（岩土工程专业论文）浆固碎石桩模型试验及承载特性研究.pdf

摘要 摘要 浆固碎石桩是一种新型桩基技术，在许多特殊情况下有较大的优势。作为一 种新型地基处理方法，已在东部沿海地区高速公路工程软基处理中得到了应用， 取得了良好的加固效果。目前对浆固碎石桩的研究工作还远远落后于工程实践。 本文在前人工作的基础上，通过桩基室内模型试验、现场试验、有限元数值模拟 对浆固碎石桩的承载特性作了深入研究。论文完成的主要内容如下： ( 1 ) 对浆固碎石桩、贫混凝土灌注桩、预制混凝土桩进行了桩基室内模型 试验，对比试验结果，得到了浆固碎石桩承载能力较好的结论在试验结果的基 础上，结合浆固碎石桩的技术特点分析了其承载特性和作用机理。 ( 2 ) 根据浆固碎石桩室内模型试验的结果，研究分析了浆固碎石桩桩侧阻 力及桩端阻力的影响因素，对规范给出的承载力计算公式进行了一定修正，提出 了浆固碎石桩的承载力计算公式。 ( 3 ) 结合宁波绕城高速公路工程对浆固碎石桩技术进行了现场试验研究， 对浆固碎石桩的施工工艺、质量控制、质量检验方法进行了探讨。 ( 4 ) 把本文所得浆固碎石桩的承载力计算公式运用于实际工程，并将计算 结果与静载试验的结果进行了比较。 ( 5 ) 通过有限元软件，建立了浆固碎石桩单桩计算模型，分析了浆固碎石 桩的承载特性、加固机理。 关键词：浆固碎石桩：模型试验；承载特性；现场试验；有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t g r o u t e ds t o n ec o l u m ni san e w t e c h n i q u eo fp i l e ，a n dh a sa d v a n t a g ei ns o m e s p e c i a lo c c a s i o n a san e wg r o u n dt r e a t m e n tm e t h o d ，g r o u t e ds t o n ec o l u m ni su s e d t or e i n f o r c et h er o a d b e do fh i g h w a yi nc a s tc h i n ac o a s t a la r e a i nr e c e n ty e a r s ， t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fg r o u t e ds t o n ec o l u m nh a sb e e nf a l l e nb e h i n de n g i n e e r i n g p r a c t i c e b a s e do nf o r m e rr e s e a r c l l ，t h i sp a p e rc a r r i e so na n a l ”i c a lr e s e a r c ho n b e a r i n gc h a r a c t e ro f g r o u t e ds t o n ec o l u m nb ym e a n so f m o d e lt e s to np i l e 、f i e l ds t u d y a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h em a i nw o r ki sl i s t e da sf o l l o w ： ( 1 ) t h ep i l em o d e lt e s ti so p e r a t e dw i t hg r o u t e ds t o n ec o l u m n ，p r e c a s tc o n c r e t e p i l ea n dd r i v e nc a s t i n p l a c ep i l e , b yc o m p a r i s o nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fg r o u t e d s t o n ec o l u m ni sh i g h t h e nt h eb e a r i n gc a p a c i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n g p r o p e r t i e so fg r o u t e ds t o n ec o l u m na r ea n a l y z e do nt h eb a s i so ft h em o d e lt e s tr e s u l t a n di t st e c h n i q u es p e c i a l i t y ( 2 ) b a s eo nt h er e s u l to fm o d e lt e s t , t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ns h a f tf r i c t i o na n dt i p r e s i s t a n c ea r es t u d i e da n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f b e a t i n gc a p a c i t yo f g r o u t e ds t o n e c o l u m ni sp r o p o s e d ( 3 ) t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e so fg r o u t e ds t o n ec o l u m n , m e t h o do fq u a l i t y c o n t r o la n dm e t h o do f d e t e c t i n go f g r o u t e ds t o n ec o l u m na r es t u d i e da n ds o m eu s e f u l c o n c l u s i o na r eo b t a i n e dt h r o u g hf i e l dt e s ti nn i n g - b ob e l th i g h w a y ( 4 ) t h eb e a r i n gc a p a c i t yc o m p u t a t i o n a lf o r m u l ao f g r o u t e ds t o n ec o l u m ni su s e d i na c t u a lp r o j e c t s ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l ta n dt h es t a t i cl o a d t e s tr e s u l tv a l i d a t e st h ev e r a c i t yo f t h e c o m p u t a t i o n a lf o r m u l a ( 5 ) u s i n gf i n i t ea n a l y s i ss o f t w a r e , ag r o u t e ds t o n ec o l u m nm o d e li se s t a b l i s h e d n e b e a r i n gc a p a c i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r o p e r t i e so fg r o u t e ds t o n ec o l u m n a r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：g r o u t e ds t o n ec o l u m n ；m o d e lt e s t ；b e a r i n gp r o p e r t i e s ；f i e l dt e s t ；f i n i t e e l e m e n t 儿 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 1 4 l r 论文作者( 签名) ： 辱丝。2 0 0 7 年多月1 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家 图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学 位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期 内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公 布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 随着我国改革开发的深入，多年来国民经济持续的高速增长，国家的综合实 力大幅度提升，期间国家投入了大量的资金和人力进行基础设施的建设，城市建 设、交通运输工程、水利水电工程各类工程的建设进入一个高峰期。其中，我 国从8 0 年代中后期开始确定大力发展高速公路的政策，于1 9 8 8 年1 0 月，中国 第一条高速公路一沪嘉高速公路建成通车f l l 。近几年来，随着汽车工业的发展， 高速公路新建及改扩建又到达了一个新的高峰。 目前，国内高速公路网络最发达，新建高速公路最多的地区主要为东部沿海 的经济发达地区。然而，我国东部沿海，除山东部分地段外，大部分的海岸线为 淤泥质海岸。因此，沿海特别是大江、大河河口附近多位河相、海相或泻湖相沉 积层，在地质上属于第四纪全新纪q 4 土层，多属于饱和的正常压密粘土口j 。土 的类别多位淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土。在南方少数地区还有淤泥混砂层。 这类地基的特点规结下来主要是：具有高含水量、大孔隙率、低密度、低强度、 高压缩性、低渗透性、中等灵敏度的特点，且具有一定的结构性。高速公路建设 对地基的要求很高，天然软土地基很难满足修建高速公路的需要：沿海地区软基 的极限填土高度较低，一般为2 o 3 0 m ，而高速公路的路堤由于有防涝及通航 的需要，往往较高，一般路段都大于3 0 i i i ，桥头大于5 0 m ，加上一定的沉降量， 填土的高度都大于软基的极限填土高度，路堤施工的稳定问题成为高速公路建设 中遇到的首个土工问题p 】；天然软基压缩性高，在其上修建路堤，沉降较大且易 产生较大的不均匀沉降和工后沉降，使高速公路产生跳车、路面开裂、工期延长 等现象。使用适当的方法对天然软土地基进行加固，使其复合工程建设的需要， 是高速公路建设中首先要解决的问题。 当前针对软土地基进行加固的方法很多，常用的高速公路路基处理方法有堆 载预压法、真空预压法、强夯法、振冲密实法、加筋土法、桩体复合地基法等， 每种方法都有其适范围。其中，堆载预压法、真空预压法适用于软粘土、淤泥和 淤泥质土地基，其加固效果好，加固成本低，但往往工期较长；强夯法适用于碎 石土、砂土、粉土，对于饱和粘土较不适合；加筋土法适用于各种软弱地基，通 过增大压力扩散角，提高地基承载力，减少沉降；桩体复合地基法，通过选择不 同的桩型，能够适应各种软弱地基，且施工速度快，施工质量易于控制，是常用 的高速公路路基加固方法之一。 浆固碎石桩是一种新型桩基技术，是碎石桩和注浆技术的结合，属于刚性桩 的范畴，适用于粉土、粘性土、淤泥质粘土等各类软土地基。目前，浆固碎石桩 技术在浙江部分高速公路地基处理中已经进行了小范围的应用，取得了良好的加 第一章绪 论 固效果。浆固碎石桩具有无振动、无噪音、不挤土、施工机械轻便、机械高度低、 施工速度快等优点，在许多特殊情况下具有较大的优势。作为一种新桩型，对浆 固碎石桩的研究还处于起步阶段，其理论研究直滞后于工程实践，对浆固碎石 桩的作用机理、计算方法都缺乏深入的研究。因此，通过本文对浆固碎石桩的加 固机理、计算方法进行深入研究对于浆固碎石桩技术的进一步推广有着深刻的意 义。 第二节桩基的研究现状 1 2 1 桩基分类与特点 桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础、简称桩基。其 作用是将上部结构的荷载，通过较弱地层或水传递到深部较坚硬的、压缩性小的 土层或岩层【4 】。桩通过桩尖的所在地层提供端阻力，通过桩周土层提供侧阻力来 承担麓加于桩顶的竖向荷载，如高速公路路堤荷载；依靠桩侧土层的侧向阻力来 承受水平向的荷载，如波浪力、土压力等。 桩基可以适用于以下各种情况： ( 1 ) 荷载较大，地基上部土层软弱，持力层埋藏较深； ( 2 ) 水流冲刷较大，河岸、海岸不稳定，基础或结构物下土层有可能被冲 刷、侵蚀： ( 3 ) 地基沉降过大，结构物对不均匀沉降较为敏感： ( 4 ) 建筑物受水平荷载较大，需要减少建筑物的水平位移和倾斜： ( 5 ) 有浮托力作用于建筑物的底板或面板； ( 6 ) 浅基础不能满足抗震要求时； ( 7 ) 当施工水位或地下水位i 较高，其它基础形式施工不合理时。 对于桩基，根据不同的目的可以有很多种分类方法： 不同的成桩方法对周围土层的扰动程度不同，按照成桩方法对土层的影响， 可以将桩分为：挤桩，如打入或压入的预制混凝土桩、钢管桩、混凝土管桩； 部分挤土桩，如打入的小截面桩、钢板桩；非挤土桩，主要为各种类型的挖孔、 钻孔桩。 按照制作桩所用的材科，桩又可以分为木桩、混凝土桩( 包含预制的钢筋混 凝土桩、预应力混凝土桩和混凝土灌注桩等) 、钢桩、粉煤灰桩、水泥土桩、碎 石桩、c f g 桩、组合桩等等。随着对桩基研究的发展，使用新材料的桩不断出现。 不同的桩有不同的成桩工艺及方法，按照成桩的方法和工艺，桩可分为打入 桩、灌注桩、静压桩、螺旋桩等。常用的成桩工艺如下图所示： 第一章绪论 叫垦 ， ， 一 、【 ， 锤击沉管桂 扳动沉管桩 钻孔灌注眭 图1 1 不同的成桩工艺 按照桩基在工程中的所受荷载类型，可以将桩分为轴向抗压桩、水平受力桩 和竖向抗拔桩。 对于轴向抗压桩，按照荷载传递的机理又可将桩分为： ( 1 ) 摩擦桩，外部荷载主要通过桩侧阻力承担，桩端部分承受的荷载很小， 一般不超过l0 9 6 。 ( 2 ) 端承桩，桩端嵌入基岩，外不荷载大部分由桩端承担，一般不考虑桩侧 阻力的作用。 ( 3 ) 端承摩擦桩，受荷载时桩侧阻力和桩端阻力共同发挥作用。 1 。2 2 桩基技术的发展现状 桩基是一项古老的工程技术，是一种历史悠久的建筑基础形式，桩得应用至 今至少已有一万两千年至一万四千年。早在新石器时代，人类在湖泊和沼泽地里， 栽木桩搭台作为水上住所；汉朝已用木桩修桥；到宋朝，桩基技术已经比较成熟； 英国目前还保留有一些古罗马时代修建的木桩基础的桥和居民点。 随着科学的进步，桩基这门古老的技术被注入了新的活力，迎来了巨大的变 化。机械工艺的发展，产生了名目繁多的各种桩型和成桩工艺；随着桩的用途不 断拓宽以及用桩场地地质和环境条件的种种变化，施工技术和机械设备又得到不 断的改进与发展；随着人们对桩的承载性能、设计方法、检测技术等等的不断探 索研究，新的桩型和新的施工方法又不断涌现。如此应用与开发不断的相互促进， 以至在2 0 世纪中叶，特别是自8 0 年代以来，桩基技术蓬勃发展，不论在国内还 是国外均成为了令人瞩目的科技热点之一。 近代桩基技术的研究发展主要体现在新桩型和成桩工艺的出现上，对桩基发 第一章绪论 展的概述也从这两方面出发： ( 1 ) 桩型 人类最早使用的桩基类型为木桩，在国内外都保存着古代木桩基础的遗址， 但木桩承载力小，其承载性能不能满足时代的要求，木材的供应资源不足，对自 然环境有一定的破坏，且木桩受潮后容易腐蚀，木桩渐渐被新出现的桩型所取代， 至7 0 年代基本已不用木桩。 本世纪3 0 年代，欧美开始大量使用钢桩，以代替木桩，桥墩、高层建筑、 海港码头均用钢管桩作为基础。随着技术的进步，钢管桩在工厂中得以大批量的 生产，为降低钢桩的成本创造了条件。随着结构物越来越重，对桩的要求越来越 严格，与其它桩相比，钢桩具有承载力高、所受锤击力大、水平抗力高、设计选 择余地大等优点，在工程界大受青睐，应用越来越广。目前欧美及同本的钢桩长 度已经达到l o o m 以上，直径超过了2 5 0 0 m 。我国从七十年代末期开始大量运用 钢管桩，尽管钢管桩有种种优点，但钢管桩价格昂贵，一般使用在特大型钢厂、 电厂的厂房及设备基础，深水码头和高层建筑中。 混凝土桩是我国乃至世界应用最为广泛的桩型，按外形可分为方桩、管桩、 异型桩等；按成桩方式可分为现场灌注混凝土图桩和预制混凝土桩，其中预制混 凝土桩又可分为普通钢筋混凝土桩和预应力钢筋混凝土桩。本世纪2 0 到3 0 年代 己出现沉管灌注混凝土桩，上海在3 0 年代修建的一些高层建筑的基础，就曾采 用沉管灌注混凝土桩，到了5 0 年代，随着钻孔机械的发展，出现了钻孔灌注混 凝土桩、钢筋混凝土桩。在5 0 年代到6 0 年代，我国铁路和公路桥梁曾大量采用 钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注桩。8 0 年代开始，国内开始大量使用预制钢筋混 凝土管桩。近年来，随着高速公路建设的迅猛发展，混凝土桩技术又得到了飞快 的发展。其中，河海大学岩土工程研究所将沉管灌注桩技术和混凝土管桩技术结 合起来，发明了大直径现浇混凝土薄壁管桩，简称p c c 桩，并已经在盐通高速、 南京部分市政道路、上海浦南东片出海闸导流堤等交通、市政、水利工程中的到 了成功的应用t 5 , 6 1 ；异型桩，如国外先进y 型桩设计理念结合国内传统沉管灌注 桩施工工艺研制出的y 型沉管灌注桩在申苏浙皖高速公路工程中进行了应用，取 得了阶段性的成果f7 l 。 c f 6 桩俗称水泥粉煤灰碎石桩，是中国建筑科学研究院地基基础研究所等单 位的科研成果，为我国2 0 世纪8 0 年代末开发出的一项新的地基加固技术，9 4 年被建设部和国家科委列为国家级全国重点推广项目。c f g 桩由碎石、石屑、粉 煤灰，掺适量的水泥加水拌和而成，采用沉管灌注桩成桩设备制成，桩体强度等 级可在c 5 c 2 0 之问变化，具有承载力提高幅度可调节、适用范围广、桩体具有 排水作用等特性。c f g 桩在近十几年广泛应用于道路、铁道路堤及工业民用建筑 中，并有进步丌发、推广的趋势 g g l 。 4 第一章绪论 碎石桩在处理软弱地基土的工程中也有广泛的应用，是一种开发比较早的地 基加固处理技术。碎石桩具有施工机械简单、工艺简便、材料充足、造价低廉等 优点，是一种适用性较强的桩基类型，可广泛使用在公路路基等对承载力要求不 高的工程中。 水泥土搅拌桩是一种既不同于打入式挤土桩，又不同于钻孔桩的新型桩，采 用特制的钻杆钻入地基至一定深度，喷出水泥浆或水泥粉，并边喷边搅拌，使水 泥于地基土拌和在一起，待结硬后形成完整的桩体。搅拌桩自问世以来，已应用 于全球各大洲，可谓异军突起，后来居上。 ( 2 ) 施工工艺 从桩的施工工艺来看，最早出现的成桩工艺为打入法，千百年来木桩总是在 预制后打入土中。随着桩基技术的发展，先后出现了预制混凝土桩、灌注桩、搅 拌桩等桩基类型。同时，随着这些桩型在工程中得到广泛的应用，其施工工法、 施工机械也在不断的改进与发展之中。桩的沉桩方法由最早的手工木槌、石槌渐 渐发展到了现在的锤击沉桩，使用自由落锤、蒸气锤、柴油锤、压缩空气锤：振 动沉桩，使用振动锤；静压沉桩，使用静力压桩机械。随着钻孔灌注桩技术的出 现，钻孔机械也在不断的改进，发展出了适用于地下水位以上的长、短螺旋钻机， 适用于不同地层的各种正、反循环钻机，机动洛阳铲、旋转套管机等。同时，在 普通钻孔灌注桩的基础上利用特殊的钻孔反展出了机械钻孔扩底灌注桩技术和 多级扩盘桩；将注浆技术引入灌注桩，产生了后压浆灌注桩技术；在沉管灌注桩 的基础上吸收扩底桩的优点，发展出了夯扩桩。新工艺、新机械的出现进一步提 高了桩基的承载能力，推动了桩基技术的发展。 1 2 3 桩基承载特性的研究 目前对单桩承载力的研究主要通过以下几种方法进行：工程实例分析、试验 分析、理论分析、数值分析等。 工程实例分析法通过收集大量的桩基工程资料，对数据进行统计分析从中得 到桩基承载力的规律。该方法在对单一桩型在某一特定地区应用的研究上能得到 符合桩基工程设计、施工需要的结果，同时，该方法要求大量的实际工程资料， 使用上具有一定的局限性。 桩基试验研究是研究桩基承载特性的最直观、有效的方法，在桩基承载特性 的研究中具有不可替代的地位，但由于试验费用、工期、设备等原因，往往只能 对部分工程的少量桩进行试验。桩基现场试验主要为施工现场的单桩、单桩原型 复合地基静载荷试验【l “。原型静载试验中通过在桩顶放置百分表、在桩底放置土 压力计及桩底沉降杆、在桩身埋设桩身轴力计，试验可以得到桩基的极限承载力、 荷载桩项沉降的变化曲线、桩端位移、桩侧阻力、桩端阻力、桩身轴力等诸多 第一章绪论 资料。对桩基试验结果的分析，可以得到桩基的承载特性。另外桩基试验研究还 包括桩基原位观测、室内模型试验等许多方法。将桩基试验与理论分析相结合是 研究桩基承载力特性的最好方法。 桩基的理论研究已有一两百年的历史，国内外学者对桩基承载特性、桩基荷 载传递机理进行了大量的研究，并取得了长足的进步，为桩基技术的发展提供了 理论基础。我国的工程技术人员和研究人员也在研究桩基荷载传递函数特性上做 了许多有益的工作。川。桩基受到竖向荷载时的荷载传递和桩基沉降是个复杂的 问题，现在常用的较为成熟的桩基沉降理论方法有：以p o u l o s 】方法为代表的 弹性理论法，c o o k e 5 1 提出的剪切位移法，s e e d 和r e e s e 提出的荷载传递法等【1 6 i 。 桩基的理论研究是个非常复杂的问题，目前对桩基承载特性的理论研究还存在一 定的局限性，还需要进一步的发展。 随着计算机技术的飞速发展，数值计算在桩基工程研究中的作用也越来越 大，有限单元法作为一种强有力的数值方法，已经广泛应用到了桩基的分析研究 中1 1 7 ，l ”。有限单元法在计算中能够同时考虑影响桩基性能的诸多因素，如土的非 线性、土体的固结、桩与土的相互作用、复合地基中盖板及垫成的作用等，同时 还可以模拟桩基的整个加荷过程。目前，有限单元法在桩基的应用中仍有许多问 题有待完善，如桩与土接触面的处理问题等等。未来有限单元法在桩基工程中的 应用将更为广泛，同时在应用中得到进一步的发展。 1 2 4 桩基室内模型试验的现状 桩基室内模型试验是研究探讨桩基技术的种有效方法【l ”，国内外的广大学 者为深入研究、探讨桩基技术问题进行了大量的桩基室内模型试验。桩基室内模 型试验具有现场试验所没有的优点，室内桩基模型试验不受施工工期、现场环境 的约束，无需投入大量的人力、物力。室内桩基模型试验所受外界的影响小， 因而所得结果有较强的可信性，具有一定的代表性。 目前国内外已经进行的桩基室内模型试验所涉及的方面很广，且具有一定的 针对性。桩基室内模型试验主要涉及的方面如下： ( 1 ) 竖向受荷桩的承载特性、成桩工艺的室内模型试验研究。竖向受荷桩 是实际工程中桩基的主要类型，也是桩基室内模型试验的焦点，大量的桩基模型 试验研究了各类桩基在竖向荷载下的工作性状。张晓健【2 0 烽对p c c 桩单桩性状 进行了室内模型试验研究，分析了其在竖向荷载下的工作性状；谭国焕1 2 等通过 桩基室内普通模型试验，研究了砂土中桩侧表面粗糙程度对承载力的影响；庄心 善副等进行了压浆桩与非压浆桩的模型试验，研究分析了砂粘土地基中钻孔灌注 桩桩侧压浆、桩端压浆及桩侧桩端联合压浆对桩基承载力的提高；徐建平【2 3 i 等通 过在软粘土中静力压入单桩和双桩的模型试验，研究了沉桩挤土效应。 6 第一章绪论 ( 2 ) 桩基在水平荷载下的工作机理。高桩码头等水工建筑物中使用的桩基 受到竖向荷载的同时，还受到波浪力、靠船力等水平力等。桩基的水平受力特性 比较复杂，为了弄清桩基受到水平力作用时的工作性状，国内外学者在理论研究 的同时也进行了大量试验研究，其中包括桩基室内模型研究。二十世纪七十年代， o a v i s s i o n 等1 使用铝合金管在标准干砂中进行了模型桩的水平受力试验； d y s o n 等1 1 叫利用离心机进行了砂土中水平萄载作用下桩基试验，对桩的受力进行 了分析，得到了很好的结果。 ( 3 ) 群桩工作的工作机理。在实际工程中，桩基常常以群桩基础的形式出 现，群桩的研究较之单桩还需要考虑桩间距等因素的影响。曾友金 2 6 1 等通过1 8 组微型群桩和6 组微型单桩离心机模型试验，研究了成桩工艺、桩径及桩距对微 型单桩和微型群桩的荷载与沉降关系的影响。石磊【2 】等进行了砂土中的群桩模型 试验，试验结果反映了桩与土的共同作用，得到了桩身、桩尖及承台上荷载的分 布规律。 第三节浆固碎石桩技术的概况 浆固碎石桩是一种新型桩基技术，浆固碎石桩的出现，一定程度上减少了桩 侧泥皮、桩底沉渣的不良影响。 普通灌注桩在工程中运用最为广泛，但由于其自身工艺的特点，施工中容易 产生桩底沉渣和桩侧泥皮，从两导致桩端阻力和桩侧阻力的降低，同时灌注桩麓 工时可能发生混凝土离析，桩的质量较难控制。为了避免灌注桩桩侧泥皮、桩底 沉渣导致桩承载力的降低，国内外学者采用了多种方法，其中最典型的为将压力 注浆技术引入到灌注桩技术中，产生了后压浆灌注桩。由于后压浆灌注桩的注浆 是在灌注桩施工完成、桩身具有一定强度之后，因此后压浆灌注桩的压浆工艺较 为复杂，施工工期也较长，使用时具有一定的局限性。 浆固碎石桩是一种引入注浆技术的复合地基软基处理方法【1 ”，是碎石桩与注 浆技术的结合。浆固碎石桩施工时首先按照设计要求使用钻机钻进成孔，成孔后 放入注浆管，投放石料，注入清水洗孔，最后压力注浆使碎石固结成桩。浆固碎 石桩的桩身强度要远高于碎石桩，属于刚性桩的范畴，对软土地基的处理效果好。 同时，浆固碎石桩具有无振动、无噪音、不挤土、施工机械轻便、施工速度快等 优点。 浆固碎石桩适用于粉土、细砂、粘土类地基的加固处理，对于中砂、粗砂， 由于施工时易发生漏浆，难以控制注浆量，一般不采用浆固碎石桩技术。浆固碎 石桩在深厚软土地基处理，老路拓宽工程，施工现场周围存在建筑结构物、地下 管线、高压电线等特殊场合具有很好的应用j ； 景。 7 第一章绪论 浆固砰石桩技术的加固机理是浆液将碎石胶结成桩，同时浆液对桩周土、桩 端土产生渗透、压密、胶结等物理化学作用，消除桩周泥皮、桩端沉渣的不良影 响，使桩侧阻力、桩端阻力得到提高。浆固碎石复合地基的特点还在于，浆液向 桩周土扩散，扩散区内土体的物理化学性质发生变化，承载力高于天然土体，使 复合地基承载能力也得到了一定的提高。 近年来，国内学者对浆固碎石桩技术的研究逐渐展丌，并取得了一定成果。 邢恩达f 2 9 1 在对比常用复合地基加固机理的基础上，对注浆桩复合地基的加固机理 及承载特性进行了理论研究，并得到了有益的结论。顾长存【”l l 等对路堤荷载下浆 固碎石桩复合地基进行研究，针对浆固碎石桩复合地基的特殊情况，进行了理论 模型简化，并且运用极限平衡理论和弹性理论，推导了设置盖板的浆固碎石桩复 合地基在路堤荷载下桩土应力比公式，并通过工程实测资料进行了验证，其结果 可为浆固碎石桩复合地基的优化设计提供参考。洪昌地p l j 对路堤下注浆桩复合地 基加固机理及沉降计算方法进行了研究。左威龙等结合浆固碎石桩在高速公路软 基处理中的应用，对浆固碎石桩的注浆影响范围进行了现场试验与理论分析。 第四节本文的研究目的和主要内容 浆固碎石桩作为一种新技术，目前已经初步应用于浙江地区高速公路软基处 理中，并且取得了令人满意的结果。同时，对浆固碎石桩技术的科学研究尚处在 起步阶段，浆固碎石桩的应用和推广缺乏理论研究和试验研究的支撑。目前浆固 碎石桩设计、施工时一般借鉴传统的刚性桩的设计理论，未能考虑到浆固碎石桩 技术的特点，存在一定的局限性。因此迫切需要对浆固碎石桩进行试验与理论研 究，深入分析浆固碎石桩的承载力特性，指导浆固碎石桩的施工与设计。 桩基室内模型试验是详细研究桩基问题的有效方法，目前对固碎石桩的桩基 室内模型试验研究还处于空白阶段。本文在目前已有浆固碎石桩研究的基础上， 主要通过进行浆固碎石桩室内模型试验，同时结合工程实例，探讨了浆固碎石桩 的承载特性、设计理论、施工工艺、质量检验等问题。 本文进行的主要研究工作如下： ( 1 ) 对桩基技术的发展现状、桩基模型试验的发展现状进行了综述，介绍 了前人所做的研究工作、所用的方法、所取得的成果。介绍了浆固碎石桩技术及 其发展状况，论述了本文进行桩基模型试验研究的意义。 ( 2 ) 介绍桩基模型试验的原理，并以此自行设计制定浆固碎石桩室内模型 试验的方案，按照原型桩的成桩工艺制作浆固碎石桩、贫混凝土灌注桩、预制混 凝土桩的模型桩，按照规范对模型桩进行竖向抗压静载试验，量测试验中的各种 数据。 第一章绪论 ( 3 ) 对试验结果进行整理和分析，将浆固碎石桩、贫混凝土灌注桩、预制 混凝土桩的试验结果进行比较，结合注浆理论对浆固碎石桩的承载特性进行分 析。 ( 4 ) 介绍单桩竖向抗压极限承载力的确定方法，根据模型桩极限承载力、 桩侧阻力、桩端阻力的试验结果，提出针对浆固碎石桩的桩侧阻力、桩端阻力增 强系数，德到浆固碎石桩单桩及复合地基承载力的计算公式。 ( 5 ) 通过现场试验，对浆固碎石桩的施工工艺、质量控制、成桩质量检测 进行分析研究，并把浆固碎石桩的单桩及复合地基承载力计算公式分别运用于粘 土及亚砂土的软基加固工程实例中，将试验结果与计算进行结果比较 ( 6 ) 运用有限元软件a d i n a 对浆固碎石桩进行数值分析，从多方面分析了 浆固碎石桩的承载特性。 9 第二二章浆i 州碎石桩室内模型实验 第二章浆固碎石桩室内模型试验 桩基现场试验需要耗费大量的人力、物力及时间，同时，由于受到施工干扰、 人为原因、施工工期、实际使用要求等诸多因素的影响，许多参数或研究内容无 法通过现场试验获取或进行对比，使得现场试验难以得到深入研究需要的精确结 果。在这种情况下，有必要进行桩基室内模型试验，对浆固碎石桩技术进行深入 的研究和探索。 第一节浆固碎石桩承载特性分析 相对于其它桩，浆固碎石桩的特点主要表现在成桩过程引入了注浆技术。 注浆技术利用压力将水泥砂浆浆液注入土层中颗粒的间隙、裂隙中，使土体 胶结、固化，从而降低土层的渗透性，增强土层的强度，提高土层的承载力。对 于浆固碎石桩注浆的作用主要表现在提高天然土体的承载力；改善桩土接触面的 条件，提高桩侧摩阻力：浆液渗透固化桩端的虚土，提高桩端承载力。 根据注浆压力的不同，注浆可分为静压注浆和高压注浆两大类，浆固碎石桩 的注浆压力较小，属于静压注浆，静压注浆一般压力较低，浆液注入后为流动状 态。 影响注浆的主要因素有地质条件注浆压力、浆液和土体的相互作用、浆 液的运动形式和替代方式，按此静压注浆又可以分为以下四种口! ： ( 1 ) 充填或裂隙注浆：注浆压力小，只填充、固化土体中的裂隙。 ( 2 ) 渗透注浆：注浆压力相对较小时，在不破坏土体自身结构的情况下， 填充土体颗粒的问隙，将土体颗粒胶结成整体。 ( 3 ) 压密注浆：注浆压力较大时，浆液压密周围的土体，使其产生一定的 塑性交形，但还不足以使周围土体发生破坏。 ( 4 ) 劈裂注浆：当注浆压力足够大时，使周围土体发生劈裂破坏，浆液随 裂缝注入土中。 浆固碎石桩实际工程应用中，注浆压力一般控制在0 5 2 m p a ，注浆压力较 低，所用的浆液为普通硅酸盐水泥配鼍的水泥砂浆，注浆的形式主要表现为充填 或裂隙注浆、渗透注浆，同时，局部也可能发生劈裂注浆。 注浆技术使得浆固碎石桩的桩侧阻力、桩端阻力提高，下面分别从桩侧摩阻 力和桩端阻力两个方面来分析浆固碎石桩的承载特性。 2 1 1 桩侧瘁阻力 桩侧阻力是桩基竖向承载力的重要组成部分，桩侧阻力在实际工程中是一个 复杂的问题，往往受到桩周土层的性质、桩的类型、桩的施工工艺等很多因素的 1 0 第二章浆同碎石桩室内模型实验 影响。要研究浆固碎石桩的承载特性就必须考虑到注浆技术对桩侧阻力的影响， 注浆技术主要通过以下几个方面影响浆固研l 石桩桩侧阻力： ( 1 ) 桩周土层的性质是影响桩侧阻力的主要因素，桩侧阻力通过桩周土的 剪切变形来传递，因此与土的剪切模量等物理力学性质密切相关，桩周土的强度 越高，相对的桩侧阻力也就越大。 对于浆固磁l 石桩，桩周土层的性质不同，注浆的效果也有差异，使桩侧土德 到不同程度的加固。根据对以往工程实践的资料进行分析认为，进过注浆处理后， 桩阃土的强度相对原状土一般可以提高1 0 3 0 9 6 f 3 3 t 。 注浆的效果与桩周土性质有很大关系，浆固碎石桩技术可以用来处理包括砂 土、粉土、粘土在内的各种土性的地基，对于不同的土体，注浆的效果有所不同。 砂土、粉土由于渗透性好、孔隙率高、孔隙直径大，所以可注性好，注浆后浆液 的渗透半径大，能够在桩周形成一个直径为r t 的扩散区；对于粘土这样渗透性 小、孔隙直径小的桩周土，注浆后浆液对桩周土的渗透作用很较小，甚至不能发 生渗透注浆。浆液扩散情况如图2 1 5 所示。 对于砂土等粒状介质，浆液的可注性般用可注比来表示： d i s g b 1 5 ( 2 1 ) d l o g 8 ( 2 2 ) 式子中： d i s ，d m 分别为地层土颗粒在粒度分析曲线上占1 5 、1 0 的对应直径： g 8 5 、g 9 5 为注浆材料在粒度分析曲线上占8 5 、9 5 的对应直径。 可注比d i s g 3 s 、d i o g 9 5 越大，桩周土的可注性就越好，浆固碎石桩施工中 压力注浆而形成的浆液扩散区就越大。 瓤捕 图2 1 浆固碎石桩浆液扩散示意图 第二章浆l 州碎石桩室内模型实验 在可注性能好的砂土、粉土中，浆液对桩周土中的扩散形式还取决于注浆的 方式。对于浆固碎石桩注浆中占主要部分的渗透注浆，目前主要的扩散形式有球 面扩散、柱形扩散等。浆固碎石桩注浆的过程是边注浆边拔管的过程，因此较 为附和桂形扩散理论。 浆液柱形扩散的半径可以用理论公式计算，砂层土中柱形扩散公式如下f 捌： r = 式中： r 一为扩散半径( e r a ) ； b 一为浆固碎石桩的半径； p 一为注浆压力水头( e r a ) ； k 一为渗透系数( c m s ) ； ( 2 3 ) t 一为注浆时间( s ) ； n 一为孔隙率； p 一为浆液对水的粘度比。 在浆固碎石桩实际工程中，浆液的扩散半径还可以通过现场试验确定。在沿 浆固碎石桩的径向不同的距离上做静力触探试验，根据锥头阻力n 的变化反映注 浆后土体强度的变化，并与原状土对比，确定浆液的扩散范围。同样，也可以通 过现场开挖确定浆液的扩散半径。 注浆后浆液在桩周形成柱形扩散区，浆液沿着桩体成环形分布，注浆效果随 着到桩身的距离增加而递减，对桩侧土的加固效果也随之递减。浆液扩散区内土 体的强度、抗剪能力等物理力学指标得到提高，桩侧阻力得到增强。 ( 2 ) 桩土接触面的条件同样是影响桩侧阻力的重要因素，分析研究桩侧 阻力不得不考虑桩与桩侧土的相互作用，桩土界面的特性即为桩与桩周土体接 触的形态特征，是土与桩接触并发生相互作用的力学和位移的描述【州。 当桩受到竖向荷载时，桩与桩周土发生相互作用，桩与桩侧土发生力的传递， 并向着桩侧远处的土体扩散，由于土体与桩的材料性质存在差异，当二者发生相 对剪切错动时，一方面在接触面上土与桩有相对错动，另外一方面，附件的薄层 土体比较远处的土体将出现较大的剪切变形，如果接触面相对粗糙，竖向荷载下， 在较大相对位移下其剪切破坏面一般出现在土体内，当接触面较为光滑时，剪切 第二二章浆l i i i | 碎石桩室内模型实验 破坏可能发生在桩与土的接触界面上，但剪切破坏发生之i i i 仍然存在力向远处土 体的传递。 桩土接触面的性质同时受到桩及桩表面土的特性影响，不同类型的桩有着 不同的桩土界面条件，不同的施工工艺使同一类桩具有不同的桩土界面条 件，不同的桩周土也具有不同的桩土界面条件。 预制桩和钢桩的制作及沉桩方法，决定了其桩土接触面的特有性质。预制 混凝土桩一般通过模板整根预制，模板与桩之间涂有隔离剂，从桩顶浇筑混凝土 时要将混凝土振捣捣透气孔冒浆为止，因此预制桩拆模后的桩身表面较灌注桩、 浆固碎石桩要光滑很多。当在预制桩上施加竖向荷载时，由于预制桩桩身租糙度 低、桩土接触面光滑，直接影响到了接触面上的凝聚力和内摩擦角，当桩发生 破坏时，剪切面一般在桩土的接触界面上。 灌注桩较之预制桩有不挤土、无振动、施工简便等优点，同时，其施工方法 复杂，工艺多样，桩身质量及侧阻力受篪工的影响较大。灌注桩的施工方法按照 成孔方式主要分为泥浆护壁钻孔灌注桩、沉管灌注桩、干作业成孔灌注桩，其中 泥浆护壁钻孔灌注桩适用于地下水位以下的枯性土、粉土、砂土、填土、碎( 砾) 石等各种地质条件，应用最为广泛，是我国建筑、桥梁基础的主导桩型。泥浆护 壁的钻孔灌注桩按照泥浆制备和处理的方法又可分为正、反循环钻孔两种方法， 正循环钻孔法设备简单、操作简单，但其工艺效率较低、排渣能力较差、在泥浆 护壁过程中形成较厚的泥皮；反循环法泥浆上返速度快、排渣能力强，在孔壁上 形成相对较薄的泥皮，成孔质量比正循环钻孔法略好。灌注桩浇筑的混凝土桩身 与桩侧土之间存在一层厚度不等的泥皮，泥皮的抗剪强度、内摩擦角、凝聚力都 远小于原状土，成为桩与桩侧原状土之间的一个软弱界面。当灌注桩受到竖向荷 载时，桩与泥皮产生的相对位移较大，发生破坏的剪切面一般就在桩与泥皮的接 触面上。因此桩土接触面上泥皮这一软弱面的存在，使得灌注桩的侧阻力大为 降低。 对于浆固碎石桩，通过浆液对桩侧土的胶结、填充、固化等物理化学作用， 改善桩土接触面的性质，这是浆固碎石桩技术改善桩侧阻力的一种重要方式， 尤其是对用于粘土软基加固的浆固研 石桩。前文已经分析过通过静压注浆，浆液 在桩侧土内渗透、填充，形成大小不等的浆液扩散区，扩散区内的土体强度得到 提高，这里主要讨论浆液通过与桩侧土体胶结，提高桩土接触面的性质。 粘土与浆液间发生的化学作用如下： a ) 粘土中的浆固碎石桩，当浆液与桩侧粘土接触时，浆液中水泥生成的各 种水化物与粘土颗粒发生化学反应。粘土中小于0 0 0 5 m 的颗粒与水结合时，组 成胶体分散系，表现出胶体的性质，胶体表面所附的n a + 或k + 与浆液中c a 2 + 发 生离子交换使原来较小的土体颗粒胶结成较大的颗粒。水泥水化物尘成的凝胶 第二章浆l 卉i 碎钉桩室内模刑实验 粒子的比表面积比原水泥颗粒大，具有强大的吸附性，能使较大的土颗粒进一步 结合起来，形成水泥土结构，并封闭各土团的空隙，使其联结坚固，从宏观上看 就是水泥土的强度大幅提高。 b ) 粘土中的矿物s i 0 2 和a 1 2 0 3 与c a 2 + 进行化学反应，逐渐生产不溶于水的 结晶化合物，增大水泥土的强度。从电子显微镜中观察，软土搅入水泥7 天后， 土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥水化物结晶的萌芽；1 4 天后。水 泥土中生成大量的纤维状结晶，并不断延伸，充填土颗粒的间隙；1 个月以后， 土颗粒自j 的空隙被大量水泥水化物所充填，形成蜂窝状结构；到5 个月时，纤维 状结晶辐射向外伸展，相互连接成空间网状结构，水泥和土颗粒的形状已不能分 辩出来。 c ) 浆液中游离的c a ( o h ) 2 能吸收水和空气中的c 0 2 ，发生碳酸化反应，生 成不溶于水的碳酸钙，这种反映也能使水泥土强度增加。 桩、桩侧土、浆液经过一系列物理化学反应后，浆固碎石桩表面粗糙度增大， 浆液在桩土接触面上的固化、胶结提高了浆固碎石桩桩土接触面的物理力学 性质，结果使得浆固碎石桩桩侧阻力得到提高。 综合分析预制混凝土桩、灌注桩、浆固碎石桩有各自的承载特性，其中浆固 碎石桩的承载模式较为特别，需要考虑浆液对桩侧土的渗透及对桩土接触面的 胶固。传统的单桩承载公式一般适用于预制混凝土桩、灌注桩，但是缺乏能够反 映浆固碎石桩承载力特点的参数。不同桩型单桩承载模式如下图所示： 蹙向瞢戴鳌向荷载坚i ；i 荷戴 ， 桩 埘 土 ， 蛀砌 土 ， _ 盏 柱 饲 土 一篆 区 传统即孽f进征艟浆蛳砰彳i 虢 图2 2 单桩承载模式图 2 1 2 桩端阻力 桩端阻力受桩端土层的性质影响最大，低压缩性、高强度的砂、砾、岩层是 理想的具有高端阻力的持力层；而高压缩性、低强度的软土，所能提供的桩端阻 力很小。同时，桩端阻力具有成桩效应，即桩端阻力的大小随成桩工艺而变化【钔。 对于挤土桩，如预制混凝土桩，成桩过程中有挤土效应，桩端土被压密，导 4 第二章浆州碎石桩室内模型实验 致桩端阻力提高。对于粘性土与非粘性土、饱和与非饱和状态，松散与密实状态， 其挤土效应差别较大，如对于密实、饱和粘性土挤土对桩端阻力提高的效果较小。 对于非挤土桩，如钻孔桩，成桩过程中桩端土不产生压密，同时对于原状土 易产生扰动、虚土及沉渣，因而使得桩端阻力降低。 灌注桩作为一种非挤土桩，成孔后的清孔难以彻底清除桩底的沉渣、虚土， 桩端阻力受到沉渣、虚土强度的控制，如果沉渣、虚土的厚度超标，将导致桩端 阻力大幅度降低。为了解决灌注桩桩底沉渣、虚土影响桩端阻力的问题，在灌注 桩的基础上反展出了灌注桩后注浆技术，即灌注桩在成桩以后通过预先埋设在桩 身中的注浆管，利用注浆压力作用，对桩端土层注浆，填充、压密、固化桩底沉 渣、虚土，进而提高灌注桩的桩端阻力后压浆灌注桩按照注浆管埋设方法可分 为桩身预埋注浆管法、钻孔埋管法，按照注浆工艺可分为开式注浆及闭式注浆。 总体来说后压浆灌注桩技术能够部分解决灌注桩施工中桩底产生沉渣、虚士，桩 侧产生泥皮带来的问题，使 ：导灌注桩的承载性得到提高，但是后压浆灌注桩的藏 工工艺较为复杂，工期较长，施工成本较高，还有诸多方面有待改善。 浆固碎石桩对桩端的加固机理类似于后压浆灌注桩的作用机理，但浆固碎石 桩对桩端土体的加固注浆与成桩过程结合在一起，与后压浆灌注桩相比，施工更 加简便，施工速度更快，成本更低。浆固碎石桩的主要工序为成孔、投石洗孔、 注浆，能够减少施工中桩底沉渣、虚土的产生。在成孔、投放碎石后从桩底开始 边注入水泥浆或水泥砂浆，并慢慢向上拔管使碎石胶结成高强度的桩体，同时浆 液对桩端一定范围内的体产生渗透、压密、胶结固化，使得桩端阻力大