（岩土工程专业论文）胶济客运专线水泥土搅拌桩复合地基承载特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国民经济的增强，建设工程得到了迅速发展。为了满足地基的强 度、变形和抗震等要求，必须对天然的软弱土地基进行人工处理。水泥土 搅拌桩复合地基，由于其经济效益显著，施工便捷而又无环境污染，被广 泛应用于各类工程实践中。水泥土搅拌桩加固技术从发明到现在，其历史 不过短短几十年，无论从加固机理还是设计计算方法，均存在不完善的地 方，仍处在探讨研究之中。本文结合国家重点工程胶济客运专线工程青州 段( d k k 2 2 5 + 9 5 0 d k k 2 3 8 + 8 9 0 ) 段中部分水泥土搅拌桩的现场试验成果 对以下问题进行了研究： ( 1 ) 本文通过现场试验和理论分析对水泥土搅拌桩复合地基承载性 能和变形特性进行了研究。通过桩间土、原状土，单桩，单桩复合地基的 现场静载荷对比试验，获得了各自的容许承载力值，根据p s 曲线计算出 的变形模量结果表明，经过水泥土搅拌桩处理后，黄土质粉质黏土地基力 学性质和变形特性得到明显改善，土层的强度和变形模量明显提高。 ( 2 ) 建立数值模型。基于桩土共同工作原理，建立桩土共同作用模型， 用有限差分软件f l a c 3 d 软件对水泥土搅拌桩单桩以及4 4 群桩复合地 基进行了承载特性的数值计算。研究荷载、垫层模量、垫层厚度、桩长径 比、桩体模量以及置换率对其桩项沉降值、桩间土表面沉降值以及桩土应 力比的影响程度，证实了水泥土搅拌桩复合地基存在最佳桩土模量比、最 佳长径比和最佳置换率；并将计算结果与实测结果相比较，论证了水泥土 搅拌桩复合地基的承载特性及承载力的可靠性。 ( 3 ) 水泥土搅拌桩复合地基的桩土应力比n 是设计计算中一个很重要 的参数，总结出桩土应力比的三种计算分析方法：试验法、数值法和解析 法。依托本胶济客运专线水泥搅拌桩工程实例，计算表明三种方法有一定 的可行性，但都有其优缺点。为以后类似工程地基处理提供有益的参考。 关键词水泥土搅拌桩；复合地基；承载特性；数值模拟：桩土应力比 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a st h en a t i o n a le c o n o m yi n c r e a s e s ，t h ep r o j e c to fc o n s t r u c t i o nm a k e s r a p i dp r o g r e s s i n o r d e rt om e e tt h ed e m a n do fg r o u n d s i l li n t e n s i o n , d e f o r m a t i o na n da n t i s e i s m i ce t c ，t h ec r u d es o f ts o i lm u s tb ed e a rw i t h a r t i f i c i a l l y c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hc e m e n tm i x i n gp i l e si sw i d e l yu s e di n v a r i e s p r o j e c t s d u et oi t sr e m a r k a b l ee c o n o m i c a lb e n e f i t s ，c o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o na n dn oc i r c u m s t a n c ep o l l u t i o n h o w e v e r , t h eh i s t o r yo fc e m e n t m i x i n gp i l e sr e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u ei so n l ya b o u tt e n sy e a r s n o to n l y m e c h a n i s m so fr e i n f o r c e m e n tb u ta l s od e s i g na n dc o m p u t i n gm e t h o d sh a v e s o m ef a u l t i n e s s s o m ea r es t i l li nd i s c u s s i o n b a s e do nt h ec e m e n tm i x i n g p i l e s f i e l dt e s tr e s u l t s a t q i n g z h o us t r a i g h t e n e d s e c t i o n ( d k k 2 2 5 + 9 5 0 d k k 2 38 + 8 9 0 ) o fj i n a n q i n g d a od e d i c a t e dl i n e ，t h i sp a p e r f o c u s e so nt h eq u e s t i o n sa sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) t h ec e m e n tm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n sb e a r i n gc a p a c i t ya n d d e f o r m a t i o nb e h a v i o ra r es t u d i e db yt h ef i e l dt e s ta n dt h e o r e t i ca n a l y s i s t h e b e a r i n gc a p a c i t ya sw e l la st h ee l a s t i cm o d u l u so fe a c hp i l ea n dc o m p o s i t e f o u n d a t i o ni so b t a i n e db yf i e l dt e s t so no r i g i n a ls o i l ，t h es o i lb e t w e e np i l e s ， s i n g l ep i l ea n do n e - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e l o e s s i a ls i l t yc l a yr e i n f o r c e db yc e m e n t - s o i lp i l e sh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei n b e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o n t h es t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u so fs o i la r e o b v i o u s l yi m p r o v e d ( 2 ) n u m e r i c a lm o d e li ss e tu p t h em o d e lo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n p i l e sa n d s o i li sb u i l tb a s e d0 1 1t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np i l e sa n ds o i l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u to nt h eb e a r i n gp e r f o r m a n c e so ft h e c e m e n tm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，o n ep i l eg r o u pa n d4 4p i l e s g r o u p ，r e s p e c t i v e l y , b yu s i n gt h ef i n i t es o f t w a r ec a l l e df l a c 3 d t h e n ，b y a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e so fs u c hf a c t o r sa sl o a d ，c u s h i o nm o d u l u s ，c u s h i o n t h i c k n e s s ，t h er a t i oo fl e n g t h - - r a d i u so ft h ep i l e ，t h em o d u l u so fp i l ea n dt h e r e p l a c e m e n tr a t i oo nt h es e t t l e m e n to fc o m p o u n df o u n d a t i o na n dt h es t r e s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 r a t i ob e t w e e np i l ea n ds o i l ，i ti sf o u n dt h a tt h e r eh a v et h eb e s tm o d u l u so fp i l e ， t h eb e s tr a t i oo fl e n g t h - r a d i u so ft h ep i l ea n dt h eb e s tr e p l a c e m e n tr a t i o b a s e d o nt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h er e s u l t so fc o m p u t i n ga n a l y s i sa n dt h e e x p e r i m e n t , i t i sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec e m e n tm i x i n gp i l e c o m p o s i t e f o u n d a t i o nh a sb e t t e rr e l i a b i l i t yo nt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h eb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i e s ( 3 ) d u et ot h ei m p o r t a n c eo fp i l e s o i ls t r e s sr a t i o 刀o ft h ec e m e n tm i x i n g p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i nt h ed e s i g n ，t h et e s tm e t h o d ，t h en u m e r i c a l m e t h o da n dt h ea n a l y t i c a lm e t h o da r es u m m e du pi nt h i sp a p e rt oc a l c u l a t e t h i si m p o r t a n tp a r a m e t e r b a s e do nt h i sp r o j e c t ，t h r e em e t h o d sh a v ec e r t a i n f e a s i b i l i t y i ns o m ee x t e n t e a c ho n eh a si t so w na d v a n t a g e sa sw e l la s d i s a d v a n t a g e s t h ec o n c l u s i o n si nt h i sp a p e rh a v es o m er e f e r e n c ev a l u ef o r d e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i n go fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：c e m e n tm i x i n gp i l e s ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；b e a r i n gp e r f o r m a n c e ； n u m e r i c a la n a l y s i s ；s t r e s sr a t i ob e t w e e np i l ea n ds o i l 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： i 、通过现场试验和理论分析对水泥土搅拌桩复合地基承载性 能和变形特性进行了研究，结果表明，经过水泥土搅拌桩处理后， 黄土质粉质黏土地基力学性质和变形特性得到明显改善，土层的 强度和变形模量明显提高。 2 、建立数值模型，将计算结果与实测结果相比较，论证了水 泥土搅拌桩复合地基的承载特性及承载力的可靠性。 事位论文作者签名：历种珠夕 日期：研年多月9 日 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密i ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：么忉 日期：加哆年石月妒日 指导老师签名：移触 日期廿彭月乒日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章前言 1 1 课题背景及研究意义 水泥土搅拌法是用于加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是利用 水泥( 或石灰) 等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械在地 基深处就地将软土和固化剂( 浆液状或粉体状) 强制搅拌，利用固化剂和 软土之间产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性，水稳 定性和一定强度的优质地基【l j 。 水泥土搅拌桩是以桩的形式对软土地基进行补强，使补强桩体与天然 地基共同组成承载力较高、压缩性较低的复合地基，同时土中高应力区增 大，从而提高了地基的承载力，因此水泥搅拌桩复合地基还具有垫层的扩 散作用【2 】。随着科学技术的进步，以及工程实践的发展，人们不断丰富了 对土的特性研究及认识，从而有力的推动了这种地基处理的发展。从总体 上看，已发展成为一种海陆兼备、地基基坑双用的干湿两全的软土处理技 术，其加固深度和加固效果随设备功能的提高而加大，同时水泥土搅拌桩 复合地基作为一种地基处理方式与目前采用的其他方法相比，由于设备简 单，施工方便，噪音小、无振动、工期短，投资少且不污染环境，对相邻 建筑物无不利影响，而且适用的材料仅水泥而已，对软土厚度大、含水量 高、孔隙比大、力学强度低的地基有较好的加固效果，这些优点决定了该 技术在软弱地基加固中有旺盛的生命力和广阔的发展前景。 水泥土搅拌桩具有广泛的实用性，通常被应用于饱和软土的地基处 理。而且近年来的一些实践证明，水泥土搅拌桩不仅适用于饱和软土的地 基加固，同样也适用于地基承载力标准值大于1 2 0 k p a 的饱和或非饱和粘 性土、砂类土及填土的地基加固，复合地基承载力标准值可以达到3 0 0 k p a 以上。因此水泥土搅拌桩加固黄土质粉质黏土地基具有切实的可行性。水 泥土搅拌桩处理桥头地基，能够有效地减少和控制沉降量及工后沉降量， 并能适应快速加载的要求，缩短建设周期，与其他地基处理方法相比，具 有不可替代的优越性，在高速公路、铁路地基处理中得到了广泛的应用。 本文拟以胶济客运专线青州段( d k k 2 2 5 + 9 5 0 d k k 2 3 8 + 8 9 0 ) 的软土 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 地基处理中的部分水泥土搅拌桩为研究对象。胶济客运专线青州段线路位 于青州以北冲积平原上。定测阶段地质勘察中发现该段黄土质粉质黏土比 较特殊，局部具有一定湿陷性，且在地表普遍为黄土质粉质黏土，其特性 介于黄土与粉质黏土之间，局部接近于黄土：分布不连续，差异较大，对 沉降控制不利。 该段分布的黄土质粉质黏土具有一般黏性土的特性，又具有黄土的一 些特性，其工程性质介于普通黏性土与黄土之间，具有饱水之后其物理力 学指标明显降低的特点。 基于该段工程地质中黄土质粉质黏土的特殊性，其工程对策拟采用水 泥土搅拌桩复合地基处理。而本课题的研究意义就在于：虽然水泥土搅拌 桩己经在实际工程中得到广泛应用，但关于水泥土搅拌桩很多问题在理论 上还不完善，还需要实践的检验。尤其在水泥土搅拌桩处理客运专线的黄 土质粉质黏土地基时，在加固机理、受力变形、沉降与稳定性问题以及复 合地基设计等方面均有其独特的一面，不能简单地套用其他刚性桩和柔性 桩的计算分析方法，也不能照搬水泥土搅拌桩处理一般建筑地基的设计思 路。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水泥土搅拌桩技术发展现状 第二次世界大战后，美国首先研制成功水泥土桩称为就地搅拌桩 ( m i x e d - i n p l a c ep i l c ) 。该方法称为m i p 工法【3 】，即用螺旋钻对土和水泥浆 等材料边钻进边混合搅拌制成桩体的方法。1 9 5 3 年日本运输省港湾技术 研究所和瑞典b p a 公司分别开始研制石灰系深层搅拌施工方法1 4 1 ；1 9 7 1 年瑞典首次用生石灰和软土拌制成第一根石灰搅拌桩【5 】，1 9 7 4 年用石灰 粉体喷射技术成功制成石灰搅拌桩【6 】；1 9 7 4 年日本研制出使用块状石灰 的深层搅拌法( d l m ) i 法，其加固材料采用螺旋式供料器供给【7 j 。1 9 7 5 年日本又成功地研制出使用水泥浆深层搅拌法( c d m ) i 法，1 9 8 1 年研制 出采用空气输送粉末石灰或水泥粉深层搅拌法( d n d 工法【8 】。前苏联在 1 9 7 0 年也研究成功一种淤泥水泥土桩( 类m i p ) i - 法 引。 1 9 7 6 年1 1 月中国对日技术交流后，冶金工业部建筑研究总院和交通 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 部水运规划设计院于1 9 7 7 年开始联合研制水泥系深层搅拌法及机械设 备，1 9 7 8 年制造出国内第一台s j b 1 型深层搅拌机，1 9 8 0 年通过国家鉴 定，1 9 8 4 年正式推广使用【1 0 】。1 9 8 3 年铁道部第四勘察设计研究院开始进 行粉状石灰深层搅拌法试验研究，1 9 8 4 年在广东云浮硫铁矿铁路工程试 验中取得成功，1 9 8 5 年通过国家鉴定【1 1 1 ，1 9 8 8 年铁四院和上海探矿机械 厂联合研制的g p p 5 型深层粉体喷射搅拌机通过国家鉴定，并投入批量 生产，不久该设备就应用于水泥粉深层搅拌【1 2 】，并正式推广使用。 国外深层搅拌机械设备类型较多，拌叶直径从8 0 0 m m - 2 0 0 0 m m 不 等，一次加固面积从2 4 2 m 2 , - , 一6 0 6 m 2 不等，加固深度可达到7 0 m 1 3 1 。国 内目前拌叶直径最大为0 8 m ，一次加固面积为o 8 8 m 2 ，加固深度最大可 达到2 6 m ，一般加固深度在1 8 m 范围以内【1 4 1 。 水泥土搅拌法在我国陆上工程应用可分为浆喷和粉喷两大类，胶结材 料主要是水泥和石灰。水泥深层搅拌法有浆喷( 湿法) 和粉喷( 干法) 之分【1 5 】。 对高含水量的软土以干法为好，低含水量的软土以湿法较佳，但含水量高 低并无明确的分界线。 1 2 2 水泥土搅拌桩复合地基承载特性研究现状 目前，水泥土搅拌桩复合地基的承载性状研究现状主要体现在其承载 力的理论计算研究、载荷试验研究、影响因素研究和荷载传递机理研究等 方面。 ( 1 ) 承载力的理论计算 现有的水泥搅拌桩复合地基承载力计算公式认为复合地基承载力是 由地基承载力和桩的承载力两部分组成的。计算思路是先分别确定单桩的 承载力和天然地基的承载力，再根据一定的原则叠加这二部分承载力得到 复合地基的承载力。计算公式一般采用下式【1 6 】： 易= 肌易+ 8 ( 1 一，1 ) 易 式中： p c 厂一单桩复合地基的极限承载力，单位k p a ； 匕厂单桩的极限承载力，单位k p a ： 尸：，广天然地基的极限承载力，单位k p a ： 所复合地基置换率； 夕桩间土承载力折减系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 单桩承载力和天然地基承载力除了通过原位试验测定外，各国学者还 提出一些计算方法。工程上用规范法( y b j 2 2 5 - - - 9 1 ) 根据两种情况计算单桩 承载力：根据桩身材料强度计算；根据桩侧摩擦力和桩端端阻力计算。二 者中取较小值为单桩承载力【1 6 。 天然地基承载力常采用s k e m p t o n 极限承载力公式进行计算【1 6 】。 方磊等【1 7 】比较了粉喷桩单桩承载力的不同确定方法，认为：按桩体 材料强度计算时，强度折减系数夕的取值异常重要；桩间土的平均摩擦力 和桩端天然地基土承载力标准值的取值是关键问题，取值中往往经验占重 要的因素，常常与实际情况有所出入。因此，用规范法计算得到的单桩承 载力值应该是一种估算。何开胜【1 8 】认为有必要考虑现场水泥土强度与室 内拌制的水泥土强度的差异，建议在现有计算中增加一项按现场水泥土强 度设计。 另外一些学者还提出不同的经验公式计算单桩承载力，梁仁旺【1 9 】通 过统计分析，建立了水泥土搅拌桩桩身强度的概率模型，用蒙特卡罗方法 对单桩承载力进行了数值仿真。近几年可靠性理论、模糊聚类分析等在工 程界得到广泛应用，有的学者根据该理论对复合地基承载力的计算作了一 些尝试。但该方法必须建立在大量实测资料上，在实用上有局限性。 ( 2 ) 承载力的载荷试验研究 目前，水泥土搅拌桩复合地基承载力的计算理论研究尚不成熟，工程 上一般通过载荷试验测定承载力。根据复合地基载荷试验确定复合地基承 载力是一个较为复杂的问题，涉及到载荷板一桩一土的相互作用、复合地 基破坏模式、褥垫层的影响等，采用单桩静载试验和土载荷试验确定的复 合地基承载力与采用复合地基载荷试验确定的承载力可能存在较大差异 【2 0 】 o 徐超等【2 l 】认为水泥搅拌桩复合地基的承载力评价应考虑荷载特性和 桩的端承条件，需要根据上部建( 构) 筑物的变形要求，合理确定相关参数。 李安勇【2 2 】建议水泥搅拌桩复合地基承载力的确定应通过群桩复合地基载 荷试验进行，认为载荷板包含的桩数越多，试验的结果越接近复合地基的 真实受力状况。但限于加载条件，工程上往往只进行单桩和单桩复合地基 载荷试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 由于承载机理的不同，搅拌桩复合地基承载力的确定方法也不同。周 德泉等【2 3 ：】基于现场试验，研究了根据静载试验确定粉喷桩复合地基承载 力基本值的现有几种方法，提出了新的取值思路。杜海金【2 4 】根据2 0 余项 载荷试验结果，对用载荷试验确定粉喷桩承载能力的标准进行了探讨与研 究，认为可将试验曲线分为3 种类型，在分析各种影响因素的基础上，分 别采用不同的取值方法。郑刚等【2 5 】人对水泥搅拌桩复合地基承载力问题 作了大量的研究，认为对于短桩，单桩承载力可以按沉降量大小控制，而 长桩( 桩长大于6 m ，软土中大于8 m ) 桩身下部很难出现桩土相对滑移，承 载力往往受桩身材料强度控制。郭寿宽等【2 6 】人有类似观点，并建议若是 工程桩( 非试验桩) 复合地基静载荷试验可视设计荷载的2 倍为“极限承载 力 ；或者通过相对沉降来确定复合地基极限承载力，通过安全系数来确 定复合地基承载力的标准值。 通过静载试验p s 曲线来确定搅拌桩地基承载力，有比例极限法、二 倍沉降增量法、切线交会法、斜率法、实测法、相对沉降法等。 徐新跃【2 7 1 通过现场静载荷试验，分析得到：水泥搅拌桩单桩及单桩 复合地基的荷载一沉降曲线总体上属于陡降型，其破坏特征点十分明显。 其承载力可以通过荷载沉降曲线的明显陡降起点所对应的荷载来确定。 杨顺安等【2 8 】提出了一种根据静载资料确定搅拌桩复合地基的新方法一回 弹法，主要是由曲线的回弹量确定地基土的弹性变形极限，并以压缩曲线 上沉降量与试验回弹量相同点所对应的压力值作为地基容许承载力。张建 新等【2 9 l 认为复合地基的桩或土破坏顺序不同，桩的长短不一及桩间土性 质不同，可表现为不同类型的载荷试验p s 曲线，应结合具体的桩土条件， 采用合适的承载力确定方法。在分析大量试验资料及在实践经验基础上， 建议采用相对沉降法和回弹法来确定水泥搅拌桩复合地基承载力。 当荷载一沉降曲线是平缓的光滑曲线时，按规范p u j 可取相对沉降值 等于0 0 0 6 所对应的荷载作为承载力特征值。叶观宝等【3 l 】通过对1 4 5 m 长 的水泥搅拌桩单桩、单桩复合地基以及多桩复合地基载荷试验结果进行对 比研究，认为：评价水泥搅拌桩复合地基承载力时，应尽量以加荷至破坏 的荷载一沉降曲线为依据；当未加荷至破坏而采用相对沉降值作为承载力 判断依据时，不可盲目地采用规范上的相对沉降值0 0 0 6 ，而应该根据地 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 方经验以及工程实际情况，选择合适的相对沉降值。 ( 3 ) 承载力的影响因素研究 影响水泥搅拌桩复合地基承载力的因素有很多，包括桩长、桩身强度、 置换率、褥垫层、群桩效应等。 林琼【3 2 】通过室内模型试验，研究了各因素水泥搅拌桩复合地基的承 载力的影响。当水泥掺入量口i ，1 0 时，复合地基承载力与桩长无关， 呈现柔性桩的特性；当水泥掺入量口w ，2 0 后，复合地基承载力随桩长的 增加而增加。 费勤发等【3 3 】采用弹性无限半空间体内的m i n d l i n 应力解和分层总和 法，计算分析了柔性桩的荷载传递规律，较详细地讨论了桩长、水泥掺入 量对搅拌桩复合地基承载力的影响。研究表明，对水泥掺入量酽1 5 的 情况，桩长在7 m 以内时，复合地基承载力随桩长的提高最快。而当桩长 大于1 2 m 时，承载力随桩长的提高不明显。掺入量增加，桩体压缩模量 增大，复合地基承载力也相应增加。当掺入量a w 1 5 时，增长幅度减小。适宜的水泥 掺入量应为1 5 左右。 马海龙，陈云敏【3 4 】通过对水泥搅拌桩单桩、四桩、九桩复合地基进 行了系统的试验研究，结果表明随着桩长的增加，桩长对承载力的影响越 来越小，当达到一定长度后，再增加桩长就不能显著地提高复合地基的承 载力。对四桩和九桩复合地基而言，显著提高承载力的桩长约为1 2 d ( d 为桩直径) 。同时，增大置换率是提高复合地基承载力的有效途径。对四 桩和九桩复合地基，总体上，当置换率1 3 6 ，置换率每增大5 ，承载 力约提高1 5 左右。 王长祥等【3 5 】根据温州某工程水泥搅拌桩复合地基设计资料、现场载 荷试验资料进行了分析，结果表明，当水泥搅拌桩较长时，水泥搅拌桩的 上部桩身( 1 3 1 2 长度) 强度对承载力影响较大；而水泥搅拌桩的强度的均 匀性( 搅拌的均匀性) 又是最为关键的，施工机械的自动控制水平和质量保 证措施很重要。郑刚【3 6 】通过模型试验研究结合轴对称有限元一无穷元耦 合分析，也认为如能提高水泥搅拌桩桩身强度，将能大幅度提高单桩承载 力。另外，研究结果表明，超长水泥搅拌桩单桩极限承载力首先由桩身材 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 料强度控制1 2 引。 关于褥垫层对搅拌桩复合地基承载力的影响，各研究者有不同的观 点。张晓军等【3 7 】考虑了垫层对搅拌桩复合地基承载力的影响，认为带垫 层的复合地基载荷试验与不带垫层的复合地基载荷试验结果相差很大，约 4 0 。而且，带垫层的复合地基载荷试验结果与规范公式计算值符合更好， 因而建议在复合地基载荷试验中铺设垫层。垫层对桩间土承载力也有增强 作用，可以用承载力增强系数夕来考虑，夕约在1 4 3 左右。郑刚等【3 8 】则 认为垫层的作用是辨证的。垫层对复合地基承载力和沉降的影响与桩间土 承载力高低、水泥土桩承载力的高低、垫层的厚度以及垫层的密实度等有 关，不能简单地认为垫层对提高复合地基承载力和减少沉降变形一定是有 利的。进一步研究后发现，厚褥垫层没有改变单桩复合地基破坏模式，对 复合地基极限承载力及其对应的沉降几乎没有影响【3 9 1 。 马海龙还考虑了群桩效应对承载力的影响【4 0 1 。试验结果显示：桩数 由l 增加到4 ，其承载力的下降系数约为o 8 3 5 ；桩数由4 增加到9 时， 其承载力的下降系数约为0 9 3 4 。即表明群桩承载力小于单桩承载力之和。 这与一般认为的群桩中的单桩承载力要比单桩大的观点相矛盾，因而结论 还有待进一步试验验证。 ( 4 ) 荷载传递机理研究 到目前为止，已经有不少学者对水泥搅拌桩复合地基的荷载传递机理 进行了研究。 马海龙等【4 l 】运用弹性半空间无限体的m i n d l i n 解答和浅基础的分层 总和法，桩土间滑动采用刚塑性模型，分析了柔性桩的荷载传递规律。结 果显示，柔性桩的荷载传递深度受桩土相对刚度k 的控制，k 越大，传 递深度也越大；桩身应力和桩侧摩阻力主要集中在有效桩长范围内；桩土 应力比随荷载增加而减小，接近极限荷载时，n 趋于稳定。 通过现场实测出桩身应力、应变沿深度的分布是研究水泥搅拌桩荷载 传递机理的有效手段。叶观宝等【4 2 】在1 2 4 m 单桩和复合地基的载荷试验 中实测了桩身应力分布，认为水泥搅拌桩单桩桩身主要受力段位于桩顶 2 3 倍直径( 4 - - , 5 m ) 范围内，复合地基中桩身主要受力段位于桩顶上部。对 于超过l o m 的桩，其下部受力很小，主要起减小地基沉降的作用。由于 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 钢筋应力计的弹性模量远比水泥土大，测量时会使应力向钢筋集中，使结 果偏离实际。段继伟等【4 3 悃弹性模量较小的塑料管代替钢筋，在塑料管 侧壁贴上应变片，做成类似钢筋计的“传感器 来测定水泥搅拌桩的桩身 应力。研究结果显示，传到桩端的荷载占桩项荷载的比例甚小，桩体的变 形、轴力和侧摩阻力主要集中在0 也c ( 有效桩长) 深度内；当外荷增大时， 会使0 l c 深度内桩体的变形增大，但当深度大于厶时，桩体变形、桩身 轴力和侧摩阻力随外荷的增大变化均较小。 吴雄志【删将克拉夫一邓肯模型作为传递函数，对水泥土桩荷载传递 规律及有效桩长进行了研究，描述了桩周摩阻力的分布及发展规律，并详 细讨论了有效桩长的确定标准及桩身弹性模量岛、外摩擦角万、参数k l 、 容许沉降量品等因素对有效桩长的影响。 郑刚等【4 5 】通过模型试验证明了水泥土一土接触面类似刚性桩的性 质。结合轴对称有限元无穷元耦合的分析结果表明，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。 水泥搅拌桩单桩荷载传递规律与实际工程中的群桩复合地基传递规 律有着明显的差异。钱建固等【4 6 】根据软土地基某大型油罐水泥土复合地 基的监测成果，分析了水泥搅拌桩群桩复合地基竖向应力传递的规律性及 其传递机理，认为由于软土抗剪强度低，当基础的整体刚度较大时，群桩 与桩间土形成一个实体，当上覆荷载达到某一临界水平后，实体与侧壁土 体将产生剪切破坏。 1 3 本文研究目标及研究内容 1 3 1 研究目标 以胶济客运专线青州段( d k k 2 2 5 + 9 5 0 - d k k 2 3 8 + 8 9 0 ) 为依托，在现场 试验和数值模拟对比的基础上，论证水泥土搅拌桩复合地基的承载特性及 承载力的可靠性。 1 3 2 研究内容 水泥土搅拌桩虽然已经广泛应用于实际工程中的地基处理，但是其应 用也存在不少问题函待解决。本文在总结国内外研究经验的基础上，拟完 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 成以下内容： ( 1 ) 现场试验研究能客观地反映水泥土搅拌桩复合地基的加固效果 及工作机理，本文在前人的理论研究基础上，并结合胶济客运专线 d 豳q 2 5 + 9 5 0 【k 2 3 8 + 8 9 0 段中水泥土搅拌桩加固段进行的现场试验， 总结出水泥土搅拌桩复合地基的加固机理、承载特性及变形机理。 ( 2 ) 依托本实际工程实例，利用f l a c 3 d 软件对水泥土搅拌桩单桩复 合地基的承载特性进行数值模拟，论证水泥土搅拌桩单桩复合地基的承载 特性及承载力的可靠性，并在此基础上对水泥土搅拌桩多桩复合地基的承 载特性进行研究，论证了水泥土搅拌桩多桩复合地基承载特性随着影响因 素变化而变化的规律。 ( 3 ) 总结出桩土应力比的三种计算分析方法，依托本实际工程实例计 算表明三种方法有一定的可行性，但都有其优缺点。为以后类似工程地基 处理提供有益的参考。 1 4 本文研究思路及技术路线与研究方法 1 4 1 研究思路 由于岩土工程问题影响因素众多，情况复杂，所以要强调深入分析。 分析分为定性分析和定量分析。而定性分析要克服纯经验和片面主观，应 当加重定量分析的成分。将多元化的设计参数( 诸如桩土应力比、桩间距 等) 合理匹配，在定性分析的前提下，尽量进行定量分析。将工程概念上 升为物理概念，再上升为数学概念，在原位测试点基础上，进行试验数据 的整理，找出物理上的规律，建立数学模型，进而进行理论分析，提出对 水泥土搅拌桩复合地基普遍适用的分析模式。 1 4 2 研究方法 采用资料调研、工程试验研究、数值分析计算等多种方法相结合的研 究手段，开展本文的研究。 1 4 3 技术路线 根据研究工作的基本思路，本论文研究工作的技术路线如图1 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 水泥土搅拌桩复合地基加固技术基本原理 上 工程地质条件l - l 地形地貌及气象地层岩性水文地质特征黄土质粉质黏土特殊性 i 现场试验分析 f 数值模拟分析 上 上 单桩复合地基模拟分析群桩复合地基模拟分析 上 水泥土搅拌桩复合地基承载理论分析 上j r上 承载机理破坏模式桩土应力比理论研究 ili 试验法数值法解析法 上 结论 图1 1 本论文研究工作的技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章水泥土搅拌桩地基加固技术基本原理 2 1 水泥土的加固机理 水泥加固土的强度主要来源于两部分：一是水泥本身的水化物的胶结 作用；一是水泥水化时产生的c a ( o i - i ) 2 与土中活性物质之间的硬凝反应所 产生的水化物的胶结作用。其中前者构成水泥加固土强度的主要部分。在 以土为介质的特定环境中，水泥的水化及水化物的生成有其特殊性，即使 拌入相同的水泥量，但不同的土质所得到的水泥加固土的强度却有所不 同，而且相差甚远。 当土质为砂土时，水泥与砂混合后类似于由无机胶凝材料、细骨料和 水组成的水泥砂浆。它与混凝土的情况基本相同，只是没有粗骨料而已。 可以认为，它是细骨料的混凝土。因此，水泥与砂质土的强度形成机理， 可以借助于混凝土的强度理论来解释，显然亦能得到较高的强度。 当土质为粘性土或软土时，水泥与土混合后的强度形成机制则有所不 同，它不仅有水泥本身的水化物的胶结作用，而且有水泥水化时产生的 c a ( o n h 与土中活性物质之间的硬凝反应所产生的水化物的胶结作用。水 泥加固土主要产生以下反应： 1 水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二 铁及三氧化硫等组成，由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水发生水解和水化反应，生成氢 氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。 各自的反应过程如下： ( 1 ) 硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) ：在水泥中含量最高( 约占全重的5 0 左右) ， 是决定强度的主要因素。 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 - - - 3 c a o 2 s 1 0 2 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 ( 2 ) 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) ：在水泥中的含量较高( 约占2 5 左右) ，它 主要产生后期强度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 h 2 0 3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + c a ( o i - i ) 2 ( 3 ) 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ) ：占水泥重量的1 0 左右，水化速度最快， 能促进早期凝固。 3 c a o a 1 2 0 3 + 6 h 2 0 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 ( 4 ) 铁铝酸四钙( 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 1 3 ) - 占水泥重量的1 0 左右，能 促进早期强度的增长。 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 + 2 c a ( o i - t h + 10 h 2 0 一 3 c a 0 a 1 2 0 3 6 h 2 0 + 3 c a o f e 2 0 3 6 h 2 0 木 姗 键 由r 晕 * 0 曼 v 憾 疆 幽 塔 臣 暮 限 水化时间t ( 小时) ( 口) 水化速度 龄期( d ) ( 6 ) 水化强度 图2 1 水泥中四种主要矿物的水化速度和水化强度 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 上述反应过程中所产生成的氢氧化钙、水化硅酸钙能迅速溶于水中， 使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生作用，这样周围的水溶液就逐 渐达到饱和，当溶液达到饱和后，水分子虽然能继续深入颗粒内部，但新 生成物已经不能再溶解，只能以细粒分散状态的胶体析出，悬浮于溶液之 中，形成胶体。水泥中四种主要矿物的水化速度和水化强度如图2 1 所示。 ( 5 ) 硫酸钙( c a s 0 4 ) ：这种物质在水泥中仅占总重量的3 左右，但它 与铝酸三钙一起与水发生反应生成一种针状结晶物质，称为水泥杆菌。 3 c a s 0 4 + 3 c a o a 1 2 0 3 + 3 2 h 2 0 - - - 3 c a o a 1 2 0 3 3 c as 0 4 3 2 h 2 0 根据电子显微镜的观察，水泥杆菌最初是以针状结晶物形式在短时间 内析出，其生成的数量随水泥掺入量的多少和龄期的长短而异。由x 射 线衍射分析可知，这种反应迅速，反应结果把大量的自由水以结晶水的形 式固定下来，这对于高含水量的软粘土的强度增长有特殊意义，使土中自 由水的减少量约为水泥杆菌生成重量的4 6 。当然，硫酸钙的掺量不能 太多，否则这种由3 2 个水分子固化形成的水泥杆菌针状结晶会使水泥土 发生膨胀而破坏。所以使用合适，在深层搅拌法这样一种特定的条件下可 利用这种膨胀势来增加地基加固效果。 2 粘土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的多种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架， 有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。 ( 1 ) 离子交换和团粒化作用 软粘土作为一个多相散布系，当它和水结合时就表现出一种胶体特 殊，粘土土粒在天然状态下带有负电荷，土粒为阳离子层所包围，形成胶 体微粒，如土中含量最多的s i 0 2 遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带 有n a + 或k + ，它们能和水泥水化生成的钙离子c a 2 + 进行当量吸附交换， 使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高。 水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒大1 0 0 0 倍，因 而产生很大的表面积能，有强大的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结 合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的 联结，从宏观上来看，也就是使水泥土的强度大大的提高。 ( 2 ) 凝硬反应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的c a 2 + ，当其数量超过 离子交换的需要量后，则在碱性环境中，能使组成粘土矿物的s i 0 2 和 a 1 2 0 3 的一部分或大部分与c a 2 + 进行化学反应，随着反应的深入，逐渐生 成不溶于水的稳定的结晶化合物，增大了水泥土的强度： s i 0 2 ( a 1 2 0 3 ) + c a ( o h h + n h 2 0 一c a o s i 0 2 ( n + 1 ) h 2 0 ( c a o a 1 2 0 3 ”1 ) h 2 0 ) 这些新生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强 度，而且由于其结构比较致密，水分不易渗入，从而使水泥土具有足够的 水稳定性。 从扫描电子显微镜观察可见，天然软土的各种原生矿物颗粒间无任何 有机的联系，且孔隙很多，拌入水泥7 d 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；一个月后，水泥土中生成大量纤维 状结晶，并不断向外延伸充填到颗粒间的孔隙中，形成网状构造；到五个 月时，纤维状结晶辐射向外伸展，产生分叉，并相互连结形成具有一定强 度的空间网状结构，水泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来。 3 碳酸化作用 水泥水化物中游离的c a ( o h ) 2 能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生 碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙： c a ( o h ) 2 + c 0