（道路与铁道工程专业论文）水泥粉喷桩承载性能及其参数反分析的研究与应用.pdf

摘要 本文通过现场试验和理论分析对粉喷桩复合地基承载性能和变形特性进行，硼冗。通过 桩问土、原状土各两组，单桩，单桩与多桩复合地基各三组的现场静载荷对比试验，获得了 各自的容许承载力值，根据p - s 曲线计算出的变形模量结果表明，地基经过粉喷处理后，地 基力学性质和变形特性得到明显改善，土层的强度和变形模量明显提高。在静载荷试验过程 中，同步测试了桩土应力分担比n ，得出粉喷桩复合地基在设计荷载作用下桩土应力比分布 在6 2 96 。 对桩、垫层采用弹性模型，对土采用弹塑性模型，对复合地基进行了平面有限元分析， 探讨了复合地基的荷载传递规律及变形规律。当外荷载小于比例极限荷载时，桩土变形在线 弹性范围，有限元计算得到的荷载一沉降曲线与实测曲线相吻合。从桩土应力比n 计算值与 实测值比较可以看出，有限元计算所得的桩土应力比随荷载的变化曲线与实测曲线基本一致。 计算结果表明，在进行复合地基载荷试验时，载荷板下的垫层厚度及变形模量会对复合地基 的荷载传递特性以及沉降产生影响。 人工神经网络是近年发展起来的一种模仿大脑的结构却功能的信息处理系统。它具有多种传 统计算方法所没有的优点与特性，在各个领域得到了广泛的应用。本文利用神经网络建立了粉喷 桩力学参数反分析模型，通过本文的研究工作可以看出，利用神经网络进行参数反分析是可行的。 对工程算例的计算结果表明，神经网络计算出的材料参数的精度是令人满意的。 关键词：粉喷桩，静载荷试验，荷载传递规律，桩土应力比，人工神经网络，反分析 a b s t r a c t t h ed r yj e tm i x i n g ( d j m ) p i l e sb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o ra r es t u d i e db y w a y o ff i e l dt e s ta n dt h e o r e t i ca n a l y s i s t w og r o u p so ff i e l dt e s t so n o r i g i n a ls o i la n d t h es o i la m o n g p i l e s ，t h r e eg r o u p so f f i e l dt e s t so ns i n g l ep i l e ，o n e p i l ea n dt h r e e p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a v e b e e nc o n d u c t e da n dt h er e s u l t so ft h eb e a r i n gc a p a c i t y ，a sw e l la st h ee l a s t i cm o d u l ao fe a c hp i l e a n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r eo b t a i n e d ，i tc a nb es e e nt h a ts o f te a r t hr e i n f o r c e db yc e m e n t s o i l p i l e ss e e mt oh a v eb e t t e ra p p e a r a n c ei nb e a r i n ga n dd e f o r m i n gt h a no r i g i n a lo n e t h es t r e n g t ha n d e l a s t i cm o d u l u so fs o i li so b v i o u s l yi m p r o v e d t h es t r e s sr a t i oni sa l s om e a s u r e dd u r i n gt h ep r o c e s s o ft h ef i e l dt e s t i t sv a l u ev a r i e sf r o m6 2t o96 a p p l y i n g t h ee l a s t i cm o d e lt o p i l e s a n ds o i l l a y e r ，e l a s t i c - p l a s t i c m o d e lt os o i la n d t w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt ot h ea n a l y s i so fc o m p o s i t eg r o u n d ，t h el o a dt r a n s f e ra n d d e f o r m a t i o nb e h a v i o rf o rc o m p o s i t eg r o u n di sd i s c u s s e d w h e nt h ea p p l y i n gl o a di ss m a l l e rt h a nt h e p r o p o r t i o n a lo n e ，t h ed e f o r m a t i o n v m - i e sw i t h i nl i n e a r - e l a s t i c t h e o r e t i cc u r v ec a l c u l a t e db yf e mi s a n a l o g o u st ot h ea c t u a lp - sc u r v ea c c o r d i n gt o f i e l dt e s t s ，t h e 。s t r e s sr a t i onb e t w e e np i l ea n ds o i l c a l c u l a t e db yf e mc a nr e f l e c tt h ea c t u a ls t a t u sd u r i n gt h ef i e l dt e s t t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns h o w t h a tl o a dt r a n s f e ra n ds e t t l e m e n to fc o m p o s i t eg r o u n d s i l li sa f f e c t e db yt h et h i c k n e s sa n dm o d u l ao f s o i l l a y e r a r t i f i c i a ln u e r a ln e t w o r k ( a n n ) i sa ni n f o r m a t i o nt r e a t m e n ts y s t e mt h a t s i m u l a t es t r u c t u r e a n df u n c t i o no fb r a i ni th a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d sf o ri t sg o o dc h a r a c t e r i s t i c st h a ti s l a c ki n o t h e rm e t h o d s ab a c k w a r da n a l y s i sm o d e lb a s e do nn e u r a ln e t w o r ki sb u i l t ，w h i c hc a r lb eu s e dt o o b t a i nm e c h a n i c sp a r a m e t e ro fc e m e n t - s o i lp i l e t h e r e s e a r c ha b o u t u s i n g n e u r a ln e t w o r ki n b a c k w a r da n a l y s i si st a l k e da n di sp r o v e dt o b ef e a s i b l ei nt h i s t h e s i s f i n a l l y ，a ne n g i n e e r i n g e x a m p l e i s a n a l y z e db y n u e r a ln e t w o r kb a c k w a r da n a l y s i sm e t h o d t h ep r e c i s i o no fm a t e r i a l p r o p e r t i e si tc a c u l a t e d c a l lr e a c ha h i g hl e v e l k e y w o r d s ：d j mp i l e s t a t i cf i e l dt e s tl o a dt r a n s f e r s t r e s sr a t i ob e t w e e n p i l ea n d s o i l a n nb a c k w a r da n a l y s i s i i 东南大学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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：鲤竺，重日 期：塑兰：兰：3 东南大学学位论文使用授权声明 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所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。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。 研究生签名：建竺曼导师签名：埤! 翌主一日期：扩叶啦 一 蔓二主笪堡 第一章绪论 目2 0 世纪3 0 年代美国及德国开始兴建高速公路以来，高速公路在全世界各国的发展异常迅速，对各 国经济的发展起了很大的推动作用。我国的高速公路建设起步于2 0 世纪8 0 年代中叶，白1 9 8 8 年1 0 月底 上海至嘉定高速公路的建成通车实现了我国大陆高速公路零的突破之后，我国高速公路建设步伐一步步加 大，1 9 9 0 年底高速公路的通车里程达到5 5 2 公里，到1 9 9 5 年底高速公路通车里程就达到2 1 4 1 公里。截至 2 0 0 2 年底t 我国高速公路通车里程已达25 2 万公里，已经成为我国公路交通运输的主动脉。其数量仅次 于美国，居世界第二值。 现阶段，我国的高速公路绝大部分位于东部沿海诸省，这些地区分布着大量的软土地基，在这类地基 上修建高速公路，必须要进行加固处理。由于粉喷桩加固技术具有显著的特点和优越性，在软土地基加固 处理中得到愈来愈多的应用，因此值得深入研究与探讨。 1 1 粉喷桩技术简介 1 i 1 发展历史 粉喷桩是“粉体喷射搅拌桩”的简称，具体地说，就是以水泥、石灰等材料作为固化剂，通过专用的 粉体喷射搅拌施j 二机械，用压缩空气将粉体加固材料喷射入地基土中，再凭借钻头叶片的旋转，使粉体加 固利料与原位软土充分搅拌，形成具有整体性、一定强度的柱状加固水泥土，从而提高了地基强度【1 ，”。加 固机具见图1 - 1 ，其粉体发送器见图1 2 ，深层搅拌法施工工程见图1 - 3 。 1 一粉喷桩：2 一贮灰罐；3 灰罐架：4 水泥罐； 5 一事气压缩机：6 一进气管；7 进灰管；8 - 喷粉管；9 啦体 图l 一1 喷粉搅拌桩加固机具图 l 一节流阀：2 一流量表：3 - 汽水分离器；4 - 安全阀： 5 一管道压力表：6 - 灰管压力表；7 - 发送嚣转鼓；8 荻罐 图i 2 粉体发送器的工作原理 该方法是由瑞典的捷尔德鲍斯( k j e l d p a u s ) 于1 9 6 7 年首次提出，1 9 7 1 年进行了第一次现场试验，制成 一根用生石灰和软土拌制成的搅拌桩p 4 ) j 。1 9 7 4 年开始用于工程实践，成桩直径可达5 0 0 r a m ，最大加固深 为1 0 1 5 m 。1 9 6 7 年日本也开始研制石灰搅拌施工机械，1 9 7 4 年成功应用石灰粉体加固软土地基工程， 加矧深度为1 0 3 0 m t ”l u j 我国于8 0 年代初引入此项技术。1 9 8 3 年初，铁道部箱四勘测设计院开始进行粉体搅拌桩加固软土的 试验研究，并与铁道部武汉工程机械研究所合作，研制出了我国第一台液压步履式深层搅拌喷粉桩机。1 9 8 4 年7 月在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上应用石灰搅拌桩加固单孔4 5 m 盖板箱涵的软土地基获得成功。 后来相继在武昌和连云港用于下水道沟槽档土墙和铁路涵洞等软基加固，均获得良好效果。此后，粉喷桩 技术率先在我国沿海地区及长江中、下游得到应用，目前该方法已广泛应用于铁路、公路、市政工程、港 口码头、工业与民用建筑等行业的软土地基加固中，取得了良好的社会效益和经济效益1 “。 查堕查堂堡圭堂垡笙苎 图1 3 深层搅拌法施工过程示意图 经 i 程实践证明，该方法具有以下特点： ( 1 ) 由于将固化剂和原地基软土及水分就地搅拌混台，因而最大限度的利用了原土及水分； ( 2 ) 搅拌时不会使地基侧向挤出基础，所以对周罔原有建筑物的影响很小； ( 3 ) 按照不同地基土的性质及工程设计要求，台理选择固化剂及其配方，设计比较灵活： ( 4 ) 施工简单、速度快，施工效率高。粉喷桩强度提高较快，因此特别适用于工期紧或要求快速提高强度 等方面的工程。 ( 5 ) 与其它加固方法相比水泥粉喷桩施工时振动小、噪音低，可在市区内和密集建筑物群中进行施工。 ( 6 ) 十体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不会引起附加沉降。 ( 7 ) 加固费用低，与钢筋混凝土桩相比，可节省大量钢材，降低了加固费用。 1 12 粉喷桩加固机理 粉喷桩的加固机理是，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一系列 的物理化学反应，使混合水泥土凝结硬化，既提高了自身的强度，又稳定了桩周围土层，这样桩体连同桩 间土共同承担上部荷载作_ j = j 形成复合地基。在水泥加固土中，由于水泥掺量很小，水泥的水解和水化反应 完全是在具有一定活性的介质一土的围绕下进行，所以水泥加固土的强度增长过程比混凝士较为缓慢。加 固十的强度主要由图1 4 所示的几种反应产生，其作用原理如下： 物理改良：固化剂与粘土拌和后，水泥水化产生c a ( o h ) z 及水化硅酸钙( c s h ) 等水化物。c a ( 0 h ) 。 中的c a ”离子与粘土所吸附的n a + 、k + 等离子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的士团粒，从而 位十体强度略有提高。这过程一般在数小时内完成。 固化剂硬化：随着固化剂水化的深入，c s h 、钙矾石等水化物不断发育，填充孔隙，粘结土颗粒，使 松散土体形成坚固的整体，这一过程是产生加固土强度的主要反应。 硬凝反应：软土中的活性矿物可以与c a ( 0 h ) z 发生硬凝反应生成与水泥水化物类似的水化物，也增进 加蒯土的强度。这一过程发展缓慢，所产生的强度增量，取决于加固土中c a ( o h ) z 的浓度和粘士矿物种类 等原因。 用x 一衍射仪对加固土进行分析，1 4 天时己可以发现非晶形的水化硅酸钙类水化物和钙矾石的衍射峰， 5 个月时，还发现新物质的特征峰。用扫描电子显微镜在不同龄期对加固土进行观察，可见，7 天龄期时， 土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水化物结晶的萌芽；1 4 天时已产生大量纤维状结晶，并延伸填充 十颗粒间的孔隙，当固化剂中有石膏成分时，在水化物中还出现大量的针柱状钙矾石晶体，它们相互交叉 形成空间网架填充在主体孔隙中；1 个月后，土颗粒被水化物所包络、胶结；5 个月时，水化物仍然有所 发展。由于土和水泥水化物之间的物理化学反应过程进行缓慢，因此水泥土柱体的强度随时间增加不断增 2 塑堕堡 长。 图l 一4 加固土强度组成 1 1 3 粉喷桩的作用及适用土类 粉喷桩复合地基加周体的作用主要表现在以f 几个方面： ( 1 ) 桩体的作用 由于复合地基中桩体的刚度较周围土体大，在刚性基础下等变量变形时，地基中应力按材料的模量进 行分配。因此，桩体上产生应力集中的现象。大部分荷载将由桩体承担，桩间士上应力减少。这样就使得 复合地基的承载力较原地基有所提高，沉降量有所减少。随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更为明显。 ( 2 ) 加蚓体垫层作用 桩与桩间士复合形成的复合地基，在加固深度范围内形成复合层，它可起到类似垫层的换土、均匀地 基应力和起到应力扩散等作用。在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，垫层的作用大为明显。 ( 3 ) 桩间土挤密作用 在成桩过程中，由于振动、排土、材料吸水、搅拌等作用，都对桩间土起到了一定的密实作用。 ( 4 ) 加速固结 粉喷桩虽然透水性降低，但是地基固结，不但与地基土的透水性有关，而且与地基土的变形有关。从 士的固结系数c ，= 女( 1 + p 。) ( y 。d ) 可以反映出来。虽然水泥土桩会降低土的渗透系数k ，但它同样会减 小地基的压缩系数，而且通常后者的减小幅度要较前者大。因此使加固后的固结系数c 。大于加同前原地 基十的固结系数，所以同样可起到加速固结的作用。而且由于桩侧摩阻力的作用，使得荷载均匀地分布在 桩问土各土层之间，加速了桩问土的固结作用。 ( 5 ) 加筋作用 粉喷桩复合地基除了可以提高地基的承载力外还可以用来提高土体的抗剪强度，从而提高土坡的抗 滑能力，增加地基的稳定性。 水泥加固土的室内试验表明：有些软土的加固效果较好，有的较差。一般认为含有高岭石、多水高岭 石、蒙脱石等粘士矿物的软土加固效果较好：而含有伊里石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机 质含量高、酸碱度较低的粘性土的加固效果较差。加固对象除一般的软粘土外，还可以是新吹填的超软粘 土，沼泽地带的泥炭土、甚至海底软土。国外用这种方法加固的土质有新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质 土等饱和软七，加固场所从陆地软土到海地软土，加固深度可达五、六十米。但在目前，国内还局限于在 陆上加固软土和一般粘性，深度达数十米，加固的土质有淤泥、淤泥质粘土、地基承载力不大于1 2 0 k p a 的粘性十和粉性土等地基；而粉喷桩加固深度不宜大于1 5 m ，天然含水量应大于3 0 ，当天然含水量大于 7 0 及地基土p h 值小于4 时不宣采用；用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性的土时，应通过试验，选用合 理的加固料及配方，确定其加固效果。 3 堡堕奎兰堡主兰堡笙壅 1 2 粉喷桩的研究现状 粉喷桩作为一种新的地基加固方法，目前还缺乏系统完善的理论研究，工程设计及计算中大都采用经 验公式或工程类比的方法。其理论基础是复合地基理论。“复合地基”( c o m p o s i t eg r o u n d ) 的概念蕞甲是 在六十年代提出的，是指天然地基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( 天然地基土体) 和增强体二部分组成的人工地基 2 。其理论经过近三十年的研 究，已取得了| 受足的进步。自1 9 8 6 年在上海举行第一届地基处理学术讨论会咀来的五届学术会议中，复 台地基都是讨论的重要内容之一。1 9 9 0 年和1 9 9 6 年，还分别在承德和杭州召开了复合地基专题学术讨论 会，就复合地基的理论与实践进行了专题研讨。随着复合地基的广泛应用，其理论研究在国内外也越米越 受到重视。国外也有不少关于复合地基的报导，如1 9 8 4 年在日本召开了“复合地基强度和变形讨论会”。 目前粉喷桩由于其作用机理较复杂，荷载传递规律还不很清楚，因此到目前为止，其理论研究主要以 试验为主，试验分为室内试验和现场试验两方面。室内试验主要研究水泥土的特性，国内外有关报导较多， 现场试验可直观真实地研究粉喷桩的作用机理及荷载传递规律等问题，但由于试验困难大，所以这方面的 报导较少。 12 1 试验研究 1 水泥土特性的室内试验研究 水泥十特性的室内试验研究，国内学者已作过大量的试验分析，基本掌握了水泥土的基本特性，主要 研究进展概括如下： ( 1 ) 水泥土的无侧限抗压强度 水泥土的无侧限抗压强度是水泥土桩复合地基设计计算中最常见的一个指标。试验表明水泥土的无侧 限抗压强度比天然士的提高了很多。水泥土的变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑性体之间。周国钧、 胡同安等根据水泥土的无侧限抗压强度试验认为，水泥土的变形特性随强度不同而介于弹脆性体与弹塑性 体之间。y o s h i os u z u k i ( 1 9 8 2 ) 、林琼、刘林等通过水泥土一土复合体一维压缩试验和三轴固结不排水 剪试验发现水泥土一土复合体的应力、应变曲线类似于超固结土，随着围压的减小、置换率的提高和水 泥掺合比的增大，复合十体由塑性破坏向脆性破坏转化，复合土体存在屈服压力，当外荷载小于该屈服压 力时，复合土体只会产生很小的压缩变形，屈服压力数值随置换率和水泥掺台比的提高而增大。试验成果 表明，影响水泥十无侧限抗压强度的主要因素有：1 ) 水泥掺合比a w ；2 ) 养护龄期；3 ) 水泥标号：4 ) 土样含 水量：5 ) 土中有机质含量；6 ) 外加剂；7 ) 周围条件。 ( 2 ) 水泥土的抗剪强度 高压三轴仪剪切试验结果表明：水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。水泥土的粘聚力一般为 无侧限抗压强度q u 的2 0 3 0 ，击= 2 0 。3 0 。 林琼( 1 9 8 9 ) 根据室内试验表明：1 ) 抗剪强度随固结压力os 的增大而略有提高；2 ) 其有效强度指标c 、 中。随置换率和水泥掺合比增大而提高。 ( 3 ) 水泥土的压缩特性 水泥土具有明显的超固结特性。y o s h i os u z u k i ( 1 9 8 2 ) 的研究表明，水泥土的固结屈服应力随水泥掺 合比的增加而增人。 林琼( 1 9 8 9 ) 研究表明，与原状土胡比，水泥土的压缩系数明显减小，而压缩模量明显提高，掺台比越 大，改善效果越好。 ( 4 ) 其它研究成果 水泥土除进行室内物理力学特性研究之外，不少学者还从化学成分等方面加以分析讨论。黄新等通过 对水泥士中的孔隙水中化学成份分析，认为水泥土的强度主要来源于两部分水化物的胶结作用，即水泥本 身的水化物的胶结作用和水泥水化时产生的c a ( o h ) ：与土中活性物质之间的硬凝反应所产生的水化物的胶 4 第章绪论 。 结作j = j 。这种方法很好地解释了不同土质对水泥土强度的影响，从微观上对水泥士特性进行了有益的研究， 这是对宏观为主进行研究的补充，是值得进一步探讨的方法。 从以上研究成果看，广大学者主要对水泥土的强度参数、强度影响因素等进行了较详尽的研究。这对 了解水泥土的基本性质、力学特f 生及变形特点等问题提供了宝贵的资料，同时也为粉喷桩的理论依据与计 算提供了参数和基础。室内试验具有制样简单灵活，数据测试准确方便，受外界干扰小，费用少等优点 但室内试验是在理想的条件下进行的，很难模拟实际情况，所以室内试验有一定的局限性。 2 荷载传递规律研究 荷载传递规律的研究主要以试验为主，国内不同学者进行过室内及现场试验研究。 室内试验以陆饴杰、周国钧为代表曾对实验室砂箱中的水泥土，用在水泥士侧壁上贴应变片的方法， 得到r 水泥土样的荷载传递曲线，试验显示，桩身应力洽深度的分布比较均匀。林琼用同样的方法对姨有 粘土的箱子中的水泥土进行了测试，得到了类似的规律。 由于室内试验受试样尺寸和量测技术的限制，无法反映桩长、桩距及桩土材料非线性等诸多因素的影响， 因此对桩身荷载传递规律的研究得不到满意的结果。 粉喷桩荷载传递规律的现场试验研究，国内有关报道较少。段继伟、龚晓南等曾对承台水泥搅拌桩进 行了单桩载荷试验，其测试手段是通过在桩身内埋设应变片测量了桩身沿深度的位移曲线，然后根据理论 计算出桩身轴力分布、桩侧摩阻力分布等，得到了较符合实际的荷载分布规律。该方法的优点是可比较客 观地反映桩身荷载传递规律，缺点是测试仪器埋设较困难，现场影响因素较多，费用较高。对该方法如何 进 j 改进及测试手段如何提高是获得更有价值规律的方向。其它方法还有钢筋应力计测试方法、土压力盒 法等。如林彤曾采用钢筋应力计测量现场水泥旋喷桩的桩身应力，由于钢筋应力计的弹性模量远大于水泥 土，测量时会使应力向钢筋集中，偏离了实际情况，很难得到满意的结果。郝永华采用在模型桩埋设士压 力盒的方法测试了水泥土桩的应力分布曲线，该方法可得到类似现场足尺试验的荷载分布规律，但由于模 型制作、加载模拟等原因的限制，所以该方法目前只能用于定性分析。 3 现场试验研究 目前工程界十分重视粉喷桩的现场试验研究，试验内容主要包括：承载力检验和路基施工观测。承载 力检验按规范要求采用静载荷试验确定路基施工观测则通过在路基内埋设相关测试仪器对施工期进行跟 踪观测。承载力载荷试验虽然作的工作较多，但主要以工程检测为主，而且静载试验资料主要照搬常规方 法处理，这对于力学特性比较复杂的粉喷桩复台地基而言存在着理论依据不足和人为因素干扰等缺点，需 要深入研究进行改进。路基施工观测主要内容有：路基沉降变形、孔隙水压力消散、路堤侧向变形、土压 分布等内容，路基沉降变形观测主要采用沉降板或沉降磁坏，孔隙水压力采用孔隙水压力计监测，路堤侧 向变形则通过侧斜管和边桩观测，土压力分布主要采用土压力盒观测。路基施工观测的主要目的是为t 程 服务，并积累定的工程经验。如戴济群、李杰等曾对沪宁高速公路昆山试验段进行了粉体搅拌桩现场试 验观测，为设计和施工提供了有益的帮助。 l ，22 理论计算研究 1 粉喷桩复合地基的沉降计算 粉喷桩复台地基的沉降计算是基于复合地基沉降计算理论和方法上的。工程与设计中通常采用的计算 方法是实用沉降计算法。在该方法中，通常把沉降量分为两部分s ，为加固区土体压缩量，s z 为下卧层土体 压缩量，总沉降量s 表达式为：s = s 。+ s ：，其中加固区土层压缩量s z 可采用复合模量法、应力修正法和桩身 压缩量法等计算，下卧层压缩量s 。则通常采用分层总和法计算。 另外，梁仁旺( 2 0 0 0 ) 提出了复合地基沉降计算的复合模量块体模型，采用该模型分析基础大小、桩 氏、复合模量及地基土变形模量随深度线性增加等因素对复合地基沉降的影响。 2 复合地基承载力的研究 粉喷桩复合地基承载力的确定目前还没有成熟的方法，规范( y b j 2 2 5 9 1 ) 建议采用经验公式和现场静 东南大学硕士学位论文 力载荷试验的方法。目前工程上一般采用下述两种情况计算粉喷桩复合地基的承载力： ( 1 ) 根据桩身材料强度计算承载力： ( 2 ) 根据桩侧摩擦力和桩端端阻力计算承载力。 其中考虑在荷载作用下桩侧摩擦力和端阻力的实际分布计算桩的承载力显然更为合理。然而由于这方 面的实测资料较少，限制了理论上的研究，若取得桩侧摩阻力分布规律，进行理论分析，建立一简化计算 公式，对粉喷桩承载力的计算具有实用价值。 另外一些学者还提出不同的经验公式计算单桩承载力，象费勤发等结合实测资料统计得到单桩极限承 载力计算公式，梁仁旺 2 0 0 0 ) 通过统计分析，建立了水泥土桩桩身强度的概率模型，用蒙特卡罗方法对 单桩承载力进行了数值仿真。 近几年可靠性理论、模糊聚类分析等在工程界得到广泛应用，有的学者根据该理论对复合地基承载力 的计算作了一些尝试。但该方法必须建立在大量实测资料上，在实用上有扁限性。 3 粉喷桩变形模量计算 一般情况f ，由室内试验结果统计得到的粉喷桩变形模量计算公式并不能正确反映现场的情况。目前， 可以根据现场静荷载试验得到的s 曲线推求粉喷桩变形模量。从图1 5 可见，当荷载小于某一数值曲时， 荷载与扳下沉量之间近似呈直线关系，如图中的o a 段，根据弹性力学解答可得： ，。、 暑 暑 、一 【，) 图卜5 荷载强度与下沉量关系 。：芝# p 。d 。 ( 1 j ) l 0 ，2 以及e 。= l 岛如 ( 12 ) j 0 式中e o 一土的变形模量( k p a ) ： d 一载荷板的边长或直径( m m ) ： p o 一荷载强度( k p a ) ； 如一与荷载皿所对应的沉降量( m m ) ； “一七的泊松比，原状土取0 4 ，复合地基取0 2 5 i 。一沉降影响系数，与板的形状、刚度等有关的系数( 无量纲) ，圆板取= 0 7 9 ，方板取国= o 8 8 。 通过式( 1 2 ) 求得复合地基变形模量e 以及桩间土的变形模量e 0 ，根据复合地基理论：e = m e p + ( 1 m ) e 0 ， 从而求得桩体的变形模量。该方法计算简单，但不足之处在于，计算过程中，对加固区域看成是均质的， 且求解范圈仅限于弹性解答。 6 箜= 兰堑笙 为了克服公式求解的局限性，许多岩土科技工作者独辟蹊径，借鉴并应用跨学科领域知识，提出很多 确定岩土工程材料参数的新方法，为岩土工程的研究注入了清新的空气，神经网络方法就是其中一种。静 荷载作用下粉喷桩复合地基的沉降是具有多种影响因素的高度非线性映射问题。人工神经网络在非线性优 化方面具有极其强大的功能。所以本课题主要研究影响粉喷桩沉降的各种可能因素，然后通过人工神经网 络和b p 算法的手段，建立粉喷桩参数反分析的神经网络模型， 由于这种模型可阻考虑任何影响粉喷桩 沉降的因素而且不带有主观意识，因而具有其他纯数学公式或模型不可拥有的优越性，通过本论文的研究 以及今后一定时期的实践，科学将代替纯经验，客观将代替随心所欲，可靠而有效的计算将可能代替劳民 伤财的现场承载试验。 1 3 人工神经网络应用 众所周知，尽管事物的各种表现或内在属性有其确定性，但由于观测手段和科研水平所限，在科学发 展的一定水平上人们对这些属性的认识常带有模糊性。为了描述并分析自然界及人类社会中的各种模糊事 物，人们就要探索能表现事物模糊性的新的数学工具。人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是2 0 世纪8 0 年代末迅速发展起来的一门新的学科分支。人工神经网络引入了人脑思维中不确定性思维、反馈 思维和系统思维的优点，在短短的几十年时间里，神经网络研究异军突起，进入了空前活跃的时期，成为 信息科学、脑神经科学和数理科学等研究的“熟点”，在自学习、非线性动态处理、自适应识别等方面显 示出极强的生命力。人工神经网络是基于模仿生物大脑的结构和功能构成的一种信息处理系统，它由多个 1 f 常简单的处理单元彼此间按某种方式相互连接，靠系统本身的状态对外部输入信息的动态响应来处理信 息。人工神经网络与人类的大脑相似，其结构和处理顺序都是并行的。神经网络方法能够向不完全、不精 确并带有强噪声的数据集学习，具有很强的容错能力。如果学习得当，能够从有限的、有缺陷的信息中得 到近似最优解。神经网络具有多种结构，提供了揭示复杂系统的相关关系的途径。神经网络具有弥补信息 不全的能力。它进一步鼓舞人们根据对工程的局部信息的认识，采用非理想数据，寻找出一种有效的确定 桩体力学参数的分析方法。 目前，许多领域的学者和专家对人工神经网络高度重视，并积极开展了大量研究工作。刘勇健( 2 0 0 0 ) 研究用神经网络方法预测高速公路软土地基的最终沉降量，输入节点分别为：处理方式、软土层厚度、地 表硬壳层厚度、软土的压缩模量、硬壳层压缩模量、路堤宽高比、施工期和竣工期沉降量，以路堤中线f 地表最终沉降量作为网络的输出，通过对5 条高速公路的8 0 路段的软土地基实测资料对网络进行训练学 习，将输出值和实测值进行对比后发现，该网络模型不仅拟合效果好，计算精度高，预测性能也很好。冯 仲仁、朱瑞赓( 2 0 0 2 ) 研究了基于神经网络的高速公路软基处理方案决策模型输入节点分别为填土高度 和软土厚度，以不同软基处理方法作为输出结果。凌国智( 2 0 0 2 ) 研究了深层搅拌桩复合地基承载力的三 层神经网络模型，输入节点分别为：桩长、水泥掺入比、置换率、桩端土层承载力标准值以及土层含水量、 重度、凝聚力、内摩擦角、弹性模量，利用训i 练好的网络模型进行复合地基承载力预测，经与设计值对比， 证明网络模型输出结果更为合理，更为接近实际情况。此外，季天剑( 2 0 0 2 ) 利用神经网络较好地模拟了 路面使用性能的关系。姚志立( 2 0 0 0 ) 采用神经网络方法建立了基层弯沉与压实度、厚度、强度三个指标 之间的关系。朱中( 1 9 9 8 ) 运用b p 神经网络精确地预测了交通流的变化。吴大宏( 2 0 0 2 ) 建立了基于遗 传算法与神经网络的桥梁结构健康监测系统研究。李守巨( 2 0 0 0 ) 研究了基于神经网络的混凝土大坝弹性 参数方法。黄全义( 2 0 0 2 ) 应用神经网络进行大坝变形预报与分析，同时指出对于大坝各观测点不同的观 测项目，均可建立相应的b p 网络模型，并可作为大坝安全监测专家系统的一个组成部分。 7 一查塑查兰堡主兰垡笙壅 i 4 本文的研究内容 粉喷桩作为一种新的地基处理方法，虽然已经广泛应用于实际工程中的地基处理，但是其应用也存在 不少问题亟待解决。本文研究将以试验为依据，结合工程实践分析粉喷桩的沉降、承载力及荷载传递规律， 并对粉喷桩参数反分析的b p 网络模型进彳亍研究和探讨。 1 试验研究 试验部分是本文的重要内容，它对粉喷桩的研究起着至关重要的作用，数值计算的正确与否只能通过 试验来验证。因此，本文在进行理论和数值计算的同时，通过现场试验，以期对粉喷桩的受力特性有一个 比较客观可靠的探索和说明。试验内容为沿江高速公路常熟段k 7 7 + 4 8 8 k 7 7 + 5 3 0 粉喷桩处理段现场静 载荷试验。 2 计算机模拟粉喷桩单桩及单桩复合地基的荷载传递特性 众所周知，有限元数值计算方法在岩土工程中己得到了日益广泛的应用。但是，应用有限元法研究岩 土工程中关于结构物与土的共同作用的问题仍然是不成熟的。这涉及到桩、土的本构模型的选取，边界条 件的模拟，以及对土作为一种性质很不均匀的材料的考虑。本文拟在简化其它非主要因素的条件下，对粉 喷桩复合地基荷载传递特性的主要影响因素作一个初步的研究，详见第三章。 3 粉喷桩复台地基弹塑性位移反分析的b p 网络模型 由于岩土工程介质结构十分复杂，仅凭勘探与试验，难以全面准确地反映实际情况。因此，利用实测 资料来反演岩体或结构内在属性的方法，有着十分重要的意义。本文尝试采用神经网络方法，对粉喷桩材 料参数进行反分析，对神经网络的设计及各参数的选择等方面进行初步的研究。详见第四章。由于时间所 限，不可能作非常深入的研究，希望能起到抛砖引玉的作用。 一蔓三量塑堕垫堡鱼些苎望堑堕竺! 塑 2 1 概述 第二章粉喷桩复合地基现场试验研究 本次试验位于“沿江高速公路”江阴至太仓段常熟三标( k 7 7 + 4 8 8 k 7 7 + 5 3 0 ) 软土地段，采用粉喷 桩进行加固，桩长9 o m ，桩径0 5 m 。在粉喷桩施工之前，对该路段进行工程地质勘察，其主要土层的物 理力学性质指标见表2 1 。 表2 1主要土层物理力学性质指标 士 地基 桩周 目土层含水 密度液限塑限塑性e scm容许 土极 云 厚度量w 限摩 名 ( g c m 3 ) ( )( ) 指数( m p a )( k p a ) ( o ) 承载力 称 ( m )( ) 阻力 ( k p a ) ( k p a ) 咂 1 0 2 93l9 23 512 061 4 57 2 53 01 051 2 03 5 粘 l _ 6 土 淤 泥 l4 质 58 4 l617 93 9 ：32 181 7 56 3 31 93 67 02 0 粘 土 亚 粘 5 5 2 7 320 14 362 32 0 68 43 0 10 2 6 06 0 7l 土 通过现场静载荷试验，首先是检测三合同段的施工质量，确定粉喷桩复合地基承载力f s p , k 及桩土应力 比n 等重要设计参数，为软土地基粉喷桩复合地基的强度验算和变形预测提供数据，并验证该段软士地基 人工加固的效果。现场试验的主要内容如下： ( 1 ) 软土段粉喷桩复合地基浅层静荷载试验 静载荷试验包括：粉喷桩的单桩静载荷试验，编号以字母p 开头；粉喷桩复合地基载荷板试验，编号 以字母p s 开头；浅层地基土的载荷板试验，编号以字母s 开头。本次试验中，静载荷试验的类型、编号 与桩号，参见表2 2 。 复合地基静载荷试验位置的选定是根据打桩记录和现场情况综合选定。试验中最大加载量的配置，按 复合地基设计承载力2 倍进行，即单位面积上的最大加载量为1 5 0 k p a x 2 = 3 0 0 k p a 。同时，试验中应尽可能 加载到极限。 ( 2 ) 桩土应力比h 的测试 在复合地基的载荷板试验的加载过程中，根据试验设计方案，板与地基之间预先埋至了多只土压力盒， 载荷板的加载过程中，同步测试板底反力分布，并计算桩土应力n 。 9 一 变堕查堂堕主兰垡笙苎 2 2 静荷载试验概况 ( 1 ) 加载与测试系统 反力架采用压重( 砂袋) 平台反力粱体系，如图2 - 1 所示，试验中加载采用1 0 0 0 k n 和2 0 0 0 k n 千斤 顶加载，试验前，千斤顶由东南大学标定。沉降量观测，采用四只0 5 0 m m 大量程百分表，百分表经南 京市计量测试所标定。 图2 1 现场静荷载试验图例 ( 2 ) 单桩竖向抗压静载荷试验标准 本次试验中，粉喷桩单桩的静载荷试验采用单桩静载荷试验的慢速维持荷载法，按建筑桩基技术规 范( j g j 9 4 9 4 ) 附录c “单桩竖向抗压静载荷试验”进行。 ( 3 ) 粉喷桩复合地基载荷板试验标准 本次试验中，粉喷桩复合地基静载荷采用载荷板加载试验的慢速维持荷载法，按建筑地基处理技术 规范( j g j 7 9 9 1 ) 附录一“复合地基载荷试验要点”进行。 ( 4 ) 地基浅层载荷板试验标准 本次试验中，桩间土、原状土静载荷试验按建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 附录c “浅 层平板载荷试验要点”进行。 ( 5 ) 试验方法 粉喷桩单桩静载荷试验：试验分十级加载，首级为1 级、2 级之和，卸载分五级卸载至零。粉喷桩 单桩、三桩复合地基载荷试验：试验分八级加载，卸载分三级卸载至零；桩间土、原状土静载荷试验：加 载分八级进行。 试验加载采用压重平台反力梁装置。即由二道承重墙，一片钢主梁，三片钢次梁组成的反力架体系。 试验时配重物一次加上，并均匀稳固地放置于平台上，平台由承重墙托起三片钢次梁，钢次粱上放 置1 4 # 槽钢，槽钢上堆放黄砂袋。 单桩试验桩项采用中5 0 0 m m 钢结构载荷板：单桩复合地基采用中1 0 5 0 m m 钢结构载荷板；三桩复合 地基采用中1 8 2 0 m m 钢结构载荷板：桩间土、原状土采用中1 0 5 0 r a m 钢结构载荷板。 加载时由试桩上荷载板顶面的油压千斤顶出力，将反力传递给主梁，通过主粱传递给三片次梁，然 l o 坠童塑堕壁堡鱼些苎翌塑堕堕至蜜 后传递给平台上的配重物。 2 3 静载荷试验成果分析 2 3 1 根据p s 曲线确定单桩承载力 现场静荷载试验成果见表2 3 。由现场实测数据绘制的单桩p s 曲线如图2 - 2 所示。 图2 - 2 典型的单桩p s 曲线 根据建筑桩基规范( j g j 9 4 9 4 ) 附录c - 单桩竖向抗压静载荷试验，分析单桩承载力如下： p l ：p - s 曲线呈陡降型，卸载回弹29 。当加载至3 0 0 k n 时，桩顶沉降急剧增大，累计沉降达 5 23 2 i m ，且尚未稳定。因此，取前一级荷载q 。= 2 8 0 k n 为单桩极限荷载，取安全系数为k - 2 ，可 得到单桩承载力容许值为r k = 1 4 0 k n 。 p 2 ：p s 曲线呈陡降型，卸载回弹8 2 。当加载至2 4 0 k n 时，桩顶沉降急剧增大，累计沉降达 5 17 3 m m ，且尚未稳定。因此，取陡降起点所对应的荷载q = 2 0 0 k n 为单桩极限荷载，取安全系数 为k = 2 ，可得到该单桩承载力容许值r k = 1 0 0 k n 。 p 3 ：p s 曲线呈陡降型，卸载回弹41 。当加载至2 1 0 k n 时，桩顶沉降急剧增大，累计沉降达 5 3 9 6 m m ，且尚未稳定。因此，取前一级荷载q 。= 1 8 0 k n 定为极限荷载，取安全系数为k - 2 ，可得 到该单桩承载力容许值为r k = 9 0 k n 。 根据规范建筑地基处理技术规范( j g j7 9 ，9 1 ) 有关深层粉喷桩的规定，粉喷桩单桩承载力的确定， 采用了如下的表达式： 尺；= 吮i a t , ( 2 1 ) = 吼u j + 倒p 郇 ( 2 2 ) 上述表达式大家十分熟悉的，式中的符号不再赘述。根据上述表达式，当考虑设计水泥土的抗压强度 疋“= 1 4 z 阳，采用强度折减系数”= o 4 ，则可以得到r ；= 11 0 盘尸口。同样，当考虑搅拌状桩侧摩阻力 q 。= 8 k p a ，桩端土承载力q 。= 1 0 0 k p a ，并取天然地基承载力折减系数a = 0 5 ，则可以得到 r ? = 1 2 3 k p a 。据此分析，本场地9 m 长粉喷桩( 桩径d = 5 0 c m ) 单桩竖向承载力标准值应为r ；= 1 1 0 k p a 。 如直接取实测结果的数学期望值，则实测结果平均值同样