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浙江大学硕士学位论文 路堤荷载下粉喷桩加固软土地基沉降研究分析 摘要 f 由于粉喷桩具有诸多优点，因而随着我国公路建设的不断发展，粉喷桩的应用越来 越广泛。但就目前研究现状来说，对于粉喷桩的认识还远远不够。 本文首先以实际工程为基础，通过大型原型观测试验，对粉喷桩的受力特性，加固 效果进行了研究。试验表明，采用粉喷桩加固软基后，大大降低了地基沉降和侧向变形， 对于预防“桥台跳车”有很好的效果。加固后地基仍存在填土临界高度，保持合理的填 筑速率也是很重要的。粉喷桩受力后以中上部压缩为主，桩土应力比随着荷载的变化有 一个不断调整的过程。 随后，本文在现有的文献和试验资料基础上，假定桩侧摩阻力沿桩身为三角形分布， 应用m i n d l i n 解推导出了地基内任一点的附加应力表达式。提出了用m i n d l i n 解和 b o u s s i n e s q 解联合分析地基内部任一点附加应力的方法。算例表明：用本文提出的方法 进行计算，粉喷桩的作用使加固区附加应力减小，下卧层附加应力变大。用本方法计算 得到的复合地基附加应力进行沉降计算，所得最终沉降值与实测结果比较更为接近。 本文最后应用b l o t 固结有限单元法，对实际工程进行了建模分析。有限元分析表明， 它能很好的模拟分级加载对沉降过程的影响，计算沉降值与实测值比较吻合，对沉降过 程的模拟是一种非常有效的计算方法。 【关键词】粉喷桩，沉降，附加应力，有限元，m i n d l i n 解，b o u s s i n e s q 解 ? l 一一 、tv 、 浙江大学硕士学位论文 t h es e t t l e m e n t a n a l y s i so f d j mp i l er e i n f o r c es o f tc l a y f o u n d a t i o nu n d e re m b a n k m e n t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a y , d m ji s u s e dw i d e l yb e c a u s eo fh i sm a n y a d v a n t a g e sb u ti no r d e r t ou n d e r s t a n dh i mm o r e ，w es t i l lh a v em a n y t h i n g st od o b a s e do nt h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，t h e a r t i c l ed i s c u s s e dm e c h a n i c s c a p a b i l i t y a n d r e i n f o r c e de f f e c to fd m j t h r o u g hf i e l dm e a s u r e m e n t s t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a ti t c a n r e d u c et h eg r o u n d s i l ls e t t l e m e n ta n dl e v e ld i s p l a c e m e n tg r e a t l y i tc a na l s op r e v e n tc a r j u m po n a b u t m e n ti nap r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，i te x i t sc r i t i c a lh e i g h ta f t e rr e i n f o r c ea n dk e e pal o g i c a l f i l l i n gr a t ei sv e r yi m p o r t a n t t h ep i l e i s c o m p r e s s e dm a i n l yi n t h et o pa n dc e n t r a ls e c t i o n u n d e rt h el o a d ，a n dt h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i oh a sa nu n c e a s i n gr e g u l a t ep r o c e s s s u b s e q u e n t l y , t h ea r t i c l ea n a l y z e st h es i d ef r i c t i o na n dp i l e s o i ls t r e s sr a t i o a tt h es a m et i m e i tm a k eu s eo fm i n d l i ns o l u t i o na n dr a t i o c i n a t et h ee x p r e s s i o no fa d d i t i o n a ls t r e s sp r o d u c e db y t h es i d ef r i c t i o ni ng r o u n d s i l li n t e r i o rw h e nt h es i d ef r i c t i o nw a sd i s t r i b u t e da s s u m et r i a n g l e t h e n ，t h ea r t i c l e r a t i o c i n a t et h ea d d i t i o n a lf r i c t i o n b y m a k eu s eo fm i n d l i ns o l u t i o na n d b o u s s i n e s qs o l u t i o n t h ec o m p u t e ds e t t l e m e n ti sn e a r l yw i t ht h ef i e l dm e a s u r e m e n tr e s u l t a tl a s t ，t h ea r t i c l ea p p l yt h eb i o tc o n c r e t i o nf e ma n da n a l y z et h ep r a c t i c a le x a m p l et h e r e s u l ti n d i c a t ei tc a nc o n s i d e rt h el o a db ys t e pw e l lw et h i n kt h i sm e t h o di sa c c u r a t ea n d u s e f u l k e y w o r d s ：d m j ，s e t t l e m e n t ，a d d i t i o n a ls t r e s s ，f e m , m i n d l i ns o l u t i o n ，b o u s s i n e s qs o l u t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 公路的发展及其遇到的问题 现代社会中，交通运输越来越发达。在我国，近些年来，随着公路，特别是 高速公路的蓬勃发展，公路运输已经成为运输的主要力量。公路的快速发展不但 改善了交通条件，方便了人民生活，而且带动了经济发展。“要想富，先修路” 己成为人们的共识。 在各种公路中，高速公路以其车速高( 最高时速一般为1 2 0 k m h ) 、行车安 全、通行能力大、运输成本低，货物耗损低而成为各国公路发展的首要发展目标。 我国于1 9 8 8 年1 0 月建成第一条高速公路一沪嘉高速公路。不久之后，沈大、京 津塘高速公路相继投入运营，从此，我国高速公路建设进入了一个新时期。至 1 9 9 9 年底，一大批高标准高速公路相继建成通车，如沪宁、沪杭、济青、杭甬、 京沈，泉厦等。高速公路在短短的几年里已经显示出巨大的优越性，在己建成高 速公路的沿线及腹地迅速兴起了工业企业的建设高潮，地价增值，地方税收增加， 投资环境发生巨大变化，许多资金投向己建成和拟建的高速公路沿线，使原来落 后地区的经济得到迅速发展。 为了加快经济发展，满足各地日益增长的需求，我国制定了国道主干线规划， 其主要内容是从1 9 9 1 年开始，用3 0 年左右的时间，建成1 2 条长度约35 万公 里的“五纵七横”国道主干线，将全国重要城市、工业中心、交通枢纽和重要陆 上口岸连接起来，逐步形成一个与国民经济发展相适应，与其它运输方式相协调， 主要由高速公路、一级公路组成的快速、高效、安全的国道主干线。 我国东部和西部地区经济发展差距很大，沿海地区1 2 个省市的土地面积仅 占国土的1 34 8 ，但人口占全国的4 1 ，工农业总产值约占全国的6 0 左右。 其中辽东半岛，山东半岛、京津地区、长江三角洲、珠江三角洲是我国经济繁荣， 资金、技术与智力高度密集的地区。该地区对高速公路的需求更迫切，建成后的 经济效益的社会效益更大。因此，目前绝大部分己建成和拟建的高速公路均建于 此地区。同时，随着城市化进程的加快，城市道路的建设也得到了迅猛发展。 然而，我国沿海，除山东部分地段外，大部分的海岸线为淤泥质海岸。因此， 沿海特别是大江、大河河口附近多为河相、海相或泻湖相沉积层，在地质上属于 第四纪全新纪q 4 土层多属于饱和的正常压密粘土。土的类别多为淤泥、淤泥质 粘土、淤泥质亚粘土，在南方少数地区还有淤泥混砂层。这类地基的主要特点为： ( 1 ) 、具有高含水量，大孔隙，低密度，低强度，高压缩性，低透水性，中 第一章绪论 等灵敏度的特点。一般，含水量高达4 5 5 0 ，高于液限；孔隙比 1o ，塑性 指数约2 0 左右，强度c = l o 3 0 k p a ，压缩系数口v _ o 5 - 1o m p a ，圃结系数为 1 0 1 0 4 c m 2 s 量级，灵敏度系数约4 - 8 。这种土类属高至中压缩性，压缩量大， 排水固结缓慢，地基稳定性差。 ( 2 ) 、具有一定的结构性。结构性的形成随土的矿物成分、沉积环境、孔隙 水的成分及沉积年代而不同，除南方湛江一带有高的结构性土之外，大多数具有 一般的结构性。 结构性的软粘土具有以下特点：其力学特性与应力水平有密切关系，应力 水平较低时土的压缩性比较低，应力水平较高时结构性受到破坏，压缩性较高， 二者可以相差3 4 倍，甚至更高；结构性是不可可逆的，一旦被破坏很难恢复， 从而加大了土的压缩量；具有结构性的土类应力一应变关系将具有一定的剪胀 性。在此类地基上做工程，施工程序的不当会给工程质量带来不利的影响，甚至 造成工程事故。 ( 3 ) 、大部分地区在地表处由于风化、淋洗作用而存在硬壳层，该土层具有 中等或低的压缩性，较高的强度。如在工程中合理的利用此土层，可望降低总的 沉降量。 在这类软土地基上修建公路，会遇到稳定及变形等工程问题。特别对高速公 路而言，其最小弯道半径一般为8 0 0 m 左右，它不仅要求路堤稳定，而且对工后 沉降要求较高，特别是严格控制工后不均匀沉降。从已建软土地基上高速公路运 行情况来看，工后沉降较大，特别是造成“桥头跳车”，轻者影响行车速度，损 害车辆，严重导致交通事故，造成人员伤亡。目前，对高速公路一般规定在1 5 年内工后沉降不超过3 0 c m ，桥台背后填土工后沉降不超过l o c m 。实际上，当不 均匀沉降大于2 0 4 0 m m 时，如不及时修补，将严重影响行驶。因此，在软土地 基上修建高速公路如何减小工后沉降是一个需要迫切解决的问题。 目前在修建高速公路时对软基的处理主要有以下几种方法： ( 1 ) 、桥梁跨越； ( 2 ) 、减轻路堤荷载； ( 3 ) 、地基处理，主要分为土质改良和复合地基两种； ( 4 ) 、工后修补； ( 5 ) 、综合处理。 以上几种方法各有其优缺点，在此不再赘述。在实际应用中，地基处理被采 用的较多。 常用的地基处理方法可分类如下：可分为土质改良和复合地基两种，土质改 良包括排水预压法、强夯法和其他方法，而复合地基包括水泥土桩复合地基、碎 浙江大学硕士学位论文 石桩复合地基、低强度桩复合地基、加筋土复合地基等。 1 2 粉喷桩的起源及特点 粉喷搅拌桩是水泥土桩的种，它以石灰粉、水泥粉等粉体材料作为加固料， 通过特制旌工机械，用压缩空气将粉体加固料以雾状喷入地基土中，再凭借钻 头叶片的旋转，使粉体加固料与原位软土搅拌，并得到充分混合，从而使软土硬 结，形成具有整体性强、稳定性好、有较高强度的柱体，起到加固地基的作用。 第二次世界大战后，美国首先研制成功水泥深层搅拌法，制成的水泥土桩称 为就地搅拌桩( m i x e d i n p l a c ep i l e ) 。1 9 6 7 年，瑞典的k j e l dp a u s 首次提出使用石 灰搅拌加固1 5 m 深度范围内的软土地基的设想，并于1 9 7 1 年在现场制成一根用 生石灰粉和软土拌制而成的石灰柱。次年在瑞典岩土工程研究院的试验场地进行 了石灰柱试验。1 9 7 4 年正式取得专利并应用于工程实践。瑞典的l i n d e n a l i m a k 公司还生产出专用的成柱施工机械。柱径可达5 0 0 m m ，最大加固深度1 0 - 1 5 m ， 目前瑞典的石灰柱施工已达数百万米。 日本在1 9 6 7 年由运输部港湾技术研究所开始研制石灰搅拌机械。1 9 7 4 年开 始在软土地基加固工程中应用。施工机械的成柱直径为8 0 0 1 0 0 0 m m ，形成两种 施工方法，一类为使用石灰浆的深层石灰搅拌桩( d l m 法) ；另一类为使用生石 灰粉的粉体喷射搅拌法( d j m ) ，有单轴和双轴两种机型，后者可同时成柱两根， 最大加固深度为1 0 3 0 m 。 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 0 年天津市机械化施工公司与交通部一航局引进、开发 成功单搅拌轴、叶片输浆型深层搅拌机。1 9 8 3 年浙江大学土木工程学系会同联 营单位开发成功d s j 型单轴喷浆水泥深层搅拌机。1 9 8 3 年铁道部第四勘察设计 院开始进行喷石灰粉深层搅拌法的研究，著获得成功，不久应用于喷水泥粉深层 搅拌。1 9 9 2 年，交通部一航局引进、开发海上深层搅拌机械并应用于工程实践。 粉体喷射搅拌桩加固软土地基技术，具有以下优点： ( 1 ) 、以粉体作为加固料，不需要向地基中注入附加水分，反而能充分吸收 周围软土中的水分，因而加固后地基土的初期强度高，对于含水量大的软土，其 加固效果更为明显。 ( 2 ) 、按照不同地基土的性质及设计要求所需达到的地基强度，可以事先合 理的选择加固料种类极其配方，设计灵活。可根据工程需要将地基土加固成任意 形状的水泥土。 ( 3 ) 、采用此法加固软土地基，可以减少地基的沉降量，且不需经过如排水 第一章绪论 固结法中的预压过程。 ( 4 ) 、粉体喷射不需高压设备，安全可靠。 ( 5 ) 、施工期短，无公害，施工过程无振动、无噪音、无地面隆起，不排污， 不排土，不污染环境，对周围相临的建筑物无不良影响。 由于上述优点，近2 0 年来，粉喷搅拌桩在我国分布有软土地基的地区，如 浙江、江苏、上海、天津、福建、广东以及台湾等地得到广泛应用，发展很快。 国外，在美国、日本、西欧，以及东南亚地区应用广泛，发展迅速。 1 3 复合地基基本概念及其变形特性 1 3 1 复合地基的基本概念 当天然地基不能满足结构物对地基的要求时，就需要进行人工处理，形成人 工地基，以保证结构物的安全与正常使用，复合地基就是其中一种。 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而形成的，由基 体和增强体共同构成人工地基。复合地基有两个基本特点：一、加固区是由基体 和增强体两部分组成的，是非均质和各向异性的；二、在荷载作用下，基体和增 强体共同承担荷载的作用。前一种特征使它区别于均质地基( 包括天然的和人工 的均质地基) ，后一个特征使它区别于桩基础。 根据增强体的方向不同又可分为纵向增强体和横向增强体，纵向增强体习惯 上称为桩。根据纵向增强体的性质，桩体复合地基又可分为散体材料桩复合地基 和柔性桩复合地基。 1 3 2 复合地基的复合变形模量 在一般计算中，复合地基的复合变形模量就可以按面积加权法得到，其表达 式为： e 。= m e 。+ ( 1 一聊) e ( 1 - 1 ) 式中m 一复合地基面积置换率： e 。一桩体压缩模量； e ，一土体压缩模量 上式是基于材料力学的平面假设，由变形协调而得，可以看出，点乙与埘、e ，、 e 。成线形关系，这是目前复合地基设计计算中常用的公式，但该法没有考虑桩 间土共同作用以及材料的非线性。 刘一林弼( 1 9 9 0 ) 通过对水泥土桩复合地基的室内试验认为：考虑应力水平， 4 浙江大学硕士学位论文 对( 1 - 1 ) 式进行修正： e 。= ，7 l 彬e ，+ ( 1 一所) kj ( 1 2 ) 张土乔【7 1 ( 1 9 9 2 ) 根据弹性力学方法，精确分析了水泥土桩复合模量，考虑 桩土共同作用，提出了下列公式，所得结果比面积加权法更接近室内试验成果。 耻时m 远+ 器巷端 s ， 式中：v ，、v ；一分别为桩土的泊松比； 伞碉e l a一= 南 = 高 1 3 3 复合地基承载力计算 复合地基的极限承载力p ，可用下式表示： p 矿= k , & m p 矿+ 七2 五( 】一m ) p 矿 ( 1 _ 4 ) 式中各系数具体含义见相关文献吼 对刚性复合地基和柔性复合地基，桩体极限承载力可采用类似摩擦桩极限力 计算式计算，其表达式为 驴击医，十叫 ( 1 - 5 ) 式中f 为桩周摩阻力极限值；s 。为桩身周边长度；_ 。为桩身横截面积；r 为 桩端土极限承载力；三为按土层划分的各段桩长。对柔性桩，桩长大于临界桩长 时，计算桩长应取临界桩长值。 除按式( 1 - 5 ) 计算桩体极限承载力外，尚需计算桩身材料强度允许的单桩 极限承载力，即 p = q ( 1 - 6 ) 式中 g 一桩体极限抗压强度。 由式( 1 - 5 ) 和式( 1 - 6 ) 计算所得的两者中取较小值为桩的极限承载力。 1 3 4 复合地基沉降计算方法 在现有的各类复合地基的沉降计算方法中，通常把复合地基沉降分为两部 分：加固区沉降( s ，) 和下卧层沉降( s ，) 。荷载作用下复合地基沉降可表示为 第一章绪论 两部分之和：s = s ，+ s ：。 加固区沉降s ，可用以下方法计算： ( 1 ) 复合模量法( e 法) 复合模量法是将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采 用复合压缩模量点0 来评价复合土体的压缩性。采用分层综合法计算加固区压缩 量s j ，其表达式为： s ，：争竺坍 ( 1 - 7 ) 备e 。 式中卸为第，层复合土上附加应力增量；日，为第i 层复合土层的厚度。 点0 ，值可通过面积加权法计算或弹性理论表达式计算( 龚晓南2 1 ，1 9 9 2 ) ，也 可以通过室内试验测定。 ( 2 ) 应力修正法( e 法) 该法是根据桩间土承担的荷载p ，和桩间土的压缩模量e 在，采用分层总和法计算加固区土层的压缩量岛。 s 。= 杰铷。= 版杰和，= p s s ，； i = 1 。自 t ；l1 。n 忽略增强体的存 ( 1 8 ) 式中胁为应力修正系数，其表达式为：以= i 石碉1 ；m 埘分别为复合 地基桩土应力比和复合地基置换率；肇，为未加固地基在荷载p 作用下第j 层土 上的附加应力增量；印。为复合地基中第f 层桩间土中的附加应力增量，相当于 未加固地基在荷载p 。作用下第i 层土上的附加应力增量：s 。为未加固地基在荷 载p 作用下作用与加固区相应厚度土层内的压缩量。 ( 3 ) 桩身压缩法( b 法) 该法规定在荷载作用下，桩身的压缩量可表示为： 驴型， ， 式中 炜为应力集中系数，心2 南；，为桩身长度，即等于加固区 厚度 ；e 。为桩身材料变形模量；名为桩底端端力密度。 浙江大学硕士学位论文 加固区土层压缩量表达式为 s 一s 一 ( 1 - 1 0 ) 式中品为桩身压缩量；为桩底端刺入下卧层土体中的刺入量。 如果刺入量为0 ，那么桩身压缩量就是加固区土层压缩量。 ( 4 ) 应变修正法。 该法在实际应用中，先把加固区分成若干层，计算每层未加固时土的竖向应 变v o 及应变折减系数咫和见值，然后比较凡和亿值，取其中大值可得到复合 地基竖向应变值= 昂o m c o c r p ，尺。，由每层的应变值可计算出每层的压缩量，累 加各层的压缩量可以得到整个加固区的压缩量s 。 复合地基加固区下卧层土层沉降量& 通常采用分层总和法计算。在分层总 和法计算中，作用在下卧层土体上的荷载或土体中附加应力是难以精确计算的。 目前在工程应用中，常采用下述三种方法来计算土体中的附加应力： ( 1 ) 应力扩散法 该法假定复合地基上荷载密度为p ，作用宽度为b ，长度为d ，加固区厚度 为h ，压力扩散角为肪则作用在下卧层上的荷载p 。为 仇= 面历面d 硒b p 两( 1 - 1 1 ) ( 2 ) 等效实体法 假定复合地基上荷载密度为p ，作用面长度为d ，宽度为b ，加固区厚度为 h ，为等效实体侧摩阻力密度，则作用在下卧层上的附加应力p 。为 忍= b d p - 面( 2 b 广+ 2 d ) h f 2 ) ( 3 ) 改进g e d d e s 法 黄绍铭等3 1 ( 1 9 9 1 ) 建议采用下述方法计算下卧层土层中应力。复合地基总 荷载为p ，桩体承担p ，桩间土承担的荷载儿= p p ，。桩间土承担的荷载n 在地基中所产生的竖向应力o ，。，其计算方法和天然地基中应力计算方法相同。 桩体承担的荷载p 。在地基中所产生的竖向应力采用g e d d e s 法。然后叠加两部分 应力得到地基中总的竖向应力。关于g e d d e s 法见第三章。 另外，具有结构性土类的压缩性与应力水平有密切关系，因此应该考虑土体 的先期固结压力p 。和上覆地基土体重量风的关系。若土体在附加应力印作用下 为超固结土，则： s 2 喜，去s 半 第一章绪论 若为正常固结土，则 拈喜去卜鲁+ c 。g 警j 上两式中，e 。为土体初始孑l 隙比，日，为第f 层土体厚度，c 。、c 。分别为 e l g p 曲线在p 。 p ，时的斜率。 复合地基在荷载作用下的沉降计算也可以采用有限单元法计算。在几何处理 上大体可以分为两类： 一类在土体划分上把单元分为两种：增强体单元和土体单元，并根据需要在 增强体单元和土体单元之间设置或不设置界面单元。 另一类是在单元划分上把单元分为加固区土体单元和非加固区单元，即将加 固区部分的土体和桩体部分看作整体，复合土体单元采用复合材料参数。 1 4水泥土及其复合地基的工程力学特性 在粉喷桩发展的几十年中，国内外学者采用室内外土工实验的方法系统的研 究了水泥土及其复合地基的物理力学特性，取得了许多可喜的成果。为了对水泥 土的加固机理及其复合地基的工程力学特性有进一步的了解，现总结如下： 1 4 1 水泥粉喷桩加固机理： 软土与水泥搅拌加固，是基于水泥加固土的物理化学反应过程。由于水泥的 掺量很小，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质一土的围绕下进 行，故硬化速度缓慢且作用复杂。其基本原理主要有： 水泥的水解和水化反应 离子交换和团粒化作用 硬凝反应 碳酸化作用 1 4 2 水泥土的工程力学特性 1 、水泥土的应力一应变关系 图1 1 【6 2 】表示不同的水泥掺入比( a i l ) 试件在无侧限条件下得到的应力一应 变( 口岛) 曲线。由图可见在水泥土开始受力阶段，轴向应变较小时，应力一 应变曲线基本符合虎克定律，为一近似直线；当轴向应力达到某一值时，应力一 应变关系开始弯曲，应力增量逐渐减小，应变增量逐渐加大。如果把应力一应变 曲线上开始弯曲这点对应的应力称为水泥土的“比例极限”，则试验结果表明， 水泥土的比例极限是其极限强度的7 0 9 0 。水泥土受压破坏时，轴向应变 浙江大学硕士学位论文 很小，一般为1 2 。由于水泥土的应力一应变关系是非线性的，尤其在应 3 j 3 力 2 j 垂盘。 b l j l o j 0 i 母o0 3o 一0 j o 石 f ， 力较高时，这种非线性更 为明显，因此水泥土的弹 性模量应考虑为变形模 量。变形模量随着应力的 增大而降低，工程上一般 用极限强度的5 0 时的应 力与应变的比值所得到割 线模量扇来表示。当水泥 土的无侧限抗压强度在 0 1 2 o m p a 范围时，昂 一般是乳的8 0 1 5 0 倍。 它们的近似关系式是： 图1 1 ：水泥加固土应力一应变曲线 e s o = 1 2 0 q ( 1 1 5 ) 2 、水泥土的无侧限抗压强度及其影响因素 水泥土的无侧阻抗压强度是我们最常用的水泥土强度。国内外数十年的研究 3 h 1 0 2 5 i - 0 2 b b o 1 5 0 0 lo o f ) s 0 如 o l23 表明：影响水泥土无侧限 抗压强度的主要因素为水 泥掺合比，水泥种类和标 号，养护龄期，土中含水 量、土中有机质含量、外 加剂及养护条件等。图 1 2 1 1 3 为不同掺入比的试 块龄期与抗压强度的关 系。在实际工程应用中， 为了获得必要的强度，口。j 不应过低，4 _ ba 。过高则不 l56 t 月，经济，一般取1 0 1 5 。 图卜2 ：不同水泥掺入比试块龄期与抗压强度的关系 3 、水泥土的抗剪强度 图卜3 4 0 为水泥土在相同龄期、相同垂直荷重下，掺入比d 。与抗剪强度7 ，的 关系曲线，图1 4 1 4 0 为水泥土在相同荷重、相同掺入比下，抗剪强度r ，与龄期d 第一章绪论 的关系曲线。由图可知水泥土的抗剪强度在初期随龄期的增长而增大，但在龄期 达到2 8 d 后，增长缓慢，到9 0 d 几乎没有增长。同时抗剪强度也随掺入比的增大 而增大，水泥掺入比从1 2 增长到1 5 ，抗剪强度增长较大，但从1 5 增长到2 0 ， 抗剪强度增长不明显，说明无论从经济效益，还是从增大水泥土的抗剪强度效果 来说，掺入比控制在1 5 左右最好。 嚣鋈蔷拓? 寨3 0 0 差垂缍麓 图卜3 ：水泥土掺入比与抗剪强度关系图 4 、水泥土的压缩特性 图1 5 【8 3 】为一典型的水泥土试 样的p 7 压缩曲线。由图可以看出， 试样的压缩变形随着垂直压力p 的 增大而增大，当垂直压力小于某值 时，试样的压缩变形很小，当垂直 压力大于该值时，压缩变形明显增 大。t a t s u r oo k u m u r a ( 1 9 8 9 ) 定 义该垂直压力为屈服压力p ，。它随 水泥掺入比和置换率的增大而增大。 1 4 3 粉喷桩复合地基性状 一、粉喷桩复合地基的固结 特性 由于在粉喷桩复合地基 中桩与土的弹性模量之比往 往大于1 ，在路堤填土作用下， ： 嚣怒竺三篓慧三苎苎三量餮， 5 4 一一一1 2 “ 彝要至要三三三兰蕊 4 * - 一” 纂竺震要三兰苎三! ! ! ! 三鬻一m 藉二二三。 箍= 竺苎烹差苎! ! 三三要萋黔m ? 扣，黄4 2 2 2 号卜 付翱d 。d 图卜4 ：水泥土抗剪强度与龄期关系图 p t u k ) 3 0 0 2 1 0 0 - 3 0 桩体上存在着应力集中现象， 桩间土的应力相应减少，这势 2 5 必对复合地基的固结特性产生影响。 图卜5 ：水泥土的e p 压缩曲线 l o3 0 oi o7 0 图1 - 6 ：粉喷桩复合地基的固结特性 如图1 6 1 卅所示，虽然桩体是排水性能很差的水泥土，但是超静孔压的增长 生_ 8 i 0 随吼聃 m 嫩蹶峨 浙江大学硕士学位论文 和消散仍比较明显。 二、粉喷桩复合地基的应力特性 图卜7 f 7 8 1 为通过粉喷桩复合地基静载试验测得的荷载板下的反力曲线，由图 可以看出，它与传统的天然 地基荷载板下反力呈马鞍 形分布截然不同，在桩顶范 围内应力集中明显，并随着 荷载的增加而加剧，但是可 以看出，桩间土反力仍然保 持着马鞍形的分布。 桩土应力比7 ，即桩顶 应力与桩间土平均应力之 比，是反映粉喷桩复合地基 应力特性的一个重要参数。 t li 量土il i 土j 王ii “ 飞彰 必 健阉士 幢律 畦阃圭 一( k p 囊) 一7 l 。5 k h 1 3 s 1k p a 2 0 。8 丘p a 2 7 1 5 k p a 也是计算复合地基承载力和图卜7 ：静载试验得到的荷载板下的反力分布图 沉降的重要指标。它与荷载水平、桩土模量比、桩土面积置换比、原地基土强度、 桩长、固结时间和垫层等因素有关。因为影响桩土应力比的因素比较多，所以其 理论计算是较困难的。国内外学者在各自假设条件下提出了不同的计算公式，但 至今尚无一个被工程界接受的较完善的计算模式。关于它本文将在第三章进行详 细讨论。 三、粉喷桩复合地基的承载力特性及其取值 粉喷桩在荷裁作用下，处于上部的桩首先受到压缩，一部分荷载往下部桩 传递的同时另一部分则在桩与桩间土之间形成摩阻力，桩身荷载通过桩侧摩阻 力传递到桩周土层中去，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。随着荷载的 逐级施加，桩身压缩量和位移量不断增大，桩身下部的摩阻力随之进一步发挥， 当桩侧摩阻力全部发挥至极限状态后，桩端产生位移，桩端阻力表现出来，荷载 增量将全部由桩端土承担。根据关资料表明，上部荷载传至桩端的有1 0 左右， 说明粉喷桩复合地基中桩主要由桩侧摩阻力承担荷载，粉喷桩主要表现为摩擦型 桩的特征。 粉喷桩复合地基的承载力可以通过理论计算的方法得到，也可以通过现场 载荷试验得到。 1 、地基承载力理论计算 在建筑地基处理技术规范中中，粉喷桩复合地基的承载力标准值是采 用下式： 第一章绪论 厶，。= ! 一+ ( 1 一m ) 工。 ( 1 1 6 ) a ， 式中心。一单桩竖向承载力标准值； 聊一粉喷桩面积置换率； 工。一桩间天然地基土的承载力标准值； 彳。一桩的截面积； 口一桩间土的承载力发挥度系数，如桩间土为软土时，取o 5 lo ；当 桩间土为硬土时，可取0 1 0 4 ；当不能考虑桩间软土时，可取零。 2 、现场载荷试验 确定粉喷桩复合地基承载力的一种重要手段就是现场的载荷试验，它包括 单桩载荷试验和复合地基试验。根据现场载荷试验获得的数值，可以绘制桩顶荷 载p 与桩顶沉降占的关系曲线。图卜8 【8 3 】为一典型的粉喷桩复合地基载荷试验得 到的的h 曲线。 按规范要求，根据户s 曲线，取沉降s = o0 0 4 00 1 b ( b 为荷载板的宽度或 者直径) 时所对应的荷载为承载力的基本值。 杨从军等【4 9 】( 2 0 0 0 ) 提出了根据肛s 曲线的拐点来确定承载力的方法。 卢应发等【8 4 ( 1 9 9 5 ) 提出把卜s 曲 线划分为四段：摩阻力段、过度前段、 过度后段、桩端反力段，据此提出了 种以卜s 曲线求解任一级荷载下的摩 阻力、端承力及摩阻力产生的桩身变形、 端阻力产生的桩身变形的方法( 简称 f t m 5 ) 。 蔷 3 、承载力影响因素 粉喷桩复合地基的承载力除了和地 基土的性质有关外，主要与以下因素有 关： ( 1 ) 、水泥掺入比的影响。粉喷桩 复合地基承载力随水泥掺入比的增加而 提高。但过高的掺入比会带来成本的提高，图卜8 ：粉喷桩复合地基载荷试验曲线 在实际工程中一般取1 0 1 5 。 ( 2 ) 、桩长的影响。粉喷桩复合地基承载力随桩长的增加而提高，但根据顾 浙江大学硕士学位论文 尧章( 1 9 9 2 ) 等研究表明：粉喷桩存在临界桩长，。，在临界桩长，。范围内，粉喷 桩复合地基承载力随桩长的增加而提高，但超过临界桩长，。后，再增加桩长，它 对承载力的提高影响已不明显，并且经济效果也将下降，并由此推出了粉喷桩的 临界桩长表达式： ，。1 5 。忆e p1 l l 3 2 以( 1 + + 2 “) ) - ( 1 一1 7 ) ( 3 ) 、置换率的影响。粉喷桩置换越大，复合地基的承载力也越越高，此时 加固体具有更好的整体性。当置换率较小时，由于桩与桩之间距离较大，相互之 间不能形成一个良好的整体，因而在较小的荷载下桩身发生剪断，从而使粉喷桩 复合地基承载力降低。 ( 4 ) 、群桩效应的影响。当粉喷桩复合地基的水泥掺入比较大时( 如大于 2 0 ) ，粉喷桩桩身相对桩间土而言，其刚度很高，此时应考虑群桩效应。 周国钧【7 7 】( 1 9 8 7 ) 、林琼【7 5 】( 1 9 8 9 ) 的研究表明：就提高粉喷桩复合地基的 承载力而言，水泥掺入比对承载力的影响最为明显，增加桩长要比增加置换率的 效果好。 四、粉喷桩复合地基的沉降特性 1 、粉喷桩复合地基计算理论 目前各类计算粉喷桩复合地基沉降的理论大多沿用前面所述的复合地基沉 降计算方法。由深层搅拌法在地基中形成的粉喷桩属于柔性桩。它与碎石桩等散 体材料桩不同。散体材料桩是依赖于桩周士的围压作用才能形成桩体，其单桩承 载力也主要取决于桩周土能提供的侧限力。它与钢筋混凝土等刚性桩不同，刚性 桩在荷载作用下桩身压缩极小，桩顶沉降与桩底端竖向位移两者接近相等。粉喷 桩承载力与桩周土围压也有关系，但主要取决于桩侧摩阻力的发挥。桩体的可压 缩性使其荷载传递规律不同于钢筋混凝土桩。近些年来，对粉喷桩的荷载传递特 性，沉降特性做了系统研究，得到许多有益结论，如水泥粉喷桩桩存在临界桩长， 超过l 临界桩长，增加桩长并不能提高单桩承载力。群桩的临界桩长比单桩的要大。 水泥粉喷桩的最大轴力往往发生在距桩顶3 5 d 处，桩体的破坏常常是沿径向拉 开裂缝破坏。 由粉喷桩和桩间土形成复合地基可以有效提高地基承载力，减少建筑物沉 降。复合地基加固区沉降很小，通常小于3 e r a 。复合地基沉降主要发生在加固区 下卧层。与天然地基相比，加固区的压缩量比对应厚度的天然地基土层压缩量大 大减少，而下卧土层由于加固区存在，高应力区降低应力水平，扩大高应力区范 第一章绪论 围并向下位移，下卧层压缩量增加。综合两者复合地基沉降大为减小。若天然地 基渗透性更小，则下卧层固结需较长时间，最终沉降需要很久，也许需要几年或 更长时间，才能完成。这也许是某些工程采用喷粉桩处理后短期沉降很小的原因。 2 、影响粉喷桩沉降的主要因素 ( 1 ) 、桩长对沉降的影响 粉喷桩的强度和压缩模量介于刚性桩和柔性桩( 散体材料桩) 之间。桩顶荷 载通过桩侧摩阻力和桩底阻力传递给土体，同时桩体发生侧向膨胀，且主要发生 在桩顶以下一定长度范围内，该段桩体是粉喷桩的主要受力区。粉喷桩的主要破 坏形式是桩体的环向拉伸导致沿径向开裂破坏。此外，桩体也可能发生压碎破坏。 当地基中的滑动面穿过桩体时，还有因剪切破坏导致断桩的情况。研究表明，粉 图1 - 9 ：沉降随桩长的变化关系图 f c _ 罹 ( 2 ) 、水泥掺入量对沉降的影响 图1 1 0 1 4 4 为某一特定 条件下水泥掺入量对沉降的 影响关系曲线。由图可以看 出，沉降在水泥掺入比较低时 对降低沉降的作用十分明显。 但在水泥掺入比达到l5 左右 时，它已经不能大幅度的降低 沉降，因此盲目的想通过增大 水泥掺入比来降低沉降的办 法效果并不好。 2 8 2 6 互 q 2 2 2 2 0 喷桩存在临界桩长，超过临界桩长， 增加桩长并不能减少地基沉降。图 1 - 9 1 4 4 1 为某一特定地质条件下桩长 对沉降的影响图，由图可见，当桩 长超过1 5 m 后，它对降低沉降的作 用已经不明显了。段继伟等【7 4 】 ( 1 9 9 3 ) 利用同心圆桩法，基于沉 降变形的定义，导出了单桩加载条 件下临界桩长计算公式( 相关系数 含义见有关文献 7 4 】) ： ( 1 - 1 8 ) i n 。“ 图卜1 0 ：水泥掺入量对沉降的影响 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 、置换率 置换率越大，路堤沉降越小，但过高的置换率会引起造价过高。 ( 4 ) 、加荷速率 合理的加荷速率对降低沉降特别是工后沉降有重要影响，如果加荷速率过 大，会引起下部超静孔隙水压力太大，孔压消散缓慢，对工后沉降不利。 此外，现场土质条件、桩体上部是否复搅等因素也对沉降有影响。 1 4 4 粉喷桩复合地基在路基加固中的作用 依据粉喷桩的加固机理及其特点，它在路基工程中得到了广泛应用。它具有 以下特点： 1 、桩体作用 由于粉喷桩的刚度比桩身周围其它土体大，因而在路堤荷载作用下，复合地 基中的应力将按材料模量进行分布。因此会产生应力集中现象，大部分的荷载由 桩体承担，作用在桩i e 土a = 的荷载相应减小。这样使得复合地基的承载力比原来 的地基有所提高，同时沉降量减少。 2 、垫层作用 粉喷桩通过喷射水泥粉与地基土均匀搅拌成硬结成桩体，并与桩间土形成复 合地基，显然这一层的力学特性远远优于原来的天然地基，起着均匀应力和增大 应力扩散角的作用。在粉喷桩没有打穿整个软土层时，粉喷桩复合地基所起的垫 层作用更加明显。 3 、挤密作用 由于粉喷桩在形成过程中不用再向地基中加入附加的水分，反而使桩体中的 水泥粉对周围软土具有吸水、发热和膨胀的作用，对桩周围土体同样可起到挤密 效果。 4 、加筋作用 粉喷桩除了能提高地基的承载力外，还可以提高土体的抗剪强度，增加软土 路堤填筑的稳定性，减小了地基的侧向变形。 1 5 问题的提出及本文的任务 1 5 1问题的提出 虽然粉喷桩已经在实际工程中得到广泛应用，但关于粉喷桩很多问题还没有 在理论上取得突破，总的来说，是理论落后于实践。主要问题有：设计计算方法 还不成熟，其中包括荷载传递性状、桩土共同作用机理、沉降计算方法、承载力 计算方法等。 第一章绪论 路堤荷载下应用粉喷桩加固软土地基后，我们所关心的有两个问题，即地基 承载力和地基沉降问题。这两个问题是相关联的。在过去的工作中，对软土路堤 的设计偏重于稳定性分析。认为只要满足稳定性要求其它是次要的。因为不论铁 路或公路上行驶的车辆，大多以中低速运行，对路堤沉降无须严格控制。如今高 速公路的出现，以及城市道路下管线对沉降的要求，使得对路基变形的要求非常 突出，于是人们达成共识：路基由稳定控制转为变形控制。 粉喷桩加固软土地基后，桩顶荷载在桩间土中产生的附加应力可以分为桩侧 摩阻力和桩端荷载分别作用产生的附加应力。多项研究表明，粉喷桩的桩端力几 乎没有，一般在计算中认为为零。桩土应力比是随着桩的稳定及荷载大小而不断 变化的，最后趋于稳定值。而桩侧摩阻力是不是按倒三角分布或者在桩顶下 1 m 左右达到最大有待进一步研究。目前对于桩土应力比及桩侧摩阻力的分布问 题有不同的见解，而这两个问题对于复合地基的沉降有决定性的影响。 目前，各种关于粉喷桩复合地基沉降计算的各种方法大多数都假定荷载是一 次骤然施加的，而实际上荷载是分级加荷的，如何在计算中考虑这一不同，是值 得我们讨论的问题。 1 5 2 本文的任务 l 、通过原型观测试验来研究粉喷桩加固软土地基后，路基沉降、水平位移 的分布情况，以检验加固效果。 2 、通过现场试验来研究粉喷桩的桩身受力及荷载沿桩身的传递规律，通过 分析桩土应力比的变化来研究桩土之间如何分担上部荷载，并根据地基土的孔压 消散情况来分析地基的沉降情况。 3 、根据假定的桩侧摩阻力沿桩身的线形分布，联合应用b o u s s i n e s q 解和 m i n d l i n 解求解桩土复合地基中的沉降，以实际工程作为算例进行应用，并和实 测结果相校核。 4 、应用有限单元法来分析分级加载情况下粉喷桩加固软土地基的情况，以 b l o t 固结理论为计算理论，应用有限元程序，得到不同时刻的地基沉降，水平位 移，超静孔压力，应力，应变值，并与实测结果相比较，以对粉喷桩的受力特性 有进一步认识。 5 、对路堤荷载下粉喷桩加固软基后沉降的计算发展前景及还存在的问题进 行展望和分析。 浙江大学硕士学位论文 第二章路堤荷载下粉喷桩加固软基试验研究分析 2 1 概述 路堤荷载下粉喷桩加固软基后，其本身受力特性、加固效果等是人们一直研 究的课题。由于软土地基工程地质条件的复杂性及目前理论公式或半经验公式的 不完善，通过这些公式计算出来的结果与现场实际测量结果通常存在一定差异。 为保证软基路堤的施工质量，软土工程技术己从强度控制提高到变形控制。因此 有必要通过现场观测资料来弥补理论上的不足，以积累经验。为此，我们选择在 杭州绕城高速公路( 北线) 进行了现场试验研究，以期对这些问题有更深一步的 认识。 2 2 试验概况 杭州绕城高速公路是杭州规模最大的基础设施建设项目，它总长1 2 3 公里， 总投资近7 0 亿元。它以钱塘江为中轴，环绕城区外围，将杭甬、沪杭、杭宁、 杭金衢四条高速公路，以及1 0 4 、3 2 4 国道和o l 、0 2 、0 3 三条省道相互连接，为 杭州构筑起现代大都市网络化、快速化的交通框架。建设杭州绕城高速公路，是 实现杭州市“一个半小时交通圈”和浙江省“四小时交通圈”战略构想的关键一 步。绕城公路建设分西、北、东、南四段实施。本次大型路堤荷载下粉喷桩加固 软土地基试验，是在杭州绕城高速公路北段进行的。这一路段软基深厚，一般可 达2 0 m ，最大可达3 0 m ，具有单层和双层软土两种典型结构，且以双层软土结构 为主。在杭州地区的以往高速公路建设中，未能很好地解决软土地基上路堤工后 沉降及桥头差异沉降过大所引起的工程质量问题。为此有必要结合此路段进行现 场试验研究，分析此地区软土地基的工程性质，选择合适的软土地基处理方法， 合理地确定路堤填筑过程间歇时间及超载量，控制路堤施工过程中的路基稳定及 工后沉降，以满足相关标准。 试验段取k 2 8 + 3 9 0 、k 2 8 + 8