混凝土芯水泥土搅拌桩(又称劲性搅拌桩)在国内是一项刚刚开展研究的地基加固新技术。劲性搅拌桩是在水泥土搅拌桩成桩之后,水泥土初凝之前,用压桩机械将预制混凝土芯桩压入水泥土体内,待水泥土凝固后,混凝土芯桩与水泥土搅拌桩共同工作,承受上部荷载的一种新桩型。劲性搅拌桩有机的结合了混凝土预制桩与水泥土搅拌桩的优点,形成了一种中间强度高、四周强度低的合理桩身结构,充分发挥了芯桩与水泥土桩体的性能。 本文以大型有限元分析软件ANSYS为工具,建立三维有限元模型,针对劲性搅拌桩单桩复合地基在竖向荷载作用下的工作性状进行了数值分析。利用有限元计算分析了不同芯桩长度、不同截面含芯率、不同水泥土模量和土体模量,得到它们的荷载沉降曲线、桩顶沉降曲线、桩身位移曲线、桩身应力曲线、桩顶荷载分担曲线、桩侧摩阻力分布曲线等,通过这些曲线本文对它们的荷载传递规律以及变形特性进行了深入的分析,得到一些有益结论: 劲性搅拌桩单桩的极限承载力并非随着芯桩长度和截面含芯率的增大而提高,而是存在一个最佳内外芯桩长度比和最优截面含芯率;同等条件下,劲性搅拌桩单桩的极限承载力高于混凝土桩;劲性搅拌桩桩顶沉降随着芯桩长度、截面含芯率、水泥土弹性模量以及土体弹性模量的增大而减小;但能对单桩沉降产生显著影响的只有土体弹性模量和混凝土芯桩的长度;劲性搅拌桩桩身的位移主要来源于桩端的沉降,桩身的压缩量所占比例甚小;劲性桩的桩身刚度比水泥土桩大得多,其性状十分接近混凝土桩;由于褥垫层的调整作用,劲性搅拌桩芯桩的轴向应力最大值并不在桩顶,而且芯桩长度、截面含芯率、土体弹性模量等并不影响应力最值出现的位置;桩身应力在不同工况下沿深度分布的曲线变化趋势基本一致:在最值位置下方随着深度的增大而迅速减小。水泥土外芯桩的轴向应力最大值均出现在桩顶;劲性搅拌桩内外芯界面和桩土界面上的侧摩阻沿深度的分布是相似的。 并采用 ANSYS 程序,以集中质量模拟上部结构的反馈作用,对不同地震作用下劲性搅拌桩的桩-土-上部结构之间的相互作用进行了时程分析,并与桩基础的地震响应进行了对比分析,对影响劲性搅拌桩复合地基抗震性能的因素进行了研究。研究表明:在同种地震作用下,劲性搅拌桩单桩的最大弯矩和最大剪力均小于桩基础;单桩的最大弯矩出现在距桩顶(0.2～0.4)L 处,芯桩越长、截面含芯率越大,最大弯矩越大;截面含芯率对劲性搅拌桩弯矩和剪力的影响程度较芯桩长度大,水泥土模量对之的影响甚微。 本文还简要介绍了群桩在竖向静力荷载和横向动力荷载作用下的工作性状及群桩设计计算的几种方法。