（交通运输工程专业论文）灰土桩复合地基在湿陷性黄土桥基中的应用研究.pdf

灰土肠童会沾蓐在瀑陷住兹土摒瑟幸韵应用研疙 摘要 黄土地区的高等级公路建设中经常遇到湿陷性黄土问题，其病害 类型主要是地基土受水浸湿后引起路基、桥台、涵洞等的不均匀沉降， 直接影响路基、构造物等的正常使用。针对此问题，本文依托山西晋 源高速公路建设工程，对桥基灰土桩复合地基应用的可行性进行了深 入分析，根据具体工程进行了合理的设计与计算，并配合现场静载荷 试验及压力盒实测数据，探讨了基底应力分布规律，桩土应力比，变 形模量的变化关系，对比分析了单桩、单桩复合和双桩复合的p s 关系，对桥基灰土桩复合地基承载力进行了整体评价。现场检验表明， 本文提出的采用灰土桩处理桥基湿陷性黄土地基是可行的。 关键词：灰土桩复合地基湿陷性黄土承载力静载荷试验 左土鼋主复舍弛蓉在墨陷任髓土摒屡中的应用研绍 a b s tr a c t t h ec o ll a p s i b l el o e s si so f t e nm e td u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n o ft h eh i g h g r a d eh i g h w a yi nt h el o e s sa r e a ，a n dt h em a i nf a il u r e i st h eu n e v e ns u b s i d e n c eo ft h er o a d b e da n dt h ec u l v r t ，w h i c h a f f e c t st h es a f eu s a g eo ft h er o a d b e da n dt h ec u l v e r t ， e t c d i r e c t e da g a i n s tt h is ，b a s e do nt h ej i n y u a n - - s h a n x if r e e w a y c o n s t r u c t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ea p p l i c a t i o no ft h e c o m p o s i t eg r o u n df o r m e db yl i m e - - s o i lp i l eu n d e rt h eb r i d g ea n d d e s i g n st h ep r o j e c t ，d i s c u s s e st h er u l so ft h ec o n t a c tp r e s s u r e ， t h es t r e s sr a ti oo ft h ep il ea n dt h es o il ，c o m p a r e st h ep - s c u r v e so fo n ep il e ，t h ec o m p o si t eg r o u n df o r m e db yo n ep il ea n d t h ec o m p o s i t eg r o u n df o r m e db yt w op i l e sb a s e do nt h ei n s i t u p l a t el o a d i n gt e s t ，e v a l u a t e st h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e c o m p o s i t eg r o u n do ft h ep r o j e c t t h ei n s i t ut e s tr e s u l ts h o wst h a tu s i n gt h eli m e s o i lp i l et ot r e a tt h ec o l l a p s i b l el o e s s u n d e rt h eb r i d g ei sf e a s i b l e k e yw o r d s ：t h ec o m p o s i t ef o r m e db y1 i m e s o i lp i l e c o l l a p s i b l eb e a r i n gc a p a c i t yp l a t el o a d i n gt e s t 2 友土睚复舍沾謦在罄陷任昔土惦謦乞p 饷应用研完 第一章绪论 近年来，复合地基在土木工程中得到了愈来愈多的应用，复合地 基的概念己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，其理论研究已引起国内外工程界和学术界的普遍重视。 依据复合材料的理论，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，从而形 成的由两种刚度( 或模量) 不同的材料( 土体和增强体) 所组成的人工地 基，在相对刚性基础下，两者共同分担上部荷载并协调变形。 1 1 国内外现状 与很多技术的发展过程相同，复合地基也是应用远早于其理论的 出现。据h u g h e s n 3 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) 船3 引用m o r e a u ( 1 8 3 5 ) 等的资料介 绍，碎石桩最早在1 8 3 5 年由法国在b a y o n n e 口1 建造兵工厂车间时使用， 加固后的沉降量只有未加固的四分之一。德国s s t e u e r m a n h l 在1 9 3 0 年提出振冲碎石桩加密砂性土的原理，1 9 3 3 年德国j k e e l l e r n 3 制成 了第一台振冲器，并于1 9 3 5 年在纽伦堡用于加固松散粉砂地基。后来 在美国、欧洲、日本等地得到应用。1 9 6 0 年左右在英国开始将振冲法 应用于加固粘性土地基。不久，在德国、美国和日本也用于加固软粘 土地基。振冲法在我国应用始于1 9 7 7 年，目前已在全国各地推广使用。 砂桩在1 9 世纪3 0 年代起源于欧洲，但因长期缺少实用的设计计 友土髓童舍沾垂在瀑瞄性爱土摒垂牛钓应用研盘 算方法，先进的施工工艺和施工设备，使其应用和发展受到很大的影 响。第二次世界大战后，前苏联对砂桩的研究取得了较大的进展，二 十世纪5 0 年代初引入我国，随之得以推广。5 0 年代后期，在日本出 现采用振动式和冲击式的施工方法，并应用自动记录装置，从而提高 了施工质量与效率，处理深度也有了较大幅度的增长。砂桩技术自5 0 年代引进我国后，在工业交通水利等建设工程中都得到了应用。在软 土中使用，有成功的经验，也有达不到预期效果的教训。 深层搅拌法是通过特制机械各种深层搅拌机，沿深度将固化 剂( 水泥浆，或水泥粉或石灰粉，外加一定的掺合剂) 与地基土强制就 地搅拌形成水泥土桩或水泥土块体( 与地基土相比较，水泥土强度高、 模量大、渗透系数小) 加固地基的方法。二次大战后，美国首先研制成 功水泥深层搅拌法，制成水泥土桩称为就地搅拌桩( m i x e d i n p l a c e p i l e ) 。1 9 5 3 年，日本从美国引进水泥深层搅拌法，1 9 6 7 年瑞典k j e l d p a u s 先生口1 提出了粉喷技术，1 9 7 1 年瑞典l i n d e n a l i m a r k 公司口1 制 造了世界上第一批石灰柱( l i i l l ec o l o u m s ) 并于1 9 7 2 年在瑞典皇家土 工研究所的试验厂进行了现场试验。1 9 7 4 年在斯德哥尔摩n 2 3 以南约十 公里处的哈丁第一次用石灰柱法加固高速公路的路基及边坡。日本自 1 9 7 7 年至1 9 7 9 年开发了类似的地基加固新方法，并称之d j m 工法。 我国于1 9 7 7 年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院引进、 开发水泥深层搅拌法，制成双搅拌轴、中心管输浆陆上型深层搅拌机， 于1 9 8 0 年正式应用于工程实践。1 9 8 5 年，浙江省建筑设计院在衢州 市新建八层大楼工程中n 钔应用深层搅拌法加固人工杂填土，扩大了深 灰土槛童舍沾蓐在灌陷任黄土摒垂巾钓应用研究 层搅拌法的土质适用范围。1 9 9 2 年交通部一航局引进、开发海上深层 搅拌技术，并投入台港西港池二期工程的基础施工，试验运行一次成 功。 在我国，考虑到复合地基的荷载传递特性，又在碎石桩复合地基 的基础上发展了c f g 桩( 水泥粉煤灰碎石桩) 复合地基技术。为了消纳 建筑垃圾渣土工业废料或应用廉价石灰，开发了钻孔旁扩桩挤密法( 又 称渣土桩d d c 技术等) 夯填法。以及利用石灰和粉煤灰的二灰混凝土桩 复合地基技术，针对沿海地区，尤其是在旧城改造中，单纯用桩开发 软弱下卧层的承载力造成高造价等特点，1 9 8 7 年上海市民用建筑设计 院及温州市建筑设计院n 1 3 等单位做了很多努力提出了发展疏桩技术。 疏桩，又称减小沉降量桩( 其桩距为5 6 倍桩径以上) ，并在多层建筑 中已得到成功应用，可以说是地基基础工程实践与理论的一大突破。 我国的黄土分布中，湿陷性黄土约占3 4 ，浸水后，在土体自重或外 部荷载和土体自重的共同作用下，会迅速发生剧烈的湿陷变形，危及 构筑物的安全使用。因此，对于湿陷性黄土地基常需进行地基处理。 地基处理的方法很多，大多数方法的作用在于破坏湿陷性黄土的大孔 结构，以便全部或部分消除地基的湿陷性，从根本上避免或消弱湿陷 现象的发生。这些方法包括土或灰土垫层法、强夯法、土或灰土桩挤 密法和桩基础。 灰土垫公路工程中，对于桥基的湿陷性黄土大多采用灰土垫层法、 强夯法和桩基础进行处理。层法一般的处理厚度为1 - - 2 米，不能消除 2 米以下的湿陷性黄土的湿陷性，旦排水系统不完善，2 米以下的湿 灰土位童舍沾荽在瀑陷住麓土摒垂中的应用研宓 陷性黄土被湿化，将会发生黄土湿陷现象，导致上部结构物产生破坏； 强夯法限于场地原因和机械能力，所选用的夯击能量较小，有效影响 深度较浅( 主4 米) ，仅能局部消除湿陷性，同时，强夯法受地形条件 限制，使其使用范围受到制约；桩基础是使用各种类型的桩( 公路工程 中主要使用钻( 挖) 孔混凝土灌注桩) 穿透湿陷性黄土层，把上部结构的 荷载通过桩传递到非湿陷性土层上。因此，桩基础起着向深处传递荷 载的作用，而不在于消除土体本身的湿陷性。使用桩基础时，对桩周 土的侧壁摩阻力的取值是关键，特别是湿陷性黄土的负摩擦力，更为 重要。对于此类问题，由于研究的深度不够，往往是凭经验而定，特 别是在公路工程中，设计参数取值主要是采用经验法，没有一套完整 的理论依据，有时，甚至忽略了湿陷性黄土的负摩擦力。设计的技术 可行性和经济合理性还有待于深入探讨。 鉴于上述原因，采用新的处理方案和理论计算方法处理湿陷性黄 土地区中小型桥梁基础之地基就显得尤为重要。而复合地基正是目前 的一种可行方法。采用复合地基处理湿陷性黄土地基，工民建领域在 2 0 世纪6 0 年代就开始进行试验研究，近2 0 年来，在工民建领域中已 广泛采用，并取得了较好效果。在公路工程中，复合地基在软土地基 加固中已被大量采用，但在湿陷性黄土地基处理中则应用较少，这方 面的试验研究和工程实践才刚刚起步。因此，借鉴工民建领域处理湿 陷性黄土地基的成功经验并结合黄土地区中小型公路桥梁基础自身的 特点，开展灰土桩复合地基在湿陷性黄土桥基中的应用研究是非常必 要的。综上所述，本文的研究工作主要包括： 座土髓复舍沾垂在瀑瞄任黉土摒謦中的应用研宓 ( 1 ) 桥基复合地基的方案比选； ( 2 ) 灰土桩复合地基的设计参数选取、施工工艺及质量监n - ( 3 ) 灰土桩复合地基承载力评价。 1 2 研究内容与技术路线 复合地基由增强体和基体组成，两者共同承担荷载，因此加固区 是非均质的各向异性体。复合地基与天然地基同属地基范畴，两者有 内在联系，又有本质区别。复合地基与桩基都是采用桩的形式处理地 基，故两者有其相似之处，但复合地基属于地基范畴，而桩基属于基 础范畴，所以两者又有其本质区别。广义的复合地基包括水平向增强 体复合地基和竖向增强体复合地基两大类。狭义的复合地基主要指竖 向增强体复合地基。本文研究的复合地基就是指竖向增强体复合地基， 以下简称复合地基。 近年来，复合地基的研究主要是从两个方面进行的，即复合地基 的基本性状的研究和复合地基的计算理论的研究，现就目前的研究现 状进行综述。 1 复合地基的基本性状 ( 1 ) 灰土桩复合土体变形特性的室内试验研究 复合地基是由基体( 天然地基土体) 和增强体两相组成的，增强体 材料物理力学性质，特别是增强体与基体组成的复合体性状对于复合 地基承载力和变形特性有着非常重要的影响。通过水泥土土复合体 一维压缩试验和三轴固结不排水剪试验发现，水泥土土复合体的应 灰土毛盍童舍弛苍在淫瞄住簧土饼瑟牵的应用研宓 力一应变曲线类似于超固结土，随着围压的减小，置换率的提高和水 泥掺和比的增大，复合土体由塑性破坏向脆性破坏转化，其有效强度 指标c7 、a7 中，随置换率和水泥掺和比增大而提高。复合土体的压 缩变形随置换率的增大而减小，在一定荷载条件下，存在一个有效置 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，复合土体只会产 生很小的压缩变形。屈服压力数值随置换率和水泥掺和比的提高而增 大。 通过砂桩一土复合体直剪试验和三轴压缩试验，研究了砂桩复合 体的抗剪强度特性。试验发现，复合地基破坏时桩土并非同时破坏， 复合地基等价强度指标具有明显的各向异性。经分析了灰土挤密桩的 受力特性，并用图表形式分别表示了湿陷性黄土的各种性质与灰土桩 的不同桩距对桩间土干密度、湿陷系数的影响，提出了计算复合地基 承载力的公式。通过二灰土渗透试验、无侧限抗压强度试验和三轴压 缩试验，研究了二灰土材料的物理力学特性和置换率、龄期、加荷速率 和群桩效应等因素对二灰土桩复合地基变形特性的影响。从二灰土微 观结构的形成和发展，介绍了二灰土强度形成的机理，分析了二灰土 设计强度控制值与其养护龄期的关系。 ( 2 ) 复合地基基本性状模型试验和现场足尺试验研究 在室内利用复合土体在一维压缩和三轴压缩试验中的变形强度特 性研究复合地基基本性状，限于试样尺寸和量测技术，无法反映桩长、 桩距及桩土材料非线性等诸多因素的影响。通过搅拌桩软粘土地基加 灰土桩童会沾苍在涩陷任簧土饵垂串的应用研究 固室内模型试验发现，搅拌桩性状受水泥掺和影响很大，当水泥掺和 量钆1 0 时，复合地基承载力与桩长无关；而当巩2 0 时，承载 力随桩长增加而提高；当1 0 巩2 0 ，桩长径比l d = l o - - 1 5 时，水泥掺和量对承载力影响显著。在桩长、桩距、水泥掺和量三者 中，掺和量对桩土应力比影响最大，复合地基破坏形态为桩上部压裂 破坏。 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。研究表明，复合地基存在临界桩 长l c ，桩体的变形、轴力和侧摩阻力主要集中在o - l c 深度内，外荷 增加会使o l c 范围内桩体变形增大，当深度大于l c 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。 通过应力传递试验、现场载荷试验及模型试验，揭示了干振碎石 桩复合地基的应力传递规律、有效桩长、护桩的作用、复合地基承载 力与置换率的关系。经试验发现，在干振碎石桩复合地基中，桩间土 分担的荷载占总荷载的大部分；干振碎石桩复合地基的承载力随置换 率的增加而近似呈直线规律提高，置换率相同时，桩径越小，承载力 越高；应力在垂直方向的衰减与基础( 载荷板) 下应力水平及基础尺寸 有关，即基础下应力水平越高，基础宽度越大，应力衰减的越慢。 ( 3 ) 复合地基性状的数值分析 复合地基在荷载作用下荷载传递机理受到增强体和基体材料性质 几何形状和布置以及荷载条件等诸多因素的影响而呈现的复杂性，使 得室内外模型试验的运用受到量测手段和研究经费的制约，将数值分 灰土桩童舍诒荽在瀑陷任髓土摒彦中钧应用砑宠 析方法与室内外试验研究相结合，应该是进行复合地基基本性状研究 的最佳途径。 目前，关于竖向增强体复合地基的数值分析方法，归纳起来有以 下几类： 1 ) 简化成平面应变分析 将复合地基中的桩体简化成沿纵向排列的等效置换率的墙体，简 化后按平面应变问题处理。这种方法虽然使计算模型得以简化，但与 实际情况差别较大。 2 ) 按“双层地基分析 在复合地基中，如果将加固区和末加固区视为两种模量不同的均 质体，加固区模量用复合模量e c7 来描述，未加固区视为一般的天然 地基土，那么由加固区和未加固区组成了一个“双层地基”，这就是“双 层地基”法的计算模型。按平面应变问题，对水泥搅拌桩复合地基按 “双层地基 进行有限元分析。这种方法的关键是加固区复合模量 e c7 的确定。 “双层地基 分析的另一种方法是将加固区视为由桩和土二相组 成的均质各向异性的复合材料，通过恰当的方式建立反映复合地基整 体特性的本构方程，在此基础上采用数值方法求解，用有限元法求解 时单元剖分不必考虑桩的存在，节点未知量大为减少。根据桩土界面 处法向力平衡条件，假设加以修正获得了碎石桩复合地基本构定律； 考虑桩土界面法向和切向力的平衡以及竖向变形协调条件，根据复合 材料的功能原理获得了碎石桩复合地基复合本构定律。根据平面应变 灰土饭盆舍沾瑟在涩陷住量土褥垂巾的应用研宓 条件下复合本构有限元法，利用桩土界面处力的平衡和竖向变形协调 条件建立复合本构方程。 3 ) 按“群桩”问题分析 “群桩”分析法，也称为“分离式 有限元法，要求在加固区中的 桩和土中分别设置单元，能够模拟桩一一土的相互作用，正确地分析复 合地基的承载机理。 2 复合地基的计算理论 复合地基的计算理论包括复合地基沉降分析、复合地基承载力分 析和复合地基的稳定性分析三方面的内容。 ( 1 ) 复合地基沉降的简化计算 工程中复合地基沉降计算一般采用简化的方法进行，这些简化方 法从研究途径上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 这是按照复合地基的基本概念以及考虑地基变形过程中桩体上应 力集中现象而建立的沉降计算方法，即：s = ps 。 其中s - - - 复合地基的沉降； s0 - - - 相应的未加固地基的沉降； 沉降折减系数。 在分析刚性基础端承碎石桩复合地基时，依据半无限弹性体中圆 柱孔的横向变形理论获得了沉降减小因子计算式： = 再丽1 万丽 灰土桩复会坫巷在涩瞄任黄土饵垂申的应用研痞 ( b ) 应变修正法 在分析刚性基础下碎石桩复合地基时，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，他建议取典型单元体逐段进行弹塑性分析。塑 性分析中假设桩体为不可压缩的刚塑性材料，服从摩尔一库仑准则。 取弹性和塑性分析获得的应变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。 2 ) 加固区与下卧层分别考虑的沉降计算方法 在工程应用上常将复合地基的沉降分成两部分，即加固区的压缩 量和下卧层的压缩量，分别计算这两部分压缩量，二者迭加作为复合 地基的沉降量。 ( a ) 加固区压缩量的计算 加固区压缩量的计算方法有三种，分别是复合模量法、应力修正 法和桩身压缩量法。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。 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，它本质上就是前述 的沉降折减法，这种方法的关键在于确定桩土应力比。 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 压缩量作为加固区的压缩量，采用这种方法需要确定桩身应力沿深度 灰土奄主复合沾垂在淫略住量土摒咎审饷应用研宽 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 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，故目前在工程上下卧层压缩量采用压力扩散法、 实体深基础法和当层法以及不考虑桩体存在的分层总和法共四种方法 进行计算。压力扩散法是利用压力扩散角计算下卧层面上的荷载从而 确定下卧层竖向附加应力。但目前并没有适当的方法确定压力扩散角， 压力扩散角的确定往往依据经验。 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面荷载，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。 当层法是指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，从而变成了均质地基问题很容易求出竖向附加应力， 按分层总和法计算出下卧层压缩量。 ( 2 ) 复合地基的承载力分析 复合地基的承载力是复合地基工程性质的基本问题。复合地基承 载力的确定通常有两种途径，即现场载荷试验方法和理论公式计算方 法。 与天然地基一样，复合地基承载力可以由现场载荷试验直接测定。 复合地基载荷试验和天然地基土载荷试验比较，不论压板尺寸或者地 震土毛主童舍他苍在瀑瞄任萤土摒荽中的应用研宓 基性能都有较大差别。因此天然地基土载荷试验的一些主要规定已不 再适用。但目前国内外还没有一个统一的有关在复合地基上进行载荷 试验的规程。另外，关于承载力基本值确定的准则，从大量的复合地 基载荷试验资料发现压力沉降关系曲线是一条比较平缓的光滑曲线， 一般看不出有明显的拐点，相邻两级压力所对应的沉降量之比亦无一 定规律。根据上述情况，考虑到国外对天然地基土载荷试验多数按控 制变形方法确定承载力基本值的趋向，现在主要按规定的沉降比( 压板 平均沉降量s 与压板宽度b 或直径d 之比) 确定复合地基的承载力基本 值。 由理论公式法确定复合地基承载力，目前主要有两种途径：一种 是先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力，根据一定的原则叠加这 两部分承载力得到复合地基的承载力；另一种是把桩体和桩间土组成 的复合土体作为整体来考虑，确定复合地基的承载力。由第一种思路 确定复合地基的承载力的关键是要准确确定复合地基中桩体和桩间土 的实际极限承载力，而后二种思路确定复合地基承载力的关键则是强 度指标( 根据不同计算方法，选取相应的土体、桩体或复合土体的强度 指标) 的合理选取。 ( 3 ) 复合地基的稳定性分析 复合地基的稳定分析方法很多，通常采用圆弧分析法计算，在圆 弧分析法中，假定地基土的滑动面呈圆弧形，取不同的圆弧滑动面， 可得到不同的安全系数值，通过试算可以找到最危险的滑动面，并可 确定最小的安全系数值。 灰土拓复会t 占蓐在湿陷住麓土瓣垂审钧应用研宓 在圆弧分析法计算中，假设的圆弧滑动面往往经过加固区和未加 固区，地基土的强度应分区计算，加固区和未加固区土采用不同的强 度指标。未能加固区采用天然地基土体强度指标，加固区土体强度指 标可采用复合土体强度指标，也可分别采用桩体和桩间土的强度指标 计算。 灰土睚童会惦巷在湿陷住簧土摒蓐巾的应用研究 第二章桥基灰土桩复合地基应用的可行性分析 2 1湿陷性黄土地基基本性状 湿陷性黄土最大的特点是：在自重应力或自重力应力与附加应力 作用下受水浸湿时将产生急剧而大量的附加下沉，此种现象称为湿陷， 它与一般土受水浸湿时所表现的压缩性稍有增加的现象不同。究其原 因，主要是因为各地区的黄土在形成时的自然条件差异较大，因此导 致其湿陷性也有较大的差别。但是黄土并不是在径向荷载作用下受水 浸湿时都会产生湿陷现象，因黄土具有一定的结构强度，当压力较小 时受水浸湿，则它在颗粒接触处所产生的剪应力小于其结构强度，此 时则不产生湿陷，与一般粘性土一样只产生少量的压缩变形：只有当 压力增大到某一数值以致剪应力大于其结构强度时，下沉速度才突然 加快，从而反映出湿陷性的特点。通常将黄土开始湿陷时的相应压力称 为湿陷起始压力，也可看作为黄土受水浸湿后的结构强度。 对于自重湿陷性黄土地基湿陷变形特征的研究，主要通过浸水试 坑进行，还可通过对自重湿陷性黄土地基受水浸湿后地表的塌陷现象 进行观察研究。根据国内外有关试验资料，湿陷性黄土在自重应力作 用下的沉陷变形特点有以下几个方面： 1 自重湿陷的产生过程 当湿陷性黄土地基在局部范围积水时，积水下渗使土体含水量逐 友土蓐主复舍沾荽在湿陷住黄土饼垂中钩应用研宓 渐增加而达到饱和，导致土的抗剪强度降低，当黄土层的湿陷起始压 力小于上覆土的饱和自重压力时，则该土层产生湿陷。对于自重湿陷 性黄土地基，湿陷现象产生的迟早与自重湿陷黄土层的埋藏深度有着 密切关系，一般在浸水1 - - 5 天后即产生自重湿陷；自重湿陷开始以后， 随着浸湿范围向纵深与横向的扩大，湿陷量也不断增大。 自重湿陷变形的发展与外荷湿陷不同，由于水向下和向四周渗透， 土的强度削弱，在自重应力作用下应力的传递、土的压密等，都需要 一个较长过程，因而变形的稳定时间延续较长，根据试验资料，在一 般情况下，湿陷稳定所需时间约为5 0 - - 1 0 0 天左右。 自重湿陷量的大小与湿陷性黄土层的厚度和土层的自重湿陷性有 密切关系，湿陷黄土层厚度越大，则自重湿陷量越大。从整体看，由 西向东，土的自重湿陷性逐渐减弱；且在不同的地区，白重湿陷性黄 土层的埋藏深度也有明显的地区性差异。如太原地区，位于地表以下 几十厘米的土层就呈现较大的自重湿陷性，古交市区自重湿陷性黄土 的埋藏深度则为1 2 米，小店区一般在地表以下3 5 米。因此在不 同的地区自重湿陷量的大小和沿深度的分布有着明显的差异。 2 浸水面积与自重湿陷量大小的关系 大面积试坑浸水由于浸湿土体范围大，浸湿土体自重足以克服周 围未浸湿土体对它的约束力，因而自重湿陷能得到充分发展。如果浸 水面积较小，尽管全部湿陷性土体都被水浸透，但是由于周围未浸湿 土体对其的约束作用，因而湿陷量较小，甚至完全不发生。 经试验证明，只有浸水面积边长或直径超过湿陷性黄土层的的厚 灰土槛复舍沾垂在浸陷任量土摒蓉中钓应用研宓 度或不小于l o 米，自重湿陷才能较充分发展。反之，对白重湿陷量的 影响则随地区和场地的性质而有较大差异。 对于非白重湿陷黄土地基变形特征的研究，则是通过浸水载荷试 验来研究，浸水载荷试验除可以测定某一压力下浸水后稳定湿陷量以 及湿陷与时间的变化关系外，还可以通过预先埋设在承压板下地基土 内的深标点，测定分层湿陷量，并确定湿陷影响深度，通过国内外的 试验资料表明，非自重湿陷性黄土地基，有着自己的本质特征，同自 重湿陷性黄土有着很大的差异，主要有以卜几个方面。 ( 1 ) 外荷湿陷量与时间的关系 在湿陷性黄土地基上，当基底压力超过黄土的湿陷起始压力后受 水浸湿，即产生外荷湿陷。外荷湿陷的产生和发展速率与自重湿陷截 然不同，这是因为在一般情况下基底压力大于土的白重压力，因而湿 陷量大，而且湿陷发展快。试验表明，一般浸水1 - - 3 小时即能产生大 量下沉，每小时的下沉量最高可达1 - - 3 厘米；湿陷稳定快，浸水后6 小时即可完成最终湿陷的2 0 - - 2 5 。 湿陷变形与时间的关系曲线基本可划分为两个阶段。第一阶段即 湿陷急剧发展阶段，由于水大量浸入，土的原始结构强度急剧降低， 侧压力系数增大，在外荷作用下，使基底下土层不仅在竖向发生压密， 而且伴随着侧向挤出，因而使地表急剧下沉，一般情况下，基底压力 越大，这段曲线越陡。随着基底土被压密，土粒之间逐步形成新的稳 定结构，因而变形速率开始减缓，变形和时间之间的关系呈现明显转 折点，此第一阶段可完成总湿陷量的8 0 一9 0 左右。自转折点以后， 灰土植童会沾瑟在涩陷住簧土摒垂审饷应用研究 变形进入第二阶段，即湿陷稳定阶段，湿陷与时间关系曲线渐趋于一 条直线，第二阶段延续时间则较长，达到湿陷变形稳定，一般约需 1 5 3 0 天。 ( 2 ) 外荷湿陷的影响深度 试验表明，无论是自重湿陷性黄土地基还是非自重湿陷黄土地基， 也不论湿陷黄土层有多厚，由基础荷载引起湿陷只发生在基底以下有 限深度范围内的湿陷性黄土层中，此深度即为外荷产生的应力的影响 深度，它的大小与地基的湿陷类型、湿陷起始压力、基底形状与尺寸、 基底压力等有关。外荷湿陷的影响深度对自重湿陷性黄土和非自重湿 陷黄土地基是不同的，因为非自重湿陷性黄土的起始压力大于其饱和 自重压力，所以自重湿陷性黄土地基外荷湿陷的影响深度便要比非白 重湿陷性黄土地基大一些。 总之正确确定外荷湿陷的影响深度，对合理确定地基的沉陷量和 地基的处理厚度有较大的实际意义。 ( 3 ) 湿陷量沿深度的分布 在外荷湿陷影响深度范围内的湿陷量并非均匀分布。试验表明， 无论是自重湿陷性黄土地基，还是非自重湿陷性黄土地基，最大的相 对湿陷量都发生在0 5 1 0 倍的基础宽度的深度范围内，约占总湿陷 量的5 0 8 0 。这是因为在此范围内，基底摩擦作用不能限制湿陷时 的侧向挤出，侧向挤出作用增强，因而相对湿陷量也较大。 3 湿陷量与基底压力和基底面积的关系 黄土地基的湿陷量除取决于场地的湿陷性质外，还与基底面积和 灰土蕾主童金砧謦在濯陌住黄土摒瘿中韵应用研痞 基底压力有着密切关系。当土的湿陷性质基本相同且基底面积为定值 时，湿陷量将随着基底压力增加而增加，这是由于基底压力的增加， 导致土中附加应力的增加，从而使土的侧向挤出也大大增加；另外附 加应力的影响深度加深，使外荷湿陷的影响深度也随之加深，这两个 方面导致了湿陷量急剧增大。此外，附加应力的增加，使黄土地基的 压缩沉降也有所增加，使基础沉降量增加较大且较快。 当基底压力为定值时，随着基底面积的增大，湿陷量也有所增长， 但其影响与面积增大对压缩变形的影响有所不同，后者将随着面积的 增大而成比例地增加，而湿陷变形则不一样，这是由于基底摩擦对土 的侧向挤出有一定的约束作用，随着基底尺寸的增大，这种约束限制 作用将增加，虽然面积增大使附加压力衰减缓慢，从而使外荷湿陷量 的增加并不与基础面积的增大成正比；但是个别情况下，有时会出现 湿陷量随着基底面积增大而减少的情况。试验表明，当基础面积为定 值时，基底形状对湿陷量似乎没有明显影响。 因为在湿陷性黄土的地基上不允许采用过大的容许承载力，所以 在荷重一定的情况下，适当增加基础底面尺寸，减少单位面积压力， 可以减轻湿陷后的危害程度。 4 ：湿陷过程中的侧向变形 对于自重湿陷性黄土，在自重压力作用下受水浸润后由于湿陷变 形区各水平面上不存在压力差，则没有侧向挤出现象，但在外荷作用 下则如上所述，在附加压力影响范围内产生了侧向挤出。 湿陷性黄土地基在天然状态下加荷时，由于土的含水量一般不高， 灰土晕主童舍地基在淫陷佟量土饵謦审钓应月研宓 结构强度较大，静止侧压力系数较小，因而限制了土体向四周的挤出， 但地基被水浸湿以后，静止侧压力系数从天然状态时的0 1 珈2 增大 到0 6 珈9 ，因而水平附加压力显著增大，又由于土的天然结构遭到 破坏，抗剪强度急剧降低，侧向限制大为减弱，在此双重因素作用下， 使地基湿陷时产生了大量的侧向挤出，导致了湿陷量的增大。 基底面积、基底压力和土的湿陷类型及其性质对黄土地基湿陷时 的侧向挤出范围和不同层位处水平位移有着密切的影响，试验表明： 水平位移的竖向影响深度较外荷湿陷的竖向影响深度略浅，前者相当 于后者的2 3 3 4 。最大水平位移发生在基础周边的四个竖向剖面 上，而且集中在( 1 0 一- 1 5 ) b 深度范围内。一般基底压力或基底面积 越大，则侧向挤出的水平范围和影响深度也越大，条形基础的侧向挤 出大于矩形基础；湿陷起始压力增大，侧向挤出影响减少。 2 2 桥梁基础的作用性状 由于我国土地辽阔、幅员广大，土质各异，因此桥梁基础的设计 应结合具体实际的地质条件。根据实际情况，桥梁基础主要有三种形 式：1 ) 桩基础；2 ) 刚性扩大基础；：3 ) 沉井基础。其中最常用的为桩基 础。 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。桩基则通过作用于桩尖的地层阻力和 桩周土层的摩阻力来支承轴向上部荷载。 灰土磁童会沾垂在湿陷性量土摒器中韵应用研霭 桩基在基础工程中，主要承担轴向垂直荷载，按抗轴向压力的桩 的荷载传递机理来划分，则可分为1 ) 摩擦桩；2 ) 端承桩；3 ) 端承摩擦 桩。 对摩擦桩而言，外部荷载主要通过桩身侧表面与土层的摩阻力传 递给周围的土层，桩尖部分承受的荷载很小，般不超过1 0 ，如在 软土地基和松砂地基中的桩属于摩擦桩范畴，这类桩基沉降量比较大。 端承桩则是通过软弱土层桩尖嵌入基岩的桩，外部荷载通过桩身直接 传给基岩，桩的承载力主要由桩的端部提供，一般不考虑桩侧摩阻力 的作用。如果桩的细长比很大，由于桩本身的压缩，桩侧摩阻力也可 能部分发挥作用。 端承摩擦桩则为在外荷作用下，桩的端阻力和侧壁摩阻力都能同 时发挥作用，这类桩的端阻和侧阻所分担荷载的比例，与桩径、桩长、 软土层厚度，以及持力层的刚度有关。如穿过软弱地层嵌入较坚实的 硬粘土或砂、砾持力层的桩，一般为端承摩擦桩。 竖向承载桩体的侧阻力和桩端阻力的发挥过程就是桩、土体系荷 载的传递过程。桩项受竖向荷载后，桩身压缩而向下位移、桩侧表面 受到土的向上摩阻力，桩身荷载通过发挥出的侧阻力传递到桩周土层 中去，从而使桩身荷载与桩身压缩变形随深度递减；随着荷载增加， 桩端出现竖向位移和桩端反力；同时桩端位移加大了桩身各截面的位 移，并促使桩侧阻力进一步发挥。一般来说，靠近桩身上部土层的侧 阻力先于下部土层发挥，而侧阻力先于端阻力发挥出来。 对于由单桩组成的竖向承载桩基，则单桩承载力决定了桩基的承 友土馐复舍乇也瑟在瀑陷任簧土年番巷中钓应用研宓 载力大小。单桩承载力主要由两部分组成，一个是桩侧摩阻力，另一 个是桩端阻力。桩侧摩阻力则是桩受荷后产生向下位移，桩体自身受 到土体摩擦力，同时相应地也在桩周环形土体中产生剪应变和剪应力， 该剪应变和剪应力一环一环沿径向向外扩散，在离桩轴一定距离处剪 应变减到零，相应的剪应力也成为零。试验表明桩侧摩阻力的发挥同 桩和土产生的相对位移大小密切相关，并且略受土类、土性的影响。 如对于粘性土发挥桩侧极限摩阻力所需位移为5 l o m m ，对砂类土约 为1 0 一2 0 m m 。随着近年来，大直径灌注桩的应用不断增多，对大直径 桩承载特性的认识逐步深化，就桩侧阻力的发挥而言，大量测试结果 表明，发挥侧阻力所需相对位移的大小并非定值而与桩径大小、施工 工艺、土层性质和分布位置等因素有关。 桩端阻力的破坏机理与扩展式基础承载力的破坏机理有相似之 处，呈现整体剪切破坏、局部剪切破坏和刺入剪切破坏三种破坏模式。 整体剪切破坏的特征是：连续的剪切滑裂面开展至基底水平面，基底 水平面土体出现隆起，基础沉降急剧增大，曲线上破坏荷载特征点明 显。局部剪切破坏的特征是：基础沉降所产生的土体侧向压缩量不足 以使剪切滑裂面开展至基底水平面，基础侧面土体隆起量较小。刺入 剪切破坏的特征是：随着荷载的增加，基础下土层发生压缩变形，基 础随之下沉，当荷载继续增加基础周围附近土体发生竖向剪切破坏， 使基础刺入土中，形成刺入式破坏。 地基的剪切破坏形式，除了与地基土的性质有关外，还同基础埋 置深度、加荷速度等因素有关。如在密砂地基中，一般会出现整体剪 灰土履童舍沾謦在涩陷任黄土摒落中的应用研名 切破坏，但当基础埋置很深时，密砂在很大荷载作用下也会产生压缩 变形，而出现刺入剪切破坏。 对于竖向承载桩基，它可由单根桩或者多根桩组成，在实际工程 中大多数为多根桩构成的群桩，群桩桩头则与承台相连，组成了承台 一桩群一土体系，外部荷载通过承台传递给群桩桩顶及承台底面的土 体。桩顶竖向荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力承受，桩侧摩阻力以剪应 力形式传递给桩周土体的荷载最终也将扩散分布于桩端持力层。持力 层受桩端荷载和桩侧荷载而压缩，桩基因此产生沉降。由于承台与桩 项同步沉降，承台底面的土体必然受到压缩而产生反力，该土反力也 分担一部分荷载，因此在一般情况下，群桩基础的承载力实际上由 三部分组成，各基桩的侧阻力、桩端阻力和承台竖向土阻力。 由于群桩的承台群桩土的相互影响和共同作用，群桩的承载 力并不等于各单桩的侧阻力、端阻力、承台底地基土阻力之和，群桩 的工作特性与破坏特征也与单桩迥然不同，因此在进行群桩设计，确 定群桩的几何参数和竖向承载力时，不仅要掌握单桩的性状和承载力 的变化规律，还需研究群桩基础的群桩效应。 墩台基础是桥梁的重要组成部分，基础与基底必须有足够的强度 和稳定性，以确保桥梁的安全。因此，在墩台的设计中，应按墩台在 建造时与运营期间所能同时发生的各种最不利组合，对基础的稳定和 基底土的承载力加以验算，必要时还可以要验算基础的沉降量。当地 基为岩石或者地基容许承载力很大时，墩台可直接放在地基上；当地 基为软基时，则必须对其进行人工加固处理。 灰土核童舍沾落在涩陷任黄土褥蓐中钓应用研究 在外力作用下，刚性墩台基础底下的基底土的压力图分布形状可 能为鞍形，抛物线形或哑铃形三种图形：这与受到的平均压力，基底 形状、尺寸、土的压缩性和基底的埋深等因素有关。在小压力下的压 力图是鞍形；中等压力下是抛物线型，大压力下是哑铃形；大型基础 下的压力图是鞍形：中型基础下是抛物线形、小型基础下是哑铃形； 地基土的压缩性的不同对压力分布图形也有较大的影响。从上述情况 可见，影响基础底土压力图的因素是很多的，也是很复杂的。 如果墩台建筑在承载力较差的地基上时，应对具沉降加以验算。 对于墩台基础的沉降的计算，目前仅对恒载产生的沉降量进行计算， 计算方法为规范采用的“分层总和法”，对于作用时间短暂的活载引起 的沉降是否要考虑，尚需进一步的研究。 当桥梁基础需要埋置较深，且河床地质和施工条件又适合时，可 考虑采用沉井基础。沉井基础在深基础中具有许多优点，技术上比较 稳定可靠，同时埋置深，具有稳定性好、能支承较大的荷载、施工工 艺简单等特性。 2 3 桥基复合地基的方案比选 拟建桥为南环高速公路的一座通道桥，桥基处于湿陷性黄土场地， 局部土层具有自重湿陷性，勘探深度至7 米时，地基土仍具有湿陷性 且为自重湿陷性黄土，场地土为中压缩高压缩性土。由此可知，该 桥基所处场地的地基土工程性质较差，处理湿陷性土层并提高承载力 是该桥建设中的重点之一。目前，处理地基的方法较多，本着在经济 灰土履童舍弛苍存湿陷住鬻土摒荽审的应用研宓 合理、技术可行、安全、可靠的原则下进行了多种方案的比较和选择。 1 换土垫层法与强夯法 常规方法是采用换土垫层法，即将基底下一定深度的工程性能不 好的土挖除，然后回填较好的土石料，分层夯实作为持力层，达到地 基处理的目的。而换土垫层法处理的深度是有限的，一般为1 - - 3 米， 不能消除其下大厚度的湿陷性土且不能满足湿陷性黄土地区规范 中关于湿陷性黄土场地的处理深度要求，为工程留下隐患。如要使用 此法，则需进行大深度的开挖，这将增大投资，经济上不合理。强夯 法是反复将很重的锤( 一般为1 0 - - 4 0 吨) 提到高处使其自由落下( 落距 一般为1 0 - - 4 0 米) 给地基以冲击和振动，从而提高地基的强度并降低 其压缩性。从黄土强夯前后的大量分析说明，强夯产生的冲击波作用破 坏了土的原有结构，改变了土体中各类孔隙的分布状态，以及它们之 间的相对含量，夯后特大孔隙及大孔隙完全消除，微孔隙显著增加， 土体由松散状态变成密实状态。当土体达到最密实时，据测定，孔隙 体积可减少6 0 左右，土体接近二相状态，即饱和状态。而这些变化 又直接和强夯参数，如单击夯击能、夯击次数、夯击间距等密切相关。 据已有资料显示，湿陷性黄土的加固深度在单位夯击能为2 0 0 0 k n m 时为5 o _ 6 0 米，单位夯击能为3 0 0 0 k n m 时为6 0 7 o 米，单位 夯击能为4 0 0 0 k n m 时为7 o 一8 0 米。本工程若将强夯法与换土垫层 法结合使用时，可不必选用大夯击能的强夯设备，若假设开挖深度为 3 o 米，则可处理其下的深度为4 0 q 0 米的湿陷性黄土即可。之后， 在开挖基底标高处作一定厚度的垫层，其上作刚性扩大基础即可满足 灰土弦童舍诒棼在涩商住麓土编苍中的应用研究 桥梁的设计要求。这种处理方案比较经济，技术也可行，但是，据现 场调查，该桥恰好位于一个村落中，除拆迁面积外，尚有部分民宅位 于待建桥梁周围，强夯时势必会对这些民宅造成损害，引起纠纷，这 样一来施工前必须再挖防震沟。而且，现有的施工面积不能满足强夯 法的要求，湿陷性黄土地区规范中规定：地基的处理范围应大于基 础的平面尺寸，每边超出基础外缘的宽度不宜小于3 o 米。因此，现 场必须扩大基坑面积，如此还要进行大面积的开挖。综上所述，采用 强夯法时还要增大投资，经济上不合理，故不能采用该方法。 2 振冲碎石桩法 利用振动或水冲加固土体的方法叫振冲法，后来将振冲法应用于 粘性土地基，在粘性土中形成以石块、粒砂等散粒材料组成的桩体， 这些桩与原地基土一起构成复合地基，使承载力提高，沉降减少，为 此，把这一方法称为振冲碎石桩法。振冲碎石桩在施工时利用振冲器 振动造孔，然后将碎石等粒状材料投入孔中振密成桩。振冲碎石桩法 在成孔时对地基土有一定的挤密作用，但其挤密范围有限比砂土地基 的挤密效果差，因此振冲碎石桩在粉质粘土地基中的置换作用较挤密 作用强。对于湿陷性场地而言，要消除场地的湿陷性，只有缩小布桩 的间距和排距，即增多桩数，并增大对原地基土的置换作用，即增大 置换率。另外，由于碎石等散体材料组成的桩体是良好的排水通道， 可将地基上部的水疏散到桩侧和桩端，如若桩侧的挤密效果较差，仍 有湿陷性土，或桩端土仍具有湿陷性，则处理后的地基土的力学性质 会急剧恶化，造成复合地基整体破坏，其危害是巨大的。因此，现场 灰土j e 主复舍沾謦在瀑陷住崔土饵苍中的应用研宓 要加大对桩间土的湿陷性测试并加大处理深度，即加长桩长到较好的 持力层上，这在湿陷性场地上是困难的和不经济的。综上所述，用振 冲碎石桩法处理现有场地，在技术上是不可靠的，在经济上是不合理 的，因而该方法是不适宜的。 3 灌浆法 灌浆法的实质是用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆 液注入天然和人为的裂缝和孔隙中，以改善各种介质的物理力学性质。 众所周知，湿陷性黄土具有大孔结构，孔隙比在1 0 左右，颗粒组成 以粉粒( 0