复合地基动力特性及其应用研究

【摘要】： 由水泥搅拌桩、碎(砂)石桩等柔性桩组成的复合地基处理方法,以其效果良好和造价适宜而被广泛采用。因地基性状的复杂和目前的施工技术与管理的水平的限制,人们难以保证处理后的复合地基能够满足工程要求。因此,对这类复合地基的现场质量检测工作显得非常重要。块体振动法克服了静力试验抽样率低、费用高等缺点而显示出良好的应用前景。针对块体振动试验检测复合地基工程性状的原理,本文进行了如下较为深入的研究: (1)根据饱和土Biot波动方程,利用波的传播特性提出三种无限元模式,结合有限元,建立饱和地基轴对称动力问题的有限元-无限元耦合解答。对饱和地基蜕化为单相介质的算例,利用Lamb问题的理论解与其计算结果比较,说明了本文算法及其计算程序的正确性和精度。在此基础上分析了随着渗透系数的变化,均质地基上块体的位移导纳在低频和共振频率时的变化特性;对饱和土中单桩复合地基,分析了随着土和柔性桩体渗透系数的增大,块体振动速度导纳幅值和共振频率的特性。 (2)利用粘弹性动力学方程和Rayleigh波远场解答建立三种单相粘弹性介质有限元-无限元方程,并编制计算程序。利用此程序分析了均质地基、成层地基和单桩复合地基上块体的竖向振动特性。研究影响均质地基上块体导纳特性的因素(地基土剪切波速、块体尺寸、响应点位置等)以及块体振动的影响深度。对于层状地基,重点研究双层和三层地基上块体导纳曲线受软土层厚度、夹层厚度和埋置深度等的影响。单桩复合地基上块体的动力特性与竖向增强体的尺寸、桩周土的刚度等有关。文中主要分析柔性桩长度、直径或截面积、波速和地基土波速对块体低频速度导纳幅值和共振频率的影响。为应用共振法检测柔性桩质量,文中分析了完整桩的临界桩长和桩身缺陷深度对振动导纳的影响,得出复合地基刚度与低频速度导纳的相关性良好。 (3)应用弹性半空间轴对称有限元-无限元耦合解,系统地分析了块体导纳关于桩身弹性模量的灵敏度特性,其中包括地基土剪切波速、桩长和桩身缺陷变化对其所产生的影响规律以及水泥搅拌桩和碎石桩在灵敏度方面的差异,提出了块体低频速度导纳幅值和共振频率速度导纳幅值在反映复合地基性状变化时的应用范围。 (4)采用Levenberg-Marquardt方法的More算法反演单桩复合地基桩身指定位置的弹性模量,考察了反演参数初始值的选取对迭代次数的影响。研究桩身缺陷处于不同深度时,初始值选取对收敛速度的影响,以及桩身不同位置的缺陷在导纳曲线上的反映。 (5)利用静力有限元法研究块体底部摩擦对地基刚度的影响,以考察目前常用的地基变形模量和竖向刚度计算公式的计算结果与实测值的误差。利用简化力学模型,分析了块体振动法测试地基刚度时根据低频导纳值推求的地基动刚度,表明其结果会受惯性和阻尼比的影响,并对传统计算公式提出了相应的修正方法。 (6)在两个现场工程实例中分别进行了静载荷试验和振动试验,对两种试验结果的相关性进行了研究,并对水泥搅拌桩的动测试验结果进行反演分析,以验证本文的理论及计算程序的正确性。