（岩土工程专业论文）温州地区桥头路堤沉降综合治理研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 f 软土路段桥头跳车是公路建设中的一个老大难问题。我国已建成 的高等级公路中，大部分都存在这种因桥路连接处沉降不均匀而产生 的跳车现象。对这个问题目前常用的解决方法是在桥台和路堤之间设 置一桥头过渡带，使得桥台和路堤的工后沉降差能匀摊在这一过渡带 内。本文在对软土地基的沉降进行系统研究的基础上，力图找到经济 合理的处理措施，把过渡带的工后沉降及其沉降差控制在能满足行车 要求的范围之内。土 ， 本文首先分析桥头天然软基的沉降特点及理论计算方法。针对温 州地区软土层的物理力学特性，对采用经验系数法计算总沉降时的沉 降系数的取值进行了讨论。然后，根据水泥搅拌桩复合地基在柔性路 面荷载作用下的沉降特点，分析和选择恰当的沉降计算模式，并对具 体计算方法和关键的设计参数进行了讨论。 最后，在对路堤填料的物理力学性质进行理论分析的基础上，论 ， 述采用轻质填料代替现在普遍使用的土石填料的优越性又根据经济核 算，选择兼顾处理效果和经济性的桥头路堤处治方案。此外，通过控 制水泥搅拌桩的桩长、置换率和桩身强度可以对处理带内的沉降梯度 进行调节，从而达到综合治理的目的。3 。 关键词：路堤沉降软土地基j 沉降分析j 水泥搅拌桩复合地基 轻质填料 经济核袋综合治理 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t j u m pa u t o m o b i l e a t b r i d g e e n di n s o f t c l a y a r e ai sad i f f i c u l t p r o b l e mo fh i g h w a yb u i l d i n go v e rt h ey e a r s t h em o s t o f h i g h w a y i no u r c o u n t r yh a v et h i sm a t t e rb e c a u s eo fd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t t h ew a yi n c o m m o nu s ei ss e t u p as e c t i o nb e t w e e n b r i d g e a b u t m e n ta n d e m b a n k m e n t i nt h e p a p e r , f i r s t w e a n a l y z e c h a r a c t e r i s t i co fs e t t l e m e n ta n d a c c o u n tm e t h o da b o u ts o f t c l a yg r o u n da tb r i d g ea p p r o a c h v a l u eo f s e t t l e m e n tf a c t o rw h e nt o t a ls e t t l e m e n ti sc a l c u l a t e d b ye x p e r i m e n t a l f o r m u l am e t h o di s d i s c u s s e d t h e n ，i n a c c o r d a l i c ew i t hs e t t l e m e n t c h a r a c t e r i s t i co fc o m p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n t m i x e dc o l u m n st h a ti s b e a r i n gt h ea c to ff l e x i b l er o a d ，w ea n a l y z ea n ds e l e c tp r o p e ra c c o u n t m e t h o do fr o a d b e ds e t t l e m e n t ，a n dd i s c u s sk e y p a r a m e t e r i nd e s i g n f i n a l ， b a s e do nt h e a n a l y s i s a b o u t p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i co ft h r e ek i n d so fe m b a n k m e n tf i l l i n g s ，a d v a n t a g eo f l i g h t f i l l i n go p p o s i t es t o n ef i l l i n gi sp r o v e d a c c o r d i n gt oe c o n o m i ca c c o u n t i n g ， w ec h o o s ec o m p r e h e n s i v em a n a g ew a yw h i c hc a n g i v ec o n s i d e r a t i o nt o b o t he f f e c ta n d e c o n o m y k e y w o r d ：r o a d b e d s e t t l e m e n t ，s o f tc l a yg r o u n d ，s e t t l e m e n ta n a l y s i s ， c o m p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n t - m i x e dc o l u m n s ，l i g h tf i l l i n g ，e c o n o m i c a c c o u n t i n g ，c o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n t 浙江大学硕上学位论文 第一章温州地区桥头路堤沉降问题概述 1 1引言 1 1 1 温州地区地质情况介绍 温州地区是我国著名的典型软土地质区。从地形上看，温州平原处于 我国浙东南沿海，依山傍海，地形平坦，属典型的冲海积平原。其浅部地 层主要为第四纪海积、湖积及其过渡型的冲海积、湖海积软弱地层，厚度 较大，一般约达3 0 6 5 m 。地层岩性主要有软土、粘性土、粉土、粉细砂等。 其中对工程建设影响最大的软土层主要包括淤泥和淤泥质土，在平原区广 泛分布，厚度较大，工程地质性能极差，静力触探锥类尖阻力q c 1 。 根据大量的工程地质勘察报告进行总结，温州淤泥土层的主要物理力 学指标和工程特性如下： ( 1 ) 含水量非常高，一般为5 0 8 0 。孔隙比较大，为1 4 2 2 ，液性 指数厶大于1 0 ，按软硬状态应处于流塑状态。 ( 2 ) 强度极低，内摩擦角o 1 0 。，内聚力c p c p 。， 铲喜羔s ( 务+ c 1 9 ( 警) 】 拭2 - 7 ) p 2 ) 0 0 0 1 2 2 4 地基总沉降的计算： 地基的总沉降应当是瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降三者之和，即 s = & + & + 墨( 式2 - 1 0 ) 由于和s 相对& 较小且计算难以得出很精确的结果，国内目前最常 用的还是用主固结沉降量推算总沉降量，即先用分层总和法求出路基的主 固结沉降量，再用经验系数加以修正计算总沉降量，即 s = 朋j &( 式2 1 1 ) 这种方法的分析模式很简单，其计算结果的可靠性在很大程度上取决 于沉降系数的m s 的选取。沉降系数施为一经验系数，对于它的取值，国 第1 3 页 浙江大学颁上学位论文 内有关规范在制定过程中进行过研究，结果反映在相应的条文中。 浙江省建筑软弱地基基础设计规范根据压缩模量及土类，制定了 表3 所列沉降系数的值： 表3 浙江省建筑软弱地基基础设计规范制定的m s 值 e s ( m p a ) 土类 2 54 o7 0 1 5 0 p o = f k 1 41 31 00 4 粘性土 p o 0 7 辄 1 1 1 00 70 4 砂土 1 oo 70 4 上表中的五为地基承载力标准值，p d 为基础底面的附加应力，西为沉 降计算深度范围内压缩模量当量值。根据软土一般力学指标，其 e s l o o m p a ，所以软土地地基的沉降系数，从上表看一般是0 7 1 4 。但是 温州地区的软土西值一般都小于2 5 m p a ，地基承载力标准值也很小，因此 m s 值应有可能会大于1 4 。 我国工业与民用建筑物地基基础设计规范认为沉降系数与土的侧 限变形模量( 压缩模量) e s 有关。沉降系数取值见表4 ： 表4工业与民用建筑物地基基础设计规范制定的m s 值 土的侧限变形 西4 04 o e s 7 o e s 1 5 01 5 o 一o i o m p a 时，m s = 1 3 ， 中间值可以内插。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范认为m s 与地基条件、荷载 强度，加荷速率等因素有关，其范围值为1 1 1 7 ，应根据现场沉降观测资 料确定。 第1 4 页 从以上规范中沉降系数的取值情况来看，将沉降系数与荷载强度及地 基自身的强度相联系，是人们的共识。对于道路工程，由于沿线工程地质 的复杂性、荷载强度及其增长的多变性，以及各种处治措施的影响，沉降 系数所涉及到的制约因素比一般的建筑物要多。以京津塘高速公路软基试 验工程为例。该试验工程设置了9 种不同处治类型的试验段，1 9 段的地基 处理方式、路堤填高及算得的沉降系数见下表( 固结沉降用e - p 曲线计算， 由实测沉降资料推算最终沉降采用星野法) ： 表5 京津塘高速公路沉降系数分析 试验段号 123456789 路堤高( m ) 3 7 23 引3 9 l3 9 66 8 22 0 83 0 74 1 85 3 0 地上、地下 砂井 塑料 无无砂井无土工布 土工布 处治形式排水板十砂井 沉降系数 1 3 91 4 71 6 51 5 31 7 91 0 61 3 31 2 41 0 7 从表5 中可以看出，总长仅3 8 0 m 的试验段沉降系数从1 0 6 变化到1 7 9 ， 这一变化范围直接影响预压处治设计的结果。 由此可见，软基路堤沉降计算采用经验系数校正法时，沉降系数m s 的 取值是很复杂的，应根据试验工程的观测或者当地的经验来决定其大小， 即使规范所推荐的范围值也仅能作为参考。笔者建议在温州地区，若无实 测资料时，可按公路软土地基路堤设计与施工技术规范的规定取其值 为1 _ 3 1 7 。 2 2 5 桥头路堤工后沉降预估和计算： 上面讨论的沉降都是荷载所引起的最终沉降。桥头路堤软基在施工期 间完成的沉降主要是瞬时沉降，而其工后沉降在初期较长时间内主要是固 结沉降。在道路工程中，常常需要知道某一时期的工后沉降，并与该时刻 的实测沉降进行对照。实践证明，对于高压缩性土，施工期间完成的沉降 第1 5 页 浙江大学硕士学位论文 仅占最终沉降量的5 2 0 。 道路一般的设计使用期不超过2 0 年，在使用期内软土的固结沉降还未 完成。要想知道某一时刻或使用期内的固结沉降量，必须先计算其平均固 结度。由于温州地区桥头路堤处理中一般未设置竖向排水体，只需计算竖 直向固结度。以t e r z a g h i 的一维固结理论为基础进行解析，并辅以适当的 简化，可以求得竖直向固结条件下地基平均固结度 驴1 砉( e _ 譬昂+ 吾e 等昂十去e 等毛+ ) 式中t v = c d h 2 g 竖向固结系数； 孔隙水最大渗径，单面排水时h 等于压缩层厚度，双面排水 时等于压缩层厚度之半； t 瞬时加荷固结过程历时。 实际计算中常只取后面多项式中的第项，上式即简化为 第1 6 页 浙江大学硕士学位论文 第三章水泥搅拌桩处理桥头软基后的沉降分析 3 1水泥搅拌桩复合地基理论综述 深层水泥搅拌法适用于加固软土地基。由于它具有施工工期短、施工 过程不产生振动和噪音、无地面隆起、施工工艺较简单等优点，具有较好 的经济效益和社会效益，因此在温州地区得到了较为广泛的应用。从第一 章可以看出，温州地区进行桥头软基处理的工程实例中，采用水泥搅拌桩 复合地基的占了7 0 以上，因此本章主要针对这种处理方法进行探讨和研 究。 3 1 1 复合地基的基本概念 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被置 换、或设置了加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土) 和增强体两部分 组成的人工地基。其基本特点有两个：加固区由基体和增强体两部分组 成，因而是非均质和各向异性的。在荷载作用时，基体和增强体共同承 担荷载的作用。 复合地基的增强体可分为竖向增强体和水平向增强体两种。竖向增强 体习惯上称为桩。根据竖向增强体的性质，桩体复合地基可分为散体材料 桩复合地基，柔性桩复合地基和刚性桩复合地基三类。水泥搅拌桩的强度 和变形模量低于刚性桩，又比天然地基土的强度和变形模量要大得多，因 此水泥搅拌桩复合地基属于柔性桩复合地基。 3 1 2 水泥搅拌桩复合地基的基本性状和工程特性 1 、水泥土的强度特性： 深层搅拌法所形成的水泥土，其强度受多方面因素的影响。主要有水 泥掺入比、土样含水量、土中有机质含量、养护龄期、水泥标号、土体围 第1 7 页 压等。一般情况下，水泥掺入比大、水泥标号高、养护龄期长、土体围压 大而土体含水量和有机质含量低，则水泥土的强度高。许多文献都指出， 土体中的有机质会阻碍水泥进行水化反应，是影响水泥土强度的很不利因 素。此外，掺入合适的外加剂，可以达到降低水泥掺量并提高强度的目的。 o ( ) 图3 一l水泥土应力一应变曲线 ( 引自冶金部建筑研究院地基室，1 9 8 5 ) a 5 。a 1 0 ，a 1 5 ，a z 0 。a 2 5 表示水泥掺入比a = 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5 水泥掺入比a 。是重要的设计参数。图3 - 1 是一组水泥土的实测资料的 应力应变关系。从图中可以看出，当水泥掺量较低( 1 0 后，水 泥土强度增长幅度随。的增加而明显加大。一般认为，用于加固目的的 水泥搅拌桩的0 。值宜采用1 0 2 0 。在温州地区，工程设计中采用的水泥 掺入比多为1 5 。 第1 8 页 浙江大学硕上学位论文 2 、桩土应力分担特点： 桩土应力比胛定义为： n = 6 , , 6 s ( 式3 - 1 ) 式中瓦桩体竖向应力； 反桩间土平均竖向应力。 桩土应力比n 实质上是指作用在桩体上的荷载密度与作用在桩间土体 上的荷载密度之比，它是反映复合地基工作状态的一个重要参数。桩土应 力比挖值的影响因素很多，如复合地基置换率、桩体长径比、桩土相对刚 度、荷载水平甚至其作用时间都会对n 值产生影响。 荷载i t p a 图3 - 2 水泥搅拌桩复合地基的桩土应力比1 3 与荷载水平关系曲线 ( 引自林琼，1 9 8 9 ) 从图3 2 可以看出水泥搅拌桩复合地基的桩土应力比i v 随荷载水平的 提高而增大。但当荷载超过某一数值后，n 会通过峰值而减小，这与水泥 搅拌桩的屈服有关。林琼还指出水泥搅拌桩复合地基的桩土应力比随水泥 掺合比的提高而增大，随桩长增长而增大的情况。 第1 9 页 塑坚查兰堡主堂壁堡苎 图3 - 3 桩土应力比n 值咽徊，关系( 引自段继伟，1 9 9 2 ) 图3 3 表示通过有限单元法分析得到的桩土相对刚度与桩土应力比的 关系，在一定条件下，九与扣刃面成线形关系。 桩土应力比与桩土长径比的关系如图3 4 所示。 第2 0 页 图3 - 5 表示通过有限单元法分析得到的复合地基置换率与桩土应力比 的关系。随着复合地基置换率的增大，桩土应力比减少。 鼍 丑 妖 氇 刊 帮 图3 - 5复合地基桩土应力比与置换率的关系 从以上分析可以看出想精确计算桩土应力比玎值是困难的。到目前为 止，国内外学者结合具体的地基处理形式，根据各自的假定条件提出一些 桩土应力比的计算式。但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接受的较完善的计算模式。 在工程设计中，可根据实际情况的不同来选用相应的”值。根据一系 列试验结果分析，郭志业( 1 9 9 2 年) 建议对水泥掺入比为1 0 - 1 5 ，置换 率为2 0 - 4 0 ，桩长7 1 5 米的深层搅拌桩复合地基，当天然地基承载力低 第2 i 页 浙江大学硕士学位论文 于8 0 k p a ，桩周土可分担总荷载的1 6 - 2 4 ，桩分担7 6 8 4 ，一般可按 2 0 和8 0 考虑，桩土应力比n 取值应在3 2 5 2 之间( 桩间土质较好时 可取低值，若土质较差宜取高值) 。 需要指出的是，上述情况是在房建工程中得出的，房建工程中荷载与 复合地基间存在刚性基础，因此是比较接近复合地基理论中“桩土协调变 形”这一假定的，而在道路工程中，荷载与复合地基之间是柔性接触的， 应力分担情况会有所不同，这一点将在本章第二节中予以讨论。 3 、复合土体的压缩特性 图3 - 6 0 - 6 关系曲线( = 1 5 ) ( 引自林琼，1 9 8 9 ) 水泥搅拌桩复合土体的压缩特性可以用复合模量来体现。按照复合模 量一般的定义： e c = m e p + ( 1 - r e ) e ,( 式3 - 2 ) 式中e c 、e p 、e s 分别为复合土体、水泥土、桩间土的压缩模量： 第2 2 页 m 复合地基置换率，m = a w a ，a ，为桩体横断面积，爿为复合 地基面积。 从上式中可以看出，对于给定的天然地基土，由水泥掺入比a 。( 它 决定了印的大小) 和置换率m 来决定。抗。和m 越大，也就越大。眈 不但与所有关，而且呈线性关系，且与外荷载p 无关。而从图3 - 6 中可以 看出，虽然复合土体的压缩变形随m 增大而减小，但两者并不是线性关系， 当外荷载p 一定时，存在一个有效置换率m 。，聊 m 。时，压缩量的减少逐渐不明显了。 从图3 - 6 中还可以看出，有效置换率随外荷载p 的增大而增大，林琼 的研究进一步表明，复合土体压缩模量与竖向荷载p 有关，如图3 7 所示， 图中e 和e 分别为计算值和实测值。 电 菇 l 铀 。八寰m io 2 0 5 u ，k b 2 。4 。n ：= ：兰兰二耋。 图3 7( e 哪) e p 关系曲线( 引自林琼，1 9 8 9 ) 第2 3 页 曲 蚰 加 蛐 l o 浙江大学硕士学位论文 3 1 3 水泥搅拌桩复合地基的承载力 复合地基的承载力计算方法较多，但大体可分为两种模式：( 1 ) 先分 别确定桩体和桩问土的承载力，再接一定的原则进行叠加。这种方法的难 点在于如何确定桩和桩间土的应力分担比例，即桩土应力比n ，另外还可 能要确认两者中谁先到达极限状态。( 2 ) 把桩体和桩间土组成的复合土体 作为整体来考虑，确定其整体承载力。这种方法需要确定复合土体的综合 强度指标，如复合模量。 建筑地基处理技术规范中采用的是上述第一种计算模式，其复合 地基承载力标准值公式为： 局t = 朋竿+ 卢( j m ) l t ( 式3 - 3 ) 1 p 式中r ：单桩竖向承载力标准值； 石。桩间天然地基土承载力标准值； p 桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，取0 5 1 0 ：当桩 端为硬土时，取o 1 0 4 ；不考虑桩间土的作用时，可取零。 水泥搅拌桩复合地基承载力除与地基土的性质有关外，还主要与以下 因素有关： ( 1 ) 水泥掺合量的影响。复合地基承载力随水泥掺合量增加而提高。 ( 2 ) 桩长的影响。在一定范围内复合地基承载力随水泥掺合量增加而提 高。但当桩长增加到按摩擦力计算和按桩身强度计算等强度时，再增加桩 长，虽桩土应力比( 特别在软粘土地基中) 随之提高，也就是复合地基中 桩的承载力提高，但经济效果也相应下降。 ( 3 ) 置换率的影响。随着水泥搅拌桩面积置换率的增大，搅拌桩加固体 具有更好的整体性，复合地基承载力随之提高。 第2 4 页 ( 4 ) 群桩效应问题。水泥搅拌桩复合地基水泥掺合量较大时( 如大于 2 0 ) ，则水泥搅拌桩桩身相对桩间土刚度很好，此时应考虑群桩效应。 对于道路工程来说，水泥搅拌桩复合地基的承载力一般都能满足要 求，其设计参数通常是由变形条件决定的。因此在本章后面的讨论和计算 中，不再考虑其承载力因素。 3 2 水泥搅拌桩处理桥头软基的沉降研究 3 2 1 水泥搅拌桩复合地基理论的沉降计算方法简介 水泥搅拌桩复合地基可以视为一双层地基，由加固区和下卧层组成。 与天然地基相比，加固区的压缩量比所对应的原天然地基土层的压缩量大 大减小。同时，由于加固区的存在，下卧层产生应力扩散，高应力区范围 扩大并下移，因而下卧层的压缩量相比原来所对应的天然地基土层的压缩 量会略有增加。两者综合起来，复合地基的总沉降比起天然地基还是显著 减小的。 因此，水泥搅拌桩复合地基的沉降包括加固区的沉降两和桩端下未处 理区的沉降& ，即s = 蜀+ & 。至今提出的复合地基沉降实用计算方法中， 对s ：通常采用分层总和法计算，其具体的计算方法在前面2 2 中已有介 绍，这里不再赘述。其计算难点在于如何确定作用在下卧层上的附加应力， 对此目前工程应用上常采用的计算方法有压力扩散法、等效实体法和改进 g e d d e s 法等。 加固区沉降岛的计算方法较多，主要有复合模量法，应力修正法，桩 身压缩量法等。复合模量法又称e c 法，按照桩土协调变形的假定将增强 体和基体视为一复合土体，采用统一的复合压缩模量进行计算，其计算的 关键在于如何合理地确定复合模量。复合模量法概念明确，计算方便，是 第2 5 页 浙江大学硕士学位论文 房建工程中最为常用的计算方法。 应力修正法又称e s 法，它根据桩间土分担的荷载，按照桩间土的压 缩模量凰，忽略增强体的存在，采用分层总和法计算s ，。一般认为，应 力修正法适用于置换率较低或桩端刺入沉降较大的情况，其计算难点在于 如何合理地确定桩土分担的荷载量，即桩土应力比n 。 桩身压缩量法又称e p 法，它根据作用在桩体上的荷载和桩体变形模 量点p 来计算桩身压缩量，并将桩身压缩量作为加固区土层压缩量。除了 桩土应力比，它还需要确定桩身应力沿深度的变化情况，在桩侧摩阻力不 是均匀分布的情况下计算相对繁琐。桩身压缩量法适用于桩端有较好持力 层，桩体不发生进入下卧层的刺入沉降或该刺入沉降很小的情况。 由于加固区模量较高，且高附加应力区减弱，建筑地基处理规范 认为加固区压缩量蜀在总沉降中所占比例不是很大，对搅拌桩复合地基一 般情况下可直接取置值为1 - 3 c m 。应该说，在房建工程中如果桩底端不发 生较大的刺入沉降，这一规定还是比较适用的。 3 2 2 路堤填土荷载下复合土层的沉降特点分析 水泥搅拌桩复合地基在我国首先被运用于房屋建筑工程的地基处理 中，近年来才逐渐在道路工程的软基处理中得到应用。针对房屋建筑荷载 作用下地基土的受力特性，在复合地基理论的指导下，建立了一整套有关 水泥土搅拌桩的设计理论和计算方法。房屋建筑荷载与地基间存在一个刚 性界面，荷载首先作用于桩顶，然后经桩身传递给桩间土，桩间土对桩存 在正摩阻力。而路堤填土荷载与地基的接触是柔性的，荷载一开始就同时 作用于桩顶和桩间土上。因此，在具有柔性荷载面特征的路堤填土荷载作 用下，水泥搅拌桩复合地基的沉降应当具有不同于刚性荷载作用时的特 点，下面对此加以分析。 第2 6 页 浙江大学硕士学位论文 o 一 霉 誓：2 i 崎 l i 旺 “， i - r h 浩 誉 二 一 h军翻 图3 - 8 单桩在产生负犀阻力时的荷载传递 ( a ) 单桩；( b ) 位移曲线：1 一土层竖向位移曲线；2 一桩的截面位移曲线； ( c ) 桩侧摩阻力分布曲线；( d ) 桩身轴力分布曲线 在路堤填土荷载作用下，桩周软土逐渐固结，桩间土的固结不可避免 地在桩周产生负摩阻力。图3 - 8 给出在软土层固结下桩土变形及受力状况 示意图。从图中可以看出，对于桩来说，它同时受到向下的填土荷载g 和 桩侧负摩阻力的作用。而桩间土则受到向下的填土荷载口和向上的桩侧负 摩阻力的作用。这一受力状况，对减少桩间土的沉降是有利的。实际工程 中应用的是群桩，由于群桩效应，在群桩中心负摩阻力的叠加效果会使该 处土体沉降小于群桩周边土体沉降，这对于减少路堤的横向沉降差是很有 利的，可以抑制盆形沉降的发生。 如果桩端土层土质较好，足以抵抗由填土荷载q 引起的桩底应力，则 桩侧负摩阻力会一直存在。桩体的存在对土体变形的影响通过这种负摩阻 力的影响而得以体现。而随着桩周土固结度的提高，桩体和桩周土的变形 差进一步扩大，可能会导致土体和桩体间发生滑动同时桩体向路堤内刺入 的情况。 第2 7 页 浙江大学硕士学位论文 实际工程中桩端下卧层的土质往往不能提供足以抵抗填土荷载的端 承力，特别是温州地区，软土层非常深厚，而路堤处理中水泥搅拌桩长度 不过十几米，因而其桩端下卧层仍然很软弱。这样，桩体在填土荷载和桩 周土负摩阻力的作用下会随桩周土体一起沉降，并刺入未加固的下卧层软 土中。尽管只要桩体沉降小于桩周土的固结沉降，桩侧负摩阻力就将存在， 但由于桩体与土一同位移，这个负摩阻力将会变得很小。 岛 。i ； 2 0 d 【一 土移动 桩 - 叫卜_ r 舯 桩一土强度 图3 - 9 固结土层中桩的位移及土体作用于桩上的力的分布 关于固结土层中桩的位移及土作用在桩上的力，p o u l o s 给出图3 - 9 的 第2 8 页 浙江大学硕士学位论文 曲线。由图可见，当桩身完全处于固结区( 三= 5 d ) 时，在沿桩身已发生完 全滑动时，桩仍继续位移。而对于深入固结区下的桩，在发生一定的土位 移后即达到极限的桩位移，桩所受到的负摩阻力随桩长显著增加，当桩体 完全位于固结区时，仅承受很小的负摩阻力。 实际工程中所用的群桩除了上述负摩阻力的影响外，还存在对桩周土 体变形的另一影响因素，即水平向的侧限作用。由于桩体的存在，很大程 度上限制了桩周体的侧向水平变形，从而减小了竖向沉降，这一点应当是 很容易理解的。置换率m 越大，这种侧限作用也就越明显。 综上所述，在路堤荷载作用下，如果水泥搅拌桩穿过软弱土层到达相 对硬层，则对桩周软土的沉降处理效果体现为负摩阻力和侧限作用。而如 果水泥搅拌桩未穿过软土层，则它对桩周软土的沉降处理效果主要表现为 侧限作用，这种情况下桩周土体更多地表现出自然固结时的特性，加固区 本身的沉降量也较大，且需要较长的时间才能稳定。 3 2 3 加固区压缩量的计算模式选用 从上面的分析可以看出，在路堤柔性荷载作用下，桩体和桩周土体不 一定能保证变形协调并可视为一整体复合土层，因此复合模量法( e c 法) 的前提也就不能得到保证。而当加固区下存在软弱下卧层时，水泥搅拌桩 桩端可能会发生较大的刺入沉降，这样桩身压缩量法( e p 法) 也就不适 用了。而应力修正法( e s 法) 能较好地符合桩周土的实际变形情况。据此， 笔者认为，温卅f 地区采用水泥搅拌桩处理桥头软基时，其加固区压缩量蜀 的计算宜采用应力修正法( e s 法) 。 采用应力修正法计算压缩量时，根据桩间土分担的荷载，按照桩间土 的压缩模量，忽略增强体的存在，采用分层总和法计算加固区土层的压缩 量。 第2 9 页 桩间土分担的荷载为： = _ 兰x = “s p(式3-4)ps 2 瓦翥面 帆 式中p 复合地基平均荷载密度； 风应力修正系数； 行和m 分别为复合地基的桩土应力比和置换率。 加固区土层压缩量的计算式为： s 1 = 。l a f p , , h 。= 胁亡- - 譬u i 叫，乳 ( 式3 - 5 ) t = ld “f ；l 廿h 式中未加固地基在荷载p 作用下第f 层土上的附加应力增量； 只，复合地基中第i 层桩问土上的附加应力增量； s 坩未加固地基在荷载p 作用下相应厚度内的压缩量； 胁应力修正系数，u s = 高。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范中对加固土桩的复合地基 沉降计算规定为：不考虑加固土桩体的排水固结作用，固结度按无加固体 时的情况计算；复合地基的总沉降也按无加固体时的方法来计算，其中复 合地基底面以下部分的沉降不折减，而复合地基底面以上的沉降乘以折减 系数，折减系数胁= 1 l + m ( n 一1 ) 。可以看出，这些规定与本节前面的分析 都是一致的。另外，对于下卧层的沉降，没有考虑应力扩散所引起的沉降 增大，是由于在负摩阻力的作用下桩和桩周土一起沉降，使得应力扩散不 能发生，因而在计算下卧层的沉降时仍采用无复合层时的附加应力。 3 2 4 设计中的参数分析和选择 1 、桩土应力比n 的确定 填土荷载面与复合层之间为柔性界面，可以认为刚开始时桩土应力分 担比为1 ：1 ，但在荷载作用下，桩间土产生固结和蠕变，桩体的沉降量不 浙江大学硕士学位论文 能赶上桩间土的沉降，这使得荷载逐渐向桩体集中，桩体终究要承担相对 桩周土较高的荷载密度。公路软土地基路堤设计与施工技术规范中认 为加固土桩的即可取用3 - 6 ，当桩底土质好而桩间土质差时取高值，反之 则取低值。岩土工程治理手册建议饱和粘土地基的水泥土桩的聆值取 用3 5 。 本章第一节中已分析了桩土应力比n 的主要影响因素。温州地区桥头 软基处理中，水泥搅拌桩的水泥掺入比一般为1 5 ，置换率在2 0 左右， 桩长8 1 5 米，结合温州地区的软土特征，笔者建议在缺乏试验资料时， 可取桩土应力比n = 5 。 2 、沉降系数m s 的选用： 用应力修正法计算加固区的沉降母，虽然符合柔性荷载作用下水泥搅 拌桩复合地基的变形特点，但在计算过程中，只考虑了置换率m 对沉降的 影响。实际上，虽然桩周土体更多地表现出自然固结时的特性，但桩的存 在对减少其沉降的有利影响还是很大的，主要表现在下面两个方面。 首先是桩对桩周土的侧限作用。用分层总和法计算地基土的沉降时， 采用的是有限侧条件下的压缩模量e s ( 这使得计算结果比实际沉降偏小) 和中点最大处沉降为整体沉降代表值( 这使得计算结果偏大) ，这两者的 影响相互抵消从而使计算结果趋于合理。由于水泥搅拌桩对桩周土的侧限 作用非常明显，采用有限侧条件下的压缩模量风已经比较符合实际情况， 仍然采用中点沉降为整体沉降代表值无疑会使计算结果偏大。置换率m 的 提高会增强这种侧限作用，但在应力修正法中只考虑了提高聊会减少土体 所分担的荷载，并未考虑对侧限作用的增强。 其次是桩对桩间土的性能改善作用。水泥搅拌桩虽然没有挤土作用， 不会像碎石桩那样使桩间土受到挤密，但由于水泥浆在土中的渗透和扩 第3 1 页 浙江大学硕： 学位论文 散，水泥分子进入桩间土，从而使桩间土的物理力学性能发生变化。表6 是淤泥质粘土在打桩前后的物理力学指标对比。 表6 淤泥质粘土在打桩前后的物理力学指标对比 ( 引自沈锦儒水泥搅拌桩复合地基综合试验q 户1 8 ，1 5 ) 从表中可以看出，水泥搅拌桩施工后，桩间土的各项物理力学指标发 生了不同的改变，表现为天然含水量降低，天然孔隙比减小，压缩性能改 善，压缩模量增大。这些变化说明了桩间土的物理性能改善，力学性能提 高。因此在计算时仍采用桩间土的原物理力学指标，会使计算结果偏大。 从以上分析可以看出，采用应力修正法计算所得的加固区沉降s ，要比 实际的固结沉降大。具体大多少，限于笔者水平和试验条件，尚未得出结 论。考虑到总沉降s = 必& ( 且如第二章所述温州地区聪值较大) ，笔者 认为，在设计参数为水泥掺入比1 5 ，置换率2 0 左右，桩长8 1 5 米的 情况下，不考虑聪的放大作用，将用应力修正法计算所得的结果直接作 为加固区的总沉降，也许是可行的。 第3 2 页 第四章桥头路堤沉降问题的综合治理研究 4 1 桥头路堤填料的选择 目前温州的城市道路设计中，在结构层下一般设一道矿渣层作为填 料。在桥头路堤处，由于桥面标高的提升，该层的填筑厚度也随之加大， 在通航河道的桥头路堤处填土高度一般在2 m 以上。如果采用水泥搅拌桩 处理桥头软基，则填土高度还会加大。近年来出现了用粉煤灰或e p s 等 轻质材料作为路堤填料以减少工后沉降量的处治方法。本节对此进行一些 分析和比较。 4 1 1 矿渣的基本性状及其在温州的应用 矿渣是温州的俗称。实际上它是开山形成的碎石夹泥混和体。尽管设 计图纸上一般都注明其直径不超过3 0 e m ，含泥量不得大于5 ，但这一要 求很难得到控制，特别是含泥量有时达到2 0 3 0 。矿渣本身的均匀性很 差，加上大直径块石较多，因而其空隙率较高，不同地点供给的矿渣彼此 间的差异也很大。在一般的城市道路上，矿渣层的厚度不是很大，一般为 5 0 8 0 c m ，并且能够得到充分的分层压实，在通过弯沉测试后才能在上面 施工路面结构层。由于道路设计中一般不进行软基处理，矿渣层作为软基 和交通荷载、路面结构层之间的缓冲层是有利的。但作为桥头路堤填料， 它有如下几点不利之处： l 、矿渣的自重较大。矿渣层的成分是以岩石块为主，按本地经验经 压实后其密度可取至2 2 k n m 3 。桥头路堤处由于填筑高度较大，由此而引 起的作用在软基顶面处的附加应力也较大，对控制工后沉降是不利因素。 2 、没有足够的预压期，难以保证充分的分层压实。由于桥头路堤施 工一般在桥梁主体和桥头软基处理完毕之后才能进行，从进度上看远比一 第3 3 页 般道路路段滞后。而城市道路的交通需求通常又要求桥、路之间要尽快合 拢。在这种情况下，桥头路堤处的填料很难得到充分的分层压实。根据本 地经验，在一般道路上，6 0 c m 厚的矿渣层经分层压实后，其沉陷量一般 在1 5 2 0 c m 左右，当然这包括地基土的瞬时沉降在内。由此推算，高达2 米以上的桥头路堤矿渣层如果没有足够的预压期进行充分压实，则其工后 沉降量是相当惊人的。 3 、容易导致不均匀沉降。由于矿渣的不均匀性，其内部空隙率又较 大，在交通荷载作用下容易产生不均匀沉降。桥头过渡带路面一般都采用 沥青路面，而柔性路面的平整度在很大程度上受其基层平整度的影响。因 此路面也容易产生不均匀沉降，甚至出现裂缝或凹陷。在温州地区的城市 道桥过渡带处，这种不均匀沉降是比较普遍的。 4 1 2 粉煤灰路堤的基本性状及其在温州的应用 粉煤灰本来是我国三大工业废渣之一。利用粉煤灰修筑路堤是解决粉 煤灰大量利用的有效途径之一，它具有用灰量大、投资较小、效益显著等 特点，对减少环境污染、节约土地、开拓筑路材料新来源都具有重大意义。 近年来，以粉煤灰代替矿渣作为桥头路堤填料的施工方法逐渐在温州 得到推广。温州地区所用的粉煤灰，一般来源于温州发电厂，属于普通的 硅铝型低钙粉煤灰。其主要工程特性如下： 1 、自重：虽然各地电厂排放的粉煤灰成分各有差异，但密度一般都 较小。温州地区的粉煤灰经现场取样，其干容重约在1 0 1 l k n m 3 ，饱水 后湿容重约为1 3 1 4k n m 3 。 2 、强度：公路软土地基路堤设计与施工技术规范建议粉煤灰的c 、 妒值可参照下表： 第3 4 页 表7 粉煤灰的参考c 、妒值 压实度内摩擦角粘结力压实度内摩擦粘结力 击实标准击实标准 角( p ( 。)c ( k p a ) ( ) c p ( 。) c ( k p a )( ) 重 饱水 9 01 8 3 31 0 2 0 轻 饱水9 0 - , 9 51 4 3 36 2 0 型 不饱水 9 03 0 4 22 5 5 0型 不饱水9 0 - - , 9 52 8 3 52 1 2 5 干粉煤灰没有塑性而呈离散状，不能成型，其内聚力是由毛细水张力 所形成，和砂一样是一种“假内聚力”，很不可靠。故表中c 值宜取低值， 而伊值相对可靠得多，可以取中低值。 3 、压缩性：粉煤灰的压缩性要优于土。试验表明，相同密实度的土 与灰比较，土的压缩系数比灰的压缩系数大4 0 - 5 0 。因此，在相同密实 度下，粉煤灰路堤的压缩变形要小于土石路堤。 4 、渗透性：由于粉煤灰具有多孔结构和球形粒径等材料固有特性， 因此在松散状态下有良好的渗透性。在压实状态下，粉煤灰的渗透性取决 于它的粒度成分，压实度和火山灰反应程度。据室内试验，粉煤灰的渗透 性与其压实度关系密切，压实度越大，则渗透性越小。 5 、毛细现象：粉煤灰具有强烈的毛细现象。其毛细水上升高度与原 始含水量、压实度等有关，特别是压实度的影响较显著。随着压实度的增 加，毛细水上升高度呈下降趋势，如表8 所示。 表8 粉煤灰毛细水上升高度与压实度的关系 渗透系数 压缩系数a l o n 2 0 n毛细水上升高度 c m s ( m p a l ) ( m ) 轻型重型轻型重型 轻型重型 9 5 9 0 9 5 9 0 9 5 9 0 2 8 0 l5 5 01 9 0 - - 7 5 0 o 1 9 , - , 0 3 4 0 1 1 - - 0 2 21 0 0 1 4 0 0 8 0 1 2 0 x 】0 4x i o 。5 第3 5 页 浙江大学硕士学位论文 从粉煤灰的工程特性可以看出：与矿渣路堤相比，粉煤灰路堤的优越 性是显而易见的。首先由于自重轻，它对下面软基产生的附加应力要小于 矿渣路堤，施工期间软基的瞬时沉降也远小于矿渣路堤；其次由于压缩性 小，密实度好，达到压实度要求的路堤堤身压缩量可忽略不计，并且不会 产生不均匀沉降和影响路面平整度。再次，渗透性较强使得粉煤灰施工不 受雨水影响，压实也比较方便，适合于桥头路堤这种工期要求比较紧迫的 的工程。 从温卅f 地区使用情况来看，粉煤灰填筑桥头路堤具有较好的经济效益 和处治效果，值得推广。但是在使用中也还存在一些问题需要引起重视， 主要表现在： 1 、缺乏齐备的室内试验条件，难以精确测定本地电厂提供的灰源的 化学、物理、水理性质和路用性质( 如颗粒分析、化学分析、重金属含量 测定等) 。 2 、对稳定性验算不够重视。厚层软土地基上的粉煤灰路堤，其高度 超过软土地基极限高度时( 软土极限高度h c = 5 5 2 c u 7 ) ，应考虑堤身与 地基共同的滑动破坏，必须进行边坡稳定性计算。 3 、施工前没有选择有代表性的试样进行击实试验，以实测确定其最 大干密度和最佳含水量。 4 、压实措施不力，难以达到规范要求的压实度。 温州地区单独以粉煤灰代替矿渣作为桥头路堤填料，不再进行软基处 理的工程实例也有，但处治效果不是很理想。因为粉煤灰比矿渣虽然有很 多优点，但其饱水后的湿容重仍然不小，不进行软基处理则其工后沉降仍 然较大。因此，笔者认为它适宜于和水泥搅拌桩进行配合，方能取得比较 满意的效果。 第3 6 页 浙江大学硕士学位论文 4 1 3e p s 路堤的基本性状及其在温州的应用 e p s 的学名为聚苯乙烯树脂，是一种轻质高强的优质填料，它的5 0 r a m 厚块体压缩量小于2 5 m m ，因而适合用在桥头路堤这种要求工后沉降小的 地方。e p s 是一种化学稳定性很强的高分子合成材料，不易老化和腐烂， 耐久性好，具有燃烧自灭性。 e p s 在温州地区城市道路桥头路堤处理中应用得还不多，笔者所知仅 上陡门路4 号桥和划龙大桥两例。从现场施工情况、工后沉降观测及其他 有关资料来看，e p s 填筑路堤具有以下优点： 1 、e p s 材料具有超轻性、强度高、耐压缩性、高强度等特性。e p s 经发 泡密度为2 0