（岩土工程专业论文）哈大客运专线cfg桩与mip桩复合地基承载性状研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 近年来，随着基础设施建设的大力发展，水泥粉煤灰碎石( c f g ) 桩复合地基这 种地基处理型式在各类工程中得到了广泛应用，取得了很好的工程效果和经济效益。 c f g 桩复合地基属单桩型复合地基，在工程实际中已经应用较多。但对于c f g 桩和水 泥搅拌桩( m i p ) 这种刚柔性双桩型复合地基，无论在工程应用中还是理论研究方面都 还较少，鉴于此，本文从承载性状方面详尽阐述了这种刚柔性双桩型复合地基在深厚 软土地层中的工作特性。 本文借助哈大铁路客运专线新营口车站c f g 桩与m i p 桩复合地基这一具体工程实 例，通过以现场原位试验为主，数值分析为辅的研究方法，研究了c f g 桩、m i p 桩以 及桩间土在承载方面各自的特性及其相互之间的协调工作关系，c f g 桩作为一种刚性 桩是双桩型复合地基的主桩，因此本文分析了c f g 桩身的荷载传递规律，同时，对复 合地基筏板基础的承载情况做了一定的分析研究工作，沉降变形方面，本文研究了复 合地基基底的沉降变形规律及其发展趋势。 通过本文研究，主要取得以下成果：( 1 ) 对现场实测数据进行分析，得出了复合 地基各组成部分的受力规律和基底沉降变形趋势；( 2 ) 借助m a t l a b 计算机语言，同 时结合现场实测数据，得出了c f g 桩周侧摩擦阻力的分布规律；( 3 ) 应用p l a x i s 二维 有限元分析软件，建立了数值计算模型，对复合地基进行了分析计算，得出了复合地 基的承载规律；( 4 ) 将数值模拟计算数据与现场实测数据进行对比分析，验证了现场 实测数据的准确程度和可靠程度。 关键词：刚柔性双桩型复合地基；c f g 桩；m i p 桩；承载性状；深厚软；现场试验； 数值计算 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ew i d e l yc o n s t r u c t i o no f i n f r a s t r u c t u r e ，c e m e m f l a s h - g r a v e l ( c f g ) p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sw i d e l ya p p l i e di np r o j e c t g o o de n g i n e e r i n ga n de c o n o m i c e f f e c t sh a v eb e e np r o d u c e db yu s i n gc f gc o m p o s i t ef o u n d a t i o n c f gc o m p o s i t ef o u n d a t i o n i st h es i n g l e - p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，w h i c hi sm o r ea p p l i e di np r o j e c t h o w e v e r , l i t t l e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sa n dt h e o r e t i c a ls t u d i e sh a v eb e e nd o n eo nt h ec f gp i l e sa n d m i x e d i n - p l a c ep i l e s ( m i p ) c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，w h i c hi st h er i g i d f l e x i b l ea n dd o u b l e p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n i nv i e wo ft h i si n s t a n c e ，t h i sp a p e re l a b o r a t et h eb e a t i n g c h a r a c t e r so ft h i sc o m p o s i t ef o u n d a t i o no nd e e ps o f ts o i l w i t ht h ee x a m p l eo ft h en e ws t a t i o no fv i n g k o u ，o fw h i c hh i g h - s p e e dr a i l w a yf r o m d a l i a nt oh a r b i na n dt h er e s e a r c hm e t h o do ff i e l dt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h i sp a p e r r e a r c ho nt h ee a c hb e a t i n gc h a r a c t o ro fc f gp l i e 、m i pp i l e 、s o i la n dm u t u a le f f e c to ft h e t h r e es t r u c t u r e s c f gp i l ei st h er i g i dp i l e ，w h i c hi st h em a i np i l eo ft h ec f ga n dm i p c o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h i sp a p e rs t u d yo nt h el o a dt r a n s f e ro fc f gp i l e a tt h es a n l et i m e ，t h e b e a t i n gc h a r a c t o r so ft h er a f ta r eb e e ne x p l a i n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rd e t a i l e ds t u d yo nt h e s e t t l e m e n to ft h eb o t t o mo ft h er a f t b yd e e ps t u d i e si nt h i sp a p e r , f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ed r a w n ：( 1 ) t h ef o r c e dl a wa n d f o u n d a t i o nb a s es e t t l e m e n tt r e n do ft h ec f ga n dm i p c o m p o s i t ef o u n d a t i o na r eb e e ng i v e n i nt h i sp a p e r ；( 2 ) w i t ht h ec o m p u t e rl a n g u a g eo fm a t l a ba n dt h ed a t ao ff i e l dt e s t ，t h i s p a p e rg e tt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t o r so fs i d ef r i c t i o no fc f gp i l e ；( 3 ) u s i n gt h ea n a l y s i s s o f t w a r eo fp l a x i s ，t h i sp a p e rc o n s t r u c tt h en u m e r i c a lm o d e l w i t ht h en u m e r i c a l m o d e l ，t h i sp a p e ra n a l y s et h eb e a t i n gc h a r a c t o r so ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；( 4 ) t h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ed a t ao ff i e l dt e s ta n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a v eb e e ng i v e n i nt h i sp a p e ri no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ed a t ao ff i e l dt e s t k e y w o r d s ：r i g i d f l e x i b l ea n dd o u b l ep i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；c f gp i l e ；m pp i l e ； b e a t i n gc h a r a c t o r s ；d e e ps o f ts o i l ；f i e l dt e s t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 借助具体工程实例，对c f g 桩与m i p 桩复合地基进行承载性状研究，通过以现场 试验测试数据为主，数值模拟计算为辅，同时，将现场实测结果和数值计算结果进行 对比分析的研究方法，得出了复合地基各组成部分在路堤填土荷载作用下的受力规律 和复合地基筏板基础底部的沉降变形规律。 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说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：关吴 日期：2 0 1 0 ，b 3 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 不保村使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“寸) 移口 学位论文作者签名：夭矢 指导老师签名： 日期：2 矿肜石弓 日期： 啊苫 哆 留 。 爹加 之 叼 哆 西南交道大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选题来源 本论文依托科研项目哈大铁路客运专线新营口站深厚软土层桩板基础c f g 桩 复合地基工作机理与变形控制技术试验研究。 哈大铁路客运专线是指在我国黑龙江省哈尔滨市与辽宁省大连市之间建设的高 速客运专用铁路，哈大客运专线已于2 0 0 7 年8 月2 3 日正式开工建设，预计2 0 1 3 年 完全竣工，规划中的哈大铁路客运专线全长9 0 2 余公里，最高时速可达3 5 0 公里以上， 哈大客运专线与秦沈客运专线相通，共同构成东北地区通往内地的高速客运铁路网， 对东北地区的经济腾飞将起到积极的推动作用。 哈大铁路客运专线新营口车站位于辽宁省营口市柳树镇，车站起止里程为 d k 2 1 7 + 3 0 0 d k 2 1 9 + 5 0 0 ，全长2 2 0 0 米，设计速度3 5 0 k m h ，正线数目为双线，正 线线间距5 m ，最小曲线半径7 0 0 0 m ，最大坡度2 5 o ，轨道类型为无碴轨道。车站采 用路基填方的型式通过，全部位于软土地基上，采用c f g 桩和m i p 桩复合地基处理， c f g 桩与m i p 桩交错三角形隔排布置，c f g 桩桩径5 0 c m ，桩长3 0 m ，桩间距1 5 m ， m i p 桩桩径5 0 c m ，桩长1 2 m ，桩间距1 5 m ，桩项设l o c m 厚碎石垫层，碎石垫层上 设5 0 c m 厚钢筋混凝土板，板侧至坡脚设6 0 c m 厚夹两层土工格栅的碎石垫层。 科研项目的现场试验工区位于d k 2 1 7 + 6 8 0 至d k 2 1 7 + 7 0 0 段，在新营口车站约 2 k m 的路基长度中，该段区域的地质条件是最差的，路基填方高度是最高的，因此选 取该段区域作为试验工区具有代表性，该段区域的承载性状能反映整个路基的承载性 状。 c f g 桩属刚性桩，m i p 桩属柔性桩，本工程中c f g 桩桩长3 0 m ，m i p 桩桩长1 2 m ， 因此本工程中采取的复合地基处理方案实际上是刚柔性长短桩复合地基，c f g 桩是主 桩，m i p 桩是辅桩。 1 2 复合地基国内外研究现状 复合地基作为一种地基处理方式，由于其能够很好的发挥桩间土的承载能力，因 此被广泛应用于地基处理工程实际中。 1 c f g 桩复合地基国内发展简况 c f g 桩( c e m e n tf l y a s hg r a v e lp i l e ) 是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是针对房屋 建筑工程中碎石桩承载特性的一些不足，加以改进而发展起来的。c f g 桩复合地基成 套技术，1 9 9 4 年被建设部列为全国重点推广项目，被国家科委列为国家级全国推广项 目。1 9 9 7 年被列为国家级工法。现已列入建筑地基处理技术规范j g j 7 9 2 0 0 2 。目 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 前，c f g 桩在多层、高层和超高层建筑、工业厂房地基处理中得以广泛使用，并取得 了良好的经济和社会效益。 9 0 年代中后期公路建设开始采用包含c f g 桩在内的桩体复合地基技术。并在不同 程度引入桩一网、加桩帽等不同结构或结构组合。 c f g 桩技术首次作为铁路路基地基处理增强体是在2 0 0 2 年，铁道部部控科研项目 2 0 0 2 g 0 1 高速铁路软土地基沉降控制试验研究在上海安亭试验工点进行了c f g 桩试 验并取得了一系列的成果。随后，几条在建的客运专线均在不同程度上用到了包含c f g 桩在内的桩体复合地基技术。如，2 0 0 5 年温福铁路福州段的连江软土路基试验完成。 温福铁路路基加固采用了c f g 桩桩网、板桩等结构。2 0 0 5 年，遂渝铁路重庆枢纽无碴 轨道综合试验段蔡家车站内软基的采用c f g 桩处理。2 0 0 7 年，京沪高速铁路部分软基 路段采用c f g 桩复合地基技术。 2 刚柔性桩复合地基研究现状 朱小友、尹华濂( 1 9 9 9 ) 【6 】通过介绍某高层建筑灌注桩承载力未达到设计要求而采 用水泥粉喷桩成功补强原基础的实践，提出刚柔性桩基作为桩基补救处理措施是经济 可行的。 郭培红( 1 9 9 9 ) 7 1 通过在某建筑基础工程处理中利用原有沉管灌注桩，通过水泥搅 拌桩加固的方法，解决了旧房拆除后原旧桩基上新建房屋的基础设计问题。 刘吉福、周正忠、张旷成( 1 9 9 9 ) 【8 】根据一个由沉管灌注桩、深层搅拌桩和褥垫层 组成的复合地基工程实例，指出了褥垫层在复合地基中的重要作用。 郭红梅、马培贤( 2 0 0 0 ) 1 9 1 结合工程实例介绍了利用夯实水泥土桩与高压灌注桩组 合进行地基处理，认为通过合理布桩，并设置砂石褥垫层来协调两种桩及桩间土受力 及变形的组合型复合地基是可行的。 郭志强( 2 0 0 2 ) r i o 】通过一个由夯实水泥土桩和c f g 桩构成的组合桩型复合地基工 程实例说明采用组合桩型复合地基既可消除地基土层的湿陷性，又能获得较高的承载 力。 白晓红( 2 0 0 2 ) 【l l 】认为组合桩型复合地基在黄土地基中应用效果显著。 阎明礼( 2 0 0 3 ) 【1 2 】讨论了多桩型复合地基及其复合模量的基本概念，提出了多桩 型复合地基承载力和变形的计算方法。 徐新跃( 2 0 0 3 ) 【1 3 】结合工程实例认为在一定地质条件下，混凝土管桩水泥搅拌桩 复合地基是一种有效的地基处理方法。 周德全( 2 0 0 4 ) 0 4 】认为组合桩型复合地基在具体工程中要结合基础类型、荷载大 小、场地地质条件和环保要求，合理选择褥垫层和桩体材料、施工工艺、尺寸和布局， 使设计的地基基础满足强度、变形和稳定性要求。 张忠苗、唐朝文( 2 0 0 2 ) 1 1 5 1 对由两根刚性桩和两根柔性桩构成的刚。柔性桩复合地 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 基进行有限元分析，并结合白荡海人家工程对刚性桩、柔性桩以及注浆加固后桩间土 组合复合地基进行研究，得出注浆后刚柔性桩复合地基承载力提高显著，沉降量明显 减少的结论。 葛忻声( 2 0 0 2 ) 1 6 l 利用有限元对同等地质条件下的长短桩、全长桩、全短桩和天 然地基的情况进行了应力、变形的对比分析，认为长短桩复合地基在有效减小建筑物 沉降量的同时，可降低基础沉降差，使基础受力更均匀。 3 国外复合地基研究现状 2 0 0 2 年f r a n c e s c o 和m i c h e l e 在某高层建筑中以钻孔桩为主、水泥桩为辅的协调 变形而共同工作的二元复合地基，达到结构的要求并取得了可观的经济效益。 2 0 0 3 年c h o w y k ，在某地基设计中，采用预制桩加碎石桩结合的长短桩，预制桩 振动挤密的施工过程加固了地基，同时碎石桩起到排水的作用，满足深厚液化土地基 的抗液化的要求。 1 3 研究内容、研究方法与研究目的 1 3 1 研究内容 复合地基的承载性状涉及受力和沉降变形两方面内容，因此，本论文主要研究 c f g 桩和m i p 桩复合地基的受荷特性及沉降变形情况。 复合地基受荷特性方面的内容主要包括： 1 c f g 桩桩身受荷特性 2 桩顶受荷特性 2 桩间土受荷特性 3 钢筋混凝土板受荷特性 4 褥垫层受荷特性 5 桩土应力比 复合地基沉降变形方面的内容主要包括： 1 路堤基底沉降变形规律 此外，本文还对桩土应力比这一复合地基重要参数进行了研究。 1 3 2 研究方法 本文的研究方法为，一方面根据现场试验测得的有效原始数据进行综合归纳、推 理和分析，得出复合地基承载部位的受荷特性，复合地基基底的沉降变形趋势；另一 方面以数值计算作为辅助工具，将计算结果和现场试验测试分析结果进行对比分析， 对比分析内容为桩体，桩间土等主要承载部位的受荷规律和基底沉降变形趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 3 研究目的 c f g 桩和m i p 桩这种双桩型复合地基应用于铁路路基地基处理不多见，在东北 地区建设的铁路干线中更是首次应用。本文通过对哈大铁路客运专线新营1 ：3 车站复合 地基的研究，得出该复合地基型式在软土处理中的受荷变形规律，供类似工程参考。 要童窑兰查兰璧主竺窑兰兰些笙兰里：墨 第2 章c f g 桩和m i p 桩复合地基简述 21 基本概念 2 11 复合地基的定义及分类 复合地基是指天然地基在地基处理过程中设置一定比例的增强体，并由原土和增 强体共同承担南基础传来的荷载。 一般而言，根据地基中增强体设置的不同方向又可分为水平向增强体复合地基和 竖向增强体复合地基。 j i j l i j l t 幽 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ 一j 竹伯j7 俐墨体 ( a ) 水平向增强体复合地基：( b ) 竖向增强体复合地基 图2 - 1 复合地基分类 f 1 1 水平向增强体复合地基。水平向增强体复台地基主要指的是加筋土地基，随 着土工合成材料新技术的不断发展，加筋土地基在工程中的应用亦越来越多，越来越 广泛。加筋材料主要有土工织物、土工膜、土工格栅和土工格室等土工合成材料。 f 2 1 竖向增强体复合地基。工程上竖向增强体习惯上称为桩，竖向增强体复合地 基通常称为桩体复合地基。目前在工程中应用的竖向增强体有碎石桩、砂桩、水泥土 桩、石灰桩、灰土桩、c f g 桩、低强度混凝土桩和钢筋混凝土桩等。根据竖向增强体 的性质，桩体复合地基又可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性 桩复合地基。柔性桩复合地基如水泥土桩复合地基、灰土桩复合地基等：刚性桩复合 地基如钢筋混凝土桩复合地基、低强度混凝土桩复合地基、c f g 桩复合地基等。桩体 的刚度不仅与材料性质有关，还与桩的长径比有关，应采用桩土相对刚度来描述。 复合地基中增强体设置的方向不同，复合地基的性状也不同。在桩体复合地基中， 桩体是由散体材料组成的还是由粘结材料组成的，以及粘结材料桩的刚度大小等，都 将会影响复合地基荷载传递的性状。 按桩体材料的性状、旌工工艺和桩在复合地基中的承载特性，复合地基可分为如 下几类。 ( 一) 按成桩材料分类 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 1 ) 散体土类桩复合地基。如砂( 砂石) 桩、碎石桩等。 ( 2 ) 水泥土类桩复合地基。如水泥土搅拌桩、旋喷桩等。 ( 3 ) 混凝土类桩复合地基。如c f g 桩、树根桩等。 ( 二) 按桩体刚度分类 ( 1 ) 柔性桩复合地基。 ( 2 ) 半刚性桩复合地基。 ( 3 ) 刚性桩复合地基。 ( 三) 按桩体材料性状、桩体置换作用分类 ( 1 ) 散体桩复合地基。如以砂桩、碎石桩为增强体的复合地基。 ( 2 ) 一般粘结强度桩复合地基。如以石灰桩、水泥土桩为增强体的复合地基。 ( 3 ) 高粘结强度桩复合地基。如c f g 桩复合地基。 桩体粘结强度的变化，对复合地基的工作性状影响很大。 ( 四) 按基础刚度分类 ( 1 ) 具有足够刚度基础下的复合地基。 ( 2 ) 柔性基础下的复合地基。 ( 五) 按桩体的强度与原土的相关性分类 ( 1 ) 桩体强度与原土无关的复合地基。如石灰桩、夯实水泥土桩、c f g 桩。 ( 2 ) 桩体的强度与原土密切相关的复合地基。如搅拌水泥土桩、粉喷水泥土桩、 旋喷桩。 ( 六) 按复合地基中桩型数量分类 ( 1 ) 单一桩型复合地基。复合地基中的桩体为同一类型的称为单一桩型复合地基。 ( 2 ) 多桩型复合地基。如本文将要论述的c f g 桩和m i p 桩复合地基。 本文所论述的复合地基为桩板复合地基，由钢筋混凝土板基础，c f g 桩，m i p 桩和碎石垫层共同构成。 2 1 2 复合地基的形成条件 在基础与桩和桩间土之间设置一定厚度的散体粒状材料是复合地基区别于常规 地基的重要特性。这种散体颗粒状材料称为褥垫层。 在荷载作用下，由于桩的模量远大于土的模量，桩间土表面变形大于桩顶变形， 桩向褥垫层刺入，伴随这一变化过程，粒状散体材料不断调整补充到桩间土表面上， 基础通过褥垫层始终与桩间土保持接触，桩间土始终参与工作，桩间土承载能力可得 以发挥。 基础下是否设置褥垫层，对复合地基受力影响很大。基础下不设置褥垫层，复合 地基承载特性与桩基础相似，在给定荷载下，桩承受较多荷载，随时间增加，桩发生 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 一定的沉降，一部分荷载逐渐向土体转移，桩承担的荷载随时间的增加而有所减少， 土承担的荷载随时间的增加而有所增加。桩间土承载力发挥依赖于桩的沉降，如果桩 端落在坚硬土层上，桩的沉降很小，桩上荷载向土上转移数量很小，桩间土承载能力 难以发挥，不能成为复合地基。 基础下设置褥垫层，桩间土承载力的发挥就不单纯依赖于桩的沉降，即使桩端落 在好土层上，也能保证荷载通过褥垫层作用到桩间土上，使桩土共同承担荷载。 对具有足够刚度基础下的中高粘结强度桩复合地基，褥垫层厚度过小，桩间土承 载力不容易发挥，应该由桩间土承担的荷载转移到桩上，使桩过早达到极限承载力， 复合地基承载力偏低；褥垫层厚度过大，桩土应力比偏小，桩不能分担更多的荷载， 复合地基承载力也不高。具有足够刚度基础下的中高粘结强度桩复合地基，有一个合 理的褥垫层厚度。 基础具有调整复合地基桩土荷载分担的作用，给定合理褥垫层厚度和置换率条件 下，基础刚度不同，桩土应力比也不同，即桩土荷载分担比不同。 桩、土、褥垫层和基础这四个因素共同构成复合地基的形成条件。 2 1 3 复合地基基本设计参数 ( 一) 置换率 复合地基中，一根桩和它所承担的桩间土体为一复合土体单元。在这一复合土体 单元中，桩的断面面积a ，和复合土体单元面积a ( 复合土体桩间土面积与桩的断面 面积之和) 之比，称为面积置换率，并用m 表示： m = a 。么 ( 2 1 ) 实际工程中，由于地基土岩性的变化、上部结构荷载的不均匀性，以及基础平面 尺寸等因素的影响，不可能整个基础下都是等间距布桩。对只在基础下布桩的复合地 基，桩的断面面积之和与基础总面积相等的复合土体面积之比，称为平均面积置换率。 ( 二) 桩土应力比 对一复合土体单元，在荷载作用下，桩和桩间土受力如图所示，仃。为桩顶应力； 盯。为桩间土表面应力。则桩土应力比n 为： 刀= 仃口仃， ( 2 - 2 ) 实际工程中，和设计标高相比，施工后桩顶标高可以有1 0 e m 的偏差，所以桩 土应力比，z 也不同。因此定义基础下桩的平均桩顶应力比与桩间土平均应力之比为平 均桩土应力比。 基础下的平均桩土应力比是反映桩土荷载分担的一个参数，其它参数相同时，桩 土应力比越大，桩承担的荷载占总荷载的百分比越大。此外，桩土应力比对某些桩型 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 例如碎石桩) 也是复合地基的设计参数。 一般情况下，桩土应力比与桩体材料、桩长、面积置换率等有关。 其它条件相同时，桩体材料刚度越大，桩土应力比越大；桩越长，桩土应力比越 大；置换率越小，桩土应力比越大。 ( 三) 桩土荷载分担比 复合地基中，桩土的荷载分担比可用桩土应力比表示，也可用桩土荷载分担比j 。、 覆表示： 以= p i e ( 2 - 3 ) 坑= e 尸( 2 - 4 ) 式中 只桩承担的荷载； 只桩间土承担的荷载； p 总荷载。 当平均面积置换率牌已知后，桩土荷载分担比和桩土应力比可以互相表示。 当测得了桩土荷载分担比万。、葭后，可求得桩顶平均应力为 = 鲁= 鲁 亿5 ， 桩间土平均应力为 呼等= 南( 2 - 6 ) q 2 彳2f 荔 桩土应力比为 疗毫= 崞m , l p 7 ， 仃。 式( 2 7 ) h p 为用桩土荷载分担比表示的桩土应力比。 同样，当测定了桩土应力比后，可求得桩土荷载分担比万p 、瓯。 t = 7 。- = 碉m n ( 2 - 8 ) 正= 墨p = 碉l - m ( 2 - 9 ) 式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 即为用桩土应力比表示的桩土荷载分担_ l - g 。 2 2c f g 桩和m i p 桩复合地基的基本结构 c f g 桩是在碎石桩基础上加入适量石屑、粉煤灰和水泥，加水拌合制成的一种具 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 有一定黏结强度的桩，与周围地基土体形成复合地基。它比一般碎石桩复合地基的承 载力高，变形小。c f g 桩各自成分含量的多少对桩体料的强度、和易性都有很大影响， 通过配比及其力学性能试验确定。水泥的掺量对桩体的强度和变形性状影响很大。水 泥掺量较少时，桩体强度低，接近散体材料桩的变形性状，水泥掺量高时，桩体具有 刚性桩的性状。粉煤灰是燃煤电厂排出的一种工业废料。由于煤种、煤粉细度以及燃 烧条件的不同，粉煤灰的化学成分有较大的波动，其主要化学成分有s i 0 2 、a 1 2 0 3 、 f e 2 0 3 、c a o 和m g o 等；粉煤灰的粒度组成是影响粉煤灰质量的主要指标，由于球形 颗粒在水泥浆体中起润滑作用，所以粉煤灰中如果圆滑的球形颗粒占多数，就具有需 水量小，活性高的特点。一般粉煤灰越细，球形颗粒越多，因而水化及接触界面增加， 容易发挥粉煤灰的活性。粉煤灰中未燃尽煤的含量用烧失量表示。烧失量过大说明燃 烧不充分，粉煤灰的质量不佳。含炭量大的粉煤灰在混合料中往往增加需水量，从而 大大降低强度，用湿法排灰所得的粉煤灰称为湿排灰，由于部分活性组成先行水化， 所以其活性也较干排灰为低。 m i p 桩是用于加固饱和软黏土地基的一种方法，它是利用水泥、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( 浆液或 粉体) 强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，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。 由于在荷载作用下，地基中附加应力随着深度增加而减小，地基应变也逐渐减小， 所需“地基刚度和强度”也相应变小。为了更有效地利用复合地基中桩体的承载潜能， 可以通过调整复合地基的桩土刚度与强度分布来适应附加应力由上而下减小的特征， 可以采用刚柔性桩复合地基这种地基处理形式。刚一柔性桩复合地基是相对于散体材 料桩复合地基、柔性桩复合地基、刚性桩复合地基而言的，它是指通过刚性桩、柔性 桩和桩间土体变形协调共同承担荷载的复合地基。 本文所论述的c f g 桩和m i p 桩复合地基是由钢筋混凝土板基础、碎石垫层，夹 两层土工格栅碎石垫层、c f g 桩和m i p 桩这五种结构组成，这五种结构相互变形协 调，共同承担路堤填土荷载。 现场试验工点基底( 即路堤断面两坡脚之间距离) 宽度为4 3 米，c f g 桩桩长3 0 米，m i p 桩桩长1 2 米，两种桩型交错布置且桩间距均为1 5 米，桩顶设o 1 米厚碎石 垫层，碎石垫层上沿路堤中线对称布置o 5 米厚钢筋混凝土板，板沿垂直线路方向长 度为2 9 米，板侧至左右坡脚处设0 6 米后夹两层土工格栅的碎石垫层。路堤左右坡脚 处设高1 5 米，宽1 5 米的反压护道，路堤填土高度6 9 米。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 2 试验工点路堤结构图 2 3c f g 桩和m i p 桩复合地基承载性状 2 3 1c f g 桩和m i p 桩复合地基承载力计算 本文研究的为双桩型，长短桩，刚柔性桩复合地基。采用长短桩，是因为地基 土有两个好的桩端持力层，c f g 桩作为长桩落在较深持力层，m i p 桩作为短桩落在较 浅持力层。采用刚柔性桩是因为基底下部分土质较差，需用水泥搅拌桩补强，以调 整整个复合地基承载力和模量的均匀性。 在探讨双桩型复合地基承载力时，只考虑桩型即可，不必考虑桩的长短。 单一桩型的复合地基设计计算方法相对成熟，但多桩型复合地基的设计方法还远 远跟不上实际应用，中国建筑科学研究院地基所闰明礼教授等对多桩型复合地基承载 力计算提出了如下的计算方法： o 将复合地基中荷载分担比高的桩型定义为主控桩( 桩的模量相对较高，桩相对 较长，如本文的c f g 桩即为主控桩) ，其余桩型为辅桩( 如本文的m i p 桩) ，并按荷 载分担比由大到小排序。 o 由天然地基和主控桩复合形成复合地基，视为一种新的等效天然地基，其承载 力特征值为厶。 o 将等效天然地基和辅桩复合形成复合地基，求得复合地基承载力即两种桩型复 合地基承载力 具体推导如下： 基础下天然地基土的承载力特征值为厶，主控桩型的断面面积为么口l ，平均面积 置换率为鸭，单桩承载力特征值为r 扪。则主控桩和天然地基形成的复合地基承载力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 特征值为： 厶。：聊。孕+ 口。p , 0 一聊。况 ( 2 - 1 0 ) n ，l 式中桩间土承载力提高系数，与土性和主控桩成桩工艺以及主控桩的桩 径、桩距等有关。对非挤土成桩工艺，瓴= 1 ； 屈桩间土承载力发挥系数，一般届1 。 基础下辅桩的断面面积为彳。：，平均面积置换率为研：，单桩承载力特征值为r 。：。 辅桩与承载力特征值为厶。的等效天然地基复合后的承载力即为多桩型复合地基承 载力，即 厶砸等坞反( 1 吨如t ：，纷：_ r a 2 + a z f l 2 m 1 0 一聊：，r o , + 口1 0 1 2 届殷( 1 一m 。) ( 1 一所：) 厶 ( 2 1 1 ) - 4 - p 2j l p ! 式中 厶一多桩型复合地基承载力特征值； 口，桩间土承载力提高系数，与土性和辅桩成桩工艺以及辅桩的桩径、桩距 等有关。对非挤土成桩工艺，口：= 1 ； 岛桩间土承载力发挥系数，一般厦1 。 2 3 2c f g 桩和m i p 桩复合地基沉降变形计算 在各类复合地基沉降的实用计算方法中，通常将复合地基的总沉降量分为两个部 分。设复合地基加固区的压缩量为j 。，加固区下卧层土体的压缩量为s ：，则复合地基 总沉降s 为加固区压缩量与加固区下卧层土体压缩量之和，即 s2 s l + s 2 复合地基的碎石垫层和褥垫层压缩量很小，可以忽略不计。 加固区压缩量最可采用复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法计算。下卧层压 缩量s ，通常采用分层总和法计算。 1 加固区压缩量s 的计算方法 ( 1 ) 复合模量法( e 。法) 将复合地基加固区中桩体和土体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量来评 价复合土体的压缩性，并采用分层总和法计算加固区中土层的压缩量。在本方法中， 将加固区土层分为n 层，每层复合土体的复合压缩模量为e 硎，则 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 驴妻i = ! 盟e c s ，q ( 2 1 2 ) 式中卸。第f 层复合土层上的附加应力增量； 日j 第i 层复合土层的厚度。 桩体复合地基复合土层的压缩模量e 。，通常采用面积加权平均法计算，即： e 甜= 聊1 e p l + 聊2 e p 2 + ( 1 一，竹l 一，押2 ) e ( 2 - 1 3 ) 式中c f g 桩面积置换率； 朋，m i p 桩面积置换率； e 。一f g 桩体压缩模量； e 。2 m i p 桩体压缩模量； e 。桩间土压缩模量。 ( 2 ) 应力修正法( e ，法) 在桩体复合地基中，桩体的存在使作用在桩间土上的荷载密度比作用在桩体上的 平均荷载密度要小。在采用应力修正法计算压缩量时，根据桩间土分担的荷载和桩间 土的压缩模量，忽略增强体的存在，用分层总和法计算加固土层的压缩量s 。 桩_ 体复合地基中，桩间土分担的荷载为： p s2 丽p2 以p ( 2 1 4 ) 式中p 复合地基上平均荷载密度； m 桩体面积置换率； 7 1 桩土应力比； 从应力修正系数，几2 l + m 三( n 一- 1 ) 。 复合地基加固区土层压缩量s ，采用分层总和法计算 驴从窆誓e = p s s l s ( 2 - 1 5 ) s 。= 从等e ( 2 - 1 5 ) 式中 卸。未加固地基( 天然地基) 在总荷载作用下第i 层土上的附加应力增 量： e 土层压缩模量； 日，土层厚度； 毛，土层压缩量。 2 加固区下卧层压缩量s ，的计算方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 下卧土层压缩量s ：的计算常采用分层总和法，即： 垆喜餮日， ( 2 1 6 ) 式中 根据第f 分层的自重应力平均值半从土的压缩曲线上得到 的相应的孔隙比，盯d 和仃。( n ) 分别为第i 分层土层底面处和顶面处的自重 应力； 口：，根据第f 分层的自重应力平均值竺掣与附加应力平均值 垩学之和，从土的压缩曲线上得到的相应的孔隙比，仃百和仃：( ) 为 第f 分层土层底面处和顶面处的附加应力； 日i 第f 分层土的厚度。 在计算下卧层压缩量s ，时，作用在下卧层上的荷载是比较难以精确计算的。目前 在工程应用中，常采用下述几种方法计算。 ( 1 ) 应力扩散法 这是工程上应用较多的方法，如图2 。3 所示，设复合地基上作用荷载为p ，则作 用在下卧层上的荷载p 。为： p b2 瓦丽器丽丽 协1 7 ) 2 瓦砑蕊万商i 厕 旺。1 7 ) 式中6 复合地基上荷载作用宽度； d 复合地基上荷载作用长度： 矗复合地基加固区厚度； 口复合地基加固区压力扩散角。 ，! ! 一 i , t 主1 - 坛 图2 3 应力扩散法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 2 ) 等效实体法 当桩距较小时，可将复合地基加固区视为一等效实体，作用在下卧层上的荷载作 用面与作用在复合地基上的相同，如图2 _ 4 所示。设复合地基上荷载为p ，则作用在 下卧层上的荷载p 。为： p ：(2b b d p - ( 2 b + 2 d ) h f 1 8 )= l z - b d 式中b 复合地基上荷载作用宽度； d 复合地基上荷载作用长度； 办复合地基加固区厚度； 厂等效实体摩阻力密度。 b 垒一 卜卧坛 图2 - 4 等效实体法 应用等效实体法的计算困难在于等效实体侧摩阻力厂值的合理选用。当桩土相对 刚度较大时，选用误差可能较小；而当桩土相对刚度较小时，侧摩阻力变化较大，很 难合理估计，选用不合理时误差可能很大。 复合地基在荷载作用下的沉降计算也可以采用数值计算方法，如有限单元法。有 限单元法在几何模型的处理上大体可以分为两类：一类在单元划分上把单元分为两 种，桩体单元和土体单元，并根据需要在桩体单元和土体单元之间设置界面单元。另 一类是在单元划分上把单元划分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元。复合土 体单元采用复合材料参数，非加固区土体单元采用土体参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章现场试验工区介绍 3 1 试验工区复合地基基本结构 现场试验地点位于辽宁省营口市柳树镇，是新营口车站的选址地点。线路在新营 口车站采取路堤填方的形式通过，由于地基土层较软，采取桩板基础复合地基结构进 行软土地基加固，桩体采取c f g 桩和m i p 桩双桩型，c f g 桩长3 0 m ，m i p 桩长1 2 m ， 桩径均为o 5 m ，桩顶上方设碎石垫层，碎石垫层上方设钢筋混凝土板，板侧设土工 格栅。复合地基结构形式如图3 一l 所示： 钢筋混凝土板 主工招 加固区 、壁互垫星 加固区 3 2 试验工区地质条件 图3 1 复合地基基本结构 哈大线新营口站里程为d k 2 1 7 + 2 2 4 5 至d k 2 1 9 + 0 0 7 8 2 ，段内路基长1 7 8 3 2 3 m 。 场地地面绝对标高为1 81 至7 0 2 5 m ，地形较平坦；场地地貌属于滨海平原，地表主 要为稻田、村庄和鱼塘等。根据场地地勘报告可知：在钻探所达深度范围内，场地地 层主要为第四系全新统海冲积( q 4 m 侧) 的粘性土及少量砂类土和粉土，局部地表覆 盖有近期人工填土层( q 4 m 1 ) ，下伏元古界辽河群( p t l h ) 及太古界鞍山群片麻岩( a r a n ) 。 根据地质柱状图，试验断面的地层如下： ( 1 ) 填土层( q 4 m 1 ) ： 1 杂填土( q 4 训) 青灰色，松散，夹少量碎石，本层层底深度1 2 m ，层底标高 4 9 6 m ，层厚约1 2 m ，村庄附近揭露； 2 素填土( q 4 m 1 ) 黄褐色、灰褐色、褐黄色等，稍密，稍湿，主要有粘性土组成， 含少量植物根系，本层层底深度0 5 02 7 0 m ，层底标高3 7 06 1 5 m ，层厚0 5 02 7 0 m ， 平均1 9 3 m ，田埂及沟边路基揭露。 ( 2 ) 海冲积层( q 4 m + 硼) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 l o 黏土( q 4 h 1 ) 黄褐色一褐灰色，软塑，局部硬塑，含少量铁锰氧化物，局部含有 机质。本层层底深度1 6 0 “4 0 m ，层底标高o 0 6 4 9 1 m ，层厚1 6 0 3 2 0 m ，平均2 2 7 m ， 局部缺失。承载力c r n = l o o k p a ； 2 0 粉质黏土( q 4 m 捌) 褐黄色一褐灰色，软塑，局部流塑，本层层底深度0 8 l o m ， 层底标高4 7 2 5 0 3 m ，层厚0 8 4 m ，平均2 3 m ，局部缺失。承载力= 10 0 后尸臼： 5 l 淤泥质粉质粘土( q 4 m 刊) 青灰色褐灰色，流塑，局部软塑，含有机质及腐殖 质，见贝壳碎片。本层层底深度3 7 1 2 m ，层底标高5 9 9 2 9 4 m ，层厚l 8 1 m ，平 均3 8 m ，该层分布较平稳，局部缺失。承载力口。：8 0 k p a ； 3 l 粉土( q 4 m ) 褐黄色灰黄色，中密密实，潮湿，含云母碎片。本层层底深 度8 7 1 9 8 m ，层底标高1 4 5 2 一3 4 8 m ，层厚1 3 8 m ，平均2 1 4 m ，局部揭露。承载 力= 1 4 0 尼砌； 2 1 粉质粘i ( q 4 m ) 褐黄色褐灰色，软塑，局部硬塑，含少量铁锰氧化物，局 部含铁锰结核。本层层底深度1 9 1 7 9 m ，层底标高一1 2 4 l - 4 2 6 m ，层厚o 7 l o m ， 平均4 3 9 m ，该层稳定。承载力c r n = 1 5 0 砒； 1 2 黏土( q 4 州) 褐灰色、褐黄色、灰绿色，硬塑，局部软塑，坚硬，含少量铁锰 氧化物，本层层底深度1 5 0 0 3 6 8 0 m ，层底标高3 1 7 7 9 3 3 m ，层厚1 1 0 1 0 4 0 m ， 平均3 7 5 m 。承载力= 1 8 0 k p a ； 2 2 粉质粘土( q 4 m 刈) 褐黄色、褐灰色、灰黄色，硬塑，局部软塑，含少量氧化铁、 铁锰氧化物。本层层底深度2 0 5 0 - 4 2 5 0 m ，层底标高3 7 2 2 - 15 4 5 m ，层厚 0 7 0 1 9 2 0 m ，平均6 4 2 m ，该层稳定。承载