（岩土工程专业论文）碎石桩复合地基承载机理及优化设计研究.pdf

颂十学何论文 摘要 随着土木工程建设的迅速发展，碎石桩复合地基技术在软土地基处理中得到 了广泛应用，但由于地质条件以及碎石桩复合地基本身问题的复杂性，目前对碎 石桩复合地基的认识仍处于不断探讨与研究之中。因此，本文结合“高速公路软 土路基处理研究及应用”课题，从理论分析、室内模型试验以及其数值模拟等三 方面入手，对碎石桩复合地基的承载机理及其优化设计理论进行深入地探讨。 本文首先将碎石桩对土体的作用视为平面轴对称问题，从而利用圆孔扩张理 论，并考虑扩张影响半径的大小，分两种情况分别导得了桩土应力比和碎石桩复 合地基承载力的计算公式。然后通过对模型试验的分析，以相似理论的相关原理 为理论基础，采用量纲分析法导出了碎石桩复合地基模型试验的相似准则，并设 计完成了一组较大型的室内模型试验，获得了很多有益的试验数据，由此得到了 碎石桩复合地基孔隙水压力、桩土应力比的变化关系，进而深入地探讨了碎石桩 复合地基的承载机理。结合临长高速公路软土路基处理工程实践，利用f l a c 数 值分析程序对路堤下碎石桩复合地基承载性状及影响因素进行了深入分析，得到 了碎石桩加固区的应力分布，并对桩土应力比的几个主要影响因素进行了深入探 讨，指出了影响桩土应力比的主要影响因素，可为碎石桩复合地基的优化设计提 供定性的指导。最后，提出了按基底沉降控制的碎石桩复合地基优化设计理论。 给出了相应的设计步骤，并通过某具体工程实例，较详细地说明了计算过程，同 时验证了其工程适用性。 关键词：碎石桩；复合地基；承载机理；模型试验：数值模拟：按沉降控制设计 雌l i 桩复合地基承载机理及优化殴计研究 a b s r t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc i v i l e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，g r a v e l p i l e c o m p o s i t e t b u n d a t i o nh a sb e e n w i d e l y u s e dt ot r e a tt h es o f ts o i l b e c a u s eo f c o m p l e x i t yo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni t s e l f , n o v i th a sb e e nd i s c u s s i n ga n ds t u d y i n gg r a d u a l l y s oc o m b i n i n gw i t ht h ei t e m “s t u d ya n d a p p l i c a t i o n o ns o f t s u b g r a d e t r e a t m e n ti n f r e e w a y ”，i t s t u d i e s d e e p l y t h ew o r k m e c h a n i c sa n do p t i m i z a t i o n d e s i g n o f g r a v e lp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n t h r o u g h t h e o r ya n a l y s i s 、m o d e lt e s ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i r s t l y ，u s i n g t h et h e o r yo fr o u n d h o l ee x p a n s i o nt od e s c r i b et h ea c tb e t w e e n g r a v e lp i l ea n ds o i lr e g a r d e da st h ep l a n ea x i a l l ys y m m e t r i cp r o b l e m ，t h ec a l c u l a t i o n f o r m u l ao fp i l e - s o i ls t r e s sr a t i o a n d b e a r i n gc a p a c i t y o f g r a v e lp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nc a nb eg o ti nt w od i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，c o n s i d e r i n gt h ee x p a n s i o ni n f l u e n c e a r e a s e c o n d l y b a s e do nt h er e s e a r c ho fm o d e lt e s tb e f o r ea n ds i m i l a r i t y t h e o r y ， s i m i l a r i t yr u l e so ft h em o d e lt e s to fg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s d e d u c e db y u s eo fd i m e n s i o na n a l y t i c a lm e t h o da n da s e to f l a r g e - s c a l el a b o r a t o r y m o d e l e x p e r i m e n to fg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e d ，s o m e u s e f u le x p e r i m e n t a ld a t aa r eo b t a i n e d ，a n df r o mw h i c h ，t h er e l a t i o n s h i po fp o r ew a t e r p r e s s u r ew i t hl o a da n dp i l e s o i l s t r e s sr a t i ow i t ht i m ea r eg a i n e d m o r e o v e r ，w o r k m e c h a n i c so f g r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni ss t u d i e d t h i r d l yc o m b i n i n g w i t hs o f t s o i lt r e a t m e n ti n l i n c h a n gf r e e w a y ，t h e w o r km e c h a n i c sa n di n f l u e n c ef a c t o r so f p i l e s o i l s t r e s sr a t i oo fg r a v e l p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nu n d e rt h es u b g r a d ea r e a n a l y z e dd e e p l yb yf l a ca n a l y s i sp r o g r a m ，t h e s t r e s si nt h ec o n s o l i d a t e da r e ab y g r a v e lp i l ec a r lb eg o ta n dt h ep r i m a r yf a c t o r so fp i l e s o i l s t r e s sr a t i oa r ep o i n t e do u t i no r d e rt og u i d et h ed e s i g no fg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n l a s t ，d e s i g nt h e o r y o fg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nb yc o n t r o lo fb o t t o md i s p l a c e m e n ti ss u g g e s t e d ， a n d t h r o u g h a p r a c t i c e ，t h ep r o c e s s o fc a l c u l a t i o ni s i n t r o d u c e d ，t h e r e f o r e t h e a p p l i c a b i l i t yi ne n g i n e e r i n g i sp r o v e d k e yw o r d s ：g r a v e lp i l e ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；w o r km e c h a n i c s ；m o d e le x p e r i m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d e s i g nb yc o n t r o lo f d i s p l a c e m e n t 湖南大学 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 何其他个人或集体己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：专堤堪产日期：御4 年4 月j 7 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：吨兆王幕p 导师签名：盔兰磐纾 咖 q 7 ( 7 ，1 日期：2 , d q 中年卑月i 勺日 日期：伊。屯年争月印日 硕 学化论文 第1 章绪论 我国地域辽阔，地质情况复杂多变，其中软土在我国分布广泛，这给公路工 程建设带来了极大的困难和隐患，成为公路工程关键问题之一。道路选线时应尽 可能避开软土地区，但有时为满足线形的要求，不得不经过软土地区。在软土地 区修建公路，高路堤存在稳定性差和过大的变形沉降，而低路堤在交通荷载作用 下，常使道路沉降变形，严重影响道路的质量和使用，由此造成的经济损失是很 巨大的。因此在软土地基上修筑公路，特别是高等级公路，地基的处理和路基工 程的施工显得至关重要。 1 1 软土的工程特性 国内外对软土均无统一定义，我国铁路、建筑及交通部门对软土的定义也不 尽相同。 一、我国铁路部门 1 1 建议下列物理力学指标作为区分软土的界限： 天然含水量溅近或大于液限； 孔隙比e l ； 压缩模量e 。 4 0 0 0 k p a ； 标准贯入击数n 6 3s 2 ： 静力触探贯入阻力p 。 7 0 0 k p a ： 不排水强度c u 2 5 k p a 。 二、我国建设部【2 1 规定凡符合以下三项特征即为软土： 外观以灰色为主的细粘土： 天然含水量大于或等于液限： 天然孔隙比大于或等于1 0 。 三、我国交通部行业标准13 1 将软土定义为“滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天 然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土”。其鉴定标准为： 天然含水量3 5 与液限： 天然孔隙比1 0 ； 十字板剪切强度 3 5 k p a 。 t e r z a g h i 和p e c k i ( 1 9 6 7 年) 将无侧限抗压强度q 。小于2 5 k p a 的粘土称作“很 软的”，而将强度在2 5 5 0 k p a 的粘土称作“软的”。而国外一些论文中将不排水 抗剪强度小于4 0 k p a 的粘性土称为软粘土。 日本道路公团1 9 8 7 年例提出的软土地基的标准如表1 1 。 辟4 i 桩复合地基乐载机理及优化改计i i j i = 宄 表11 软土地基的标准( 1 9 8 7 年日本道路公团) 地层泥炭质地基枯土质地基砂质地基 层厚 1 0 m n ( 标准贯入击数) 4 6 1 0 q 。( 无侧限抗压强度k p a ) 6 0 l o o q 。( 荷兰式贯入指数k p a ) 8 0 0 1 2 0 0 4 0 0 0 在德国1 4 ，软土指“很容易搓捏的土”，相当于软塑状态的土；而将液塑状的 土称为“浆糊状土( 拳头紧握它时，会从指缝间挤出) ”。 综上所述，软土是指天然强度低、孔隙比大、压缩性高、透水性小的软粘土， 有区别于象松砂那样的松软土层。 1 1 1 软土的主要物理力学特征 根据国内外各行业对软土的描述，归纳起来，天然软土主要具有以下物理力 学特性1 4 j ： 含水量高 淤泥和淤泥质土的含水量多为5 0 7 0 ，液限一般为4 0 6 0 ，天然含 水量随液限的增大而增加。 孔隙比大 天然软土的孔隙比往往要比同一垂直压力下的重塑土的孔隙比高出o 2 0 4 。 渗透性小 软士其渗透系数一般在l 1 0 “1 x1 0 培c m s 之间。而大部分淤泥和淤泥质土 地区，由于该土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉砂、细砂、粉士等，故在垂 直方向的渗透性比水平方向要小。 压缩性高 淤泥和淤泥质土的压缩系数a i 一2 一般为o 7 1 5 m p a 一，最大达4 5 m p a ，且 随着土的液限和天然含水量的增大而增高。 抗剪强度低 软土的抗剪强度与加荷速度及排水固结条件密切相关。不排水三轴快剪所得 抗剪强度值很小，且与其侧压力大小无关，即其内摩擦角为零，粘聚力一般都小 于2 0 k p a ；真剪快剪内摩擦角般为2 。5 。，粘聚力为1 0 1 5 k p a ：排水条件下 的抗剪强度随固结度的增大而增大，固结快剪的内摩擦角可达8 。1 2 。，粘聚力 为2 0 k p a 左右。 触变性 由于软土的结构性在其强度的形成中占据相当重要的地位，所以触变性也是 软土的一个突出特点。软土的触变性是指土体强度因受扰动而降低，又因静置而 硕十学位论文 增睦的特性。在地基处理过程中，软土会因打桩扰动而引起孔隙压力增加，随后 随着i l 隙压力的消散，会引起地面沉降和负摩擦。因此在工程中保护天然软粘 土结构具有重要意义。 1 1 2 软土的工程性质 软土无论按成因还是按土质划分，种类很多。但它们都具有以下几个方面的 共同工程特性i “。 颜色以深色为主；粒度成分以细颗粒为主，有机质含量高： 天然含水量高，容重小，天然含水量大于液限，超过3 0 以上：相对含水 量大于i 0 ；软土饱和度高达1 0 0 ，甚至更大，天然容重为i 5 i 9 k n m 3 ； 天然孔隙比大，一般大干1 0 ； 渗透系数小，一般小于1 0 - 6 c m s 数量级，沉降速度慢，固结完成所需时间 较长； 粘粒含量高，塑性指数大： 高压缩性，压缩系数大，基础沉降量大，一般压缩系数大于o ，5 m p a 一； 强度指标小，软土的快剪粘聚力小于1 0 k p a ，快剪内摩擦角小于5 。；固结 快剪的强度指标略高，粘聚力小于15 k p a ，内摩擦角小于1 0 0 ； 软土的灵敏度高，灵敏度一般在2 1 0 之间，有时大于l o ，具有显著的流 变特性。 1 2 复合地基 由于我国软弱地基类别多，分布广，自改革开放以来，土木工程建设规模日 益扩大，发展速度很快，但我国是发展中国家，建设资金短缺，因此如何在保证 工程质量前提下，节省工程投资就显得十分重要。复合地基技术能够较好利用增 强体和天然地基两者承担建( 构) 筑物荷载的潜能，所以具有比较经济的特点。 复合地基技术近年来在我国得到重视、发展是与我国工程建设对它的需求分不丌 的。同时，自国外1 9 6 2 年首次开始使用“复合地基”( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 一 词以来，复合地基的概念已成为很多地基处理方法的理论分析及公式建立的基础 和根据n “。 1 2 1 概述 所谓复合地基，般可认为由两种刚度( 或模量) 不同的材料( 桩体或桩问 土) 所组成，在相对刚性基础下两种共同分担上部荷载并协调变形( 包括剪切变 形) 的地基。其研究方法经常是在众多根桩所加固的地基中，选取根桩及其影 响的桩周土所组成的单元体作为研究对象。 碎f i 桩复合地基承载机理及优化设汁研究 复合地基与天然地基同属地基范畴，为此，两者间有内在联系，但又有本质 区别。复合地基与桩基都是采用桩的形式处理地基，故两者有其相似之处，但复 合地基属于地基范畴，而桩基属于基础范畴，所以两者又有其本质区别。复合地 基中桩体与基础往往不是直接相连的，它们之间通过垫层( 碎石或砂石垫层) 来 过渡；而桩基中桩体与基础直接相连，两者形成一个整体。因此，它们的受力特 性也存在着明显差异。 复合地基的主要受力层在加固体内，而桩基的主要受力层是在桩尖以下的一 定范围内。由于复合地基理论的最基本假定是桩与桩周土的协调变形。为此，从 理论而言，复合地基中也不存在类似桩基中的群桩效应。 复合地基犹似钢筋混凝土，其中地基中的桩体有如混凝土中的钢筋。它的实 质就是考虑桩、土的共同作用，这无疑较之仅仅认为荷载由桩体来承担要经济和 合理。 、复合地基的分类 ( 一) 桩体如按成桩所采用的材料可分为： 散体土类桩如碎石桩、砂桩等： 水泥土类桩如水泥土搅拌桩、旋喷桩等； 混凝土类桩树根桩、c f g 桩等。c f g 桩是碎石桩的发展，即在加进一 些岩屑的同时，还加入粉煤灰、少量水泥以及水拌和制成低强度等级的混凝土， 因而归入混凝土类桩。 ( 二) 桩体如按成桩后桩体的强度( 或刚度) 可分为： 柔性桩散体土类桩属于此类桩； 半刚性桩水泥土类桩： 刚性桩混凝土土类桩。 半刚性桩中水泥掺入量的大小将直接影响桩体的强度。当掺入量较小时，桩 体的特性类似柔性桩；而当掺入量较大时，又类似于刚性桩，为此，它具有双重 特性。 由柔性桩和桩间土所组成的复合地基可称为柔性桩复合地基，其它依次为半 刚性桩复合地基、刚性桩复合地基。 二、复合地基的效用 桩体作用 i 土| 于复合地基中桩体的刚度较周围土体为大，在刚性基础下等量变形时，地 基中应力将按材料模量进行分布。因此，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载 将由桩体承担，桩问土上应力相应减小。 垫层作用 桩与桩间土复合形成的复合地基或称复合层。由于其性能优于原天然地基， 塑圭兰堡丝塞 它可起到类似垫层的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用。 加速圃结作用 不少竖向增强体或水平向增强体，如碎石桩、砂桩、土工织物加筋体间的粗 粒土等，都具有良好的透水特性，是地基中的排水通道。在荷载作用下，地基土 体中产生超孔隙水压力。由于这些排水通道有效地缩短了排水距离，加速了桩间 土的排水固结。此外水泥土类和混凝土类桩在某种程度上也可加速地基排水固 结。桩间土排水固结过程中，土体抗剪强度得到了增长。 挤密作用 一些复合地基在施工过程中对桩问土体有挤密作用。如振冲挤密碎石桩复合 地基、振动挤密砂石桩复合地基等。采用振动成桩施工工艺设置桩体的对桩间土 都有挤密作用。陈环( 1 9 9 0 年) 给出了桩间土强度因振冲碎石桩加固而增加的 百分数从r ( r 为天然土强度，a r 为强度增加值) 随土性变化的曲线。 其他作用 石灰桩、粉体喷射深层搅拌桩中的生石灰、水泥粉具有吸水、发热、膨胀作 用，对桩周土具有一定的挤密效果外，还与土体产生一系列物理化学作用；水平 向增强体，如土工织物、土工格栅、土工格室等，铺设于土体中，可起到约束土 体竖向变形的作用。 1 2 2 国内外复合地基研究水平与现状 随着地基处理技术的不断发展和复合地基技术在土木工程建设应用的推广， 各种各样型式的复合地基在工程建设中得到了广泛地应用。 复合地基的涵义随着其实践的发展有一个发展过程t ”】。初期，复合地基主要 是指在天然地基中设置碎石桩而形成的复合地基，人们将注意力主要集中在碎石 桩复合地基的应用和研究上。随着深层搅拌法和高压喷射注浆法在地基处理中的 推广应用，人们开始重视水泥土桩复合地基的研究。碎石桩和水泥土桩的差别表 现在前者桩体材料碎石为散体材料，后者水泥土为胶结材料。碎石桩属于散体材 料桩，水泥土桩属于粘结材料桩。随着水泥土桩复合地基的应用，复合地基的概 念发生了变化，由碎石桩复合地基这种散体材料桩复合地基逐步扩展到粘结材料 桩复合地基。随着减少沉降量桩和桩筏基础的应用和研究，以及各类低强度混凝 土桩复合地基的应用，人们将复合地基概念进一步拓宽。将粘结材料桩按刚度大 小分为柔性桩和刚性桩两大类，于是提出了柔性桩复合地基和刚性桩复合地基的 概念。随着土工合成材料在工程建设中的广泛应用，又出现了水平向增强体复合 地基的概念。黼之，双向复合地基也逐步发展起来。 由于复合地基技术能充分利用增强体和天然地基两者共同承担荷载的潜能， 因此比纯粹的桩基础要经济，因此近些年在我国得到了长足的发展。1 9 9 0 年在河 砰石梃复台地基承载机理及优化设计研究 北承德市，由中国建筑学会地基基础专业委员会黄熙龄院士主持召开了我国第一 次以复合地基为专题的学术讨论会，总结了复合地基技术在我国的应用情况， 同时有力地促进了复合地基理论和实践在我国的发展。龚晓南，川较系统总结了 国内外复合地基理论和实践方面的研究成果，提出了基于广义复合地基概念的复 合地基定义和复合地基理论框架，总结了复合地基承载力和沉降计算思路和方法。 1 9 9 6 年中国土木工程学会土力学及基础工程学会地基处理学术委员会在浙江大 学召开了复合地基理论和实践学术讨论会，总结成绩、交流经验，共同探讨发 展中的问题，促进了复合地基理论和实践水平的进一步提高。近年来复合地基理 论和实践研究日益得到重视，复合地基己成为一种常用的地基基础形式。 随着地基处理技术和复合地基理论的发展，近些年来，复合地基技术在我国 各地得到了广泛应用。目前我国应用的复合地基类型主要有：有多种施工方法形 成的各类砂石桩复合地基，水泥土桩复合地基，低强度混凝土桩复合地基，土桩、 灰土桩复合地基，钢筋混凝土桩复合地基，薄壁筒桩复合地基，加筋土地基等。 复合地基技术在房屋建筑( 包括高层建筑) 、高等级公路、铁路、堆场、机场、堤 坝等土木工程建设中得到广泛应用。复合地基技术的推广应用产生了良好的社会 效益和经济效益。 1 ，3 碎石桩复合地基发展概况 碎石桩( g r a v e l p i l e ) 又称粗颗粒土桩( g r a n u l a r p i l e ) ，是指用振动、冲击或 水冲等方式在软弱地基中成孑l 后，再将碎石压入己成的孔中，形成大直径的碎石 所构成的密实桩体。从碎石桩复合地基的特性分析，按桩材，碎石桩复合地基隶 属于散体土类桩：若按刚度来，碎石桩复合地基属柔性桩。 据h u g h e s 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) i - m 的资料介绍，碎石桩最早始于1 8 3 5 年在法 国b a y o n n e 地区建造兵工厂车间时曾使用过，但后来被人们所遗忘。直到1 9 3 6 年，由德国ss t e u e r m a n 提出用振动水冲法( v i b r o f l o t a t i o n ) ( 简称振冲法) 振密 砂土地基。5 0 年代末，振冲法开始用于加固粘性土地基，并成为碎石桩。 振动水冲法，简称振冲法，是利用振冲器强烈振动各压力水冲贯入到土层深 处，使松砂地基加密，或在软弱土层中填入碎石等无凝聚性粗粒料形成强度大于 周围土的桩柱并和原地基土组成复合地基，提高地基强度的加固技术。 1 9 3 7 年德国凯勒公司( k e l l e r ) 按斯图门( s t e u e r m a n ) 设计制造出具有现代 振冲器雏形的机具，并用于柏林市郊一幢建筑物地基。处理深度75 m ，处理后砂 基相对密实度由原来4 0 提高到8 0 ，承载力提高10 倍。斯图门到美国后，1 9 4 4 年成功加密了安德斯坝基( e n d e r s ) ，并得出振冲法可以有效地提高砂基相对密实 度的结论l “】。振冲法加密砂基的有效性和经济性越来越为人们所承认。 5 0 年代末和6 0 年代初，德国和英国相继把振冲法用来加固粘性土地基。如在 6 硕十学他沦文 德困纽伦堡有个工程，地基中有一层软粘土，施工时先在地基中利用振冲器造 2 o m 深的孑l ，填入块石再用振冲器将块石振捣密实。软粘土地基经过这样处理后 承载力显著提高。目前国内外已广泛采用振冲法制造碎石桩加固软粘土，并取得 良好的效果。 日本是多地震国家，1 9 5 7 年引进振冲法，并作为砂基抗震防止液化的有效处 理措施被广泛优选采用。 目前国外许多大型地基工程，如美国箱峡水电站、斯本索火电厂、卡尔隆原 子能电站，埃及的阿斯旺大坝水下吹填砂的加密，尼日利亚杰巴电站坝基，加拿 大伊斯曼坝坝体水下冰渍砾石加密，喀麦隆共和国拉格都水电站坝体水下回填租 砂砾加密等均采用了振冲法处理。振冲碎石桩处理的软粘土地基，如英国底斯港 料罐、汉敦港料罐( 直径1 6 6 6 m ) 、美国庞德雷湖公路以及大批工业与民用建 筑。 我国于7 0 年代中期引进振冲法加固技术，江苏省江阴市振冲器厂已正式投产 系列振冲器供应市场。二十多年来中国在大坝、道路、桥涵、大型厂房及工业与 民用建筑地基上广泛用振冲法加固。如在十字板强度低于2 0 k p a 的软粘土地基， 在含水量达2 0 6 的淤泥、泥炭地基采用振冲法加固都有成功的实例。并在以下 方面得到了长足的发展。 振冲法加固深水下软基 振冲法加固高层建筑软基 振冲法用于基础纠偏 振冲碎砖桩 深厚淤泥及特殊土地基的振冲加固 在振冲器机具方面，1 9 8 4 年，水电部北京勘测设计院自制成功了7 5 k w 的大 功率潜水电机振冲器，并在多项工程中使用。近年江阴振冲器厂也研制生产了 l o o k w 、1 2 5 k w 大功率的振冲器。大功率振冲器的出现，使振冲加固地基的应用 范围又跃上一个新高度。水电部北京勘测设计院曾用7 5 k w 振冲器在四川铜街子 水电站打穿了8 o m 厚漂卵石层成功地加密了下卧细砂：在昆明松华坝水库加密 了1 5 m 厚玄武岩风化碎石土坝壳；在昆明含水量5 0 9 0 的淤泥地基上经加 固后建成了1 2 层高楼等i js l 。这些都说明我国的振冲加固技术已经达到了世界先进 水平。 利用振冲法加固地基施工机具简单，操作方便，加固质量容易控制，旌工速 度快，适用于不同土类。加固时不需钢材、水泥，仅用碎石、卵石等当地材料， 造价低，具有明显经济效益。对砂基抗震防止液化处理更有独到的优越性。但施 工中排放污水、淤泥量大，在人口稠密地区和没有排污泥场地时使用受到一定限 制。 碎i 桩复合地基承载机理及优化j 盐计研宄 为了克服振冲施工排污泥缺点，各国都在研究干法振冲( d r yp r o c e s s ) 。从8 0 年代开始，一些单位纷纷开发了锤击碎石桩、振挤碎石桩和干振碎石桩等，强夯 碎石桩亦有应用。从制桩工艺和桩体材料方面进行了改进，如在碎石桩中添加适 量的水泥和粉煤灰( 称水泥粉煤灰碎石桩，简称c f g 桩) ，或添加铝土矿赤泥等， 使桩体获得一定的胶结强度。这种碎石桩按力学特性己属于柔性桩，但按制桩工 艺亦属干法碎石桩范畴。各种干法碎石桩技术蓬勃发展，与湿法( 振冲) 碎石桩 并茂，是当前碎石桩技术发展的特色之一。干法施工不用水，土全部被振冲器挤 到周围土体中。目前国内仅用于地下水位以上低灵敏度粘性土和杂填土地基。迄 今为止，新型的碎石桩主要有以下几种i 。 锤击碎石桩 锤击碎石桩又称干法碎石桩和弗兰基式碎石桩，是指采用重锤内击沉管和分 层击实填料工艺制造的碎石桩。中国由中南勘察设计院和武汉地质勘察基础工程 公司率先开发研制，随之在一些单位中得到推广。 干振碎石桩 干振碎石桩技术是对振冲碎石桩的直接改进，即以无水干振的“振孔器”取 代振动水冲的“振冲器”造孔和制桩，从而避免泥水污染环境及非饱和土遭水浸 软的缺点。由河北省建筑科学研究所等单位开发研制，1 9 8 5 年通过省级技术鉴定。 至1 9 9 0 年底，己用于五十余项工程，加固面积4 1 0 4 m 2 以上。 振挤碎石桩 振挤碎石桩是指以振动沉管打桩机为机具，模仿挤密砂桩工艺制造的碎石桩， 一般习称振动挤密碎石桩。此法由于可利用现成的机具和工艺( 同时作了改进) 因而已有不少单位应用。此技术优点为制桩效率高，穿透力强，能制较长的桩。 缺点为侧挤能力及桩体挤密能力稍低。 水泥粉煤灰碎石桩 水泥粉煤灰碎石桩技术特点为通过在碎石桩体中添加以水泥为主的胶结材料 ( 添加粉煤灰作用为增加混合料的和易性并有低标号水泥作用，同时还添加适量 石屑以改善级配) ，使桩体获得胶结强度并从散体材料桩转化为柔性桩。由中国建 筑科学研究院地基基础研究所等单位于1 9 9 0 年开始研究开发和试用。其机具和工 艺与振冲碎石桩大体相同。但亦可采用锤击碎石的机具和工艺制桩。桩料的配合 比可根据地层情况和加固要求通过试验确定，并在地面预先无水拌和。 强夯碎石桩 强夯碎石桩是采用强夯技术制造粗而短的“矮桩”形碎石桩( 或称碎石墩) ， 国外多称强夯置换法，是一种过渡型( 边缘型) 地基加固技术。国内已有少数单 位在一些工程中结合强夯使用。 中华人民共和国建筑行业规范l 中规定：“振冲法适用于处理不排水抗剪强度 坝十等： t 论文， 不小于2 0 k p a 的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基”。然而b a r k s d a l e 等 ( 1 9 8 3 ) 、w e l s h ( 1 9 8 7 ) 和j u r a n ( 1 9 8 8 ) 等都撰文指出，振冲法可适用c 。= 15 5 0 k p a 的地基土以及高地下水位情况 1 6 l 。j u r a n 等( 1 9 8 8 ) 指出，在他们统计的2 4 项工程中有7 5 的工程所加固的地基是软土和粉土，而c u 2 0 k p a 的情况占5 4 。 到目前为止，国内也有几项成功的工程，其地基土c u 2 0 k p a 。对c u 2 0 k p a 的饱 和软土地基的成功经验是：施工时要有一支素质很好的施工队伍：设计时应采用 大置换率( 0 3 0 4 ) ；为此，在当地碎石桩材料费用便宜，其他地基处理方法不 适宜的条件下可考虑采用，且其加固效果尚应通过现场试验确定。 1 4 本文的研究内容和工作 碎石桩处理高速公路软土路基是我国公路建设目前常用方法之一，其具有不 需钢筋、水泥和木材，施工简便造价低廉，不需预压，加固周期短等特点，但 其理论与试验研究工作尚有待深入探讨，尤其是桩土应力比、复合地基承载力等 的确定，为此，本文拟结合“高速公路软土路基处理研究及应用”课题，进行了 以下研究工作： ( 1 ) 深入调查现有的文献及工程经验，对碎石桩复合地基的形成、特点、设 计以及承载力、沉降和桩土应力比的确定进行比较全面的分析与研究； ( 2 ) 利用圆孔扩张理论模拟碎石桩桩体对桩周土体的作用，从而计算出桩土 应力比和碎石桩复合地基承载力； ( 3 ) 根据相似原理和碎石桩在公路工程中的应用，设计一组较大型的室内模 型试验，根据试验数据，进一步探讨了碎石桩复合地基的承载机理： ( 4 ) 利用f l a c 数值分析程序，并结合临长高速公路软土路基处理，对采用 的碎石桩复合地基处理的路段进行数值分析，并对桩土应力比的影响因素进行了 进一步研究： ( 5 ) 通过对碎石桩复合地基的数值分析结果的研究，引进优化分析方法，提 出了按沉降控制的碎石桩复合地基优化设计方法，并应用于工程实践，取得了良 好效果。 辟4 肋e 复合地基艰载机理及优化设计赴j f 究 第2 章碎石桩复合地基承载机理研究 根据六十多年来对振冲法加固松软土体的工程实践，松软土体或地基采用振 冲碎石桩法处理后，其工程性能大为改善。主要原因有两方面：一是直接加固了 松散土体，使土的密实度显著增加，强度增大、压缩性减小、抗震性能提高：二 是复合地基的工作效能提高。 2 1 碎石桩复合地基的特点 在松软土中构筑了剐度较软土大得多的碎石桩，组成复合地基，一起参与工 作，共同承担其上的荷载。在基础的整体变形下，通过桩、土的变形协调，大部 分荷载传递给刚度大、强度高的碎石桩体，土体上的负荷大为减小，故复合地基 的工程性能明显地改善，强度增大，沉降与不均匀沉降减小，而且沉降期亦大为 缩短m ”。但是对于不同土体，碎石桩改善其工程性态的机理有所差异。同时碎 石桩不同于一般刚性较大的钢筋混凝土桩和钢桩。它具有以下特点： 桩径较粗，一般在7 0 l o o c m ： 沿轴向可以是变直径的，由于振冲器的输出功率是预定值，因此随地基土 层不同所形成的桩径也随之不同； 碎石桩的刚度比地基土大，但又比钢材和混凝士小，它在受力过程中可以 适应较大的变形，与刚度较大的钢筋混凝土桩和钢桩相比，它是一种柔性桩： 碎石桩的受力过程必须与其周围土体共同作用，就其本质而言，它仍是地 基的一部分； 碎石桩是嵌固在土体中的散粒体桩，但碎石桩顶部承受荷载后，桩体就会 产生侧向膨胀，而周围土体会阻止其侧向膨胀，从而使得碎石桩的承载力受到其 周围土体强度的制约： 碎石桩的透水性较好，桩体一般有良好的排水作用，可加速软土地基的排 水固结。 碎石桩上述特点决定了振冲碎石桩复合地基具有以下工程特性： 承载能力显著提高。由于复合地基是由两种不同刚度的碎石和土体所组 成但地基上部荷载传递到复合地基上时，将发生压力重分布，从而导致部分压 力向刚度较大的碎石桩体上集中，这种压力集中现象必将显著地提高地基的承载 能力，减少其沉降量。同时，由于碎石桩能很好地在受力变形过程中与周围土体 相协调，使得不会出现钢筋混凝土桩和钢桩的所谓负摩擦一类问题，从而减少了 碎石桩承载能力的损失。 硕十学化论文 沉降量明显减少。由于复合地基中有刚度比周围土体大得多的碎石桩桩体 存在，碎石对土体的置换作用。使得复合地基的变形模量比天然地基的变形模量 大大提高：同时，复合地基作为一个复合土层，相当于在软基上形成了一个硬壳 层，这个硬壳层像垫层一样能起到压力扩散和均布荷载作用。值得一提的是，由 于振冲碎石桩的桩径随着地基土强度的不同而不同，因此振冲制桩将原来不均匀 的地基，通过制成的不同桩径，使强度不均匀的天然地基变成了强度比较均匀的 复合地基，从而可减小地基的不均匀沉降。 抗剪性能和排水效果提高。由于碎石桩本身的抗剪强度大干软土的抗剪强 度，同时，软土与碎石桩合成的整体，其抗剪强度也有相当大的增加，从而使得 复合地基的抗剪性能得以显著改善，这有利于提高地基的稳定。另一方面，由于 碎石桩的透水性较好，因此振冲碎石桩复合地基的排水性能也得以改善，这为加 速软土地基固结，减少地基的工后沉降提供了重要条件。 以上所述表明，振冲碎石桩是一种多快好省加固软土地基的方法。与预制混 凝土桩相比，碎石桩不需钢筋、水泥和木材，施工简单，造价低廉；与砂井和其 它排水固结法相比，碎石桩不需预压，加固周期短。该方法历经近半个世纪发展， 积累了丰富的工程实践经验，设计、施工和质量控制技术日臻成熟，值得大力推 广和应用。 2 2 承载机理分析 2 2 1 碎石桩改善松散砂类土形态的机理 碎石桩能直接改善了松散砂类土的性态，尤其是饱和松散砂类土的抗液化特 性 2 0 1 。对饱和松散砂类士，除增强地基的强度、减小其沉降外，砂土最常遭遇的 严重灾害是地基的地震液化，在地震区建筑工程，必须考虑饱和松砂地基的液化 危害性。众所周知，在强烈的地震动作用下松散的砂土和粉土，其本身具有很大 的震密性，土的孔隙要减小，但因短时间内充满土孔隙中的水难以即时排出，土 孔隙无法减小。土骨架呈松弛状态，土粒间的有效应力逐渐转变为超孔隙水压力。 随着振动的持续作用，土中超孑l 隙水压力不断地聚集、提高，当其值达到相应的 固结压力，粒间应力几乎为零，土粒悬浮即产生液化。因此，砂性土以及少粘性 土要产生液化必须具备三个条件，即疏松饱和、排水不及时和强烈的振动。而振 冲碎石桩正是直接改善前两个饱和疏松少粘性土本身的不利因素，这主要是通过 振密、排水减压以及预振效应所获得的结果。 一4 、振冲振密 饱和松砂经强烈振动，土粒将重新排列密实。美国米歇尔( m i t c h e l l ) 【2 l 】统计 振冲处理后的砂基其密实度都可达到7 0 以上，一般为7 5 以上。我国曾检测振 f i 5 | f i 枉上复台地基承载机理及优化i 5 计研究 冲效果较低的桩间土中心处砂土的密实度一般都达到7 5 以上。由于砂土振冲密 实，其孔隙大为减小，从而减少沉降，提高砂土的强度和砂基的承载力，消除液 化的可能性。根据震害调查表明，当地震烈度分别为7 、8 和9 度时，只要砂土的 密实度分别达到或超过5 5 、7 0 和8 0 ，即不产生液化。 二、排水减压作用 饱和松砂在振动作用下，趋向密实。由于孔隙中的水来不及排出，砂土难以 密实，致使砂土骨架松弛软化，粒间应力随着不断地振动逐渐转变为超孔隙水压 力，当超孔隙水压力达上覆土压力时，即产生液化。而密实的砂土无振缩趋势， 故不产生液化。即使是饱和松砂土，因其中含有排水畅通的碎石桩，使桩间土产 生的振动超孔隙水压力的水迅速地由碎石桩体排出，土中孔隙水压力亦随之减小， 难以聚集提高，从而消除或减小液化的可能性。美国加州大学西特( h b s e e d ) 与波克尔( j r b o o k e r ) 教授 2 2 1 的研究表明，当碎石桩桩径与桩距之比达到0 2 5 时，砂基的任何部位都不会产生液化。 三、预振效应 西特等【2 2 l 试验表明经预振过的砂土，虽其振后的密实度仅为5 4 ，而其抗地 震液化的能力却相当于密实度为8 0 的未经预振的砂土抗地震液化的能力。我国 化工部、冶金部、水电部及建研院等十个单位，曾在大兴现场进行了联合试验、 测定，表明采用振冲碎石桩处理过的砂基，其振动孔隙水压力较未处理的砂基降 低2 3 左右，该复合地基已具有良好的抗8 度地震液化的能力。 2 2 2 碎石桩对改善软粘性土形态的作用 对于粘性土地基( 特别是饱和软土) ，由于土的粘粒含量多，粒间结合力强， 渗透性低，在振动力或挤压力的作用下，土中的孔隙水不易排出，故在振冲碎石 桩的施工中，软土难以振挤密实。并且由于受振冲置换、填筑碎石桩的一系列振、 冲、挤压等强烈的扰动，桩周围的土体往往会出现超孔隙水压力，从而导致原地 基土的强度降低。制桩结束后，一方面原地基土的结构强度会随时间逐渐恢复： 另一方面孔隙水压力会向桩体转移扩散，结果是有效应力增大，强度提高和恢复， 甚至超过原土体强度。通过电镜摄片观察，发现土的微观结构亦大为改善土的 某些不稳定的结构改变为稳定的结构、孑l 隙减少，孔洞明显地变小或消失等等。 故在制桩后休噩一段时间，桩周软土的强度不仅可恢复，而且还有所增长。因此， 旌工结束后，除砂土地基外，应间隔一定的时问后方可进行质量检测，否则会出 现暂时的假象。虽然振冲碎石桩法对粘性土地基的处理经过一段时间后其强度 也会有一定的提高，但毕竟不像砂类土那样显著，非改善软土本身性态的主要原 因。通过调整碎石桩级配，则所制成的碎石桩是粘土地基中一个良好的排水通道， 大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，加速软土的排水固结，使沉降稳定加快。 坝十学何论文 2 3 桩土应力比计算 随着以碎石桩为代表的散体材料桩复合地基在软土地基加固中的广泛应用， 对碎石桩复合地基的理论和实践研究也f 1 益深入。碎石桩复合地基承载过程中， 应力有向桩体集中的趋势，桩土应力比l t 值反映了复合地基的承载性状，对于分 析计算碎石桩复合地基桩土应力比，国内外众多学者做了大量的理论和实践工作。 根据各种不同的受力分析方法以及对碎石桩工作性状的不同假设，已提出了多种 方法计算碎石桩复合地基的桩土应力比。 2 3 i 桩土应力比影响因素 桩土应力比是复合地基的一个重要的设计参数，它反映了复合地基的工作状 态，实质上是指作用在桩体上的载荷密度与作用在桩间土体上的荷载密度之比。 到目前为止，国内外学者结合具体的地基处理形式作了大量工作，在各自的假定 上提出了一些桩土应力比的计算式。由于土体和桩体的实际应力应变关系比较复 杂，至今尚无一个被工程界普遍接受的较为完善的计算模式。在实际工程应用中， 常常通过现场足尺模型试验测定桩土应力比来指导工程设计。 近年来，人们对桩土应力比的确定及影响因素通过现场测试和理论分析开展 了一系列的研究工作。复合地基在均布荷载作用下，刚性承台下桩体顶面和桩问 土上的反力都不是均匀分布的。在复合地基理论分析中桩顶应力和桩闻土应力是 指作用在桩顶面上和桩间土上的平均应力，桩土应力比是指两者的平均应力之比。 复合地基桩土应力比的大小主要与六个因素有关： 荷载水平 0123456 荷载p r , 】 u 4i - 壬 瑶3 -。 砻2 一- j ： 荷载p r , 粘性十碎石桩复合地基砂性土碎石桩复合地基 圉2 i 碎石桩荷载一桩土应力比关系 土的实际应力应变关系是非线性的，大多数桩体材料的应力应变关系也是非 线性的，两者的刚度相差又较大，随