（道路与铁道工程专业论文）长短桩复合地基在山区高速公路软土地基中的应用研究.pdf

l 一一 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。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作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：岛d 缘日期：刃f 年垆月拓 重庆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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：马l j 、存、 日期：力吲年中月f 矽日 指导教师签名 日期：莎唧年争月f 莎日 l i p 川川川川 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：弓u 、尔 日期：沙1 年印月f 铲日 指导教师签名： 日期：参f f 年缈月日 摘要 随着我国经济建设的迅猛发展，高速公路建设突飞猛进，道路施工过程中出 现的软基处理问题日益突出。而山区软土因其复杂的变形机理和多样的影响因素， 使得山区软土地基变形规律及处理方法的研究成为高速公路建设的一个重要课题。 论文依托贵州省交通厅科技项目“贵州山区高速公路软基处理关键技术研究 与示范工程 ，在分析和总结了已有研究成果的基础上，对软土地基的定义、软土 在我国贵州的分布情况以及软土地基处理的方法进行了概述；综述了复合地基的 形成条件和基本理论，进而提出了长短桩复合地基的产生和适用条件，研究了长 短桩复合地基的加固机理，并回顾了长短桩复合地基的研究状况；对长短桩复合 地基的承载力和沉降设计理论进行了研究，提出了长短桩复合地基的承载力和沉 降计算模式；采用p l a x l s 有限元方法建立了长短桩复合地基柔性荷载下应力和沉 降分析的有限元模型，从刚、柔桩交错布置的长短桩型复合地基的c f g 桩桩长、 碎石桩桩长、桩间距和褥垫层厚度变化等方面运用p l a x l s 数值模拟仿真分析方法 对复合地基桩土应力、沉降变形特性进行了对比分析，总结出了长短桩组合地基 中c f g 桩和碎石桩的传力特性，得出了c f g 桩和碎石桩桩长、桩间距及褥垫层厚 度的合理取值范围。这些参数的合理取值范围为实际工程中的刚性长桩与柔性短 桩复合地基按沉降控制的优化设计提供了参考依据。 研究结果为长短桩复合地基的应用提供了理论依据，对于进一步发挥长短桩 复合地基在软基处理上的优势，提高贵州省高速公路使用质量、延长使用寿命具 有十分重要的现实意义及实用价值。 关键词：软土地基；长短桩复合地基；承载力；沉降；有限元分析 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to f o u rc o u n t r y se c o n o m y , t h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y s a n dp r o b l e m si n v o l v e di ns o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n ts t o o do u lw h a t s t h et h ec o m p l e x i t yo fd e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ed i v e r s i t yo fi t s i n f l u e n c i n gf a c t o r s , f o u n d a t i o nd e f o r m a t i o nl a wa n dt r e a t m e n t so fm o u n t a i n o u ss o f ts o i l h a sb e c d m ea ni m p o r t a n tt o p i c a r 盱l e a r n i n gt h ep r o j e c t r e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i o np r o j e c to ng u i z h o up m v i n c e o fg u i z h o um o u n t a i n o u sa r e ah i g h w a ys o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n tk e yt e c h n o l o g yn ，o n t h e b a s i so ft h ee x i s t i n gr e s e a r c ho fs o f ts o i lf o u n d a t i o n , t h ep a p e ra n a l y z e da n d s u m m a r i z e dt h ed e f i n i t i o n , t h ed i s t r i b u t i o na n dt h em e t h o d s o fs o f ts o i li ng u i z h o u i tr e v i e w st h ef o r m i n gc o n d i t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o na n db a s i ct h e o r y , t h e n p r o p o s e st h el e n g t hp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dt h ef o r m a t i o no ft h ea p p l i c a b l e c o n d i t i o n , s t u d i e dt h el e n g t ho fp i l ec 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 c h a n i s m , a n dr e v i e w st h el e n g t ho fp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nr e s e a r c hs i t u a t i o n ；i ts t u d i e dt h e l e n g t ho fp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n td e s i g nt h e o r y , a n d p u tf o r w a r dt h el e n g t ho fp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n t c a l c u l a t i o nm o d e ；p l a x i sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a se s t a b l i s h e db yl e n g t ho fp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rs t r e s sa n ds e t t l e m e n to ff l e x i b l el o a df i n i t ee l e m e n tm o d e l ， t h el e n g t ho ft h es o f tp i l ec r i s s c r o s sd e c o r a t e sc f gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no f p i l e t y p eg r a v e lp i l el e n g t h , l o n g , p i l es p a c i n ga n dc u s h i o n ss e l e c t e dc h a n g e sp l a x i s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nu s i n gt h es i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n s e t t l e m e n to fp i l es o i ls t r e s s ，s u n l m a r 泌st h ep i l ef o u n d a t i o na n ds o f tc o m b i n a t i o no f r i g i dp i l ea n df l e x i b l ep i l e ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ef o r c et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r i g i dp i l ea n df l e x i b l ep i l el e n g t h , p i l es p a c i n ga n dt h er e a s o n a b l ec u s h i o ms e l e c t e d s c o p e t h er e a s o n a b l es c o p eo f t h e s ep a r a m e t e r sf o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n gw i mt h er i g i d l o n gp i l e so ff l e x i b l es h o r tp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o n d e s i g no f t h es e t t l e m e n tc o n t r o lp r o v i d e sr e f e r e n c eb a s i s t h er e s u l t so ft h er e s e a r c ho fp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o no f l e n g t ho fp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n , i td og o o df o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fg u i z h o u p r o v i n c eh i g h w a yp a v e m e n te x t e n d i n gp a v e m e n tl i f ea n di so fg r e a tp r a c t i c a lv a l u e l k e yw o r d s ：s o f ts o i l f o u n d a t i o n ；l o n g - s h o r t - p i l ef o u n d a t i o n ；b e a r i n gc a p a c i t y ； g r o u n ds e t t l e m e n t ；f i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i s 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 软土概况1 1 2 1 软土的定义、分类及软土的工程特性1 1 2 2 贵州软土分布及特点3 1 2 3 软土路基病害及常用软土地基处理方法5 1 3 选题意义9 1 4 本文研究的主要内容1 0 第二章复合地基基本理论1 2 2 1 复合地基的简介1 2 2 1 1 复合地基的定义、特点和分类1 2 2 1 2 复合地基形成条件1 3 2 1 3 复合地基常用概念n 刁1 6 2 2 长短桩复合地基概述1 8 2 2 1 长短桩复合地基的产生及其概念1 8 2 2 2 长短桩复合地基的研究现状1 9 2 2 3 长短桩复合地基的适用条件2 1 2 2 4 长短桩复合地基的加固机理及桩型布置2 2 2 3 本章小结2 5 第三章长短桩复合地基承载力计算2 6 3 1 承载力计算的基本原则2 6 3 2 长短桩复合地基承载力计算2 7 3 3 本章小结3 1 第四章长短桩复合地基沉降计算3 2 4 1 复合地基沉降计算的基本原则3 2 4 2 长短桩复合地基沉降计算3 4 4 2 1 加固区土层压缩量的计算方法3 5 4 2 2 下卧层土层压缩量的计算方法3 8 4 2 3 长短桩复合地基沉降计算4 1 4 3 本章小结4 3 第五章长短桩复合地基有限元分析4 5 5 1 有限单元法及p l a x i s 有限元分析4 5 5 2 长短桩复合地基施工阶段的数值模拟4 7 5 2 1 计算模型的建立4 7 5 2 2 施工阶段的数值模拟和仿真研究4 8 5 3 柔性荷载下长短桩复合地基影响因素分析5 5 5 3 1c f g 桩桩长影响分析5 5 5 3 2 碎石桩桩长影响分析5 8 f 一 5 3 3 桩间距影响分析6 1 5 3 4 褥垫层厚度影响分析6 3 5 4 本章小结6 6 第六章长短桩复合地基设计与工程实例6 7 6 1 长短桩复合地基设计步骤6 7 6 2 长短桩的设计参数6 8 6 3 工程实例6 9 6 3 1 工程概况6 9 6 3 2 工程地质与水文状况7 0 6 3 3 长短桩复合地基设计7 1 6 4 本章小结7 4 第七章结论与展望7 5 7 1 结论7 5 7 2 展望7 5 致谢7 7 参考文献7 8 在学期间发表的论著与取得的科研成果8 0 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国地域辽阔，地质情况复杂多变，其中软土在我国分布广泛，给公路工程 建设带来了巨大的负面影响。道路选线应尽可能避开软土地区，但是有时又不得 不将路线选在软土地基上，所以，对软土地基变形规律的研究及处理成为公路工 程建设中亟待解决的问题。 软土地基变形规律的研究是岩土界的一个古老的课题，所涉及的问题广泛且 多变，具有极大的研究空间。近2 0 年来，高等级公路进入快速发展时期，高速公 路基本已经遍布全国各地，对软土路基处理的问题已成为影响工程造价和道路使 用质量的突出矛盾之一。我国软土地基分布比较广，因此，在公路建设过程中做 好软土地基的处理及变形控制是保证工程质量的关键。 1 2 软土概况 1 2 1 软土的定义、分类及软土的工程特性 软土的定义 软土的定义各专业技术部门都不尽相同，国内外也均无统一的结论。公路行 业在交通部 公路工程名词术语中定义软土主要是由含水量大、压缩性高、承 载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土，并解释淤泥为“在静水或缓慢 的流水环境中沉积并含有机质的细粒土，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大 于1 5 ；当天然孔隙比小于1 5 而大于1 0 时成为淤泥质土一。公路软土地基路堤 设计与施工技术规范中定义软土是滨海、湖沼、谷地河滩沉积的天然含水量高、 孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。铁路工程设计技术手册中，对软 土的解释为：“软土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成的 饱和软弱粘性土。 中国建筑工业出版社 工程地质手册( 第三版) 对软土的解释 为：“软土是指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种软塑到流塑状态的粘 性土，如淤泥、淤泥质土以及其它高压缩性饱和粘性土、粉土等 。 我国 岩土工程勘察规范中规定：天然孔隙比大于或等于1 o ，且天然含水 量大于液限的细粒土应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等，其 压缩系数大于0 5 m p a - 1 ，不排水抗剪强度小于3 0 k p a 。 尽管各行业对软土的定义有所差别，但都体现了软土的共同特征：软土应是与 2 第一章绪论 土质、工程性质相关的高空隙比、大含水量、低强度、高压缩性及低渗透性的以 粘性土为主的软弱土层的统称。 软土的鉴别 国内外各行业对软土的鉴别是依软土的若干特征指标划分的，采用的具体指 标各不相同。我国铁路部门建议以下列指标作为区分软土的界限：天然含水量接 近或大于液限；空隙比大于l ；压缩模量小于4 0 0 0 k p a ；标准贯入击数小于2 ；静 力触探贯入阻力小于7 0 0 k p a ：不排水强度小于2 5 k p a 。 我国建设部 ：软土地区工程地质勘察规范规定凡符合以下三项特征即为软 土： 1 ) 外观以灰色为主的细粘土； 2 ) 天然含水量大于或等于液限； 3 ) 天然空隙比大于或等于1 0 。 软土的鉴别指标叨如表1 1 所示。 表1 1 软土鉴别指标 t a b l e1 1i d e n t i f i c a t i o no fs o f ts o i l 直剪内摩擦十字板剪切强压缩系数 土类天然含水量( )天然孔隙比 角( )度( k p a ) ( m p a - 1 ) 粘质土 3 51 o 宜小于5宜大于0 5 有机土液 3 5 粉质土 3 0 限 0 9 0 宜小于8宜大于0 3 软土的分类 我国软土分布十分广泛，滨海平原、河口三角洲、湖盆地周围、山间谷地均 有分布，其形成绝大部分在全新世的中晚期，个别软土层会形成于全新世的中期 以前。就软土的的成因类型划分，可分为滨海相软土、溺谷相软土、三角洲相软 土、河漫滩相软土、谷地相软土、湖相软土和沼泽软土等。在云贵的山地型软土， 是泥灰岩、炭质页岩、泥沙质页岩等风化产物和地表的有机质经水流搬运沉积于 低洼处，长期饱水软化或间有微生物作用而形成的，属坡洪积、湖积和冲积为主 的软土。 软土的工程性质脚 1 ) 天然含水量高和大空隙比。软土的天然含水量一般都大于3 0 ，有的达7 0 ， 甚至高达2 0 0 ，多呈软塑或流塑状态，一经扰动很容易破坏其结构而流动。含水 量往往与液限呈正比关系变化，即随着液限增加，含水量也随之而增加。含水量 第一章绪论 3 大是软土的主要物理特征之一。 软土的空隙比e 在1 0 2 0 之间，空隙比越大，说明土中空隙所的体积愈大， 则土质愈松，愈易被压缩，土的力学强度愈低。 2 ) 高压缩性。高压缩性反映在构筑物的沉降方面为沉降量大。软土的压缩系 数一般都在0 5 - 2 o l 岍a - 1 以上，最大可达4 5 1 l p a - 1 。压缩性随天然含水量及液限 的增加而增加。 3 ) 透水性低。由于大部分软土底层中存在着带状砂层，所以在垂直方向和水 平方向的渗透系数k 值不一样，一般垂直方向几乎是不透水的。因此，软土的排 水固结需要相当长的时间，同时，在加载初期，地基中常出现较高的孔隙水压力， 影响地基土的强度。 4 ) 触变性。软土是“海绵状 结构性沉积物，当原状土的结构未受到破坏时， 常具有一定结构强度，但一经扰动，结构强度便被破坏。为此软土地基受振动荷 载后，易产生侧向滑动、沉降等现象。 5 ) 低强度。反映在构筑物的稳定方面，易造成地基的破坏或过大的变形。 软土地基是指在地表下相当深度范围内存在软弱土层的地基，具有强度低， 压缩性大、透水性小等特点。软土地基的强度、变形随时间的变化而变化，其变 化规律与土的类别、性质、边界排水条件、受荷载形式、时间等诸多因素有关。 软土地基如不进行处理或处理措施不当，将会造成高速公路路基强度低、工后变 形大、路基产生沉降和不均匀沉降、结构物下沉等问题，导致路基失稳、沉陷， 路面变形开裂等工程破坏，严重影响道路的正常使用。 1 2 2 贵州软土分布及特点 山区软土跚的特殊性 根据调查资料，山区软土除了具有一般软土的含水量高、孔隙比大、压缩性 高等特点外，同时又具有其自身的一些特性： 1 ) 软土成分的复杂性 山区软土多以坡洪积、重力堆积物质为主，其沉积物质分选条件极差，土质 不纯，既有经过长距离搬运的粘土、砂粘土及有机物质，还有滞留在原地的残积 土，甚至还保持母岩结构的碎屑状基岩风化物。时常发生的崩塌、滑坡、暴雨、 泥石流等山区地质灾害正是这些不同软土成分不断搬运和堆积的动力，这种由搬 运到堆积甚至经过再搬运到再堆积的过程就导致山区软土组成成分的多样性和复 杂性。 2 ) 结构组成的特殊性 4 第一章绪论 山区地形复杂，山包与沟谷相间存在，有些软基分层存在于山包之间的“掌 心形 地貌之下一定深度。由于周围山包较高，这种软土的地势会高于周围沟谷， 较凹处排水通道因四周山体崩塌而被阻断，雨水会沿着下部砂质透水层缓慢排出， 最上层会有一层一般软土，下面一层砂质透水层，然后是较硬硬壳层，下面再有 一层沟谷软土。 3 ) 软土分布的不均匀性 软土在分布上具有不连续性和不均匀性。主要由于地形、地貌条件的不同决 定了山区地表高差较大，加上基岩大都埋藏较浅，且基岩表面倾斜，使得软土随 地势的变化呈现出不连续分布状态。在一些沟谷段，软土水平分布面积和总厚度 都不大，有时相距仅几米，厚度竞相差数十米。对路基来说，由于软土层的厚薄 不匀、软硬不一，软土地层本身的坡度又较大，使得同一场地软土的承载力和沉 降变形也有很大差异，所以，极易造成道路变形和破坏。 4 ) 软土的隐蔽性 山区软土成因类型中，以坡洪积相分布最广，所以，沉积过程中常有腐殖质 夹层及一些透镜体形成。由于不同成分软土其渗透性有差别，在这些深度不同的 夹层处常易形成饱水带，使得土体长期浸水并迸一步软化，大大削弱了路基的承 载力，常导致路基沉陷。同时，软土在地表长期与周围大气环境相连，加上降雨 形成的集中地表径流的影响，使得软土在自然界风化、淋蚀作用下形成一硬壳层， 导致软土具有较强的隐蔽性。 5 ) 软土物理力学性质的特殊性 对软土的主要特性，一般认为，含水量高达4 0 5 0 ，大于液限，孔隙比大 于1 0 ，塑性指数2 0 左右，压缩系数0 5 , - - , 1 0 m p a 。1 ，灵敏度系数4 - , - , 8 。山区软土也 不例外，同样具有压缩沉降量大、排水固结慢、地基稳定性差的特点。但是，对 于以软粘性土、淤泥性土为主，淤泥和泥炭土较少的山区软土来说，由于其成分 和分布的不均匀性以及特殊的地域性，使得其与别的成因类型软土的物理力学性 质有所差异，如表1 2 。 第一章绪论 5 表1 2 山区软土与其他成因类型软土物理力学性质比较 t a b l e1 2c o m p a r i n gt h ec a u s e so f m o u n t a i nt y p e so f s o f ts o i la n do t h e ro f s o f ts o i li np h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 成因类型泄湖相滨海相三角洲相 河漫滩相 山区软土 温州连云港上海南京秦巴山区华南谷地 含水量 6 34 0 - 6 15 04 0 - 5 04 4 35 0 6 7 空隙比 1 7 91 0 4 1 6 31 3 70 9 3 一1 3 21 3 81 2 0 - 1 8 0 液限 5 34 7 - 5 34 33 5 4 43 4 94 3 5 8 塑性指数3 02 0 - 2 92 01 7 - 2 02 0 31 6 - 2 3 压缩系数 1 9 30 9 - 1 51 2 40 5 o 8o 6 70 9 - 1 7 2 ) 贵州软土分布特点 随着国家交通发展和高速公路网建设的推进，近年来贵州省高速公路建设突 飞猛进，目前贵州省在建厦蓉高速公路贵州境内段、镇宁胜境高速公路等6 条高 速公路，总里程达7 0 0 多公里。贵州位于云贵高原东部，是隆起于四川盆地和广西 丘陵之间的亚热带高原地区，区内地形、地貌较复杂，气候潮湿、多雨，山间沟 壑分布较多的软土地基。与我国沿海及长江中下游平原地区普遍分布的软土不同， 贵州省的软土地基具有如下特点： a 分布广泛，但较零星、土性复杂多变，软土多分布在一些山涧谷地、河流两侧 的平缓地段，由于受地质勘查工作量的局限，很多软土到施工阶段才发现，是产 生大量工程变更的主要因素之一； b 纵横向厚度变化大，软弱层厚度不均匀，往往在较小的范围内软土层厚度急剧 变化； c 地下水较丰富，山谷软土地带一般泉水较发育，地基过湿、排水困难； d 软基处理受地形影响大，施工困难，由于软土常分布于沟壑地带，路基多为高 路堤或半填半挖路堤，大型机械难以操作，软基处理技术难度大，选择处理方案 时受到较大限制。 1 2 3 软土路基病害及常用软土地基处理方法 山区软土路基常见病害嘲 通过对山区软土的特点分析可知，山区软土成因及其工程性质有其特殊性， 从而使山区软土路基在破坏形式上也有别于一般内陆平原和东部沿海地区的软基。 在山区，大多路段一侧在山坡上，一侧与沟谷或河道并行，许多还经过冲、洪积 6 第一章绪论 扇的前缘，使软土路基很容易遭水的浸透和冲蚀，尤其是暴雨、滑坡和泥石流等 灾害的频繁发生，更使软土路基遭到严重毁坏。针对此类状况，对山区软土路基 毁坏形式嫡1 进行了分析和总结，将山区软土路基破坏的主要类型初步归纳为软基沉 陷破坏、剪切拉裂破坏、坍塌和滑动破坏3 种类型。 1 ) 软基沉陷破坏 在山区，雨水较集中，且在地表易于汇集，因此在排水不畅的路段，水很容 易浸入地基，在土体自重、行车荷载及水温变化等诸多因素作用下，地基发生不 均匀沉陷变形，引起路面破损开裂，水渗入裂缝后常导致路面“翻浆 ，形成“橡 皮路 。常表现为路面局部凹陷，行车震颤、颠簸及桥头错台跳车等现象。有些路 段位于冲、洪积扇的前缘，往往是地下水溢出带，若路基处理不当，很容易被水 浸入而导致公路毁坏( 图1 1 ) 。 图1 1 软基沉陷破坏 f i g u r e1 1s o f cg r o u n ds u b s i d e n c ed a m a g e 2 ) 剪切拉裂破坏 该类型破坏主要指软土路基在强烈行车荷载及自重作用下发生的破坏。具有 高触变性的软土在振动荷载或自重力的作用下，强度下降，表现出很强的流变性， 导致软土层侧向滑动挤出，路基发生不均匀沉降( 图1 2 ) 。主要表现为临空面一侧 或两侧的车道发生沉陷，道路出现隆起现象，在剪切和拉裂作用下，路面形成裂 缝，裂缝不断发展，并不断贯通，最终导致公路毁坏。尤其在公路弯道处，路面 受力极不均匀，更易发生此类破坏。 第一章绪论 7 图1 2 剪切拉裂破坏 f i g u r e1 2c u tr i p p i n gd a m a g e 3 ) 坍塌滑动破坏 山区公路路基的坍塌滑动破坏由剥蚀作用引起，如风蚀、流水冲蚀、泥石流 剥蚀等，主要是以水的冲蚀作用为主。软土松散，抗蚀能力弱，在雨季期，洪水 或泥石流不断冲刷沿河路基，严重的侧淘蚀作用常使路基边坡被淘空，导致路基 边坡下滑和坍塌，毁坏临河路基。尤其是高填土路堤，在不全防护的情况下，裸 露部位更易遭流水冲刷，造成路堤滑塌和路面损坏，甚至整段路基被毁掉( 图1 3 ) 。 软土路基 图1 3 坍塌滑动破坏 f i g u r e1 3c o l l a p s es l i d i n gd a m a g e 常用软基处理方法嗍 根据高速公路地基软土的不同特征、分布情况和地理环境等因素，可以采用 一种或两种以上的软土地基处理方法。当天然地基相对较为软弱，亦即是软土不 能满足工程设计的要求和变形的要求或在地震作用下有可能产生液化、震陷及失 8 第一章绪论 稳时，则先要经过人工加固处理后再修建路基。这种对软弱地基进行补强加固的 过程称为软土地基处理。 软土地基处理有许多种不同的方法，如按处理效果可分为临时处理和永久处 理；按处理深度可分为浅层处理和深层处理；按处理对象图形划分为砂性土和粘 性土处理，饱和土处理和非饱和土处理；按处理的方式又可分为化学处理和物理 处理等。 软土地基的主要特点是沉降大和强度低，显然这些特点不能满足建筑物的要 求，因此，针对这些特点也就产生了许多种地基处理方法，按照加固原理，将其 分类，如表1 3 所示。表中第一类加固法主要是认为预加的外力，使土体内水排出， 孔隙减少，颗粒之间靠近，密度加大，承载力提高；第二类加固法是在地基中掺 加物料，通过物理化学作用把土体颗粒胶结在一起，使其强度提高，刚度加大， 变形减小；第三类加固法是设法将不均匀的外荷载作用在地基表层，变成均匀的 应力分布和应变分布，受力条件得到改善，稳定性得到提高；第四类加固法是设 法在地基中加入人造材料，使加入的材料和土体共同作用，从而提高强度，可以 承受较大的水平力或垂直力。 表1 3 软土地基常用处理方法 t 曲l e1 3c o m m o nt r e a t m e n to fs o ns o i lb a s e 分类加固法作用机理适用范围 堆载预压法、砂井软土地基在附加荷载的作用下，逐渐 预压法、袋装砂井排出孔隙水，使空隙比减少，产生固 适用于处理厚 法、塑料排水板、结变形。在这个过程中随着土体超静 度较大的饱和 排水固井点降水法、真空孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应 软粘土地基。但 结法预压法、电渗预压 力增加，地基抗剪强度相应增加。沉 需要进行预压 法 降提前完成或提高沉降速率。 对不排水抗达 剪强度小于 振冲置换法、石灰以砂、碎石等材料置换软土，与未加 2 0 k p a 的软土地 第桩法、强夯置换固部分形成复合地基，达到提高地基 置换法 基，采用碎石桩 法、c f g 桩法强度的目的。 时须慎重 类 振密、表层压实法、重锤采用一定的手段，通过振动、挤压使适用于部分砂 挤密法夯实法、强夯法、地基士体孔隙比减小，强度提高，达性土、粉土和部 第一章绪论9 振冲挤密法、土桩到地基处理的目的。分粘性土。 法、砂井法、爆破 法 第 通过注入化学浆液，将土颗粒胶结在适用于浅层软 化学加注浆法、深层搅拌 一起，通过化学作用或机械搅拌，使土、湿陷性黄土 固法法、旋喷法 类土体承载力提高，沉降减小。等。 改善地适用于浅层软 第砂垫层法、拌合土 基应力使地基在外荷载作用下，受力均匀，土、湿陷性黄土 垫层法、反压护坡 和变形变形较小且均匀。等。反压法适用 类法 条件于压坡。 第 土工聚合物、加筋通过在土层中埋设强度较大的土工 适用于回填土， 四加筋法土土层锚杆、土 聚合物、拉筋、受力杆等提高地基承 作挡墙等。 类钉、树根桩法载力，减小沉降。 1 3 选题意义 地基处理技术在我国有着悠久的历史，近二十余年来取得了迅速的发展。回 顾五十余年来我国地基处理技术的发展过程，大体上可划分为五六十年代及7 0 年 代末至现在这两个阶段。在第一个阶段，砂石垫层法、砂桩挤密法、石灰桩、化 学灌浆法、重锤夯实法、堆载预压法、挤密土桩和灰土桩、预浸水法以及井点降 水等地基处理技术先后被引进及开发利用。第二个阶段也是我国地基处理技术发 展的最主要阶段。从7 0 年代末开始，由于改革开放，伴随着沿海地区和长江中下 游地区大批公路工程项目的上马兴建，对地基提出了越来越高的要求，工程建设 中遇到需要进行加固的不良地基也越来越多，地基处理己成为土木工程中最活跃 的领域之一，大批国外先进的地基处理技术被引进，从而大大促进了我国地基处 理技术的应用和研究，地基处理在我国得到了飞速发展。 尽管我国在软土地基处理技术方面已有了相当的发展，但总体上，我国地基 处理技术水平还较低。由于我国幅员辽阔，水文、地质、地形、地貌条件的差异， 导致不同地区分布的软土地基土性、组成、范围、边界条件、地下水等情况差异 巨大，相对而言，我国沿海及长江中下游地区软土分布较集中，针对这一地区的 软基处理技术研究较多，而针对贵州这种典型山区沟壑地形、地下水和降水丰富， 土性、厚度、分布变化较为复杂的山区软土地基处理技术，国内尚未系统开展研 1 0 第一章绪论 究，尚存在以下突出问题： 贵州山区软土地基较强的区域性特点、特殊土性及分布未得到足够重视和 研究，作为一种我国广泛分布但又具有很强区域特点、工程性质不良的特殊土类， 软土正引起学术界与工程界的广泛关注。但贵州大部分地区为山地，由于软土性 质特殊且复杂，尤其是山区软土地基随机零星分布，组成具有自身特点、范围和 厚度变化大、地形和地质条件复杂、地下水状况不明、年降雨量大，针对贵州软 土地基工程性质特点的理论分析明显不足； 软基处理可选择的方法多，但针对性不足，由于山区软土土性复杂多变和 软土分布具有不均匀性、间断性等特点，加之受地形条件和地勘工作量的限制， 设计阶段难以了解公路沿线所有可能存在的软土地基，许多软基施工阶段才暴露 出来，而单一的处理方法难以适应山区软基变化多样的特点，导致设计阶段确定 的处理方法缺乏实用性和针对性； 现场变更多，方案不易确定。由于设计文件的覆盖性不强，导致建设项目 在实施过程中出现大量工程变更，由于受工期、人员组成、现场技术条件等制约， 尽管目前应用于软基处理的方法很多，但短时间内难以针对工程现场实际情况做 出科学合理、经济实用的处理方案决策，造成处理效果差、工程费用和工期难以 控制，项目建成后隐患严重。 综上所述，鉴于贵州省山区高速公路建设中面临较为复杂的软土地基，加之 潮湿、多雨的气候条件，同时其软土路基的破坏形式也有别于内地平原区和滨海 区，使得贵州山区软土地基处理的技术难度大，因此针对贵州高原山区特殊的软 土性质、分布及工程特性条件，系统、深入地研究适用于贵州山区特点的高速公 路软土地基处理的关键技术，并通过贵州山区高速公路软基处理示范工程，最终 提出山区高速公路软基处理关键技术及设计施工技术指南，这对贵州山区高速公 路建设具有十分重要的指导作用及实用价值，同时对进一步提高我国山区高速公 路软土地基处理技术与水平，推动交通行业科技进步具有重要的意义。 1 4 本文研究的主要内容 本文结合贵州山区软土的特点和软基处理方法，提出了长短桩复合地基在贵 州山区软基处理上的适用性，并结合理论分析对长短桩复合地基的工作性状进行 了分析探讨。主要研究内容如下： 综述了软土的定义以及软土的工程特性，并针对贵州高原山区特殊的软土 性质、分布及工程特性条件，研究适用于贵州山区特点的高速公路软土地基处理 的关键技术。 第一章绪论 概述了复合地基的发展概况和基本理论，长短桩复合地基的产生，研究了 不同桩型的复合地基的工作特性，并回顾了长短桩复合地基的研究状况。 在分析现有长短桩复合地基的设计方法的基础上，根据长短桩复合地基受 力和变形特性，对长短桩复合地基的承载力和沉降设计理论进行了研究，提出了 长短桩复合地基的承载力和沉降计算模式及其实用的计算方法。 利用大型有限元软件p i a x i s 程序分析了长短桩组合型复合地基在柔性荷载 作用下，c f g 桩和碎石桩的荷载分担比、桩身应力分布、桩体水平位移和沉降位移 的分布规律，并考虑c f g 桩桩长、碎石桩桩长、桩间距、以及褥垫层厚度变化对长 短桩组合型复合地基受力及变形的影响。 1 2第二章复合地基基本理论 第二章复合地基基本理论 2 1 复合地基的简介 2 1 1 复合地基的定义、特点和分类 地基的形式大体可以分为两种：天然地基和人工地基。当天然地基能够满足 结构物对地基的要求时，可以直接将建筑物的基础作用在天然地基之上。如果天 然地基不能满足结构物对地基的要求时，就需要人们采取措施，改进天然地基的 特性，从而来保证结构物的安全与正常使用，这种地基我们称之为人工地基。 复合地基口1 是指天然地基在地基处理过程中部分土体被增强或置换形成增强 体，并由增强体和周围地基土共同承担荷载的地基。加固区是由基体( 天然地基土 体或被改良的天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。 从复合地基的受力特性来看，至少有两种以上的不同材料共同承担荷载。所 谓材料的不同主要是指其力学性质不同，如密度、强度、变形模量、泊松比等。 从宏观上看复合地基均是两相，由两种材料复合而成：将天然地基土体视作是一 种均质各向同性材料，而忽略其本身的成层、非均质等因素；同样，对于嵌于土 中的各种材料，也不考虑它们是否由多种材料复合而成，而简单看成一种均质的 各向同性材料。由于加固土的力学性质明显优于地基土本身，故而称这些材料为 增强体。复合地基犹似钢筋混凝土，其中的增强体犹如混凝土中的钢筋，其实质 是增强体和地基土共同作用，因此，复合地基有两个基本特点： 由基体和增强体组成，是非均质和各向异性的； 在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载。 复合地基阳1 与天然地基同属地基的范畴，两者有内在联系，但又有本质的区别。 桩体复合地基与桩基础都是采用以桩的形式作用在土体当中，故两者有其相似之 处，但复合地基属于地基范畴，而桩基属于基础范畴，两者有本质区别。 根据地基中增强体的方向可将复合地基分为横向增强体和纵向增强体复合地 基。横向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料、 格栅等形成的复合地基；纵向增强体习惯上称为桩，若不考虑横向增强体复合地 基，则纵向增强体复合地基可称为桩体复合地基。 桩体复合地基根据竖向增强体的性质又可分为四类：散体材料桩复合地基、 柔性桩复合地基、刚性桩复合地基和组合型复合地基。 散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料本身没有粘结强 度，单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料 第二章复合地基基本理论 1 3 桩复合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩 侧侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。 柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定粘结强度，柔性桩复合地 基的承载力由桩体和桩间土共同承担。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、 石灰桩、水泥土桩等。 刚性桩复合地基的桩体通常是以水泥为主的胶结材料，有时由混凝土、或由 混凝土和其他掺合料构成，桩身强度较高，如c f g 桩复合地基。为保证桩土共同 作用，通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地 基和柔性桩复合地基具有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力也具有 较大的调整幅度。 组合型复合地基是将不同材料或桩型组合形成的复合地基，它充分利用不同 材料和桩型的优点，提高地基加固效果，如长短桩复合地基、刚一柔性桩组合型 复合地基、多元复合地基。 2 1 2 复合地基形成条件 在荷载作用下，增强体和地基土体共同承担上部结构传来的荷载是复合地基 的本质嗍。然而如何设置增强体以保证增强体与天然地基土体能够共同承担上部结 构荷载是有条件的，这也是在地基中设置增强体能否形成复合地基的条件。下面 从三个方面来加以讨论。 褥垫层的设置 1 ) 中高粘结强度桩( 如夯实水泥土桩和c f g 桩) 褥垫层技术是中、高粘结强度桩复合地基中的一个核心技术，复合地基的许 多特性都与褥垫层有关。褥垫层的主要作用为保证桩、土共同承担荷载；调整桩、 土荷载分担比：减小基础底面的应力集中；调整桩、土水平荷载的分担。基础与 桩之间是否设置褥垫层的区别如下所述： a 基础与桩之间不设置褥垫层 如图2 1 所示，土层i 为较软弱土层，土层i i 为坚硬土层，土层i i 的压缩模量 e 。远远大于土层i 的压缩模量e 。图2 1 ( a ) 中基础直接作用于桩和桩间土上，桩穿 透土层i ，桩端落在土层i i 上。由于桩端落在坚硬土层上，复合地基沉降主要由桩 的压缩变形控制。通常桩的压缩模量远大于