（道路与铁道工程专业论文）石粉CFG桩在宁道高速中的应用研究.pdf

t h e a p p l i c a t i o no f s t o n ef l o u rc f g p i l ei nn i n g g d a oe x p r e s s w a y b y w a n gd o n g z h i b e ( s h a n d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n h i g h w a ya n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rg a oy a n x i m a y ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名： 勺丽、之 日期：忉1 1 年5 月 学位论文版权使用授权书 7 日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位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论文收录到中国学位论 文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：- g 蚕乏日期：砂l f 年占月 翩繇迄 - 7 日 f 日期朋年5 月7 日 摘要 高速公路是经济发展的必然产物，也是国民经济持续发展的基础，其建设要 满足快速性、安全性和舒适性。从其快速性上考虑，高速公路在两地之间的线形 一般以直线为主，这就不可避免的会经过一些地质情况比较复杂的地区；从其安 全、舒适性上考虑，当高速公路经过这些地质复杂的地区时，在其建设阶段要对 这些复杂地质进行妥善的处理，使其对高速公路营运的影响降到最低。由于独特 的地理位置和地质环境，我国沿海诸省及江西、湖南、湖北等地存在着大量的淤 泥、淤泥质亚粘土、淤泥质粘土等不良地质，而高速公路的建设也不可避免地会 经过这些地区。工程界和学术界十几年来研究了大量的公路软土地基处理方面的 问题，逐步改进和大力发展了地基处理技术，并取得了丰硕的理论研究和实践成 果。其中一项是将建筑工程领域的c f g 桩软基处理技术应用到高速公路上来，由 于c f g 桩具有施工方便、质量容易控制、加固深度大，可有效减少地基的工后沉 降和大幅度提高地基承载力等技术优越性而在高速公路软土地基处理中逐渐得到 应用和推广。 本文研究的石粉c f g 桩是在对传统c f g 桩的桩体材料进行改进得到的，依 托宁道高速公路的软基处理工程，将石粉c f g 桩的研究重点放在桩体材料，桩体 设计、施工、检测及有限元分析上。主要研究工作包括几个方面：l 、在对桩体材 料的研究中，根据本项工程所处的实际环境，研究在振动沉管施工方法的前提下， 以石粉代替粉煤灰制桩的可行性。2 、根据处理区域各段的实际地质情况，分别设 计出对应的加固方案。3 、通过对石粉c f g 桩桩体施工方法的综合比对及现场施 工环境的综合考虑后，确定选用振动沉管这种施工简单、施工费用低的施工方法。 4 、施工结束后，采用工程上公认的最直观、最可靠的载荷试验，对桩体的承载力 进行了检测，并对检测结果进行了分析来确定其承载力是否符合工程要求。5 、通 过大型有限元分析软件a n s y s ，模拟桩体的实际受力情况，对桩体的沉降和应力 情况进行了有限元分析。 本文的研究是基于高速公路的柔性基础下进行的，其受力情况不同于建筑工 程领域的刚性基础。同时，随着高速公路的大规模修建，对工程质量的要求越来 越高，软弱地基的处理中遇到的问题也越来越复杂，因此，有必要对c f g 桩复合 地基在高速公路软基处理中的应用做进一步的研究。 关键词：软弱地基：柔性基础：石粉c f g 桩；有限元分析 a b s t r c t h i g h w a yi st h ei n e v i t a b l ep r o d u c to fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，b u ta l s ot h eb a s i sf o r n a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，i t sc o n s t r u c t i o ns h o u l dm e e tt h en e e do ff a s t ，s a f e t y a n dc o m f o r t b ec o n s i d e r e df o rt h ef a s t ，h i g h w a yi sg e n e r a l l yd e s i g n e da ss t r a i g h tl i n e b e t w e e nt h et w os i t e ，w h i c hi n e v i t a b l yw i l lg ot h r o u g hs o m eo ft h ec o m p l e xg e o l o g i c a l r e g i o n ；b ec o n s i d e r e df o rt h es a f e t ya n dc o m f o r t ，w h e nt h eh i g h w a yg ot h r o u g ht h e c o m p l e xg e o l o g i c a la r e a s ，t h ec o m p l e xg e o l o g ys h o u l db ep r o p e rh a n d l e dt om i n i m i z e t h eb a di m p a c to fe x p r e s s w a yo p e r a t i o n b e c a u s eo ft h eu n i q u eg e o g r a p h i c a ll o c a t i o n a n dg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，t h e r ea r eal o to fs i l t ，s i l tl o a m ，s i l t yc l a ya n do t h e r a d v e r s eg e o l o g yi n c h i n a sc o a s t a lp r o v i n c e sa n dj i a n g x i ，h u n a n ，h u b e ia n do t h e r p l a c e s a n dt h e c o n s t r u c t i o no ft h eh i g h w a yw i l li n e v i t a b l yp a s st h e s ea r e a s r e s e a r c h e ro ft h ee n g i n e e r i n ga n da c a d e m i ah a v es t u d i e dt h et r e a t m e n to fs o f ts o i l f o u n d a t i o nf o rt e ny e a r s ，a n dg r a d u a l l yi m p r o v ea n dd e v e l o pt h eg r o u n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，a n da c h i e v e df r u i t f u lr e s u l t so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dp r a c t i c e o n eo ft h e r e s e a r c hi st h ec f gp i l et e c h n o l o g yw h i c hw a su s e di nt h ef i e l do fc o n s t r u c t i o n p r o je c t ，a st h ec o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n ，e a s yt oc o n t r o lt h eq u a l i t y , t h ed e e p e rd e p t ho f r e i n f o r c e m e n t ，c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h es e t t l e m e n ta f t e rt h ef o u n d a t i o na n d s u b s t a n t i a li n c r e a s et h eb e a r i n gp o w e ro ft h ef o u n d a t i o na n do t h e rt e c h n i c a ls u p e r i o r i t y , t h ec f gp i l et e c h n o l o g yi sg r a d u a l l ya p p l i c a t i o na n dp r o m o t i o ni ns o f tf o u n d a t i o n t r e a t m e n t t h er e s e a r c ho fs t o n ec f gp i l e si sg o ti m p r o v e df r o mt h et r a d i t i o n a lc f gp i l e s ， a c c o r d i n g t ot h et r e a t m e n to fs o f t s o i lo fn i n g d a oe x p r e s s w a y ，t h em a i ns t u d yi s f o c u s e do nt h ep i l e m a t e r i a l ，p i l ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o n ，t e s t i n ga n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h er e s e a r c hw o r ki sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n ga r e a s ：l ，i nt h er e s e a r c ho fp i l e m a t e r i a l ，a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a le n v i r o n m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o no ff i l l i n gp i l eb y v i b r o s i n k i n gp i p ei su s e d u n d e rt h i sc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，t h er e s e a r c hi so nf e a s i b i l i t y o ft h et h ep i l em a t e r i a li ss t o n ef l o u ri n s t e a do ff l ya s hp i l e s 2 ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l r e g i o n a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f t h ep r o c e s s i n ga r e a ，t h ec o r r e s p o n d i n gr e i n f o r c e m e n t p l a n s w e r ed e s i g n e d 3 ，a c c o r d i n g t ot h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h e c o n s t r u c t i o nm e t h o do fc f g p i l ea n dt h ec o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o no f f i l l i n gp i l eb yv i b r o s i n k i n gp i p ew h i c hi sm o r es i m p l el o w e rc o s ti su s e d 4 ，a f t e rt h e c o n s t r u c t i o n ，t h el o a dt e s tw h i c hi sr e c o g n i z e da st h em o s td i r e c ta n dm o s tr e l i a b l ei n p r o j e c ti su s e dt ot e s tt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e s ，a n dt e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e dt o d e t e r m i n ew h e t h e ri tc a nm e e t st h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t so fi t sc a p a c i t y 5 ， t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h ea c t u a lp i l et h ef o r c e si s s i m u l a t e d ，t h ef i n i t ee l e m e n to ft h ep i l es e t t l e m e n ta n ds t r e s sa n a l y s i sa r ec a r r i e do u t t h i ss t u d yi sb a s e do nt h ef l e x i b l ef o u n d a t i o no ff r e e w a y ，a n di t sf o r c es i t u a t i o ni s d i f f e r e n tf r o mt h er i g i df o u n d a t i o no ft h eb u l i d i n gc o n s t r u c t i o n m e a n w h i l e ，w i t ht h e l a r g e s c a l e o ff r e e w a yc o n s t r u c t i o n ，t h eq u a l i t yo fe n g i n e e r i n gh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g ，a n dt h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di sm o r ea n dm o r ec o m p l e x s o i ti sn e c e s s a r yt og i v et h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h es o f tg r o u n dt r e a t m e n to fc f gp i l e k e yw o r d ：s o f tg r o u n d ；f l e x i b l ef o u n d a t i o n ；s t o n ef l o u rc f gp i l e ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i i l 目录 摘要i a b s t r c t i i 第一章绪论 1 1论文研究的背景和意义1 1 2c f g 桩复合地基的国内外研究现状1 1 2 1c f g 桩的一般规定2 1 2 2c f g 桩的作用机理2 1 2 3c f g 桩复合地基在刚性基础下的研究3 1 2 4c f g 桩复合地基在柔性基础下的研究8 1 2 5c f g 桩与其他桩体组合处治软土地基的研究1 0 1 3本文的主要研究工作及章节安排1 3 1 3 1主要研究工作1 3 1 3 2 章节安排1 3 第二章c f g 桩桩身材料性能研究 2 1振动沉管成桩工艺桩体材料的性状：1 5 2 1 1 桩体材料，1 5 2 1 2 桩体配合比1 6 2 2长螺旋钻管内泵压灌注成桩工艺桩体材料的性状1 7 2 2 1水泥品种17 2 2 2 粗骨料17 2 2 3 粉煤灰一1 7 2 2 4 混合料坍落度18 2 3 其他桩体材料的替代应用1 8 2 4 石粉替代粉煤灰在宁道高速c f g 桩中的应用o 1 9 2 4 1材料的选用1 9 2 4 2 配合比设计2 0 2 5 本章小结2 1 第三章石粉c f g 桩在宁道高速软基处理中的应用 3 1依托工程2 3 3 2自然地理环境2 4 3 2 1 气候环境2 4 3 2 2地形地貌2 4 3 2 3地质构造2 4 3 2 4水文地质条件2 4 3 2 5土层分布及其情况2 4 3 3石粉c f g 桩复合地基的设计2 6 3 3 1 桩长2 6 3 3 2 桩径2 6 3 3 3桩间距2 6 3 3 4桩身强度2 6 3 3 5桩身材料2 6 3 3 6褥垫层及布桩形式2 6 3 3 7单桩及复合地基承载力2 7 3 4 石粉c f g 桩复合地基的施工2 8 3 4 1c f g 桩主要施工工艺的对比2 8 3 4 2c f g 桩成桩方法的确定3 l 3 5 石粉c f g 桩复合地基的质量检测与分析3 1 3 5 1桩身外观检验3 1 3 5 2桩身强度的检测3 1 3 5 3单桩及单桩复合地基承载力检测3 2 3 5 4桩间土的检测3 9 3 5 5检测结果评价3 9 3 6 本章小结4 0 第四章石粉c f g 桩在柔性基础下的有限元分析 4 1 模型建立假设4 1 4 2 有限元计算分析4 1 4 2 1模型的选择4 1 4 2 2模型参数的选取4 1 4 2 3计算模型4 2 4 2 4 有限元结果分析4 2 4 3 本章小结4 5 第五章宁道高速碎石桩与c f g 桩软基处理效果的对比 5 1碎石桩与c f g 桩的理论对比4 7 5 2 宁道高速软基处理工程中的实例对比4 9 5 3 本章小结5l 第六章结论与展望 6 1 研究的总结5 2 j 水拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩【1 】。c f g 桩复合地基的 乍为国家建设部“七五 计划课题，于1 9 8 8 年立题进行试验研究， 戋中得到了应用。试验研究成果于1 9 9 2 年由建设部组织鉴定通过， 为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企业标准，现已列入 隹建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 。 自诞生之日起，国内外科研技术人员就对其不断进行深入细致的研 立用领域不断扩大。最初的c f g 桩主要应用于建筑工程领域，即在 逊理软弱地基，进入2 0 世纪后，逐渐将其应用拓展到公路、铁路等 口在柔性基础下处理软弱地基。各领域由于其工程性质、加载方式、 下同，科技工作者对其分别进行了研究。 3 桩的一般规定 用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。对淤 电区经验或通过现场试验确定其适用性【4 1 。 立选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层1 2 1 。 复合地基设计时应进行地基变形验算。 系高粘结强度桩，需在基础和桩项之间设置一定厚度的褥垫层，保 司承担荷载形成复合地基。 j 桩的作用机理 换作用 | 勺强度和模量明显地大于桩间土，在荷载作用下，桩的压缩性比桩 比基础传递给复合地基的应力大部分由桩来承担，桩间土承担的应 且加固后地基土的物理力学指标均有所提高啼1 ，于是复合地基承载 枣承载力有所提高。 层作用 苛载作用下，褥垫层的存在为桩体逐渐向上刺入褥垫层提供了条件， 罢的流动补偿，使桩间土与基础之间始终保持接触并使得桩间土的 从而使桩间土也能发挥承载力的作用。在桩土共同作用下，地基 叫一定程度的发挥，相应地减少了对桩的承载力的要求。 速排水固结作用 | 勺粉土和砂土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生超 2 6 2 研究的不足及展望 参考文献 致谢 附录a ( 攻读学位期间发表论文目录) 第一章绪 1 1 论文研究的背景和意义 十一五期间，为摆脱国际金融危机带来的不良影 括高速公路在内的基础设施建设的投资，特别是中西矗 份。这不仅促进了当地经济的发展，也使我国高速公路 台阶。本文要研究的宁道高速公路是国家高速公路网规太 路在湖南境内的重要路段，也是湖南等内陆省份通往福建 重要的国防军事快通要道，同时也是构成湖南省五纵七横强 的组成部分，是连接我国东、中南部及西南地区的主要运 建成通车具有非常重要的政治、经济和国防意义。 纵观整条高速公路，由于受地形、设计及成本的限制 一些河湖密布，水系发育的软土地区，这些地区的土体天 大、压缩性高、抗剪强度和承载力较低，在上部荷载的作 稳或变形过大等问题，是高速公路建设的重点和难点路段 ，、7 蜃斛 ；初研 转移， 将彳 目 高速公路软土地基处理中逐渐得到应用和推广，但由彰 两个不同的领域，因此不能简单的将建筑工程中的应， 时，随着高速公路的大规模修建，对工程质量的要求 理中遇到的问题也越来越复杂，因此，有必要对c f t 基处理中的应用做进一步的研究。 1 2 c f g 桩复合地基的国内外研究现状 c f g 桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，是我 载特性不足的问题而研究开发的，在碎石桩的 峁瘤 迷镭 芷钓竭 | 2 2 。a 迂萄j s ( 誊目茸孤擎霉刨瞻珥毒罄翠) v 誊驯 9 s 颧疆 步s 料萃皋辱 e s 。嚣碧疆哥业朝延抱乙9 哇弹新镍、冒旦萧一幂衅丁毗霉胂璐里拙翠鲷髯妊延抱世娶刨朝百业珊斟骣 辔瓣旦拙澉鹄禁曾y 半辑抱性围椠葺罐鳟朝璐壁扭弹新徘鄱平瞽璐0 d 3 称砼草地此掣国b l j 霉辑导茑骅9 j 0 乙l - 。琶抱鲷乖一取珊茸珂阴中蔷辅霉 游船汤擎掣翠髯礤号鹭璐0 , 4 9 鞑益订单耵图雌酉裂半群毋尉刨朝唛密中蕊 ，辅朝霉骈髂肄掣觯半群攀益阴喜暂融工鞑晷现辫群￥聊船孑娶掣晕到期 刨。丁船孑驻掣亚茸量茸犁朝七酵工骘裁琳朝责蟛粥业邓图辑酪明刨业专丝 瞽戤工骘嚣与船抒娶掣士甲哥j 群瞠茸犁睡舍； 撩娶串砬涵髯可耳干璃船娶掣 翠世科释黔半群岛华臻枣髯研掣鬻翠勤￥哇捌坝g 工驹霉骈币狨磷单且￥翠 辫回睥、滞科辔嚣兽野、酊肇工舆阜曾璋0 , 4 0 壬甲半丁船抒娶掣瞳目珂半辑 蕊辅霉潍璐0 d 3 朝辑鹭辞工够蕈琳瞽甄一七b 茸。酱鞘掘摹瞠距抱砚酲朝进幸上 舍； 磕冀半辑醯辅霉孵上智髯华￥哇瑛磋乖耍鳍刨朝盟华醢辅霉孵干滩船抒 驹喜￥上跖抱半匆r l r + 哲半杀瞠哲乱工。卓搿辑甏朝船汤睥辫粤晕茸觋明龆 影蛐缮蟹刨喜骝隧甲当辱娶粜卫船影丐燕诵酿酒朝晏綦身幂髯孵干骣示取 ；驱垂彰开d 赣疆融工翠飘驻确哇飘县玛、飘弓摹朝毒岜韶影娶掣哥辨椠 皤。盈工甚辅霉骈干璃阜解猪刨号妙9 鲷申茸碍刨号少乙i 单g 降湃工骥晷干筘弓。裙船覃驱哇覃重驹魏犟船影驻掣吾娶刨翁￥罂红甄箪戳 ￥霉研雨犁暂碑土茸勤朝纂矬烬丁翠狒避华臻凄哇翠氍鳟群、掣科黪习、￥ 羽削1 、墅喜雄导鞴￥鞘干钾习可i 手示取蛩骈干潍朝旦髯堂雄卑翠咏世而一 罂荡益朝丐燕乜业陴刮朝章鞘疆县旗、红骈荟士甲韶影娶掣澎嚣龊惰 。百草翱国瞠躲荡、歇砸明螽喜粜非单曾毒鞋搿器 朝罩：h 圉桑觋墩饕益千鲷因骈卑显疆衅单中、霉国錾洱耍瞢髟僻搿砺鲷 黹兽千粝豳龆影驻掣辫斗更昆单滕貊斛謦毋期刨亲益觐谄垂壶翱国明益喜 罾一朝蛩骈颤歇卑霉裂群雹藓锐昆测掣参岸鼹瞽毋旨韶垂重驹掣辑掣鼹翠韶 影娶掣蝶犁互【j 簪明晦群豳船影驻掣髫国瞽船好娶掣檠毒明延地益茸章。羽号 朝蜷专上丁娶智髯明船影娶掣国錾翦毋智髯明躲殇骈呆上取劭业释。劬 昆明￥业蕈墨船汤娶掣辉显串瞢略辩骐群朝旗番骢餮f r 生霉朗掣翠船孑驻掣戥 耳上￥啤解舛号国弓蜘缮司业明半密衅蟛唰等到国聊旃椠刨睁匹一+ 石晕瞠普舁钾筚地革拱 i 。i 殃韶辜一嵩 毽0 空隙水压力。在上层有相对隔水层时，施工完毕的最初水泥粉煤灰碎石桩因其 本身材料的性质决定了它将是一个良好的排水通道，孔隙水将沿着桩体向上排 出，直至c f g 桩硬结为止【4 】。这样的排水作用可增加桩间土的密实度和提高复 合地基承载力。 1 2 2 4 振动挤密作用 c f g 桩采用振动沉管法施工时，由于振动和挤压作用使桩间土得到挤密， 提高了桩间土的强度和桩侧法向应力，使得桩侧摩阻力得到增加，桩体的承载 力得到加强，进而提高了复合地基的承载力。 1 2 3 c f g 桩复合地基在刚性基础下的研究 由于c f g 桩复合地基技术最早即应用于刚性基础下的地基处理，如图1 1 ， 所以对其研究的成果比较成熟，闰明礼、徐志钧等均将其研究成果归纳、整理 出版成书。目前，国内外对于刚性基础下c f g 桩复合地基的承载力、变形、桩 土应力比、荷载传递规律、垫层效应、动力特性以及可靠度等方面进行了不少 研究，取得了丰富的成果。 图1 1 刚性基础下的c f g 桩 1 2 3 1对承载力特性的研究 层 对于c f g 桩在垂直荷载作用下的性状研究，大多是在分析桩土应力比的基 础上进行的。由于c f g 桩复合地基中褥垫层的存在，保证了在任一荷载下桩和 桩间土共同参与工作【2 】。 1 ) 随着加载的进行，桩间土表面的变形不断增加，但桩和桩间土的荷载分 担比为一常数，不随时间而变化，如图1 2 所示。 2 ) 随着荷载的增加，桩承担的荷载占总荷载的百分比p 。p 逐渐增加，而土 承担的荷载占总荷载的百分比p逐渐减小，如图13所示。,p 3 模量、基础宽度、下卧层土性、桩侧摩阻力的分布等因素有很大的关系。复合 地基的沉降包括三个部分：一是桩长范围内土层的压缩量品【6 1 ；二是下卧层的压 缩量s ，【6 1 ；三是褥垫层的压缩量s 3 1 4 1 。 最终沉降量可用分层总和法计算【4 】【6 】【7 】： s = 墨+ 屯= l | f ，( 皇鲁囊+ 争垒e 哆+ 羔鲁 ( 1 1 ) l - 1 一s ij 一1 两 k 2 l 一骚 式中：啊、n 2 、吩分别为加固区、下卧层和垫层的土分层数； 4 瓦桩间土应力在加固区第i 层土产生的平均附加应力； 瓦、屯荷载在下卧层第j 层土产生的平均附加应力； k 荷载在褥垫层产生的平均附加应力； 毛、b 、分别为加固区、下卧层和褥垫层的压缩模量； h j 、分别为加固区、下卧层和褥垫层的分层厚度； l i ，沉降计算经验系数，参考建筑地基基础设计规范 1 2 3 3 对褥垫层的研究 褥垫层是指在刚性基础之下由粒状材料组成的散体垫层【4 】，复合地基的许多 特性都与其有关，合理的褥垫层通过调整桩与桩间土的荷载分担比，保证了桩 与土共同承担荷载，减小了基础下桩体的应力集中，避免桩体对基础产生冲切 破坏。若基础下不设置垫层，在垂直荷载作用下，由于桩的沉降远小于桩间土 的沉降，在桩顶应力集中现场较明显，桩间土的承载力得不到发挥，其承载特 性和桩基差不多。若基础下设置的垫层过厚，桩土应力比接近1 ，此时设置桩已 失去意义，地基的承载力不会有太大提高。国内外研究学者分别通过试验和数 值分析对合理的褥垫层厚度进行了研究。 韩云山等【8 】在不同材料和厚度的垫层条件下进行了两组c f g 桩复合地基的 载荷试验，并通过试验结果对桩土应力比、荷载分担比以及沉降进行了分析， 提出在做载荷试验时，垫层的厚度宜取5 0 1 5 0 m m ，材料可分别采用石屑+ 中粗 砂、碎石+ 中粗砂或碎石+ 石屑，并认为复合地基中桩间土的承载力能充分发挥， 其承载力发挥系数卢= 0 7 5 1 0 。 王飞等【9 】利用a n s y s 有限元分析软件将不同褥垫层厚度下的桩身轴力、桩 身竖向位移、土体竖向应力等进行了对比分析，提出褥垫层厚度较小时，桩承 担的荷载较大，不能充分发挥桩间土的承载能力，但当褥垫层厚度超过o 3 m 后， 继续增大褥垫层的厚度对桩土应力比的影响减小，造成不必要的浪费。 1 2 3 4 对桩问土的研究 目前关于桩间土的研究大多集中在对桩间土的挤密上，理论分析主要有圆 孔扩张法、应变路径法和有限元法三种。 圆孔扩张法是分析桩间土挤密的最常用的方法，是b i s h o p 在1 9 4 5 年研究金 属压痕问题时提出的，随后被广泛的应用于岩土工程领域。将打桩过程视为在 无限半空间体中扩张出一个直径与桩径相同的圆形小孔的过程【1 0 】，假设有一初 始半径为i 的圆孔，内压力均匀分布为p ，打桩开始后，随着贯入压力的增加， 圆孔内压力逐渐增大，圆孔逐渐扩张，圆孔周围的塑性区不断扩大，当圆孔半 径扩张到与桩半径大小相同时，在周围土体中形成一个半径为r 。的环形塑性 s 6 塑性区附加应力为： 懈厩 旷半e 如 ( 1 7 ) 斗m ( 赤冲 q = 见一2 g h ( 昙) = 见一2 g h ( 丢 + 吒= 见一2 g h ( 昙) + 丢 ( 1 8 ) 另外，h e n k e l 和w a d e 在考虑中主应力影响情况下利用应力不变量提出了适 用于饱和土的超孔隙水压力的计算方法： 址半+ 詈厄习而i 丽 9 ， 据此可导出沉桩过程中桩周土超孔隙水压力为： 缸= 孚口+ 2 h ( 争) e = 缸嘣一2 eh ( 丢 c - 。， 肌= 降h ( 丽e 卅 上述诸式中：e 土的弹性模量5 p 土的泊松比； e 土的不排水强度； 桩体半径； a h e n k e l 孔压系数与s k e m p t o n 孔压系数a 的关系为 口= 压( 3 a 1 ) 2 ： 由以上理论可知1 1 1 ，将平面应变假定为径向对称可将问题简化为一维问题， 可使未知变量数目减少，使计算更简洁，控制方程为一个一次微分方程，可直 接求解，但将桩体贯入这样一个三维轴对称问题简化为一维的圆孔扩张解，它 假设应力只与径向坐标r 有关，而与竖向坐标z 无关，忽略了孔壁竖向摩擦力的 影响。 为克服圆孔扩张理论的缺点，b a l i g h 提出了应变路径法【1 2 】。该方法认为在 7 深层贯入的土体变形的计算中，在不考虑土体本构模型的条件下，仍有足够的 精度。在均质、各向同性的土体中，利用一个点源和一个均匀的竖向方向的流 场相结合，模拟出一个光滑的、圆头桩的沉桩过程。首先利用流速沿着流线对 时间积分得到位移场，再由几何方程得到应变，进而由物理方程得到应力。 这种方法【1 3 】一方面可以考虑竖向贯入过程中，土体变形与竖向坐标的关系； 另一个方面可以考虑匀速贯入的连续性。所以，他可以给出贯入过程中土体应 力、位移分布的大致情况。但由于它是用点源和竖直方向的流场来模拟光滑圆 头桩的沉入过程，而忽略了地表面的边界条件，所以只适用于桩端附近的应变 场；且它本质上只是一种近似的方法，而且计算较为繁琐。 圆孔扩张法及应变路径法在一定的假设条件下能够给出静压单桩挤土效应 的解析解【1 4 】，但由于压桩过程存在土体的大变形和桩土界面摩擦接触问题而难 以模拟动态的压桩过程，使所得到的结果和实际有较大的差别。有限单元法能 够考虑到土体的本构关系、大变形和桩土的相互作用等诸多因素的影响，且能 够模拟动态压桩过程而在静压桩挤土效应方面得到了较为广泛的应用。通过有 限单元的计算，可以得出不同深度和水平向位移的应力和应变大小，孔压的情 况。 通过以上的研究可以看出，c f g 桩在建筑工程领域的研究涉及的范围很广， 从其具体的设计方法、施工工艺到检测的方法均以形成了完整的理论，并已经 制定了相应的规范。各方面的研究也比较充分，从其桩体配合比、桩体材料到 在垂直荷载下的作用机理、桩土受力特性、变形特性均有所研究，并在长期的 工程实践中积累了大量的经验，提炼了许多可以指导施工的理论。 1 2 4c f g 桩复合地基在柔性基础下的研究 c f g 桩自其被研发使用以来，试验研究和推广应用一直集中在建筑工程领 域，即在刚性基础下的使用，近几年逐渐在公路、铁路软弱地基加固工程中推 广应用，包括对天然软弱地基、老路加宽地基、桥涵台背地基等的处理。在公 路与铁路工程中一般应用在柔性基础之下，如图1 5 所示 土 褥垫层 土工格栅 桩 图1 5 柔性基础下的c f g 桩 8 公路和铁路对c f g 桩复合地基的设计及应用没有规范的理论指导，其设计 及应用依然采用建筑地基处理技术规范规定的方法，由于建筑工程荷载是 直接通过基础对地基施加的刚性荷载，而公路和铁路是直接承受上部路堤的自 重和车辆运行产生的柔性荷载【l5 1 ，因此，其设计及应用的合理性值得商榷。王 连俊等利用数值分析和载荷试验，对比分析了刚性基础下和柔性基础下桩及桩 间土沉降、应力及荷载分担情况。通过数值分析得出【l6 】：( 1 ) 桩在刚性基础下 的沉降大于柔性基础下的沉降，桩问土在刚性基础下的沉降小于柔性基础下的 沉降，桩问土在刚性基础下的沉降随距桩心距离的增加呈直线趋势，而柔性基 础下的桩间土沉降与桩心的距离无关。( 2 ) 刚性基础下的桩应力大于柔性基础 下的桩应力，桩应力在刚性基础下l m 达到峰值，在柔性基础下2 m 达到峰值。 刚性基础下桩分担的荷载大于柔性基础下，柔性基础下桩间土承担了较大的荷 载。因此，刚性基础下的c f g 桩与柔性基础下的承载力特性是完全不同的，采 用刚性基础下的c f g 桩设计方法直接在柔性基础下应用是不合适的。 吕应臣等【”】提出在刚性基础下的c f g 桩复合地基，由于刚性基础的存在， 才能限制c f g 桩的向上刺入，使上部荷载能通过桩体传至较低的土层，充分发 挥桩的承载力，基于这样的特点，认为刚性基础也是组成c f g 桩复合地基的必 要条件，也就是说c f g 桩复合地基存在四个要素，即桩、桩间土、褥垫层和刚 性基础。而在柔性基础下的软弱地基处理的设计中，往往只是在褥垫层之上铺 一层土工格栅或土工布。因此，在柔性基础下的c f g 桩的整体结构设计上也要 参考刚性基础下的设计结构，即可以采用适当配筋的砼板基础作为刚性基础来 解决这一问题。朱明等【1 8 】以京沪高速铁路京徐段d k l 9 0 + 1 2 4 - 3 5 6 2 为例，通过 相关的试验，一方面优化了c f g 桩复合地基的设计参数，另一方面对柔性基础 下c f g 桩复合地基的计算方法和设计原则进行了研究，对比分析了c f g 桩复合 地基采用桩冒和桩板两种结构形式的承载特性，认为桩冒结构的复合地基沉降 大于桩板结构的复合地基，且桩板结构的整体特性优于桩冒结构，桩板结构更 能发挥桩承载力大、沉降小，便于控制的优点p4 。 对于柔性基础下的c f g 桩复合地基承载力的检测也是依据建筑地基处理 技术规范规定的采用刚性承压板载荷试验，但建筑工程的基础为刚性基础， 而对于柔性基础，若采用刚性承压板，必然与实际情况存在偏差。在同一荷载 下，刚性载荷试验的复合地基沉降大于柔性载荷试验的沉降【2 0 】【3 2 1 。丁桂伶等【1 9 】 提出了一种质量检测的新方法，即柔性载荷试验，在复合地基垫层和刚性承压 板之间放置一层柔性传力装置( 如橡胶板) 。通过与刚性承压板载荷试验对比分 析得出：柔性载荷试验能更好的发挥桩间土的强度，能很好的模拟路基荷载下 c f g 桩复合地基的变化。 通过以上的研究可以看出，c f g 桩在公路、铁路等领域的应用大多机械的 9 挤土桩，这样就避免了两种桩型在施工时的相互干扰，挤压破坏。对于复合地 基承载力计算的方法，提出采用两种桩型按分担加固面积分别计算单桩复合地 基承载力，再加权平均的二次复合的地基检算方法。 在碎石桩与c f g 桩组合的研究中发现，单纯采用碎石桩虽可解决地基液化 及地基承载力不足的问题，但对地基变形要求较高的工程难以控制，与c f g 桩 结合可解决这一问题【3 引。在山西一综合办公楼的地基处理中1 2 2 1 ，采用了c f g 桩 与碎石桩组合处理的地基加固方式。施工时首先采用沉管碎石桩进行挤密加固， 形成排水通道，以消除地基土液化沉陷，间隔一段时间后采用c f g 桩进行地基 加固，以提高地基承载力，并减少地基沉降量，并在桩顶铺设1 5 0 m m 厚的碎石 褥垫层，以便协调复合地基桩、桩间土及建筑物基础之间的变形，充分发挥地 基土的承载力。 结合这项工程，李建军等提出了一种新的承载力计算方法【3 5 1 ，把天然地基 和碎石桩复合地基视为一种新的等效天然地基，然后再和c f g 桩复合地基形成 碎石桩一c f g 桩组合型复合地基。复合地基承载力标准值为： 厶，i = 二笋+ a ( 1 一) e m z j + 届( 1 一) z ，i ( 1 1 1 ) 式中：见c f g 桩承载力特征值； 彳。c f g 桩截面面积； ，l i 、聊，碎石桩、c f g 桩面积置换率； 兀。碎石桩承载力特征值 疋。桩间土承载力特征值 口、屈碎石桩复合地基承载力，桩间土强度发挥系数。 林森利用北京市通州区的一热力站烟囱工程为研究对象【2 3 1 ，在对复合地基