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Word下载.docx

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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。

Abstract

Linearelasticanalysisnolongermeetstheactualrequirementofthefastdevelopmentofseismictheory，architecturalform，calculationmeansandsoon.Itisurgenttosetuptheinelasticanalysismethodinglobalstructuralanalysis.Becauseofthecomplexandlackoftools，inelasticanalysisisusuallycarriedoutonstructuralmembersonly，butnotfortheglobalstructure.Finiteelementmethodbasedonmacroelement，whichhasfewerdegreesandeffectivecomputation，canbeappliedtoglobalstructuralnonlinearanalysiswhichhasgreatprospectinengineeringapplication.Theresultsshouldbecomparedwithteststoprovetheiraccuracy.

ThispaperpresentsthenonlinearanalysiswithshearwallelementmodelbyPerform-3D，whichisa3-dimensionalnonlinearanalysissoftware.Themodelisaccordingtothefullscalereinforcedconcreteshearwallstructureshakingtabletest.Dynamicnonlinearanalyseshavebeencompleted.Analysisresultsarecomparedwiththatofshakingtabletesttostudytheaccuracyofnonlinearanalysisofmacromodels.

Firstly，theresearchsituationofshearwallmodalsandcharacteristicsofPerform-3Dprocedureareintroduced.Theprocessofthefullscalereinforcedconcreteshearwallstructureshakingtabletestisintroduced，whichwascarriedoutintheUniversityofCaliforniaatSanDiego.Inordertobuilduptheglobalmodelofthe7-storyshearwallstructure，materialparametersarecalibratedbysimulatingmaterialtests，andelementconstitutionsusedinshearwallmodelaredefined.Beforethenonlineartime-historyanalysisiscarriedout，lineartime-historyanalysisisconductedinbothETABSandPerform-3DtoverifythatPerform-3Dmodelsarereasonable.Secondly，dynamicnonlinearanalysismodelunder4differentintensityearthquakesareconductedrespectively.Someissuesaboutthenumberoffibersinelementsectionsandthefiniteelementmesharediscussed.

Lastly，thepracticalapplicationofPerform-3Dprocedureinanactualprojectisintroduced.Basedontheelasticanalysisunderfrequentandmoderateearthquakeaction，inelastictimehistoryanalysisunderrareearthquakeiscarriedoutusingPerform-3D.Theanalyticalresultsarereasonablebycomparingtheanalysisofelasticandelasto-plasticity.，andindicatetheadequatelateralperformanceofthetowers.Itcanalsobeconcludedthatthedampercaneffectivelyimprovetheseismicperformanceofstructuresandreducethenonlineardamageofthecomponents.

Comparedwiththeexperimentalresults，theanalyticalresultsconfirmthatthenonlinearanalysismethodbasedonshearwallelement，whichsavesthecomputationalcostsduetofewerDOFs，canreflectinelasticbehaviorofstructure.ItisfoundthattheshearwallelementinPerform-3Dprocedurecanbeappliedtoglobalinelasticanalysisformultiedstroyandhigh-risereinforcedconcreteshearwallstructuresunderearthquakeactionsin7and8degrees.

Keywords：

macromodels;

shearwallstructure;

shakingtabletest，nonlinearanalysis;

Perform-3D

目录

第1章绪论1

1.1研究背景1

1.1.1广东省岩溶地区地质概况1

1.1.2粤北地区岩溶分布特点2

1.1.3岩溶的工程隐患4

1.2刚性桩复合地基的概念5

1.2.1复合地基概述5

1.2.2刚性桩复合地基概述7

1.2.3刚性桩复合地基作用机理8

1.2.4桩体复合地基的破坏模式（可调整到第四章）9

1.2.5桩体复合地基的重要参数（可调整到第四章）11

1.3刚性桩复合地基的研究现状12

1.3.1刚性桩复合地基的试验研究13

1.3.2刚性桩复合地基设计方法的解析理论研究15

1.3.3刚性桩复合地基数值模拟研究16

1.4本文研究目的和内容17

1.5论文结构18

第2章共同作用的分析模型及分析方法19

2.1共同作用分析模型19

2.1.1地基的分析模型19

2.1.2筏板的分析模型22

2.1.3上部结构的处理方法-子结构法22

2.2高层建筑上部结构-筏板-复合地基共同分析的分析方法23

2.2.1上部结构分析方法23

2.2.2筏板分析23

2.2.3桩土体系的分析方法23

2.3共同作用的数值模拟23

2.3.1基于winkler宏观弹簧地基模型的整体面弹簧法24

2.3.2基于Drucker-Prager地基土模型的微观实体模型法24

2.4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25

3.1工程概况25

3.2工程地质条件25

3.3PHC管桩复合地基设计（与原方案的经济型与周期性比较）25

3.4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27

4.1试验概况27

4.1.1试验内容28

4.1.2现场地质条件29

4.2试验方法31

4.2.1单桩承载力的试验方法31

4.2.2单桩复合地基载荷试验方法31

4.2.3桩-土应力测量方法与结果分析32

4.3试验现象及结果分析34

4.3.11#楼各个试验点试验现象及初步分析34

4.3.22#楼各个试验点试验现象及初步分析42

4.3.3结果总体分析53

4.4本章小结55

第5章基于试验的有限元分析56

5.1单桩复合地基数值荷载试验56

5.1.1软件介绍56

5.1.2数值模型建立与加载方案56

5.2试验结果分析56

5.2.1荷载-沉降分析56

5.3Winkler宏观弹簧地基模型的修正56

5.4基于修正Winkler宏观弹簧地基模型的工程设计结果对比分析56

5.5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

Fig11Thedistributionrelationshipofcarbonates，karstcavesandwatersystem

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921km2，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600~800m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

Fig12ThedistributionofkarstareainnorthernGuangdong

（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10~60m，少数达100~120m，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15~55m，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100~120m。

（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4~5万人，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50~100m，常被砂砾石、粘土充填；

深100~150m岩溶率减少，多为半填充空洞。

1.1.3岩溶的工程隐患

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Φ90mm的钻具击进，起钻后用Φ108mm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