（岩土工程专业论文）超轻材料桩复合地基处理软基的可行性研究.pdf

摘要 在软土地基处理方法中，刚性桩复合地基由于桩体自重及刚度过大的缘故容易发生 刺入破坏，甚至在施工成桩期间就深陷于软基中不能起到处理地基的作用；散体类的柔 性桩复合地基往往由于桩间土不能提供足够大围压而发生鼓胀破坏：排水处理方法需要 足够宽裕的工期；换填法一般只是针对浅层软土等等。论文根据极软的软土地基处理的 需要，避免现有软基处理方法的不足，提出了应用超轻材料作为复合地基竖向增强体进 行软土地基处理的新方法。 本文应用m a r c 有限元分析软件试算出在拟定工况下的超轻材料桩体的基本参数。 根据数值计算得到的桩体材料参数，在工程实际中优选可行材料，首选聚苯乙烯泡沫塑 料( e p s ) 。e p s 在处理软基中利用其独特的物理力学性质减小土中附加应力以及提供一 定的上浮力来达到处理效果并且能够很好地避免普通处理方法的不足。通过有限元对比 分析发现在极软的路基中，当普通材料桩复合地基和超轻材料桩复合地基达到同等的处 理效果时，前者的桩长要远长于后者的桩长；通过离心模型试验，对e p s 桩复合地基的 受力变形以及破坏形态做了较为系统的研究，并且和未处理软基的沉降变形进行对比分 析，e p s 桩复合地基以其平缓的地表沉降和良好的工作状态显示了良好的软土地基处理 效果。分析成果表明采用超轻材料桩复合地基处理软基是可行的。 关键词：m a r c 软件，e p s ，复合地基，软土路基，离心模型试验 a b s t r a c t i nt h et r e a t m e n t so fs o f ts o i lf o u n d a t i o n , r i g i dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t ht h et o o l a r g ed e a d w i g h ta n dr i g i d i t ya l w a y sc a nn o tp l a yar o l ei nd e a l i n gw i t ht h ef o u n d a t i o nb e c a u s e o ft h ep u n c h i n gf a i l u r eo re v e nf a l l i n gi n t ot h es o f tf o u n d a t i o nd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n ； n o n - u n i f o r mt y p ef l e x i b l ep i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no f t e no c c u r st h es w e l l i n gf a i l u r eb e c a u s e o ft h es o i lb e t w e e np i l e sc a nn o tp r o v i d ee n o u g hp r e s s u r e ；d r a i n a g et r e a t m e n t sn e e da d e q u a t e c o n s t r u c t i o np e r i o d ；r e p l a c e m e n tm e t h o d sg e n e r a l l yo n l ya i ma ts h a l l o ws o f ts o i l ，a n ds oo n a c c o r d i n gt ot h ed e m o n do fs o f ts o i lf o u n d a t i o nt r e a t m e n t sa n da v o i d i n gt h el a c ko fe x i s t i n g s o f t s o i lf o u n d a t i o nt r e a t m e n t s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h en e wm e t h o dt h a tu s i n gs u p e rl i g h t m a t e r i a la st h ev e i r c i c a lr e i n f o r c e m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nt od e a l i n gw i t hs o f t s o i l f o u n d a t i o n u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ( m a r c ) t oc a l c u l a t et h eb a s i cp a r a m e t e r so f s u p e rl i g h tm a t e r i a lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni n t h ea s s u m e dc o n d i t i o n a c c o r d i n gt h e m a t e r i a lp a r a m e t e r st os e l e c tt h ef e a s i b l em a t e r i a l s ，a n dt h ep r e f e r r e dm a t e r i a li sf o a m e d p o l y s t y r e n e ( e p s ) e p su s i n gi t su n i q u ep h y s i c a lt od e c r e a s et h ea d d i t i o n a ls t r e s so fs o i la n d p r o v i d eb u o y a n c yt oa v o i dt h ed e f i c i e n c i e so fc o m m o nm a t e r i a l sp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni n d e a l i n gw i t ht h es o f ts o i lf o u n d a t i o n b yf i n i t ee l e m e n tc o m p a r a t i v ea n a l y s i sf o u n dt h a t ，w h e n t h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no fc o m m o nm a t e r i a l sa n ds u p e rl i g h tm a t e r i a lt oa c h i e v et h es a m e t r e a t m e n te f f e c ti ns o f tr o a d b e d ，t h ef o r m e rn e e dt os e tu pal o n g e rl e n g t h , t h el a t t e ro nt h i s p o i n ti sb e t t e rt h a nt h ef o r m e r ；t h r o u g h t h ec e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ，f o r mas y s t e m a t i cr e s e a r c h o nt h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r em o d eo fe p sp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n , m e a n w h i l et h e s e t t l e m e n td e f o r m a t i o n so fs o f t s o i lf o u n d a t i o nw i t h o u tt r e a t m e n ta n de p sp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nw e r ec o m p a r a t i v ea n a l y z e d ，e p sp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ns h o w si t sa d v a n t a g e s i nd e a l i n gw i t hs o f tf o u n d a t i o na g a i nf o ri t sg e n t l ys u r f a c es e t t l e m e n ta n dg o o dw o r k i n g c o n d i t i o n s a n a l y s i so ft h er e s u l t ss h o w e dt h a tu s eo fs u p e rl i g h tm a t e r i a lp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nt od e a lw i t ht h es o f ts o i lf o u n d a t i o ni sf e a s i b l e k e yw o r d s ：m a r cp r o g r a m , e p s ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n , s o f ts o i lr o a d b e d ，c e n t r i f u g a l m o d e lt e s t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： b 艿年广月2 j 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名 为杠 乙鹏年r 月习日 溯年厂月刁日 长安大学硕十学位论文 1 1 软土及软土地基处理概述 第一章绪论 软土是一种区域性的特殊土，是在一定的地质条件下形成的，具有变形大、承载力 低等特点。在浅层的地基中分布有软土的地区工程建设需要特别重视软土的工程特性， 采取有针对性的技术措施以使建设工程取得使用安全、经济合理和技术先进的效益。 软土的工程性质取决于软土的成因和成分，也取决于地层的构造，即软土的厚度、 埋藏深度及其与上覆或下卧的比较坚硬土层的相对位置，因此在研究软土的工程性质 时，必须注意其成因类型及构造【1 1 。 1 1 1 软土的定义及其成因类型 1 软土的定义 软土在英语词汇里，习惯称为s o f tc l a y ，译为软粘土。我国通常称为软土，在浅层 的地基中分布有软土的地区，成为软土地区。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范( 盯j0 1 7 9 6 ) 【2 】中定义软土是滨海、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。 铁路工程设计技术手册t 3 q b ，对软土的解释为：“软土是指在静水或缓慢的流水 环境中沉积，经生物化学作用形成的饱和软弱粘性土。” 建筑岩土工程勘察基本术语标准( j g j8 4 9 2 ) 【4 1 的解释是：“软土，s o f tc l a y ， 天然含水量大、压缩性高、承载力低、软塑到流塑状态的粘性土。” 岩土工程勘察规范( g b5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 【5 】将软土划归为“特殊土”，定名的标准规 定为“天然孔隙比大于或等于1 0 ，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土，包括 淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。” 由上可见，国内各部门对软土的定义虽然不尽相同，但可归纳为软土是一种天然含 水量高( 接近或大于液限) 、压缩性高( a o 5m p a 一) 、天然孔隙比大( 一般大于1 ) 、 抗剪强度低的细粒土。主要包括淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等【6 】口 2 软土的成因与分布 软土岸沉积环境分类主要有下列几种类型： ( 1 ) 滨海沉积 第章绪论 滨海相：常与海浪岸流及潮汐的水动力作用形成较粗的颗粒( 粗、中、细砂) 相 掺杂，使其不均匀和极松软，增强了淤泥的透水性能，易于压缩固结。 泻湖相：颗粒微细、孔隙比大、强度低、分布范围较宽阔，常形成海滨平原。在 泻湖边缘，表层常有厚约0 3 2 o m 的泥炭堆积。底部含有贝壳和生物残骸碎屑。 溺谷相：孔隙比大、结构松软、含水量高，有时甚于泻湖相。分布范围略窄，在 其边缘表层也常有泥炭沉积。 三角洲相：由于河流及海潮的复杂交替作用，而使淤泥与薄层砂交错沉积，受海 流与波浪的破坏，分选程度差，结构不稳定，多交错成不规则的尖灭层或透镜体夹层， 结构流松，颗粒细小。如上海地区深厚的软土层中有无数的极薄的粉砂层，为水平渗流 提供了良好的条件。 ( 2 ) 湖泊沉积 湖泊沉积是近代淡水盆地和咸水盆地的沉积。沉积物中夹有粉砂颗粒，呈明显的层 理。淤泥结构松软，呈暗灰、灰绿或暗黑色，厚度一般为l o m 左右，最厚者可达到2 5 m 。 ( 3 ) 河滩沉积 主要包括河漫滩相和牛轭湖相。成层情况较为复杂，成分不均一，走向和厚度变化 大，平面分布不规则。一般常呈带状或透镜状，间与砂或泥炭互层，其厚度不大，一般 小于l o m 。 ( 4 ) 沼泽沉积 分布在地下水、地表水排泄不畅的低洼地带，多以泥炭为主，且常出露于地表。下 部分布有淤泥层或底部与泥炭互层。 3 我国软土的工程特性【6 】 我国各地的软土都有近似相同的共性，主要表现在： ( 1 ) 含水量较高，孔隙比较大 软土含水量在3 5 8 0 之间，孔隙比一般在1 0 - 2 0 之间。软土的这一特性反映了 土中矿物成分与介质相互作用的性质。在软土中粘土粒组和粉土粒组的含量相对较高， 粘土矿物颗粒加剧了土粒与水的作用，使含水量较高；土颗粒粒组较小，易形成具有较 大孔隙的各种絮状结构。高含水量、大孔隙比是软土的基本物理特征，直接影响到土的 压缩性和抗剪强度，含水量越大，土的抗剪强度愈小、压缩性越大。因此，降低含水量 和缩小孔隙比是软土地基处理的重要内容。 ( 2 ) 抗剪强度低 2 长安大学硕七学位论文 我国软土的天然不排水抗剪强度一般为f 。= 5 2 5k p a ，且正常固结软土的不排水 抗剪强度往往随距地表深度的增加而增大，一般每米深度增长值为1 - 2 k p a 。在外荷载作 用下，软土的渗透固结，会使其强度显著增长。因此，加速软土层渗透固结的速率，是 改善软土强度特征的一项有效途径。软土抗剪强度试验值与试验方法、排水条件等密切 相关，如采用固结不排水剪c 、p 值将有所增大。 ( 3 ) 压缩性较高 一般正常固结软土层的压缩系数为口m = 0 5 1 5m p a ，最大可达4 m p a ；压缩 指数约为c 。= 0 3 5 0 7 5 。天然软土层的应力历史一般为正常固结土，但是也有部分土 层处于超固结状态，而近代海相或河湖相沉积物，一般处于欠固结状态。显然，软土固 结状态对地基的沉降变形特性有着重要的影响。在其他物理性质指标相同情况下，软土 液性指数越大，压缩性越高，这是因为土颗粒矿物成分对其压缩性具有明显影响。 ( 4 ) 渗透性很小 软土层的渗透系数般为k = 1 0 西10 - 8 c m s ，当有机质含量较高时，k 值还会下 降，软土在外荷载附加应力作用下的渗透固结速率很慢，当软土层较厚时( 例如1 0 m ) ， 往往需要数年或更长的时间，才能达到较大的固结度( 例如9 0 ) 。但是，一般软土层 的渗透性具有明显的各向异性，水平向渗透系数往往高于垂直向的渗透系数，尤其是存 在水平砂夹层时更为明显。我国沿海地区和部分内陆沉积往往有薄层粉土或细砂层与软 粘土交替成层状，此时水平向渗透系数k 常较垂直向渗透系数k ，大得多，不利于地基 的预压加固。 ( 5 ) 结构性明显 软土一般为絮凝结构，尤以海相软土更为明显。这类结构性强的土，一旦其结构受 到扰动或破坏，土体强度将明显降低，甚至呈现流动状态。我国沿海软土的灵敏度 s = 4 8 ，属于高灵敏土。软土扰动后，随静置时间的增长，其强度能有所恢复，但 极缓慢且一般不能恢复到原有结构的强度。在地基处理中或地基基础旌工中，如何减小 对这类结构性强的土层的扰动，将直接影响到施工效果。 ( 6 ) 流变性显著 在外荷载作用下，土体的主( 渗透 固结已完成，虽荷载保持不变，但土体在长期 第一章绪论 荷载作用下，因土骨架粘滞蠕变而发生随时间而变化的变形，土内粘土颗粒含量越多， 这种特性越明显。蠕变的速率一般都很小，它也随土中剪应力值而变化，有试验表明当 应力低于不排水剪切强度5 时，蠕变最后趋于稳定；应力高于不排水强度的7 0 时速 率保持不变，继续产生可观的次固结沉降甚至渐增直至破坏。 软土作为地基，其变形稳定的时间很长。在自然界可保持潜液态，一经扰动很容易 破坏其结构而流动，在干燥时体积收缩很大，有时可达5 0 9 0 。因此，软土的主要 工程地质问题是地基沉降和稳定性【7 1 。 1 1 2 现有软土地基处理的措施 地基处理从原理上可以分为置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等基本方 法。值得注意的是，很多地基处理的方法同时具有多种处理效果，如碎石桩具有置换、 挤密、排水和加筋的多重作用；石灰桩又挤密又吸水，吸水后又进一步挤密等，因而选 用处理方法时应考虑其可能具有的处理效果【引。 1 公路工程中的各种软基处理方法有【7 】： ( 1 ) 填土预压，等载预压，超载预压 处理原理：利用土层固有排水通道，加压排水固结。 适用范围：适用于路基稳定沉降量小的路段。 工程特性：施工简单，工期长。超载预压需要土方两次调运。 ( 2 ) 换土 处理原理：置换作用。 适用范围：适用于清淤回填。 工程特性：施工简单，费用高。 ( 3 ) 强夯 处理原理：冲击能量波可以改变土体的物理力学性质，增加路基的稳定性，减小沉 降，增强抗液化能力。 适用范围：适用于加固碎石土、砂土、低饱和土和粘土，对泥炭也可采用此法处理。 工程特性：施工工艺简单，施工速度快，工期短，无须添加特殊材料，费用低，对 周围环境影响大。 ( 4 ) 反压护道 处理原理：增加抗滑力矩，防止路堤滑动破坏。 4 长安大学硕十学位论文 适用范围：适用于路堤高度不大于极限高度地基，一般不大面积使用，多在桥台高 填土地段局部使用。 工程特性：施工工艺简单，费用低，但公路用地增大。 ( 5 ) 排水处理( 如表1 1 所示) 表1 1 排水处理法的处理原理、适用范围和工程特点 处理方案处理原理 适用范同 工稃特性 砂垫层主要 适用于填土高度小、软七层薄、施j 二方便，费用较 砂垫层增加水平方面的埋深浅、无硬壳层、排水性好、工低，但预压时间长，常 排水能力；砂井和期不太紧的软土路基与竖向排水结合使片j 排 塑料排水板增加适用于软土厚度大、路堤稳定、相对于普通砂井， 水 袋装砂井 竖直方面的排水填七高的软十路基。如果天然十层用砂量少、施上方便、 处能力，同时缩短了的水平性比垂直方向的大，或软土快捷，此法一般不单独 理水平方面的排水中有薄层粉细砂夹层时，效果会更使用 距离。但填土时间好。不适用于次同结量占很大比例与袋装砂井相比， 塑料排水板 较长，施1 二时应严的土类，如泥炭、有机质粘土和高 具有施工速度快效率 格控制填土速率塑性粘土 高，施- 机械轻便 ( 6 ) 复合地基( 如表1 2 所示) 表1 2 复合地基处理法的处理原理、适用范围和工程特点 处理方案处理原理适用范同工程特性 水泥掺入 适用于强度低压缩 比1 5 性，排水性能差的软土， 施工工艺较复杂，造 水泥掺入 同化剂( 水泥、石灰、 尤其是2 0 m 深度范围内价较高，只适用于埋深较 比1 0 + 粉 二灰) 与土强制搅拌，产 无理想持力层的软土基浅的软士，处理效果可靠， 煤灰5 生物理、化学作用，达到 地。水泥土桩适用于含砂粉煤灰对水泥强度的影响 二灰( 生石 提高地基承载力、减少沉 量较大的软土：石灰土桩需做试验确定，二灰桩也 灰：粉煤灰 降的目的 适用于含砂量较小，没有 需通过试验来确定 = l ：3 ) 掺入 滞水砂层的软土 比3 0 对砂土、粉土和碎石 适用于加同松散的非 复 挤密碎石 土具有挤密和置换作用；施工工艺较复杂，造 合 对于粘土和填土以置换为 饱和( 含水量小于2 5 ) 价高，施工时对周围环境 地 ( 或砂) 桩的粘性土，不适宜加固砂 影响大 主，兼有不同程度的挤密 土 基和排水作用 挤密石灰生石灰与水反应形成适用于含水量大、排水性 施工工艺较复杂，造 ( 或二灰)桩身强度，同时桩体膨胀，差、没有滞水砂层的软土价高，受地下水影响较大， 桩 增加强度，挤密桩间士路基 施工前须先做试验 轻质路堤轻质填料能较好地解 适用于沿线轻质填料( 如 施工较复杂，沿线资 ( 工业废决软土地基的沉降和稳定 粉煤灰) 丰富的软土路基源少造价较高 渣) 问题 土工织物增强路基稳 适用于沉降量不大的路 定性，减小路基的差异沉 施工工艺简单，费用 加筋路堤基，可用于整治翻浆，或 相对较低 降，提高路基的水平横向 用做路基的反滤层 排水能力 第章绪论 2 常用软土地基处理方法的几种组合 ( 1 ) 砂挚层与排水固结法并用。不仅施工机械作用容易，同时对排水层也能起到 一定的作用。 ( 2 ) 在填土中央采用竖向排水井，坡脚处采用砂子加实桩。其作用是竖向排水井 法促进沉降，砂子加实达到稳定。 ( 3 ) 反压护道法与竖向排水法并用，由反压护道获得软土路基的稳定，由竖向排 水井法促进软土地基固结，如图1 1 所示。 图1 1 砂井与反压护道并用 ( 4 ) 填土预压法与反压护道法，或者填土预压法与砂子加实桩法并用。由填土预 压促进固结沉降，由反压护道或砂子加实桩达到软土路基的稳定。 ( 5 ) 填土预压法与竖向排水井法。这两种方法并用可加速固结沉降。 ( 6 ) 缓速填土加载法与竖向排水井法并用。以缓速填土加载达到软土路基的稳定， 以竖向排水促进软土地基的沉降。 ( 7 ) 反压护道与缓坡路堤是增加路堤稳定性和提高承载力的最简单有效的方法。 反压护道给路堤可能出现的圆弧滑动破坏和横向位移的趋势提供了抵消力。但考虑到公 路征地费用，有时反压护道的成本很高，这一原因影响着反压护道类型的最终确定，所 以反压护道一般较少应用，即使应用也尽量使反压护道的尺寸减小到最小限度。 ( 8 ) 反压护道与砂垫层、砂垫层与抛石挤淤法、反压护道与换土等并用。 此外尚可有多种组合，总之应根据现场实际决定最有效最经济的方法组合应用。 大气压法、降低地下水法、通电渗透法、药物注入固结法及设置构造物等方法，由 于受到一定条件的限制且不甚经济，故很少用于处理宽填土的软土地基。只有在当上述 方法无法处理的特殊涵洞或构造物基础及连接部位作为局部处理的手段。 3 国外几种软土路基处理方法 ( 1 ) 轻型填方法 在软土地基上填方等土工构筑物可能出现滑塌的稳定性问题和地基的固结沉降问 6 长安大学硕十学位论文 题。特别是由于填方荷载造成的地基固结沉降影响周围地基和附近构筑物的情况，因而 必须采取对策。软土地段路堤的沉降和稳定性取决于路堤填料的重量，利用轻质填料可 以增加路堤的稳定性和减少路堤的沉降量。为此，减轻填方荷载，进而减少地基固结沉 降量的轻型填筑方法最近倍受注目。 轻型填方法是利用大型泡沫苯乙烯块( 9 1o m m x18 2 0 m m x 4 0 m m ) 修筑轻型填方。泡 沫苯乙烯块的单位体积重量为0 0 2 - 0 0 4 9 c m 3 ，由于重量轻，便于运输，容易施工。在 挪威道路上使用后的1 5 年内，没有发现强度出现问题。 用泡沫苯乙烯作填方和桥台背填料使用，可以大幅度减小地基下沉和变形，防止出 现与构筑物连接处的纵向高低差，还可减少对周围地基的影响。 除了泡沫苯乙烯外，也可用粉煤灰或水淬渣作轻型填方材料。这些材料的单位容重 一般在1 1 3 c m 3 范围左右。粉煤灰路堤一般填筑在地下水位以上3 0 c m ，否则需设置 隔离层。施工中先在边坡上填筑粘土保护层，以防止雨水冲刷污染环境。 ( 2 ) 加固填方法 加固填方法是在填土内敷设带钢、带钢板的锚固钢筋或土工织物等加固材料，利用 加固材料与土之间的拉力，来抑制软土传递的滑坍和测向流动。由于该施工方法只需在 加固材料上面敷设填方材料并进行压实，因此与其他软土地基处理方法相比，施工造价 低，而且施工速度快。如果该施工方法能与深层拌和处理施工法或加实砂桩施工法并用， 其处理软土地基的效果会更好。 ( 3 ) 冻结法 冻结法是在土中设置称作冻结管的钢管，将地基中的孔隙水进行人工冻结。该方法 适用于开挖软土地基和渗流水多的地基处理，为稳定开挖面，阻止渗流水而实施的工程。 冷却方法有用冷冻机冷却不冻液并使其循环将水冻结的载冷剂方式和将液态氮流入冻 结管中的低温液化气方式。一般来讲，对于冻土量为1 5 0m 3 以下的小工程或短期工程， 可采用低温液化气方式；大工程可采用低温液化气或采用载冷剂方式。冻结施工法几乎 是用于所有的土质，但是造价高，而且需要注意冻结造成的地基膨胀和解冻引起的地基 沉降。 ( 4 ) 注入化学药剂法 注入化学药剂法是把化学药剂或水泥乳浆等注入土中，使其形成固结土，从而降低 地基的透水性并增加地基的强度。与冻结法一样，该方法主要是用于阻止渗透水和稳定 开挖面。至于注入方法有单管钻杆方式、单管筛网方式、套管单相方式、多层管双相方 7 第一一章绪论 式、套管双套筒方式等。药剂仅限于水玻璃系药剂，通过与酸性材料硅胶合用，使固结 物呈中性。该方法最近得到广泛的应用。此外还研制出了以无公害和经济性为目标的二 氧化碳气体，以及利用水玻璃的气液反应砂浆等。利用电渗析注入药剂的方法也有所进 展。 1 2 复合地基 软土地基处理方法中复合地基的应用日趋广泛，因此本文将对复合地基进行重点研 究。 1 2 1 复合地基的定义和分类 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或部分土体被置换， 或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体) 和增强体两部分组成 的人工地基【9 1 ，增强体和周围地基土共同承担上覆荷载并协调变形( 包括剪切变形) 。 复合地基的涵义随着它的应用实践有一个发展的过程。初期，复合地基主要是指碎 石桩复合地基，人们将注意力主要集中在散体材料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的推广应用，人们开始重视水泥土桩复合地基的研究。与此 同时，复合地基的概念也发生了变化，由散体材料桩复合地基逐步扩展到胶结材料桩复 合地基。随着减小沉降量，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。 基于试验研究和工程应用方而的考虑，按桩体材料的性状、施工工艺和桩在复合地 基中的承载特性，复合地基可从以下五方面进行分类2 5 】： 1 按增强体设置方向分类 ( 1 ) 竖向增强体复合地基：竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基； ( 2 ) 水平向增强体复合地基：水平向增强体复合地基主要指加筋土地基； ( 3 ) 斜向增强体复合地基：如树根桩复合地基。 2 按桩体材料性状、桩体置换作用分类 ( 1 ) 散体桩复合地基：如以砂桩、碎石桩为增强体的复合地基： ( 2 ) 粘结强度桩复合地基；如以石灰桩、夯实水泥土桩、c f g 桩为增强体的复合 地基。 3 按桩体刚度分类 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 柔性桩复合地基：散体土类桩属此类桩； ( 2 ) 半刚性桩复合地基：如水泥土类桩； ( 3 ) 刚性桩复合地基：混凝土类桩。 4 按复合地基中桩体的长度分类 ( 1 ) 等长桩复合地基； ( 2 ) 长短桩复合地基。 1 。2 2 复合地基的作用机理 组成复合地基中增强体的材料不同，施工方法不同，复合地基的作用也就不同。综 合各类复合地基的作用，主要由五个方面： ( 1 ) 桩体作用：由于复合地基中桩体的强度和模量大于周围土体，在荷载作用下， 桩体上会产生应力集中现象，使得桩体承担大部分荷载。桩体可以将承受的荷载向较深 的土层传递，使得桩间土上应力相应减少。这样复合地基承载力较原有地基有所提高， 沉降量有所减少。刚性桩复合地基中桩体刚度较大，桩体作用发挥更加明显。 ( 2 ) 垫层作用：桩与桩间土形成的复合地基，其性能优于原天然地基，它起到了 换填、均匀加固区应力、在高置换率下增大下卧层应力扩散的作用。 ( 3 ) 加速固结作用：散体材料桩具有良好的透水特性，可在地基中形成排水通道， 加速地基的固结。水泥土类和混凝土类等刚性桩在某种程度上也可加速地基固结。 ( 4 ) 挤密作用：一些复合地基在施工过程中对桩间土体有挤密作用。如振冲挤密 碎石桩复合地基、挤密砂桩复合地基等。采用振动成桩施工工艺的桩对桩间土都有挤密 作用。另外，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，对桩周土也有一定的挤密效果。 ( 5 ) 加筋作用：群桩复合地基中，桩具有阻止桩间土体侧向变形的作用，减少了 侧向变形，提高了地基抵抗竖向变形的能力。 上述5 种作用其中种或几种使复合地基在提高地基承载力，减小建筑物沉降，改 善地基抗震性能等方面具有较大的潜力和灵活性，使复合地基技术具有较大的生命力。 复合地基技术日益受到重视，并得到愈来愈多的应用。人们可以根据上述原理，有针对 性地、有效地改进现有的复合地基施工方法，选用合理的增强体材料，开发和发展新的 复合地基技术 9 第一章绪论 1 2 3 复合地基的破坏模式 复合地基有多种破坏模式，复合地基按照哪一种破坏模式破坏与其类型，增强体材 料的性质，增强体的布置形式等因素有关。下面主要介绍竖向增强体复合地基的破坏模 式。 竖向增强体复合地基破坏的模式可以分为下述4 种型式：刺入破坏，鼓胀破坏，整 体剪切破坏和滑动破坏【9 1 。如图1 2 所示。 ( a ) 刺入破坏( b ) 鼓胀破坏( c ) 整体剪切破坏( d ) 滑动破坏 图1 2 竖向增强体复合地基破坏模式 桩体发生刺入破坏如图1 2 ( a ) 所示。桩体刚度较大，地基土强度较低的情况下较易 发生桩体刺入破坏。桩体发生刺入破坏，不能承担荷载，进而引起复合地基桩间土破坏， 造成复合地基全面破坏。刚性桩复合地基较易发生刺入破坏模式。 鼓胀破坏模式如图1 2 ( b ) 所示。在荷载作用下，桩周土不能提供桩体足够的围压， 以防止桩体发生过大的侧向变形，产生桩体鼓胀破坏。桩体发生鼓胀破坏造成复合地基 全面破坏。松散材料桩复合地基较易发生鼓胀破坏模式。在一定条件下，柔性桩复合地 基也可能发生桩体鼓胀破坏。 整体剪切破坏模式如图1 2 ( c ) 所示。在荷载作用下，复合地基产生途中所示的塑性 流动区域，在滑移面上桩体和土体均发生剪切破坏。散体材料桩复合地基也比较容易发 生整体剪切破坏，柔性桩复合地基在一定条件下也可能产生整体剪切破坏。 滑动破坏模式如图1 2 ( c 1 ) 所示。在荷载作用下，复合地基沿某一滑动面产生滑动破 坏。在滑动面上，桩体和桩间土均发生剪切破坏。各种复合地基均产生可能发生滑动破 坏模式。 复合地基有多种破坏模式。在荷载作用下，一种复合地基的破坏究竟取什么模式， 影响因素很多。它不仅与复合地基本身的结构形式、增强体材料性质有关，还与荷载形 l o 长安大学硕士学位论文 式、复合地基上基础结构形式有关。竖向增强体本身的刚度对竖向增强体复合地基的破 坏模式有较大影响。桩间土的性质也会对破坏模式产生影响。由于两者相对刚度较大， 较易发生桩体刺入破坏。但片筏基础下的疏桩复合地基，由于片筏基础的作用，梳桩复 合地基中的桩体不易发生刺入破坏。显然复合地基上基础结构形式对复合地基破坏模式 也有较大影响。总之，对于具体的复合地基的破坏模式应考虑上述各种影响因素，通过 综合分析加以估计。 1 3 本文的研究内容 在软土地基中，刚性桩复合地基很容易发生刺入破坏，甚至在施工期间没有上覆路 堤荷载的加入就可能由于桩体自重而陷入土中，不但起不到软基处理的作用还破坏了地 基原有的结构；对于自重较大的柔性桩复合地基也容易发生施工期间就陷入软土地基中 的问题，或者在路堤荷载的作用下发生刺入破坏；对于散体土类的柔性桩复合地基更容 易由于桩周土不能提供足够大围压而发生鼓胀破坏；排水处理的方法都要求有很宽裕的 工期：换填法一般只针对浅层软土；强夯法在极软的地基土中使用可能导致重锤深陷而 无法拔出的损失。根据软土地基现有处治措施的不足，本文提出了运用超轻材料作为复 合地基的竖向增强体处理软土地基。超轻材料作为复合地基竖向增强体，桩身自重远小 于地基土不但不会发生桩体刺入还能够成生很大的上浮力，桩体和加固区的地基土形成 浮筏共同承担路堤荷载。 在本章的前面部分提及了采用轻型填方( 聚苯乙烯泡沫塑料或粉煤灰) 法处理软土 路基，该方法是从降低路堤荷载方面考虑的并且已经得到了广泛的应用。而本文另辟蹊 径，将超轻材料作为桩体，利用其在软土地基中的独特上浮力与地基土共同承担路堤荷 载。本文应用m a r c 有限元分析软件和离心模型试验对路堤荷载作用下超轻材料桩复 合地基处理软基这一新想法进行了可行性分析。分析内容如下： ( 1 ) 采用有限元分析方法，分析了路堤荷载作用下超轻材料复合地基的桩体在满 足处理要求下的各项参数要求，根据有限元的计算结果在实际工程中寻找可行的材料， 以判断其在材料的需求上的可行性。 ( 2 ) 采用有限元分析方法，比较相同工况下，普通材料桩体复合地基处理软基的 效果与超轻材料桩体复合地基处理软基的效果，从处理效果和经济上说明其可行性。通 过改变路堤荷载大小，采用有限元分析方法简单研究超轻材料复合地基的破坏机理。 ( 3 ) 通过离心模型试验，对超轻材料桩复合地基的沉降变形、应力分布以及破坏 第一章绪论 形态等方面进行研究，并且通过与未处理软基沉降变形的对比进一步分析超轻材料复合 地基的可行性。 长安大学硕士学位论文 第二章超轻材料桩复合地基有限元分析的理论与模型 2 。1 有限单元法简介 有限单元法( 简称有限元法) 的出现和实际应用是伴随着电子计算机的出现而开始 的。首先是t u r n e r 和c l o u g h 等人于1 9 5 6 年将刚架分析中的位移法推广到弹性力学平面 问题，并用于飞机结构的分析，开始了利用电子计算机求解复杂弹性力学问题，并于1 9 6 0 年第一次提出了“有限单元法”。1 9 6 6 年c l o u g h 等人将其引入并应用到岩土工程中，由于 有限元法具有较强的适应性，以及特别适用于处理非均质、非线性、复杂边界诸多问题方 面的突出优点而成为岩土工程和地下结构领域分析的有效工具。近4 0 年来，有限元法作 为岩土与地下工程问题分析的有效方法，在理论、方法的研究等方面均取得了根本性的发 展，并己经广泛应用于路基、基坑、边坡、隧道、地铁等结构的分析当中。 有限元法是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值方法，现已成为计算机辅助设 计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 的重要组成部分。在应用有限元法处理工程问 题时，要先确定其数学模型，而后进行分析。有限元法作为对其进行分析的数值计算方 法的要点可归纳为以下3 点1 16 】： ( 1 ) 将一个表示结构或连续体求解域离散为若干子域( 单元) ，并通过它们边界上 的结合点相互联结成为组合体。 ( 2 ) 用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求的未知场变量。 而每个单元内的近似函数由未知场函数( 或及其导数) 在单元各个结点上的数值和与其 对应的插值函数来表达( 此表达式通常为矩阵形式) 。 ( 3 ) 通过和原问题数学模型( 基本方程、边界条件) 等效的变分原理或加权余量 法，建立求解基本未知量( 场函数的结点值) 的代表方程组或常微分方程组。接着用数 值方法求解此方程，从而得到问题的解答。 基于上述要点，有限元法具有以下特点：对于复杂几何构型的适应性；对于各 种物理问题的适用性；建立于严格理论基础上的可靠性；适合计算机实现的高效性。 经过今4 0 年的发展，有限元法的基本理论和方法已经比较成熟，已成为当今工程 技术领域中应用最为广泛，成效最为显著的数值分析方法。 第二章超轻材料桩复合地基有限元分析的理论与模型 2 2m a r c 软件简介 m a r ca n a l y s i sr e s e a r c hc o r p r a t i o n ( 简m a r c ) 始创于1 9 6 7 年，创始人为美国布朗大 学应用力学系教授p e d r o m a r c a l ，总部设在美国加州的p a l oa l t o ，是全球第一家非线性 有限元软件公司。 m a r c 为基于位移法的有限元程序，在非线性方面具有强大的功能，程序按模块 化编程，工作数组可根据计算机内存大小进行调整，能够在多种硬件平台上运行。它提 供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，可以进行各种非线性结构分析， 包括线性月乍线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析和动力 响应、自动的静动力接触、屈曲失稳、失效和破坏等分析。它具有处理几何非线性大 变形，材料非线性和包括接触在内的边界条件以及组合的高度非线性超强能力。其结构 分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线性、非线性复 杂行为的材料行为。通过强有力的非线性问题求解技术实施对各种工程问题包括：静力、 动力、断裂损伤、屈曲、失稳、热传导、失效、以及流一固、电一磁、热一机等多种耦 合常的准确模拟。m a r c 特有的网格自适应技术、橡胶类非金属材料的准确模拟功能尤 为人称道。m a r c 具有直观快捷、操作方便的用户界面，并且为了满足高级用户的特殊 需要和进行二次开发，m a r c 还提供了方便的开放式用户环境。 m e n t a t 是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，与m a r c 求解器 无缝连接。它提供了多种建模功能、多种材料模型和边界条件的定义功能、分析过程控 制定义、实时监控分析功能及可视化处理计算结果等功能。并且可以直接访问常用的 c a d c a e 系统，如a u t o c a d 、m s c n a s t i 乙气n 、p a t 凡气n 等等。 2 3 桩土界面处理 在结构物中，若有两种材料性质相差很远，在一定的受力条件下有可能在接触面上 产生错动滑移或开裂。这时可设置接触面单元。过去，在处理接触面时，常采用理想化 的假设：当接触面十分粗糙时，记为无相对滑动；接触面十分光滑时，假定无剪力。事 实上，采用这两种假设所算得的结构和土体的位移、应力均有较大的差异。在结构与土 之间有滑动的情况下，结构侧向位移要大于不考虑两者之间有滑动的情况。因而对这类 结构物，正确地予以模拟，是十分重要的。 在m a r c 程序中，对此问题的处理有两种方式：在界面上设置间隙一摩擦单元； 1 4 长安大学硕士学位论文 按接触问题处理i l o 】。由于第一种方法定义起来较为复杂且需要的计算参数较多，故在 计算分析中采用了第二种方法。即通过定义接触体和接触表来描述物体间的接触关系。 比如在复合地基中，将桩体和桩周土体定义为两个可变形的接触体，并在接触表中定义 接触体之间的摩擦系数、接触后分离所需的分离力、接触容差及可能的过盈配合值。两 个接触体在受力变形后可能出现分离或嵌入，这通过分离力及过盈配合值来控制。复合 地基在受力变形后，桩土之阳j 既不应该出现分离也不应该嵌入，这时就可以通过输入一 个很大的分离力和一个很小的过盈配合值来控制，从而实现桩与土在接触面上只有滑移 的模拟。摩擦系数则要根据桩、土的性质来确定。 m a r c 中提供的较适用的摩擦模型有c o u l o m b 模型和s t i c k - s l i p 模型。 比较常用的摩擦模型是c o u l o m b 摩擦模型，如图2 1 。c o u l o m b 模型可以用应力表 示为： 仃疳- a c t 。， ( 2 1 ) 式中：仃。法向应力 仃打切向应力( 摩擦力) 摩擦系数 相对滑动速度方向上的切向量，= v r j 玢i 玢相对滑动速度 jl f to f 0f r s t i c k v ， 下 s l i p j i f t c = o ，0 1圳 1 掣oi f ：1 0 0f1 0 一 一l o 、v ， t - 1 图2 1c o u l o m bf r i c t i o n 模型 图2 2s t i c k - s l i p 模型 m a r c 中提供的另一种摩擦模型是粘一滑模型( s t i c k s l i pm o d e l ) ，如图2 2 所示， 第二章超轻材料桩复合地基有限元分析的理论与模型 用应力表示为： ，矿 万一一仃一- - 妻a r c t a n ( ：k 志v1 ) 。 。 乃l j v 3 ( 2 2 ) 式中r v c n s t 为相对滑移速度，c = r y c n s t 。 本文在分析过程中，考虑到粘一滑模型更接近于实际情况，故选用了s t i c k s l i p ( 粘 滑) 模型。 2 4 本构模型选取 土是岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积后的产物，具有结构的非均匀性、各向异性、 流变性、剪胀性，其受力状态千差万别，且受到应力水平、应力历史、应力路径、应力 状态及应力速率的影响，因此任何一个数学模型都不能全面地、正确地表达土的这些特 性。对于岩土介质非线性问题的计算，人们较多采用的是以塑性势理论为基础的弹塑性 本构关系和需进行应力修正和迁移