（岩土工程专业论文）水泥粉煤灰碎石（cfg）桩复合地基沉降时效分析.pdf

硕士学位论文 摘要 作为一种有效的地基处理手段，复合地基近年来在工程中得到了广泛的应用。 然而，复合地基计算理论却远远落后于工程实践。因此，复合地基计算理论的研 究成为霸前乃至今后一段时间内岩土工程研究发展的重要方向之一。 复合地基巾准确计算沉降及合理控制沉降都非常重要，根据这种情况提出了 更适用于复合地基的按沉降控制的复合地基设计思路，这种设计方法既可保证建 筑物安全又可节省工程投资。誉前复合地基沉降理论仍不成熟，因此需要在现有 的研究成果基础上，不断修改和完善沉降理论，提高复合地基位移场的计算精度。 沉降的时间效应早已引起豳内外学者关注，但是目前对复合地基沉降时间效应的 研究还鲜有报道。复合基础设计中如能有效地预估其沉降将对控制建筑物的稳定 性具有非常重要的意义，只有考虑沉降时间效应才能更好地提高复合地基沉降的 计算水平，才簏完善和发展复合地基计算理论，有利于复合地基技术的推广和应 用。 c f g 桩复合地基作为一种经济和可靠的地基处理新技术，是岩土工程领域研 究的难点之一，目前虽已广泛地应用于基础工程中，但是同样存在沉降计算理论 相对落后于工程实践的问题。本文分别从理论推导、工程实测和数值模拟三方面 对c f g 楗复合地基的沉降时间效应进行了比较细致的研究。首先基于圆孔扩张理 论和比奥固结方程超孔隙水压力三维解析解，推导出了一种由超孔隙水压力求解 e f g 桩复合地基固结度的计算方法，并进一步提出了反映沉降时效性的c f g 桩复 合地基任意时刻沉降量的计算方法。同时借助a b a q u s 有限元软件分析了c f g 桩 复合地基的沉降特性，讨论了荷载水平、垫层厚度、垫层模量、桩以及桩间土模 量、置换率、桩长等主要设计参数对c f g 桩复合地基桩身和桩间沉降的影响， 以期能对复合地基沉降计算方法的改进和发展、以及c f g 桩复合地基的推广起到 一定的参考和帮助作用。 关键词：复合地基；c f g 桩；沉降；时效；超孔隙水压力；固结度；数值模拟 水泥粉煤灰碎石( c f g ) 桩复含地基沉降时效分析 a b s t r a c t a sa ne f 怒c t 主v ew a yo fg f o u n di m p r o v e m e 贰，c o m p o s 主t ef o u n d a 袖觳h a sb e e n w i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c ei nr e c e n ty e a r s 。h o w e v e r ，b e a r i n gm e c h a n i s 烈la n d c a l c u l a t i o nm e t h o do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sf a rf a l l e nb e h i n de n g i n e e r i n g p r & 跌i c e 骶l e f e 勤f e ，瓶e 疆e o f e l i e 越r e s e 耵c 量l 岛re a l e u l a l i o no fe o 弱攀o s 建e 惫u 确a t i o 珏 h a sb e e no n eoft h ei m p o r t a n tf i e l d sf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg e o t e c h n i c a l e 鹚i n e 譬i l l ga 耄p f e s e l 瞧a 珏de v e 珏重l o fal o n gp e r i o di nt 董l e 蠡l l l r e 。 a c c u r a t ec a l c u l a t i o no fs e t t l e m e n ta n dr e a s o n a b l ec o n t r o lo fs e t t l e m e i l ti n c o n l p o s i t e 白u n d a t i o na r ev e r yi 嫩p o r t a n t ，d u et ot h es i t u a t i o n ，t h ei d e ao fd e s i g n a c c o f d i n gt o s e t t l e 撒e n to fe o m p o s i t ef o u n d a l i o nw a sp p o s e d ，i lc a 糕b e 搬o r e a p p r o p r i a t ef 0 ru s ei nc o m p o s i t ef o n d a t i o n m o r e o v e r d e s i g na c c o r d i n gt os e t t l e m e n t o fe o l 鞋p o s i e内珏封蠢鑫耄l o 程 e a 磊g 珏鑫f a 夔专e e l 蠢e s 嚣至凌yo fb 珏i l d i 魏g s 鑫珏d s a v e 即j e e l i n v e s t i n e n t a tp r e s e n tt h et h e o r yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o no ns e t t l e m e n ti ss t i l ln o t m a t u f e ，t h e f e f o r e ，b a s e do nt h ee x i s t i n gf e s e a r e hr e s u 重耄s ，t h et h e o r yo fs e t t l e m e n ts h a l l b ec o n s t a n t l yn l o d i f i e da n di m p r o v e d ，a n dt h ea c c u f a c yo ff o u n d a t i o nd i s p l a c e l n e n t f i e l di se n h a n c e d t h et i m ee f f e c to fs e t t l e m e n th a sa l r e a d ya r o u s e dt h ec o n c e r no ft h e d o 融e s 专主c 秘d 勤r e 逗矬s e h o l 皴s ，b u f e w 乏h i n g s 曲。谈鼗w e f e 印。砖e d 羔l o w e f c l i v e p r e d i c t i o no fs e t t l e m e n ti si m p o r t a n tt oc o n t r 0 1t h eb u i l d i n g ss t a b i l i t y o n l yt 1 1 r o u g h s 专u d y i n g l 蠢el i 】：矬ee f c lo fs e l l o l 致e l 谴e a nf a i s ea 瓤i g 董l e fl e v e lofe a l c 毽l a t i o 觳o n s e t t l e m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，a n db e t t e rd e v e l o pi t st h e o r y ，a l s ob eh e l p 如lt o p m o t et h et e c h n i q u eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n a sa 薹( i n do fn e we c o n o l n i e a la n dr e l i 8 b l et e e h n i q u ef b fe a p 氇c 谴yo f 妇n p r o v i n g t h ew e a kg r o u n d ，t h ec f g p i l ec o 州 o s i t ef o u n d a t i o ni so n eo fd i f j e i c u l tp o i n t si nt h e 蠡e l do fg e o l e e h 毅i e 蠢le 糕g i 建e e f i 珏g h w e v e i 珏s p i l eo fb e i 珏g 鑫l f e a d yw i d e l y 婶p l i e 矗i n f b u n d a t i o ne n g i n e e r i n gn o w ，t h et h e o r yf o rc a l c u l a t i o no fc o i n p o s i t ef o u n d a t i o nh a s a l s o 蠡l rf a l l e nb e h i 觳d e n g i n e e f i n gp r a e t i c e t h r o u g 氛 t h f e ew a y so ft h e o r 棼t i c a l d e r i v a t i o n ，m e a s u r e dd a t a ，n u l l l e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h et i m ee f f e c to fs e t t l e m e n to 觳t h e c f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sb e e nm a d er e l a t i v e l yc a r e m lr e s e a r c h f i r s t l y b a s e do 建t h et h e o f yo fe a v i l ye x p 鑫鼓s i o n 鑫l 斑t h et l 强e ed 主i 麓e n s o na n 鑫l y t i e a l 硒f m 毯l ao f e x c c s sp o r ew a t e rp r e s s u r et k o u g hb i o tc o n s 0 1 i d a t i o ne q u a t i o n ，an e wk i n do fm e t h o d 差oe a l e 珏l 纛耄et | 搀e o n s o l i d 鑫t i o nd e g f e eo fs 疆b s o i li 程c f gp i l e se o m p o s i eg 毽l 遁i s p r e s e n t e d ，a n d 如r t h e ran e wk i n do fm e t h o dt h a tc a nr e f l e c tt h et i m ee f f e c to f s e t t l e m e n tt oc a l c u l a t et h ea n y t i m es e t t l e m e n to fc f g p i l e sc o m p o s i t eg f o u n di sa l s o i i i p r e s e n t 。d a tt h es a m et i m eb yu 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 r w a r ea b a q u s 1 酝s e l e 掇e 贰e h 鑫f a e 嚣i s 专i c so fl 如e f g p i l e 避 o s i ef o 醢斌a i 藏蠢a sb e 鞠张鑫l 硼e 纛 t h e士a c t o r s a 船c t i n gt h ep i l ea n dp i l e - a m o n gs o i i s e t t i e m e n to ft h ec f gp i l e 瀚矗l p o s i t e 内u n d a t i o ni 扭sb e e ns t u d i e d ，i n c l u d i 棘gl o a dl e v e l ，c u s h i o 毅t h i e k n e s s 。c l l s 量l i o n m o d u l e ，p l l ea l l dp 玎e _ a m o 觳gs o i l m o d t l l e ， r a t eo fe p l a c e m e n t ，p i l e l e n g t ha n ds o o n ih e s es t u d i e sc a np l a yar e f c r e n c e d a n dh e l pm lr ol et o i m p r o v ea n dd e v e l o p e a l e u l 继1 0 n 懋e t 酗d so 建s e l t l e 越e 躐o fc o 燃p o s 巍e 受鞠d 懿i o 纛遮| 蠹e 艇鼙愆，a sw e l l 鑫s h e l pt op r o m o t et h eu s eo ft h ec f g p i l ec o i n p o s i t ef o u n d a t i o n k e yw o r d s ： c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；c e m e n tf l y a s hg r a v c lp i l e ；s e t t l e m e n t ：t i m e e f f e c t ；e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e ；c o n s o l i d a t i o nd e g r e e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本入郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成票。除了文串特别加以标注雩| 溺的肉容羚，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果 乍品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 训拳 j 日期：劬9 年岁月勿日 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 校保留荠囱国家有关部f 1 或机构送交论文的复印件和电子舨，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 、不傈密涵。 ( 请在以上相应方框蠹打“ ) 作者签 导师签 日期：溯萝年f 月凇舀 蚕匿矮：赭多胃缈基 硕士学位论文 羔。l 概述 第1 章绪论 在工程建设中，当天然地基不能满足结构物对地基的要求丽又不能另选其他 场地时，就需对天然地基进行处理，形成人工地基，以保证结构物的安全与正常 使用。在人工地基中，复合地基己与浅基础和桩基础成为土木工程建设中常用的 三种基础形式。而且由于复合地基良好而独特的技术经济性能，其应用日益广泛。 复合地基理论是在地基处理技术长足发展的形势下诞生的，其最早见予2 q 世纪6 0 年代，由日本学者提出，用于解决砂井地基的承载能力问题。由于复合地 基理论非常符合处理后的地基承载的实际，丽从此得到了广泛的推广应用。复合 地基理论的诞生又极大地促进了地基处理技术的进步。在复合地基理论提出以前， 只有天然地基、多层地基和桩基三种地基形式，在地基设计中要么地基土承担上 部荷载，要么裢体承担上郝基础的荷载。复合地基理论第一次提出桩主共弱承担 上部荷载的思想，非常符合处理后的地基承载的实际。 复合地基技术在我国土木工程建设中已经得到了广泛应用，但是对什么是复 合地基，无论是学术界还是工程界，至今尚无比较统一的认识。复合地基是一个 新概念，而且还处在不断发展之中。结合各种看法，是否属于复合地基应视其在 工作状态下，能否保证桩和桩闻土共霹承担蘅载。因此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，或在天然地基中设置加筋材料， 加固区是由基体和增强体两部分组成的人工地基。在蘅载作用下，基体和增强体 共同承担荷载作用。 复合地基有水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基之分。水平向增强 体复合地基主要指加筋土地基。竖向增强体习惯上称为桩，如碎石桩、水泥桩、 石灰桩、c f g 桩等。根据竖向增强体的性质，又可分为三类：散体材料桩、柔性 桩和强性桩。 c f g 桩、桩闻土及褥垫层( 由粒状散体材料组成垫层) 共同作用构成c f g 摭复合地基。适用于处理粘性土、粉土、砂土、人工填主和淤泥质土以及非自重 湿陷性黄土等地基，具有提高承载力幅度大、施工简便、造价低、噪音小、可以水 下作业、作业时不缩径不塌孔等诸多优点，引起各地区工程界广泛关注。 c f g 桩复合地基是高粘结强度桩复合地基的代表，最初在多层建筑应用中取 得成功，之后广泛应用于高层和超高层的地基处理，并取得了较好的社会效益和经 济效益。由予c f g 桩可全桩长发挥侧阻，桩端落在好的土层时可很好地发挥端阻， 在复合地基增强体( 桩体) 系列中，其置换作用最强。 水泥粉煤灰碎石( c f g ) 桩复合地基沉降时效分析 c f g 桩复合地基成套技术是中国建筑科学研究院地基所2 0 世纪8 0 年代未开 发的一项新的地基加固技术。1 9 9 2 年由建设部组织鉴定，专家一致认为该成果具 有国际领先水平，推广意义很大。 该技术于1 9 9 4 年被列为建设部全国重点推广项目，被国家科委列为国家级全 国重点推广项目。1 9 9 7 年被列为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企业 标准，现巳列入国家行业标准建筑地基处理技术规范。 通过十余年的科研和工程实践，c f g 桩复合地基技术从最初应用于多层建筑 发展到广泛应用于高层和超高层建筑地基处理，并成为某些地区应用最普遍的地 基处理方法之一。虽然c f g 桩复合地基近年来已在我国大量推广应用，并取得了 良好的社会效益和经济效益。但c f g 桩复合地基理论尚不成熟，较实践远远落后， 为推广应用不断发展的复合地基技术，有必要对其工作机理进行进一步的研究分 析【2 1 。 1 2 软土的工程特性及其分类 在各类岩土中，最软弱的莫过于软土，其工程性质差，孔隙比大、含水量高、 强度低。工程建设遇到这种土就很麻烦，因为软土地基承载力低，易于变形，一 般难于满足工程要求，而必需进行加固处理。在我国，软土分布广泛而且零星。 东部西部，华南华北，平原山区都会遇到它。不像别的特殊土有一定的地区性， 例如黄土主要分布在西北地区，红粘土主要分布在长江以南，盐渍土主要分布在 内陆盆地区。但是有一个特点，即凡是平坦的地方，如滨海平原、河口三角洲、 湖泊周围、大河两岸、山间谷地等处，往往就有淤泥软土的存在，当然，主要还 是分布在沿海地区。而这些地方也正是大小城市、工业厂址所在之地，各类建筑 特别集中，研究软土的工程特性，进行软土地基处理，也就成为工程地质学和岩 土工程的重要内容之一。 软土在英语词汇里，习惯称为s o rc l a y ，译为软黏土。我国通常称为软土，在 浅层的地基中分布有软土的地区，称为软土地区。 岩土工程名词术语标准( g b t 5 0 2 7 9 9 8 ) 解释是：“软黏土，s o rc l a y ， 天然含水率高，呈软塑到流塑状态，具有压缩性高、强度低等特点的黏土”。在这 同一标准中，还给出了另一个术语：“淤泥，m u l l l ( ，在静水或缓慢流水环境中沉 积，经生物化学作用形成的土。 建筑岩土工程勘察基本术语标准( j g j8 4 9 2 ) 的解释是：“软土，s o r c l a y ，天然含水量大、压缩性高、承载力低、软塑到流塑状态的黏性土。” 岩土工程勘察规范( g b5 0 0 2 l 一2 0 0 1 ) 将软土划归为“特殊土”，定义的 标准规定为“天然孔隙比大于或等于1 o ，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。 2 硕十学位论文 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。软土地区是指在建筑物影响的深度范围内存在一不定厚度的软 土，并对工程建设可能产生不良作用的地区。由于不同的成因条件，软土地区的 土层构造并不相同，各层土的软硬程度不同，也可能出现个别或少数的土层是比 较坚硬或密实的情况。在软土地区的工程建设需要特别重视了解和研究软土的工 程特性，采取有针对性的技术措施以使建设工程得到技术先进、经济合理和使用 安全的效益p j 。 1 2 1 软土的工程特性 由于软土成因类型复杂，分布范围广泛，在工程实践中经常会遇到软土地基 及由此引起的工程问题，这主要是由于软土的特性决定的。一般情况下，软土地 基的承载力均不能满足设计要求，故均需进行加固处理。不同成因、不同物质组 成的软土，因其表现出的特性不同，选取的最优处理方案也就不同，故对软土特 性的认识显得尤为重要。 根据我国某些地区软土的物理力学性质指标的统计值并根据大量的工程实 践，软土的工程性质归纳起来有以下特征【4 】： ( 1 ) 含水量高：软土的含水量大多超过5 0 ，含水量是指单位体积内水的 重量与固体部分重量之比，说明孔隙中都充满水，而且天然含量都大于液限帆， 如天津，福州，深圳等超过1 0 1 5 ，所以它们都处于流动或流塑状态。特别是 泥炭类土，天然含水量高达1 0 0 ，可以想象这类土同流动的液体差不多。 ( 2 ) 孔隙比大、压缩性高：软土的孔隙比大多超过1 ，说明土体中孔隙的体 积超过固体的体积一倍以上，甚至二倍多。泥炭类土可达2 5 倍，与其对应的压缩 系数非常大，所以这类土受力压缩后必会发生大量沉降。 ( 3 ) 渗透性差：从这些土的液限可知，都在4 0 5 4 ( 除泥炭外) ，说明土 的颗粒成分以细颗粒为主，矿物成分以亲水的活动性矿物为主，扩散层水膜厚。 渗透系数很小，所以软土地基上建筑物、构筑物的沉降过程非常缓慢，沉降观测 显示，建筑物沉降稳定时间有的长达几十年，而且后期沉降量的比值很大。 ( 4 ) 天然强度低：这是软土的主要特性之一，是造成地基承载力和边坡失稳 的主要原因。在软土地基上修筑路堤，土坝、油罐、深基坑开挖等，常常由于对 软土的强度特性掌握不够造成工程事故。 ( 5 ) 显著流变性：在剪应力作用下，土体产生缓慢的剪切变形，剪应力越大， 剪切变形越明显，当剪应力达到一定值后，长期作用下土体可能会剪坏。此时的 剪应力值一般小于常规试验方法得到的抗剪强度值，该值称之为长期抗剪强度， 其一般为常规试验方法的抗剪强度的4 0 8 0 ，而且土的塑性指数愈大，其值愈 小考虑到土的流变性，一般可将常规试验得到的抗剪强度值适当降低。但在实际 工程中，地基在荷载作用下的固结作用可能会抵消其降低值，因而具体设计中常 水泥粉煤灰碎石( c f g ) 桩复合地摹沉降时效分析 常不考虑土的流变特性。 ( 6 ) 显著结构性、灵敏度问题：特别是海相沉积的软土，一旦受到扰动( 振 动、搅拌或搓动等) ，其絮凝状结构受到破坏，土的强度将明显下降，甚至产生流 动状态。软土受到扰动后强度降低的特性一般常用灵敏度来表示。目前，在我国 的勘察报告中，灵敏度& 指标反映不多，工程设计人员对这个指标的认识不够。 实际上这是一个非常重要的指标。所谓灵敏度是指保持天然结构状态时的强度与 结构完全破坏后的强度之比。因此，在高灵敏度粘土地基上进行地基加固或基坑 开挖时，应力求避免土的过分扰动。另一方面，软土扰动后，随着静置时间的增 长，其强度又会逐渐有所恢复，但一般不能恢复到原来结构的强度。灵敏度越大， 表示结构性对强度的影响越大。根据灵敏度的大小，可将粘性土划分如下： & 8高灵敏性土 在软土地基上进行工程活动，或多或少会对土的结构造成破坏，所以重视土 的灵敏度特性，无论对设计或施工都有非常重要的意义。 1 2 2 软土的分类及其特征 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特征构造。 我国地域辽阔，从沿海到内地、由山区到平原，各地区的软土由于形成的环 境、年代、地质等而下之条件千差万别，其分布、厚度、性质也各不相同。同时， 软土水平方向上的差异性和垂直方向上的不均匀性，造成各地区软土所表现出的 抗剪强度、压缩性和透水性等特性也不一样。因此，对软土进行科学的归纳、统 计和分类，有利于指导软土路基的设计与施工。 表1 1 五种软土的特征( 按土质分类) 4 硕+ 学位论文 我国沿海地区、内陆平原以及山区沟谷等广泛分布有各种成因的软土，因此， 工程设计中按缝域地质特点将软分为五个类型，分别为滨海沉积、湖泊、飒积、 河滩沉积、谷地沉积和沼泽沉积五大类。然后又根据土质的不同，更进一步分为 五种类型：泥炭、腐殖土、有机质土、粘性土、粉性土。这五种类型的软土特征见 表1 1 吲。 软土按土质分类塑性图见图1 1 所示。 渡隈睨( ) 图l 。l 软土按土质分类塑性图 粘性土是工程建设中经常遇见的一种土体，其塑性指数j i p 大于l o 。根据塑性 指数大小的不离，又可分为粉土、 粉士是粒径大于o 0 7 5 m m 的 颗粒不超过其全部质量的5 0 ，且 塑性指数等于或小予l o 的土。粉土 根据一定粒径颗粒含量多少又可分 为砂质粉土和粘质粉土。 复合地基技术是软土工程的主 要部分，尽前我国应用的软主王程 粉质粘和粘土，其分类冤表l 。2 。 表l 。2 粘性的分类 塑性指数土的名称 1 8 昂 1 7 l o 娩 弹性区： 觚叫争2 【訾哪嘶c 吲c 夸茜邓岘 眩 式中： t 、c ，一分别表示土的峰值粘聚力、残余粘聚力； 伊、饵一分别表示土的峰值内摩擦焦、残余内摩擦舞； 公式中损伤比不易准确取值，给计算带来不便。 ( 4 ) 陈文8 6 1 根据实际测量资料，基于极限平衡理论，给出了任意深度处的 桩侧压力和摩擦阻力均随深度线性增加的假设，其分布如图2 。6 所示，表达式如 下： 见= 风+ 鱼亏丛z = 胁+ 砟，z ( 2 2 0 ) 水泥粉煤灰碎石( c f g ) 桩复合地基沉降时效分析 = 一一孕净( 巳+ 巧厂咖咖 ( 2 2 1 ) 式中：、p ，一桩顶部和桩端部的侧向压力； 靠、f ，一桩顶部和桩端部的摩擦阻力； 巳、妒一桩土界面的粘聚力和摩擦角； k 。一土体被动土压力系数。 一t 在此基础上，选用应力函数够= 1 l l ，+ & l i l ，- ( 式中彳、曰为待定常数) ，得 出沉桩引起的八面体应力增量： 冉 + 叶 亿 图2 6 又献【8 6 阳计算模型 c r o ：2 ( 2 c 一互) m 生) + 鱼z 】 5lrr = 店以 又：昙“ 采用莫尔库仑六棱锥屈服面： 厂= 一五十万一k = o 其中口l 、k 为材料参数，和矽、c 的关系为： 2 s i n 缈矿 6 c c 0 s 伊 = 声l 一k = 产二一 3 ( 3 + s i n 妒) 。3 ( 3 + s i n 伊) 把式( 2 2 2 ) 。式( 2 2 5 ) 代入式( 2 4 ) 代并作一定简化解得【8 6 】： 塑性区： ”= ；【2 ( 2 巳一k 厂切n 南蛾争+ 乞旁+ o s t 7 吩巳， 弹件反 2 4 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 硕士学位论文 扯驴饼 瓴2 7 ， 式( 2 。2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 给出了初始超孔隙水压力的三维解析解，比式( 2 1 4 ) 、 ( 2 1 5 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 更多的考虑了场地参数( 桩径、土的参数) ，这些参数比 较容易确定，并且表达方式简洁。 ( 5 ) 基于以上分析和超孔隙水压力在水平向随距离对数衰减沿深度线性增加 的谈识 ：走及实测资料分析，王伟蝴3 吸取上节备计算公式韵优点，提出如下计算土 体中初始超孔隙水压力的公式： 材= 石l 2 ( 2 气一群，k t 锄咖1 1 1 ( 匀+ 勺+ 2 罐；口以】l l l 兰 ( 2 2 8 ) 其中，p = 巩，口为影响半径系数。 式( 2 。2 8 ) 即反映了初始超孔隙水压力的分布规律，又克服了式( 2 2 6 ) 、( 2 + 2 7 ) 塑性区和弹性区数值不连续的缺点。 下面讨论其中的参数影响半径系数露的取筐闻题。 2 6 3c f g 桩成桩影响范围 所谓影响范围，应包括全部塑性区和弹性变形区，记作r = 口，其中心是影 嗡范围的半径，内是桩体半径，露就是是影响半径系数。下面是不阂研究者提出 或实际测量到的影响范围： 张咏梅等【9 4 】认为超孔隙水压力的影响范围为r = 1 6 芘； 王伟f 9 8 1 在距离摭中心7 5 处的剖面上深度为3 米、6 米、9 米处分别埋设孔隙 压力计，在三点处均测得了超孔隙水压力。所测数据说明影响范围已经超过了 2 0 翔，故至少应取2 0 倍半径。 马梅英等【1 0 7 1 实际测量超孔隙水压力的影响范围为犬= 2 0 ； 巴里等( b a l i 曲e ta 1 ) 【1 。8 项目在穴= 5 0 倍半径甚至灵= 8 0 倍半径处测量到一 些超孔隙水压力，他们同时建议取只= 2 0 。 图2 7 给出了影响半径系数a 的取值对桩周围土体中超孔隙水压力分布的影 响。其中壤和她分别表示p = f ( 2 0 f 1 ) 处和尹l 处的超孔隙水压力，均按式 ( 2 2 8 ) 计算。由图可见，影响半径系数口取值的变化，对桩侧附近的超孔隙水 压力数值影响不大，僵对较远处的影响很大。 不少学者虽建议影响范围为尺= 2 0 珞，可是由予本文研究的是施工工艺有所不 同的c f g 桩复合地基成桩时的初始超孔隙水压力，其影响范围将有所不同。根据 文献【m 9 】给出的正常固结土在扩张过程的应力分布看出，超孔隙水压力豁隧着距 钻孔距离的增加都呈递减趋势，并且超孔隙水压力a “在弹性区和屈服区交界处递 减到零。透过计算分橱可以得出：在破坏区，随着距圆孔中心距离的增加，超孔 隙水压力的衰减是较快的，而在屈服区这种衰减则相对要缓和一些。对于c f g 桩 水泥粉煤灰碎石( c f g ) 桩复合地基沉降时效分析 成桩引起的超孔隙水压力可以波及到4 0 5 0 倍桩半径的区域( 影响范围为 8 1 0 m ) ，但是用小孔扩张理论计算的影响半径( 8 1 0 m ) 显然大于实测的孔压影 响半径( 6 5 m ) ，这可能是由于采用泥浆护壁清孔时没有完全消除孔壁上的泥皮， 造成孔压影响范围偏小。 1 2 1 0 o 8 葛 迥o 6 勺 0 4 0 2 o 0 o51 01 52 0r 凸硼 4 u 的 p 图2 7 不同影响系数对应的超孔隙水压力曲线 因此在以上学者的研究和分析基础上，针对c f g 桩复合地基，本文建议影响 半径系数口的取值至少为2 5 。 2 6 4c f g 桩孔压参数影响分析 初始超静孔压值除与深度z 有直接关系外，其他影响因素有：不排水抗剪强 度气，测点径向距离，土体弹性模量e ，孔隙水压力系数彳厂。下面就几个因素 进行分析比较。 假定某工程采用c f g 桩复合地基，场地桩周土为饱和软粘土，设计桩长3 0 m ， 桩直径o 4 m ，泊松比o 3 不变，影响半径系数口= 2 5 ，则分别对上述影响因素进行 分析。 ， 2 6 4 1 不排水抗剪强度的影响 相关参数取值：么尸1 o ，口，= 1 4 1 4 ，护1 0 0 。现分别取5 米深度处淤泥层 ( c ”= 1 0 k p a ) 为测点1 ，1 5 米深度处淤泥质粘土层( c 球= 2 0 k p a ) 为测点2 ，2 5 米深度 处淤泥软粘土层( c “= 4 0 k p a ) 为测点3 ，进行比较。初始超静孔压血随径向距离， 的分布曲线如图2 8 。 从图2 8 中可以看出，随“的增大初始超孔隙水压力沿径向衰减越快，测点 离桩越近变化较大，产生的初始超静孔压也越大，测点越深( 即c “越大) ，产生 的初始超静孔压越大。 硕+ 学位论文 cz辱。器罄1 馨 产心 图2 8 不同c 嚣下超孔压随径向变化曲线 2 6 4 2 径向距离的影响 相关参数取值：妒l 。o ，留= 1 4 1 4 ，仁1 0 0 ，如一1 6 5 z 。现分别取不同= ，7 分别为2 ，4 ，6 ，8 ，l o 隧深度变化进行比较，越日分糍曲线情况见图2 。9 。 2 2 0 o 1 餐1 山 g 钓 幽1 2 0 j 鬟螂 8 0 葡 2 0 o 05 0 5翅2 53 0 。深度( m ) 圈2 9 不两径商越孔压隧深度变化益线 图2 9 可知，初始超孔隙水压力在相同均质的土层中与深度几乎成正比关系， 离桩越近，变化越大。 2 6 4 3 体弹性模量互的影晌 相关参数取值：严1 0 ，钟= 1 4 1 4 ，c 缸一2 0 k p a 。现分别取不同体作模量 e l = 3 m p a ，易一6 m p a ，毋= 1 0 m p a ，函= 1 5 m p a ，e 5 = 2 0 m p a 进行比较，计算所得的 鼬r 蓝线的变化情况见醒2 1 0 。 从图2 1 0 中可以看出，超孔压随层的增大而有所增大，但增大不多，沿径向 衰减速度变化很小。总的来说，提高西值对超孔压的影响不太明显。主要原因是 理想弹塑性土体的基本假定沉桩过程中是饱和的，不可压缩的，即土体塑性体积 不变，而土体模量嚣直接会影响土体应变应力关系，所以影响不大。 舯懿耱耱加o 2 2 2 2 1 1 1 瑟g 躜露鬻 水泥粉煤灰碎石( c f g ) 桩复合地基沉降时效分析 1 6 u 1 4 0 1 2 0 要1 幽 j 卜一 裂鼬 4 0 2 0 o24，681 0 p r ，0 图2 1 0 不同模量下超孔压随径向变化曲线 2 6 4 4 孔隙水压力系数口厂的影响 相关参数取值：厶= l o o ，c “= 2 0 k p a 。现分别取不同的孔隙水压力系数口，1 = o 5 ， 町2 = o 8 ，町3 = 1 2 ，町4 = 1 5 ，口，5 = 2 o 进行比较，计算所得的“- ，曲线变化的情况 见图2 1 1 。 0z4，681 u 呷ir q 图2 1 l 不同孔压系数下超孔压随径向变化曲线 从图2 1 1 中可以看出，超孔压随口，的增大略有上升，但影响很小，几乎没有 变化。 本文通过相关参数对初始超孔压的影响分析，可得到以下结论：( 1 ) “对初 始超孔压影响较大，气越大，初始超静孔压也越大；( 2 ) 初始超静孔压在相同的 土层中与深度几乎成正比，离桩越近变化越大；( 3 ) 土体弹性模量e 和孔压系数 钟对初始超孔压影响不大；( 4 ) 产生的初始超静孔隙水压力沿径向的变化规律确 实接近于呈对数型衰减分布形式。本文虽进行了某些相关参数的影响，但其研究 仍不充分，为了可以更好地了解初始超孔隙水压力的变化规律以及对土体固结的 影响，还需对其做进一步分析研究。 伽枷伽伽m伽阳幻幻 山lv坦j忤剐惴 硕士学位论文 第3 章超孑l 压的解析解及固结度计算 振动沉管施工工艺至今依然是c f g 桩复合地基的主要施工方法之一。振动沉 管法施工属于排土沉桩，沉管的同时将排出同体积的土体，因此将对桩周土产生 很大的扰动，对灵敏度较高的饱和软粘土则会使其结构破坏，强度降低，并引起 很大的超孔隙水压力。对于渗透系数比较低的软土，超孔隙水压力需要较长的时 间消散。或者说，受超孔隙水压力作用的孔隙水需要较长的时间排放出来。孔隙 水的排放会使得超孔隙水压力减小，有效应力增大，而引起土的压缩。这种由于 超孔隙水压力消散和孔隙水排放而引起的土的压缩的过程叫“固结。固结过程中， 随着超孔隙水压力的逐渐消散，成桩对土体产生的外加压力也相应从孔隙水传递 到土骨架上，土中有效应力增加，土体强度逐渐恢复，桩身承载力随之增加，同 时对后继成桩也会产生各种影响。因此，如何合理地确定成桩引起的超孔隙水压 力的大小、分布规律及消散过程，以及正确估算地基土的固结度，对研究c f g 桩 复合地基承载力和沉降的确定等关键问题都有着重要的理论与工程实际意义。 3 1 固结理论的发展 土的固结是指土体的变形量随时间增长的过程，一般分为主固结( 又称渗透 固结) 和次固结。主固结是指土体中因超静孔隙水压力逐渐消散和有效应力不断 增加而引起的渗水压缩过程；次固结是指在超静孔隙水压力基本消散后，有效压 力基本稳定的条件下，主要因土粒表面的结合水膜蠕变及土粒结构重新排列等引 起的极为缓慢的变形。虽然次固结变形机理仍需进一步研究，但是一般认为次固 结实际上反映的就是土的蠕变现象。 土的固结理论一直是土力学的重要课题之一。早在1 9 2 5 年，太沙基就在其著 作中提出了著名的有效应力原理，并据此建立了一维固结理论，成为土力学发展 史上的一个重要里程碑。在太沙基一维固结理论中除了假定土是均质的和小变形 外，还做了如下假定：土是完全饱和的；土颗粒和土中水是不可压缩的；土的压 缩和孔隙水挤出只发生于一个方向；土中水的流动服从达西( d a r c y ) 定律；固结 过程中渗透系数和压缩系数都是常数；以及土的孔隙比与有效应力的关系不随时 间变化，亦即线弹性假定等。 太沙基固结理论的推出，极大地促进了土力学理论的发展，指导了土工构筑 物的设计与施工。后来，伦杜立克( 1 9 3 6 ) 将太沙基的一维固结理论推广到二维、 三维情况，得出太沙基伦杜立克扩散方程。对于简单的几何形状和边界条件，可 以求得扩散情况的解析解，对于较复杂的边界条件和几何形状，可以借助有限差 水泥粉煤灰碎石( c f g ) 桩复合地基沉降时效分析 分求解。应该指出的是我国的黄传志在太沙基固结方程的求解方面作出了杰出的 贡献，谢康和的研究集体则对双层地基的固结问题作出了系统的研究。 比奥( 1 9 4 1 ) 根据有效应力原理、土的连续条件和平衡方程，提出了比奥固 结理论。比奥固结理论与太沙基伦杜立克固结理论的主要区别在于：前者考虑了 固结过程中土体平均总应力随时间的变化，而后者则假定在固结过程中土体平均 总应力保持不变。其实，在一般情况下，尤其是三维问题，特别是太沙基伦杜立 克固结理论无法解释曼代咏克雷尔( m a n d e l r v e r ) 效应：但是，由于太沙基 伦杜立克固结理论采用了孔隙水压力变化与土骨架变形无关的假设，使其求解和 计算大为简化，故在实际工程中仍然得到广泛应用。比奥固结理论可以解释曼代 尔克雷尔效应，显然比太沙基伦杜立克固结理论合理。然而，由于数学上的困 难，即使采用了级数和积分变换等手段也只能对少数简单的边值问题求出解析解 或半解析解，应该指出的是比奥曾求得条形荷载下半无限地基固结问题的解答， 后来麦克纳米和吉布森( m cn a m e ea n dg i b s o n ) 等进一步求得若干特殊问题的解 答。巴隆于1 9 4 8 年最早提出三向固结的轴对称问题。他采用与太沙基理论中相同 的假设条件，但假设只在径向( 水平向) 发生孔隙水的渗流，后又借助纽曼卡里罗 ( n e w m a n c a r r i l l o ) 定理进一步考虑竖向渗流的影响。上述理论，均假设土体为 弹性材料，土的应力应变关系呈线性关系。在土力学发展的初期，人们无法深入 了解土的变形性质及其变化规律，也没有条件进行复杂的应力应变计算，故不得 不采用高度简化的假设。这些假设对低压缩性土来说是近似适用的，但是对软土， 就可能带来较大的误差。国内黄传志等对土的固结作了深入的研究并得到了一些 结论，周正明和谢新宇则从大变形的角度出发对饱和土的固结进行了研究。 几十年来，固结理论的发展，主要围绕着假设不同土体材料的本构关系模式， 得到不同的物理方程，主要反映在以下几方面：( 1 ) 土骨架：假设为弹性的( 各向 同性与各向异性) 、塑性的、粘弹性的( 线性与非线性及其各种组合) ；( 2 ) 土中水： 假设为不可压缩的、线性粘滞体的和可压缩的；( 3 ) 对荷载的假设：外加荷载随 时问变化等；( 4 ) 土骨架与水间的相互作用：已有人提出以混合物理论为基础， 利用连续性原理、平衡方程与能量守恒定律，建立混合体特性方程，选用适当的 边界条件，以获得固结理论解。 以上修正和相应的研究，对土力学的固结理论不断进行丰富和完善，使计算 模型能够更准确的反映土的特性及固结条件。但是土的固结规律非常复杂，不但 取决于土的类别和状态，而且随边界条件、排水条件和受荷方式等因素的变化而 变化，所以尽管土的固结理论发展至今己经相当丰富，但许多问题现在仍然处于 探索阶段，太沙基的基本假设仍然被诸多研究者采用。现在工程上人们最关注的 仍然是太沙基固结理论和比奥固结理论。 以下将讨论以比奥固结理论为基础，得出超孔隙水压力消散解析解，并随之 硕十学位论文 推导出c f g 桩复合地基固结度计算式。 3 2 桩周土体的固结模型 关于桩周土的圈结模型，一个有争议的问题就是超孔隙水压力消散发生的主 要方向是径向还是竖向的，或者是两者兼有。 3 2 1 苏德巴格模型 苏德巴格( s o d e r b e r g ，1 9 6 2 ) 【1 1 0 】在假定沉桩引起的超孔隙水压力的消散仅 仪发生在径巍，忽略桩端部和桩顶部可能发生的竖向消散，根据太沙基假设中的 总应力之和不变得出相应的固结方程为： 氏罂+ 三驾然型 ( 3 1 ) 氏i - + 一i