（岩土工程专业论文）排水粉喷桩（2d工法）加固软土地基原理与应用研究.pdf

摘要 复合地基技术在软土地基处理上已有着大量的应用研究，不同的处理技术适用于不同的条件。 现公路软基处理中最为常用的是粉喷桩复合地基，该法对于工期紧、软土性质较差的地基有着较理 想的处理效果。但是粉喷桩在处理软土地基中常出现一些问题。( 1 ) 由于粉喷桩桩间距较小( 通常为 1 1 l 1 5 m ) ，因此软基的处理费用较高；( 2 ) 处理深度一般不能大于1 5 m ；( 3 ) 粉喷桩在处理地基时如 存在临空面时。粉喷桩施工会引起边坡失稳；( 4 ) 在已有构筑物附近施工，会引起地面开裂，构筑 物受损等现象：( 5 ) 施工完后的粉喷桩会突然下沉等。分析认为山现这些问题不是偶然的，都与粉 喷桩施工时产生的一种短时侧向压力有关，导致周围孔隙水压力增加，这种短时侧向压力主要来源 于：( 1 ) 粉喷桩施工时的压缩空气对周围土体施加的侧向压力；( 2 ) 搅拌叶片搅拌时对周围土体施 加的剪切力。这种侧向压力至今未被人们深刻认识和利用，本文于是为解决以上的问题，提出将粉 喷桩与排水同结法有机地结合起来，成为一种全新的软土地基处理技术排水粉喷桩复合地基工 法( 简称2 d 工法) 。该工法在喷粉压力及搅拌剪切力的作用下，利用竖向排水体的排水作用，使粉 喷桩施工过程的超孔隙水压力能迅速消散，加速了桩周土体的固结，提高了桩周十体的强度。同时 由于施工过程的劈裂以及竖向排水体的排水作用，使粉喷桩成桩过程桩体搅拌均匀，桩身质量特别 是深部的桩身质量得到保证。 本文在现场试验的基础上对2 d 工法的加固机理和设计计算方法进行了系统研究，取得了主 要成果如下： ( 1 ) 首先回顾了国内外关于粉喷桩复合地基、竖向排水体在加固软土地基方面的研究成果，对 粉喷桩的主要研究成果进行了分析，同时也就竖向排水体的固结研究特性、加载固结特性等研究成 果进行了详细的评述。系统分析了圆柱扩张理论在岩土工程中的应用，对利用圆柱扩张理论分析预 制桩打桩过程以及粉喷桩施工过程的研究成果进行了评价。 ( 2 ) 结合前人研究的成果，对粉喷桩施工过程提出了分析理论模型，运用圆柱扩张理论，在考 虑喷粉压力、环向剪切力以及深度变化的情况下，求解出粉喷桩施工过程桩周土体应力场的分布规 律、桩周土体的应力增量以及塑性区的范围表达式；同时利用s k e m d t o n 孔隙水压力公式，得到了粉 喷桩施工过程桩周土体超静孔隙水压力的消散规律。从理论上解释了2 d 工法中桩问土强度提高的 原理。 ( 3 ) 为更准确求解侧向喷粉压力对桩周土体的作用，结合相关的研究成果，分析了侧向喷粉压 力由灰罐到作用于桩周土体这一过程喷粉压力衰减计算表达式。 ， ( 4 ) 由于粉喷桩施工时侧向喷粉压力作用于桩周土体是一个动态的过程，当施工结束后，侧向 喷粉压力也随即消失。针对2 d 工法的特点，采用等效水头，根据自由井的理论，求解出了等效水 头作用下，桩周土体超静孔隙水压力的消散规律。 ( 5 ) 粉喷桩在施工过程中对桩周土体的作用力是一种气压力，在该气压力的作用下，桩周土体 会产生一种劈裂现象，称之为气压劈裂，在提出气压劈裂的概念后，对产生气压劈裂作用的劈裂气 压力进行了分析研究，给出发生气压劈裂的准则，研究气压劈裂的范围的表达式。利用2 d 工法现 场实测数据，对桩间土渗透系数施工前后的变化进行了分析。同时还就2 d 工法施工对桩身质量影 响进行了定性分析。 ( 6 ) 利用粉喷桩模型机，在室内模拟2 d 工法的施工过程，验证了2 d 工法施工过程喷粉压力 对桩问土体会产生气压劈裂作用。 ( 7 ) 通过现场试验，分析了2 d 工法与常规粉喷桩单桩以及群桩施工对桩周土体以及桩身质量 的影响。在2 d 工法及常规粉喷桩试验段，分别在现场进行了静力触探试验、十字板剪切试验、粉 喷桩桩身标准贯入试验、芯样的无侧限抗压试验以及对施工过程桩周土体超静孔隙水压力的现场观 测，试验测试结果充分说明2 dt 法复合加岗软土地基比运用常规粉喷桩加固对桩周土体的蒯结、 摘要 粉喷桩桩身质量更有效，同时也验证理论分析结果。采用数值计算，对粉喷桩的施工过程进行简化， 模拟了粉喷桩的施工过程，并把模拟结果与现场观测结果进行对比分析。 ( 8 ) 通过对2 d 工法复合地基的承载力现场试验以及沉降监测，并与相近段落的常规粉喷桩复 合地基的承载力及沉降量进行对比。结果表明，2 d 工法能更有效对软土地基进行加固处理。 ( 9 ) 对2 d 工法复合地基承载力及沉降计算进行了分析，提出了适合于2 d 工法复合地基承载 力及沉降计算的方法，为该方法的推广应用提供了指导。 关键词：排水粉喷桩；粉喷桩；圆柱扩张理论；气压劈裂；竖向排水体；等效水头；复合地基 数值模拟；超静孔隙水压力。 i i ，s t r a c t a b s t r a c t t h e 印p l i c a t i o n so ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t j o nt e c h n o i o g yt oi m p r o v et h es o f t s o i lw t hv e r s a t i l e t e c h n o l o g ya 出【p t e dt od i f i b r e n tg e o t e c h n i c a lc o n d i t i o n sh a v eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l mt h ed r yj e tm i x i n g c o l u m n ( d j m )i so n eo ft h em e 1 0 d su s e dw i d e l vi n “e a t e dt i l es o f t s o i l sd u r i n 2t h ec o n s t m c 廿o no f e x p r e s sw a yc o n s t m c t i o no fw h i c hi se s p e c i a l l yf i n e dt h ec o n s 廿u c t i o nw “hu 唱e n tp r o j e c to r1 0 ws 仃e n g t h o fs o f ts o i l h o w e v e ld j mi n s t a l l a t i o no f e ne n c o u n t e r sf 0 1 1 0 w i n gp m b l e m s ，f o rj n s t a n c e ：( 1 ) t h ed j m c o n s t n l c t i o ni sr e l a t i v e l yc o s t i ym e t h o df o rs o f t 掣o u n di m p r o v e m e md u et oa d a p t a t i o no fr e l a t i v e l ys m a l l c 0 1 u m nd i s t a i l c e ( 1 1 m 1 5 m ) ( 2 ) t h ei m p m v e dd e p t hi sl j m i t e dt ob e i n gl e s s m a 工11 5 m ( 3 ) d j m c o n s t n l c t i o nm a yi n d u c es j o p ef a 订u r e ( 4 ) d j mc o n s t n l c t i o nm a yd a m a g es u r r o u n d 工n gs n l j c t u r e s ( 5 ) t h e 【”mc 0 1 u m n sm a ys u d d e n l yd r o pi n t ot 1 1 eg r o u n da f t e rm ec o n s 加j c t i o n i nf a c t ，t h e s ep h e n o m e n aa r en o t o c c a s o n a lw h i c hi sr e j a 右ef 0t h ej n s t a n t a n e o u sl a t e r lp r e s s u r ed u r f n gi n s t a a 廿o na n di n d u c e st oc h ee x c e s s p o r ew a t e rp r e s s u r ei n 廿l es u r i d u n d i n gs o i li n c r e a s i n g t h ei n s t a n t a n e o u sl a t e r a lp r e s s u r ei sd e r i v e df r o m t h ea i rc o m p r e s s e dd u r i n gi i l s t a l l a t i o no fd j ma i 】dt h ev a n es h e a r i n gf o rt 1 1 e s u r r o l m d i n gs o i l - i ti st h e 1 a t e r a lp r e s s u r et h a th a v en o tb e e nd e e p l yk n o w na f l du t i l i z e da sy e ti no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，an e w m e m o dt 1 1 a tc o m b i l l e st t l et 、v oi n d e p e n d e n tt e c h n i q u e so fd j ma n dv e r t i c a ld m i nm e t h o d d r a i n sa 工l d d r yj e tm i x i n gc o l u m n ( 2 dm e t h o d ) i sp r e s e n t e d t h e2 dm e t h o du t i l i z et h el a t e r a lp r e s s u r ea i l ds h e a r s t r e s sa sap o w e r f h lw a yo fa c c e l e r a t i n gt h ec o n s o l i d a t i o no fs u r r o u n d i n gc l a y st t l r o u g h 山ev e r t i c a ld r a i n ， c o n s o q u e n t l ye f f e c t i v e l yi 1 1 c r e a s i n gm es 订e n 百ho fs u r r o u n d i n gc l a y s o nt h e0 t h e rh a n d ，t h e 丘a c t u ：一n g c a u s e db ye x c e s sp o r ep r e s s u r ea 1 1 dd r a j na c t i o no f v en i c a ld r a j n sc a ni nt l i mm a l ( et h ei n s t a l l a t i o no fd j m c 0 1 u m n sm o r ee a s i l y ，e s p e c ja 1 1 yi nd e e p e rl a y e r s ，e n a b l i n gt h em i x i n go fc o lu 1 t l n sm o r eh o m o g e n e o u s i y ， c o n s e q u e n t l yi n c r e a s i n gt h ei n - s i t us 乜n g 血o f c e m e m - m i x e d c o l u m n s b a s eo nt h ef l e l dt e s t s ，t h er e i n f o r c e dm e c h a n j s ma n dt h ed e s 培nc o m p u n gm e t h o da r ea n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l ys o m er e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e da sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) b a s e do nm er e v i e wo ft 1 1 er e s e a r c ha c h i e v e m e n ta b o u tt h et 、v oi m p m v i n gm e t h o d so fv e n i c a l d r a i n sa i l dm ed r yi e tm i x i n g ，t h ec o n s 0 1 i d a t i o na n dr e j n f o r c e m e n tc h 啪c t e “s t i co ft h ev en l c a ld r a i n sa r e c o m m e n t a t e di nd e t a i la tt l l es a n l et i m et h em a mr e s e a r c h m gr e s u n so ft h ed i yj e tm i x i n ga r e 卸a l y z e d t h ea p p l i c a t i o n so fc a v 时e x p a i l s i v 时t h e o r yi n 血eg e o t e c h n i q u ee n g i n e e r i n ga r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l 斗 t h er e s e a r c h i n gr e s u l t sf o ra n a l y z i n gl h ep r o c e s so f d r i v i n gp r e f 曲r i c a t i n gp i l eb yc a v i t ye x p a l l s i v 崎t 1 1 e o r y a r ec o m m e n t a t e d ( 2 ) t h ec o n s t m c i i o np m c e s so ft h e2 dm e t h o di sp r e s e n t e db yt l l ec a v i t ye x p a n s i v 时t h e o 攀t h e s t r e s si n c f e m e n te x p r e s s i o nu n d e rt h el a t e r a lp r e s s u r ea n ds h e a rs t r e s sd u r i n gi n s t a l l a t i o no fd j ma i l dt h e r a n g eo fp l a s t i c 柚dt 1 1 er u l e so ft h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ea r ep r e s e n t e d b a s eo n 血es k e m p t o n e x p r e s s i o n ，t h ed i s a p p e a rr u l e so ft h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei sp u tf o r 、a r dd u r i n gt h ei i l s t a l l a t i o n w h i c hh a sm e o r e n c a l l ye x p 】a j n e dh o wt oj m p r o v et h es 雠n g t ho f s u r r o u n d i n gs o 钉f o rl h e2 dm e t h o d ( 3 ) i no r d e rt ou n d e r s t a l l dt h ea c t i o no ft l l el a t e m lj e tp r e s s u r ef o rt h es u r m u n d i n gc l a y 如l ly 血e e x p r e s s i o no f 血e p r e s s u r ea n e n u a t i o n f 硇m t l l ea s h j a r t o t h e p i l eb o r d e ra r ea c q u i r e d ( 4 ) d u r i n gi n s t a l l a t i o no ft h ed j m ，t h el a t e r a lj e tp r e s s u r ei s ad y n a m i cp m c e s s t h e1 a t e r a lj e t p r e s s u r ed i s 印p e a r sw h e nm ec o n s t r u c t i o nj so v e rt h ee q u i v a l e n tw a t e rh e a di sp u tf o n v a r do nt h eb a s i so f m ea n a i y s i so f “sc h a r a c t e r i s t i c s t h ed i s s i p a t i o nd i s c i p l i n a r i a l lo f 血ee x c e s s p o r ew a t e rp r e s s u r ei s a c q u i r e du n d e r 廿1 ea c l i o no f e q u i v a l e n tw a t e rh e a db yt h e 丹e ew e l lt h e o r y ( 5 ) ni sa 1 1a i rp r e s s u r ed u r i n gi n s 伽l a t i o no fd j mt h a ta c t so nt 1 1 es u r r o u n d i n gc l a yt h e 疔a c t u r e a c t i o n st h a tt h ea i rp r e s s u r eh a so p e r a t e dt h es u r r o u n d i n gc l a ya r ea n a l y z e d t h ec o n c 印t i o no f 血ea i r 丘丑c t u r ea n dm er u l eo f g e n e r a t i n ga i r 劬c t l i r ea r ep r e s e m e d t h ec h a r 】g eo f p e n n e a b i l i t yi ns u r r o u n d i n gs o 订 a b s 仃a c t i sa n a l y z e db e f o r ea n da r e rc o n s t m c t i o no f2 dm e t h o db yt h et e s t i n gd a t l l m t h ei n n u e n c ef o rt h eq u a l “y o fc o l u m nd u r i n gi n s 诅1 1 a t i 帅o f 2 dm e 血o di sq u a l j t a t i v ea n a l y s i s ( 6 ) t h op r o c e s so f t h e2 dm e t h o dc o n s t m c t i o ni ss i m u l a t e db yt h em o d e lm a c h i n eo f d j m t h et e s t i n 窟 r e s u l t sv a l i d a t et h a ta i rf r a c t u r ed u r i n gt 1 1 ei i l s t a l l a t i o no f 2 dm e t h o dw i l lh a p 口e n ( 7 ) t h ea 丘b c t i o nf o r c h es u r r o u n d j n gc l a yd u r i n gi n s t a l l a n o no ft h e2 dm e t h o da n dt h ed j m 盯e a 眦1 y z e db yt h en e l dt e s t s t h ec p t t h ev a n es h e a r i n gt e s t ，s p ta n du n c o n 行n e dc o m p r e s s i o nt e s ta r e c a 州e do u t m e 锄w h i l e ，t l l ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ed u r i n gi n s t a l l a t i o ni sm o n i t o r e di nt h ef i e i dt e s 廿n g s e c t i o n st h et e s t i n gr e s u l t sj n d j c a t em a tt h e2 dm e t h o di sm o r ee 脏c t i v et h a nt h ed j mi nr e i n f o r c i n g s u r r o u n d i n gc l a ya 1 1 dt h eq u a l i t yo f 血ep i l eb o d y t h et h e o r e t i c a ls 0 1 u t i o n sm e n t i o n e da b o v ea r ev a l i d a t e d b yt 1 1 e s er e s u l t s t h ei n s t a l l a t i o no fd j mi sp r e d i g e s t c db yt h en 啪e r i c a lc a l c u l a t i o n t h ei n s t a l l a t i o ni s s i m u l a t e da n d 血es j m u l a t e dr e s u l t sa r ec o m d a r e dw t ht h ef i e l do b s e r v a t i o n ( 8 ) t h en e l dt e s t i n gr e s u l t st h a tt h eb e a r i n gc 印a c i t yt e s t i n ga n dt h es e t n e m e n tm o n i t or i n gi n d i c a t et h a t t h e2 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东南大学学位论文使甩授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，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，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生魏辫锄签名挫日期：川。 第一章国内外研究现状 第一章国内外研究现状 自1 9 9 0 年以来，我国高速公路建设进入了一个飞快的发展时期，有一大批高速公路相继建成并通车， 如沪宁、沪杭、杭涌、京福、京沈、宁杭、宁连、连徐、汾灌、济青等高速公路。2 0 0 3 年全国交通基础设 旌建设投资又至一个新的高度，高速公路通车总里程突破3 万公里，稳居世界第二位，我国的高速公路主 骨架更趋网络化。高速公路的建设。无疑加快了国民经济的发展，活跃了地方经济，改善了投资和旅游环 境，也为真正实现大的都市圈提供了很好的硬件支持。 沿海地区、l 炙江三角洲是我国经济较为繁华的地区，也是高速公路分布较为密集的地区。我国高速 公路通车总里程已突破3 万公里，到2 0 0 4 年年底，上海高速公路总里程将突破5 4 0 公里，广东、江苏两 省均已超过2 0 0 0 公里，浙江省也将突破1 0 0 0 公里。沿海地区均是以软土为主，其中上海、广州等地区以 三角洲相沉积软士为主，而连云港、宁波、天津等则以海相沉积软土为主。因此高速公路在沿海的建设不 可避免地会遇至0 软土地基问题。以江苏沿海的几条高速公路为例，连徐、连盐、沿江、通启等高速公路均 有大部分位于软弱地基上，占全线的5 0 以上。这些软弱地基往往不宜作为天然地基采用，很难满足高速 公路对地基变形和稳定性的要求，因此必须采用一定的地基处理方法来提高地基强度以及减小施工后沉降 晕。 1 1 复合地基处理技术 复合地基1 1 1 是指天然地基在地基处理过程中部分十体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置 加筋材料，加固区是由天然地基土体和增强体两部分组成的人工地基。不种的复合地基技术适用于 各种不良土层的处理，我国幅员辽阔，存在着各种各样的不良土层，如软土、膨胀土、液化砂土、 冻土等。随着我国经济的快速发展，对各种不良土层的处理技术得到了较快的发展，特别是沿海经 济高速发展地区。在交通量高速增加中，高速公路的修建也变得更为重要，在沿海地区的高速公路 修建中遇到的软土问题成了工程中不得不面对的难题，而复合地基处理方法是高速公路软基处理中 最为常用的处理方法。在近十年高速公路的快速发展中，复合地基处理技术也是处于一个不断完善、 不断改进的研究过程中。 目前高速公路软土地基处理的主要方法有：排水固结法、强夯法、振冲密实法、爆破挤密法、 土桩、灰土桩法、石灰桩法、深层搅拌法、振冲置换法、沉管碎石桩法、强夯置换法、e p s 超轻质 料填土法、加筋土法等等川【2 】 3 】o 常用处理方法如图1 1 所示。 r 排水固结( 堆载预压法) 厂土质改良 强夯法 l 其他方法 地基处理 h ；a 为综台影响系数。 唐世栋“6 1 n ”1 在现场对单桩以及群桩沉桩过程桩周土体超静7 l 压的分布情况进行了详细的观测 及分析：观测结果认为深层土中的孔压最大值可达有效上覆压力的1 4 倍，在桩群以外，孔隙水压 东南大学博士学位论文 力随距离呈线形衰减，影响范围大约为1 5 倍桩长。图1 2 为唐世栋现场观测的结果。 董 导 6 0 4 0 2 0 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 u 9 u 6 u 2 只= c c o s 妒+ k o ，z ( 1 + s i n 妒) ( 1 1 3 ) 以及弹塑性医的应力场和内压力与塑性区半径的关系式，并同时还由s k e m p t o n 的应力变化引 起的超孔隙水压力公式。 沈水龙“q i2 0 l 1 ( 2 0 0 2 ) 将粉喷桩施工对周围土体的作用力简化为一个侧向力( 喷粉压力) 和 一个环向力( 钻头搅拌时产生的剪切力) ，超孔隙水压力可用土体的不排水抗剪强度、喷粉压力和孔 隙水压力系数来表达，并证明了搅拌叶片产生的环向力对超孔压的产生影响很大。其理论推导也是 建立在弹塑性理论和圆柱扩张理论之上的，不同之处在于他考虑了环向力的影响。 沈水龙根据圆柱扩张理论，在圆柱扩张理论的基础上推导出了浆喷桩在施工过程中桩间土在喷 浆压力的作用下，桩周土体戍力应变求解公式，并由应力增量推导出桩周土体超孔隙水压力表达式： 一， r 一 垒兰：竺一2 巳1 n 二一l n i 三立i b 。+ o 8 1 6 口，r 1 1 4 ) c 。 c w 洲 r 。l l + 日hj “ 。 沈水龙对浆喷桩施工过程的模型研究也是把它当作平面应变问题来解决，它没法修正平面圆柱 扩张中没有考虑竖向超孔隙水压力的变化情况，只能考虑在平面内径向超孔隙水压力的变化。 蒋明镜、沈珠江【1 ”j 【“”( 1 9 9 6 ) 用应力一次跌落应变软化模型来模拟岩土软化材料特性，采用 双剪统一强度理论的屈服函数形式，推导了柱形孔扩张问题应力场及位移场的统一计算公式，分析 了不同模型、不同软化程度对柱形孔扩张时应力、位移及塑性区开展规律的影响。 圆柱孔扩张理在岩土工程中的应用成果较多，可以总结为以下j l 个方面： 研究沉桩过程的挤土效应，即桩周围土体的应力应变状态的变化，估算打桩应力； 估算桩周土体超孔隙水压力的变化，包括孔压的增长消散规律；孔压与距桩水平距离的关系； 孔压随深度的变化规律等； 研究基本都是将沉桩过程模拟为无限土体中一个圆柱形的平面应变轴对称扩张问题，在桩尖处 的变形假定为球形孔的扩张，桩身的变形假定为圆柱形孔的扩张。利用经典的弹塑性理论，计算桩 周土体塑性区半径大小、应力增量及超孔隙水压力；计算弹性区的应力增量和超孔隙水压力。 沈水龙首先把扩张理论运用在粉喷桩施工分析中，他将粉喷桩施工对周围土体的作用力简化为 一个侧向力( 喷粉压力) 和一个环向力( 钻头搅拌时产生的剪切力) ，超孔隙水压力可用土体的不排 水抗剪强度、浆喷压力和孔隙水压力系数来表达，并证明了搅拌叶片产生的环向力对超孔压的产生 影响很大。其理论推导也是建立在弹塑性理论和圆柱扩张理论之上的，不同之处在于他考虑了环向 力的影响。 1 2 第一章国内外研究现状 现有的理论虽然能求解二维和简化的三维计算，但大多情况下讨论的只是初始孔隙水压，而不 能很好地考虑其消散过程。运用圆柱扩张理论时也只考虑径向的孔隙水压力的变化，而没有考虑纵 向变化对孔隙水压力的影响。 1 5 排水粉喷桩复合地基工法提出 水泥土搅拌桩在高速公路软土地基处理中是使用最多的一种软基处理方法，多年的工程实践经验证明 具有如下的优点： ( i )施工简单、速度快、施工效率高。粉喷桩强度提高较快 提高强度等方面的工程。 ( 2 )与其它加同方法相比水泥粉喷桩施工时振动小、噪音低 工。 因此特别适用于工期紧或要求快速 可在市区内和密集建筑群中进行施 ( 3 ) 土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不会引起附加沉降。 但是，由于高速公路是线型工程，在大面积的软基处理中，粉喷桩的使用量相对来说也是相当 火的，因此软基的处理费用也是相当高。同时粉喷桩在处理软土地基中存在着一些问题： ( 1 ) 由于粉喷桩桩间距较小( 通常为1 1 m 1 5 m ) ，因此软基的处理费用较高； ( 2 )处理深度一般不大于1 5 m ； ( 3 ) 粉喷桩在处理地基时如存在临空面时，粉喷桩施工会引起边坡失稳： ( 4 ) 在已有构筑物附近施工，会引起地面开裂，构筑物受损等现象； ( 5 ) 施丁完后的粉喷桩会突然下沉等。 实际上这些现象不是偶然的，都与粉喷桩施工时产生的一种短时侧向压力有关，导致周围孔隙 水压力增加，这种短时侧向压力至今未被人们所认识和利用。国内外一些测试成果同时也表明，粉 喷桩施工时引起周围土体内部孔隙水压力升高是客观存在的，j o h a n s s o n ( 1 9 9 9 ) 曾报道在石灰桩施工 时，当气压为4 2 0 4 5 0 k p a 时，引起周围土体内部的最人孔隙水压力会达到静水压力的1 5 倍【l “j 。 v r i e n d ( 2 0 0 0 ) 曾测到在离粉喷桩55 m 处施工时的最大超静孔隙水压力达到1 3 0 k p a ，其最大影响距离 能达到1 4 m ”j ，这种现象的引起主要是由于： ( 1 ) 粉喷桩施工时的压缩空气对周围土体施加的侧向压力； ( 2 )搅拌叶片搅拌时对周围土体施加的剪切力。 于是为了解决以上的问题，刘松玉教授提出将粉喷桩与排水固结法有机地结合起来，利用竖向 排水体的排水作用，使粉喷桩施工过程的超孔隙水压力能迅速得以消散，从而使粉喷桩与竖向排水 体形成一个由多种加固方法相结合的复合地基。粉喷桩与竖向排水体的有机结合则形成一种全新的 软土地基处理技术排水粉喷桩复合地基法，也称之为2 d ( d m ma n dd 口m i ) 【i n gc 0 1 u m n ) 丁法( 该 工法已获得了国家发明专利( z l 0 3 1 5 2 8 5 4 6 ) ”“1 ) 。2 d 工法的提出，是考虑到粉喷桩及竖向排水体施工 过程中所出现的一些现象，为充分发挥各自的优点，同时把一些不利的因素转换为有利于软土固结的因素 来考虑，从而把粉喷桩与竖向排水体两种不同的软土地基处理工法相结合起来，更为有效对软十地基进行 加固。 根据所设想的思路，把粉喷桩与塑料排板联合处理软二r 地基，在保证路堤稳定e e 及工后沉降满足设计 要求的前提f ，将可以增大粉喷桩的桩间距，从而大大节省处理软土路基的费用。在今后的高速公路建设 中，还将会遇到大量的软软土路基的问题，因此该工法的成功应用以及其加同机理的研究，必将会对今后 软土地基的处理带来重大的突破，使软基处理的费用大大降低。 但作为一种全新的施工二| _ 艺，利用排水粉喷桩粉喷桩加同复合地基还未有任何研究，但它是粉喷桩与 竖向排水体二者的结合，因此分析粉喷桩与桩向排水体的研究现状对认识排水粉喷桩复合地基的性状是很 有帮助的。 东南大学博士学位论文 1 6 本文的研究思路及主要工作 1 6 1 本文主要研究思路 排水粉喷桩作为一种全新的施工艺，它把竖向排水体与粉喷桩两种不同加固软土地基机理方法结合起 来，其加固软土地基的主要特性以及加固的效果均是未有任何研究的，因此在本文的研究中，首先对其加 固软土地基的可行性进行分析该两种方法如何联合对软基加固起作用。粉喷桩旋工过程竖向排水体所 起到的作用、喷粉压力对桩周土体的扩张与劈裂作用等。 论文中采用了理论分析、现场试验、室内试验及数值模拟相结合的研究方法，具体如下： ( 1 ) 回顾了粉喷桩与竖向排水体在软土地基处理中的研究与应用现状，对粉喷桩与竖向排水体两种工法 相结合的可行性进行了探讨；同时对圆柱孔扩张理论在岩土工程中的应用也作了分析，对圆柱扩张 理论在粉喷桩施工中的应用进行了分析。 ( 2 ) 对粉喷桩与塑料排水板这一新型工法进行介绍，对2 d 工法的目的及意义进行评价。 ( 3 ) 利用圆柱扩张理论，在前人研究成果的基础上，对2 d 工法处理软土地基时，粉喷桩施工过程对桩 周土体的影响进行了理论分析；同时也分析了超静孔隙水压力的消散以及粉喷桩施工过程中的劈裂 可能性。 ( 4 ) 由现场试验的实测数据与由室内试验所得参数进行理论计算结果进行分析对比； ( 5 ) 运用数值模拟方法，对2 d 工法单桩施工过程以及复合地基填土过程进行数值模拟。 ( 6 ) 粉喷桩与竖向排水体联合处理的复合地基进行了载荷试验以及在填筑过程中进行各种观测，对处理 的效果进行了分析 ( 7 ) 分析现有的复合地基承载力及沉降计算方法，提出适合于2 d 工法的承载力及沉降计算方法。 1 6 2 本文主要工作 排水粉喷桩作为一种全新的地基处理技术，在理论和实践均不是很成熟，目前也未有任何的研 究成果，因此排水粉喷桩处理软土地基是否适用、新工法是否比传统的粉喷桩处理效果是否更具有 独特的优点等均都需要理论与试验上的验证。 本文以淮盐高速公路k 1 9 + 6 8 8 k 1 9 十7 9 8 排水粉喷桩试验段为依托，通过理论分析，并结合现 场试研究，从以下几个方面进行了研究和分析： 1 加固机理分析 f 1 ) 利用圆柱扩张理论，在考虑喷粉压力、环向剪切力以及围压的条件下，求解出粉喷桩施工过程 中桩周土体应力场分析布规律以及应力增量表达式。 ( 2 ) 在求解出桩周土体应力增量后，利用s k e i n p 呦孔隙水压力公式，求解出桩周土体超静孔隙水压 力随深度及距桩边距离变化的数值表达式。 ( 3 ) 对超静孔隙水压力的消散进行简化，把桩周土体中的竖向排水体简化为自由井，运用自由井理 论，推导超静孔隙水压力的消散规律。 ( 4 ) 通过对水力劈裂的分析，提出气压劈裂的概念，对气压劈裂的可能性进行了分析。分析粉喷桩 施工过程对桩周土体发生气压劈裂准则以及劈裂范围的计算公式。同时分析劈裂作用对桩周土 体渗透系数的变化。 2 现场单桩及群桩试验 ( 1 ) 对排水粉喷桩单桩施工过程桩周土体超静孔隙水压力的产与消散进行了现场监测，并与常规粉 喷桩的监测结果进行对比分析，分析2 d 工法施工过程中超静孔隙水压力的消散规律。 ( 2 ) 利用静力触探及十字板剪切试验，对排水粉喷桩桩间土体进行施工前后的强度测试，分析桩问 土体强度施工前后变化规律。 第一章国内外研究现状 ( 3 ) 通过静力触探试验以及十字板剪切试验对群桩施工后桩间土体的强度变化进行了分析。 ( 4 ) 由超静孔隙水压力监测结果及粉喷桩与竖向排水体联合处理软土地基的效果进行现场及室内试 验。 ( 5 ) 分析了排水粉喷桩桩身质量与常规粉喷桩桩身质量的差异。 3 室内试验研究 ( 1 ) 通过室内模型试验，分析在不同喷粉压力作用下，桩周土体的劈裂现象。 ( 2 )由室内试验，对常规粉喷桩与2 d 工法单桩及群桩施工结束后，桩间土体含水量、无侧限抗压强 度、以及粉喷桩桩身的无侧限抗压强度进行分析对比。 4由排水粉桩试验段的现场静载试验以及沉降观测结果，对排水粉喷桩处理软土地基与常规粉喷桩处理 软土地基的效果进行对比分析。 5 利用有限元，对排水粉喷桩单桩施工过程进行数值模拟，分析桩间士体超静孔隙水压力的产生与消散 规律，并与现场实测结果进行对比分析。同时对2 d 工法复合地基填土过程进行数值模拟，分析其沉降 规律以及影响因素。 6 对排水粉喷桩复合地基的性状进行分析，由现场试验与经验公式的分析，提出适合于排水粉喷桩复合 地基承载力计算公式。 7 结合现场试验及监测结果，对2 d 工法复合地基特性进行分析的基础上，寻找适合于排水粉喷桩复合地 基沉降计算的方法。 参考文献： 1 】龚晓南，复合地基【m 】航州：浙江大学出版社，1 9 9 2 2 刘松玉公路地基处理 m ，南京：东南大学出版社，2 0 0 0 ， 3 】叶书麟，叶观宝地基处理 m 】北京：中国建筑工业山版社，1 9 9 7 4 s s a i t o h ，e t c ，；h a r d e n i n go fs o i li m p r o v e db yd e e pm i x i n gm e t l l o d c p r o c 1l t hn a t i o n a lc o n f e r e n c e o ns o i lm e c h a n i c sa n df o u n d a t i o ne n g j n e e r j n g19 8 5 8 5 b r o m s ，b a n db o m a n ，p ；l i m ec 0 1 u m n s an e wf o u n d a t o nm e t h o d j j o u m a