基于粤北岩溶地区的预制桩复合地基宏观本构的建立与研究硕士学位论文.doc

硕士学位论文基于粤北岩溶地区的预制桩复合地基宏观本构的建立与研究Research on the Seismic Behavior of Reinforced Concrete Shear Wall Structure Based on Perform-3DA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：Li JiaxuanSupervisor：Prof. Han XiaoleiSouth China University of Technology Guangzhou，China华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保密论文外）；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于：保密，在 年解密后适用本授权书。不保密。学位论文全文电子版提交后：同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。(请在以上相应方框内打“”)作者签名： 日期：指导教师签名： 日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要粤北地区岩溶较强烈，尤其是粤北韶关、清远地区，随着粤北地区经济的快速发展，各县市城市的发展进入一个新的阶段，大量的高层建筑拔地而起，对基础和地基的承载力要求更加迫切。岩溶区存在的工程隐患较多，尤其是在隐伏岩溶区，常见的工程事故有：岩溶地面塌陷、建筑桩端基岩下沉、水库坝基岩溶渗漏等。因此，适用于粤北岩溶地区工程建设的基础和地基处理方式的研究日益迫切。刚性桩复合地基是指在天然地基不能满足上部结构承载力和沉降要求的情况下，在原有地基内挤入、置换或以其它方式加入桩体，通过桩土变形协调，最终由桩体和桩间土共同承担上部荷载的复合加强型地基。华南理工大学高层建筑研究所通过在粤北岩溶场地一系列的工程实践证明，对于该地区的高层建筑结构，采用刚性桩复合地基-筏板基础形式能够施工方便、造价经济、安全可靠。刚性桩复合地基的发展是近十年的事情，尤其是预制桩作为刚性桩的复合地基现阶段研究甚少。本文采用上部结构-筏板-复合地基整体共同作用分析法，对清远地区某临江超高层住宅建筑进行预制桩复合地基设计分析，且后续进行预制桩复合地基现场压板试验，测出桩土压力变化规律以及桩土荷载分担变化规律，在此基础上进行假定设计复合地基本构的修正，最后提出适用于该地区相似场地条件的预制桩复合地基宏观模型本构。首先，介绍了粤北地区岩溶地质的分布状况和特征，并说明该地区的岩溶工程隐患；介绍复合地基的概念、分类及作用机理，并阐述了刚性桩复合地基的研究现状。其次，对上部结构-筏板-复合地基的整体共同分析方法进行了总结，并说明其相对于常规规范设计方法的不同和优点。而后，对清远地区某临江超高层住宅进行了复合地基设计，并采用基于有限元的整体共同分析法进行了筏板基础的分析和设计，并进行现场单桩复合地基压板试验，测出桩土之间的力学性能变化规律。最后，基于试验对假定设计复合地基本构进行修正，提出二折线弹簧宏观本构，并进行对比分析，说明新的本构模型能够更准确地进行该地区相似场地条件的复合地基模拟。关键词：粤北岩溶地区；刚性桩复合地基；共同作用；复合地基设计；压板试验；弹簧宏观本构。AbstractLinear 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目录第1章 绪论11.1 研究背景11.1.1 广东省岩溶地区地质概况11.1.2 粤北地区岩溶分布特点21.1.3 岩溶的工程隐患41.2 刚性桩复合地基的概念51.2.1 复合地基概述51.2.2 刚性桩复合地基概述71.2.3 刚性桩复合地基作用机理81.2.4 桩体复合地基的破坏模式（可调整到第四章）91.2.5 桩体复合地基的重要参数（可调整到第四章）111.3 刚性桩复合地基的研究现状121.3.1 刚性桩复合地基的试验研究131.3.2 刚性桩复合地基设计方法的解析理论研究151.3.3 刚性桩复合地基数值模拟研究161.4 本文研究目的和内容171.5 论文结构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 上部结构的处理方法-子结构法222.2 高层建筑上部结构-筏板-复合地基共同分析的分析方法232.2.1 上部结构分析方法232.2.2 筏板分析232.2.3 桩土体系的分析方法232.3 共同作用的数值模拟232.3.1 基于winkler宏观弹簧地基模型的整体面弹簧法242.3.2 基于Drucker-Prager地基土模型的微观实体模型法242.4 本章小结24第3章 清远地区某临江住宅小区筏板-复合地基设计253.1 工程概况253.2 工程地质条件253.3 PHC管桩复合地基设计（与原方案的经济型与周期性比较）253.4 整体面弹簧法有限元分析（筏板内力计算、沉降计算-规范方法与有限元计算结果，原因）26第4章 PHC管桩复合地基承载性状的试验研究274.1 试验概况274.1.1 试验内容284.1.2 现场地质条件294.2 试验方法314.2.1 单桩承载力的试验方法314.2.2 单桩复合地基载荷试验方法314.2.3 桩-土应力测量方法与结果分析324.3 试验现象及结果分析344.3.1 1#楼各个试验点试验现象及初步分析344.3.2 2#楼各个试验点试验现象及初步分析424.3.3 结果总体分析534.4 本章小结55第5章 基于试验的有限元分析565.1 单桩复合地基数值荷载试验565.1.1 软件介绍565.1.2 数值模型建立与加载方案565.2 试验结果分析565.2.1 荷载-沉降分析565.3 Winkler宏观弹簧地基模型的修正565.4 基于修正Winkler宏观弹簧地基模型的工程设计结果对比分析565.5 本章小结57结论与展望58研究成果58展望59第1章 绪论1.1 研究背景1.1.1 广东省岩溶地区地质概况广东省碳酸盐岩分布面积2.9×104km2，占全省总面积7%，碳酸盐岩较集中分布在粤北的韶关、清远两市，其次为云浮、阳春和肇庆，以及广州花都地区，其它地区均为零星分布(图11)。除志留系、中三叠统、下-中侏罗统地层外，自震旦系至第三系的地层中均或多或少地夹有岩溶地层，第四系有钙华沉积，中-上泥盆统和石炭系地层中岩溶地层分布最广，石炭系比泥盆系可溶性好1。图11 广东省碳酸盐岩、溶洞和水系分布关系图Fig 11 The distribution relationship of carbonates，karst caves and water system由于地形、地质、水文和气候等条件的差别和相互制约作用，造成各地区岩溶强度的差异和溶洞的不均匀分布(图11)。总的来看，在碳酸盐岩层发育区，特别是质纯层厚的碳酸盐岩区岩溶作用比较强烈，溶洞也比较发育。根据岩石组合可以把碳酸盐岩层分为3种岩石组合层。(1) 碳酸盐岩夹碎屑岩层，地层由老至新有：泥盆系中统：出露面积达921 km2，粤北占92%，罗定、阳春地区各为37.21km2，廉江、怀集、广州尚有零星分布。以深灰色厚层灰岩，薄层及泥质条带灰岩为主。泥盆系上统：出露面积约1493km2，主要分布于粤北、阳春等地，河源、开平、高要、从化等地零星出露。岩性为薄层状灰岩、白云质灰岩、大理岩，少量生物灰岩。石炭系上统：出露面积约3912km2，主要分布于粤北(约占85%) 。粤西阳春、罗定地区约30km2，其它地区有零星出露。岩性为薄-厚层状灰岩、白云质灰岩、大理岩和白云岩等。二叠系上统：含煤碎屑岩系，厚以百米计，仅在粤北的上部略具硅质碳酸岩系。三叠系：三叠纪碳酸盐岩零星出露，为夹有碎屑岩的泥质碳酸盐岩系。(2) 碳酸盐岩层，地层由老至新有：石炭系中统：出露面积约39km2，分布于连平、翁源，岩性为灰岩、白云质灰岩、大理岩。石炭系中上统、上统：出露面积约922km2，主要分布于粤北、粤东北及珠江三角洲地区仅有零星分布，岩性为厚层状灰岩、白云岩、白云质灰岩、角砾状灰岩、大理岩等。二叠系下统：分布于连县、阳山、韶关、清远、连平、兴宁、惠阳、阳春、广州地区，岩性主要为深灰色灰岩、白云质灰岩、燧石灰岩等。(3) 红层岩溶地层红层岩溶地层是白垩纪以来在大陆环境中形成的紫红色的沉积层2，由泥页岩、砂砾岩、泥灰岩和石灰岩组成，红层既可以形成岩溶地貌又可形成挺拔峻秀的丹霞地貌。分布在连县清江乡、星子镇、大路边镇、乐昌县坪石镇、云浮县白石镇、罗定县华石镇、苹塘镇等处3。1.1.2 粤北地区岩溶分布特点地处南岭中段南坡粤北地区，区内地级城市有韶关市和清远市，是粤北政治文化中心，包括两市辖下的连州、英德等14个县(市)。粤北地区随着京珠高速公路和韶赣高速的贯通、106、107、323等国道的扩建、建成的武广铁路、以及即将建成的清连高速公路、京珠高速复线，交通状况有极大地改善，地方经济飞速发展。因此，岩溶区工程隐患防治已成为本区基础设施建设的重要工作。粤北地区岩溶较强烈，发育着大大小小的溶洞和纵横交错的溶裂。粤北岩溶发育区约占粤北面积的1/3，可分裸露型和覆盖型两类。裸露型岩溶区以峰林突兀的侵蚀喀斯特地貌为主，基岩裸露；覆盖型岩溶区则表现为剥蚀残丘或山间平原地形，基岩被第四第松散层覆盖。南部英德-翁源，中北部韶关-乳源，西部连县-阳山为主要岩溶分布区，其间分布着韶关、清远、连州、连南、英德、阳山、翁源、乳源等主要城市，而乐昌、仁化、始兴、新丰等县城也有溶岩分布(图12)。可见，本区岩溶发育非常之广，而且大多数城区都分布在岩溶发育地区，各城市区域岩溶发展具体情况如下1：（1） 连县本区岩溶由于受不同构造及花岗岩体隆起的影响，发育差异性变化明显。根据溶洞发育的地貌特征分为三类：岩溶山区主要分布在大坪复向斜及秤架复背斜核部和翼部，该区各地段溶洞发育程度差异明显，多成层分布，主要发育于海拔600800m范围内，以中、小型为主，大-巨型比较少，海拔大于800m以及小于600m发育弱；多级台地岩溶区本区共有四级台地，溶洞主要分布在南部的高山、西江、龙坪和连州以及中部的上库、沈家坑、清江、山塘和黄沙堡一带，在两级台地间的过渡带或台地边缘为河谷深切，岩溶强烈发育，溶洞形态以垂直类型为主；弧形条状垅谷岩溶区主要分布在连县的东北部，为一系列弯曲向西突出的复式褶皱构造形成的弧形条状山垅谷地相间的岩溶区，溶洞多见于垅背。图12 粤北地区岩溶分布图Fig 12 The distribution of karst area in northern Guangdong（2） 韶关韶关地区溶洞众多，主要分布在以下地段：天子岭背斜东南翼位于天子岭背斜与芙蓉山向斜的复合部位，为长廊谷地地貌，以发育小型溶洞为主，发育深度1060m，少数达100120m，高度一般小于0-2m；北江、武江河谷地带位于莲花山背斜两翼与芙蓉山向斜交接部位，该地带溶洞规模大、数量多，高度常在1m以上，深度1555m，武江河谷地段深达120m左右；马坝-韶钢水源地位于枫湾􀀂马坝向斜南西段，向斜两翼为低山山垄地貌，核部为孤峰平原(谷地)地貌，盐溶发育程度和规模较大，溶洞常发育于向斜的核部和平原谷地内；东联地段该地段垂直高度2m以上溶洞占40%，发育深度多在60m以上，少数可达100120m。（3） 英德英德地区顺层面、断裂带发育的溶洞较多，溶洞常为水平状，其次为管道状、阶梯状、隙状和通天洞等。溶洞主要发育于以下地段：石牧塘复向斜盆地位于英德的西部、牛婆洞向斜东部，该区溶洞发育深度较浅、规模较大，大者可容纳百人；北江复向斜盆地：位于英德谷地，岩溶相当发育，可见大、巨型溶洞，有可容纳数万人以上的溶洞(宝晶宫容纳45万人，通天洞容纳万人以上)；翁江复向斜盆地向斜核部及断层带上发育溶洞，溶洞内常见石钟乳、石笋、石柱、石花、石帷幕等多姿百态的岩溶形态；英德九龙-清远白花朗地区溶洞规模大小不等，溶洞多层次性极明显，大致可分3层，长数米、数十米或百余米，高度小于30m，宽数米至50m，石钟乳、石柱颇发育。（4） 粤北其他县市乳源瑶族自治县：石灰岩溶蚀地貌显著、峡谷多。岩溶层以壶天群和孟公坳组灰岩为主，岩溶形态为溶洞、落水洞等，大多为水平发育，在垂向上大致可分为两级，常分布在均容谷地的南坡及西坡、近河床岸边地带。连平县：碳酸盐岩呈条带状主要分布于西部一带，溶洞分布深度50100m，常被砂砾石、粘土充填；深100150m岩溶率减少，多为半填充空洞。1.1.3 岩溶的工程隐患岩溶区存在的工程隐患较多，尤其是在隐伏岩溶区，常见的工程事故有：岩溶地面塌陷、建筑桩端基岩下沉、水库坝基岩溶渗漏等。随着粤北地区经济的快速发展，各县市城市的发展进入一个新的阶段，大量的高层建筑拔地而起，对基础和地基的承载力要求更加迫切。据数据显示，该地区大部分高层建筑均采用桩基础形式，而隐伏岩溶区的建筑物，当采用可溶岩石作桩基持力层时，由于基岩面溶蚀坑(槽)发育，起伏变化大，或下伏溶洞顶板薄，由于桩端力较大，未将整个桩端置于足够强度的基岩中，极易造成桩基下沉或溶洞顶板坍塌。因此，基础施工前，必须首先做好场地工程地质勘察工作。对岩溶发育地段，应进行超前钻探，一桩一孔，负荷重、跨度大的重要工程甚至采用一桩多孔，确保基础进入完整基岩4。在岩溶区工程地质勘察过程中，勘察施工与编录工作都显得非常重。钻探时应及时记录基岩面深度、各层溶洞顶、底埋深，洞内填充情况，漏水位置。岩溶区基岩面上常常发育软流塑状土，甚至发育为土洞，钻进时应记录清楚。由于岩溶区地层岩性较复杂，因此，编录人员应常到现场及时编录、监督。对隐伏岩溶区上覆卵砾石层，常常给钻探施工带来很大困难。经过多年摸索实践，跟管击进是行之有效的措施，方法是先用90mm的钻具击进，起钻后用108mm套管跟进，这种方法最经济实用，特别是在北江中下游较为适用。但在河流上游卵、漂石覆盖的隐伏岩溶区，只能当桩基检测发现桩基承载力不足时，应采用钻探查明原因，若是岩溶地基造成时，可用钻孔灌注水泥砂浆加固，以提高承载力4。但是，由于需要采用一桩一孔的超前钻，加之超前钻的不确定性，在施工现场要求需要超前钻无发现溶洞或土洞，才能进行桩施工，否则，需要对溶洞进行有效处理。现阶段溶洞处理主要是采用钻孔灌注水泥砂浆，若溶洞是彼此贯通或者形成了地下河道，则会导致无法灌满。这样会导致基础施工工期的不可预见性，阻碍整个项目的开发周期。因此，对于岩溶地区高层建筑基础形式的研究是很有必要的。1.2 刚性桩复合地基的概念1.2.1 复合地基概述浅基础(shallow foundation )、复合地基(composite foundation)、桩基础(pile foundation)已成为工程建设中常用的三种地基基础形式5。它们有不同的适用范围与类型：当天然地基满足建筑物对承载力、变形等方面的要求时，可采用浅基础的形式；当天然地基不能满足建筑物对承载力、变形等方面的要求时，就要对天然地基进行处理，如上部荷载全部由所设置的竖向桩体来承担时，就形成了桩基础；而上部荷载由所设置的加筋体与土体共同承担时，就形成了介于浅基础、桩基础的复合地基的基础形式。图13 浅基础示意图Fig 13 Shallow foundation（a）端承桩基础（b）摩擦桩基础图14 桩基础Fig 14 Pile foundation（a）不设置垫层（b）设置垫层图15 桩体复合地基Fig 15 Composite foundation复合地基6是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换以加强材料，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体(天然地基土体)和增强体两部分组成共同承担结构荷载的人工地基。浅基础中荷载是通过基础直接传递给地基土体并随之扩散到下层土体，如图13所示。而桩基础可分为摩擦桩基础和端承桩基础两大类，如图14所示：对端承桩基础，荷载通过基础传递给桩体，桩体主要通过桩端端承力将荷载传递给地基下部坚硬土体；对摩擦桩基础，荷载通过基础传递给桩体，桩体主要通过桩侧摩阻力将荷载传递给地基土体。故而桩基础是荷载通过基础先传递给桩体，再通过桩体传递给地基土体。对桩体复合地基，荷载通过基础将一部分荷载直接传递给地基土体，另一部分通过桩体传递给地基土体，即是桩土共同承担基础传递的荷载，如图15所示。从荷载传递路线的比较分析可知复合地基的本质是桩和桩间土共同直接承担荷载，这也是复合地基与浅基础和桩基础之间的主要区别6。1.2.2 刚性桩复合地基概述桩体复合地基7是指在天然地基不能满足上部结构承载力和沉降要求的情况下，在原有地基内挤入、置换或以其它方式加入桩体，通过桩土变形协调，最终由桩体和桩间土共同承担上部荷载的复合地基。根据桩体材料力学性质的不同，可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基、刚性桩复合地基。各类桩体复合地基特性如下：散体材料桩如碎石桩、砂桩等，桩体均采用散体材料，其承载力主要取决于周围地基土体所提供的侧限力。其具有两点特征：一是达到一定的桩长条件后，由于桩身刚度的不足，增加桩长不会提高其极限承载力；二是当天然地基极限承载力很小时，由于土体提供的侧限不足，散体材料桩复合地基的承载力不会有明显提升。柔性桩复合地基如水泥土桩、灰土桩等，其桩体材料自身具有一定的粘结力，其承载力主要取决于桩侧摩阻力、端阻力及桩体自身的强度。它也存在一个有效桩长的问题，即达到有效桩长后，承载力并不再提高。刚性桩复合地基是通过在基础与地基交界面设置垫层使得刚性的桩与土共同承担上部荷载，考虑了桩土的共同作用的复合地基。因此，摩擦桩和端承作用较小的端承摩擦桩，如考虑了周围土的作用，即可归为刚性桩复合地基；如为端承桩，周围土不能承担荷载，就不能形成此类复合地基。刚性桩C桩(增强体)包括预制混凝土桩、混凝土灌注桩和钢管注浆桩等，适用于处理黏性土、粉土、砂土和分层压实的素填土等地基。刚性桩复合地基的桩体强度和刚度较高，为保证桩土共同作用，充分发挥其承载性能，减少沉降变形，通常在基础底面与表层土之间铺设一定厚度的粗砂或碎石褥垫层，铺设厚度可以根据桩体单桩承载力和桩土相对刚度进行确定，一般为100300mm厚，桩体单桩承载力越大或桩土刚度比越大则宜取厚。设置褥垫层后，刚性桩复合地基在受力时，桩顶向上刺入褥垫层，并通过褥垫层的调整，使得桩间土承载力得到充分的发挥，而不会使得荷载过分的通过桩传到桩端土层。另外，与散体材料桩、柔性桩复合地基相比，刚性桩刚度相对较大，使部分上部荷载能向深部土层传播，从而能够最大程度的调动和分配荷载于地基下各部分土体，故能大幅度地提高地基承载力，且刚性桩复合地基的沉降量相对较小。当建筑物对复合地基的承载力要求较大时，常采用预制预应力管桩作为刚性桩。其特点和适用条件如下：预应力混凝上管桩是一种细长的空心等截面预应力混凝上构件，管桩按桩身混凝上强度等级的不同分为PC桩(C60，C70)和PHC桩(C80)；按桩身抗裂弯矩的大小分为A型，AB型，和B型；外径300 600mm，壁厚为65125 mm，常用节长712 m。主要采用锤击法和静压法施工。桩尖型式有十字型，锥型和开口型。桩节之间的连接采用端头焊接连接。管桩复合地基较适合的应用条件：(1)要求复合地基的承载力特征值较大的高层建筑，选用管桩较经济合理；(2)基岩埋深在1530 m左右，有较厚的强风化岩层作持力层；(3)淤泥软上较厚的地基，近海建筑，采用其他桩型易出现质量事故，采用管桩为首选。1.2.3 刚性桩复合地基作用机理在刚性桩复合地基中，通过褥垫层作用，一部分荷载在地基上部由桩土共同承担，另一部分通过桩侧摩阻和桩端端阻传递给下部地基土体，从而最大限度地调动整个地基的共同作用。刚性桩复合地基受力机理如图15所示。可将地基分为两部分：增强体加固区和非加固区。对于刚性桩复合地基，通过桩体作用，可将荷载传递给地基中较深的土层，使上层地基土(增强体加固区)中附加应力减小，而使深层地基土(加固区下卧层)中附加应力相对增大。与天然地基相比较，刚性桩复合地基加固区中不仅模量提高，而且附加应力减小，土层压缩量减小明显；相应的，加固区下卧层的附加应力增大，但是其一般下部土体强度较大，故而压缩量增大但不会过大。总之，采用刚性桩复合地基能够合理的调配载荷，可以明显减小沉降8。刚性桩复合地基除了拥有一般复合地基的各种效应，还有自身独立的特点，如置换效应、挤密效应和约束效应5。由于复合地基桩土之间的变形协调，及刚性桩体与桩间土具有很大的模量比，在荷载作用下，复合地基承受的部分荷载通过桩体向较深处的优质土层中传递，且还减少了上部桩间软弱土承受的荷载。复合地基中桩体起到的合理调配荷载于所在范围内地基土，既提高地基承载力，又减小地基变形的作用，称为置换效应或桩体效应。在人工填土或者松散砂土中，采用挤土成桩工艺设计施工复合地基，使得桩间土的孔隙比减小，密实度增大，桩间土因而被挤密，复合地基的承载力和模量都得到提高，称为挤密效应。当采用振动沉管工艺时，素混凝土桩复合地基也具有挤密效应。由于刚性桩与土体的相对刚度很大，故而在荷载的作用下，桩间土的侧向变形受到了桩体的约束。由于桩间土的侧向变形受到了约束，其相应的竖向变形也受到约束，故而承载力得到提升，且变形有所降低，这就是约束效应。1.2.4 桩体复合地基的破坏模式（可调整到第四章）桩体复合地基的破坏型式分为三种：1）桩间土首先破坏进而发生复合地基全面破坏；2）桩体首先破坏进而发生复合地基全面破坏；3）桩间土和桩体同时达到破坏使得复合地基全面破坏。实际工程中，第三种破坏型式是很难遇到的5。事实上，复合地基的破坏型式与基础的刚度直接相关。在刚性基础下，大多数情况下都是桩体先破坏，继而引起复合地基全面破坏。而在柔性基础下，则一般是桩间土先破坏，进而发生复合地基全面破坏。桩体复合地基中桩体的破坏模式可以分成下述4种型式：刺入破坏、鼓胀破坏、桩体剪切破坏和滑动剪切破坏5，如图16所示。 (a)刺入破坏 (b)鼓胀破坏 (c)桩体剪切破坏 (d)滑动破坏图16 桩体复合地基破坏模式Fig 16 Failure modes of piled composite foundation(a) 桩土相对刚度很大，此时荷载绝大部分由桩体承担，并通过桩体传递到桩端土层，当桩端地基土承载力不足(或端承于溶洞顶盖时)的情况下容易发生桩体刺入破坏。一旦桩体发生刺入破坏，承其担荷载大幅度降低，导致复合地基桩间土破坏，造成复合地基全面破坏。在桩端持力层选取不当时，刚性桩复合地基较容易发生刺入破坏，特别是柔性基础下的刚性桩复合地基，由于基础的调配荷载能力不足，局部的桩体由于受荷大且桩端土差，更容易发生刺入破坏。(b) 荷载作用下，桩间土不能提供桩体足够的围压以防止桩体发生过大的侧向变形，从而产生桩体鼓胀破坏。这种破坏形式当采用管桩作为刚性桩时不易出现，主要在刚性基础和柔性基础下散体材料桩复合地基较易发生鼓胀破坏。(c) 复合地基中桩体发生剪切破坏，进而引起复合地基全面破坏。刚性基础和柔性基础下低强度柔性桩复合地基均可产生桩体剪切破坏，另外，由于基坑开挖或施工不当导致结构基础桩体中产生不对称的剪切力，导致桩体剪切破坏(上海莲花河畔倒楼案)。(d) 荷载作用下复合地基沿某以滑动面产生滑动破坏。在滑动面上，桩体和桩间土均发生剪切破坏。各种复合地基均可能发生滑动剪切破坏。影响复合地基破坏形式的因素很多，不但与复合地基中增强体材料性质有关，还与荷载形式、复合地基上基础结构形式有关。另外，桩体本身刚度对复合地基的破坏模式有较大影响。桩与桩间土的性质影响也很大，若两者相对刚度较大，较易发生桩体刺入破坏。总之，对于具体的桩体复合地基的破坏模式应考虑上述各种影响因素，通过综合分析加以估计。1.2.5 桩体复合地基的重要参数5（可调整到第四章）（1） 置换率桩体复合地基中，若桩体的横断面积为Ap，该桩体所对应（或所承担）的复合地基土体面积为A，则复合地基置换率m定义为：(11)桩体在平面上的布置形式有三种：等边三角形、正方形布置和矩形布置，布置形式如图17所示。对于圆柱形桩体，若桩体直径为d，桩间距为l，则各布桩形式的复合地基置换率计算公式如下：（正方形布置）(12)（三角形布置）(13)（长方形布置）(14)（a）正方形布置（b）三角形布置（c）长方形布置图17 桩体平面布置形式Fig 17 Different location of piles若桩体横截面为方形，则将上面二个式子中的换为，a为方桩的边长。(2)桩土荷载分担比与桩土应力比在荷载作用下，复合地基中桩体承担的荷载与桩间土承担的荷载之比称为桩土荷载分担比。复合地基加固区的表面上桩体的竖向应力和桩间土的竖向应力之比，称为桩土应力比。桩土荷载分担比和桩土应力比是可以相互换算的。复合地基加固区中桩体的竖向应力记为，桩间土中的竖向应力记为，则桩土应力比n为：(15)在荷载作用下，桩体承担的荷载记为，桩间土承担的荷载记为，则桩土荷载分担比N为：(16)桩土荷载分担比N与桩土应力比n可通过下式换算：(17)其中，m为复合地基置换率。事实上，桩间土中竖向应力不可能是均匀分布的，式(15)中的表示桩间土中平均竖向应力。桩土应力比n值和桩土荷载分担比N值的大小定性反映复合地基的工作状况。影响桩土应力比n值和桩土荷载分担比N值的影响因素很多，如荷载水平、荷