（道路与铁道工程专业论文）干拌水泥碎石桩路基加固技术研究.pdf

摘要 干拌水泥碎石桩路基加固技术已经在多条高速公路应用，取得了良好的加固效果， 但其设计、质量评定缺乏科学依据和手段。因此，有必要完善该技术的相关理论，促进 该技术的工程应用进一步发展。 本文在分析研究国内外建筑行业用于软基处理的散体材料桩桩体复合地基的分析 方法及研究现状的基础上，深入研究干拌水泥碎石桩加固机理和在汽车荷载作用下的承 载特性。 从指导干拌水泥碎石桩加固路基设计的目的出发，根据干拌水泥碎石桩加固路基路 面整体结构的目的和承载特性区别于干拌水泥碎石桩复合地基处理的特点，提出以路表 弯沉为设计指标。 总结得出陕西省典型路面结构，将干拌水泥碎石桩加固区内的桩体和土体视为均一 体，用复合回弹模量评价强度，利用b i s a r 3 0 软件，按照弹性层状体系理论，研究在 标准轴载作用下，不同的桩体设计参数对路表弯沉的影响。将复合路基土和加固区以下 的原路基土按照路基土顶面弯沉等效的方法，换算为等效路基土回弹模量。回归得到复 合路基土回弹模量、复合路基土厚度以及原路基土回弹模量与等效路基土回弹模量关系 式。在此基础上，提出了干拌水泥碎石桩加固路基的设计方法。 以干拌水泥碎石桩加固西安至潼关高速公路设计为例，说明本文提出的干拌水泥碎 石桩设计过程，验证了该设计方法的合理性。 对干拌水泥碎石桩加固路基路面的施工技术进行了总结，结合干拌水泥碎石桩加固 路基路面积累的实践经验，针对施工中容易出现的问题，提出改进措施。 干拌水泥碎石桩加固效果的检测评价方法和评价指标的研究，提出采用路表弯沉检 测的方法对干拌水泥碎石桩加固效果进行评价。 关键词：干拌水泥碎石桩，路基加固，复合回弹模量，路表弯沉，设计，施工，检测 a b s t r a c t t h er e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g yo fc e m e n tg r a v e lm i x i n gt r e n c h l e s sp i l eh a sb e e na p p l i e dt om a n y h i g h w a y sa n da c q u i r e dv e r yg o o dr e i n f o r c i n ge f f e c t ，h o w e v e r ，t h ed e s i g na n dd e t e c t i o no fc g m t a r el a c k o fs c i e n t i f i cb a s i sa n dm e t h o d s s oi ti sn e c e s s a r yt op e r f e c tt h er e l a t e dt h e o r yo ft h et e c h n o l o g yo fc g m t a n dp r o m o t et h et e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nf b r t h e rd e v e l o pi np r o j e c t b a s e do nt h ea n a l y s i sm e t h o d sa n dr e s e a r c hs t a t u so fg r a v e lp i l ei ns o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n ti nt h e c o n s t r u c t i o ni n d u s t r y , t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s ma n do fc g m t p i l e c o m p o s i t er o a d b e d , a n dd e t a i l e d l ya n a l y z e dt h eb e a r i n gb e h a v i o ro fc g m tp i l ec o m p o s i t er o a d b e dw i t h v e r t i c a l l o a d f r o mt h ep u r p o s eo fg u i d i n gd e s i g no fc g m t p i l es t r e n g t h e nr o a d b e d ，a c c o r d i n gt ot h ep u r p o s ea n d c h a r a c t e r i s t i c st h a tc g m t p i l es t r e n g t h e nr o a d b e di sd i f f e r e n tf r o mi nt r e a t i n gs o f tf o u n d a t i o n ，p u tf o r w a r d t h ec g m t p i l ed e s i g nm e t h o d s t h ep i l ea n dt h es o i li ns t r e n g t h e n i n gr e g i o nw e r er e g a r d e da so n el a y e ro fh o m o g e n e o u ss o i l ，u s e d c o m p o s i t er e s i l i e n tm o d u l u so fp a v e m e n ts u b g r a d ee v a l u a t i o no fi t sc a r r y i n gc a p a c i t y , u s e db i s a r 3 0 s o f t w a r e ，a c c o r d i n gt of l e x i b l el a y e r e ds y s t e mt h e o g y , r e s e a r c h e dt h a th o wt h ep i l eo fd i f f e r e n td e s i g n p a r a m e t e r si n f l u e n c et h er e s i l i e n td e f l e c t i o nu n d e rt h el o a do fv e h i c l e s u m m a r i z e dt h et y p i c a ls t r u c t u r eo f h i g h w a y so fs h a n x ip r o v i n c e ，a c c o r d i n gt ot h et o po ft h es u b g r a d es o i l r e s i l i e n td e f l e c t i o ne q u i v a l e n t m e t h o d ，t h ec o m p o s i t es o i la n dt h eo r i g i n a ls o i la r ee q u i v a l e n tt oal a y e ro fs o i l ，r e g r e s s i o no ft h ec o m p o s i t e r e s i l i e n tm o d u l u s ，t h et h i c k n e s so ft h ec o m p o s i t es o i l ，a n dt h er e s i l i e n tm o d u l u so fo r i g i n a ls o i la n d e q u i v a l e n tr o a d b e ds o i lr e s i l i e n tm o d u l u sr e l a t i o n s h i p t h ep a p e rt o o kx ia nt ot o n gg u a nh i g h w a yf o ri n s t a n c e ，i l l u s t r a t e dt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n p r o c e s so fd e s i g n , a n dv e r i f i e dt h a tt h ed e s i g nm e t h o di sr e a s o n a b l e o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gc o n s t r u c t i o np r a c t i c eo fc g m tp i l e ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fc g m t p i l er e i n f o r c e m e n tw a sr e s e a r c h e d f o rt h ep r o b l e m so r d i n a r i l ye n c o u n t e r e di nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o n , p r o p o s e di m p r o v e m e n tm e a s u r e s i nt h ee n d ，t h ea u t h o rs t u d i e dt h et e s t i n ga n de v a l u a t i o nm e t h o d so fr e i n f o r c i n ge f f e c to fc g m tp i l e ， a n dp u tf o r w a r dt h a tr e i n f o r c e m e n te f f e c to fc g m tp i l e sc o u l db ee v a l u a t e db yt e s t i n gr e s i l i e n t d e f l e c t i o no fr o a ds u r f a c e i i k e y w o r d s ：c e m e n tg r a v e lm i x i n gt r e n c h l e s sp i l e ：r o a d b e dr e i n f o r c e m e n t ； c o m p o s i t er e s i l i e n tm o d u l u so fp a v e m e n ts u b g r a d e ：r e s i l l e n td e f l e c t i o n ：d e s i g n ： c o n s t r u c tio n ：d e t e c tio n i l l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：司嵫建矽。亍年岁月弘日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：写久幺建妒谓年占月岁口日 导师签名： 长安大学硕上学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国已建成的高速公路大多采用半刚性基层沥青路面，由于设计、施工及养护等方 面的问题，以及交通荷载和环境因素的作用，路面出现了沉陷、裂缝、坑槽、车辙、翻 浆等病害。这些病害的出现严重影响了行车速度、行车安全、乘车舒适性，加大了汽车 磨损，缩短了沥青路面使用寿命，严重影响了道路的服务水平。 众所周知，这些病害的出现多数是由于路基的处理不当或者含水量过大造成的。因 此，路基的质量的好坏，将直接影响到路面的使用品质。据调查，我国路面产生的早期 损坏因路基而造成的占6 0 以上。路面的损坏往往于路基排水不畅、压实度不够、强度 低等有直接的关系。 针对路面沉陷、车辙和翻浆病害，高速公路养护部门多采用压浆、结构层开挖处理、 洗刨罩面等方案。有的采取了路面病害处深挖换填的方法，这种做法工程量大，对交通 影响大：有的采取了对路基注浆加固的方法，这种方法施工速度快，但加固效果不明确， 而且容易产生新的不均匀支撑；有的为了治理沉陷，多次加铺罩面层，造成极大的浪费。 但是路基压实度不足，含水量过高的根本问题没有解决，经处理后一定周期内上述病害 还会出现。 近年来，在公路养护界出现了采用干拌水泥碎石桩对已建成的公路路基进行加固， 已经在陕西省和河南省多条高速公路大修工程中得到应用，取得了很好的加固效果。西 安至潼关高速公路2 0 0 3 年8 1 0 月，由于渭南地区持续暴雨，致使该公路k 3 4 , - - k 7 6 段 部分路段路基严重沉陷，最大沉陷深度6 0 , - 一7 0 e m ，行车道及超车道纵向裂缝发育，宽 2 2 0 c m 。陕西省高速集团于2 0 0 3 年1 肚1 1 月，尝试在保证交通畅通的情况下，采用c 2 0 干拌水泥碎石桩对该路段路基进行了加固，加固后的路段路基未出现新的沉陷；由于种 种原因，西安至宝鸡高速公路在通车初期即产生路基不均匀沉降、路面纵缝等进展型病 害。曾经采取过路基注浆加固措施，效果不够理想。近年来，随着交通量的增加，沉陷 和龟裂是西宝高速公路最严重的两类病害，沥青路面使用品质严重恶化。2 0 0 4 年也采用 干拌水泥碎石桩技术对路基进行了加固，路基路面变形得到控制；河南省许昌至漯河高 速公路沥青路面由于路基压实度低、含水量过高形成路面沉陷、唧浆、翻浆等病害，经 过多次压浆、挖补，均无效。采用干拌水泥碎石桩加固处理后，成功稳固了路基路面的 第一章绪论 变形，制止了病害的发生。 虽然干拌水泥碎石桩加固技术在加固路基路面整体结构，解决路面病害问题在一些 工程实践中取得了很大成功，但其理论严重落后于工程实践。目前在公路养护部门，干 拌水泥碎石桩加固路基路面技术没有形成的统一的设计方法，有的根据一些高速公路的 成功经验，有的则是依据建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 _ - 2 0 0 2 ) 【l 】和复合载体夯 扩桩设计规程( j g j t 1 3 5 2 0 0 1 ) t 2 1 及建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 【3 1 ，干拌水 泥碎石桩的施工和加固效果检测也是借鉴建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - - - 2 0 0 2 ) 。 沥青路面在什么样的情况下应用干拌水泥碎石桩加固需要深入的研究。此外，干拌 水泥碎石桩设计参数( 桩长、桩径、桩距、布桩方式) 也需要合理的确定。 因此，深入开展干拌水泥碎石桩技术理论的研究，提出适用于路基加固的干拌水泥 碎石桩设计理论、设计方法和加固效果的检测方法，对于解决因路基问题导致的路面破 坏问题，推广干拌水泥碎石桩路基路面加固技术在公路行业的应用具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 干拌水泥碎石桩复合地基加固技术最早应用于建筑领域 4 】【5 】【6 】，主要用于软弱地基 加固，在交通行业中，新建道路处理软弱地基处理中也有很广泛的应用唧引。目前对干 拌水泥碎石桩的研究主要集中在软土地基处理领域，在已建成的高速公路上采用干拌水 泥碎石桩加固路基的研究几乎为空白。 国外碎石桩的发展及研究现状。据h u g h e s 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 年) 9 1 弓1 用m o r e a u 等 ( 1 8 3 5 年) 的资料介绍，碎石桩最早在1 8 3 5 年由法国在b a y o n n e 建造兵工厂车间时使 用，这个兵工厂坐落在海湾沉积的软土上，加固后的实际沉降量只有未加固前的1 4 。 此后便被人遗忘，直至1 9 3 7 年由德国人发明了振动水冲法( 简称振冲法) 用来挤密砂 土地基。2 0 世纪6 0 年代初，振冲法用来加固粘性土地基，并形成碎石桩。国外学者 h u g e h e s ，w i t h e s ，b r a u n s 及w o n g 等都提出碎石单桩的承载力计算公式。h u g h e s ( 1 9 7 5 ) 假设桩侧向膨胀时体积不变，且在沉降过程中桩的垂直应力和侧向应力不变，得到碎石 桩的沉降量计算式；p r i e b e ( 1 9 7 6 ) 根据弹性半空间理论导得了复合地基在垂直荷载下的沉 降量计算式；b a l a a m ( 1 9 7 7 1 9 8 3 ) 用有限元方法计算复合地基的沉降量和沉降速率： g o u g h n o u r ( 1 9 8 3 ) 把复合地基承载性状分为弹性和塑性状态，分别计算沉降然后取大值。 中国自1 9 7 7 年引进振冲碎石桩技术【1 0 】。多年来中国在大坝、道路、桥涵、大型厂 2 长安大学硕士学位论文 房及工业与民用建筑地基上广泛采用振冲法加固。如在十字板强度低于2 0 k p a 的软粘土 地基，在含水量高的淤泥、泥炭地基采用振冲法加固都有成功的实例。因振冲碎石桩有 泥水污染环境，在城市和已有建筑区受到限制，随着时间的推移，各种不同的施工工艺 相应产生，如沉管法、振动气冲法、袋装碎石桩法、强夯置换法等。它们虽然施工方法 不同于振冲法，但土样可以形成密实的碎石桩。 随着工程实践的大量应用，推动了碎石桩理论研究的发展，复合地基强度和沉降计 算方法取得了很大发展。盛崇文1 9 8 0 年将b r a u n s 理论推广到复合地基，导出了满堂加 固碎石桩的复合地基承载力计算公式，并且于1 9 8 3 年推荐采用桩或土的载荷试验资料、 置换率及按经验估计桩土应力比来推算复合地基的变形模量，并以此计算复合地基承载 力和沉降量，林孔锚采用圆弧滑动法计算复合地基的极限承载力，郭蔚东、钱鸿绪( 1 9 9 0 ) 研究了塑性能量和广义b r a u n s 法求解柔性碎石桩发生鼓胀破坏、整体剪切破坏及相应 破坏形式的复合地基承载力；王余庆等利用现场静载荷资料对圆筒形孔扩理论、被动土 压力理论、极限平衡理论、索恩伯经验曲线理论等进行了可行性验证。 目前建筑上对碎石桩桩体复合地基有比较成熟的设计方法：有按承载力控制、沉降 变形控制以及按沉降和承载力双控等。绝大多数桩体复合地基承载力的计算原理都是先 计算出桩体的承载力和桩间土的承载力，然后通过一定的组合关系得到复合地基的承载 力。复合地基的沉降解析计算思路是分别计算出复合地基加固区和下卧层的沉降值，而 后进行叠加组合。 上述这些都是现阶段碎石桩在处理软弱地基上理论成果。在已建成的高速公路加固 路基有区别于软基处理的特点，而且公路行业和建筑行业设计指标和控制指标，以及对 承载力、强度、变形的要求也不同。能否用于指导干拌水泥碎石桩加固路基技术的设计 还有待进一步研究。 1 3 本文的研究内容及研究方法 干拌水泥碎石桩路基加固技术已在多条高速公路上得到应用，但还没有比较成熟的 设计方法，干拌水泥碎石桩路基加固设计的准确性、科学性和合理性无法得到保障，因 此，本文从干拌水泥碎石桩复合地基加固机理入手，研究干拌水泥碎石桩复合路基承载 特性，提出符合公路工程自身特点的干拌水泥碎石桩加固路基的设计指标和设计方法， 并对干拌水泥碎石桩路基加固技术的施工工艺和质量检测方法进行较为全面、系统的研 究。研究内容主要包括以下几个方面： 3 第一章绪论 1 ) 干拌水泥碎石桩加固路基机理和承载特性的研究。阐述干拌水泥碎石桩路基加 固技术，并对其优点进行分析。在此基础上对干拌水泥碎石桩加固路基的加固机理进行 深入的分析研究。并对采用干拌水泥碎石桩加固后的路基路面的承载特性进行深入地研 究。 2 ) 干拌水泥碎石桩设计参数对路表弯沉的影响研究。借鉴建筑上对复合地基加固 区沉降量计算的思想，采用复合模量法，将加固区内的碎石桩桩的回弹模量和桩间土的 回弹模量进行复合得到加固区内的复合回弹模量，按照弹性层状体系，利用b i s a r 3 0 软件，研究在标准轴载作用下，不同的桩体设计参数对路表面弯沉的影响。 3 ) 干拌水泥碎石桩设计方法研究。根据以上分析结果，结合公路路基加固区别于 建筑地基处理的特点，提出以路表弯沉为设计指标的用于路基加固的干拌水泥碎石桩设 计方法。在此基础上，提出干拌水泥碎石桩加固路基路面的一般设计方法。最后得到干 拌水泥碎石桩加固路基的设计流程。 4 ) 干拌水泥碎石桩加固路基路面的施工技术研究。结合干拌水泥碎石桩加固路基 路面已经积累的施工经验，对干拌水泥碎石桩的施工工艺和质量控制方法进行研究。针 对施工中容易出现的问题，提出技术改进措施。 5 ) 干拌水泥碎石桩加固效果的检测评价方法和评价指标的研究。由于干拌水泥碎 石桩路基加固技术是在已建成的公路上进行路基加固，因此，对加固效果的检测方法应 和设计方法相对应，而且最好是无损检测的方法，本着这样的原则，对加固效果的检测 方法进行研究。 4 长安大学硕士学位论文 第二章干拌水泥碎石桩加固路基机理和承载特性研究 为了研究在已建成的公路上采用干拌水泥碎石桩加固路基的机理，首先应该深入了 解对在己建成的公路上采用碎石桩加固路基技术。因此，本章首先阐述干拌水泥碎石桩 加固路基技术，然后对其特点进行分析，最后与其它路基加固技术进行比较，得出其优 越性。 正确认识干拌水泥碎石桩加固路基的作用机理和承载特性，对于干拌水泥碎石桩加 固路基的设计与施工有着重要的指导意义。因此，本章研究干拌水泥碎石桩的加固机理 以及在汽车荷载作用下的承载特性。 2 1 干拌水泥碎石桩概述 2 1 1 干拌水泥碎石桩路基加固技术 c g m t ( c e m e n tg r a v e lm i x i n gt r e n c h l e s s ) 干拌水泥碎石桩是在碎石桩、c f g 桩 【1 1 】【1 2 】【1 3 】的基础上发展起来的一项新的公路路基非开挖快速加固技术。干拌水泥碎石桩 加固路基路面整体结构，在需要加固的路段，按照设计图纸的桩号，排距及桩距进行桩 位测放后，采用钻孔机路面上按照设计桩径进行干钻成孔，再将一定数量按照设计配合 比拌制的干拌水泥碎石填料分层回填入孔内，而后用重锤将回填料进行夯扩使之致密， 依次类推直至孔口l m 。距孔口0 2 5 - 1 m 采用干硬性混凝土回填( 即在干拌混凝土中加 入适量的水) ，孔口0 2 5 m 采用c 3 0 混凝土钢钎捣实处理并收光表面。 干拌水泥碎石桩成孔后，在桩孔内分层投料，分层夯实及夯扩挤密，使桩体材料 侧向挤压地基土，甚至挤入地基土中。这在一定程度上改善了桩间土的物理、力学性质。 当加固深度范围内不同深度地层的软硬有变化时，可使同一根桩不同深度具有不同的桩 径。由于该工法侧向冲击挤压力较大，可使土层中的软弱地段产生较大的水平向挤密， 从而达到桩身在竖向上呈不等径串珠状，使得桩体和桩间土是镶嵌挤密在一起，除更能 充分发挥和利用桩间土的承载力外，桩与桩间土的相互作用效果更好，可以有效地提高 整体强度。 2 1 2 干拌水泥碎石桩特点 采用干拌水泥碎石桩加固路基具有以下特点： 1 ) 加固效果好 第二章干拌水泥碎石桩加固路基机理和承载特性研究 一方面干拌水泥碎石桩由于在夯扩过程中使桩周土得到挤密和改善，提高了原路基 土的承载力；另一方面，桩身和桩周土在一定路基深度范围内形成复合地基，并可以全 桩长的发挥桩侧摩阻力，从而大大提高了路基的承载能力，得到了良好的加固效果。 在钻孑l 和夯扩成桩的施工过程中，由于振动作用，将会对桩间土产生扰动，特别是 高灵敏度的土，会使其结构强度丧失或降低，成桩结束后，随着恢复期的增长，结构强 度逐渐恢复，土的物理性能得到改善，桩间土的强度会有所增加。 桩孔填料采用干拌水泥碎石，在夯扩成桩的过程中，桩体材料主要表现出散体材料 的性质，随着期龄的增长，水泥在吸收桩间水分后硬化，桩体材料又具有一定的粘结力， 桩体的强度随之增长，因此，桩体与桩间土所形成的复合路基的承载能力也有所提高。 2 ) 施工简易 干拌水泥碎石桩施工所采用的机械设备属于常规设备、体积小、机动性强、施工工 艺也简单易行，且施工时占用场地小、速度快、可以实现边通车，边施工。 3 ) 工程质量便于控制 干拌水泥碎石桩通过夯实不仅可以使桩周土体得到一定程度挤密加固，而且成孔直 径和材料的配合比易于控制，故桩体强度可以得到有效的保障。 4 ) 经济效益好 采用干拌水泥碎石桩进行加固路基，施工规模小、可多点同时施工、施工速度快、 更不需要拆除和修复原有路基、能充分利用原有路面，不仅节省工程投资，而且不需要 中断交通，具有更好的经济效益和社会效益。 2 1 3 干拌水泥碎石桩加固技术和其它路基加固技术比较分析 1 ) 施工成本比较 处理沉陷、翻浆、桥头跳车现在最常见的方法就是压浆、挖补坑槽，压浆的成本在 每吨2 5 0 0 元左右，且压浆施工所用材料的数量不可预见性大，实际施工过程中工程量是 无法估算准确的。挖补坑槽的成本每平方米在1 2 0 0 元左右。c g m t 桩处理坑槽沉陷等病 害每平方米只有一根桩价格在5 0 0 元左右。 2 ) 施工进度比较 压浆施工的施工速度相对来说比较快，但对同行的要求比较严格同行时间早对病害 处理不彻底，通车后仍然不能达到处理效果。挖补坑槽的施工速度缓慢且混凝土需要长 时间养生，且施工工艺比较复杂包括沥青混凝土表面切缝、沥青混凝土碎石的破除、洒 6 长安大学硕士学位论文 乳化沥青、混凝土料填筑、铺沥青混凝土面层，施工工艺繁琐，工作面循环慢。c g m t 桩施工工艺包括开孔、取土、回填、封口等几个工序，可采用同一台机器一次性完成， 每完成一根桩的时间平均在4 0 分钟左右，可同时对路段内的多个病害点进行同步处理。 循环周期短，施工速度快。 3 ) 施工工艺及施工效果比较 压浆处理施工主要包括混凝土浆的拌合，压浆其优点是操作相对简单且操作过程比 较简单，缺点在于成本高、专用压浆水泥价格贵且水泥硬化快在实际施工中控制比较复 杂，另外压浆的不可预见性比较强，在路上不能预测路面以下的空隙的空间的具体大小， 和空隙的形状，只能依靠压力表盲目的对内部进行注降，比较容易造成原材料的浪费。 路面开挖修复施工工艺包括切缝、挖除沥青混凝土碎石、清扫基坑、混凝土基层浇 注、洒乳化沥青、铺筑沥青混凝土。其施工优点在于大面积开挖可以在一定时间内保证 施工质量，缺点是施工工艺相对复杂，质量控制点多，在施工过程中容易出现质量问题。 且施工过程周期长，严重影响道路交通。另外如沥青混凝土出现翻浆现象只盲目的对基 层和面层进行处理不考虑路基土的沉降也是不科学的，如路基土存在着不均匀沉降即使 做了开挖修补工作，新的路面也会很快达到疲劳状态再次出现病害。 ， c g m t 桩施工工艺包括钻孔、取土、回填、封口几个工序，以上工序可利用同一台 机械连续同时进行施工，每台机械施工周期短。c g m t 桩对路基进行加固处理时对路基 土体产生挤密作用，增加路基土承载力和整体稳定性，防止路基整体滑移。c g m t 桩的 填充材料经大量试验，设计的配比能满足强度要求同时也能满足排水的要求，这样存在 于结构层之间的水就可以通过c g m t 桩向下排到原地面以下，减少水对高速公路路面病 害的影响。 2 2 干拌水泥碎石桩加固路基机理 碎石桩加固路基的效果【1 3 1 1 1 4 1 ”】主要来源于以下三种作用：一是置换作用，即地基的 原软弱土被较高强度的桩体置换而使地基强度增大的效应；二是挤密作用，因施工成桩过 程中，桩周土受到挤压力而使桩周土强度增大的效应；三是加速排水作用，桩体使地基土 排水渗流的渗径缩短而加速地基土固结从而使地基承载能力随时间提高的效应。 1 ) 置换作用 碎石桩在原路基土中成桩以后，就形成了一定桩径，桩长和间距的桩与桩间土共同 7 第二章干拌水泥碎石桩加同路基机理和承载特性研究 组成复合路基，由密实的碎石桩桩体取代了与桩体积相同的原路基土，因为碎石桩的强 度和抗变形性能优于其周围的路基土，所以形成的复合路基的承载能力比原来的路基土 的承载力大，从而提高了路基土的整体稳定性。在外来荷载作用下，由于复合路基土桩 体的模量和强度较大，由路面结构层传来的荷载逐渐集中到桩体上，使桩承担较大部分 的荷载，而土负担的荷载则相对减少。其结果，与原路基土相比，承载力显著提高。 2 ) 挤密作用 干拌水泥碎石桩采用夯扩成桩的方法，在成桩过程中对周围的路基土产生很大的水 平方向的挤压力，使桩周围路基土的密实度增大，这就是挤密作用。 在干拌水泥碎石桩钻孔和夯击成桩过程中会对土产生的挤压和震动等强烈扰动，使 粘粒之间的结合力以及粘粒、离子、水分子所组成的平衡体系受到破坏，孔隙水压力急 剧升高，土的强度降低，压缩性较大。在干拌水泥碎石桩施工结束后，在上覆荷载的作 用下，通过碎石桩的良好的排水作用，桩间路基土发生排水固结，同时由于粘粒、离子、 水分子之间重新形成新的稳定平衡体系，使土的结构强度得以恢复和提高。 3 ) 排水作用 水是影响路基土性质的主要因素之一。特别对于粘性土路基，粘性土路基含水量的 大小直接影响到路基的强度。因此，在粘性土路基中，碎石桩桩体的排水通道作用是干 拌水泥碎石桩加固粘性土路基的主要作用之一。在干拌水泥碎石桩施工结束后，碎石桩 是路基土中的一个良好的排水通道，它能起到排水砂井的效能，且大大缩短了孔隙水的 平均渗透途径，加速排水固结。 2 3 干拌水泥碎石桩承载特性分析 在已建成的高速公路上，采用干拌水泥碎石桩加固路基后。在汽车荷载作用下，荷 载通过车轮传给路面，在路面结构层内部产生应力和应变后，然后再传给桩和原路基土 形成的复合路基土，荷载按路基土材料的模量大小不断进行分配【1 6 1 ，由于桩体材料的模 量远比桩间土的模量大，因此，通过路面结构层传递给复合路基土的荷载逐渐向桩上集中， 桩间土负担的应力相应减少。干拌水泥碎石桩基本特征是桩体材料为散粒体材料，散粒材 料之间没有粘结力，它的成型及支承荷载的能力均需依靠桩周土体对它的侧向约束作用。 对于散粒材料桩这种特定的结构体，碎石桩桩体的侧向鼓胀变形是实现桩土之间变形协 长安大学硕士学位论文 调的首要调整方式；此外，由于路面结构层刚度比桩和桩间土模量要大。因此，可以认 为加固区内桩和桩间土在加固区上部竖向变形一致。 桩在汽车荷载作用下，桩体在受压的同时，发生侧向膨胀。在桩单元的侧面既作用 有侧摩阻力又受到土对桩的挤压力作用。由于侧摩阻力的作用，桩体沿桩向下传递的力 逐渐衰减，衰减的大小与摩阻力等值。由于散体材料桩一般有较大的压缩变形，桩与土 的下沉协调一致，桩土之间的相对滑移较小可忽略不计。桩身应力向下衰减的很快，桩 端阻力很小。因此，可以认为桩和桩间土在加固区下部竖向变形一致。 u 4 u z l t00 2 0 4o - 60 8 筠 1d心 2 d 3 d 4 d 5 d a 试验前后桩体形状变化 bo ：o ，随深度的变化 图2 1 桩身应力传递及桩体形状变化图 南京水科院孟广讯等人【1 7 1 在室内进行碎石桩模型试验，测得不同桩的轴向应力以 。 和径向应力以。如图2 1 所示，发现桩体表面荷载沿桩的深度迅速衰减，当深度达到3 d 时，桩体垂直应力平均值只有表面荷载的2 7 4 ，在桩顶下面( 2 - - - 3 ) d 范围内轴向应力、 径向应力均较大，是高应力区。h u g e r 和w i t h e r 通过试验也得出：深度为两个桩径范围内 的侧向位移比较大，深度超过( 2 - - - 3 ) d 时，径向位移可忽略不计。这主要是由于桩间土 抵抗桩体的侧向位移的应力随深度增大，只有当桩体在垂直荷载作用下产生的压胀力与 周围土体产生的约束力平衡时，桩体处于稳定状态。因此c g m t 桩承受荷载的性能取决 于两方面的因素：一方面为c g m t 桩自身强度；另一方面为荷载在桩周围产生的围压和 桩身结构强度产生的约束力共同决定c g m t 桩复合路基的承载性能。上述分析的前提是 c g m t 桩本身具有较好的密实度，处于正常的工作状态。这也说明成桩工艺、成桩质量 在很大程度上决定了c g m t 桩工程的成败。 9 第二章干拌水泥碎石桩加同路基机理和承载特性研究 2 4 本章小结 通过本章的分析研究，主要得出以下结论： 1 ) c g m t 桩路基加固技术具有加固效果好，施工简易、施工质量便于控制等优 点。相比其它路基加固技术，c g m t 桩路基加固路基有突出的优越性。 2 ) c g m t 桩路基加固技术加固效果主要来源于对路基土的置换作用、挤密作用和 加速排水作用。 3 ) c g m t 桩承受荷载的性能取决于两方面的因素：一方面为c g m t 桩自身强度； 另一方面为桩周土对碎石桩周围产生的围压和桩身结构强度产生的约束力共同决定 c g m t 桩复合地基的承载性能。 4 ) c g m t 桩为散体材料桩。在汽车荷载作用下，加固区内的桩和桩间土的竖向变 形相等。 l o 长安大学硕士学位论文 第三章干拌水泥碎石桩路基加固技术设计方法研究 干拌水泥碎石桩最早应用在建筑行业上，在软弱地基处理上有着广泛的应用并取得 了显著的成效。建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - _ 2 0 0 2 ) 已经给出了碎石桩处理软弱 地基的设计方法。 本章首先分析碎石桩应用于软弱地基处理时的设计思想，然后分析建筑上地基处理 与公路工程路基加固处理的要求和承载特性的差异。在此基础上，提出符合公路工程实 际的碎石桩加固路基的设计指标。同时，研究干拌水泥碎石桩加固路基设计中可以借鉴 建筑行业碎石桩软弱地基处理的地方。 干拌水泥碎石桩的每个设计参数都可能会对设计指标产生很大影响。为了能够更好 的指导干拌水泥碎石桩加固路基的设计，非常有必要研究各种桩体设计参数和设计指标 的关系。 最后提出干拌水泥碎石桩加固路基的设计方法，得到设计流程图。 3 1 干拌水泥碎石桩加固路基设计指标 3 1 1 地基处理上碎石桩复合地基的设计思想 任何工程设计都要同时满足强度要求和对变形的要求，或者说无论强度控制设计还 是按变形控制设计都要满足上述要求。 建筑上对地基强度的要求表现为对地基承载力的要求1 8 】，对变形的要求为工后沉降 满足设计要求。目前，地基处理上对碎石桩复合地基的设计要么是先满足地基承载力的 要求，再验算在建筑物自重作用下沉降是否满足要求，要么先按沉降要求进行设计，然 后验算承载力是否满足要求。 建筑行业上，用于地基处理的碎石桩复合地基设计时，一般的碎石桩设计是在分析 岩土报告后，了解建筑建筑物特征的前提下，依据建筑地基处理规范和要求，确定碎石 桩的设计参数，按照下列步骤进行： 1 ) 平面处理范围； 2 ) 桩的平面排列； 第三章干拌水泥碎石桩路基加同技术设计方法研究 3 ) 处理深度； 4 ) 桩间距； 5 ) 桩孔内填料配置及夯实要求： 6 ) 复合地基承载力计算； 7 ) 复合地基变形计算。 当复合地基按承载力控制设计时，先满足地基承载力的要求，再验算沉降是否满足 要求，如果沉降不能满足要，则考虑提高地基承载力，再验算沉降是否满足，直至两者 都满足要求：当复合地基按沉降控制设计时，先按沉降控制要求进行设计，然后验算地 基承载力是否满足要求，若承载力不能满足要求，适当增加复合地基置换率或者增加桩 长，使承载力满足要求。 3 1 2 干拌水泥碎石桩加固路基设计指标 1 ) 公路工程上的路基加固和建筑上的软弱地基处理有很大差异，主要表现在以下两 个方面： ( 1 ) 处理后的要求不同。建筑上对复合地基处理的要求为承载力和沉降都满足设计要 求，而公路工程上对路基土强度的要求主要为土基的回弹模量和路基顶面弯沉满足设计 要求。 ( 2 ) 承受的荷载不同。地基所承受的上部建筑物的荷载主要为建筑物自重，当建筑物 建成后，地基所承受的荷载是恒载；相比而言，路面所承受的则是汽车荷载，当汽车行 驶到路面时路面和路基结构承受荷载，等汽车行驶过后，路面上就不承受荷载。除此之 外，最显著的不同则是荷载的施加的范围不同，建筑上荷载的施加的范围是在整个基础 范围内的；而路面上所承受的荷载范围则是汽车轮胎与路面的接触面内。 从以上分析可知，公路工程上的路基加固和建筑行业的地基处理不同。因此，在对 干拌水泥碎石桩路基加固设计时，不能照搬建筑行业上碎石桩的设计方法，应体现自身 的特点。 2 1 干拌水泥碎石桩加固路基设计指标 路表弯沉是路面在汽车荷载作用下产生的竖向变形【1 9 】。路面弯沉不仅能够反映路面 1 2 长安大学硕上学位论文 各结构层及土基的整体强度和刚度，同时弯沉值的检测也比较方便。所以我国现行的沥 青路面设计方法采用设计弯沉作为路面整体刚度的设计指标。 在已建成的公路上，在路面结构层达到设计要求的前提下，当路基土回弹模量满足 要求时，路表弯沉必然能够满足要求，两者实质是统一的。由于路基土回弹模量不便检 测，因此，在已建成公路上采用干拌水泥碎石桩加固路基时，选择加固后的路表弯沉为 设计指标。 3 ) 干拌水泥碎石桩加固后路表理论弯沉计算方法 我国沥青路面设计理论以弹性层状体系理论为基础【2 0 1 ，在理论弯沉计算时，将路面 结构看作一种多层弹性材料体系，假设各层材料为均质的各向同性体，计算在标准轴载 作用下的路表弯沉。 采用干拌水泥碎石桩加固路基后，由于在路基土中加设了碎石桩桩体，两者的性质 存在较大差异，因此，从严格意义上讲，干拌水泥碎石桩加固路基后，加固区不是均质 的各向同性体，不适宜使用弹性层状体系理论计算路表理论弯沉。但是，如果能够把加 固区的碎石桩桩体和桩间土通过某种方法，假设加固区的复合土体为各向同性的均一体 的话，就可以按照弹性层状体系理论，计算采用干拌水泥碎石桩加固路基后的路表理论 弯沉。 通过研究建筑上碎石桩处理软弱路基的设计思路后发现，碎石桩处理软弱地基设计 时，在进行桩体复合地基的承载力计算和进行复合地基沉降计算都是采用复合的方法。 参考建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - _ 2 0 0 2 ) ，在进行碎石桩复合地基承载力计 算时，砂石桩复合地基的承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计 时，也可通过下式估算： f s p k = 呱+ ( 1 一所) f s k ( 3 1 ) 彳。 m = 已 岛 式中：f s p k 碎石桩复合地基承载力特征值( k p a ) ； f p t 一碎石桩桩体承载力特征值( k p a ) ； ( 3 2 ) 第三章干拌水泥碎石桩路基加固技术设计方法研究 厶一桩间土承载力特征值( i o a ) ； 所一置换率( ) ； 厶一复合地基的面积( 聊2 ) ； a p 一复合地基中桩所占的面积( 肌2 ) ； 建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - - 2 0 0 2 ) 也规定了碎石桩复合地基的变形计算方 法，复合土层的压缩模量可按下式计算： = m e , + ( 1 一r e ) e , 式中：一复合土层的压缩模量值( a ) ； 巨一复合土层中桩间土的压缩模量值( a ) ； q 一复合土层中桩的压缩模量值( m p a ) 。 ( 3 3 ) 如上所述，建筑上碎石桩用于软基处理时，在计算碎石桩复合地基承载力时，采用 将加固区内的桩和桩间土复合的方法来评价复合地基的承载力；在复合地基沉降量计算 中，在计算加固区土层压缩量时，将复合地基加固的桩和桩间土视为一层各向同性的均 一土体，将加固区内的桩的压缩模量e 。和桩间土的压缩模量巨按照置换率m 进行复合 得到加固区内的复合压缩模量，采用复合压缩模量来评价复合土体的压缩性。复 合模量法使用比较方便，特别适用散体材料桩和柔性桩复合地基，前提是桩和桩间土满 足竖向等应变条件。 从第二章第三节的分析可以知，干拌水泥碎石桩加固路基时，加固区内的桩体和桩 间土满足竖向等应变的条件。在计算干拌水泥碎石桩加固路基后的路表弯沉时，可以借 鉴建筑行业上，采用将原路基土的回弹模量和桩体抗压模量按照置换率复合的方法，复 合得到加固区复合路基回弹模量，用复合路基回弹模量评价其承载能力，就可以利用弹 性层状体系理论计算路表弯沉。 干拌水泥碎石桩加固区桩和桩问土复合回弹模量按下式计算： 1 4 长安大学硕士学位论文 e o - r = ( 1 一胁) e o f + ，z 色： ( 3 4 ) 聊：生( 3 5 ) 4 ： 式中：e o 厂一复合回弹模量( m p a ) ； 磊，- - a n n 前土的回弹模量( m p a ) ； 磊：一桩体抗压模量( a ) ； 以，碎石桩加固路基的面积( 朋2 ) ； 4 ：碎石桩所占的面积( m 2 ) ； m 一置换率( ) ，可以由桩径、桩间距和布桩方式这三个参数计算得到。 4 ) 干拌水泥碎石桩置换率的确定与布桩方式的选择 常用的布桩形式有以下两种【2 1 1 ： ( 1 ) 四方形布置，包括等距的( 正方形) 和不等距的( 长方形) 如下图3 1 所示 图3 1 四方形布桩 四方形布置( 长方形，正方形) ，排距为a ，桩距为b ，若a = b ，则长方形退化成正方形。 采用干拌水泥碎石桩加固路基后，形成了多个长方形( 正方形) 的加固单元，选择其中一 个作为研究对象，如下图3 2 所示： 第三章干拌水泥碎石桩路基加固技术设计方法研究 广 一 l lb j 图3 2 四方形加固单元 在单个加固单元内部，桩所占的面积为单个桩的截面面积，即1 4 万d 2 ，而整个长方 形( 正方形) 的面积为a * b 。四方形布桩时的置换率按下式计算： 长方形布桩 正方形布桩 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 2 ) 梅花形布置，包括等距的( 正三角形) 和不等距的( 等腰三角形) 。如下图3 - 3 所示： 图3 3梅花形布桩 等腰三角形的两个相等的腰为n ，底边长为c 。若c - - - - - - - i i ，则等边三角形退化成等边三角 形。采用干拌水泥碎石桩加固路基后，形成了多个三角形的加固单元，选择其中一个作为 研究对象，如下图3 4 所示