（岩土工程专业论文）水泥土桩复合地基三维弹塑性承载性状分析.pdf

郑十【人学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的迅速发展，基本建设规模的不断扩大，各类工程越来 越多地遇到不良地基问题，各种不良地基需要进行地基处理才能满足建造物的 要求。在长期的工程实践中，人们探索出了许多行之有效的软土地基处理方法， 水泥士搅拌桩复合地基以其独特的优点在工程中得到广泛应用。为促进水泥土 搅拌桩复合地基的应用与发展，利用a n s y s 建立三维弹塑性分析模型，对水 泥土搅拌桩复合地基的承载性状进行群桩分析。 本文介绍了水泥土搅拌桩复合地基的承载机理，总结了水泥土桩复合地基 设计和计算的基本理论，并对有限元计算方法和位移模式以及土的本构模型进 行了介绍。利用有限元，分析了桩体模量、桩长、置换率和褥垫层对水泥土搅 拌桩复合地基承载性状的影响。分析内容主要包括以下几个方面： 1 、桩体模量对复合地基沉降特性的影响，桩体模量对桩土应力特性的影 响： 2 、水泥土桩桩长对复合地基沉降特性的影响； 3 、复合地基置换率对复合地基沉降特性的影响； 4 、褥垫层对桩土应力的调节作用，复合地基的应力随褥垫层的模量和褥垫 层的厚度变化规律。 最后，将工程实例中现场静载试验结果与有限元计算结果进行了比较。结 果表明，有限元计算的曲线能够较好与现场实测曲线吻合，本文的有限元计算 方法叮以应用于复合地基的分析，为工程设计提供参考。 关键词：水泥土搅拌桩；复合地基；桩土共同作用；有限元 郑卅大学硕士学位论文 a b s t r a c t w j 协t h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ec o n s t a n te n l a r g e m e n t o ft h eb a s i cc i v i le n g i n e e r i n g s o f tg r o u n d sh a v eb e e nf o u n di na l lk i n d so fc i v i l e n g i n e e r i n g ，a n dt h e yw o u l db et r e a t e ds oa st om e e tt h ed e m a n d so ft h eb u i l d i n g s m a n ye f f e c t i v em e t h o d so fg r o u n dt r e a t m e n th a v eb e e ne x p l o r e di nl o n gp r o j e c t p r a c t i c e t h ec e m e n t - m i x i n gp i l e ( c m p ) c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s o n eo fm e t h o d s h a v i n gw i d e l yb e e nu s e di ne n g i n e e r i n gb e c a u s eo f i t su n i q u em e r i t s t op r o m o t et h e a p p l i c a t i o n a n dd e v e l o p m e n to fc m pc o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h e m u l t i p i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nf o re l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t yh a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e rb y a p p l i c a t i o no f 3 d i m e n s i o nn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t t h em e c h a n i s mo ft h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fc m p c o m p o s i t ef o u n d a t i o na sw e l l a st h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ed i s p l a c e m e n tm o d eo ft h ee l e m e n ta n ds o i l s m o d eh a sb e e ni n t r o d u c e d t h eb a s i cd e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sh a v eb e e n s u m m a r i z e di nt h ep a d e ta f t e r w a r d st h ei n f l u e n c ef a c t o r si nc m pc o m p o s i t e f o u n d a t i o nh a v eb e e na n a l y z e d t h e ya r et l l es e v e r a la s p e c t sa st h ef o l l o w i n g s ： 1 、t h ei n f l u e n c eo ft h ep i l em o d u l u so nt h ed e f o r m a t i o no fc m pc o m p o s i t e f o u n d a t i o na n do nt h es t r e s so f p i l ea n ds o i lw e r ea n a l y z e d ； 2 、t h ei n f l u e n c eo f t h er e p l a c e m e n tr a t i oo nt l l ed e f o r m a t i o no f c m p c o m p o s i t e f o u n d a t i o nw a sa n a l y z e d ； 3 、t h ei n f l u e n c eo nt h el e n g t ho fp i l eo l lt h ed e f o r l i l a t i o no fc m pc o m p o s i t e f o u n d a t i o nw a si n t r o d u c e d ； 4 、t h ea d j u s t m e n tf u n c t i o no fc u s h i o nf r o mi t st h i c k n e s sa n dm o d u l u so nt h e s t r e s so f p i l ea n ds o i lw a ss t u d i e d t h ef i e l ds t a t i cl o a dt e s tr e s u l ta n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l to b t a i n e df r o mf n i t e e l e m e n tp r o 盯a ma lec o m p a r e d i ti n d i c a t e st h a tt h ec u r v e so b t a i n e df r o mf i n i t e e l e m e n tp r o g r a mc a nm a t c ht h ef i e l ds t a t i cl o a dt e s t t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i n t r o d u c e di nt h ep a p e rc a nb ea p p l i e df o rt h ea n a l y s i so fc m p c o m p o s i t ef o u n d a t i o n a n dt h er e s u l to f p r o g r a mc a nb eu s e da sr e f e r e n c eo f p r o j e c td e s i g n k e y w o r d s ：c e m e n t - m i x i n gp i l e ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；p i l e s o i li n t e r a c t i o n ； f i n i t ee l e m e n t i i y 7 8 2 6 0 1 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：赫 苦弋 h 好6 月6 日 郑州大学硕士学位论文引言 引言 改革开放2 0 多年来，我国经济建设进入一个新阶段，扩大内需成为拉动经 济增长的重要手段，国家对于基础设施投资的力度越来越大。在中国全面建设 小康社会的时候，困家将斥巨资加强基础设施建设，再加上其他各类工程建设， 总体建设规模十分可观。 人量工程涉及到各类软弱地基与不良地基的处理i = ! j 题以及恶劣环境条件下 的地基处理问题，地基处理研究也由此成为十力学及岩土工程工作者研究的一 个热点。各种不良地基需要进行地基处理才能满足建造构筑物的要求，对软弱 土和特殊土进行地基处理，其目的是为了提高地基的强度和保证地基的稳定、 降低地基的压缩性、减少地基的沉降和不均匀沉降、防止地震时地基土的震动 液化以及消除特殊土的湿陷性、胀缩性和冻胀性。在跃期的工程实践中，人们 探索出了许多行之有效的软土地基处理方法。我们不仅要针对不同的地质条件、 不同的结构物选定最合理的基础型式、尺寸和布置方案，而且要善于选取最恰 当的地基处理方法。 在复合地基法中，水泥土搅拌桩复合地基以其独特的优点应用非常广泛。 随着水泥土桩的试验研究、理论分析和有限元模拟等工作的开展，水泥土搅拌 桩复合地基理论研究水平获得了很大的提高。但水泥土搅拌桩复合地基的工作 机理研究是一个影响因素较多的复杂课题，例如实际工程地质条件的复杂多样 和水泥土搅拌桩的隐蔽性，其中水泥十桩载荷机理、桩长、置换率和褥垫层对 复合地基工作机理的影响虽已有一些研究，但与工程实践发展水平相比还显不 足。总之，水泥土搅拌桩复合地基的试验研究和理论分析仍是一个非常薄弱的 环节。 许多学者和专家对水泥土搅拌桩与复合地基进行了有限元分析，分析模型 大致分为以下三个方面：一是一维的单桩和群桩有限元分析：线弹性分析和非 线性弹性分析以及弹塑性分析，有的还考虑了接触问题和土的固结问题；二是 三维有限元单桩分析：线弹性分析和非线性弹性分析；三是三维有限元群桩分 析：线弹性分析和非线性弹性分析，有的也考虑了接触界面的相对滑动问题。 但对于三维有限元群桩弹塑性分析尚无人涉足。 本文在现有研究的基础上，针对水泥土搅拌桩复合地基，利用a n s y s 建 立i 维弹塑性分析模型，对水泥土搅拌桩复合地基的承载性状进行群桩研究。 论文主要分析了分析桩体模量、桩长、置换率和褥垫层等因素对水泥土搅拌桩 复合地基的承载性状的影响。 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 改革开放2 0 多年来，我国经济建设进入个新阶段，扩大内需成为拉动经 济增长的重要手段，国家对丁基础设施投资的力度越来越大。在中国全面建设小 康社会的时候，国家将斥巨资加强基础设施建设。“十五”期间，将新建公路 2 0 0 0 0 0 k m ，高速公路1 0 0 0 0 k m ；铺设铁路新线7 0 0 0 k m ，复线4 0 0 0 k m ；新建深 水泊位1 4 0 个；新建或扩建支线机场4 0 个；新建电站7 7 0 0 万千瓦，骨干输电线 路6 万k m 。加上其它工业民用建设和水利工程建设，总体建设规模十分可观。 我国地域辽阔，从沿海到内地，从山区到平原，分布着多种多样的地基土， 其抗剪强度、压缩性以及透水性等因土的种类不同而有很大差别，地基条件区域 性很强。随着我国国民经济的发展，不仅事先要选择在地质条件良好的场地上从 事建设，而有时不得不在地质条件不良的地基上进行修建；另外，随着科学技术 的日新月异，结构物的荷载日益增大，对变形的要求也越来越严格，因而原来一 般可被评价为良好的地基，也可能在特定条件卜非进行地基处理不可。 大量工程涉及到各类软弱地基与不良地基的处理问题以及恶劣环境条件下 的地基处理问题，地基处理研究也由此成为土力学及岩土工程工作者研究的一个 热点。各种不良地基需要进行地基处理才能满足建造构筑物的要求，对软弱土和 特殊土进行地基处理，其目的足为了提高地基的强度和保证地基的稳定、降低地 基的压缩性、减少地基的沉降和不均匀沉降、防止地震时地基土的震动液化以及 消除特殊土的湿陷性、胀缩性和冻胀性。在长期的工程实践中，人们探索出了许 多行之有效的软土地基处理方法。我们不仅要针对不同的地质条件、不同的结构 物选定最合理的基础型式、尺寸和布置方案，而且要善于选取最恰当的地基处理 方法。 地基处理的方法很多，分类也多种多样。如按时间可分临时处理和永久处理； 按深度可分为浅层处理和深层处理；根据加固机理可分为密实法、置换法、加筋 法、灌浆法和复合地基法【2 11 3 。 1 、密实法密实法系指松散的非饱和土和软弱的饱和土，在荷载( 静载、 郑州大学硕十学位论文 第一章绪论 动荷载或冲击荷载) 作用下，使土体的空隙体积减少，密实度提高，地基土的承 载力增加，压缩性降低。密实法主要包括：机械夯实法、强夯法、真空预压法、 堆载预压法、排水固结法。 2 、置换法嚣换法也称为换填法，是将基础下一定范围内的软弱土层挖除， 然后分层换填强度和模量相对较高的砂、碎石、灰土，形成一个较好的持力层， 达到提高承载力和减小变形的目的。置换法承载力的提高依赖于士的置换作用。 3 、加筋法加筋法是通过土层中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力 杆件等提高地基承载力、减小沉降或维持建筑物稳定。 4 、灌浆法灌浆法的应用十分广泛，灌浆的主要用途是加固和防渗。在工 程建设中，除了提高灌浆对象的强度和模量外，还有恢复混凝土结构及坝工构筑 物的整体稳定，降低渗透性，截断水流诸多方面的作用。 5 、复合地基法复合地基法是在天然地基中设置一定比例的增强体( 桩体) ， 使桩土共同承担荷载，并具有密实法和置换法的效应。根据桩体材料性状，可将 复合地基分为： 复合地基 f 砂桩 柔性桩 碎石桩 l 渣士桩 半刚性桩 灰土桩 钢渣桩 石灰桩 搅拌桩 旋喷桩( 删桩) 水泥粉煤灰桩砂石桩 刚性桩f 嚣荔篡凝土桩 横向加筋材料 豢主雾翕篙栅 图1 - 1 复合地基的分类 地基处理的成功与否直接关系着人民的生命财产安全，过去有很多因地基处 理失败而引起的工程事故的例子，另外地基基础工程占工程总造价的很大比重， 因此，应对包括复合地基在内的各种地基处理方法进行深入的研究，做到技术先 郑卅l 大学硕士学位论文第一章绪论 进、经济合理、安全适用、确保质量的原则下拟定处理方案，才能获得最佳的处 理效果。 在复合地基法中，水泥土搅拌桩复合地基应用非常广泛，这得益于其独特的 优点：水泥土搅拌桩由于将同化剂和原地基软土就地搅拌混合因而最大限度地 利用了原土。搅拌时不会使地基侧向挤出，对周围原有建筑物的影响较小； 按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设计比较灵 活；施工时无震动、无噪声、无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工； 土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降；与钢筋混凝土 桩基相比，节省了大量钢材，并降低了工程造价；根据上部结构的需要，可灵 活的采用柱状、壁状和块状等加固型式。 根据施工方法的不同，水泥土搅拌桩可以分为深层搅拌桩( 湿法) 和粉体喷 射桩( 干法) 两种。 我国于8 0 年代初开始引进此项技术。1 9 8 3 年初，铁道部第四勘测设计院开 始进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验研究，并与铁道部武汉工程机械研究所合 作于1 9 8 3 年研制出我国第一台液压步履式粉喷桩桩机。1 9 8 4 年在广东省云浮硫 铁矿铁路专用线t 应用石灰搅拌桩加固单孔4 5 m 盖板箱涵的软土地基获得成 功，1 9 8 5 年4 月通过铁道部部级技术鉴定，建议逐步推广使用。此后，水泥土 搅拌桩在工业与民用建筑、高速公路、铁路、基坑支护工程等方面得到了广泛应 用，取得了巨大的社会效益和经济效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 试验方面 许多学者和专家通过室内外模型试验和现场测试试验分析了水泥土搅拌桩 复合地基的荷载传递机理及其影响因素，使我们对水泥土搅拌桩有了更深入的认 识，为理论分析和数值计算提供了宝贵的试验资料。 林琼通过室内模型试验，研究了水泥搅拌桩复合地基的承载力。当水泥掺入 量小等于1 0 时，复合地基承载力与桩长无关，呈现柔性桩的特性；当水泥的掺 入量大于等于1 0 后，复合地基的承载力随桩长的增加而增加；当水泥的掺入量 为1 0 一3 0 时，对复合地基的承载力影响很大，其特性类似于刚性桩】。 陈竹昌、王建华对水泥搅拌桩的沉降及组成、桩侧摩阻力的发挥程度进行了 郑州大学倾十学位论文第一章绪论 分析，并提出了刚性桩与柔性桩的判别标准。刚性桩的承载力及沉降主要取决于 桩周土和桩端土的性能，而受桩身压缩变形的影响较小；柔性桩的承载力及沉降 不仅与桩周土、桩端土的性能有关，而且受桩身压缩变形的影响很大。即使强度 很大的混凝土桩，其刚性的大小也与长细比有关，当桩较短即长细比小于3 0 时， 属t - e q f j 性桩；当桩很长即长细比大于7 0 时，表现为柔性桩【1 2 】。 段继伟，龚晓南，曾国熙通过现场足尺试验，研究了水泥搅拌桩的荷载传递 规律，认为桩体的变形、轴力、侧摩阻力主要集中在临界深度这部分桩体上，超 过临界深度以后，桩体的变形、轴力、侧摩阻力发挥较小【l 。 张雁、黄强对水泥搅拌桩、c f g 桩等半刚性桩复合地基的基本性状进行了 总结，并与桩基础、碎石桩复合地基的特性进行了比较【l 。 金宗川等通过改变垫层厚度对石灰桩单桩复合地基进行了模型试验，根据试 验资料分析了桩土荷载的传递特性、桩土应力变化规律及桩土应力比随深度变化 等工作性状，并就其在工程设计及实践中的应用进行了分析i 1 “。 郑刚，姜忻良，顾晓鲁通过模型试验和轴对称有限元一无穷元耦合分析，研 究了软十层中水泥搅拌桩的荷载传递，分析结果表明，基础、桩长和垫层对水泥 搅拌桩复合地基的荷载传递有较大影响。在软土中桩身卜- 部桩土之间可以产生相 对滑移，产生相对滑移的深度与桩土模量比有关，砂垫层虽能增大桩间土分担比， 但同时也降低了桩顶反力d 5 。 1 2 2 数值计算方面 随着计算机的发展，有限单元法在复合地基的分析中得到广泛应用。很多学 者和专家对各类复合地基进行了数值分析和模拟，得出了一些重要结论。 周建民，丰定祥，郑宏采用d u c a n c h a n g 模型编制了非线性有限元程序对大 板基础f 深层搅拌桩复合地基进行三维数值模拟分析，分析了荷载水平、桩长、 桩土置换率、不同土层分布、不同桩身模量等诸因素对复合地基沉降、桩端应力、 桩的承载力的影响，并对深层搅拌桩复合地基工作机制、应力和变形分布特点进 行了分析【1 7 j 。 沈苍文，张英通过编制能正确反映复合地基各种相互作用的三维非线性有限 元一无界元耦合程序，采用线弹性模型和d u n c a n c h a n g 非线性本构模型，分析了 褥垫层在复合地摹中的作用，并讨论了有褥垫层时桩体刚度、桩长的变化对复合 郑州大学硕上学位论文第一章绪论 地基桩身应力分布的影响；在此基础上，给出了桩体刚度对承台下桩土应力扩散 规律的影响，所得结果对工程实践具有指导意义【1 9 】。 段继伟，龚晓南，曾国熙通过单桩带台的有限元分析模型对复合地基桩土应 力比的影响因素进行了有限元分析，结果表明复合地基中桩土应力比在有效桩长 范围内随深度增加而增大，随着桩土模量比增大而增大，随着置换率增大而减小 2 0 l 。 张忠坤，殷宗泽，曹f 康利用二维平面有限元程序对复合地基临界桩长进行 了分析研究，结果表明复合地基临界桩长应视荷载分布情况、桩土模量比、桩径、 桩间距大小而定，荷载分布不同对l 临界桩长影响程度不郦2 ”。 胡幼常，王金山，舒鄂南以a n s y s 为工具，对复合地基进行了数值试验， 探讨并求出了复合地基的有效桩长，为了检验有限元计算结果的可靠性，对粉喷 桩复合地基模型的p s 曲线的计算值与现场实测值进行了比较口”。 韩煊，李宁利用奥地利引进的大型岩土工程数值分析软件包f i n a l 作为数 值试验工具对群桩复合地基的承载与变形进行了系统深入的分析，指出群桩复合 地基中桩身上部应力比单桩更趋均匀，衰减缓慢，在桩端处应力衰减较单桩快， 同时，群桩复合地基中桩侧摩阻力的分布曲线呈单调递增，且在桩端处增幅较大， 从卜而上逐步发挥1 2 。 曾远，周瑞忠利用b i o t 固结理论，采用有限单元法分析了复合地基桩长、 置换率、桩土刚度比、施工进度对地基变形的影响，并从减小差异沉降出发，提 出合理的布桩方式，减少高速公路的差异沉降口4 1 。 张爱军、谢定义利用有限元无界，j 对复合地基进行了三维弹性非线性分析， 地基土采用d u n c a n c h a n g 非线性模型，桩、土和承台之间设置接触单元，以模 拟相对滑移和摩阻力的发挥，同时考虑土的变形协调。通过考虑其各个部分的主 要作用及相互影响来模拟研究复合地基的应力场、应变场，并进一步分析了复合 地基的沉降一压力关系曲线【25 1 。 随着水泥土桩的试验研究、理论分析和有限元模拟等工作的丌展，水泥土搅 拌桩复合地基理沦研究水平获得了很大的提高。但水泥土搅拌桩复合地基的工作 机理研究是一个影响因素较多的复杂课题，例如实际工程地质条件的复杂多样和 水泥土搅拌桩的隐蔽性，其中水泥土搅拌桩载荷机理、桩长、置换率和垫层对复 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 合地基工作机理的影响虽已有一些研究，但与工程实践发展水平相比还显彳i 足。 总之，水泥土搅拌桩复合地基的试验研究和理论分析仍足一个非常薄弱的环节。 许多学者和专家的有限元分析模型大致町分为以下三类：一是二维平面的单 桩和群桩有限元分析：线弹性分析和非线性弹性分析以及弹塑性分析，有的还考 虑了接触界面的相对滑动问题和土的固结问题；二足三维有限元单桩分析：线弹 性分析和非线性弹性分析；三是三维有限元群桩分析：线弹性有限元分析和非线 性弹性分析，有的也考虑了接触界面的相对滑动问题。但对复合地基进行三维弹 塑性有限元的群桩分析尚无人涉足。 1 3 本文主要研究工作 本文在现有研究的基础上，针对水泥土搅拌桩复合地基，利用大型有限元分 析程序a n s y s 建立三维弹塑性分析模型，对水泥土搅拌桩复合地基的承载性状 进行群桩研究。水泥土搅拌桩的强度、桩长和置换率是影响复合地基承载性状的 重要因素，同时也是影响工程造价的重要因素，因此本文主要从桩体模量、桩长、 置换率和褥垫层等方面对水泥土搅拌桩复合地基的承载性状进行群桩分析。本文 具体地做了以下几方面的工作： 1 、分析桩体模量对复合地基沉降特性的影响；分析桩体模量对桩体应力、 桩间土附加应力和桩土应力比的影响。 2 、分析桩长对复合地基沉降特性的影响规律；分析置换率对复合地基沉降 特性的影响规律。 3 、分析褥垫层对桩土应力的调节作用，垫层的设置对桩土应力的分配具有 良好的渊节作用，可以减缓桩顶的应力集中程度，极大地改善了复合地基的承载 性状。本文将从褥挚层的厚度和弹性模量两个方面分析其对复合地基中桩体应 力、桩问土附加应力和桩土应力比的影响。 郑州大学硕士学位论文第二章水泥十桩复合地基基本理论 第二章水泥土桩复合地基基本理论 2 1 水泥土桩复合地基加固机理分析 水泥土搅拌桩复合地基的加固机理可以从两个方面进行分析，一是桩体本身 的强度，即水泥加固软土机理，二是桩土共同作用形成复合地基的工作机制。 2 1 1 水泥加固软土机理 水泥土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同，混凝土的硬化主要 是在粗填充料中进行水解和水化作用，所以凝结速度快。而在水泥加固十中， 由于水泥掺量很小，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质一土的 围绕下进行，所以水泥加固十的强度增长过程比混凝土较为缓慢。 ( 1 ) 水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要是氧化钙、二氧化硅、三氧化铝、三氧化二铁及三氧 化硫等组成，由丁这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿物；硅酸三钙、 硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。用水泥加固软土时，水泥颗粒 表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸 钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙。 所生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶于水中，是水泥颗粒表面重新暴 露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和当溶液达到饱和 后，水分子虽继续深入颗粒内部，但新生成物己不能再溶解，只能以细分散状 态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。 c a l o h ) z + s i o z + n h 2 0 斗c a s i 0 2 ( n + 1 ) h 2 0 c a t 7 0 h ) 2 + a 1 2 0 3 + n h 2 0 c a o a 1 2 0 3 ( n + 1 ) h 2 0 c a r o h ) 2 + f e 2 0 3 + n h 2 0 j c a o f e z 0 3 ( n + 1 ) h 2 0 ( 2 ) 土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的水化物生成后，有的自身继续硬化形成水泥石骨架；有的则与剧 围具有活性的粘土生反应。 离子交换和团粒作用 粘土和水结合时就表现出一种胶体特征，如土中含量最多的二氧化硅与水 郑州大学倾+ 学位论文第二章水泥十枇复合地基基本理论 后，形成硅盐胶体颗粒，即表面带有钠离子或钾离子，它们都能和水泥水化生 成的氢氧化钙中钙离子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的士颗粒， 从而使土体强度提高。 水泥水化生成的凝胶离子的比表面积约比原水泥颗粒大1 0 0 0 倍，因而产生 很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较人的土团粒进一步结合起来，形成 水泥土的团粒结构，并封闭各土团的空隙，形成峰固的联结，从宏观上看也就 使水泥土的强度大大提高。 硬凝反应 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子 交换的需要量后，在碱性环境中，能使组成粘性矿物的二氧化硅及三氧化二铝 的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合 物，增大了水泥土的强度。其反应通式为： c a ”+ 2 ( o h ) 一+ s i 0 2 - - c s h c a ”+ 2 ( o h 、+ a 1 2 0 5 c a h ( 3 ) 碳酸化作用 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水和空气中的二氧化碳，发生碳酸化 反映，生成1 i 溶于水的碳酸钙，这种反应也能使水泥增加强度，但增长的速度 较快，幅度也较小。 从水泥的加同机理分析，出于人工搅拌的不均匀性，实际上不可避免地会 留下一些未被粉碎的大小土团。在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象， 而土团问的大孔隙基本上已被水泥颗粒填满。加固后的水泥形成一些水泥较多 的微区，而在大小土团内则没有水泥。只有经过较长时间，土团内的颗粒在水 泥水解产物的渗透作用下，才会逐渐改变其性质。因此在水泥土中不可避免地 会产生强度较大和水稳性较好的水泥石区和强度较低的土块区。两者在空间相 互交替，从而形成一种独特的水泥石结构。可见，搅拌越充分，土块越小，水 泥分布到土中越均匀，则水泥石结构的离散性越小，其宏观的总体强度也越高。 2 1 2 桩土共同作用机理分析 水泥上搅拌桩复合地基主要由加固区、下卧层和挚层i 部分组成，加固区 郑州i 大学硕士学位论史第二章水泥十桩复合地基基奉理论 主要由桩与桩问土组成，故对水泥土桩复合地基作用机理分析时，必须对复合 地基从整体上分析，水泥土搅拌桩复合地基加固体的作用主要表现在以下几个 方面r 3 0 ： 桩体作用 由于复合地基中桩体的刚度较周围土体大，在刚性基础下发生等量变形时， 地基中应力按材料的模量进行分配，因此，桩体e 产牛应力集中的现象。大部 分荷载将由桩体承担，桩问土上应力相应减少。这样就使得复合地基的承载能 力较原地基有所提高，沉降量有所减小。随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥 得更为明显。 颦层作用 水泥土搅拌桩与桩问七复合形成的复合地基，在加固深度范围内形成复合 层，出于其力学性能优于天然地基，它可起到类似褥垫层的作用，均匀地基应 力和起到应力扩散等作用。在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，垫层的作 用尤为明显。 挤密作用 在水泥土搅拌桩施工过程中，由于振动、排士、材料吸水、搅拌和压力膨胀 等作用，都对桩问土起到了一定的密实作用。 加筋作用 水泥土搅拌桩复合地基除了可提高地基的承载力外，还可用来提高土体的抗 剪强度，增加土体的抗滑能力，增加路堤填筑的稳定性。 2 2 水泥土桩复合地基设计与计算 目前复合地基设计与计算基本上套用复合桩基理论。复合地基作为一种优良 的新型地基处理方式，它的设计方法还在不断的研究探索和完善之中。同前的实 用分析方法概括起来主要有以下几种：承台作用系数法、三维有限元方法、分项 效率系数法和极限承载力法。下面介绍的是现行建筑地基处理技术规范 ( j o j 7 9 2 0 0 2 ) 水泥土搅拌桩复合地基的设计计算方法。 2 2 1 单桩承载力计算 在对水泥土桩复合地基进行承载力计算时，首先确定单桩竖向承载力，接着 1 0 郑州大学顾士学位论文第二章水泥土桩复合地基基奉理论 计算复合地基承载力，再验算下卧层地基承载力。当验算不满足要求时，须重新 设计单桩，直到满足要求为止。 单桩竖向承载力标准值应通过现场单桩载荷试验确定，初步设计时可按式 ( 2 - 1 ) 估算。并应同时满足式( 2 - 2 ) 的要求，应使由桩身材料强度确定的单桩承载 力大于( 或等于) 由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力： r 。= “p q 。，+ 叼p a p ( 2 1 ) j = 1 r 。= 形二a ， 式中：咒单桩蛏向承载力的标准值： ( 2 2 1 疋。与桩身加同土配合比相同的室内加固土试块( 边长为7 0 7 r a m 7 0 7 r a m ) 在标准养护条件下的9 0 d 龄期的立方体抗压强度平均值 爿桩的截面积； 叩桩身强度折减系数，干法可取0 | 2 0 o 3 0 ：湿法可取o 2 5 o ，3 3 ； g 。桩周第i 层土的侧阻力特征值。对于淤泥可取4 7 k p a ；对于淤泥 质士可取6 1 2 k p a ；对于软塑状态的粘性土可取1 0 1 5 k p a ；对 可塑状态的粘性土可以取1 2 18 k p a ： “。桩的周长； i 桩长范围内第i 层土的厚度； 口。桩端地基土未经修l e 的承载力特征值，可按现行国家标准建 筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 的有关规定确定； 口桩端天然地基土的承载力折减系数，可取o 4 o 6 ，承载力高 时取低值。 式( 2 2 ) 中的桩身强度折减系数玎是一个与：i 一程经验以及拟建工程的性质密 切相关的参数。式中( 2 1 ) 桩端天然地基土的承载力折减系数口取值与施工时桩 端旋工质量及桩端土质等条件有关。 对式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 进行分析可以看出，当桩身强度大于式( 2 2 ) 所提出的强度 郊卅l 大学硕上学位论文第二章水泥十桩复台地基基本理论 o 9 5 ，天然地基承载力较高时去最大值； 厶处理后桩间土承载力特征值( k p a ) ，宜按当地经验取值，如无经验 桩问土承载力折减系数与桩的绝对沉降值有关，桩的沉降越大，桩周软 土承载力越能发挥。实际设计时，系数还应根据建筑物对沉降要求而定。当建 筑物对沉降要求较高时，即使桩端是软土，也应取较小值，这样较为安全。反 之，当建筑物对沉降要求较低时，容许有较大的沉降时，即使桩端为硬上，口也 2 2 3 置换率和桩数的计算 根据设计要求的单桩竖向承载力b 和复合地基承载力特征值厶，利用式 川：毫二生垒生( 2 - 4 ) 一莩万 对于采用柱状加固时，可采用f 方形或等边三角形布桩形式，其总桩数可 m ：m a( 2 5 ) a p 式中a 地基加固的面积( m 2 ) ； 2 2 4 桩位平面布置 水泥土桩的总桩数确定后，即可按选定的加固型式和上部荷载的分布进行布 桩。柱状加固时，桩的平面布置以桩距最大( 以充分发挥桩侧摩阻力) 和便于施工 为原则。壁状加固和格栅加固可根据上部荷载分布情况将搅拌桩布置成相互搭接 的壁状体：当总桩数不足以形成壁状加固体时，可增添较短的连接桩，确保桩体 2 2 5 下卧层地基的承载力验算 郑卅1 人学硕土学位论文第二章水泥十桩复合地基皋奉理论 当所设计的水泥土搅拌桩为摩擦型、桩的置换率较大( 一般m 2 0 ) 、且不 是单行竖向排列时，由于每根水泥土搅拌桩不能充分发挥单桩的承载力作用， 故应按群桩的作用原理进行下卧层的地基验算，即将桩和桩问土视为一个假想 的实体基础，考虑假想实体基础侧面与土的摩擦力，验算假想基础底面( 下卧 层地基) 的承载力。( 见图2 2 ) 厂_ r ，爿 图2 2 水泥土桩复合地基下卧层强度验算 要求满足下式： 产坐兰竿型趔 厂 式中：厂假想实体基础地面压力( 1 【p a ) ( 2 6 ) a o 基础底面积( m 2 ) ； 4 假想实体底面积( m 2 ) ； g 假想实体自重( k n ) ； 爿。假想实体基础侧面积( m 2 ) ： 瓦作用在假想实体基础侧壁上的平均容许摩擦力( k p a ) ； 厶假想实体基础边缘软土的承载力( k p a ) ； ，假想实体基础边缘底面经修讵后的地基承载( k n ) 。 当下卧层承载力的验算不满足要求时，须重新设计单桩，直至满足要求为止。 在实际工程中，散不仅对承载力有一定的要求，而且常常对沉降有一定的要求， 故还必须对复合地基的沉降进行验算。 郑州大学碗士学位论文第二章水泥十桩复合地基基本理论 2 3 复合地基沉降计算 通常情况下实际工程地基对沉降的要求往往高于对承载力的要求，故水泥土 搅拌桩复合地基以沉降来控制为主进行复合地基设计，水泥土桩复合地基的沉降 计算是基于复合地基沉降计算理论和方法。在工程与设计中通常采用的是实用沉 降计算法。在该方法中，通常把沉降分两部分，如图2 3 。昌为加固区土体压缩 量，s ，为下卧层土体压缩量，总沉降量s 表达式为： p 图2 3 复合地基的沉降计算 其中加固区七层压缩量s 可采用复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法等计 算，下卧层压缩量岛通常采用分层综合法计算。各计算方法简述如下【3 】【9 j 【2 5 【3 0 1 ： 2 3 1 加固区压缩量鼠的计算方法： 加固区压缩量s ，的计算方法，日前一般有以下方法计算： 复合模量法 复合模量法原理是将复合地基加固区的桩体、二卜体构成的复合体视为一个 复合土体，引入复合模量e 。表征土体的压缩性，并以分层总和法计算复合地基加 固区压缩量墨，表达式为： 旷喜等h 。 沼s ， 式中：置加固区沉降量； 郑i 、i 1 人学硕士学位论文第一二章水泥土桩复合地基基本理论 卸。第f 层复合土上的附加应力增量； h 第i 层复合土层的厚度； e 。，第f 层复合土层复合压缩模量。 式( 2 8 ) 中，复合模量的求解通常采用面积加权平均法进行计算： e 。，= m e p ，+ ( 1 一脚) 巨， ( 2 _ 9 ) 或 k ，= 1 + m ( n 一1 ) e s ； 式中： e 。第i 层桩体的压缩模量； 瓯第f 层桩问土的压缩模量； m 复合地基面积置换率。 复合模量法关键是复合地基模量的确定和计算，由于受许多因素的影响使得 复合模量的计算较为困难。复合土体的复合模量也可采用弹性理论求出解析解或 通过室内试验来测定。 应力修j 卜法 应力修正法又称沉降折减法，其基本思路是，认为桩体和桩间土体压缩量相 等，计算桩间土的压缩量则可以得到复合地基的压缩量。在计算压缩量时，忽略 桩体的作用，根据桩问士分担的荷载，以桩问土的压缩模量，按分层总和法计算 加固区土体中的变形作为s ，： 旷喜等阶以喜等阶 p 式中：醴天然地基第f 层土上的附加应力增量； 觇。复合地基第f 层桩间土的附加应力增量； 从应力修正系数， 以= 志； 聆桩土应力比； 巨。第f 层桩间土的压缩模量； 而，未加固地基在荷载作用下与加固区相应厚度土层内的压缩量。 郑卅大学倾+ 学位论文第二章水泥土桩复合地基基本理论 应力修正法计算简单，但存在的问题是桩间土分担的荷载是不均匀的，另外 地表以下的土体，不仅受桩间土表面传来的荷载，也受桩侧摩阻力传来的荷载， 即不能忽略桩的存在。 桩身压缩量法 该法假定复合土体中的桩体在荷载作用下不产生刺入变形，则可以通过计算 桩身的压缩模量来计算加固区土层的压缩量并认为桩体的压缩量等同于复合地 基的沉降量。 若桩侧摩阻力为均匀分稚时，则桩体的压缩量置： 驴旷掣， ( 2 _ 1 1 ) 式i + ；i ：尸复合地基平均荷载； 桩底端承力； z 实际桩长，加同区厚度； 掌桩身应力集中系数， 掌= 赢 e 桩身材料变形模量。 若桩身荷载分布不均匀，则需先计算桩身应力沿深度z 的变化情况，再进行 积分，可得到桩身压缩量。计算中也可考虑桩身变形模量沿桩艮方向的变化。压 缩量的表达式为： ，= f 端出 口旧 式中：e ( z ) 桩身应力沿深度z 的变化表达式； 乜( 厶，) 桩体变形模量，是深度z 和p 的函数。 桩身压缩量法若考虑桩身刺入_ 卜卧层的量就可以在( 2 1 1 ) 或( 2 1 2 ) 再加上刺 入量只，即 s i = s 。+ & ( 2 - 1 3 ) 桩身压缩法在计算桩身应力计算牵涉到摩阻力的分布、端承力的大小以及桩 郑州人学硕上学位论文 第二章水泥土桩复合地基基本理论 顶应力等很难获得的量值，另外桩土应力比”值也不易获得。 2 3 _ 2 下卧层沉降量s 2 的计算方法 目前计算下卧层沉降量屯的实用方法，主要是设法计算比较合适的下卧土层 中的附加应力分布，然后采用分层总和法计算其沉降s ：。现有计算下卧层中附加 应力分布的实用方法有应力扩散法、等效实体法、m i n d l i n g e d d e s 法和当量层法 等。 应力扩散法 应力扩散法的基本思路是假定作用于复合地基上的荷载p ，按一定的扩散角 口通过复合地基传至下卧层顶面，而获得下卧层顶面上作用的平均应力和相应的 范围，并以此计算下卧层中的应力分布，再采用分层总和法算 h 卜卧层的沉降量 j ：。如图所示2 4 所示。 旦 匾h 应蒯瑁她葑碡图 对于矩形基础计算公式如下： m p p h 2 2 ( b + 2 h t a n 。f l 。) 1 ( 1 l + 2 h 。t 。a n f l ) 对于条形基础( 平面应变问题) ，计算公式如下： b d p b2 再葛面 式中：卜一复合地基荷载作用的长度； b 复合地基上荷载作用的宽度； h 复合地基加固的厚度： ( 2 一1 4 ) ( ，一1 5 ) 郑州大学顾士学位论文第二章水泥土桩复合地基基本理论 口应力扩散角。 应力扩散法的选定是近似的，应力扩散角受到上卜两层土力学性质差异的影 响，士层厚度影响等，在两种不同土层之间应力扩散角无法准确得出，是一个复 杂的问题。 等效实体法 等效实体法的基本思路为将复合地基加固区视为一个等效的实体基础，作 用在下卧层的荷载面与作用在复合地基上的一致，在等效四周有摩阻力分布，上 部压力扣除摩阻力后得到下卧层顶面应力的数值，即可按弹性理论求得整个下卧 层的应力分布，用分层总和法求s ：。 l ! _ _ f 臣h 云 匦5 等诞蝌托妨诸凋 假设在等效实体四周作用有侧摩阻力i 厂，则下卧层上荷载见，可用下式计 算。 对矩形面积： 见= b l p - ( 面2 b + 一2 1 ) h f ( 2 - 1 6 ) 对条形面积： 旷p一孚f(2-17) p z 。p i j 1 式中：b 荷载作用面宽度； ，荷载作用面长度； h 加固土厚度。 等效实体法的缺点是周边摩阻力，的分布、大小都不易准确计算，同时也未 考虑周边摩阻力对下卧软上层易产生相应的应力分布。 郑州大学硕+ 学位论文 第二章水泥上桩复合地基基本理论 改进的g e d d e s 方法 改进的g e d d e s 方法的计算思路按下述方法计算f 卧层中的应力，复合地基总 荷载为p ，桩体承担只，桩间土承担只= p 只。桩间十承担的荷载只在地基中 所产生的竖向应力按b o u s s 协e s q 方法计算。桩体承担的荷载引起的竖向应力按照 g e d d e s 方法计算。两者的叠加起来得到下卧层所受到的总的附加应力值，再采用 分层总和法计算下卧层土层的压缩量。 当量法 假设加固区复合模量为e 未加固区模量为巨，将复合土层换算为与下卧 层压缩模量相同的当量土层厚度，如此可将复合的双层地基转化为均质地基。此 时则可将荷载作用于当量层顶面计算下卧层内的应力分布。则将加固区换算成与 未加固模量相当的上层，其当层厚度可按式( 2 1 8 ) 进行计算 一詹 ( 2 - 1 8 ) 然后用弹性理论计算为加固区中的竖向应力，最后用分层总和法计算下卧层的沉 降量。 这种方