（岩土工程专业论文）phc桩在温福铁路深厚软土地基处理中的应用与研究.pdf

目录 摘要 铁路的快速、便捷和舒适化是一个国家发达与否的重要标志之一，现在世 界发达国家都拥有自己的城际快速铁路网。高速铁路需具有强度高、刚性大稳 定性和耐久性好的特点，在运营条件下线路轨道的设计参数必须保持在要求的标 准范围之内。因此高速铁路更体现在对路堤变形的严格控制中。 在以往对铁路软土地基的处理中，常采用排水固结法、水泥搅拌桩等方法， 然而从高速铁路软土路基的沉降控制标准来看，采用p h c 桩( 预应力混凝土管 桩) 复合地基的地基处理方法更加合理。 本文从以下几个方面对采用p h c 桩复合地基的地基处理方法进行了分析研 究： 首先，通过现场分层沉降试验得到的数据，分析了桩网复合结构处理深厚 层软土的沉降规律，并利用两种计算模型对最终沉降进行了预测，同时，指出由 于预测的沉降量远小于规范要求，可以对设计参数进行优化，从而节约成本。然 后，根据桩网复合地基的机理，利用多种计算方法进行沉降计算，同时与实际试 验结果进行比较，得到了p h c 桩网复合结构处理深层软土地基沉降计算方法， 并且利用有限元软件模拟分析了各参数对沉降的影响，给出了参数优化建议。最 后，介绍了有关施工工艺和施工质量的控制方法。 关键词：高速铁路；深厚软土地基；复合地基；现场试验；沉降计算；有 限元分析 目录 a b s t r a c t h i g h s p e e d ，c o n v e n i e n ta n dc o m f o r t a b l er a i l w a ys y s t e mi sa ni m p o r t a n ti n d i c a t i o no f t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，m a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ew o r l dn o wh a v eb u i l tt h e i r o w ni n t e r - c i t yh i g h s p e e dr a i l w a yn e t w o r k s t h er o a d b e do fh i g h s p e e dr a i l w a y s h o u l db e o fh i g hs t r e n g t h ，r i g i d i t y ，a n dg o o ds t a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y ，t h er a i l w a y d e s i g np a r a m e t e r sm u s tb em a i n t a i n e da tt h er e q u i r e ds t a n d a r dr a n g ed u r i n gt h e o p e r a t i o np e r i o d t h e r e f o r et h eh i g h - s p e e dr a i l w a yi sn e c e s s a r yt os t r i c t l yc o n t r o lt h e d e f o r m a t i o no ft h es u b g r a d e i nt h ep a s t ，d r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o da n dc e m e n tm i x i n gp i l em e t h o dw e r eo f t e n u s e dt or e i n f o r c et h es o f ts o i lr o a d b e do ft h er a i l w a y h o w e v e r , a c c o r d i n gt ot h e c o n t r o ls t a n d a r d so ft h es e t t l e m e n to fh i g h s p e e dr a i l w a yr o a d b e d ，t h ep h c p i l e ( p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i p e ) c o m p o s i t ef o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n tm e t h o di sm o r e r e a s o n a b l e i nt h i sa r t i c l e ，t h e f o l l o w i n ga s p e c t s o ft h ep h cp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n r e i n f o r c e m e n tm e t h o dw e r ea n a l y z e d ： f i r s t l y , b a s e do nt h ed a t aa c q u i r e db yt h ef i e l d t e s to fl a y e r e ds e t t l e m e n t s ，t h e s e t t l e m e n tr e g u l a t i o no ft h et h i c k l a y e rs o f ts o i lt r e a t e db yt h ec o m p o s i t es t r u c t u r eo f p i l en e tw a sa n a l y z e d a l s o ，t h ep r e d i c t i o nw a st a k e nt ot h ef i n a ls e t t l e m e n tu t i l i z i n g t w oc a l c u l a t i o nm o d e l s m e a n w h i l e ，s i n c et h es e t t l e m e n tb yp r e d i c t i o ni sf a rl e s st h a n t h a tr e q u i r e db yt h es t a n d a r d ，s ot h a tt h ec o s tw i l lb er e d u c e dt h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o n o ft h ed e s i g np a r a m e t e r s a f t e rt h a t , a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo ft h ec o m p o s i t e s t r u c t u r eo fp i l en e t ，t h es e t t l e m e n tw a sc a l c u l a t e du s i n gm u l t i p l ec a l c u l a t i o nm e t h o d s ， a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dt ot h ee x p e r i m e n t a lo n e s b yt h i s ，t h es e t t l e m e n t c a l c u l a t i o nm e t h o do ft h et h i c k - l a y e rs o f ts o i lf o u n d a t i o nt r e a t e db yt h ec o m p o s i t e s t r u c t u r eo fp h c p i l en e t i na d d i t i o n ，t h ef e ms o f t w a r ew a se m p l o y e dt os i m u l a t e a n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo fe a c h p a r a m e t e r , a n dt h ep a r a m e t r i co p t i m i z a t i o n s u g g e s t i o nw a sp r e s e n t e d i nt h ee n d ，t h ec o n t r o lm e t h o dc o n c e r n i n gc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g ya n dq u a l i t yw a si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ，t h i c k l a y e rs o f ts o i lf o u n d a t i o n ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ， f i e l dt e s t ，s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 目录 致谢 本文是在导师夏唐代教授的悉心指导下完成的。夏老师治学严谨、实事求 是、富于开拓创新的治学作风、对工作一丝不苟的精神以及为人正直的处事原则 给学生留下了深刻的印象，使学生受益匪浅、终生难忘! 值此论文完成之际，谨 向夏老师致以由衷的感谢和敬意! 作者在沿海铁路温福浙江段工程施工工作中，得到了副导师杜志祥高级工 程师的悉心指导与大力帮助，在此表示衷心的感谢! 作者在浙江大学求学过程中，在学识上得到了尚岳泉教授、韩同春副教授、 邹道勤副教授等热心指导和帮助，在此表示诚挚的谢意! 本文在撰写过程中，得到了张忠飞、寿旋等同学和朋友的极大帮助，在此 表示由衷的感谢! 最后，感谢评阅、评议论文及出席硕士学位论文答辩的各位专家、教授， 感谢他们在百忙中给予的指导。 浙江大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 铁路的快速、便捷和舒适化是一个国家发达与否的重要标志之一，现在世 界发达国家都拥有自己的城际快速铁路网。为适应社会经济发展的需要，我国已 研究规划和开始修建适合我国国情的高速铁路网。 高速铁路要为列车的高速行驶提供一个高平顺性和稳定性的轨下基础，而 路基作为轨道结构的基础，必须具有强度高、刚性大、稳定性和耐久性好的特点， 在运营条件下将线路轨道的设计参数保持在要求的标准范围之内。因此，高速铁 路路基的设计在许多方面已深化和改变了传统的设计思路，其中集中体现在：过 去对路基工程主要满足在强度的要求上，而高速铁路更体现在对路堤变形的严格 控制中。新建时速2 0 0 公里客货共线铁路设计暂行规定【1 1 、时速2 5 0 公里及 以下新建客运专线铁路设计规范 2 】明确规定：对有碴轨道，时速2 0 0 公里和2 5 0 公里，路堤工后沉降要求分别为小于1 5 c m 和1 0 c m 。京沪高速铁路设计暂行规 定【3 】要求- 路堤工后沉降小于5 c m 。对于无碴轨道，工后沉降小于2 c m 。 根据目前工后沉降控制标准，铁路的设计正在从承载力控制设计向沉降控 制设计发展，因而精确计算软土地基沉降成为急待解决的问题。 软土地基沉降计算方法及地基处理技术历来是铁道工程、岩土工程最重要 的研究课题。近几十年来地基沉降的理论研究已取得了长足的进展，地基处理技 术也得到了不断发展和提高，并出现了许多新的地基处理方法。以往对铁路软土 地基，常采用排水固结法、水泥搅拌桩等方法处理，然而从高速铁路软土路基的 沉降控制标准来看，研究新的地基处理方法和相应的设计理论是一项迫切需要解 决的课题。 1 2 地质特点和软土地基处理方法 在我国软弱地基类别多，分布广，沿海地区，特别是在黄河，长江、钱塘 江、甬江、闽江和珠江地区，而这些地区又是我国经济增长快速的地区，因而需 要快速交通运输方式。高速铁路作为一种快速交通运输方式，必须经过软土地区， 浙江大学工程硕士学位论文 拟建和正在建设的快速客运通道、高速铁路有许多都穿越软土地段，在软土地段 还包括深厚层软土地基，温福铁路软土深度达到4 0 一6 0 m ，作为强度低、压缩性 高、透水性小、厚度大、深度大的深厚层软土不适合普通的软土处理方法，例如 排水固结法处理软土有深度限制，对于深层软土，效果不是很理想。注浆加固对 于深层软土很难达到设计深度，不能精确确定加固范围和加固后的承载力。加筋 法也由于软土深度的问题，难以处理深层软土。加筋法由于提高承载力的作用不 大，对于软土固结，不能起到加速固结的作用，不能满足铁路建设的需要。挤密 法和置换法主要是形成复合地基，但对于深厚层软土，挤密法和普通的置换法只 能提高浅层承载力，难以处理深层软土，只有采用合理复合桩基进行加固提高承 载力，减少沉降。 1 3 复合地基概述 1 3 1 复合地基的基本原理及特点 复合地基控制沉降，其基本原理是：通过桩对上部结构荷载的传递，来改 变土体中的应力分布，减小上部结构施加软弱土层中的附加应力，并将其传递至 较深土层。桩长的大小直接影响荷载的传递，影响土中的附加应力分布。对于刚 性桩复合地基来说，桩端持力层一般为相对硬质土，其压缩模量较大，通过刚性 桩将应力转移到硬质土层上，产生的地基沉降可大大减小；对于柔性桩复合地基 来说，它主要能够使应力扩散于桩身范围内及桩端持力层等各土层中，由各个土 层共同承担上部荷载，减少局部软弱土层中的附加应力，从而达到减少地基沉降 的目的。总之，控制沉降本身就意味着改变土层中的附加应力，但究竞采用何种 桩型的复合地基形式，以及什么样的桩长，才能经济而有效达到这一目的，这是 当前岩土工程界普遍关心的问题，因此所谓按沉降控制设计就是指一种以控制地 基的沉降量为原则，让桩间土体主动承载、发挥桩土共同作用的设计方法。其核 心就是基础能否正常工作，主要是让地基实际沉降量小于允许沉降量，对桩体的 承载力没有严格要求，只要单桩荷载小于单桩容许承载力即可，校核地基的整体 承载力。按照这种设计方法，根据不同的容许沉降量要求，与常规设计相比，用 桩量应有不同幅度的减少，在保证沉降量满足设计要求的前提下，工程造价更为 经济，而控制沉降疏桩复合地基则是一种设计以控制地基沉降量为目的、疏化桩 间距的刚性桩复合地基，简称控沉疏桩复合地基。这种复合地基是利用桩体来控 2 浙江大学工程硕士学位论文 制地基沉降，桩体属摩擦桩型，一般是采用刚性桩如砼桩、预制桩等形式。 同时地基处理还要综合考虑地基处理方法经济要求：采用某种方案对软弱 土层进行地基处理时，既要做到处理效果安全可靠，能够保证工程质量，又要节 省工程投资，因此软土地基处理方法和各种新桩型复合地基形式仍在不断涌现和 研究讨论之中。在桩基技术和复合地基技术的基础上，为了发挥土体的承载作用， 复合桩基技术就应运而生了。简言之，复合桩基就是指桩与承台共同承担外荷载 的桩基。承台下一般有数根桩体，若桩间距过小，容易产生群桩效应。因此为避 免承台下群桩效应的产生，通常是增大桩体中心间距。工程中一般将大桩距( 一 般在5 - 6 倍桩径以上) 稀疏布置的摩擦桩基称为疏桩基础，以减少沉降为目的桩 基称为减沉桩。由于考虑了土体的承载性能，不论是复合桩基础、疏桩基础，还 是减沉桩基础，均具有较好的经济效益，不管是桩基设计还是复合桩基设计，由 按承载力控制设计转向按沉降控制设计是必然的趋势，因此，在深厚软土地基利 用复合地基技术按沉降控制设计也就越来越普遍，故按控制沉降的方法设计复合 地基形式具有广阔的应用前景。 1 3 2 常用的地基处理形式 地基处理的目的是为了提高地基承载力，减少地基沉降。当天然地基不能 满足构筑物稳定或变形控制要求时，就要对天然地基进行处理，地基处理方法非 常多，严格分类非常困难。一般可以分为以下几类： 一、排水固结法( 排水砂井、塑料排水板、超载预压、真空预压等) 。 。 二、置换法( 浅层换填、深层搅拌桩、碎石桩) 三、刚性桩基础( c f g 桩、混凝土管桩等) 。 四、振密、挤密法( 强夯、振冲挤密、爆破挤密、灰土桩等) 。 五、其他方法如加筋、灌浆、强夯等 1 4 桩网复合结构概况及现状 桩网复合结构是由桩( 预应力管桩等刚性桩、c f g 桩) 、桩帽、网( 土工格栅、 土工格室等1 以及桩间土构成的复合系统。 上世纪8 0 年代，国外开始采用桩网复合结构加固公路路堤、堤坝等工程， 并做了一些研究。h b r a n d ( 2 0 0 3 1 【4 】研究了低路堤情况下软土路基使用桩一网结构 浙江大学工程硕士学位论文 的应用，并通过现场测试数据研究了结构敏感部位沉降量与时间关系以及动荷载 下土工格栅应变与时间的关系。e g a r t u n g & a z a n z i n g e r ( 2 0 0 1 ) 【5 】研究了桩一网结 构的长期变形特征，通过观测，发现垂直位移在可接受范围内，水平位移很小， 不超过l o m m ，同时在不排水剪切强度c u 低于1 5 k n m 的时候，该结构体系有 良好的长期稳定性；b k l o w & a z a n z i n g e r ( 1 9 9 2 ) 【6 】通过模型试验和理论分析研 究了该结构体系后认为桩帽和土工格栅的复合可以有效消除路基面沉降的不均 匀性。近几年桩一网结构已经被成功地应用于几个不同地方：路桥过渡段、高速 公路和铁路路基、低路堤的改进技术、现有道路加宽、m s e 墙以及不可控制填 土的建筑。美国在一条铁路主干线上，为了满足增长的交通量并且使列车速度达 到2 0 0 k m h ，并且克服过量的微变形，使用了创新的土工格栅加筋的管桩路基， 并取得良好结果。我国也曾将此法应用于公路路基的软基处理中，但仅作过简单 变形计算和施工工艺的研究。对于其在铁路路基中的研究还是空白。 鉴于高速铁路荷载的特殊性和沉降标准的严格性，有必要对高速铁路深厚 层软土路堤中桩网复合结构法的应用进行系统深入的研究。本课题将采用数值计 算的方法和理论计算方法，结合温福铁路现场试验，研究p h c 桩网复合结构在 路基荷载和列车荷载作用下的桩、网与土体相互作用机理、沉降计算方法，并根 据研究成果对设计参数( 桩型、桩长、桩帽) 进行优化，为在深层软土地区建造 高质量的高速客运通道提供强有力的理论和技术支持，并且使其成为制定我国高 速铁路深层软土路基设计准则的主要参考。 1 5 本文研究内容 本课题以现场实测资料为验证，确立p h c 桩柔性基础的沉降计算方法，为 铁路建设及后期的养护从承载力控制向沉降控制转变奠定基础。同时通过对p h c 桩处理软土路基的设计参数进行优化，在保证工程满足技术要求的前提下，以达 到尽可能的降低工程造价的目的。 桩网复合结构研究主要内容包括： 复合桩网地基处理深层软土现场试验研究； 根据现场试验数据建立桩一网复合结构处理铁路软土地基的路基沉降计 算方法； 利用有限元软件对p h c 桩网复合结构处理深层软土地基的设计参数( 桩 4 浙江大学工程硕士学位论文 长、桩帽尺寸、桩间距) 优化； 施工工艺的选取及施工质量控制。 浙江大学工程硕士学位论文 2 桩网复合结构作用机理 桩网复合结构由上部路堤填土、加入土工格栅或土工格室的垫层，桩和持 力层组成，形成柔性基础的群桩。桩作用是竖向加强，垫层起到横向加强的作用， 通过改变垫层的厚度和模量，可以调节桩土之间的应力比。 2 1 引言 在承担上部荷载作用时，刚性基础下桩首先承受较大荷载，柔性基础下则 是土首先承担较大荷载，从而导致两者在荷载传递、桩土荷载比、桩土应力比等 在量值和发展规律上存在较大差异。 在柔性基础下，桩问土直接承受上部荷载。在竖向荷载作用下，加载初期， 垫层提供桩向上刺入量，桩上部存在负摩擦力，同时该负摩擦力对土产生向上的 反作用力，这将提高桩间土的承载力。随着荷载的增加，垫层材料不断调整，补 充到桩间土上，保证在任意荷载下桩和桩间土始终参与工作。由于管桩与土的弹 性模量比非常大，这样做可以使荷载更多的传递到桩体上。当桩间土达到极限状 态时，桩一土相对滑移，外荷载的增加值主要由桩来承担。 柔性基础下复合地基，桩土共同受力，其必要条件是桩在柔性基础能发生 一定的刺入变形。这一刺入变形使得柔性基础下的桩体之间形成压力拱，即土拱 效应。这一土拱的存在，使得桩与桩间土之间有相互滑动的趋势，促使桩承担更 多的上部荷载，从而起到控制沉降的作用。 桩网复合结构主要作用机理包括桩身的挤密土体、桩的土拱效应和垫层隔 膜效应、群桩效应4 个方面。网【1 5 】 2 2 桩身挤密效应和加速固结作用 桩加固地基的机理主要是通过挤密( 或置换) 、桩体分担荷载来提高地基承载 力及减少变形。成桩过程中将原来桩位处的软土挤出，置换以较高强度的混和料， 其变形模量远大于桩间土的变形模量，在基底载荷作用下，应力优先由桩分担并 占主导地位，从而较大幅度地提高了复合地基承载力。 桩在沉桩过程中会由于锤击或静压引起挤密和排土效应，可使桩间土得到 6 浙江大学工程硕士学位论文 一定的密实效果，改善土体物理力学性能。同时打入柱会因桩的相互约束而使桩 间土和桩端土的挤密效应更明显，桩端阻力因此而提高。 2 3 桩土拱效应 路堤铺筑完成后，由于桩的压缩性远小于桩间土的压缩性，在同样的路堤 荷载作用下，桩间土的沉降量大于桩顶的沉降量。这个沉降差使桩间土上部的填 土相对于桩顶上部的填土产生一个向下滑动的趋势。在相对滑动面上产生了一个 拖拽力，通过这个拖拽力，桩间土上部填土将自身的部分荷载转移到了桩顶上部 填土上。这种由于路堤中沉降差引起的荷载转移现象属于太沙基提出的土拱效应 现象。 在土拱效应的作用下，随着距离桩顶高度的增加，桩间土与桩顶上部填土 之间的差异沉降逐渐减小，当高度增加到一定深度时，差异沉降最终消失，该高 度处的平面称为等沉面。在等沉面以上的各个平面上，沉降和竖向应力处处相等。 由此可见，路堤填料沉降差起到了调整作用。显然桩帽和等沉面高度范围内的路 堤压缩量大于桩闻土和等沉面高度范围内路堤的压缩量。 2 4 垫层隔膜效应 当在桩帽之间发生不均匀沉降时，加入土工格栅或土工格室的土体一一土 工格栅或土工格室复合垫层发生土拱效应。其中土拱效应可以减小作用在复合垫 层上的压力。加筋碎石土地基在荷载作用下，由于加筋带与土的摩擦作用，在土 工带中产生较大的内应力，从而抵消部分的上部荷载的附加荷载，同时将荷载较 均匀地传递、分布到地基土中，因而较好地提高地基承载力。加筋带与土的摩擦 作用，限制了加筋土体的侧向挤出，一定程度上有效地减小了土体竖向变形，增 大了土体的稳定性，总之垫层通过加筋后使地基整体工作性提高，承载力提高、 变形减小，有效地发挥了垫层及软弱下卧层天然状态时的地基潜力。由于存在多 层或者单层复合垫层，当土体受力时，复合垫层将表现为盘形或膜形变形。由于 桩和软土之间的硬度不同、复合垫层土拱效应和变形的原因，多数所施加的荷载 被传递到桩上，而软土只能承载一小部分的荷载，因此软土和桩在承担荷载方面 存在显著的不同即桩发生所谓的应力集中现象。根据资料显示随着桩的刚度的提 高，应力集中率( 作用在桩帽上的应力与作用在土上的应力比) 提高。土工格栅 浙江大学工程硕士学位论文 可以很大程度的增加应力集中率。 l 、保证桩、桩间土共同承担荷载 若基础下不设置褥垫层，特别是对刚性桩复合地基，如果基础直接与桩和 桩间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩 承担较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。 其时程曲线的特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加，桩承担的荷载随时间 逐渐减少。如果桩端落在坚硬土层上，桩的沉降很小，桩上荷载向土体转移的数 量很小，桩间土承载力难以发挥。在基础下设置一定厚度的褥垫层，情况就不一 样，即使桩端落在坚硬土层上，也能保证一部分荷载通过褥垫层作用到桩间土上。 在特定荷载作用下，桩、桩间土受力不再随时间变化转移，而为一常数。 2 、调整桩、土荷载分担比 刚性桩复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比来表示，也可用桩、 土荷载分担比表示。当褥垫层厚度为零时，桩、土应力比很大。在软土中，桩， 土应力比可以超过1 0 0 ，桩体分担的荷载相当大。当褥垫层厚度很大时，桩、土 应力接近于1 ，此时桩的荷载分担比很小。试验表明，适当的褥垫层厚度，可保 证桩间土承载能力超前发挥。桩身刚度大，桩沉降小，褥垫层厚度取大值；桩身 刚度小，桩沉降大，褥垫层厚度取小值。可见刚性桩复合地基桩、土应力比可以 通过调整褥垫层的厚度、变形模量来达到设计要求。 3 、减小基础底面的应力集中 当褥垫层厚度为零时，即基础与桩之间不设褥垫层，桩对基础的应力集中 现象很显著，和桩基础一样，需要考虑桩对基础的冲剪破坏。当褥垫层厚度增大 到一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布，桩对基础应力集中相应得以 减小。试验表明：当褥垫层厚度不小于1 0 c m ，桩对基础的应力集中很小。 4 、调整桩、土水平荷载的分担 当没有褥垫层，基础受到水平荷载作用时，水平荷载主要由桩体来承担。 若设置一定厚度的褥垫层，作用在桩顶及桩间土的剪应力相差不大，桩顶所受剪 力占水平荷载的比例大体与面积置换率相当，故桩顶承担水平力较小，水平荷载 主要由桩间土承担。设基础与褥垫层材料之间的摩擦系数为0 2 5 0 4 5 ，试验表明： 褥垫层厚度不小于1 0 c m ，桩体不会折断，桩体在复合地基中不会失去工作能力。 浙江大学工程硕士学位论文 可见，褥垫层也有利于减小桩顶的水平应力集中现象，复合地基比天然地基抵抗 水平力的能力更强。 2 5 群桩效应 由于加筋褥垫层的存在，p h c 桩与褥垫层共同构成柔性基础的群桩。群桩 复合地基中，加土工格室或土工格栅的垫层限制了桩群上部的桩土相对位移和桩 帽的作用，从而使桩的上段的侧阻力发挥值降低，即对侧摩阻力起“削弱效应”， 同时由于垫层的存在，引起桩承担更大的荷载，因而桩身下部则是明显的“增强 效应”。桩的相互作用随着桩间距的减小或桩身刚度的增加会有所增强，而随桩 长细比的增加则有先增强后减弱的趋势。 2 6 地基沉降规律【1 6 1 1 2 l l 由于桩、土沉降量与其所承受的应力存在着较好的对应关系，并考虑桩、 土的刚度差异，不难分析复合地基的沉降规律。在加载前期，桩、土沉降量迅速 增大，沉降差也较大幅度增加；随着填土层的增厚，加筋垫层的协调作用逐渐发 挥出来，两者承担的应力逐步调整，管桩与桩间土差异沉降变幅减小；填土完成 后，桩、土差异沉降变幅通过变形协调发生微小变化并逐渐稳定下来。 分析不同深度处桩( 带桩帽) 和土的沉降规律：在桩端平面处，由于附加应 力引起下卧层土体压缩，桩端土体发生移动，从而桩端相对于地基产生刺入变形， 该刺入变形是桩端阻力以及桩身下部正摩擦力得以发挥的原因。在桩顶( 桩帽) 平面处，由于桩间土的压缩量远远大于桩身的压缩量，因此，桩顶准帽) 的沉降 小于桩间土的沉降，桩土之间存在沉降差。桩身范围内，桩土相对沉降大小的变 化导致桩侧摩阻力方向的变化。在桩顶以下一定深度范围内，桩间土的沉降大 于桩的沉降，桩侧作用负摩擦力；在桩端以上一定范围内，桩的沉降大于桩间土 的沉降，桩侧作用摩擦力。在桩与桩间土沉降相等的地方，桩侧摩阻力为零，该 点称为中性点。在等沉面平面处，由于路堤的调节作用，路堤的沉降处处相等。 分析沉降与时间关系：填土初期，桩体与桩间土所分担的荷载几乎相等； 而在加载后期，由于桩、土的刚度相差较大，桩体承受大部分荷载、桩间土分担 荷载小，前者增加幅度要远大于后者。在填土的间歇期，随着土体的固结，土的 沉降量较桩大，柔性土工格栅在外力的作用下形成曲面，通过“网兜”效应能很 9 浙江大学工程硕士学位论文 好地将其上土压力部分传递给桩。因此，桩顶中心的土压力在填土间歇期仍能产 生小幅度增加，而桩间土土压力却降低。 2 7 小结 本章从桩网复合结构作用机理，桩身挤密效应和加速固结作用，土拱效应， 垫层隔膜效应，群桩效应，地基沉降规律等方面介绍了桩网复合结构作用的机理， 总结了前人的成果和经验，并为接下来的试验的布置和有限元数值分析做了铺 垫。 1 0 浙江大学工程硕士学位论文 3 桩网复合地基处理深层软土现场试验研究 为了解桩网复合地基处理深层软土地基工程的作用机理，探讨p h c 桩网复 合地基沉降计算方法，研究桩网复合结构控制软土地基沉降的效果，并为其优化 设计提供依据，在温福铁路进行了桩网复合结构处理软土的试验。试验段 d k 2 6 + 6 3 1 4 5 一d k 2 7 + 0 0 0 ，线路长度3 6 8 5 5 m ，位于飞云江特大桥南岸桥头与瑞 安站之间。温福线浙江段地层多为全新统海积相地层，其软土层属典型的海积滨 海一泻湖相沉积淤泥、淤泥质土，其成层稳定，厚度一般3 0 一4 0 m ，平均含水量 达到6 8 1 ) j , 上，压缩性之高，强度之低为全国罕见。下卧层多为冲积成因卵石土， 厚度 1 0 m ，属典型的“上软下硬”二元相地层。试验段软基处理设计采用先张 法预应力混凝土管桩，桩长分别为4 8 m 和4 7 m ，桩体中心间距为3 0 m 或2 5 m ， 呈正方形布置。 3 1 工程概况 3 1 1 自然地理及线路概况 3 1 1 1 自然地理特征 d k 2 6 + 6 4 1 2 5 d k 2 6 + 9 5 0 工点地处浙江省温州市一飞云镇境内，属温州 苍南段滨海产平原，地形平坦，为水田，地势自起点向终点逐渐降低，地面标高 在3 0 4 0 之间，路堤填高7 1 7 5 m ；右侧l o 一7 0 m 为一条河沟，宽约3 0 m ， 深5 6 m 。 本区属亚热带季风区气候，温和湿润，雨量充沛。年平均气温在1 3 1 9 4 ，极端最高气温可达4 3 2 ，极端最低气温零下6 。年均降水量1 1 0 0 m m 一 1 8 0 0 m m ，年最大降水量2 5 5 2 6 m m ，最小9 0 5 m m ，每年1 0 月至第二年2 月为旱 季，4 至6 月为雨季占年雨量约3 4 5 ，7 至9 月为台风季节，台风最大风力1 2 级以上，洪水主要由台风暴雨造成，暴雨不仅量大，并且降雨集中，占年雨量约 4 1 2 。 3 1 1 2 线路概况： d k 2 6 + 6 4 1 2 5 - d k 2 6 + 9 5 0 全长3 0 8 7 5 m ，其中曲线地段6 9 3 5 m ，直线地段 浙江大学工程硕士学位论文 2 3 9 4 m ；纵坡d k 2 6 + 6 4 1 2 5 + 8 0 0 为5 8 o 的下坡，d k 2 6 + 8 0 0 - - 9 5 0 段为l 的 下坡。 3 1 2 水文地质特征 工点位于海积平原区，地形平坦，主要为水田农作区，区内沟渠纵横。小 河常年有水，水流缓慢，水量受大气降水控制。 根据地层特点，地下水为孔隙潜水，水位埋深0 8 1 0 m 。在淤泥及淤泥质 黏土层含量较为贫乏，下部圆砾土层含量丰富。地下水的补给主要靠大气降水后 地表渗入，排泄以大气蒸发为主。地下水样p h = 7 5 ，对混凝土无腐蚀作用，对 钢结构具弱腐蚀性；地表水p h = 7 7 对混凝土无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。 3 1 3 工程地质条件 工点范围均为第四系地层覆盖，上部为全新统滨海一泻湖相沉积形成，下 部卵石土属冲积成因。其岩性自上而下分述如下： l 、淤泥，灰色，流塑。手感细腻，分布均匀，含少量腐殖物。有机质含量 3 左右。深度8 m 以下含少量贝壳，其横、纵向分布稳定，起伏较小，层厚18 8 2 3 4 m 。 2 、淤泥质黏土，灰一青灰色，软塑。含有机质及少量贝壳，具鳞片状层理， 分布均匀，厚度2 0 8 2 4 8 m 。有极质含量1 5 。 3 、卵石土，灰黄色杂色，密实，饱和，局部含粉细砂夹层。颗粒成分较 杂，磨圆度较好，粒径2 5 0 m m ，分布均匀。孔隙为黏土及细砂充填。厚度2 0 8 2 4 8 m 。 本区地下水主要为孔隙潜水或承压水，水位埋深o 8 1 0 m 。地下水对混 凝土无侵蚀。 地基土物理力学指标见表3 1 浙江大学工程硕士学位论文 表3 1 地基土物理力学指标 项目单位 淤泥淤泥质黏土 含水量 6 7 7 5 2 8 比重 k n m 3 1 5 8 1 6 8 孔隙比1 9 21 2 9 压缩系数m p a 。l1 9 6 1 0 8 液限 5 5 64 6 6 塑限 2 6 22 2 9 快剪粘聚力k p a7 21 2 内摩擦角4 37 2 压缩模量n i p a1 4 82 6 5 3 2 试验概况 3 1 。 试验段采用的地基处理方法及设计参数见表3 2 ，预应力管桩的布置如图 表3 2 试验段工程措施表 里程长度( m )工程措施附注 d l ( 2 6 + 6 41 2 8 3 7 5 桩间距：路肩范围内2 0 m ，边坡范围 填土高7 2 7 5 m ， + 7 2 5内2 5 m ，桩长4 7 4 8 m ，呈正方形布置，d k 2 6 + 6 4 1 2 5 桩顶设1 4 1 4 0 3 5 m 钢筋混凝土桩帽， + 6 8 1 待桥台施工完 采用c 3 0 混凝土现浇，其上铺设厚0 4 m成后再进行填筑施 碎石垫层，中间设一层土工格室。 工 d k 2 6 + 8 0 0 7 5桩间距：路肩范围内2 5 m ，边坡范围填土高7 1 7 2 m ， + 8 7 5 内3 0 m ，桩长4 6 4 7 m ，呈正方形布置。d k 2 6 + 8 2 2 2 为 桩顶设1 6 1 6 x 0 3 5 m 钢筋混凝土桩帽，1 - 1 5 m 矩形涵 采用c 3 0 混凝土现浇，其上铺设厚0 4 m 碎石垫层，中间设两层土工格栅。 1 3 * i m ： 论文 羞黧嘲麓瓣强 一一 图3 - l 试验段施工现场 试验段分层沉降剥试断面选取d k 2 6 + 8 4 0 断面，如图32 ，进行沉降观测 、罐q d 。一、当。： ! 等格 j ： 图32 温福铁路渐江段工程横断面图 分层混降管：每个主剥断面的路基中心布置一个分层托降孔，每2 3 m 设 盛环一个。见图3 - 3 和图3 - 4 浙u 大学l 程碗 位n i 囝3 - 3 分层沉降观删管 图3 - 4 沉降管接高 3 3 分层试验成果及分析 分层沉降随荷载、时问的变化曲线见圈3 - 5 ，随深度的变化规律见圉3 - 6 ， 浙江大学工程硕士学位论文 根据试验结果可以得到如下结论： 1 、加载初期，随荷载的增加，沉降增长基本呈线性增加，沉降速率较大， 分析其原因在于试验路段地基深度2 5 2 m 以内为淤泥，具有高压缩性、低强度、 高触变性的特点，在路基填筑过程中，桩帽刺入褥垫层，使桩间土受力，因而沉 降增长迅速。 2 填筑高度达到1 7 m 后，即填第五层土后，沉降速率明显减小，沉降趋于 平缓，分析其原因在于软土经过填土的外荷载作用，桩承担主要荷载，同时加筋 垫层发挥作用，桩帽处形成土拱，使荷载向桩转移，由于桩的压缩模量大，因而 产生的沉降大幅减小。 3 、根据沉降沿深度的变化曲线( 见图3 - 6 ) ，可以得出路基填筑对桩间土受 压影响深度的影响。桩间土受压影响深度随地基上部结构荷载的增加而增加，当 桩问土受压影响深度达到一定深度，桩问土受压影响深度不再增大，趋于稳定。 在本试验中在初期填筑过程，桩间土受压影响深度在地基深度4 1 m 趋于稳定， 随着填筑，桩间土受压影响深度向地基深处转移，路基土填筑3 m 后，地基沉降 趋于稳定的深度为9 6 m ，桩间土受压影响深度不再随填筑而增加。试验分析说 明桩间土受压影响深度是存在的，在加载初期，桩间土由于受到荷载的作用，荷 载向地基深处传递，到达一定深度，荷载与地基承载力趋于平衡，沉降量趋于稳 定，深层桩间土的沉降将主要由桩引起。 4 、根据分层沉降图( 见图3 - 5 ) 可以看到路基填筑对不同深度地基土的影 响。随路基土填筑的增高，不同深度的地基土沉降不断增加，在桩间土受压影响 深度内，沉降随填土量的增加发展较快，当填土达到一定高度，沉降发展趋缓。 在地基沉降稳定深度外，沉降增加较慢，当填土结束后，沉降增长幅度较桩问土 受压影响深度以上土层较快。说明填筑过程中，桩间土受压影响深度以内土层， 上部荷载向下传递引起地基沉降，由于上部荷载主要作用在地基浅层，沉降发展 较快，地基深处承担较少的上部荷载，沉降发展较慢。填筑完成后，地基表层由 于填筑过程的受到上部荷载作用，发生排水固结，沉降大部分已经完成，沉降增 速趋缓。地基深处土层由于填筑过程受到上部荷载作用较少，未充分排水固结， 在填筑完成后，由于上部土层传递的荷载和桩的影响，沉降增大。 1 6 断学i a 捌十学砣土 4 日月 田3 - 5d k 2 6 + 8 c + 8 7 5 段分层沉降变化量曲线圈 围3 - 6d l ( 2 6 + 8 8 7 5 段分屡沉降曲线圈 裟流 鬈篡耋葺 口=e；h 浙江大学工程硕士学位论文 3 4 地基沉降预测 3 4 1 预测模型 利用实测的荷载一时间一沉降曲线，选择有关函数对沉降曲线拟合，进而 推算后期沉降或最终沉降量，从而对加固效果进行评估并指导下一步施工，这种 信息化的施工方法已越来越引起国内外岩土界专家和学者的重视，并被纳入有关 规范要求。 3 4 1 1 双曲线方程式法 要严格区分群桩基础后期沉降是由土体的固结、次固结和蠕变的影响是困 难的，但在它们的共同作用下，桩基基础沉降曲线形态可以用如下的统一公式表 示： & = s + ( 咒一墨) u ( t ) ( 3 1 ) 其中，& 为t 时刻的沉降；s 为加载完成后的沉降；& 为最终沉降；u ( f ) 为 平均固结度，是时间t 的函数，根据对函数u ( t ) 的不同假设，便可得到各种不同 的预测函数，u ( f ) 通常为双曲线或者指数函数表示。 双曲线方程式法假设u ( f ) 对时间t 的函数为双曲线形式，这是目前应用较广 的一种方法，公式为： 2 万( t ( - 卜q ) 石 3 2 ) 式中，f 为s t 对应的时间；f l 为产生沉降s 的时间；口为常数，由实测数据 进行推算而得；故： 鄹。“& 卅端 3 ) 在实测沉降一时间曲线上取三点( f l ，墨) 、( 乞，) 、( ，s ) ，使： f 2 一= 一，2 = a t 且，t 3 f 2 t l 为了减少测量误差对预测结果的影响，同时也为了有效确定曲线位置和形 浙江大学工程硕士学位论文 态，a t 的取值应尽可能的大，且三点均应该是荷载加载完成后的时间和沉降。 2 鱼d 赋口= 歪s 2 万- s 1 此 l 一二l _ 二2 s 2 一s 1 l + 墅墨 s 。= s ，+ ( s z s ) 了豆s 2 一s 1 s 2 一s 1 3 4 1 2 指数法 该法的u ( t ) 函数形式假设基于太沙基渗透固结理论，假设任意时刻f 土层平 均固结度u ( f ) 为时间的指数函数，即： u ( f ) = 1 _ a e - t 9 t ( 3 4 ) 其中，口，为系数；f 为修正时间零点后的时间；对于单级等速加载情况， 时间零点置于t 2 处，其中t 为实际加载时间；对于两级或多级加载的情况，采 用力时间阶段等效原则确定。 故，s t = 懿+ ( 一s a ) ( 1 - a e 一，。) ( 3 5 ) 在实测沉降一时间曲线上k - 点( ，s ) 、( 乞，是) 、( f 3 ，s ) ，使， t 2 - t 1 = t 3 一t 2 = a t 且，t 3 t 2 t 1 则，& ：坠坠互型必 ( 3 6 ) 2 s ，一s 一s ： 弘砉，侈2 去tt - n 糟s 万一，一s ， & = 业笋 3 5 2 最终沉降预测结果 根据试验路段的实测沉降曲线，取时间间隔a t 为6 8 天，同时取s 为加载完 成后第一次测量的结果( 2 0 0 5 年9 月1 0 日) ，根据双曲线方程式法和指数法预 测的最终沉降量结果见表3 3 ，值得一提的是，表3 3 中“未完成沉降”是预测 的最终沉降量结果与2 0 0 6 年2 月2 4 日测试结果之差，“工后沉降”是指预测的 最终沉降量结果与加载完成后最近一次的实测沉降量之差，表中的所有数值均针 浙江大学工程硕士学位论文 对路堤中心点的沉降而言。根据沉降预测结果，预测沉降最大量值1 5 c m ，满足 时速2 0 0 公里铁路路堤工后沉降的要求，小于1 5 c m ，因而试验路段的工程措施 可以达到控制工后沉降的目的，是处理深层软土地基的理想方法。同时预测结果 中，工后沉降远小于规范工后沉降的要求，因而可以对设计参数进行优化，以达 到节约成本的目的。 表3 3 最终沉降量预测结果表 双曲指数 s是s 未完成沉降工后沉降 线法 法 c mc 皿c mc mc mc mc 皿 d k 2 6 + 6 4 1 2 2 0 2