（地质工程专业论文）水泥土搅拌法处理软基双控优化设计方法.pdf

摘要 摘要 目前水泥土搅拌法处理软土路基还没有明确的优化设计方法，常规的设计 方法多以经验类比为主。设计方法的不合理常常导致工程事故或者由于设计过 于保守造成浪费。本文从水泥土搅拌桩复合地基计算理论出发，以单位处理面 积水泥用量最少为优化目标，对沉降计算中桩长和置换率关系以及承载力计算 中桩长和置换率关系进行了探讨，提出水泥土搅拌法应采取沉降和承载力双控 优化设计方法，并进行了深入研究。 本文所做的主要研究工作和取得的成果如下： ( 1 ) 综合考虑计算精度和实用性对设计中沉降计算方法进行了选用。 ( 2 ) 对已有的复合固结理论进行归纳分析，选出适用于水泥土搅拌桩复合地基 的固结度计算方法。 ( 3 ) 采用上述计算方法，编制水泥土搅拌桩复合地基沉降计算程序，为研究沉 降控制中桩长、置换率和水泥用量关系提供了平台。 ( 4 ) 从计算原理出发，探讨了水泥土搅拌法优化设计思路和数学模型。 ( 5 ) 重点研究了水泥土搅拌法沉降和承载力双控优化设计方法的设计步骤及已 知参量选取对优化设计的影响，得到一些规律性的结论。 ( 6 ) 将沉降和承载力双控优化设计方法应用于工程实例，验证了该法的实用性。 关键词：水泥土搅拌法，软土路基，沉降和承载力双控，优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t c e m e n tm i x e dp i l ei so n eo ft h ee f f e c t i v et r e a t m e n t so ft h es o f ts o l l e m b a n k m e n t s ，b u tt h e r eh a s h tb e e na l lo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o do fi t , a n dt h e c o n v e n t i o n a lm e t h o d so fi tm a i n l yd e p e n do nt h ee m p i r i c a la n a l o g ym e t h o d t h e u n r e a s o n a b l ed e s i g nm e t h o d sa l w a y sl e a dt ot h ee n g i n e e r i n ga c c i d e n t s ，a n dt o o c o n s e r v a t i v ed e s i g na l w a y sc a u s et h ew a s t e b a s e do nt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a l c u l a t i o nt h e o r yo ft h ec e m e n tm i x e dp i l e ， t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i l el e n g t ha n dt h er e p l a c e m e n t r a t i oi nb o t l lt h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o na n db e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o n i tp r o p o s e s t h em e t h o do fc o n t r o l l i n gb o mt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h es e t t l e m e n ti nt h ec e m e n t m i x e dp i l et r e a t m e n t , a n dd e e p l ym a k e st h er e s e a r c ho nt h ei d e a t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a i n l yc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k ： ( 1 ) s e l e c t i o no ft h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r i n gt h ep r e c i s i o n a n dp r a c t i c a b i l i t y ( 2 ) c o n c l u s i o na n da n a l y s i so ft h ep r e s e n tt h e o r y , a n ds e l e c tt h em e t h o da p p l i c a b l e f o rc a l c u l a t i o no ft h ec e m e n tm i x e d p i l ec o n s o l i d a t i o nd e g r e e ( 3 ) ac o m p o s i t ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n tc a l c u l a t i o np r o g r a mh a sb e e n w r i t t e nb a s e do n t h ep r o p o s e dc a l c u l a t i o nm e t h o d , m a i n l yr e s e a r c ho nr e l a t i o n s h i po ft h ep i l el e n g t h , r e p l a c e m e n tr a t i o na n d t h ec e m e n tc o n s u m p t i o n ( 4 ) d i s c u s s i o no ft h ed e s i g nm e t h o da n dm a t h e m a t i c a lm o d e l ( 5 ) m a i n l ys t u d i e so nt h eb em e t h o do fc o n t r o l l i n gb o t ht h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h e s e t t l e m e n ti nt h ec e m e n tm i x e dp i l et r e a t m e n ta n dt h ei n f l u e n c eo nt h ek n o w n p a r a m e t e r s ，a n dc o n c l u d es o m er u l e s ( 6 ) a p p l i c a t i o no nt h ee n g i n e e r i n ge x a m p l et op r o v e t h em e t h o d sp r a c t i c a l i t y k e yw o r d s ：c e m e n tm i x e dt r e a t m e n t , s o f ts o i le m b a n k m e n t , d o u b l ec o n t r o l l i n go f t h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h es e t t l e m e n t ，o p t i m i z e dd e s i g n i l 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 日 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，均己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。 学位论文作者签名： 洮m i r 7 1 日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 高速公路软基处理优化设计理论研究现状 公路是国民经济的重要基础设施，发展公路运输的首要前提是大力加强公 路建设。我国东南沿海地区经济发展迅速，高速公路建设发展规模也位居全国 前列，如山东、广东、江苏和浙江等。独特的地理位置和地质环境造成东南沿 海地区软土分布极为广泛，主要为第四纪全新世q 4 形成的淤泥、淤泥质亚粘土、 淤泥质粘土，其成因主要为三角洲相或海相沉积。这些土类的主要特点有：含 水量高、空隙比大、压缩性高、强度低、透水性小、灵敏度大等。而这些特性 给高速公路的建设带来不少弊病，有的甚至成为工程成败的关键n 1 。在软基上修 建高速公路，为了保证路堤路基的稳定性、减小工后沉降和工后差异沉降，常 用如下方法进行解决：采用高架桥、减轻路堤荷载、地基处理、工后修补和综 合处理等。我国软基上修建高速公路主要是采取地基处理方法。由于高速公路 对地基变形要求高、穿越地质单元多、线路长、工程量大，在软土地基上修建 高速公路，尤其是在东部沿海地区，其地基处理费用占总投资的比重是很大的 一般需1 3 左右，甚至更大。因此，地基处理方案是否合理，直接关系到工程 的成败及投资的大小。 在我国，高速公路软基处理的研究，是同高速公路的建设发展相适应的。 自1 9 8 4 年底修建第一条高速公路沪嘉高速公路起，开始了对高速公路各种 软基处理方法的研究工作。特别是沪宁、沪嘉、杭甬、广佛、京珠等高速高速 公路的建设，使这一研究领域达到了一个新的阶段。目前研究主要集中在以下 几个方面幢1 ：高速公路软基处理的实例研究、软土地基勘察技术和手段的研究、 软土基本特性的研究、软土地基沉降量计算方法的研究、软土地基加固方案选 择的研究及路堤填筑速率和现场监测的研究等。 高速公路软基处理优化设计理论包括两个方面：处理方案优选和工法参数 优化设计。当前，有关高速公路软基处理方案优选的研究工作比较深入。刘武 第1 章绪论 斌阻1 ( 1 9 9 5 ) 提出了应用优化设计原理选择软基处理方法，以“评分优化 法对 各种软基处理方法进行评价，但只是简单的技术经济比较和线性分析。刘润芬h 1 ( 1 9 9 6 ) 对高速公路软基处理的不同方案进行了技术经济比较研究，得到了一 些规律性成果。刘国哺1 ( 2 0 0 0 ) 用模糊数学中的聚类分析方法分析几种常用软基 处理方案的技术、造价、工期等指标，并对其处理方案进行模糊选择，它解决 了模糊语言的归属问题。江梦泽等隋1 ( 2 0 0 1 ) 对芜宣高速公路中采用的几种主要 地基处理方案，从技术和经济角度进行了综合评价，提出了河流相软土地基优 化处理方案的具体结论。王建华盯3 等( 2 0 0 2 ) 提出将模糊优选理论运用到评价和 选择地基处理方案中，利用相对优属度来选择最佳处理方案。兰宏亮伸3 ( 2 0 0 2 ) 在高速公路软基处理优化设计评判程序和评判原则方面进行了一些大胆的尝试 和创新。赵建忠阳1 ( 2 0 0 3 ) 在兰宏亮研究的基础上，又在评判指标中加入经济效 益因素，采用模糊综合评价方法，对高速公路软基处理方案进行了优选。优选 体系研究已基本成熟，而对工法优化设计的研究则大多局限于对具体某一工况 的设计参数选取，并不具有通用性。因而对工法优化设计理论还需要进行深入 的研究。 1 1 2 水泥土搅拌法的应用与研究现状 水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基的一种新方法。它是利用水泥( 或 石灰) 等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化 剂( 浆液或粉体) 强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理一化学反应， 使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基 强度和增大变形模量。 根据施工方法的不同，水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。 水泥浆搅拌法是美国在第二次世界大战后研制成功，称之为就地搅拌桩。后来 日本等国又将其进一步发展，并研制了各种深层搅拌的施工机具。国内1 9 7 7 年 由冶金部建筑研究院和交通部水运规划设计院对水泥深层搅拌法进行了引进、 开发，并于1 9 8 0 年正式投入使用。粉体喷射搅拌法最初是瑞典由k j e l dp a u s 在 1 9 6 7 年提出的，当时提出使用石灰搅拌桩加固1 5 m 深度范围内软土地基的设 想，并于1 9 7 1 年现场制成一根用生石灰和软土搅拌制成的桩。后来水泥逐步被 采用作为粉体固化剂。铁道部第四勘测设计院于1 9 8 3 年初开始进行粉体喷射搅 2 第1 章绪论 拌法加固软土的试验研究，并在软土地基加固工程中使用，获得良好效果o l 。目 前，水泥土搅拌桩复合地基已在实际工程中已得到比较广泛的应用。 关于水泥土搅拌桩设计方面的研究很多，现对具有代表性的研究作一综述。 刘利民们等( 1 9 9 7 ) 从工作荷载作用下水泥土搅拌桩存在着一个临界桩长这一事 实出发，通过大量的理论计算和实测资料分析，提出了以沉降控制为基础的水 泥土搅拌桩设计方法。许成祥1 等( 1 9 9 8 ) 针对水泥土搅拌桩设计中存在简化受 力情况的问题，在分析桩体侧向土压力和水泥土三向受压强度的基础上，提出 了考虑侧向土压力影响的水泥土搅拌桩设计方法。李志华n 2 1 ( 1 9 9 9 ) 对桩土应力 比作了详细而深入的研究分析，在此基础上，进行了基于桩土应力比的复合地 基的优化设计。熊辉n 3 1 ( 2 0 0 1 ) 对水泥搅拌桩复合地基设计中的一些问题进行了 探讨，提出了基于沉降控制理论应用复形调优法的水泥搅拌桩复合地基设计思 想。胡文平n 钔等( 2 0 0 2 ) 运用优化理论，对沉降控制水泥土搅拌桩复合地基进行 优化设计，提出了优化设计数学模型和实用分析方法。赵东亮u 剐( 2 0 0 2 ) 认为水 泥搅拌桩桩长是复合地基设计中的一个主要参数，桩长应控制在有效桩长范围 内，有效桩长不仅与桩土特性有关，还与群桩及荷载分布有关，桩桩相互作用 降低了桩的刚度，并使群桩的有效桩长加大了。冯仲仁n 旬等( 2 0 0 3 ) 将遗传算法 应用于深层搅拌桩设计中，以单位面积内深层搅拌桩的水泥用量为优化目标函 数，提出了基于遗传算法的优化设计方法。叶观宝n 刀( 2 0 0 3 ) 对水泥土搅拌法处 理高速公路软基的理论和设计方法进行总结与分析，并提出设计要点和设计理 念。李二兵n 鄙等( 2 0 0 4 ) 研究表明造成水泥搅拌桩复合地基沉降过大、沉降不均 等问题的主要因素有面积置换率、桩长和桩体强度三个方面，应根据实际情况 选取合适的面积置换率和水泥掺入比，适当增加桩长能有效控制复合地基的沉 降，地基设计时应同时满足承载力和沉降要求，并应以沉降控制为主。蒋希雁u 卅 ( 2 0 0 4 ) 认为水泥土桩复合地基的沉降随桩长、置换率、桩身强度等因素变化 的关系；具体地提出了水泥土桩复合地基的设计步骤，并对其沉降实用计算方 法进行了分析，提出了较符合实际、简便的计算方法，为水泥土桩复合地基的 设计提供了一定的参考。徐超啪1 等( 2 0 0 5 ) 利用载荷试验研究了水泥土搅拌桩的 有效桩长。孔祥国幢妇( 2 0 0 5 ) 分析了深层水泥搅拌桩设计与应用中的若干问题， 讨论了单桩承载力的确定方法和复合地基的沉降计算方法以及设计中若干参数 的取值问题，提出了一些改进意见。焦国强1 ( 2 0 0 6 ) 阐述了水泥土搅拌桩在设 计中常用的公式，特别是对承载力、沉降做了详细的讨论，指出了公式选用的 3 第1 章绪论 方法，对这类桩的设计与应用有一定的参考价值。苏阳也3 1 ( 2 0 0 6 ) 分析了深层搅 拌形成的水泥土桩体有其固有的荷载传递规律，并对基础平面尺寸及桩长的优 化设计进行了探讨。陈永强、崔正聪乜们( 2 0 0 6 ) 结合珠三角西北部地区地质情况 和软土地基物理力学特点，阐述水泥深层搅拌桩在高等级道路软基处理中的设 计、施工、检测控制。梁晨幢钉( 2 0 0 7 ) 探讨现行规范中关于水泥搅拌桩在计算方 法中存在的问题，并分析其原因，根据经验提出在设计阶段应注意的问题和改 进意见。 研究现状表明，迄今还没有明确的水泥土搅拌法处理高速公路软基优化设计 方法，设计多以经验类比为主。很多设计人员由于对水泥土搅拌桩复合地基的 特点缺乏足够的认识，常常盲目设计，从而给工程带来许多问题。例如：由于 设计不合理发生工程事故，或者由于设计太保守造成经济上的浪费。 1 2 论文选题依据 对于水泥土搅拌桩复合地基的设计的基本步骤为：( 1 ) 预先假定搅拌桩的桩 长、桩径、水泥强度及单桩承载力；( 2 ) 通过沉降或者承载力控制来寻求最优 置换率及有效桩长。按承载力控制设计方法的思路是：首先根据场地工程地质 条件确定单桩竖向承载力，再根据复合地基承载力的要求，确定置换率和桩数， 然后进行必要的验算。按沉降控制设计方法的思路是：在复合地基的沉降控制 在设定的容许范围以内的基本前提下，综合考虑经济效益和各种参数的合理组 厶 口。 通常情况下，对水泥土搅拌桩复合地基的设计采用沉降控制设计比采用承载 力控制设计更具有经济效益。由于高速公路软基地质情况往往比较复杂，不同 地区软弱土层的厚度和力学性状等具有很大的差别，因此单独采用按承载力控 制或者按沉降控制来设计，可能会带来安全问题或者造成经济上的浪费。另一 方面，从搅拌桩复合地基计算理论来看，无论是在承载力控制中还是沉降控制 中桩长和置换率都是相互影响的，它们之间存在着耦合关系，单独而采用一种 控制方法求得的最优设计桩长和最优设计置换率往往并非真正的“最优 。而如 果采用沉降和承载力双控制的设计理念进行优化设计，不仅能够满足设计要求 而且可以达到最经济的目标，因而很有必要进行这这种设计方法研究。 很多工程实践表明，对于水泥土搅拌桩复合地基的设计，承载力和沉降是必 4 第1 章绪论 须同时考虑的主控因素。在既满足承载力要求，又满足沉降控制的条件下，计 算水泥土搅拌桩的最优设计桩长和最优设计置换率尤为重要。在具体的工程设 计计算中，主要的问题有： 第一：目前，水泥土桩复合地基的沉降量计算，目前采用的方法是将桩身范 围内加固层的压缩量与加固体下卧土层的压缩量相加。下卧层压缩量计算采用 分层总和法计算，加固区范围内土层的压缩量则采用复合模量法、应力修正法、 桩身压缩量法。而许多工程实践表明，采用上述方法计算的建筑物沉降量远大 于实测值，特别是下卧层的沉降量往往偏大很多。其原因是下卧层内附加应力 分布大多沿用天然地基的应力传递规律，而没有考虑到复合地基对附加应力的 扩散效果。 第二：高速公路工程对软基处理后的工后沉降要求很高，这样水泥土搅拌桩 复合地基设计计算中就涉及到固结度计算问题。目前还没有成熟的水泥土搅拌 桩复合地基理论，因而在研究优化设计方法前还需要进行搅拌桩复合地基固结 度计算方法的选用。 综合以上分析可知，选用合理的沉降计算方法是优化设计的前提。本文立足 规范和工程实际，对现有沉降计算方法进行总结分析，选出精度相对较高同时 在设计中具有一定实用性的计算方法来进行设计，丰富了有关水泥土搅拌桩复 合地基的研究，对相关工程设计具有一定的指导意义。 1 3 主要研究工作 通过以上阐述，本文拟作以下工作： ( 1 ) 沉降计算方法选用。重点研究地面荷载随深度的应力扩散和下卧层项 面的附加应力，以解决下卧层压缩量的计算问题。 ( 2 ) 固结度计算方法选用。对已有的复合固结理论进行归纳分析，选出适 用于工程设计的加固体与下卧层的固结度计算方法。 ( 3 ) 根据选用的计算方法，编制水泥土搅拌桩复合地基沉降计算程序。 ( 4 ) 根据计算原理，探讨水泥土搅拌法优化设计思路和数学模型。 ( 5 ) 研究水泥土搅拌法按沉降和承载力双控优化设计方法，并对参量的选 取对优化设计的影响进行分析。 ( 6 ) 工程实例应用。 5 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 2 1 水泥土搅拌桩复合地基沉降计算 2 1 1 复合地基总沉降 水泥土搅拌桩复合地基总沉降s 包括瞬时沉降& 、主固结沉降足和次固结 沉降疋，即： s = 岛+ 足+ 墨( 2 1 ) 瞬时沉降是地基土在不排水加载期间产生的。主固结沉降是指由外荷载引 起的超孔隙水应力随着时间消散所产生的沉降，水泥土搅拌桩主固结沉降一般 分为加固区主固结沉降s 和下卧层主固结沉降是。次固结沉降一般被定义为： 当土中超孔隙水压力基本消散后地基所产生的沉降。实际工作中很难将三者截 然分开，如次固结沉降并非是在主固结沉降完成之后才发生的，而是与主固结 沉降同时发生的，此外出于瞬时沉降尚无成熟的计算方法，大多采用半理论半 经验的方法。因而在设计时，往往根据规范哺2 7 1 推荐的用沉降经验系数m 。对主 固结沉降母加以修正来确定总沉降，即： s = m , s o ( 2 2 ) 沉降经验系数m 。为一经验系数，与地基条件、荷载强度、加荷速率等因素 有关，其范围为1 1 1 7 ，应根据现场沉降观测资料确定。主固结沉降计算主要 涉及到沉降经验系数胁选取和主固结沉降墨计算。 水泥土搅拌桩复合地基总沉降可用以下公式进行验算： s x , s ( 2 3 ) 式中，s 一计算总沉降；s 7 一允许总沉降；墨一总沉降安全系数。 2 1 2 复合地基工后沉降 工后沉降指建筑物竣工至大修或报废止一段时间内发生的沉降。它直接关 6 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 系到建筑物的使用效果和安全，而再以后和施工期的沉降并不对上部结构产生 危害。高速公路工程中大修时间一般根据路面设计使用年限确定，其中沥青路 面为1 5 年、水泥混凝土路面为3 0 年啪2 7 1 。 水泥土搅拌桩复合地基的工后沉降& 按其产生的原因可以划分为加固体工 后主固结沉m s , 。、下卧层工后主固结沉降。及加固区和下卧层工后次固结沉降 s 。三部分组成。即： s h = s + 岛 + 墨( 2 4 ) 由曾国熙啪1 等( 1 9 9 4 ) 的研究，次固结沉降在总沉降中所占比例，一般都小 于1 0 ( 按5 0 年计) ，而且较难确定。因此，本文中次固结沉降按总沉降的一 定比例( 比如5 1 0 ) 进行估算。 墨= a s = a m , s o = a m , ( s + 是) ( 2 5 ) 式中，口由软土粘滞性根据软土流变理论进行取值，可取为o ，或5 1 0 。 于是工后沉降又可以表示为： 墨= ( 1 + a - m ) s + ( 1 + 口m ) ( 2 6 ) 而每一部分工后沉降量又可写成，对应的总沉降量乘以其对应的大修时的 固结度相对于竣工时固结度增量。当用x 表示大修或报废时，表示竣工时，公 式可表示为： s h = ( 1 + 口m ) s ( u ，一u ) + ( 1 + 口m ) ( j 一) ( 2 7 ) 工后沉降的估算可分为事前估算和事后估算，也就是施工之前的方案设计阶 段的工后沉降估算和施工后根据实测的沉降曲线推算工后沉降。后者在规范啪儿2 刀 中已有较详细的阐述，因而不在本文的考虑范围内。前者需要通过理论计算估 算工后沉降，作为软基处理方案优化设计的重要技术控制指标。 水泥土搅拌桩复合地基工后沉降可按以下公式进行验算： s k 2 瓯。( 2 8 ) 式中，瓯一计算工后沉降；瓯一允许工后沉降量；一工后沉降安全系数。 根据上述讨论，可知工后沉降事前估算主要的包括两方面，加固区、下卧 层的主固结沉降量计算以及其相应的固结度计算。 7 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 2 1 3 主固结沉降计算 1 研究综述 复合地基是指在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在天然地 基中设置加筋材料，加固区由基体和增强体两部分组成的人工地基。从早期的 碎石桩地基、水泥土搅拌桩地基到低强度桩( 包括素混凝土桩和c f g 桩) 地基， 各类复合地基技术已在软基处理工程中得到广泛的应用。由于荷载作用下复合 地基的应力场和位移场分布情况比较复杂，复合地基沉降计算理论的研究虽然 在不断发展，但还不够成熟，工程实践中，不少学者结合自己的工程实践经验 提出了一些沉降计算的方法。在各类实用计算方法中，通常把复合地基沉降分 为两部分：加固区沉降和下卧层沉降。荷载作用下的复合地基总沉降可表示为 两者之和。 目前关于复合地基沉降计算方法的研究文献有很多，至今提出的复合地基 沉降计算方法中，对加固区范围内土层的压缩量针对各类复合地基的特点采用 压缩模量法、应力修正法和桩身压缩量法。而对下卧层沉降量大都采用分层总 和法计算，关键是下卧层中附加应力的计算方法，常用的有：应力扩散法、等 效实体法、当层法、改进g e d d e s 法以及m i n d i n b o u s s i n e s q 联合求解法。下面列 出近年来一些具有代表性的研究成果。 郝玉龙陋1 等( 2 0 0 1 ) 提出考虑软土结构性的沉降计算方法，考虑土的结构性 对下卧层沉降的影响，通过工程实例验证，表明计算结果与实测结果相当一致。 施建勇、邹坚( 2 0 0 3 ) 进行了桩与桩周土间摩檫力分布规律的假设和简化，运 用单位元法推导了深层搅拌桩复合地基沉降计算公式和设计用曲线，同时采用 轴对称有限元法，对一实际工程的实测成果进行了分析。李海芳b ( 2 0 0 4 ) 在假 设的位移模式下，考虑桩土相互作用，通过力学推导，得到了路堤荷载下复合 地基桩侧摩阻力、加固区桩间土压缩量和桩土应力比的解析表达式；根据桩侧 摩阻力的解析解，给出了加固区压缩量的简化算法。王律明n 2 1 等( 2 0 0 5 ) 利用 m i n d l i n 解与b o u s s i n e s q 解联合求解柔性基础下复合地基的附加应力，并利用v e s i c 小孔扩张理论计算桩体刺入柔性基础的量，后对分层总和法求得的沉降进行修 正，可以得到与实测接近的沉降计算值。亓乐1 ( 2 0 0 5 ) 考虑桩与基土的纵向相 互作用机理，结合实际工程，研究打桩后桩间土力学性质的变化规律，提出 m i n d l i n f 挥和b o u s s i n e s q 解联合求解的方法，采用有限差分方法对单桩及群桩进行 8 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 数值计算，对弹性力学联合求解法的分析进行了验证和补充。陈东m 1 ( 2 0 0 6 ) 采 用b o u s s i n e s q 解法和b o u s s i n e s q & m i n d l i n 联合求解法对搅拌桩复合地基进行了 弹性分析，发现b o u s s i n e s q 解法会高估地基中的附加应力，使计算沉降偏大；而 b o u s s i n e s q & m i n d l i n 联合解法由于考虑了桩土间的相互作用，其结果较符合实 际。以上这些研究大部分属于对实测数据进行的沉降推算。而本文是要求的方 案设计阶段的事前估算，因而有很大的不同。 2 计算方法 1 ) 水泥土搅拌桩加固区的主固结沉降s 的计算方法一般有以下三种： ( 1 ) 复合模量法 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 来评价复合土体的压缩性。采用分层总和法计算s ，表达式为： s = 主舡 ( 2 9 ) 式中，衄第i 层复合土上附加应力增量；县一第i 层复合土层的厚度；一 搅拌桩复合土层第i 层的压缩模量，其值可以通过加权法计算或弹性表达式计 算，也可通过室内试验测定。 面积加权法表达式为： 如f = m e p f + ( 1 一所) b ( 2 1 0 ) 式中，所一复合地基面积置换率；e 历一第i 层复合土层中桩体压缩模量；b 一 第i 层复合土层中土体的压缩模量。 ( 2 )应力修正法 在该法中，根据桩间土承担的荷载见，按照桩间土的压缩模量e ，忽略增 强体的存在，采用分层总和法计算加固区土层的压缩量s ，其表达式为： 墨= 窆等4 , = 以f a f p , m = 眠 ( 2 1 1 ) i = ll s ii = ll 畦 式中，段应力修正系数，表达式为： 以2 瓦未面。( 2 1 2 ) 式中，m 一复合地基面积置换率；力一复合地基桩土应力比，无实测资料时， 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 可取3 5 ： 墨，一未加固地基在荷载p 作用下相应厚度内的压缩量。衄一未加固地基( 天然 地基) 在荷载p 作用下第f 层土上的附加应力增量；瓴，一复合地基中第f 层桩 间土的附加应力增量；其他参数意义同前。 ( 3 ) 桩身压缩量法 在荷载作用下，桩身压缩量为： = 掣 式中，纬一应力集中系数，表达式为： 力 a t , 2 = l + m ( n - 1 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中刀和m 意义同前； ，一桩身长度，即等于加固区厚度h ；e 一桩身材料变形模量；儿一桩底端端 承力密度。 应力修正法公式形式简单，但由于桩土应力比n 值影响因素较多，很难选用 合理值，因而设计计算中应力修正系数以较难合理确定。另外在设计计算中忽 略增强体的存在将使计算值大于实际压缩量。 桩身压缩量法同应力修正法一样，桩土应力比n 值很难选用合理值。同时还 存在以下问题：桩体刺入下卧层土中的刺入量很难计算，桩底端端承力的很难 估算。 复合地基加固区压缩量数值不是很大，特别是在深厚软基中的复合地基， 加固区的压缩量占复合地基总沉降中的比例很小，因而采用上述三种方法计算 结果相差不会太大，对工程设计的影响也可以忽略不计，关键是看应用各计算 方法时参数的选取，选用主要看各人对方法的熟悉程度而定。相比较而言，复 合模量法使用比较方便，而针对高速公路软土路基，规范m 规定用复合模量法， 因而本文设计计算时采用复合模量法。 2 ) 复合地基加固区下卧层土层压缩量通常采用分层总和法计算。其计算 思想是基于求出传至下卧层顶面的附加应力和作用范围，再将其按天然地基表 面作用荷载的情况，计算下卧层中的应力分布来推求沉降，即： 1 0 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 s ：窆竽e ( 2 1 5 ) f , c , x i 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压力是难以 精确计算的。计算方法主要有以下五种： ( 1 ) 应力扩散法 应力扩散法实际上是规范啪1 中验算下卧层承载力的借用，即将复合地基视为 双层地基，由加固区的复合土层和下卧层组成。应力扩散法计算下卧层顶面附 加应力示意图如图2 1 所示。 图2 1 应力扩散法附加应力计算示意图 复合地基上荷载密度为风，作用宽度为b ，长度为d ， 压力扩散角为，则作用在下卧层顶面上的附加应力见为： n 一些 n ( b + 2 h t a n f l ) ( d + 2 h t a n f l ) 对条形基础，仅考虑宽度方向扩散，则上式可改写为： 见= 而面b p o 加固区厚度为h ， ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 采用应力扩散法计算关键是压力扩散角的合理取用。有学者m 3 通过采用双 层地基模型，调整置换率对4 9 个不同上下层模量比值( e ) 及不同加固深 度( h b ) 的双层地基模型，应用有限元计算，提供了扩散角度数来计算下卧层 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 项面应力，此法为“双层地基应力扩散法 。 ( 2 ) 当层法 当层法计算复合地基在荷载下地基中的附加应力原理图如图2 2 所示。 当层h 1 原地面 加固层h e o d 下卧层z e 图2 2 当层法计算附加应力示意图 加固区复合土层模量为，下卧层未加固土层的压缩模量为e ，则可将加 固区土层换算成与下卧层模量相同的土层时，其相当厚度啊为： 厝 式中，h 一加固区厚度。 采用当层法计算，图2 2 中a 点的竖向应力为： o z2 ( 2 1 8 ) 2 刀h 罔2 ( 2 1 9 ) 类似地可以采用当层法计算复合地基上作用有矩形或条形均布荷载时地基中的 附加应力。 ( 3 ) 等效实体法 将复合地基加固区视为一等效实体，作用在下卧层上的荷载作用面与作用 在复合地基上的相同，如图2 3 所示。 1 2 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 图2 3 当层法原理图 在等效实体四周作用有侧磨阻力，设其为厂，则复合地基加固区下卧土层 上荷载见可用下式计算： 巩：b l p - ( 2 b + 2 1 ) h f( 2 2 0 ) 巩2 = 7 一 【z z u j 式中，b 、，分别为荷载作用面宽度和长度；h - 力口固区厚度。 对平面应变情况，式( 2 2 0 ) 可改写为： 见：p 一半 ( 2 2 1 ) ( 4 ) 改进g e d d e s 法 黄绍铭口 等( 1 9 9 1 ) ，建议采用下述方法计算复合地基土层中应力。复合地 基总荷载为p ，桩体承担0 ，桩间土承担只= p 一0 。桩间土承担的荷载只在地 基中所产生的竖向应力q ，只，其计算方法和天然地基中应力计算方法相同， 应用b o u s s i n e s q 解。桩体承担的荷载在地基中所产生的竖向应力采用g e d d e s 法计算。然后叠加两部分应力得到地基中总的竖向应力。 j d g e d d e s 啪1 ( 1 9 6 6 ) 年将长度为三的单桩在荷载q 作用下对地基土产生的 作用力，可近似地视作如图2 4 所示的桩端集中力q ，桩侧均匀分布的摩阻力q ， 和桩侧随深度线性增长的分布摩阻力q 等三种形式荷载的组合。 1 3 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 图2 4 单桩荷载分解为三种形式组合 q t g e d d e s 根据弹性理论半无限体中作用一集中力的m i n d l i n 应力解积分，导出 了单桩的上述三种形式荷载在地基中产生的应力计算公式。 地基中的竖向应力仃：，q 可按下式计算： o z q = o z q ，+ a z g + o z q = q p k p l2 + q r k r + q t k t i 叠 q 2 2 ) 式中，k 口，墨和k 为竖向应力系数，其表达式较繁冗，在此略去。 对于由刀根桩组成的桩群，地基中竖向应力可对这咒根桩逐根采用上式计 算后叠加求得。由桩体荷载e 和桩间土荷载只，共同产生的地基中竖向应力表 达式为： j l ，、 吒= 【吒。印+ 吒口i + 吒聊j + 吒以 ( 2 2 3 ) i = i ( 5 ) m i n d i n - b o u s s i n e s q 联合求解法 此法将加固区的桩土分开来考虑，桩顶所受荷载只通过粉喷桩桩侧磨阻力 传递到土层中去，桩侧磨阻力与桩端阻力引起途中任一点应力可用m i n d l i n 解求 得，桩间土上所受均布荷载( 只= n ，行为桩土应力比) 引起土中任一点应力 可用b o u s s i n e s q 解来求得，即天然土的附加应力的计算方法相同。然后两者迭 加即可求出地基附加应力。解析公式较繁冗，在此省去。 综合分析：对作用在下卧层土体上的荷载或土体中附加压力计算的几种方 法各有利弊。规范中没有明确规定必须使用某一方法，因而在工程设计中取用 主要需考虑两方面：一是计算的精确度要相对较高，二是使用要方便。 双层地基应力扩散法是借用了验算下卧层承载力的一种近似方法，但应力 扩散角的合理取用比较难，而且复合地基中的应力扩散角与双层地基中压力扩 1 4 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 散角数值是不同的。 应用等效实体法计算困难在于侧摩阻力厂值的合理选用。当桩土相对刚度 较大时，选用误差可能较小，当桩土相对刚度较小时，厂值选用比较困难。桩 土相对刚度较小时，侧摩阻力变化大，很难合理估计，选用不合理时误差可能 很大。事实上，将加固体作为一分离体，两侧面上剪应力分布是很复杂的。 采用改进g e d d e s 法计算地基中的附加应力需要确定荷载分担比，另外需要 假定桩侧摩阻力分布，上述两项估计将给计算带来误差，有待研究。 m i n d i n b o u s s i n e s q 联合求解法计算精确度高，但是计算公式繁冗、计算量 大，对参数选取要求太高，工程设计使用不方便。 当层法公式比较简单，也是一种近似的简化计算方法，它考虑了上下两层 土，影响应力分散的主要力学指标和e 之间的差异，直接计算下卧层的应力 分布，同时亦可方便地计算出复合土层中的应力分布。因而建议设计中采用该 法进行下卧层项面附加应力计算。 2 2 水泥土搅拌桩复合地基固结度计算 2 2 1 复合地基固结理论研究概述 复合地基具有变形较小、承载力较高的优点，在地基处理工程中得到了广 泛的应用。作用于复合地基上的外部荷载由加固体和地基土共同承担。而地基 土所分担的荷载将使土体发生固结。而土体的固结将引起复合地基内渗流场和 应力场的变化，必然影响到复合地基的变形以及加固体和土体的荷载传递规律 等。因此研究复合地基固结是研究复合地基加固机理和变形规律的重要内容之 一，复合地基固结理论是复合地基理论的重要组成部分删。 国外对复合地基固结问题的研究始于七十年代后期，主要是针对砂桩和碎 石桩。随着复合地基大量应用固结理论研究也日益深入，在1 9 8 3 年第八届欧洲 土力学和基础工程会议上，发表了大量关于砂桩和碎石桩复合地基固结问题的 研究论文。 国内对复合地基固结问题的研究始于九十年代初。韩杰、叶书麟h 1 儿倒( 1 9 9 0 ， 1 9 9 2 ) 分别研究了理想碎石桩复合地基固结度的计算，以及考虑井阻和涂抹作 用碎石桩复合地基固结度计算。谢康和等h 3 1 ( 1 9 9 0 ) 研究了一种计算搅拌桩复合 】5 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 地基固结沉降方法。张土乔等1 ( 1 9 9 1 ) 对水泥土桩复合地基固结进行了分析。 章胜南等h 5 1 ( 1 9 9 2 ) 对水泥搅拌桩复合地基沉降计算进行了探讨。张曙光等m 1 ( 1 9 9 2 ) 研究了条形荷载下搅拌桩的固结特性。谢康和1 ( 1 9 9 3 ) ，x i e k h e ta 1 h 7 1 ( 2 0 0 1 ) 在基本假设桩体完全打穿软土层、地基中无侧向变形、等应变假定、 加荷瞬时荷载全部由孔隙水承担的基础上，推导了同时考虑井阻和涂抹作用以 及桩体中径向渗流的固结解析解，该解适用于任何复合地基。张捷等m 1 ( 1 9 9 4 ) 研究了水泥土桩复合地基的固结特性。陈善明等h 钉( 1 9 9 8 ) 对软土地基经水泥搅 拌桩加固后的固结特性进行了分析。刘和元、刘松玉嘲1 ( 1 9 9 9 ) 对超长水泥土搅 拌桩复合地基的固结变形、孔隙水压力的分布及桩身荷载的传递规律等基本性 状进行研究。郑俊杰等啼”( 2 0 0 0 ) 对石灰桩复合地基固结进行了分析。连长江嘟1 ( 2 0 0 0 ) 基于复合本构模型对水泥土桩复合地基变形特征和固结特性进行分析。 郝玉龙1 ( 2 0 0 2 ) 从研究软土的结构性入手，探讨了深厚软土未打穿竖井和水 泥搅拌桩地基的固结和沉降机理。王新辉m 1 ( 2 0 0 4 ) 研究了海相软土双层地基一 维固结理论，将水泥土搅拌桩复合地基视为双层地基，推导了二级加荷条件下 双层地基各时段的孔压增长公式和固结公式。蒋宇泓璐印( 2 0 0 4 ) 应用有限元程序 p d s s 对复合地基固结分析和沉降计算进行了研究。张玉国等嘲1 ( 2 0 0 5 ) 研究了 具有双面半透水边界的散体材料桩复合地基固结问题，并求出了相应的解析解。 陈蕾( 2 0 0 6 ) 研究了排水粉喷桩复合地基固结计算理论。邢皓枫等旧3 ( 2 0 0 6 ) 对刚性基础下水泥土桩复合地基固结进行了分析。周艳红旧3 ( 2 0 0 6 ) 研究了竖向 加固体复合地基的固结机理。徐洋旧1 ( 2 0 0 6 ) 对复合地基固结与变形的计算理论 及数值分析进行了研究。 结合国内外对复合固结理论的现有研究成果，可以得到以下一些共识：复 合地基固结要比天然地基快，特别是对砂桩和碎石桩复合地基而言，其固结速 率甚至会大于砂井地基，沿用砂井理论计算这类地基的固结速率是偏于保守的。 现有研究对复合地基自身特点的体现很少，迄今尚没有完整地建立在这类地基 自身特点基础上的固结理论。 2 2 2 复合地基固结度计算 针对水泥土搅拌桩打穿软土层与否，本文拟对固结度计算公式的取用分为 以下两种情况： 1 6 第2 章水泥土搅拌桩复合地基计算理论 ( 1 ) 水泥土搅拌桩未打穿软土层的复合地基固结度计算： 对于水泥土搅拌桩未打穿软土层的复合地基固结解析理论分析的研究，主 要包括两方面：一是加固层本身的固结特性；二是加固层内相对刚性和渗透性 极低的水泥土搅拌桩的设置，对下卧层的固结起何种作用。从固结机理上看， 一方面加固层渗透性极低的水泥搅拌桩的设置减小了下卧层软土的排水通道 ( 对单面排水而言) ，减缓了下卧层软土的固结；另一方面由于加固层竖向附加 应力向水泥土搅拌桩集中而使桩间土所受应力大大减小，从而孔压也大大减小， 因而在下卧层曾软土和加固层桩间土之间造成较大孔隙压力差值，加快了下卧 层软土的固结。两方面综合作用的结果，对常见的搅拌桩置换率和桩土模量比 而言，水泥土搅拌桩加固软土地基后下卧层的固结一般会快于天然地基。有研 究认为桩间土的结构破坏会加快下卧层软土的固结。由于沉降量主要集中在下 卧层，下卧层的固结规律也就决定了整个地基的沉降随时间变化规律。 早期的水泥土桩复合地基固结特性研究主要集中于加固层本身。搅拌桩加 固深厚软基一般不会贯穿整个软土层，由此形成的加固层和