（道路与铁道工程专业论文）水泥土桩复合地基特性研究(1).pdf

东南大学学位论文 x 6 45 2 2 0 独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：型 二、关于学位论文使用授权的说明 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、缩印或其他复印手段保存论文。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。 躲缉一名：辑 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基牾陛研究 摘要 济南绕城高速公路东线k 4 8 + 1 8 0 k 5 8 + 2 1 5 段软基采用了水泥土桩加固处 理。本文对该工程水泥土和水泥土复合地基的特性进行了全面、系统的室内外 实验研究和理论分析。 首先，对水泥土进行了全面的室内实验研究，得出水泥土强度与龄期的关 系、水泥土强度与水泥掺入比的关系、分析总结出水泥土应力、应变特征特陛。 为水泥土桩复合地基的室外实验提供了各项参数。 其次，对水泥土桩进行了全面的室外实验研究。得出水泥土复合地基附加 应力的主要集中范围以及竖向应力沿着水泥土桩的状态分布、水泥土复合地基 的加固机理，为承载力和沉降变形的计算提供了基础。 最后，通过分析以上实验、计算数据，得出一些规律性的结果，探讨了水 泥土复合地基的作用机理，提出了水泥土复合地基承载力和沉降变形的计算公 式，对其中的各项参数提出了合理的取值范围，为设计单位采用合理的各项指 标提供了科学的依据。 总之，本文对水泥土复合地基的特性进行了全面的实验研究和系统的理论 分析，研究结论对水泥土桩的设计和施工提供了科学依据，文中提供的实验方 法和各项参数的取值范围具有重要的现实意义和实用价值。 关键词：水泥土水泥土桩水泥土复合地基承载力沉降变形 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特性研究 a b s t r a c t t h es o f tb a s eo fk 4 8 + 1 8 0 - k 5 8 + 2 1 5s e g m e n ti nt h ee a s tp a r to fe x p r e s s w a y a r o u n dj i n a nc i t yw a se n f o r c e dw i t hc e m e n t - s o i lp i l e ，i nt h i sp a p e r ，t h ei n d o o ra n d o u t d o o re x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s e so np r o p e r t i e so fc e m e n t - s o i l a n dc e m e n t s o i lc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni nt h ep r o j e c ta r ec o n d u c t e dc o m p r e h e n s i v e l y a n ds y s t e m a t i c a l l y f i r s t ，t h ei n d o o re x p e r i m e n t a ls t u d i e so fc e m e n t - s o i li sf u l l yd o n e t h ea g e s t r e n g t hr e l a t i o no fc e m e n t s o i l ，t h er e l a t i o n s h i po f c e m e n t s o i ls t i e d g t ha n dc e m e n t b l e n d e dr a t i oa r eg e t ，a n dt h es t r e s sa n ds t r a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e m e n t s o i la r e a l s o g e tb ya n a l y s i s m e t h o d ，w h i c hs u p p l i e s t h e p a r a m e t e r s f o rt h eo u t d o o r e x p e r i m e n t s o fc e m e n t - s o i lc o m p o s i t ef o u n d a t i o n s e c o n d l y ，t h eo u t d o o re x p e r i m e n t a ls t u d i e so fc e m e n t s o i lp i l e i sa l s od o n e t h ec o n c e n t r a t i o nd o m a i no fs u b s i d i a r ys t r e s s ，t h es t a t ed i s t r i b u t i o no fv e r t i c a ls t r e s s a r o u n dt h ec e m e n t s o i la n dt h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fc e m e n t s o uc o m p o s i t e f o u n d a t i o na r ea l l g e t ，w h i c hs u p p l i e st h eb a s ef o rb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n t d e f o r m a t i o n c o m p u t a t i o n f i n a l l y s o m ed i s c i p l i n e r e s u l t sa r eg e tb ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n ta n d c o m p u t a t i o nd a t a ，t h ea c t i o nm e c h a n i s mo fc e m e n t - s o i lc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s i n v e s t i g a t e d t h ec o m p u t a t i o n f o r m u l a so fc e m e n t - s o i lc o m p o s i t ef o u n d a t i o nb e a r i n g c a p a c i t ya n ds e t t l e m e n td e f o r m a t i o na r ep r o p o s e d ，a n dt h er e a s o n a b l es p a no ft h e p a r a m e t e r sa l ep r o p o s e d ，w h i c hl a yt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n f o rt h ed e s i g nu n i t et o a d o p tv a r i o u s r e a s o n a b l ei n d e x i ns h o r t ，t h ef u l le x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n d s y s t e m a t i ct h e o r e t i ca n a l y s e so n t h e p r o p e r t i e s o fc e m e n t s o i lc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ei m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r t h e r e s u l t sp r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n sf o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fc e m e n t - s o i l p i l e t h ee x p e r i m e n tm e t h o d sa n d v a r i o u sp a r a m e t e rs p a n sa r eo fg r e a tr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e s k e yw o r d s ：c e m e n t s o i l ，c e m e n t - s o i lp i l e ，c e m e n t s o i lc o m p o s i t e f o u n d a t i o n b e a r i n gc a p a c i t y ，s e t t l e m e n td e f o r m a t i o n 东南大学硕土学位论文水泥土桩复合地基特性研究 1 1 立题背景 第一章绪论 软土地基处理一是解决稳定问题，二是解决变形问题，其中解决变形问题 是最终目标。目前常采用的软地基处理方式有置换法、排水固结法、复合地基 法。其中复合地基法有挤密碎石( 砂) 桩、水泥土等加固方法。本文主要讨论水泥 土复合地基加固处理技术。 水泥土桩复合地基是粉体喷射搅拌法加固软土技术的形式之一，它是通过 特别的深层钻探搅拌机械，在设计深度范围内利用压缩空气将水泥粉喷入地基 深部，凭借搅拌机搅拌头叶片的回旋作用将水泥粉与地基原位土强制搅拌混合， 吸收地下水，并使水泥与软土颗粒间产生一系列物理化学作用，从而形成具有 整体性、水稳定性和一定强度的柱状加固体即水泥粉喷桩，水泥柱状体与桩间 土组成复合地基，从而改善地基承载力。粉喷搅拌桩处理软土地基具有施工速 度快、处理效果好、工后沉降小、不影响工期等优点，因此，近年来，在铁路、 高等级公路、市政工程、工业与民用建筑等的地基处理中得到了广泛的应用， 尤其在高等级公路的深层软基处理中得到了更为广泛的应用。 济南绕城高速公路东线k 4 8 + 1 8 0 i ( 5 8 + 2 1 5 路段，路基设计宽度2 8 m ，边 坡坡度1 ：1 5 ，地面下天然地基属于软弱土，为低液限粘土及亚粘土，软基采用 喷水泥粉深层搅拌法加固处理。本文通过对该工程的水泥土桩的室内外试验 研究，探讨出经济合理的各项参数，具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 深层搅拌法地基加固处理技术始于第二次世界大战后，这种新技术于1 9 8 5 年起在我国逐步扩大使用，并取得了很多有使用价值的、适合我国地域特点的 研究成果。 目前深层搅拌法在国内可分为喷浆深层搅拌法和唼粉深层搅拌法两种，它 是按固化剂注入的类型来划分的。在深层搅拌法中，固化剂的注入有两种形式， 一是浆液灌注，二是粉体喷射。前者由于有漏浆现象，工人操作条件较差，且 对含水量较高软土地基的加固效果尚待论证，而粉体喷射法以它具有的诸多优 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基籽f 生研究 点而后来居上，在工程中得到广泛的应用。粉喷桩是“粉体喷射搅拌桩”的简称， 其加固地基的机理在于固化剂与原位土充分混合后，由于固化剂吸收周围土层 中的水分而发生物理化学反应，使混合桩体凝结硬化，既提高了自身的强度， 又稳定了桩周围土层，从而使天然的软土地基改变成优质的复合地基，大大提 高了地基的承载能力。目前国内生产的深层搅拌机械主要分为以下几类： f 喷粉型 深层搅拌机 喷浆型 i 喷浆喷粉两用型 其主要施工工艺流程如下： 粉体喷射搅拌机械就位预搅下沉喷粉( 浆) 搅拌提升至离地面0 3 m 处 重复搅拌下沉重复搅拌提升直至离地面0 3 m 关闭搅拌机械。 粉喷桩有许多优点，主要集中在以下几个方面：1 ，加固工艺合理。在制 桩过程中仅向土层中喷射固化料干粉，无需注入附加的水分，使固化剂能充分 吸收软土中的水分，从而增强加固效果；2 ，施工简单、技术可靠。国内有多种 粉喷桩施工成套机械，制桩过程完全机械化，减轻了工人的劳动强度，提高了 成桩效率。制桩原料除原位土外，仅有适量的固化剂便可；3 ，可以在含有地下 水的地层中直接施工制桩，避免了水下施工的麻烦，大大简化了施工程序；4 ， 施工工期短，进度快。经粉喷桩处理的地基，路基填筑时可大大加快填筑速率， 基本不需考虑由于填筑过快而导致路基失稳的可能；5 ，保护环境。在制桩过程 中无振动、无噪音、无污染，对附近建筑物无影响。 粉喷桩虽然有许多优点，但在应用上还有一些限制，主要集中在以下两个 方面：1 ，在理论上，粉喷桩群体范围内的压缩变形景较小，根据荷载、桩长、 桩身强度、天然地基土强度、置换率、复合地基的变形模量等估算，一般可取 2 c m 一5 c m 。而下卧软弱土层压缩变形量的确定，可以假定粉喷桩群体形成一种 实体深基础，按双层地基计算该实体深基础底部的附加应力，然后再进行下卧 软弱土层压缩变形量的计算。在附加应力的确定上，有学者指出：根据室内试 验结果表明，水泥土的重度比原位土略有增大，增大量在1 2 3 5 之间， 加固桩身对下部未加固部分不会产生过大的附加应力，也不会由于加固桩身附 加荷重而引起地基附加沉降。但有些学者却持相反观点。目前，不同的软土特 东南大学硕士学位论文 水泥土桩复合地基特性研究 征和施工实际情况对附加应力的影响尚待研究；2 ，相对于国外多种多样、五花 八门的粉喷桩施工机械没备而言，国内的机械设备可以说是品种单一、类型雷 同，这直接制约了粉喷桩的设计和应用。比如在桩径的确定上，由于国内的机 械设备均只能施工直径为5 0 c m 的粉喷桩，因此在设计上也只能按该直径考虑。 又如在桩长的确定上，理论上以穿透软土层为最佳，但国内配套钻杆长度绝大 多数都在1 5 m 以内、1 2 m 左右，因此在应用粉喷桩时，都以下卧软土层的厚度 不超过上述长度为选择依据之一，如果下卧软土层的厚度超过上述长度，则一 般可以不考虑采用粉喷桩，转而采用其他的软基处理方法如塑料排水板等。 目前国内外深层搅拌机械设备种类众多，搅拌叶片直径从5 0 c m 一2 0 0 c m 不 等，加固深度最大可达到7 0 m ，一般加固深度在1 8 m 范围内，完全能满足公路、 铁路、厂房、码头等软地基加固处理的要求。目前国内粉体喷射搅拌桩所使用 的机械其加固深度为1 5 1 7 米，但通常的机械在1 5 米以上时依靠空压很难将 水泥压人桩体尖端，从而造成桩体尖喷粉量的不足和原状土的扰动，使软基处 理与设计要求不符。还应当注意的是用粉喷桩处理软土层时，若桩未穿透软土 层，会造成未处理部分软土层的沉降量增加，沉降速度变慢。因此，用粉体喷 射搅拌桩处理软土地基原则应将整个软土层穿透。根据目前国内的搅拌机械， 粉喷桩处理软土地基的软弱层埋深不应大于1 5 米以上。 根据目前高等级公路建设来看，地下软土厚度大于1 5 m 的情况屡见不鲜， 考虑到施工的便利性和施工工期等各方面的影响，位于构造物处的软基只能采 用复合地基处理时，必须合理确定各项参数，才能达到技术可靠、经济合理的 效果。 1 3 研究内容 本文结合济南绕城高速公路的软基，主要从以下几个方面进行了研究： ( 1 ) 水泥土的室内试验研究。包括原状土三轴固结不排水剪切试验、室内 水泥土强度试验、室内水泥土三轴三轴固结不排水剪切试验。分别得出水泥土 强度与龄期、水泥掺人比的关系。从而得到合理的龄期、水泥掺入比及研究的 模型，为后面复合地基的试验研究提供了基础，并可为设计计算和施工工艺提 供可靠的参数。 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特性研究 ( 2 ) 水泥土复合地基试验研究。包括水泥土单桩承载力试验、水泥土复合 地基静载试验、水泥土桩荷载沿深度变化的试验、桩侧摩阻力分布、水泥土复 核地基中桩、土应力分布测试。通过一系列的试验，得出复合地基的加固机理、 附加应力的集中范围及沿深度的变化情况，以指导设计、施工和检测。 ( 3 ) 水泥土复合地基理论研究。根据以上的试验得出水泥土桩复合地基作 用机理、水泥土复合地基应力传递规律，并得出水泥土复合地基承载力的计算 公式中各项计算参数的合理取值范围，可供设计、施工单位借鉴。 8 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特性研究 第二章水泥土室内试验研究 2 1 水泥加固土的原理 从微观的材料物理、力学性能分析，水泥土桩不是质地均匀的同一、同性 材料，而是包含孔隙、水、加固料自硬及化学反应凝结形成的具有一定随机性 的复合材料。从宏观角度分析，桩体强度主要是由掺入水泥量的多少决定 和 搅拌均匀程度也有关系。 从化学反应角度看，水泥搅拌桩实际上是由水泥颗粒、土颗粒与土中孔隙 水等物质相互作用的三相化学反应平衡体系，由于体系基本上是封闭的，反应 过程中体系与外界没有或仅有少量物质的交换。因此，反应前后体系中只有物 相发生变化，而总的化学物质组成成分基本不会改变。深层搅拌桩常用的固化 剂多为普通硅酸盐水泥或矿渣水泥。水泥熟料中主要氧化物成分有c a o 、s i o z 、 a 1 。0 、f e ：0 。，其中c a o 含量约为6 0 7 0 ，s i o ：含量为2 0 2 5 ，二者之 和约占水泥熟料氧化物总量的8 0 以上。 作为加固对象的软土中主要有三种氧化物，即s i o ：、a 1 。0 。、f e ：0 。，其中s i 0 2 含量多在6 5 7 0 范围，a 1 。0 3 含量为1 0 左右。上述三种氧化物约占软土氧化 物总量的8 0 ，而软土中的c a o 含量极少，通常仅有2 左右。如前述，常用水 泥的c a o 含量高达6 0 以上，而一般软土中的c a o 含量很少，故原土中即使掺 入少量的水泥也会使其中的c a o 含量明显增加。在一定时间内，随龄期的增长， 水泥土中的氧化钙含量几乎不发生变化。因此，选择c a o 作为水泥含量的测试 和计算元素是完全可行的。这也是我们采用水泥作为加固材料的主要原因。 ( 1 ) 水泥的水解和水化反应过程。 普通硅酸盐水泥的主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、 硫酸钙等水泥矿物组成，用水泥加固土时，水泥颗粒表面的水泥矿物遇水很快 发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙、含水铁酸钙 等化合物，其化学反应方程式如下： 2 ( 3 c a o * s i 0 2 ) + 6 h 2 0 一3 c a o * 2 s i 0 2 * 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 2 ( 2 c a o * s i 0 2 ) + 4 h ：o 一3 c a o * 2 s i o ：* 3 h 2 0 + c a ( o h ) 。 东南大学硕士学位论文 水泥土桩复合地基特性研究 4 c a o * a 1 z 0 3 * f e 2 0 3 + 2 c a ( o h ) ：+ i o h 。o 一3 c a o * a l ：0 。* 6 h 。o + 3 c a o * f e 2 0 3 * 6 h ：0 上述一系列化学反应生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶解于水中，使 水泥颗粒表面重新暴露出来，暴露出来的水泥矿物继续与水发生化学反应，直 至上述反应过程终止进行。在化学反应进行过程中，水泥颗粒周围的水溶液逐 渐达到饱和，此时水分予虽然继续深入水泥颗粒内部，但新的生成物已不能再 溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，并把大量的自由水以结 晶水的形式固定下来，生成一种针状的结晶化合物，该化合物会引起水泥土体 积膨胀。在粉喷桩深层搅拌这一特定条件下，可利用这一膨胀率来增加软土地 基加固效果。当然，这些成分也不益过高，否则会使水泥桩基发生膨胀而遭到 破坏，这也是我们对水泥土桩水泥含量限制的原因之一。通过大量的试验研究 表明，当水泥含量 2 0 时，水泥土桩膨胀效应较大，加固成本增加；故选用水泥含量在 1 0 2 0 之间是比较经济合理的。 ( 2 ) 离子交换与土微粒的凝聚作用。 土中含量最多的二氧化硅遇水后形成硅酸胶体，其表面带有钠离子n a + 和 钾离子k + ，它们能与水泥水化物生成的氢氧化钙中的钙离子c a 2 + 进行置换反应， 析出钙离子，使较小的土颗粒形成较大的土团粒。另外，水泥水化生成的胶体颗 粒比表面积比原来的水泥颗粒的比表面积大得多，因而产生大量的表面能，有 强烈的吸附活性，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， 并封闭土团粒之间的孔隙，形成坚固的联结，从而使之强度形成。 随着水泥水化反应的继续深入，溶液中析出的钙离子越来越多，当其数量 超过离子置换的需要量( 置换反应达到平衡) 后，在碱性的环境中，能使土颗 粒中的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐 生成不溶于水的稳定的结晶化合物： s i 0 2 + c a ( o h h + n h z o c a o + s i o z 4 ( n + 1 ) h 2 0 a i z 0 3 + c a ( o h ) z + n h 2 0 - * c a 0 4 a 1 2 0 3 + ( n + 1 ) h 2 0 这些新生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，生成不溶于水的稳定的化 合物，从而使水泥土具有足够的水稳定性。 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特性研究 ( 3 ) 固结反应。 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，生成不溶 于水的碳酸钙，其化学反应过程如下： c a ( o h ) 2 + c o x = c a c 0 3 + h 2 0 通过上述一系列的化学作用，从而使水泥加固料与原位土形成具有整体 性、水稳定性和一定强度的柱状加固体，并且在反应过程中吸收一部分水泥桩 周围的水份，从而使周围软土中的孔隙水降低，变相提高水泥桩周围软土的承 载力。 2 2 室内试验内容 2 2 1 室内原状土三轴固结不排水剪切试验 试验土样采用济南绕城高速公路东线k 4 8 + 1 8 0 一k 5 8 + 2 1 5 段低液限粘土及 亚粘士，该路段为冲积平原，地势平坦、开阔，起伏较小，该区域地貌单元上 发育形成近代第四系冲积层，地下水位高，埋深仅o 5 , , - 4 0 米之间，地下水为潜 水，地下水位随季节变化明显，平均变幅1 1 lm 。由于地下水的发育，下部土 层被软化成软弱地层，物理、力学指标较低。其物理力学指标见表2 1 。 软基土物理力学性质指标表2 - 1 土类含水量容重空隙比塑性指数渗透系数压缩系数粘聚力内摩擦角 名称 w ( )( g c m 3 )i pk ( c m s )m p a - 1( k p a )( 。) 低液限 3 3 o1 9 30 8 6l o 56 7 x l o 。60 1 92 52 2 粘土 从现场随机抽取亚粘土进行三轴固结不排水剪切试验，试验结果见图2 1 。 从图上可以看出，当围压6 3 = 3 0 0 k p a 时，最大主应力差( 6 1 - 6 3 ) r o 。a x = 4 3 3 5 k p a ，对 应的轴向应变矗- 6 ，试验曲线呈双益线型。 东南人学硕十学位论文 水泥土桩复合地基特性研究 2 2 2 室内水泥土强度试验 图2 - 1 土应力、应变关系曲线 室内试验将采自施工现场天然含水量的扰动土样与水泥机械拌和后，压制 成q b 5 c r n x s c m 的圆柱体试件，3 2 5 # 水泥掺入量为1 4 3 ( 水泥土桩直径为5 0 c m ， 相当每米桩长喷入5 0 k g 水泥) ，试件成型和养护的温度为2 0 c ，养护时间分别 为3 d 、7 d 、9 d 、2 0 d 、2 8 d 、5 0 d 、9 0 d 、1 8 0 d 八个龄期，试件无侧限抗压强度试 验结果见表2 2 。 不同龄期下水泥土无侧限抗压强度汇总表表2 2 龄期( d )3 792 02 85 09 01 8 0 强度( s p a ) 1 2 11 8 11 9 62 52 73 13 53 6 与2 8 d 强 “86 7 o7 2 69 2 61 0 01 1 4 81 2 9 61 3 3 3 度比( ) 从表2 2 可以看出，水泥土试件正常养护条件下的无侧限抗压强度q u 在 2 8 天即可达到2 7 m p a ，比天然软土的强度大几十倍甚至几百倍，而且还随着龄 期的增长而增加。水泥土在龄期超过2 8 d 后，强度仍然有明显的增长趋势，三 东南火学硕士学位论文水泥土桩复合地基特性研究 个月龄期强度即可达到一个月的1 3 倍左右；当龄期超过三个月之后，强度增 长速度才减缓。因此，在确定水泥土强度时，建议采用9 0 d 龄期的强度作为确 定水泥土的强度标准。水泥土的强度与龄期的关系曲线见图2 - 2 。 图2 2 水泥土的强度与龄期的关系曲线图 另外，为了验证水泥掺入比对水泥土强度的影响，分别按3 、5 、7 、 1 0 、1 5 、2 0 的水泥掺入比进行水泥土的室内试验。根据试验结果整理的水 泥土2 8 d 龄期强度与掺入比的关系曲线见图2 3 。 图2 - 3 水泥土强度与掺入比的关系曲线 从图上可以看出，水泥土的强度随着水泥掺入比的增大而增加，尤其是当 水泥掺入比大于1 0 后，强度增长非常明显。当掺入比笃时，水泥与土的反 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特l 生研究 应过弱，固化程度低，试件强度的离散性也较大。因此，实际工程中应采用掺 入比大于5 为宜。 对整个复合地基来说，我们关心的是整个复合地基总体承载力的提高，因 此，水泥掺入比、桩径、桩距熟优熟劣是个关心的问题，最好是在满足整个地 基承载力提高的前提下选择合适的水泥掺入比、桩径、桩距，以达到经济、合 理的目的。根据上海地区高速公路大量试验统计资料分析表明，粉喷桩布桩间 距受面积置换率控制，从桩长范围内复合体的模量来看，桩间距越小，模量越 高，该范围内压缩量越小，但从路堤总沉降量来看，桩间距从1 4 1 6 m 之间 变化，相应的面积置换率从o 1 o 0 5 m 之间，总体沉降变化不大，只是桩长范 围内与桩端以下压缩量的相对比例发生了改变，桩距为1 4 m 时，桩长范围内压 缩量占总沉降量的1 0 ，而桩距为1 6 m 时，桩长范围内压缩量占总沉降量的 4 0 ，从粉喷桩处理后总沉降量减少方面来看，基本能减少2 0 3 0 ，桩间距 变化并不产生总沉降较大的改变。 2 2 3 室内水泥土三轴固结不排水剪切试验 按水泥掺入比a w = 1 4 3 ( 3 2 5 # 普通硅酸盐水泥) 与原状土机械拌和后制成 水泥土，将试样放入标准养护箱内养护2 8 d 后取出，进行三轴固结不排水剪切 试验。试验结果见图2 4 。从图上可以看出，水泥土在常规压力下，其应力一应 变关系类似超固结土特性，可以利用超固结理论对水泥土进行研究，其应力 应变曲线没有明显的折点，为驼蜂形的应变软化型。水泥土有明显的剪胀现象， 随着压力室压力的升高，软化现象和剪胀现象逐渐减弱，当围压达到0 6 m p a 时这些现象基本消失，材料成为理想的弹塑性材料。围压很小时，试件的破坏 为脆性张裂破坏；围压较大时，试件的破坏为脆性剪切破坏；围压较高时，试 件的破坏为塑性剪切破坏。现场试验研究表明，水泥土桩的破坏为张裂与剪切 破坏形式，因此，在选用计算模型时，应以能反映剪胀的弹塑性模型为基础。 对照水泥土与原状土的三轴试验结果可以看到，水泥土较之原状土，在强 度、变形方面具有明显的改善。在围压为3 0 0 k p a 的条件下，水泥土典型破坏形 东南大学硕+ 学位论文水泥土桩复合地基特性研究 式属脆性剪切破坏，具有典型的剪破面，剪切面与主应力夹角在4 5 。6 0 。之 间。 图2 5 为水泥土莫尔应力圆，与原状土相比，水泥土的抗剪指标有较大幅 度的提高，粘聚力c = 3 2 0 k p a ，内摩擦角妒：2 8 。 表2 3 为水泥掺入比为1 4 3 时水泥土的各项试验结果。通过水泥土与原 状土的试验结果对比可以看出，水泥土较之天然地基土呈现出较好的工程特性， 其物理、力学指标都有不同程度的改善。 水泥土与原状土试验结果对比表2 3 含水量容重1渗透系数粘聚力内摩擦角 w ( )( g c m )k ( c m s )c 。o ( p a )儿。( o ) 原状土13 3 o1 9 36 7 1 0 62 52 2 水泥土23 0 ，42 0 15 8 x 1 0 。3 2 02 8 ( 2 - 0 1 7 8 8 “1 5 - 9 1 3 + 1 1 8 0 + 2 7 ，2 7 2 3 结论 ( 1 ) 水泥土的强度比天然软土的强度大几十倍甚至几百倍，而且还随着龄 期的增长而增加。在确定水泥土强度时，建议采用9 0 d 龄期的强度作为确定水 泥土的强度标准。 ( 2 ) 水泥土的强度随着水泥掺入比的增大而增加，尤其是当水泥掺入比大 于1 0 后，强度增长非常明显。因此，实际工程中应采用掺入比大于1 0 为宜。 ( 3 ) 在周围压力 0 。6 m p a 的条件下，水泥土应力应变关系呈加工软化特 征，可视为理想的弹塑性模型，天然地基土采用弹塑性本构模型，二者组合起 来，构成水泥土复合地基的本构模型。 ( 4 ) 试验得到的龄期与强度的关系，水泥的掺入量等参数为后面水泥土桩 的野外试验提供了依据，从而为设计计算和施工工艺提供了可靠的参数。 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特性研究 图2 4 水泥土应力、应变关系曲线 图2 - 5 水泥土莫尔应力圆 东南大学硕士学位论文 水泥土桩复台地基特性研究 3 1 工程概况 第三章水泥土复合地基试验研究 以济南绕城高速公路东线k 4 8 + 1 8 0 k 5 8 + 2 1 5 段作为研究对象。路基设计 宽度2 8 m ，边坡坡度1 ：1 5 ，地面下天然地基土土质情况见表3 - 1 ，属于软土地 基，采用喷水泥粉深层搅拌法加固处理；加固材料采用3 2 ，5 ! i 普通硅酸盐水泥， 水泥掺入量为5 0 k g 水泥延米桩；桩间距为1 5 m 、1 7 5 m 、2 0 m 不等，呈正四 边形布置，设计桩径d = 0 5 m 。设计要求单桩承载力：当桩长l = s m 对，p 苫2 0 k p a 当桩长l = 9 m 时，p 驾6 5 k p a ；当桩长l = 1 0 m 时，p 苫, 0 0 k p a ；当桩长l = i i m 时， p 1 3 5 k p a 。要求复合地基承载力n f - 当桩距l = i 5 m 时，n f ：c 2 0 k p a ；当桩距 l = i 7 5 m 时，n f 1 7 5 k p a ；当桩距l = 2 0 m 时，n f a 5 0 l c p a 。水泥土桩半立面布 置图见图3 1 ，图中h l 为桩长度，l 1 为设计桩距，l 为水泥桩处理路段的长 度。 各土层物理力学性质指标表3 1 层士层层厚含水量密度孔隙比塑性指压缩系数粘聚力内摩角地基承 号名称 ( m )( ) ( g c m 3 )数i p 廿 载力f 1 ( 1亚粘士1 52 3 8i 9 4o 7 29 30 1 4 64 1 ，02 3 91 0 0 2 粘士3 03 6 ，81 8 70 9 76 o0 4 7 01 ，81 5 o8 5 3亚粘土1 5 3 261 8 60 9 39 o0 1 3 94 5 02 59 0 4 粘士1 5 2 6 31 9 40 7 8 1 8 90 6 0 79 05 11 0 0 5亚粘土1 l02 0 32 0 60 5 81 0 90 2 3 62 5 59 91 5 0 6亚粘土1 2 02 392 0 30 6 71 8 ，40 2 4 94 7 07 12 0 0 东南大学硕士学位论文 水泥土桩复合地基特性研究 3 2 试验目的和方法 3 2 1 试验目的 图3 - l 水泥土桩半立面图 ( 1 ) 根据水泥土室内配合比试验求得的最佳配方，进行现场成桩施工工艺； ( 2 ) 测定单桩承载力和桩间土承载力的关系； ( 3 ) 确定桩土共同作用的复合地基承载力； ( 4 ) 分析水泥土桩的加固机理、破坏形式以及破坏规律。 3 2 2 试验方法 水泥粉喷桩不同于刚性桩，其成桩特点决定了它的测试较复杂。测试手段、 仪器埋设、外界干扰等都将影响测试结果的准确性和合理性。钢筋应力计易于 埋设和测试，但因其弹性模量远比水泥土大，易产生应力集中现象，使试验结 果偏离实际，所以不宜用于粉喷桩测试。鉴于此，本次试验选用一种弹性模量 较j l , ( 2m p a 左右) 的塑料管作为载体，因其弹性模量与粉喷桩的弹性模量差别较 小，变形与桩身变形基本一致，这样浸9 量误差较小，比较符合实际。试验步骤 如下。 东南火学硕士学位论文 水泥桩复合地基特性研究 ( 1 ) 室内准备。将应变计按测试距离贴在聚丙烯p v c 管( 直径2 0 i 1 1 1 3 _ ，每 节长度为1 5m ) 管壁上，应变计所固定的位置距桩顶往下分别为：1 # 桩1m ，2 m ，3 m ，4 7 i t i ，6 2 m ；2 # 桩0 4 1 t i ，1 4 m ，2 4 m ，4 、1m ，5 , 6 1 1 1 _ ，8 4 m ，9 4 m ； 3 # 桩1 m ，2 m ，3 m ，4 7 m ：4 群桩1i t i ，2 m ，3 1 1 1 ，4 7 m ，6 ，2r y l ，9 m ，1 0 m 。 贴好应变计后，逐一进行测试检查，确保工作正常后，将测线进行编号并 作好记录。 ( 2 ) 现场埋设。仪器埋设时一方面要求粉喷桩有一定强度容易成孔，另一 方面要求封孔后水泥土与桩体能很好的结合。据室内试验表明，水泥粉喷桩的 强度在两周内可达到设计值的5 0 左右，这时进行仪器埋设较好，因此在试验 桩打好两周后埋设仪器。 首先在每根桩中心钻q 5 1 0 8m m 的孔( 用汽车钻成孔) ，钻孔完毕后立刻将贴 有应变计的p v c 管对接好下到孔中，然后用1 ：1 水泥土封孔，待管与仪器埋 好后，再用水泥浆抹平处理过的桩头。埋设过程应注意保护应变计和测线。埋 好桩后及时记录初始值。等固化两周后即可进行试验。 ( 3 ) 试验设备 1 ) 反力系统。反力系统采用堆载方式，上部所堆荷载能提供1 0 0t 反力， 设备包括：3 ，4 桩用1 5 m x l 5r n 压板，1 捍，2 桩用伽5 m 压板，及1 0 0 t 千 斤顶、垫板、钢梁、百分表及支架等。 2 1 测试系统。测试系统由p 1 0 r - 1 8 型预调平衡箱2 台、y t 2 6 型应变仪、 频率仪及土压力盒、钢弦式应变计和电阻式应变计组成。 试验按静载试验中的规定进行，采用慢速维持荷载法分级加载，首级荷载 加倍施加。卸载级数为加载级数的一半。 3 ) 沉降读数。每级荷载施加后- 4 , 时内按1 、5 、1 5 、3 0 、4 5 、6 0 分钟 测读试桩的沉降量，以后每3 0 分钟测读一次，直至稳定。稳定标准为每一小时 的沉降量小于o 1 m m 。卸载时每级荷载维持6 0 分钟，沉降读数时间为1 、1 5 、 3 0 、6 0 分钟，荷载卸至0 后，沉降观测持续至稳定。 东南大学硕士学位论文 水泥土桩复合地基姆隆研究 4 ) 加载终止条件。当出现下列情况之一时，即终止加载：a ，试桩在某级 荷载下的沉降量，大于前一级荷载沉降量的5 倍；b ，荷载加至预估最大荷载； c ，试桩桩头和周围土体破坏。 3 3 试验内容 3 3 1 水泥土单桩承载力试验 静载试验是根据现场测定的p ( 荷载) s ( 沉降) 曲线，检测粉喷桩强度及加固 效果。静载试验按压板面积大小，可分为单桩和复合地基试验二种。单桩试验 中，一般是粉喷桩桩体发生破坏，所以其测定的极限荷载，反映的是粉喷桩被 压裂部位的强度。大量的单桩静载试验结果证实，桩体破坏部位一般是桩顶以 下0 5 2 5 m ，桩体强度的薄弱处。出现桩体发生“刺入”破坏形式是很少见的。 复合地基测定的p - s 曲线，是反映加固区复合地基的变形模量。在复合地基试 验中，测定桩间土压力或桩顶压力，也可确定桩体的破坏强度。试验桩技术参 数见表3 - 2 ，荷载试验曲线见图3 - 2 。 试验桩技术参数表3 - 2 编号 桩长桩径 水泥掺量 测点数 ( m )( r a m ) ( k g m ) 1 #85 0 05 05 2 群1 15 0 05 07 从图上可以看出，p s 曲线在达到极限承载力时，变形急剧加大，有一陡 降段，说明桩体已发生破坏；该曲线存在明显的直线段和曲线段，拐点较明显， 从曲线上可以直观地确定比例极限和极限承载力。 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特性研究 图3 2 水泥土单桩和桩问土荷载试验曲线 根据地基处理手册中荷载试验规范规定，对水泥土而言，单桩容许承 载力按照沉降s 与荷载板直径d 的比值s d - - 0 o l 求出；对桩间土而言，桩间土 地基容许承载力按照s d = 0 0 1 5 求出。 对于复合地基的极限承载力，我们一般按下列方法综合确定： ( 1 ) 在p - s 曲线上取曲线发生明显陡降的起始点( g - - 拐点) 所对应的荷载； ( 2 ) 在s - l o g t 曲线中取曲线尾部明显向下曲折的前一级荷载。 从图3 2 可以看出，1 1 米桩长的水泥土单桩极限承载力为3 7 0 k n ，桩间土 极限承载力为5 8 k n ，二者相差6 倍左右。由此可见，在天然地基土中掺入一定 比例的水泥，经深层搅拌法施工制成的水泥土桩，其强度与抗变形能力较天然 地基土有较大幅度的提高。 3 3 2 水泥土复合地基静载试验分析 反力系统采用堆载方式，上部所堆荷载能提供1 0 0t 反力，设备包括：3 桴， 甜桩用1 ，5m x l 5n l 压板，及1 0 0t 千斤顶、垫板、钢梁、百分表及支架等。试 验桩技术参数见表3 - 3 。复合地基桩静载试验p - s 曲线见图3 - 3 。( 以4 梓桩为例) 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特性研究 试验桩技术参数表3 - 3 桩长桩径水泥掺量 编号测点数 ( m )( k g m ) 3 群55 0 05 04 4 拌1 25 0 05 07 图3 - 3 复合地基桩静载p s 曲线 从图上可以看出，桩的极限承载力为2 2 2 k n ，复合地基桩静载试验的p s 曲线的变化较缓，而且曲线没有明显的拐弯点，不像单桩那样破坏是突然性的， 说明其荷载是桩土共同承担的，有互相协调的过程，当桩体达到极限荷载时， 桩周土承担的荷载加大，直至复合地基发生整体塑性破坏，但不会出现整体剪 切破坏。 3 3 3 水泥土桩荷载沿深度变化试验分析 通过桩身埋设的应变计和桩顶埋设的土压力盒可监测到桩身沿深度的应 变及桩顶荷载，再由相关公式推求其他量。 ( 1 ) 弹性模量e 。由各桩离桩顶最近的第一个测试断面上的应变e 1 近似确 定，即 e = o o e l 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特性研究 式中 仃。一桩顶应力 ( 2 ) 侧摩阻力q s 。由平衡条件得微分段上的摩阻力q s ( z ) 为 q ：( z ) 一1 d q ( 一z ) 式中u 功周长 d q ( z ) 一微分段内桩身轴力增量。 由此可由桩顶向下逐步近似求得各测段内的摩阻力。 各桩的应力、应变沿深度变化曲线见图3 4 、图3 5 。从图中可以看出： ( 1 ) 在荷载作用下，桩身应力一应变沿深度逐渐递减，且在浅部( o 3m ) 衰 减幅度较大。说明水泥土桩属摩擦桩，桩土荷载由上至下传递。同级荷载比较， 复合地基桩身应力一应变较单桩小，说明桩土间是相互协调共同作用的。 ( 2 ) 在达到极限荷载时，桩顶3m 以上应变急剧加大，推断破坏发生在3m 范围内，经试验后挖桩验证确实在3m 范围内桩体破坏，破坏形式为环向拉裂 和桩体横向压碎。 ( 3 ) 体的最大应变发生在桩顶，桩身变形主要发生在0 7m 的范围内，在 7m 以下桩身应力应变已衰减9 0 ，说明粉喷桩荷载传递的范围是有限的。 0 - o 25 a 蓄蚋 ，5 0 琏力，k 图3 - 42 撑桩桩身应力、应变与深度关系曲线 2 3 - 东南大学硕士学位论文水泥土桩复合地基特j l 生研究 遵力，k n 。 0渤l t 0 0 【5 0 0 f 耷 02 0 0 n 为 00r 一1 一1 一。i 1 “i - - - 一1 图3 - 54 # 桩桩身应力、应变与深度关系曲线 3 3 4 桩侧摩阻力分布特征 图3 - 6 、图3 7 为不同荷载作用下桩侧摩阻力沿深度的变化曲线。由图看 出，桩侧摩阻力在上部土层发挥较大，随深度呈递减趋势。在桩底处摩阻力几 乎为零，说明粉喷桩主要是通过桩与周围土体的侧摩阻力来发挥作用的，其承 载特性更接近于纯摩擦桩。单桩与复合地基比较而言，单桩摩阻力比复合地基 中摩阻力小，这是因为单桩中地表面桩周土由于无上覆荷载，致使摩阻力发挥 较小。对同一桩在不同荷载作用下，桩侧摩阻力的发挥与桩土相对位移有关， 桩土相对位移大，侧摩阻力发挥的也较大，但存在峰值。复合地基中发挥同样 的侧摩阻力所需的沉降要大于单桩，这是因为复合地基的变形不完全