樁間土的豎向應(yīng)力之比，稱為樁土應(yīng)力比。樁土荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比是可以相互換算的。復(fù)合地基加固區(qū)中樁體的豎向應(yīng)力記為，樁間土中的豎向應(yīng)力記為，則樁土應(yīng)力比n為：(15)在荷載作用下，樁體承擔(dān)的荷載記為，樁間土承擔(dān)的荷載記為，則樁土荷載分擔(dān)比N為：(16)樁土荷載分擔(dān)比N與樁土應(yīng)力比n可通過下式換算：(17)其中，m為復(fù)合地基置換率。事實上，樁間土中豎向應(yīng)力不可能是均勻分布的，式(15)中的表示樁間土中平均豎向應(yīng)力。樁土應(yīng)力比n值和樁土荷載分擔(dān)比N值的大小定性反映復(fù)合地基的工作狀況。影響樁土應(yīng)力比n值和樁土荷載分擔(dān)比N值的影響因素很多，如荷載水平、荷載作用時間、樁間土性質(zhì)、樁長、樁體剛度、復(fù)合地基置換率等都影響樁土應(yīng)力比n值的大小。（3）復(fù)合模量復(fù)合地基加固區(qū)是由增強體和基體兩部分組成的，是非均質(zhì)的。在復(fù)合地基計算中，有時為了簡化計算，將加固區(qū)視作一均質(zhì)的復(fù)合土體，用假想的等價的均質(zhì)復(fù)合土體代替真實的非均質(zhì)復(fù)合土體。與真實非均質(zhì)復(fù)合土體等價的均質(zhì)復(fù)合土體的模量稱為復(fù)合地基土體的復(fù)合模量。1.3 剛性樁復(fù)合地基的研究現(xiàn)狀剛性樁復(fù)合地基的發(fā)展同整個復(fù)合地基的發(fā)展一樣也是逐步起來的。由碎石樁復(fù)合地基到水泥土樁復(fù)合地基，復(fù)合地基的概念有了新的解釋，而水泥土樁、CFG樁、二灰混凝土樁、素混凝土樁、鋼筋混凝土樁等僅是由于材料粘結(jié)強度有差別，即樁體剛度不同，是由柔變硬的過渡。到最終發(fā)展至預(yù)制混凝土樁作為剛性樁也是近幾年的事情，尤其是在廣東省和福建省等沿海省份。從受力機理上講，只要滿足樁與土共同承擔(dān)荷載作用的復(fù)合地基條件，即是復(fù)合地基。但是不同樁體復(fù)合出來的地基其具體的受力機理有可能發(fā)生了變化，這樣的過程是一個發(fā)展的過程，需要許多的專家、工程技術(shù)人員為此進行了大量的實踐與研究工作。以下從試驗研究、解析理論分4析、數(shù)值模擬三個方面分別論述目前的研究進展：1.3.1 剛性樁復(fù)合地基的試驗研究1991年，吳春林9等針對CFG樁復(fù)合地基，在長江北岸漫灘地貌單元上，進行了現(xiàn)場試驗，提出了計算承載力的簡易方法。1995年，閏明禮10等通過室內(nèi)模型試驗及現(xiàn)場原位測試，對CFG樁復(fù)合地基的變形特性、墊層的作用、樁土荷載分擔(dān)比進行了探討。1998年，化建新、董長和等11開展了對樁徑400mm，樁長4m的CFG樁在不同的墊層材料性質(zhì)(中粗砂、礫砂、碎石)及不同的厚度下對樁土應(yīng)力比影響的試驗研究。2001年，吳慧明、龔曉南12對剛性基礎(chǔ)與柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基模型進行試驗對比，得出兩者在樁體荷載集中系數(shù)、樁土荷載比、樁土應(yīng)力比等方面的顯著差異，并對兩者的破壞機理等進行了分析。2001年，徐嶸、李春蕾13通過對南京某多層框架工程剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計并進行現(xiàn)場載荷試驗分析，提出簡便合理的計算剛性樁復(fù)合地基承載力計算公式，并討論了不同布樁形式的設(shè)計思路。2002年，池躍君、高文新等人14通過現(xiàn)場試驗，測出了剛性樁復(fù)合地基各土層的變形，樁體的上下刺入量，樁身軸力，側(cè)摩阻力，并由此得到樁土荷載分擔(dān)比，應(yīng)力比，同時揭示了剛性樁復(fù)合地基的工作和破壞機理。2003年，池躍君、宋二祥等人15進行在兩種土質(zhì)中各進行了1組9樁復(fù)合地基試驗。對剛性樁復(fù)合地基沉陷計算問題中存在的主要原因-復(fù)合地基中應(yīng)力場的分布規(guī)律進行了觀測研究。所得試驗結(jié)果為復(fù)合地基沉降計算的假定提供合理依據(jù)，同時，一定程度解釋了荷載傳遞機理。2005年，林文強、夏旭陽等16通過現(xiàn)場試驗，研究了樁體復(fù)合地基隨時間增長所引起的樁土應(yīng)力比變化情況。2006年，鄭剛、劉雙菊等17對剛性樁復(fù)合地基褥墊層的工作機理進行了分析。并據(jù)此設(shè)計了樁豎向剛度很大的剛性樁復(fù)合地基模型試驗。進行了樁頂進入不同厚度褥墊層的復(fù)合地基試驗，研究了剛性樁復(fù)合地基褥墊層在豎直荷載作用下的工作性狀。2007年，劉冬林、鄭剛等18, 19針對高層建筑筏板荷載分布特點，采用內(nèi)密外疏布樁和僅在筏板中心布樁方式，通過現(xiàn)場縮尺(1：10)模型試驗，分別完成了帶上部結(jié)構(gòu)無樁筏板和剛性樁復(fù)合地基筏板靜載荷試驗，以及上部結(jié)構(gòu)的復(fù)合地基與復(fù)合樁基載荷試驗。分析了筏板沉降、樁端平面以下地基沉降和筏板外側(cè)地面沉降、筏板下樁土反力分布、樁土荷載傳遞及樁土荷載分擔(dān)比。研究了工作荷載下不同布樁方式降低筏板差異沉降的效果。并與復(fù)合樁基相比，得出復(fù)合地基總沉降大、差異沉降小、樁端平面以下沉降小、樁上段存在負(fù)摩阻、樁間土荷載分擔(dān)比大、樁荷載分擔(dān)比小的試驗結(jié)果；復(fù)合地基可以更好地調(diào)動淺層地基土承載力，而復(fù)合樁基則能更好地調(diào)動深層地基土承載力。2008年，黃菊清、何春保、莫海鴻等人20進行了壓板和原位測試，對廣東地區(qū)不同類型剛性樁復(fù)合地基樁-土應(yīng)力比、樁-土的荷載分擔(dān)比以及墊層作用機理進行了研究，實測數(shù)據(jù)表明，樁-土應(yīng)力比與地質(zhì)情況以及樁-土的相對剛度有關(guān)，其測試結(jié)果可為今后剛性樁復(fù)合地基設(shè)計提供參考。2010年，李麗等21通過剛性樁復(fù)合地基群樁（樁數(shù)33）模型試驗，對不同墊層厚度剛性樁復(fù)合地基的變形特性、不同樁位樁體和樁間土的受力特性進行測試，并對樁土應(yīng)力比和荷載分擔(dān)比等反映樁土共同工作性能的指標(biāo)進行分析，得出了剛性樁復(fù)合地基的承載特性和變形規(guī)律。結(jié)論可為剛性樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。以上試驗揭示了剛性樁復(fù)合地基的一些工作特性：(1) 通過實驗觀測，單樁復(fù)合地基的破壞過程：樁周土首先承擔(dān)較大荷載，使其從局部剪切破壞開始，逐步向整體剪切破壞發(fā)展，而后隨著樁承擔(dān)荷載的加大，樁承載力達到極限而破壞，進而復(fù)合地基發(fā)生破壞。 (2) 在最大工作荷載下，復(fù)合地基中地基土反力分布和剛性載荷板下地基反力分布形式相同，且復(fù)合地基中地基土所受平均壓力和天然地基承載力基本相等。 (3) 在最大工作荷載下，復(fù)合地基中CFG樁受力大于等于單樁承載力。 (4) 單樁復(fù)合地基加固層壓縮量是發(fā)生沉降的主要原因，且其壓縮主要集中在上部土層軟弱區(qū)域，下臥層土體的壓縮量很??；墊層壓縮量占沉降的比例與荷載大小有關(guān)。 (5) 褥墊層對樁土承載性能及復(fù)合地基沉降的影響主要有： 保證樁土共同承擔(dān)荷載。褥墊層的設(shè)置為剛性樁復(fù)合地基受荷后樁體的上下刺入提供了條件，即使樁端落在壓縮模量高的土層上，也可以保證樁間土始終參與工作； 減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中。褥墊層對樁頂應(yīng)力在基礎(chǔ)底板下的反力有擴散作用，減少樁頂反力對基礎(chǔ)板的沖剪作用，且隨著樁體模量的增大，這一作用越顯著； 樁頂應(yīng)力與樁間土應(yīng)力之比隨褥墊層厚度增加而減小，并且當(dāng)褥墊層超過一定厚度后，樁、土應(yīng)力己非常接近，并且其比值接近一定值。而在同等墊層厚度作用下，樁土應(yīng)力比將隨著荷載的增加呈加大趨勢；同樣厚度、同一荷載作用下，墊層材料壓縮模量越高，則樁土應(yīng)力比高； 對群樁復(fù)合地基來說，褥墊更起到了均勻分配各樁頂荷載的作用，邊角處的樁頂荷載大幅減小，可以避免最先引起邊角處樁體破壞，使復(fù)合地基能夠更充分地發(fā)揮其承載能力，并且這一作用對樁體模量較大的復(fù)合地基較為顯著。1.3.2 剛性樁復(fù)合地基設(shè)計方法的解析理論研究現(xiàn)有的解析理論方法大致可分為以下兩類：1)利用樁土沉降協(xié)調(diào)關(guān)系聯(lián)立方程進行求解；2)利用樁頂對墊層的刺入關(guān)系分析樁土承載性狀。1995年，李作勤22從荷載的合理傳遞出發(fā)，確定單樁的容許承載力、置換率和復(fù)合地基的容許承載力。闡明影響樁土應(yīng)力比的主要因素，介紹用荷載試驗檢驗應(yīng)力比的作法，確定合理的設(shè)計樁土應(yīng)力比。1998年，毛前、龔曉南23闡述復(fù)合地基與樁基之間的區(qū)別，通過對樁體刺入墊層的研究，尋找在樁頭呈理想球形孔條件下，墊層、樁體、樁間土三者模量與刺入量之間的關(guān)系，進而討論了在刺入模式下的加固區(qū)復(fù)合模量計算問題。2000年，傅景輝、宋二祥24通過分析樁-土-墊層的共同作用，討論了剛樁復(fù)合地基的工程特性，推導(dǎo)出在荷載作用下，當(dāng)樁端土層為文克勒地基時的樁頂荷載、土體表面荷載、樁體沉降、土體沉降、受荷后墊層厚度等的計算公式，并根據(jù)出的應(yīng)力比公式對應(yīng)力比的多種影響因素進行了探討。2002年，董必昌、鄭俊杰25在忽略樁身壓縮及樁身應(yīng)力變化的前提下，假設(shè)樁向墊層的刺入量為基床系數(shù)乘以樁土應(yīng)力差，利用等沉面上負(fù)摩阻區(qū)樁長范圍內(nèi)樁間土的壓縮量等于剛性樁向墊層的刺入量，而等沉面以下正摩阻區(qū)樁間土的壓縮量等于剛性樁向下臥層的刺入量，建立方程推出等沉面位置并由此求取樁土應(yīng)力比。2003年，宋二祥、沈偉、池躍君26, 27利用Boussinesq解和Geddes對Mindlin解的積分計算樁-樁、樁-土、土-樁、土-土之間的沉降影響系數(shù)，在柔度矩陣中將墊層視為分布彈簧，墊層壓縮量與荷載同墊層模量成反比關(guān)系，以此近似考慮樁向墊層內(nèi)的刺入，并在考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后，建立整體方程用迭代方法求解結(jié)點位移(沉降)，進而求出筏板內(nèi)力及樁土反力。2004年，朱世哲、徐口慶28等假定樁頂刺入墊層符合小孔擴張理論應(yīng)用情況，推導(dǎo)出刺入量與樁頂反力關(guān)系，然后利用沉降協(xié)調(diào)計算樁土應(yīng)力比。2005年，黃炳權(quán)、黃海松29在以樁與樁間土頂表面沉降相等的前提下，采用樁側(cè)摩阻與相對位移成雙折線關(guān)系函數(shù)，分別推導(dǎo)了在樁周土體處于彈性狀態(tài)、部分塑性狀態(tài)、全部塑性狀態(tài)二個階段的應(yīng)力比公式。1.3.3 剛性樁復(fù)合地基數(shù)值模擬研究1999、2000、2001年，李寧、韓烜30-33利用數(shù)值仿真試驗方法，分析了單樁-土-承臺三者共同作用的性狀和機理，定量分析了不同剛度的單樁、群樁復(fù)合地基側(cè)摩阻力的分布、發(fā)展規(guī)律；研究了不同模量樁體復(fù)合地基加入褥墊后的承載性狀，對褥墊的加固機理、作用效果給出系統(tǒng)的分析，并在此基礎(chǔ)上，提出利用褥墊層對復(fù)合地基承載力進行優(yōu)化設(shè)計的方法。2002年，池躍君、宋二祥15作了足尺現(xiàn)場混凝土帶墊層單樁復(fù)合地基試驗，并進行了各土層變形、樁體上下刺入量、樁身軸力及摩阻力等試驗。并對帶墊層樁體復(fù)合地基推導(dǎo)了解析解，且用有限元進行驗證。2003年，王瑞芳、雷學(xué)文34及2005年張建偉、戴自航35對單樁復(fù)合地基按軸對稱問題簡化為三維情況進行有限元數(shù)值模擬，分析了褥墊層厚度、模量、樁長、置換率等因素對樁頂、樁間土表面、承臺的沉降及承載力的影響。2006年，曹明36運用有限元法系統(tǒng)地分析了剛性樁復(fù)合地基中的樁、土荷載分擔(dān)特性以及基礎(chǔ)沉降與墊層特性、樁長、樁距等影響因素之間的關(guān)系，還探討了墊層作用下剛性樁復(fù)合地基的有效樁長等問題，所采用的分析方法和一些結(jié)論具有工程參考價值。數(shù)值試驗研究成果得出的主要結(jié)論有：(1) 由于樁體向上刺入褥墊層，復(fù)合地基中樁體存在明顯的負(fù)摩阻區(qū)；另外，褥墊可削弱群樁的“邊角效應(yīng)”，具有提高整個地基承載性能的作用。(2) 褥墊層對土中應(yīng)力分布的影響主要在淺層，對較深處基本無影響，且褥墊厚度對樁身最大應(yīng)力值和最大應(yīng)力點位置影響較小，最大應(yīng)力點的位置對不同厚度褥墊層基本相同；(3) 樁的長徑比能夠有效地減小基礎(chǔ)沉降和提高承載力，同時也存在“有效樁長”問題，應(yīng)當(dāng)進行樁長和樁徑的合理設(shè)計；(4) 樁間距與樁徑之比不易過小，否則樁間土無法有效地參與工作，無法發(fā)揮復(fù)合地基樁土共同作用的優(yōu)勢。增加樁間距，土承擔(dān)荷載隨之增加。1.4 本文研究目的和內(nèi)容本文采用三維空間非線性分析程序Perform-3D（Nonlinear Analysis and Performance Assessment for 3D Structure）對一個足尺7層剪力墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗進行模擬分析，在程序中建立數(shù)值模型，進行了動力非線性分析，比較分析結(jié)果，并與試驗結(jié)果對比，以研究Perform-3D的剪力墻單元應(yīng)用于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)非線性分析的準(zhǔn)確性。Perform-3D程序是結(jié)構(gòu)三維非線性分析與性能評估的最新軟件，由美國加州大學(xué)伯克利分校的Powell教授開發(fā)。本文第二章闡述了國內(nèi)外剪力墻模型研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向，和三維非線性分析程序Perform-3D的分析功能、結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)件模型、恢復(fù)力模型及結(jié)果輸出等，為本文鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)非線性分析奠定基礎(chǔ)。為了在Perform-3D程序中研究剪力墻模型應(yīng)用于結(jié)構(gòu)整體非線性分析的準(zhǔn)確性，采用了程序中的剪力墻單元對一個足尺7層剪力墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗進行模擬。本文第三章介紹了在美國加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校室外振動臺進行的足尺7層剪力墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗，詳細介紹了試驗?zāi)Ｐ偷闹黧w結(jié)構(gòu)、試驗過程和試驗結(jié)果，并介紹了與該試驗同時進行的預(yù)測性分析比賽。本文第四章根據(jù)材料試驗建立材料的本構(gòu)關(guān)系，分別建立了采用殼元的ETABS模型和采用剪力墻單元的Perform-3D模型，進行模態(tài)分析和線性時程分析，校驗整體結(jié)構(gòu)模型的正確性，為下一章的結(jié)構(gòu)動力非線性分析提供指導(dǎo)。本文第五章對剪力墻結(jié)構(gòu)進行了動力非線性分析和參數(shù)分析。依次輸入不同強度等級的地震波作用，檢驗結(jié)構(gòu)在各階段地震作用下的響應(yīng)，并與試驗結(jié)果對比。通過改變初始模型參數(shù)并進行4條地震波作用下的動力非線性分析，討論了截面纖維劃分、單元網(wǎng)格細分等問題。本文第六章在某大型結(jié)構(gòu)工程中運用Perform-3D程序進行分析。在小震和中震彈性分析基礎(chǔ)上，采用Perform-3D對整體結(jié)構(gòu)進行大震作用下彈塑性時程分析。分析結(jié)果表明，塔樓結(jié)構(gòu)具有很好的抗側(cè)性能，設(shè)置粘滯阻尼器以后，整體結(jié)構(gòu)變形滿足要求，驗證了設(shè)置阻尼器對結(jié)構(gòu)抗震性能有著顯著的提高效果。1.5 論文結(jié)構(gòu)本論文分為六章，具體結(jié)構(gòu)如下：第一章：緒論，包括本文的研究背景、研究目的、內(nèi)容以及論文結(jié)構(gòu)。第二章：共同作用分析模型及分析方法。第三章：清遠地區(qū)某臨江住宅小區(qū)筏板-PHC管樁復(fù)合地基設(shè)計。第四章：PHC管樁復(fù)合地基性狀的試驗研究。第五章：基于試驗修正的復(fù)合地基宏觀模型有限元分析。結(jié)論與展望：本文的結(jié)論及對今后工作的展望。211蘇瑞俠, 孫東懷. 廣東碳酸鹽溶洞發(fā)育的控制因子J. 熱帶地理, 2002, 22(001): 80-84.2劉尚仁. 廣東的紅層巖溶及其機制J. 中國巖溶, 1994, 13(004): 395-403.3劉尚仁, 黃瑞紅. 廣東紅層巖溶地貌與丹霞地貌J. 中國巖溶, 1991, 10(003): 183-189.4郭素蘭, 李瑞獅. 粵北巖溶發(fā)育特征及巖溶區(qū)工程隱患的防治J. 內(nèi)江科技, 2009, 30(004): 99-99.5龔曉南. 復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用M. 中國建筑工業(yè)出版, 2007.6龔曉南. 廣義復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用J. 巖土工程學(xué)報, 2007, 29(001): 1-13.7龔曉南. 復(fù)合地基設(shè)計和施工指南M. 人民交通出版社, 2003.8宰金珉, 宰金璋. 高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計: 土與結(jié)構(gòu)物共同作用的理論與應(yīng)用M. 中國建筑工業(yè)出版社, 1993.9吳春林, 閻明禮, 楊軍. CFG 樁復(fù)合地基承載力簡易計算方法J. 巖土工程學(xué)報, 1993, 15(002): 94-103.10閻明禮, 中國建設(shè)教育協(xié)會繼續(xù)教育委員會. 地基處理技術(shù)M. 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1996.11化建新, 董長和, 孫東暉. CFG 樁墊層效應(yīng)研究J. 巖土工程技術(shù), 1998, 1: 48-50.12吳慧明, 龔曉南. 剛性基礎(chǔ)與柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基模型試驗對比研究J. 土木工程學(xué)報, 2001, 34(005): 81-84.13徐嶸, 李春蕾. 某工程剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計與試驗研究J. 河海大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2001, 29(B1