（道路与铁道工程专业论文）PHC桩桩网结构处理深层软土地基的设计参数及施工工艺研究.pdf

摘要 摘要 温福铁路沿线软土广泛分布，且普遍具有厚度大、指标差的特点。软土层厚度一般4 0 m 左右，深的达到6 0 m ，平均含水量达到6 8 以上，压缩性高，强度低，很难满足线路的设 计标准要求的路基一般地段的工后沉降量。 经比选研究，确定采用p h c 管桩桩网复合结构对深厚软土进行处理。虽然预应力管桩 在房屋建筑中广泛运用，但在铁路软基加固中尚不多见；且p h c 管桩桩网复合结构在我国 铁路软土路基地基加固工程中系首次应用，尚无成熟的设计方法及施工工艺，并缺乏试验研 究数据，因此有必要展开系列研究，旨在对温福铁路( 浙江段) 下一步全线正式工程及其它 类似工程的施工和检验提供若干有益的借鉴和指导作用。 本论文通过现场试验，理论计算，数值分析等手段，并结合温福线( 浙江段) p h c 桩 桩网结构处理深厚层软土的工程建设，对p h c 桩桩网结构处理深层软土地基的设计参数及 施工工艺开展了研究，主要内容包括： 1 、桩网复合地基处理深厚层软土现场试验研究，主要进行沉降观测，包括地基沉降随 荷载、时间及深度的变化等，利用实测数据，按经验公式预测最终沉降。 2 、桩网复合结构的作用机理，按沉降的常用计算方法进行计算，并与按实测数据预测 的最终沉降进行对比，提出桩网复合结构地基沉降的计算方法。 3 、运用数值分析手段，对p h c 桩桩网复合结构处理深厚层软土的设计参数进行分析， 优化设计参数。 4 、对p h c 桩桩网复合结构处理深厚层软土路基的施工工艺进行研究，包括施工方法的 比选、施工顺序、基桩的停锤标准、施工的质量控制以及p h c 桩的质量检验等。 关键词：高速铁路；p h c 桩；桩网结构；深厚层软土：p h c 桩施工工艺 a b s l l 矾c t ab s t r a c t t h es o f ts o i li sw i d e l yd i s m b u t e da l o n gt h ew e n z h o u - f u z h o ur a i l w a y , a p ac h a r a c t e r i s t i c e do f al a r g ed e p t ha n dw e a kn o l m t h es o f ts o i li so fa b o u tf o r t ym e t e r sd e p t h , a n de v e ns i 砌a ts o m e m c a s ，w i t hl a r g ew a m rc o n t e n tw h i c ht h ea v e r a g el e v e li s6 8p e r c e n t , h i g hc o m p r e s s i o na n dl o w s 仃e n g t t ls oi ti sd i f f i c u l tt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to ft h es u b g r a d e t h a tt h er a i l w a yd e s i g ns t a n d a r dr e q u i t e d a f t e rs t u d y i n ga n dc o m p a r i n g ，t h eg e o s y n t h e t i c - r e i n f o r c e dp h cp i l e s u p p o r t e ds y s t e mi s a d o p t e d t h o u g hp h cp i l ew a su s e dw i d e l yi nb u d d i n gs t r u c t u r e i t sr a r ei nt h eh a n d l i n go f r a i l w a ys u b g r a d e w h a t sm o r e ，t h eg c o s y n t h e t i c - r e i n f o r c e dp h cp i l e s u p p o r t e ds y s t e mi sf m t u s e di nt h es o f tg r o u n dh a n d l i n gi nr a i l w a ys u b g r a d e a n yr i p ed e s i g nm e t h o d sa n dc o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e sa r ea b s e n t , a n dt h ed a t ao fe x p e r i m e n ts t u d yw a sl 孤e s oi t sm c c s s a t yt od oas e r i e so f r e s e a r c ht op r o v i d es o m eh e l p f u lr e f e r e n c e sa n dg l 此t ot h en e x t s t e po ft h e w h o l e w e n z h o u - f u z h o ur a i l w a y ( z h e j m gs e c t i o n ) a n do t h e rs i m i l a rc o m u u c t i o na n de x a m i n a t i o n b a s e do nt h ef i e l de x p e r i m e n t , t h e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i a la n a l y s i sa n dt h ec o n s t r u c t i o no f t h ew e n z h o u - f u z h o ur a i l w a y ( z h e j i a n gs e c t i o n ) ，t h ed e s i g np a r a m e t e r sa n dc o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e so fg e o s y n t h e t i c - r e i n f o r c e dp h cp i l e - s u p p o r t e ds y s t e mo nd e e ps o f ts o i la r es t u d y e d i nt h i sp a p e l t h em a i 1c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ef i e l de x p e r i m e n ts t u d yo fg e o s y n t h e t i c - r e i n f o r c e dp h cp i l e - s u p p o r t e ds y s t e mo nd c 印 s o f ts o i ls e t t l e m e n ta l eo b s e r v e dm a i n l y 9i n c l u d i n g ：t h es e t t l e m e n tv sl o a d , t h es c 啦l e m e n tv st r e e a n ds e t t l e m e n tv sd e p t h , a n df o r e c a s tt h ef i n a ls e t t l e m e n tb yt h ed a t ao b s e r v e da t s i t eu s i n g m a t h e m a t i cm e t h o d s 2 1 1 埒s t u d yo ft h em e c h a n i s mo fo e o s y 删c - r e i n f o r c e dp e s u p p o r t e ds y s t e m d os o m e c a l c u l a t i o nu s i n g 恤c o m m o nm e t h o do fs e r l e m e n tc a l c u l a t i o n , a n dc o m p a r et ot h ef m a l s e t t l e m e n tf o m a s t e db yt h eo b s e r v e dd a t a , t h e nc o n c l u d et h ec a l c u l a t i o nm e t h o ds u i tf o rt h eg r p s 3 c o m p a r i n ga n dc h o o s i n gp r o p e rd e s i g np a r a m e t e ro fg e o s y n t h e t i c - r e i n f o r c e dp h c p i l e s u p p o r t e ds y s t e mo nd e e ps o f ts o i lu s i n gn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d 4 d os o m er e s e a r c h e so nt h ec o n s t r u c t o nt e c h n i q u e so fg e o s y n ：t h e t i c - r e i n f o r c e dp h c p i l e - s u p p o r t e ds y s t e mo nd e e ps o f ts o i l ，i n c l u d i n g ：t h ec o m p a r ea n dc h o o s eo fc o n s t r u c t i o n m e t h o d , c o n s t r u c t i o no r d e r , t h es t a n d a r do fs t o p p i n gl 瑚l l n e ro np i l e s ，q u a l i t yc o n t r o lo f c o n s t r u c t i o na n dq u a l i t yt e s to fp h c p i l e s k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a y ；p h cp i l e ；g e o 科m h e c - r e i n f b r o e dp i l e s u p p o r t e d s t r u c t u r e ；d e e ps o f ts o i l ；c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e so fp h cp i l e i i 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：程岩 撕文年| 2 只l 6b 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷 本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供 目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家 有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前提下，学校可 以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：程 埘年，2 月多日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签 名：程岩 年 月 日力为7 年1 2 月歹日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论弟一早瑁v 匕 高速铁路要为列车的高速行驶提供一个高平顺性和稳定性的轨下基础，而路 基作为轨道结构的基础，必须具有强度高、刚性大、稳定性和耐久性好的特点， 在运营条件下将线路轨道的设计参数保持在要求的标准范围之内3 。因此，高速 铁路( 客运专线) 路基的设计在许多方面已深化和改变了传统的设计思路，其中 集中体现在：过去对路基工程主要满足在强度的要求上，而高速铁路更体现在对 路堤变形的严格控制中。新建时速2 0 0 公里客货共线铁路设计暂行规定、时 速2 5 0 公里及以下新建客运专线铁路设计规范明确规定：对有碴轨道，时速 2 0 0 公里和2 5 0 公里，路堤工后沉降要求分别为小于1 5 c m 和l o c m 乜- 钔。新建时 速3 0 0 3 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规定要求：路堤工后沉降小于5 c m ：对 于无碴轨道，工后沉降小于1 5 m m 【4 】。 我国地域辽阔，地质及地理条件复杂，因此在各种特殊条件下，形成了各种 具有明显地域性的特殊类型的土，特别是软土分布面广。随着我国铁路运输网规 模的迅速扩张，高速铁路修建路基都面临着软土地基问题，在软土地段还包括深 厚层软土地基，如温福铁路的软土深度达到4 0 6 0 m ，平均含水量达到6 8 以上， 作为强度低、压缩性高、透水性小、厚度大、深度大的深厚层软土，为满足高速 铁路工后沉降要求，必须对软土地基进行处理。 地基处理的目的是为了提高地基承载力，减少地基沉降( 或工后沉降) 。当天 然地基不能满足构筑物稳定或变形控制要求时，就要对天然地基进行处理。由各 种地基处理方法获得的人工地基可以分为两类：一类是对天然地基土体进行土质 改良，如预压( 排水固结) 法、强夯法、原位压实法、换填法等。另一类是形成 复合地基，它可以由人工增强体与天然地基土体形成，如水泥土复合地基：也可 以由扦入( 包括置换) 的材料与天然地基土体形成，如低强度桩复合地基法、树 根桩复合地基；也可以由扦入的材料与得到的改良( 挤密) 的天然土体形成，如 振冲挤密碎石桩复合地基，还可设置水平向增强体( 铺设加筋材料) 形成复合地 基。近年来，国内外学者在进一步研究竖向增强体和水平向增强体的特点的基础 第一章绪论 上，为充分发挥桩间土的承载能力，提出了桩网复合结构或桩网复合地基结构， 并应用于工程实践，取得了较好的效果。 温福铁路沿线软土广泛分布，且普遍具有厚度大、指标差的特点。温福线浙 江段地层多为全新统海积相地层，其软土层属典型的海积滨海一泻湖相沉积淤 泥、淤泥质土，其成层稳定，厚度一般4 0 m 左右，更深的达到6 0 m ，平均含水量 达到6 8 以上，压缩性之高，强度之低为全国罕见。下卧层多为冲积成因卵石土， 厚度大于l o m ，属典型的“上软下硬二元相地层，很难满足线路的设计标准要 求路基一般地段的工后沉降量小于1 5 c m 啪。常规的地基处理方式难于满足工后沉 降的要求，经设计单位的比选研究，确定采用p h c 管桩桩网复合结构对深厚软土 进行处理，并采用“桩一网加固模式。虽然预应力管桩在房屋建筑中广泛运用， 但在铁路软基加固中尚不多见：且p h c 管桩桩网复合结构在我国铁路软土路基地 基加固工程中系首次应用嘲，尚无成熟的设计方法及施工工艺并缺乏试验研究数 据，因此有必要展开系列研究，指导温福铁路下一步全线正式工程及其他类似工 程的设计和施工。 1 2 国内外研究现状 桩网复合结构是由桩( 预应力管桩等刚性桩、c f g 桩) 、桩帽、网( 土工格栅、 土工格室等) 以及桩间土构成的复合系统睢7 1 陆2 7 1 。土拱效应加上土工格栅等可以 将路堤重量的大部分或全部传递到桩上，从而减小路堤沉降。土工格栅还可以起 到限制路堤侧向变形的作用。 土工格栅 o o o ( b ) 方形布桩 图1 1 桩网复合结构处理软土路基示意图 、 桩网复合结构与常规桩基相比，取消了桩项承台，而以桩帽代替或者不要桩 帽。水平加筋体和垫层共同作用，起到调节路堤沉降、限制侧向变形、将路堤荷 载传递至桩及桩间土等作用。 2 第一章绪论 与其他软土地基处理方法相比，桩网复合结构具有施工工期短、沉降和侧向 变形小等优点，造价和水泥搅拌桩式路堤相当，很适合于软土地基上快速建造各 类建筑物或构筑物。目前国内外已大量采用，然而由于其结构的复杂性，对相关 作用机理的研究还不够透彻，还没有能形成共识，实际应用中大多依靠经验进行 设计。 上世纪7 0 年代，国外开始采用桩网复合结构加固铁路、公路路堤、堤坝、 挡土墙等工程呻。1 9 7 5 年日本首次将桩网复合结构应用于石狩河的堤岸改造工 程，采用的桩是经防腐处理的木桩，网材为钢筋，取得较好的效果，随后日本迅 速将此法推广应用于铁路、公路、建筑等领域。2 0 世纪8 0 年代，英国在扩建伦 敦第三大国际机场s t a n s t e d 机场时，加宽一条连接l o n d o n - c o m b r i d g e 干线的铁 路工程中，为使新地基与既有干线地基的差异沉降保持最小，考虑工期及其他地 质条件的影响，采用了“带帽钢筋混凝土预制桩+ 土工织物一的路堤填筑技术。 取得非常好的技术效果。世界各国还有许多桩网复合结构在其他领域的应用，美 国t e x a s a m 大学的c p a u b e n y 通过查阅文献，收集了1 4 个国外的桩网复合结构 应用于路堤填筑的工程实例，这些工程实例的地质条件、采用的桩型、设计参数 等应用情况详见表1 1 嘲。 此外，近几年桩一网结构已经被成功地应用于几个不同地方：路桥过渡段、 高速公路和铁路路基、低路堤的改进技术、现有道路拓宽、峪e 墙以及不可控制 填土的建筑n 6 。删。2 0 0 2 年，j h a n 等在处理新老路基结合部防止不均匀沉降时 采用此技术，并取得较好效果9 1 。 国内自1 9 9 0 年首次应用桩网结构加固某大型油罐地基以来，在铁路、公路、 高层建筑、大坝、桥台过渡段等领域也越来越多的采用桩网结构啪力。如湖南省 ( 湘) 潭琊( 阳) 高速公路、益( 阳) 一常( 德) 高等级公路中应用此法来处理软地地基 及路桥过渡段。1 9 9 3 年南( 宁) 一昆( 明) 铁路线永丰营车站使用粉喷桩结合土工格 栅进行软土地基处理，大大缩短了工期。1 9 9 8 年，江苏泰州工程技术人员使用 “土工织物加筋垫层+ 水泥粉喷搅拌桩一处理码头下软上地基，成功解决了原设 计中单一粉喷桩方案处理后出现的桩体剪断、偏斜、位移，码头边坡滑动，桩间 土翻浆等多种问题。此外在沪杭甬高速公路拓宽、沪宁高速公路拓宽、新建申苏 皖高速公路( 浙江段) 、新建宁波一金华高速公路( 宁波段) 等工程中也有大量采用。 3 第一章绪论 相应的国内外在理论方面也做了一定的研究。 表1 1 桩网复合结构应用于路堤填筑工程实例 序 作者引文应尚i i 曩豢件柱麓 工台斑材 号 格类型 设计参教 b i d e t o l 桥头 摇凝土打工骥 舡1 0 一s 孓5 t5 - 垆1 1 l 蓑土 ( 1 9 8 3 j 麝埋入壤l f 行壤织 一1 橐p c = 5 一l 聃鼯q o a k s 妇l e 剐性殍石 舡7 鲰s - 2 7 氟曩畸5 1 2 俄并曩戟羁铭碟娥韵 一吼5 0 一t = d | 如邓8 ( 1 9 8 3 )桂 l 扣l j o n e e 等人 镶謦 麓软弱孵雄 预翻混撮主工织勃平 k 氛5 u s 雄7 5 1 1 4 a 3 ( 1 9 9 0 )暂税靼琵磺 土垃 潍接p 仉缸p c 0 2 0 睁l 工船橱 t 矗胥 坭薯镭疆土蛀t e n 埘 l 卢1 5 s - - 2 。i l p 仉8 t l 岫等人 街迸 c 姻昭)p c = 1 1 5 屯”1 巾毛 蹈2 l l o l t s 篝人 不均匀获t工双砌 黔5 咆s = 夏钰f l 鼻 5 遣格t i a k e r 控 ( 1 9 9 3 ) 船土( 镌台簋) p c - - 4 4 弘巷 & 1 1 每人 广场盼 膏压缵悔花 沉警蠢注 t e 临s rs s 2酗叠5 瓴孛幺z 幺7 e ( 1 稍吣 锋羹 曩和粘 砼妊 工格墨do 1 脚 c a r d 蔫入 m 辣 糟羼有机曩 t 档铌碟、 钉入性 霹向格檀肛2 5 一k0 - a t l n , ( i 朔国 皎路 s s 2 梧n 3 扣o 钿 砂轴土 t o p o l n i c 蛆 公蘑秘 捂填土羁 抗警灌注 辖h = i 。5 p 1 $ - - 2 飘 0s s l s s 2d 叼5 5 阮咄17 1 c l 稍临) 帙 鬻膏饥曩土 砼桩 了剖i 摹摹f n 唿3 瑚 一 b 瑚d l 等人泥碳h z s s - i 9 u , d - i i 钿 9 骸 打入桩 籍 ( 1 9 9 7 )有桃土 ；l p c = 髫5 5 6 , n = 3 o e o i n s t l 公路锈 桔，砂桅 蕊蕾疆洼 鞠 f 2 为了减少测量误差对预测结果的影响，同时也为了有效确定曲线位置和形 态，a t 的取值应尽可能的大，且三点均应该是荷载加载完成后的时间和沉降。 2 鱼d1 + 墅墨 口2 = 8 虹2 - - s 1 f 瓯= s t + ( 瞄) 砸s 2 - s l 则， s ：一量 ， 是一墨 ( 2 ) 指数法 该法的u ( t ) 函数形式假设基于太沙基渗透固结理论，假设任意时刻t 土层 平均固结度u 为时间的指数函数，即： u - - 1 一伽一肛 ( 2 4 ) 其中，a , p 为系数；f 为修正时间零点后的时间；对于单级等速加载情况， 时间零点置于t 2 处，其中t 为实际加载时间；对于两级或多级加载的情况，采 用力时间阶段等效原则确定。 故，s t 2 瓯+ ( 一s d ) ( 1 一口e 一卢)( 2 5 ) 在实测沉降一时间曲线上取三。点( t l ，s 1 ) 、( t 2 ，s 2 ) 、( t 3 ，s 3 ) ，使， f 2 一f l5f 3 一f 22 址 且，f 3 f 2 f l 第二章桩网复合地基处理深层软土现场试验研究 则p 竽群2 贝0 ， 二。一- ) l 一) 3 口毒= 去2 n 黼2 万， l i l) 3 一) 品= 型筘攀 2 4 2 最终沉降预测结果 ( 2 6 ) 根据试验路段的实测沉降曲线，取时间间隔f 为6 8 天，同时取s 1 为加载 完成后第一次测量的结果( 2 0 0 5 年9 月1 0 日) ，根据双曲线方程式法和指数法 预测的最终沉降量结果见表2 3 ，值得一提的是，表2 3 中“未完成沉降一是预 测的最终沉降量结果与2 0 0 6 年2 月2 4 日测试结果之差，“工后沉降”是指预测 的最终沉降量结果与加载完成后最近一次的实测沉降量之差，表中的所有数值均 针对路堤中心点的沉降而言。根据沉降预测结果，预测沉降最大量值1 5 c m ，满 足时速2 0 0 公里铁路路堤工后沉降的要求，小于1 5 c m ，因而试验路段的工程措 施可以达到控制工后沉降的目的，是处理深层软土地基的理想方法。同时预测结 果中，工后沉降远小于规范工后沉降的要求，因而可以对设计参数进行优化，以 达到节约成本的目的。 表2 3 最终沉降量预测结果表 双曲 指数 s ls 2s 3 未完成沉降工后沉降 线法法 c mc mc mc mc mc mc m d k 2 6 + 8 0 0 3 3 73 3 93 4 13 5 53 4 71 1 80 6 1 4 + 8 7 5 1 6 第三章桩网复合结构沉降的计算 第三章桩网复合结构沉降的计算 3 1 桩网复合结构的作用机理 桩网复合结构由上部路堤填土、加入土工格栅或土工格室的垫层、桩和持力 层组成，形成柔性基础的群桩。桩作用是竖向加强，垫层起到横向加强的作用， 通过改变垫层的厚度和模量，可以调节桩土之间的应力比。 在承担上部荷载作用时，刚性基础下桩首先承受较大荷载，柔性基础下则是 土首先承担较大荷载，从而导致两者在荷载传递、桩土荷载比、桩土应力比等在 量值和发展规律上存在较大差异。 在柔性基础下，桩间土直接承受上部荷载。在竖向荷载作用下，加载初期， 垫层提供桩向上刺入量，桩上部存在负摩擦力，同时该负摩擦力对土产生向上的 反作用力，这将提高桩间土的承载力。随着荷载的增加，垫层材料不断调整，补 充到桩间土上，保证在任意荷载下桩和桩间土始终参与工作。由于管桩与土的弹 性模量比非常大，这样做可以使荷载更多的传递到桩体上。当桩间土达到极限状 态时，桩一土相对滑移，外荷载的增加值主要由桩来承担。 柔性基础下复合地基，桩土共同受力，其必要条件是桩在柔性基础能发生二- 定的刺入变形。这一刺入变形使得柔性基础下的桩体之间形成压力拱，即土拱效 应。这一土拱的存在，使得桩与桩间土之间有相互滑动的趋势，促使桩承担更多 的上部荷载，从而起到控制沉降的作用。 桩网复合结构主要作用机理包括桩身的挤密土体、桩的土拱效应和垫层隔膜 效应、群桩效应4 个方面隗蚓。 3 1 1 桩身挤密效应和加速固结作用 桩加固地基的机理主要是通过挤密( 或置换) 、桩体分担荷载来提高地基承载 力及减少变形。成桩过程中将原来桩位处的软土挤出，置换以较高强度的混和料， 其变形模量远大于桩间土的变形模量，在基底载荷作用下，应力优先由桩分担并 占主导地位，从而较大幅度地提高了复合地基承载力。 桩在沉桩过程中会由于锤击或静压引起挤密和排土效应，可使桩间土得到一 1 7 第三章桩网复合结构沉降的计算 定的密实效果，改善土体物理力学性能。同时打入桩会因桩的相互约束而使桩间 土和桩端土的挤密效应更明显，桩端阻力因此而提高。 3 1 2 桩土拱效应 路堤铺筑完成后，由于桩的压缩性远小于桩间土的压缩性，在同样的路堤荷 载作用下，桩间土的沉降量大于桩项的沉降量。这个沉降差使桩间土上部的填土 相对于桩项上部的填土产生一个向下滑动的趋势。在相对滑动面上产生了一个拖 拽力，通过这个拖拽力，桩间土上部填土将自身的部分荷载转移到了桩项上部填 土上。这种由于路堤中沉降差引起的荷载转移现象属于太沙基提出的土拱效应现 象。 在土拱效应的作用下，随着距离桩顶高度的增加，桩间土与桩项上部填土之 间的差异沉降逐渐减小，当高度增加到一定深度时，差异沉降最终消失，该高度 处的平面称为等沉面。在等沉面以上的各个平面上，沉降和竖向应力处处相等。 由此可见，路堤填料沉降差起到了调整作用。显然桩帽和等沉面高度范围内的路 堤压缩量大于桩间土和等沉面高度范围内路堤的压缩量。 3 1 3 垫层隔膜效应 当在桩帽之间发生不均匀沉降时，加入土工格栅或土工格室的土体一土工格 栅或土工格室复合垫层发生土拱效应。其中土拱效应可以减小作用在复合垫层上 的压力。加筋碎石土地基在荷载作用下，由于加筋带与土的摩擦作用，在土工带 中产生较大的内应力，从而抵消部分的上部荷载的附加荷载，同时将荷载较均匀 地传递、分布到地基土中，因而较好地提高地基承载力。加筋带与土的摩擦作用， 限制了加筋土体的侧向挤出，一定程度上有效地减小了土体竖向变形，增大了土 体的稳定性，总之垫层通过加筋后使地基整体工作性提高，承载力提高、变形减 小，有效地发挥了垫层及软弱下卧层天然状态时的地基潜力。由于存在多层或者 单层复合垫层，当土体受力时，复合垫层将表现为盘形或膜形变形。由于桩和软 土之间的硬度不同、复合垫层土拱效应和变形的原因，多数所施加的荷载被传递 到桩上，而软土只能承载一小部分的荷载，因此软土和桩在承担荷载方面存在显 著的不同即桩发生所谓的应力集中现象。根据资料显示随着桩的刚度的提高，应 第三章桩网复合结构沉降的计算 力集中率( 作用在桩帽上的应力与作用在土上的应力比) 提高。土工格栅可以很 大程度的增加应力集中率。 垫层主要可以起到以下几方面的作用溉3 7 1 ： 1 保证桩、桩间土共同承担荷载 若基础下不设置褥垫层，特别是对刚性桩复合地基，如果基础直接与桩和桩 间土接触，在垂直荷载作用下承载特性和桩基差不多。在给定荷载作用下，桩承 担较多的荷载，随着时间的增加，桩发生一定的沉降，荷载逐渐向土体转移。其 时程曲线的特点是：土承担的荷载随时间增加逐渐增加，桩承担的荷载随时间逐 渐减少。如果桩端落在坚硬土层上，桩的沉降很小，桩上荷载向土体转移的数量 很小，桩间土承载力难以发挥。在基础下设置一定厚度的褥垫层，情况就不一样， 即使桩端落在坚硬土层上，也能保证一部分荷载通过褥垫层作用到桩间土上。在 特定荷载作用下，桩、桩间土受力不再随时间变化转移，而为一常数。 2 调整桩、土荷载分担比 刚性桩复合地基桩、土荷载分担，可用桩、土应力比来表示，也可用桩、土 荷载分担比表示。当褥垫层厚度为零时，桩、土应力比很大。在软土中，桩、土 应力比可以超过1 0 0 ，桩体分担的荷载相当大。当褥垫层厚度很大时，桩、土应 力接近于1 ，此时桩的荷载分担比很小。试验表明，适当的褥垫层厚度，可保证 桩间土承载能力超前发挥。桩身刚度大，桩沉降小，褥垫层厚度取大值；桩身刚 度小，桩沉降大，褥垫层厚度取小值。可见刚性桩复合地基桩、土应力比可以通 过调整褥垫层的厚度、变形模量来达到设计要求。 3 减小基础底面的应力集中 当褥垫层厚度为零时，即基础与桩之间不设褥垫层，桩对基础的应力集中现 象很显著，和桩基础一样，需要考虑桩对基础的冲剪破坏。当褥垫层厚度增大到 一定程度后，基底反力即为天然地基的反力分布，桩对基础应力集中相应得以减 小。试验表明：当褥垫层厚度不小于l o o m ，桩对基础的应力集中很小。 4 调整桩、土水平荷载的分担 当没有褥垫层，基础受到水平荷载作用时，水平荷载主要由桩体来承担。若 设置一定厚度的褥垫层，作用在桩顶及桩间土的剪应力相差不大，桩顶所受剪力 占水平荷载的比例大体与面积置换率相当，故桩项承担水平力较小，水平荷载主 1 9 第三章桩网复合结构沉降的计算 要由桩间土承担。设基础与褥垫层材料之间的摩擦系数为0 2 5 - 0 4 5 ，试验表明： 褥垫层厚度不小于l o c m ，桩体不会折断，桩体在复合地基中不会失去工作能力。 可见，褥垫层也有利于减小桩顶的水平应力集中现象，复合地基比天然地基抵抗 水平力的能力更强。 3 1 4 群桩效应 由于加筋褥垫层的存在，p h c 桩与褥垫层共同构成柔性基础的群桩。群桩复 合地基中，加土工格室或土工格栅的垫层限制了桩群上部的桩土相对位移和桩帽 的作用，从而使桩的上段的侧阻力发挥值降低，即对侧摩阻力起“削弱效应一， 同时由于垫层的存在，引起桩承担更大的荷载，因而桩身下部则是明显的“增强 效应 。桩的相互作用随着桩间距的减小或桩身刚度的增加会有所增强，而随桩 长细比的增加则有先增强后减弱的趋势。 s i 图3 1 传统桩承式地基 霉l - 图3 2 桩网复合结构 第三章桩网复合结构沉降的计算 3 2 复合地基沉降的计算方法 桩网复合地基的计算可以按复合地基沉降计算方法或用计算群桩沉降的方 法进行分析。桩网复合地基作为一种复合地基的特殊形式，因而可以利用复合地 基的计算方法估算地基沉降。桩网复合地基的加土工格栅或土工格室的碎石垫层 可以起到保证桩土共同承担荷载的作用，从而起到柔性承台的作用，因而也可用 桩基沉降的计算方法。 在常用的计算方法中，通常把复合地基沉降量分为二部分，复合地基加固区 压缩量s ，复合地基的下卧层压缩量s 2 。复合地基总沉降量可表示为二部分之 和，即 s = s l + s 2( 3 1 ) 3 2 1 复合地基加固区压缩量的计算方法 复合地基沉降计算方法归纳为复合模量法、应力修正法、桩身压缩量法，可 根据复合地基类别采用上述方法计算复合地基加固区的压缩量b 町。 一 ( 1 ) 复合模量法( e s p 法) 将复合地基加固区中增强体和土体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模 量e s p 来评价复合土体的压缩性。采用分层总和法计算s 1 ，表达式为 墨2 喜争 住2 ， 式中印，一第i 层复合土上附加应力增量： h i 笫i 层复合土的厚度。 e s p i 值可通过面积加权法计算或弹性理论表达式计算( 龚晓南，1 9 9 2 ) ，也 可通过室内试验测定。 面积加权法表达式为： 岛2 鸣+ ( 1 一r e ) e , ( 3 3 ) 式中旷复合地基面积置换率o e r 桩体压缩模量； e 卜土体压缩模量。 第三章桩网复合结构沉降的计算 或弹性理论表达式： 2鸣+(1-re)e,+两4(vp-而o,)2丽kpk,g,(1-m)m ( 3 4 ) 从公式( 3 3 3 4 ) 可以看出，满足桩体和桩间土压缩量相等且压缩均匀时， 复合地基加固区土体的复合模量e s p 总大于由桩体模量e p 和桩间土模量e s 的面 积加权之和。 2 0 0 2 年新修订的建筑地基处理技术规范m 3 给出了c f g 桩的设计规定， 给出的沉降计算方法属于复合模量法，即对加固区求出加固后的模量，然后按天 然地基的分层总和法计算沉降。各复合土层的压缩模量等于其天然状态下的压缩 模量乘以一增大系数，具体公式为： e 币= l 暖k | 血 式中 厶天然地基承载力标准值； 厶j 一复合地基承载力标准值。 其算式厶j = 呱+ ( 1 一肌玩 式中r 面积置换率； 厶用应力表示的桩承载力； 厶一处理后的桩间土承载力标准值： 一为桩间土承载力折减系数。 这里复合地基的模量未采用桩、土模量按面积的加权平均。因为按面积加权 平均计算的值仅在桩、土的压缩量相等时才适用。而对于刚性桩复合地基，由于 桩体有上、下刺入，桩的压缩量要比相应土层的压缩量小得多。由桩、土模量按 面积加权平均计算的复合模量将比一般土的模量大几十倍至百倍以上，而按上式 所求出的复合模量一般只是土体模量的1 5 - - - 3 倍左右。 ( 2 ) 应力修正法( e s 法) 在竖向增强体复合地基中，竖向增强体的存在使作用在桩间土上的荷载密度 比作用在复合地基上的平均荷载密度要小。在该法中，根据桩间土承担的荷载 p s ，按照桩间土的压缩模量e s ，忽略增强体的存在，采用分层总和法计算加固 第三章桩网复合结构沉降的计算 区土层的压缩量s 。 竖向增强体复合地基中桩间土分担的荷载为： p j2 赢。” ( 3 5 ) 式中：r 复合地基上平均荷载密度： n 、耐别为复合地基桩土应力比和置换率； n = o p 0s = ( 1 _ m ) n m ，n = p p p s 卜桩土荷载分担比； p p 、p s 分别为在荷载作用下桩体承担的荷载和桩间土体承担的 荷载； i i 啦力减小系数或称应力修正系数。 复合地基加固区土层压缩量仍采用分层总和法计算，其表达式为： s i - - - - 至= 1 争鹊兰i = l 争t 铂 阻6 ) 。一。面 ( 3 6 ) 式中：ap i 一未加固地基( 天然地基) 在荷载p 作用下第i 层土上的附加应 力增量； 、 p s i 一复合地基中第i 层桩间土的附加应力增量； s 1 产未加固地基( 天然地基) 在荷载p 作用下相应加固区厚度 内的压缩量； e s i 一第i 层桩间土的压缩模量： l ，l a 啦力修正系数，儿2 1 + m ( n - 1 ) 。 这种计算方法形式上很简单，但是应力修正系数l ls 却较难合理确定，因为 桩土应力比n 值的影响因素较多，很难合理选用。另外在计算中忽略增强体的存 在将使计算值大于实际压缩量。采用该法计算压缩量往往偏大。 ( 3 ) 桩身压缩量法( e p 法) 桩身压缩量s ，为： 已：( p p i p f + p b o ) 第三章桩网复合结构沉降的计算 玎 式中 a pm 应力集中系数，p2 l + m ( n - 1 ) ： ，一桩身长度，即等于加固区厚度h ； e r 桩身材料变形模量： 少的一桩底端端承力密度。 加固区土层压缩量表达式为： s i = s p + a ( 3 8 ) 式中s p 一桩身压缩量； 桩底端刺入下卧层土体中的刺入量。 若刺入量a = o ，则桩身压缩量就是加固区土层压缩量。 采用应力修正法和桩身压缩量法计算时，在选用桩土应力比n 值时往往遇到 困难。桩土应力比的影响因素很多，桩土模量比、置换率、桩长、时间、荷载水 平等均对其有较大影响，而且桩和土体中应力并不是均匀的，桩土应力比只能是 平均的概念，因此，测定很困难。 采用桩身压缩量法计算时，桩侧摩阻力的现场测试较为困难，难以准确掌握 其侧摩阻力的取值范围；另外，不同土体侧摩阻力变化较大，在设计计算中难以 合理选用，因此该法计算结果可能有较大的误差。 3 2 2 复合地基下卧层压缩量计算方法 复合地基下卧层压缩量s ：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 用上，常采用下述几种方法计算啪1 m 儿心1 ： ( 1 ) 应力扩散法 将复合地基视为双层地基，由加固区土层与下卧层土层组成。应力扩散法计 算加固区、下卧层上附加应力时，设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，则作用在下卧层上的荷载p b 为： d b p 办2 ( b + 2 h t 9 1 3 ) ( d + 2 h t g f l ) ( 3 9 ) 第三章桩网复合结构沉降的计算 对条形基础，仅考虑宽度方向扩散，则上式可改写为： 办2 ( b + 2 二h t g f l ) b p ( 3 1 0 ) 采用应力扩散法计算的关键是压力扩散角的合理选用。 ( 2 ) 当量层法 将复合地基加固区视为地基中的一层，作为双层地基处理求下卧层土体中的 应力分布。通常可将复合地基加固区换算成为与下卧层压缩模量相同的当量土层 的厚度，如此可以将复合的双层地基转化为相应的均质地基。以荷载作用于当量 层项面计算下卧层土体内的应力分布。当量层厚度伪按公式( 4 1 1 ) 计算： 压 式中：为复合地基加固区的当量层厚度； h 为复合地基加固区的厚度； 以为下卧层土体的压缩模量。 3 3 桩基沉降基础的计算理论 ( 3 1 1 ) 按建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 推荐方法，桩基础最终沉降 量的计算采用单向压缩分层总和法， s ：q , ”垒竺：! ( 3 1 2 ) 肚e ，e - - it - - i 寄 。1 2 ，一of f 式中s 一桩基最终沉降量( 衄) ；， m 一桩端平面以下压缩层范围内土层总数； e s 一桩端平面下第j 层土第i 个分层在自重应力至自重应力加附加应 力作用段的压缩模量( 好a ) ； n j 一桩端平面以下第j 层土的计算分层数： ah j ，i 一桩端平面以下第j 层土的第i 个分层的厚度( m ) ： 。 j ，i 一桩端平面以下第j 层土第i 个分层的竖向附加应力( k p a ) ，可按实 第三章桩网复合结构沉降的计算 体深基础的单向分层总和法计算或者按明德林公式计算； 1 l ，p 一桩基沉降计算经验系数，各地区应根据当地的工程实测资料统计对 比确定。 公式中附加应力的计算，应为桩底平面处的附加应力。实体深基础的支承面 积如图3 3 所示。 n 图3 3 实体深基础的底面积 图3 3 中由为桩基所穿过土层的加权平均内摩擦角： 孑：盟些盟 ( 3 1 3 ) 1 0 巾l ，由2 ，由n 为厚度l l ，1 2 ，l 。各土层的内摩擦角，l o 为桩位于土 中的深度。 实体深基础桩基沉降计算经验系数u l p 应根据地区桩基础沉降观测资料及经 验统计确定，在不具备条件时，可按表3 1 选用。 表3 1 实体深基础计算桩基沉降经验是系数 e s ( 肝a )e s 1 51 5 西 3 03 0 西 6 0 0 + 3 - 2+ 3 - 2+ 7 - 4 正偏差不计 用钢卷尺在同一断面相互垂直 壁厚t+ i o o+ 1 5 0的两直径测定四处壁厚，取其平 | 毽 均值 保护层厚度+ 5 0+ 7 + 3+ 1 0 + 5用钢尺，在管桩断面处测量 将拉线紧靠桩的两端部，用钢卷 桩身弯曲度l 1 2 0 0l 1 0 0 0 l 5 0 0尺测其弯曲处最大距离 断 外侧平面度0 2 头 外径0 一一i 用钢卷尺或钢直尺 内径 一2 板 厚度正偏差值不限o ( 2 ) 严格控制运输、堆放和起吊 预应力高强混凝土管桩在运输和堆放时，应考虑自重和支点设置变化可能在 桩体内产生影响桩身质量的大小不等的内力。要求堆放管桩的场地必须平整、坚 实，并应有排水措施；底层管桩均应按设计要求设置垫木( 一般设在距桩端0 2 l 处，严禁设三个或三个以上支承点) ，并挡以楔形木防止滚动。管桩堆放层数应 符合设计要求，严禁层间垫木上下错位设置。管桩应按计划分批进场，分类堆放， 并应结合施工总平面图和打桩顺序，在不影响桩机行走情况下，尽量靠近打桩区 域堆放，以避免二次盘桩等。 预应力高强混凝土管桩虽然是预应力构件，但是由于长细比大，壁厚小，自 重大，在起吊中可能产生较大动荷载。选择正确的起吊点、增大绑扎的接触面积 及在起吊过程中尽量减少桩体晃动或其他碰撞等对保证桩体质量很重要，必须采 取相应措施如应在管桩置于地面后进行绑扎作业，以避免起吊桩在堆放的管桩面 上拖动；单点起吊宜采用旋转法，不宜采用滑行法起吊；桩机对准桩位后方可进 行起吊喂桩，以免桩机抱桩行走等。 工程实践表明：管桩的运输、堆放和起吊必须严格按相关规程要求实施，否 第五章p h c 桩的施工工艺研究 则管桩在施工前可能就已受到损伤，必将影响成桩质量。 ( 2 ) 加强桩机性能监控 锤击法沉桩施工机械包括：桩锤、桩架、动力装置以及衬垫等，对于选用