（岩土工程专业论文）路堤荷载下低强度桩复合地基性状试验研究与工程应用.pdf

摘要 摘要 在软土地基上建造高速公路，目前常遇n - - 次开挖和桥头跳车等问题，需要采 取经济有效的处理方法加以解决。低强度混凝土桩复合地基技术为解决这类问题 提供了一条新途径。本文首次在国内采用低强度砼桩复合地基处理高速公路通道 深厚软土地基，取得满意的工程效果，有效解决了通道地基处理中的二次开挖、 村民交通以及桥头跳车等问题。 通过低强度砼桩复合地基的理论分析研究及工程应用，本文提出了应用于处理 软土路基的低强度砼桩复合地基的施工工艺、设计计算方法和检测方法。工程实 践表明，本文提出的方法是可行的，基本可以满足工程应用上的需要。 结合工程施工应用，本文开展了一系列低强度砼桩复合地基的现场试验工作， 对路堤荷载作用下低强度混凝土桩复合地基的性状进行了分析研究。测试的项目 包括桩土应力、桩土表面沉降、分层沉降、侧向变形等。通过试验，得出了路堤 荷载下低强度砼桩复合地基桩应力比和荷载分担比的变化规律以及复合地基的 承载与变形沉降特性。分析结果表明，采用低强度砼桩复合地基方法处理通道软 基可满足设计要求并达到预期的加固效果。 通过有限元数值分析，研究了垫层刚度及桩长变化对复合地基性状的影响。结 果表明，柔性基础与刚性基础下复合地基的性状差异是显著的，随垫层刚度的增 大，复合地基的沉降变形减少，而桩土应力比增加。随桩长的增加，复合地基的 沉降减少，桩土应力比则增加。 在应用与试验研究的基础上，本文进一步提出了路堤荷载作用下构造物( 通道 等) 及过渡段低强度混凝土桩复合地基的设计思路、步骤与设计方法，可供类似 工程参考使用。 关键词 软土地基；复合地基；低强度桩：现场试验：路堤；垫层 a b s t r a c t i nt h ee x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o no nt h es o f tg r o u n d a tp r e s e n ts o m ep r o b l e m ss u c h a st h es e c o n d a r ye x c a v a t i o na n dt h ev e h i c l e sj t t m p e da tb r i d g ea p p r o a c h e sa r eu s u a l l y f a c e d t h e s ep r o b l e m sn e e dt ob es o l v e db ys o m ee c o n o m i c a la n de f f e c t i v ew a y t o s o l v et h e p r o b l e m s at e c h n i q u e o f1 0 ws t r e n g t h c o n c r e t e ( l s c ) p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nw a s d e v e l o p e d a n d f i r s t l yu s e di ni m p r o v i n gd e e p s o f tc l a yg r o u n du n d e rt h e e x p r e s s w a yp a s s a g ei nc h i n a n l eg o o de n g l n e e r i n ge f f e c t sc a nb eo b t a i n e db yu s i n g t h i sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n n o to n l yt h es e c o n d a r ye x c a v a t i o nu n d e rc o n s t r u c t i o nw a s a v o i 【d e d 、b u ta l s ot h ep r o b l e m so ft h ei n h a b i t a n tt r a f f i cd u r i n gc o n s t r u c t i n ga n dt h e v e h i c l e sj u m p e da tb r i d g ea p p r o a c h e sw e r e e f f e c t i v e l ys o l v e d m u g h t h e o r e t i c a ls l a l d ya n da p p l i c a t i o no ft h el s c p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ， t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , d e s i g na n dc a l c u l a t i n gm e t h o da n dt e s t i n gm e t h o do fl s c p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu s e di ni m p r o v i n gs o f tg r o u n du n d e re m b a n k m e n tw e r e p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ep r o v e st h a tt h ep r o p o s e dt e c h n o l o g y a n dm e t h o d sa r ef e a s i b l ea n dc a n b a s i c a l l ys a t i s f yt h ee n g i n e e r i n g n e e d n l ei n s i t ut e s t sw e r ep e r f o r m e do nt h el s c p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nw h e n u s e d i ng r o u n dt r e a t m e n t e n g i n e e r i n go f h a n g n i n ge x p r e s s w a y i nc h i n a t h ep e r f o r m a n c eo f t h i s c o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rt h e l o a df r o me m b a n k m e n tw a si n v e s t i g a t e d b y m e a s u r i n gt h ep i l e s o i ls t r e s s e s ，s e t t l e m e n t s ，a n dm o v e m e n t so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n o nt h eb a s i so fa n a l y s i so f t e s t i n gd a t a 也ev a r i a t i o nl a w so fp i l e s o i l s t r e s sr a t i oa n d s h a r e dl o a dr a t i oa n d 也ec h a r a c t e r i s t i c so f b e a r i n gl o a da n dd e f o r m a t i o na n ds e t t l e m e n t o fl s c p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e re m b a n k m e n tl o a da r eo b t a i n n ea n a l y s i s r e s u l t ss h o wt h a tu s h a gt h el s cp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a na c h i e v et h ed e s i g n s t a n d a r d sa n dt h ed e s i r e dt r e a t m e n te f f e c t si ni m p r o v i n gs o f tg r o u n du n d e rt h eh i g h w a y 1 1 1 ee f f e c t so ft h ec h a n g e so f r i g i dd e g r e eo f c u s h i o na n dp i l el e n g t ho f c o m p o s i t e f o u n d a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw e r ea l s os t u d i e db yt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) n u m e r i c a la n a l y s i si nt h ep a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c e so fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nb e t w e e nu n d e rf i e x i b l ef o u n d a t i o na n du n d e r r i g i df o u n d a t i o nh a v eg r e a td i f f e r e n c e w h e nt h er i 百dd e g r e eo f c u s h i o ni si n c r e a s e d ， t h es 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 nd e c r e a s e s ，b u tt h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i oi n c r e a s e s b e s i d e s w h e nt h el e n g t ho fp i l ei si n c r e a s e d t h es 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 d e c r e a s e s ，b u tt h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i oi n c r e a s e s b a s e do nt h es t u d i e so fa p p l i c a t i o na n dt e s t ，t h et h o u g h ta n dm e t h o do fd e s i g no f l s c p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rt h ee m b a n k m e n tl o a da r ed u tf o r w a r d ，i n c l u d i n g t h es t r u c t u r ea n dt h et r a n s i t i o nr e g i o no nt h es i d eo fs t r u c t u r e t h ea b o v er e s e a r c hi s w o r t ht ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs i m i l a re n g i n e e r i n g ， 【k e yw o r d s 】s o f tg r o u n d ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；l o ws t r e n g t hp i l e ；i n s i t ut e s t ； e m b a n k m e n t ；c u s h i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与目的 在高速公路沿线上，通常设置有多处人行或车行通道，以便于沿线两侧的交 通来往。当通道处于深厚软土地基上时，为了满足高速公路建设的技术标准要求， 一般需要对通道的软土地基进行处理。采用何种处理方法效果更好，能有效地缩 短通道的施工工期，减小路基工后沉降及不均匀沉降，且具有良好的社会和经济 效益，这是目前高速公路建设中需要研究解决的重要课题之一。 杭( 杭州) 宁( 南京) 高速公路浙江段全长9 8 8 k m ，软土地基有4 8k m ，占 4 8 5 。沿线大部分地区为河相、湖相沉积，软土分布较广，地质情况复杂，软土 层厚度变化大，其土层条件非常差，具有含水量大，有机质含量高、抗剪强度低、 高压缩等不良特性，而高速公路对路基的要求很高( 特别是工后沉降及抗剪滑坡 能力) ，因此要采取加固措施，使路基大部分沉降量在施工期内完成，以尽量降低 使用期的残余沉降量。位于十三合同段的k 1 0 1 + 9 6 0 通道为软土地基，软土( 淤泥 质粘土) 层厚1 9 3 m ，设计填土高度2 5 m 。根据该通道的具体情况，可采用的常 规方法主要是堆载预压排水固结法和水泥搅拌桩复合地基法1 1 , 2 1 。前者是原设计采 用的处理方法，此方法虽然比较经济，但工期长，工后沉降往往较大，而且需进 行二次开挖，在施工和预压期间，公路两侧村民交通也将严重受到影响；后者施 工快，工期短，工后沉降和不均匀沉降较小，无须二次开挖，但处理费用高于前 者，且施工质量不易控制。同时水泥搅拌桩复合地基适用的地基处理深度有限， 当软土层厚度较大时，往往无法满足工后沉降要求。 针对以上情况，选用一种适用于某些特殊条件，而且经济合理安全的新型桩 来处理高速公路通道软土路基显得很有必要。由杭宁高速公路管委会和余杭指挥 部牵头，联合浙江大学岩土工程研究所、余杭交通工程公司、浙江省公路水运咨 询监理公司、冶金工业部宁波勘测研究院共同对浙江大学岩土工程研究所设计的 低强度砼桩复合地基加固高速公路通道软土地基进行应用和试验课题研究。低强 浙江大学博士后h 1 站报告 度砼桩复合地基是比较新型的地基处理技术【3 1 ，此桩的主要特点：次沉桩、成桩 速度快、承载力大、处理深度深、经济合理且慈工工艺容易控制，具有极广泛的 应用前景。 本课题拟通过试验，以检验软土地基在试验路段中所反映的物理力学性质条 件下，其技术是否可行，效果是否能满足设计要求，以及从技术、社会经济等方 面考察其能否在高速公路通道中大范围实施。该研究试验的成功，将大大缩短通 道及桥头软基处理工期，避免二次开挖，缓解“桥头跳车”及不均匀沉降，确保 工期和质量。为低强度砼桩复合地基技术在高速公路工程中的实旌积累宝贵的经 验，为解决路基不均匀沉降、桥头跳车等质量通病提供较新、较好的处理方法。 1 2 复合地基的应用与研究现状 1 2 1 复合地基定义、分类及应用 7 0 年代以来，随着我国地基工程技术的进步，各种各样的复合地基技术得到 了开发和应用，发展较为迅猛，引起工程界和学术界的重视，复合地基( c o m p o s i t e f o u n d a t i o n ) 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。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( 天然地基土体) 和增强体两部分 组成的人工地基i 】。 根据地基中增强体的方向可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地 基两大类。竖向增强体习惯上称为桩，因此竖向增强体复合地基通常称为桩体复 合地基。根据桩体材料性质又可分为散体材料桩复合地基和胶结材料桩复合地基 两类，后者视刚度大小又可分为柔性桩复合地基和刚性桩复合地基两类。目前在 土木工程领域中已广泛应用的各类桩体复合地基主要有：砂桩复合地基与碎石 桩复合地基 7 - 1 5 ；水泥土桩复合地基【”也j ；灰土桩复合地基与二灰土桩复合 地基【3 1 】；石灰桩复合地基 4 2 1 5 2 ；钢筋混凝土桩复合地基【5 8 1 ；低强度桩 复合地基【3 ，t 5 9 训】，包括水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 1 6 2 “7 、低强度砂石混凝土桩 4 , 6 6 8 1 以及二灰混凝土桩6 9 7 2 1 等。在上述桩体复合地基中，属于散体材料桩复合 地基，一属于柔性桩复合地基，和可属于刚性桩复合地基。应用的水平 向增强体复合地基主要为采用土工布和土工格栅作为筋材形成的加筋土复合地 第一章绪论 基。 1 2 2 复合地基的基本性状与计算理论研究 一、室内外试验研究 j u r a n 等i n 7 4 1 在改装的三轴仪上进行了砂桩一土复合体和胶结砂桩- - 土复合体 变形特性的试验研究，得出桩土应力比与荷载水平有关，并在桩的峰值应变处取 得最大。砂桩的排水对于复合地基沉降影响很大，不排水桩比排水桩的桩土应力 比大，复合地基沉降的减少是置换和排水作用的综合结果。砂桩中掺人少量固化 剂后形成胶结砂桩，其刚度和脆性都得到了增强，复合土体的应力一应变关系由 砂桩复合土的应变软化型转变为应变硬化型。 e n o k i 等 7 5 】又对砂桩一土复合体进行了直剪试验和三轴压缩试验研究，结果表 明复合地基破坏时桩和土不是同时破坏的，其等价强度指标有明显的各向异性， 考虑强度各向异性的复合地基稳定分析比传统分析方法得出的安全系数要低。 林琼、刘一林等f 7 ”7 ) 对水泥土一土复合体进行了一维压缩试验及三轴固结不 排水剪试验，研究表明水泥土一土复合士体的有效强度指标c 、随置换率和水 泥掺合比的增大而增大，压缩变形随置换率的增大而减小，其应力一应变曲线类 似于超圃结土，随围压的减小、置换率的提高和水泥掺合比的增大，复合土体由 塑性破坏向脆性破坏转化。在一定荷载条件下，存在有效置换率，当置换率大于 有效置换率时，复合土体压缩量减少率较小。复合土体存在屈服压力，当外荷载 小于该屈服压力时，只产生很小的压缩变形，屈服压力数值随置换率和水泥掺合 比的提高而增大。随后，林琼等t 7 s l y y 时水泥搅拌桩软粘土地基加固进行了室内模 型试验研究，发现水泥掺合量4 。对搅拌桩的性状影响较大，当a 。1 0 时，复合 地基承载力与桩长无关；而当a 。2 0 时，承载力随桩长增加而提高；当1 0 a 。3 0 ，桩长径比l d ：1 0 1 5 时，水泥掺合量对承载力影响显著。桩土应力 比与荷载水平有关，在某一荷载下达到峰值，复合地基的破坏形态为桩顶压裂破 坏。 张士乔( 7 9 对水泥土进行了三轴不排水剪试验，研究结果表明，水泥土的破坏 特性不仅与水泥土水泥掺合比有关，而且与水泥土的围压有关，随围压的增加， 水泥土分别呈现脆性破坏、剪切脆性破坏和塑性流动破坏。 3 浙江大学博士后出站报告 陆贻杰等【删在室内进行了承台下水泥搅拌桩加固砂土地基模型试验，研究了 基底压力分布、水泥土桩荷载传递规律及桩长和置换率与承载力和变形特性的关 系。由于模型桩较短，得出的桩身轴力沿深度分布比较均匀，作者认为增加桩的 长度比提高置换率对提高地基承载力更为有效。 叶观宝【8 ”、段继伟等【8 2 】通过现场足尺试验，研究了刚性基础下水泥搅拌桩复 合地基单桩和单桩带台情况下的荷载传递规律。前者采用桩身埋设钢筋应力计方 法测量桩身轴力，由于钢筋应力计的弹性模量远大于水泥土，因而使应力向钢筋 集中，量测的误差较大。后者利用弹性模量较小的聚丙稀p p 管代替钢筋，在塑料 管侧壁贴上应变片，做成类似刚筋计的“传感器”测定搅拌桩桩身应力。研究表 明：复合地基存在临界桩长工，桩体的变形、轴力和侧摩阻力主要集中在0 l ，深 度内，外荷增加会使o l ，范围内桩体变形增大，当深度大于工，时，桩体变形、 桩身轴力和侧摩阻力随外荷的增大变化均较小。水泥搅拌桩破坏型式为环向拉裂 或桩体压碎破坏。 吴廷杰等【8 3 删和史春乐嘟】通过室内模型试验，采用桩身埋设土压力盒的方法 研究了刚性基础下碎石桩、二灰桩复合地基中单桩和4 桩带台情况下的荷载传递 规律。结果表明，二灰桩最大轴力发生在桩顶，但碎石桩最大轴力发生在距桩顶 2 d 处。桩体变形、轴力和摩阻力也主要集中在临界桩长深度内。 二、数值分析研究 b a l a a m 等【9 ，蜘8 7 ) 在分析碎石群桩带台复合地基时，取由单桩和其加固范围的 土体及承台组成的典型单元体作为研究对象，用轴对称有限元法对刚、柔性基础 下复合地基的沉降反应进行了线弹性和弹塑性分析。计算结果表明，刚性基础下 碎石桩复合地基的沉降速率随桩土弹模比提高而增大：对于柔性基础，桩土弹模 比对沉降速率影响不大，加固深度与桩径之比小于5 时，柔性基础沉降略小于相 应的刚性基础；当加固深度与桩径之比在1 0 2 0 之间变化时，柔性基础沉降几乎 与相应的刚性基础相同。 刘一林等f 鹪】将水泥搅拌桩复合地基分别当作“双层地基”和“群桩”二种完 全不同的模型进行有限元分析。在“双层地基”分析中，加固区作为均质的复合 层，若进行非线性分析，其应力一应变关系采用由水泥土一土复合体三轴固结不 排剪试验结果归一化的双曲线应力一应变模型。计算表明，复合地基的沉降随加 4 第一章绪论 固区深度和弹性模量的增大而减少，但存在临界的加固区深度和弹性模量，当加 固区深度和弹性模量超过了相应的临界值后，并不能有效地减小复合地基的沉降： 吴永红【8 9 翻考虑土体的非线性，用轴对称弹塑性有限元法分析了碎石桩单桩 带台复合地基桩土应力比与外荷的关系、桩身荷载传递特性和承台下土的反力分 布。所得到的桩土应力比随荷载的变化与大量实测结果有所不同，呈单调下降并 趋于稳定。 陆贻杰等曾采用三维有限元法分析了水泥搅拌桩复合地基群桩带台问题， 水泥土和地基土的应力一应变关系采用邓肯一张非线性弹性模型。这种完全三维 有限元计算由于桩、土、承台必须单独剖分单元，若桩数量很多时，计算量太大 以至于无法求解。段继伟 9 1 】建议只将承台进行有限元离散，地基柔度矩阵中的桩 对桩、桩对土和土对土这三种柔性系数可以采用单桩轴对称有限元法求解。这种 方法基于线弹性分析，计算量小于完全三维有限元计算，只能获得复合地基地表 沉降。蒋镇华f 9 2 】基于线弹性理论，将有限里兹单元法用于循环法群桩分析和基于 循环法群桩分析的复合地基分析中，大大减少了计算机内存要求和计算时间，并 能获得群桩位移和荷载传递规律。 段继伟等【9 3 】用线弹性轴对称有限元法，研究了水泥搅拌桩单桩带台复合地基 桩土应力比与各影响因素的关系以及沉降和荷载传递特性。计算表明，水泥搅拌 桩单桩带台存在临界桩长，这与作者现场试验结果是致的。临界桩长主要与桩 土弹模比有关，桩土弹模比越大，临界桩长越大。桩士应力比随桩长而增大，但 当桩长大于临界桩长时，桩长的增加对桩土应力比影响甚小。 韩杰等【9 4 4 5 1 在用轴对称线弹性有限元法分析了刚性基础下碎石桩复合地基内 的应力分布后指出，天然地基和复合地基中竖向附加应力的分布是不同的，桩体 应力集中明显，桩周土应力相应减小，桩周土应力呈马鞍形分布。张雁等嗍根据 天然地基、石灰桩、碎石桩和c f g 桩复合地基三维有限元分析指出，在柔性桩复 合地基中浅层应力向桩体集中并通过桩体向深层扩散，柔性桩复合地基中的桩具 有应力集中和扩散的双重作用。 张捷等 9 7 】利用线弹性轴对称比奥固结有限元法分析了刚性基础下水泥土桩复 合地基的固结特性。计算表明，尽管水泥土渗透系数一般要小于软粘土一个数量 级，但由于复合压缩模量大于天然地基，水泥土桩复合地基的固结速率要大于天 然地基。 新江大学博士后出站报告 b e r g a d o 等【9 8 】在用弹塑性有限元法进行土堤荷载下碎石桩复合地基固结分析 时，将碎石桩按置换率相等原则简化成沿土堤纵向排列的碎石墙，按二维问题计 算，所获得的沉降与孔压随时间变化曲线与现场实测结果相当吻合。 s c h w e i g e r 等【啪1 0 0 1 考虑桩土界面处法向应力的平衡，将加固区视为桩土组成 的复合材料，对v o i g t 假设加以修正获得了平面f 习题碎石桩复合地基的等价应力一 应变关系。这个等价的本构模型不能满足桩土界面处剪应力的平衡条件。c a n e t t a 等【1 0 1 1 0 2 1 考虑桩土界面切向和法向力的平衡条件和竖向应变相等的变形谐调假设， 根据复合材料应变能为基体和增强体应变能之和得到了与上述不同的复合地基等 价本构模型。在这二种复合地基本构模型中，桩和土各自的应力应变关系可以是 非线性和弹塑性的。 石崎【必“0 4 1 在研究条形荷载作用下砂桩复合地基时，注意到桩本身仍然是空间 三维变形，因此建议采用准三维有限元法分析。基于大范围填土情况下填土中心 附近地基应力变形近似一维状态，作者提出了一种只有8 个结点未知量的典型单 元来代替土堤横截面上并列的众多复合单元，各复合单元结点位移通过适当的插 值函数由典型单元结点位移计算。在分析复合地基固结而建立的连续性方程中， 考虑到了复合单元之间的流量补偿。采用这种简化算法可以分析路堤荷载作用下 桩数众多的砂桩复合地基固结问题。 张忠坤等【1 n 5 】通过对柔性单桩竖向加荷，大面积荷载作用下复合地基中心单桩 轴对称及路堤荷载作用下复合地基的有限元计算分析，进一步探讨了复合地基临 界桩长问题，得出桩体讦缶界桩长不仅与桩土模量 匕有关，而且与荷载分布有关。 从单桩加荷到一般局部面积荷载作用下，再到大面积荷载作用下的复合地基，临 界桩长具有从小到大的增长趋势。 三、复合地基的计算理论 复合地基的计算理论主要包括复合地基的承载力与沉降分析两方面的内容。 ( 一) 复合地基的承载力分析 确定复合地基的承载力通常有现场荷载试验和理论公式计算这二种途径。用 荷载试验方法确定复合地基承载力在我国已积累了一定的经验，规范【1 0 叼也明确规 定了振冲桩和砂石桩、土挤密桩以及深层搅拌桩和旋喷桩等复合地基的承载力基 本值确定方法。 由理论公式的方法确定复合地基承载力，目前主要有二种计算思路：一种是 6 第一章绪论 将复合地基整体考虑确定复合地基的承载力；另一种是先分别确定桩体和土的承 载力，再根据一定的原则将这二部分承载力迭加得到复合地基的承载力。按照前 一种思路，b o u a s s i d a 等 1 0 7 。1 蛔由s a l e n c o n 1 叫的屈服设计理论，假定地基土只具有 凝聚力，采用极限分析方法得到了刚性基础下端承单桩复合地基的极限荷载以及 三维群桩复合地基极限荷载的下界解答。按照后一种思路，龚晓南 4 , 1 1 0 】建议采用如 下的面积比公式统一表示竖向增强体复合地基的极限承载力： p 盯世k 1 z a m p + k 2 2 ( 1 一m ) p 矿 ( 1 1 ) 式中，p c ，、乃和尸努分别是复合地基、天然地基和桩体的极限承载力；硒和蝎分 别是反映复合地基中桩体和桩问土实际极限承载力的修正系数；九和九分别是复 合地基破坏时桩体和桩间土发挥其极限强度的比例，即极限强度发挥度。 利用面积比公式( 1 1 ) 计算复合地基承载力，需分别确定桩体和桩间土的极限 承载力，桩体的极限承载力除通过现场试验测定外，也可根据桩体材料的性质分 别采用不同的计算公式。 ( 二) 复合地基的沉降分析 复合地基的沉降分析分为数值分析和简化计算两大类。沉降数值分析方法目 前主要有；一是简化成平面问题分析 8 7 , 9 8 - 1 0 4 ；一是按三维问题分析【8 0 , 8 8 , 9 i 。9 3 1 。由 于数值分析方法的模型和参数都难以确定，工程中复合地基的沉降计算通常采用 简化计算方法进行。 沉降简化计算方法按研究的途径可分为将复合地基作为整体考虑的沉降计算 方法和将复合地基沉降分为加固区与下卧层压缩量分别考虑的沉降计算方法。 ( 1 ) 将复合地基作为整体考虑的沉降计算方法 ( a ) 沉降折减法 荷载作用下复合地基的加橱效果可用沉降减小因子_ i b 来表示： 口= s s o 式中，s 为复合地基的沉降：s o 为相应的未加固地基的沉降。 采用沉降折减法的关键问题在于正确确定出口7 的值。p r i e b e ”、 张定【1 12 】和c h o w 1 1 3 1 等人均在此方法的研究上取得了一定的成果。 ( b ) 应变修正法 ( 1 2 ) a b o s h i l 8 、 浙江大学博士后出站报告 g o u g h n o u r l l l 4 】分析了剐性基础下碎石桩复合地基，认为当基础荷载较大时桩 体会发生侧向鼓胀，因此须进行塑性分析。考虑到桩体发生塑性变形可能性随深 度而变小，建议取典型单元体逐段进行弹塑性分析。取弹性和塑性分析获得的应 交折减系数的大者与未加固时土的垂直应变之积作为复合地基的竖向应变，累加 逐段计算的压缩量可获得复合地基沉降。 ( c ) 位移模式法 a l a m g i r 等【1 1 5 】分析了柔性基础下端承桩复合地基，并假定桩土为线弹性体， 选择适当的典型单元体变形模式，利用典型单元体侧面零剪应力和桩土界面位移 谐调条件，通过各桩土单元的平衡分析获得了桩土的沉降及应力分布。 ( d ) 附加应力解析法 确定荷载作用下复合地基中的竖向附加应力是复合地基沉降计算的关键。李 静文【1 1 6 埽口李增选等【n _ 7 】对复合地基的附加应力确定方法做了一定的研究工作。用这 种方法求解复合地基中的附加应力是以地基土为均质半空间弹性体的假设为前提 的，因此，只有在置换率较小时才能得到较为合理的结果。 ( 2 ) 复合地基加固区与下卧层分别考虑的沉降计算方法 工程应用上常将复合地基的沉降分成二部分，即加固区的压缩量和下卧层的 压缩量，分别计算这二部分压缩量，二者迭加作为复合地基的沉降量。 ( a ) 加固区压缩量的计算【1 7 , 9 9 , 1 0 1 , 1 1 8 。1 2 1 】 加固区压缩量计算方法主要有三种：复合模量法、应力修正法和桩身压缩量 法【4 1 ，这三种方法都假设桩与桩间土变形相等。 复合模量法是将桩和桩间土看作一复合体，采用复合模量来评价复合土体 的压缩性。这种方法实质上是将加固区的桩和土进行均质化，采用这种分析方法 的关键在于正确地确定加固区复合土体的复合模量。尽管复合模量可以用随应变 而变化的弹性模量来代替，以考虑材料的非线性影响，或者用将桩体均匀地“弥 散”于整个加固区中，但这种方法忽略了复合地基加固区桩土非均质这一事实， 因而这种方法原则上仅适用于桩和桩间土强度相差不大、桩土协调变形能力强的 复合地基。 应力修正法是根据桩间土分担的荷载，忽略桩体的存在，由桩间土的压缩模 量用分层总和法计算加固区的压缩量，这种方法的关键在于正确确定复合地基的 桩土应力比。 8 第一章绪论 桩身压缩量法是假设桩体不会产生刺入下卧层的变形，计算桩身压缩量作为 加固区压缩量。采用这种方法需要确定桩身应力沿深度的分布，即复合地基中桩 身的荷载传递规律。 ( b ) 下卧层压缩量的计算l “，1 2 2 。1 ” 下卧层压缩量的计算通常采用分层总和法，因此，下卧层压缩量计算的关键 是确定下卧层土中的附加应力分布。由于作用在下卧层面的荷载难以精确计算， 故目前在工程应用中下卧层压缩量的计算常采用的方法为：压力扩散法、实体深 基础法、当层法以及忽略桩体存在的分层总和法等。 压力扩散法是利用压力扩散角计算下卧层顶面上的荷载，从而确定下卧层的 竖向附加应力。 实体深基础法实际上是群桩沉降的计算方法，将加固区视为等效的实体深基 础，假定加固区四周摩阻力均匀分布，用复合地基基底压力扣除摩阻力后即可得 到下卧层顶面承受的荷载，据此按弹性理论计算下卧层附加应力分布，由分层总 和法计算下卧层压缩量。 当层法是利用加固区的复合模量，将加固区换算成与下卧层模量相同的土层， 从而转化成均质地基问题，这样就较易求出地基中的竖向附加应力，然后按分层 总和法计算出下卧层压缩量。当层法由于不能反映复合地基中低应力区下移的规 律，计算结果与实测值相差较大。 1 2 3 柔性基础下复合地基的工作性状研究 近年来，柔性基础下复合地基在路堤和堤坝等工程中得到了广泛应用。但在 设计中往往仍沿用刚性基础下复合地基的设计理论，造成实测值与设计值相距甚 远( 而且结果往往是偏于不安全的) ，给国家和人民财产造成不少损失或浪费。 在建筑工程中，复合地基承担的上部荷载通常通过钢筋混凝土刚性基础传递，我 们称之为刚性基础下复合地基：而在路堤等工程中，复合地基承担的荷载是由刚 度小得多的路堤传递的，我们称之为柔性基础下复合地基。理论研究和试验结果 均表明刚性基础与柔性基础下复合地基的性状有较大差异2 6 】：在其它因素相同 的情况下，柔性基础下复合地基的承载力要小于刚性基础下复合地基，而沉降量 则要大得多。 目前国内外对于刚性基础下复合地基的工作性状已开展了大量的研究工作， 浙江大学博寸一后出站报告 通过采用室内实验、理论分析( 主要包括解析方法和数值方法) 和现场测试等方 法对复合地基的承载力、应力及沉降变形特性等方面进行了研究，取得了丰富成 果。相对而言，对柔性基础下复合地基工作性状的研究工作较少。现有研究成果 归纳如下： 吴慧明等 1 2 6 1 于2 0 0 0 年进行了刚性基础和柔性基础下单桩复合地基的模型试 验。结果表明：( 1 ) 柔性基础下单桩复合地基地基土先达到极限状态，随着荷载 增加，桩体也进入极限状态。而刚性基础下单桩复合地基则是桩体先达到极限状 态，然后地基土进入极限状态：( 2 ) 柔性基础下复合地基桩土应力比随荷载水平 的增加表现为先减小后增大。剐性基础下复合地基的规律则相反。在量值上后者 约为前者的1 0 倍；( 3 ) 由于柔性基础下复合地基破坏时桩体承载力未能得到很 好发挥，因此复合地基承载力要小于刚性基础下复合地基。这说明柔性基础下复 合地基承载力不能简单套用刚性基础下的计算公式；( 4 ) 柔性基础下复合地基的 沉降大于刚性基础下复合地基。 马时冬 1 2 7 1 对泉厦高速公路试验段水泥搅拌桩复合地基桩土应力比 进行了 测试，认为月值随荷载的增大而增大，基本呈线性关系；桥台和通道基础下”值 大于路堤下。 龚晓南陋l 对柔性基础下复合地基的性状进行了初步探讨，分析了基础刚度变 化对复合地基性状的影响，并指出柔性基础下复合地基垫层与刚性基础下复合地 基的垫层应有不同：前者要求刚度较大，以提高桩体承担荷载，而后者则相反。 黄宏伟等惶8 1 采用三维数值分析方法证明的剐性基础板的存在可以减小复合 地基加固区和下卧层附加应力和沉降。 e k s t r o m 等 1 2 9 】通过现场测试证明了柔性基础( 路堤) 下桩顶位移与地表土体 位移并不相等。 a l a m g i r 等 1 1 5 1 通过假定变形模式，提出了“单位元”的概念，获得了柔性基 础下端承桩复合地基沉降计算的解析式。杨涛”。1 在此基础上进行了改进，引入了 “中性点”的概念，推导了柔性基础下悬桩复合地基的沉降公式。 施建勇等1 采用m i n d l i n 解答，利用现场试验和有限元计算分析所得的桩侧 摩阻力分布规律，推导出深层搅拌桩复合地基单位元沉降的计算公式。 邱钰等5 1 3 2 1 根据实测桩土应力比，采用m i n d l i n 解和b o u s s i n e s q 解联合求解了 柔性基础下粉喷桩复合地基的附加应力和沉降。窦i g g , g t l 3 3 1 对柔性基础下水泥土桩 第一章绪论 复合地基的承载力与沉降特性进行了探讨，认为桩土应力比随时间延长丽减小。 饶为国等【l 基于薄板变形理论和w i n l d e r 弹性地基模型，提出了路堤下桩一 网复合地基工后沉降计算方法。 从已有研究成果分析。笔者认为对于柔性基础下复合地基工作性状的研究还 不够深入，目前的研究主要还是针对水泥土类等柔性桩复合地基，对于桩身强度 和刚度都较大的混凝土类刚性半刚性桩复合地基，其柔性基础下的性状研究成果 却十分罕见。因此需要进步开展柔性基础下复合地基工作性状及其工程应用研 究，这不仅具有一定的理论价值，同时还有着广阔的工程应用前景，其成果必将 产生巨大的社会效益和经济效益。本文通过杭宁高速公路低强度砼桩复合地基处 理通道软土地基的施工实践与现场试验工作，对路堤荷载作用下低强度砼桩复合 地基的性状进行了研究，并提出了符合实际情况的低强度混凝土桩复合地基的设 计与施工方法，为今后类似工程的设计和施工提供可靠依据。 1 3 研究的主要内容 低强度砼桩复合地基属比较新型的地基处理技术，应用于处理高速公路通道 软土地基也尚属首次。本课题主要的研究内容如下： 1 、采用低强度混凝土桩复合地基，解决通道地基处理中的“二次开挖”问题 及路堤两侧村民交通问题； 2 、通过设置过渡段以及控制过渡段工后沉降的纵坡率，达到缓解“桥头跳车” 的目的； 3 、提出低强度混凝土桩的施工工艺及检测方法： 4 、通过现场测试工作，对路堤荷载作用下低强度混凝土桩复合地基的性状进 行试验分析研究。开展的现场测试工作包括： ( 1 ) 桩身和桩间土应力测试； ( 2 ) 地基土表面沉降和桩顶沉降观测： ( 3 ) 地基土分层沉降观测： ( 4 ) 地基土侧向变形观测： ( 5 ) 桩身完整性和地基承载力检测。 5 、通过有限元数值分析，进一步研究垫层刚度和桩长的变化对复合地基性状 浙江大学博士后d i 站报告 的影响，探讨柔性基础与刚性基础下复合地基性状的差异，并找出复合地基垫层 刚度及桩长的影响规律； 6 、在试验研究和数值分析的基础上，提出路堤荷载作用下低强度混凝土桩复 合地基的设计方法。 第二章低强度混凝土桩复合地基施工方法与设计计算 第二章低强度混凝土桩复合地基 施工与设计计算 2 1 概述 桩体复合地基中，凡竖向增强体是由低强度桩形成的复合地基，可以统称为 低强度桩复合地基。低强度桩桩身强度低是与钢筋混凝土桩、钢管桩相比较而言， 常用水泥、石子及其他掺合料( 如砂、粉煤灰、石灰等) 加水拌和，用各种成桩 机械在地基中制成的强度等级为c 5 c 2 5 的低强度桩。与碎石桩相比，低强度桩一 般由胶结材料形成，桩身具有一定的刚度，不属于散体材料桩。与水泥土桩相比， 低强度桩桩身强度和刚度一般比较大。常采用当地材料，因地制宜配制各种配方 的低强度桩，如中国建筑科学研究院地基所开发的水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 、 浙江省建筑科学研究所等单位开发的低强度水泥砂石桩以及浙江大学岩土工程研 究所开发的二灰混凝土桩等，均属于低强度桩复合地基技术。 目前工程中应用的低强度桩以低强度砼桩较多，而且桩身强度愈来愈高，剐 度愈来愈大，不少低强度砼桩复合地基与剐性桩复合地基很难给予明确的界限。 与桩基础相比，低强度砼桩复合地基考虑了桩土共同承担荷载，而桩基础一般不 考虑桩阃土分担荷载，因此低强度砼桩复合地基的工程造价较低。与散体材料桩 相比，低强度砼桩可以全桩长发挥桩的侧摩阻力，而且当桩端落在好的土层上时， 还可较好地发挥桩端阻力作用，所以桩体可将荷载传递给较深的土层，而散体材 料桩主要是靠桩周土的约束传递荷载，其传递荷载的能力有限，一般难以达到较 深的土层，因此低强度砼桩复合地基的承载力较大、变形沉降较小。低强度砼桩 桩身强度和刚度一般比水泥土桩的都大，其复合地基桩体置换效用较强，桩长较 长时，地基处理深度就较深，复合地基承载力提高幅度较大，地基沉降显著减小。 上述低强度砼桩的施工工艺基本同沉管灌注桩施工工艺。施工工艺简单，一 般桩基施工单位均能施工。低强度砼桩复合地基因为桩长、桩径以及桩身强度较 浙江大学博士后山站报告 易控制，施工速度快，工期短。通过合理设计，低强度砼桩复合地基技术可以充 分发挥桩体材料的潜力，又可充分利用天然地基承载力，并能因地制宜，利用工 业废料和当地材料，工程造价低廉，因此具有较好的经济效益和社会效益，近年 来得到学术界和工程界的重视。 归纳起来，低强度砼桩复合地基具有以下一些方面的工程特性： ( 1 ) 适应性强 低强度砼桩复合地基可适用于处理粘性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥质 土等各种土性的地基。适用的基础形式也是多样的，它既可用于建筑工程中的条 基、片筏基础、箱基等刚性基础之下，也可用于道路工程中的高路堤柔性基础之 下。 ( 2 ) 刚性桩性状 低强度砼桩桩身强度和刚度般较大，与刚性桩的界限已很难确定。低强度 砼桩复合地基与刚性桩复合地基的性状基本相似，桩体置换效用都比较强，可全 桩长发挥桩的侧摩阻力，并通过桩体将荷载传递给较深的土层，桩间土上荷载相 应减小。当桩长较长时，地基处理深度就深，复合地基承载力提高幅度较大，地 基沉降量降低更为显著。刚性桩的性状是低强度砼桩的重要工程特性之一。 ( 3 ) 承载力提高幅度大 低强度砼桩复合地基可以较好地发挥桩体和桩间土的效用，桩体较强的置换 效用可使桩体承担较大比例的荷载，而且桩体可全桩长发挥桩的侧摩阻力，将荷 载传递给较深的土层，所以低强度硷桩可以较大幅度地提高地基承载力。当天然 地基承载力较低而上部荷载又较大时，一般柔性桩复合地基难以满足设计要求， 而低强度砼桩复合地基就比较容易实现。如果低强度砼桩对桩间土的挤密效用较 强时，则复合地基的承载力将大大提高。 ( 4 ) 沉降量小 一般低强度砼桩复合地基的复合模量较大，可全桩长发挥桩的侧摩阻力，将 荷载传递给较深的土层，桩间土上荷载相应减小，复合地基的垫层效用又能起到 减小加固区下卧层土体中应力的作用，因此复合地基的沉降量较小。此外，桩体 的遮拦效用限制了桩间土体的侧向变形，使得复合地基抵抗竖向变形的能力得到 增强，这对降低地基变形沉降也是有利的。 第二章低强度混凝土桩复合地基旌工方法与设计计算 ( 5 ) 砂砾垫层的调整作用显著 砂砾垫层是低强度砼桩复合地基的一个重要部分，是由粒状材料( 砂或砾石) 组成的具有一定厚度的散体垫层。它的重要作用是保证桩体