土岩组合地基上的复合桩基变刚度调平设计研究.pdf

摘要

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土岩组合地基是我国山区常见的地基形式，复合桩基因其优良的承载性能和对地

基沉降的有效控制而被广泛应用于建筑地基、地基加固和道路工程等领域，然而，现

有的复合桩基设计常采用均匀等长的布桩形式，这会导致上部基础产生不均匀沉降，

影响加固效果。因此，通过开展复合桩基的变刚度调平设计以解决上部基础的不均匀

沉降问题，具有非常重要的工程意义。本文考虑弹性半空间和土岩组合地基两种地基

工况，基于积分方程法建立了非等长复合桩基的承载特性理论分析模型。在此基础上，

以复合桩基的桩长为随机变量，使用MonteCarlo法获得重复抽样的桩长，代入上述

理论分析模型，以复合桩基的竖向刚度和荷载分担比为优化目标，得到桩长的优化方

案。基于最优优化方案，结合有限元开展了非等长复合桩基的竖向承载特性分析，探

讨了关键设计参数（承台厚度、桩间距、桩长细比）对非等长桩体复合桩基竖向承载

特性的影响。并结合上述分析方法探究了将其应用于山区土岩组合地基锚碇基础工程

中的可行性。

本文的主要研究内容包括以下四个方面：

（1）以位于弹性半空间中的5×5复合桩基为研究对象，以基桩刚度为优化目

标，提出了一种将积分方程法和MonteCarlo法相结合的桩长优化方法。将桩长设置

为随机变量，使用MonteCarlo法获得了5000个重复抽样的桩长，代入理论分析模型，

然后将不同的桩-土体系分解为扩展土和虚拟桩单元，并以桩径为边长将该体系划分

为一系列子单元，基于Mindlin基本解及叠加原理分析扩展土中任一点的竖向应变，

基于一维弹性地基梁理论求得虚拟桩任一深度的竖向应变，结合虚拟桩单元与扩展土

在相应位置处的竖向应变协调条件得到关于虚拟桩轴力的第二类Fredholm积分控制

方程，通过引入迭代算法求解5000个桩长重复抽样情况下的复合桩基竖向刚度，然

后通过最大化竖向刚度来得到了复合桩基的桩长优化方案。

（2）以位于基岩面上的5×1复合桩基为研究对象，将积分方程法进一步拓展

并应用于下卧基岩工况，基于上述桩长优化方法得到了位于基岩面上的复合桩基的

最优桩长配置。将复合桩基以桩径为单位长度离散为半无限空间扩展土和5×1个非

等长虚拟桩单元，结合扩展土与虚拟桩在相应位置处的竖向应变协调条件建立关于虚

拟桩轴力的积分控制方程，进而得到所有真实桩及桩间土单元轴力及沉降的解析表达；

结合下卧基岩的边界条件、刚性基础的静力平衡条件以及基础与各单元的位移协调条

件，通过引入迭代程序得到1000个重复抽样情况下得到的复合桩基性能参数，例如

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土体荷载分担比，然后通过最大化土体荷载分担比得到了复合桩基的最优桩长配置，

并分析了下卧基岩对优化结果的影响，在给定基桩参数及地基参数的条件下，分析了

该非等长复合桩基的变位机理和荷载传递特性。

（3）以5×5复合桩基为研究对象，运用PLAXIS3D有限元软件探讨了关键设

计参数对非等长桩体复合桩基竖向承载特性的影响。结合上一章节得到的位于土岩组

合地基上的复合桩基的最优桩长配置，运用PLAXIS3D有限元软件进行数值建模，

分析了该最优桩长配置下复合桩基的竖向承载特性，并探讨了关键设计参数（承台厚

度、桩间距、桩长细比）对桩身轴力和沉降、承台沉降和差异沉降的影响。

（4）以宜昌市伍家岗长江大桥浅埋式锚碇复合地基项目为工程案例，基于桩长

优化方法得到了位于土岩组合地基上的锚碇基础的变刚度调平设计。针对依托工程案

例条件，即位于“凹塘”型基岩上的锚碇基础，结合本文提出的桩长优化方法得到了

锚碇基础的地基加固方案，建立了数值模拟分析模型，对比分析了地基处理前和地基

处理后的锚碇基础的承载特性。

关键词：土岩组合地基；复合桩基；积分方程法；MonteCarlo法；变刚度调平设计

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Soil-rockcombinationfoundati