（岩土工程专业论文）土层和温度变化对湿喷桩及其复合地基影响的研究.pdf

捅要 湿喷桩复合地基是高速公路软基处理中最常用的方法之一，它在含结构物路段、桥义 过渡路段和地质条件较差的特殊路段等处理中发挥着巨大作用。虽然，学术界与工程界 直在对这种复合地基进行不懈的研究和工程实践，然而，由于问题的复杂性、使用条件的 多样性，以及对问题认识的局限性，使得这种复合地基无论在理论研究方面，还是在工程 应用方面都存在许多亟待解决的问题，如地场温度变化对湿喷桩成桩和强度影响、土层物 理力学性质指标变化对湿喷桩成桩和强度影响、高含水量条件下湿喷桩的质量控制问题， 以及湿喷桩复合地基的非线性工程特性问题等。本论文拟以连熊高速公路( 豁城段) 湿i 喷 桩复合地基为研究背景，重点开展地场温度和土层变化对湿喷桩及其复合地基影响的室内 模型试验和分析研究。这些问题的解决对f 确评价湿喷桩复合地基的工程特性，完善湿唢 桩复合地基的理论体系，丌展和健全湿喷桩复合地基试验方法体系的研究，控制施工质量 等均有积极作用，并有着良好的市场应用前景和社会效益。 论文研究的重点是地基土体含水率的变化和环境养护温度的变化对湿喷桩桩体的强度 形成及其质量影响程度之间的变化发展规律研究；并在此基础上研究分析湿喷桩复合地基 由于土层变化对其复合地基位移变形模式的影响作用。 论文的丌展基于模拟工程现场实际的基础上而进行的室内模型湿喷桩复合地基试验。 因此如何准确再现现场湿喷桩的成桩过程及主要环境变量的影响，以及在成桩完成后对湿 喷桩复合地基的主要环境变量的维护保持上，并最终根据不同的现场主要载荷情形及工况 实际从室内模型复合地基经相似理论导出可与现场观测及试验相一致并能相互对比分析 的数据资料。因此大体可将室内试验内容归纳为以下两个方面： ( 1 ) 查看在室内模型试验中，温度变化对湿喷桩成桩和强度影响的宏观变化趋势及微 观的量化特征，以及在湿喷桩成桩过程中对温度的依赖情况；并根据试验成果完善地场温 度变化对湿喷桩成桩和强度影响的理论分析，最终提出地场温度变化对湿喷桩强度影响的 量化指标。 ( 2 ) 在土层变化对湿喷桩成桩质量的研究方面，通过室内试验研究，分析影响湿喷桩 成桩和强度生成的主要因素，针对主要因素进行理论分析和试验研究，了解主要因素变化 对湿喷桩成桩和强度的影响，最终提出土层物理力学指标变化对湿喷桩强度影响的量化指 标，并为工程应用提供配套的设计计算方法。因此，本次模型试验具有很重要的工程实用 背景与较高的相关性。 关键词：湿喷桩、模型试验、桩机设计和制作、温度变化、含水率变化、应 变位移分析 a b s t r a c t w j pc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e d g r o u n d w o r ki m p r o v e m e n t t e c h n i q u e si nt h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o na p p l i c a t i o n s i ti s w i d e l yu s e di nt h es e c t i o n so ft h e h i g h w a yo nb a dg e o l o g i cc o n d i t i o n s a l t h o u g ha c a d e m i aa n de n g i n e e r i n ga r ea l w a y sw o r k i n g h a r do nt h et e c h n i q u ea n di t si n t e r i o rp r o b l e m s ，t h et e c h n i q u ei ss t i l ln e e dt ob ei m p r o v e da n di t s p r o b l e m s a r en e e dt ob er e s o l v e dw h e n f a c i n gt h ec o m p l i c a t e dp r o b l e m s ，v a r i o u sc o n d i t i o n sa n d l o c a l i z a t i o n so fi d e n t i l y i n gt h ep r o b l e m s t h ee s s e n c e so ft h et h e s i sa r et oq u a n t i t a t i v er e s e a r c h o nt h em o d e lw j pa n di t s c o m p o s i t ef o u n d a t i o nb yc h a n g i n gs o i l a n dt e m p e r a t u r ep a r a m e t e r c l i n g i n gt o t h eb a c k g r o u n do ft h ec o n s t r u c t i o no ft h el i a n y a nh i g h w a y , i tc a r ld i s t i l lm o r e p r a c t i c ed a t a ，m o r ea s s o c i a t i o n a li n f o r m a t i o na n d m o r e c o m p a r i n gm e t h o d s o fa n a l y s i s t h ee m p h a s i so ft h ep a p e ra r ef o c u s i n go t h er e s e a r c ho ft h em o d e lw j pc o m p o s i t e f o u n d a t i o n sd i s p l a c e m e n tm o v e m e n t sr e s u l t e di nt h es o i lc h a r a c t e r sc h a n g i n ga n dt h em o d e l w j pn o n ，c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t hv a r i e t yb y c h a n g i n g s o i la n dt e m p e r a t u r ep a r a m e t e r s v i at h ei n d o o r sm o d e lt e s t ss i m u l a t i n gt h er e a l i s t i cp r o j e c t s ，t h ec o r e so f t h et e s t sa r ee x a c t e m e r s i o no ft h ep r o c e s so f m a k i n gp i l e sa n d t h ee n v i r o n m e n t so ft h ew j p c o m p o s i t ef o u n d a t i o n b a s i n g al o to fd i f f e r e n ti n d o o rm o d e lt e s t sa n dt h es i m i l a rt h e o r y ，r e s e a r c hc a l la t t a i nt h eg i s to f c o n t r a s ta n da n a l y s i so nt h em o d e la n dp r a c t i c eb o t hs i d e s n o wl i s tt h ek e yw o r k so ft h ea r t i c l e b e l l o w ： ( 1 ) s u r v e y i n gi n d o o rm o d e lt e s t s ，t e m p e r a t u r ec h a n g e t ow e tt o g u s ho u t b e c o m ea n d m a c r o s c o p i c a lv a r i a t i o nt e n d e n c ya n dq u a n t i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f m i c r o c o s m i ct h a ti n t e n s i t y i n f l u e n c e ，a n di n w e tt o g u s h o u tb e c o m eac o u r s er e l i a n c es i t u a t i o nt ot e m p e r a t u r e ；a n d a c c o r d i n gt ot e s ta c h i e v e m e n tp e r s o nw h oi m p r o v ef i e l dt e m p e r a t u r ec h a n g et ow e tt og u s ho u t b e c o m ea n dt h e o r yt h a ti n t e n s i t yi n f l u e n c ea n a l y s e ，p r o p o s et h eg r o u n df i e l dt e m p e r a t u r ec h a n g e t og u s h i n go u tt h eq u a n t i z a t i o ni n d e xo fai n t e n s i t yi n f l u e n c ew e t l yf i n a l l y ( 2 ) t og u s h i n go u tar e s e a r c hw h i c h b e c o m e saq u a l i t yw e t l yi nt h es o i ll a y e rc h a n g e ，p a s s i n d o o re x p e r i m e n t a ls t u d y , i si ti n f l u e n c ew e tt og u s ho u tb e c o m ea n dm a i nf a c t o rt h a ti n t e n s i t y t u r ni n t o ，c a r r yo n t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y t om a i nf a c t o rt oa n a l y s e ，i ti sm a i nt o b eu n d e r s t a n db yf a c t o rc h a n g et og u s h i n go u tb e c a u s et h e r ea r e n t ，p r o p o s i n gt ot h ew e tt ol a s t o fq u a n t i z a t i o ni n d e x ，i n t e n s i t yo fi n f l u e n c es o i ll a y e ri nm e c h a n i c si n d e xc h a n g ef o rt h e p h y s i c s e sf i n a l l yw e t ，o f f e rt h er e l a t e dd e s i g nc o m p u t i n gt e c h n o l o g yf o rt h ef a c tt h a tt h ep r o j e c l i s u s e d s o ，t h i sm o d e lt e s th a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a lb a c k g r o u n do fp r o j e c ta n dh i g h e r d e p e n d e n c e k e yw o r d s ：w j p , m o d e ll e s t ，m o d e lw i p m a c h i n ed e s i g na n dm a d e ，t e m p e r a t u r ec h a n g i n g ，w a t e l r a t i o c h a n g i n g 学位论文独创性声明： 本人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， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同 事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访 意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：年月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名)年月 日 第一章，绪论 第一章绪论 第一节概述 湿喷桩复合地基是高速公路软基处理中最常用的方法之一，它在含结构物路段、 桥头过渡路段和地质条件较差的特殊路段等处理中发挥着巨大作用。虽然，学术界与 工程界一直在对这种复合地基进行不懈的研究和：程实践，然而，由于问题的复杂性、 使用条件的多样性，以及刑问题认识的局限性，使得这种复合地基无论在理论研究方 砸，还是在工程应用方瓯都有许多亟待解决的问题，如地场温度变化对湿喷桩成桩和 强度影响、土层物理力学性质指标变化刘湿喷桩成桩和强度影响、高含水量条件下湿 喷桩的质量控制问题，以及湿喷桩复合地基的非线性工程特性问题等。本论文以连赫 高速公路( 盐城段) 湿喷桩复合地基为研究背景，重点丌展地场温度和土层变化对湿 喷桩及其复合地基影响的室内模型试验和分析研究。这些问题的解决对正确评价湿喷 桩复合地基的工程特性、完善湿喷桩复合地基的理论体系、开展和健全湿喷桩复合地 基试验的方法体系研究、控制施工质量等均有积极作用，并有着良好的市场应用前景 和社会效益。 第二节湿喷桩复合地基应用 我国沿海地区和部分内陆地区广泛分布着海相、湖相以及河相沉积的软弱粘性土 层。这类土层具有含水量大、压缩性高、强度低、透水性差等特点。在这种地质条件 下修筑高速公路，若不处理地基在路堤荷载和竣工后的交通荷载作用下将会产生相当 大的总体沉降和差异沉降，而且稳定过程时间长，对高速公路的建设和正常使用都会 产生不利的影响。大量的工程实践证明，软土在稳定性和变形方面往往不能满足工程 建设的要求，通常需要采取一定的处理措施来达到增强稳定性和控制沉降的目的。目 前，在软土地区建造高速公路，对软土层较厚的地基，一般采用复合地基处理方法如 深层搅拌桩、碎石桩、砂桩等和排水固结处理方法如堆载预压、真空预压等。采用排 水固结法加固软基，尽管费用较低，但有时因工期的限制而不褥不舍弃。因此，在许 多情况下，采用费用适中且施工便捷的复合地基处理方法如深层搅拌桩( 湿喷法或干 喷法) 就成为在软土地区建造高速公路和对软基进行加固处理的合理选择。 本文主要研究复合地基处理方法中的湿喷桩复合地基处理方法，混喷桩加固软卜 地基的基本原理是：用水泥浆、高分子化学浆等其他可固化液体材料作为固化剂，通 河海大学- 硕- l 论文 过湿喷桩机用压缩空气将固化剂呈环形发散状喷入地基中，凭借桩机钻头的强制搅拌 与原状软土地基充分拌和，进而通过与周围软土聚集、黏合以及一系列物理化学作用 生成种特殊的具有整体性强、较高强度、较好变形特征和水稳定性的混合柱状体， 从而提高了地基的承载能力，减少了地基的沉降量。 湿喷桩加固软土地基法适用于天然含水率在1 0 7 5 的淤泥质土、粘性土、粉 土、亚砂土、杂填土等地基的加固；尤其对于各种等级的道路路基，高速公路地基， 中、小桥桥头地基处理，过水过车涵洞地基的处理更为有效。 第三节湿喷桩复合地基的模型试验和研究现状 目前，温喷桩复合地基的研究手段主要有四种：原型观测、静载试验、数值分析、 模型试验【2 j 。而在湿喷桩复合地基的研究文献中，前三种研究手段和方法介绍的内容 比较丰富，即原型观测、静载试验和数值分析在工程应用出现频率较高。然而，影响 湿喷桩复合地基的承载和变形特性的因素非常复杂，如成桩工艺、地质条件、环境温 度等。因此，有必要对单桩和群桩的承载和变形特性进行更深入研究，改变设计往往 依赖于工程类比和工程经验的不足。 原型观测和静载试验是设计和确定湿喷桩复合地基承载力、研究其承载变形特性 撮直接、最可靠的方法；并且是验证模型试验和数值分析合理性的手段，但由于这些 试验都只能针对正在进行或已施工的桩，因而对全面了解复合地基的各项特征及对各 边界、初始等问题的合理简化都较困难，且试验周期长、耗资巨大，因此仅应用于较 少的重要工程中。弹性理论法、荷载传递法、剪切位移法、有限单元法、边界单元法、 混合法等桩基数值分析方法，是研究分析湿喷桩复合地基特性的一种便利而花费较少 的方法，但其精度主要依赖于模拟桩土相互作用、成桩工艺、土体特性等因素，对 湿喷桩复合地基承载变形特性影响的准确性和合理性较低。 而模型试验可以根据需要较精确的设定和控制边界条件、桩土材料特性，在研究 桩土相互作用时具有较强的针对性和目的性，获得的信息远比原型观测和静载试验 多，还可用来验证数值模拟分析，准确定量分析地基的应力与应变及对其变形全过程 的模拟。但出于桩土特性本身及其影响因素的复杂性，模型不能完全表征原型的一切 特征。 长期以来，模型试验是科研和工程技术人员研究复合地基加固机理，探讨复合地 基加固效果，丌发新型复合地基技术的重要手段之一。不少学者用室内模型试验，通 旃一章，绪论 过荷载作用方式、砂土密度、桩身表面粗糙度、压浆等因素来研究湿喷桩复合地基的 荷载传递特性和承载变形特性。 许朝阳，周健在文献口j 中，分析了软粘土中静压桩贯入时，引起的土体位移场变 化规律，通过对一些因素加以控制，观测了单桩和有邻桩存在时，土体的侧移和隆起 规律，得出邻桩的存在对挤土带来的应力和位移起到了“屏障”作用。故实践中，遵 循由近及远的施工方法，可明显减少对被保护建筑的影响。 章连祥，陈竹昌在文献【4 】中，通过初始静载试验、循环荷载试验和循环荷载后再 加载试验，分别探讨了侧向荷载大小、频率、循环次数和侧向荷载历史等因素的影响， 得出了粘性土中沿桩身不同深度的p y 曲线。 谭国焕，张佑启，杨敏在文献【习中，把桩周表面不同粗糙度的三根模型桩置于砂 箱中，来研究松砂土中桩侧表面粗糙程度对桩承载力的影响。 赵明华，候运秋，曹善仁在文献【6 】中，以铝管在砂箱内进行了不同倾角的倾斜荷 载作用下的室内模型桩试验，建立了倾斜荷载下确定极限承载力的经验公式，具有一 定的参考价值。 周国庆，杨维好在文献【7 1 中，在容器中分析饱和中砂融化沉降位移随时间变化的 关系，从而，研究单桩负摩阻力与融沉位移的关系。 徐和，陈竹昌在文献【8 1 中，采用不同砂土干重度，在室内钢圆筒中进行了模型单 桩的轴向抗拔力的模型试验，由此获得了砂土内摩察角与桩的侧向抗拔系数间的关系 曲线。 庄心善，杨雪强，何世秀在文献1 9 j 中，进行了压浆桩与非压浆桩的模型试验，研 究分析了砂粘土地基中钻孔灌注桩桩侧压浆、桩端压浆及桩侧桩端联合压浆对提高桩 基承载力及改善承载性能的影响。试验结果表明，灌注桩后压浆能改善桩的承载性能， 减小沉降，提高桩的承载力。 刘云云，陈竹吕，刘利民等在文献1 中，进行了受竖向力作用的7 组嵌岩桩高桩 承台模型试验，实测结果表明，各桩桩项轴力分布和桩顶弯矩分布，不仅取决于作用 在承台上荷载的大小，而且，在很大程度上还取决于承台顶面外荷载的局部分布。这 不同于地基系数法( m 法) 计算分析群桩的桩顶轴力的分布，仅同作用于承台顶面的外 竖向力和弯矩的大小有关，说明需将该承台按弹性承台来进行计算分析。 关于复合地基室内物理模型试验的其他方面一3 1 。例如：碎石桩复合地基模型试 验，周成等采用直径2 5 o m m ，长8 0 o m m 的塑料管，充填粉煤狄制成桩体：采用扦 河海大学硕士论文 插成孔的方法制成桩径2 5 0 m m ，桩长4 0 0 e m 的模型碎石桩，研究探讨了碎石桩对软 粘土地基中桩基础的加固效果，提出考虑桩一土一承台共同作用的极限承载设计方 法。 另外南京水科院孟广训等人【h 一6 】在室内进行了碎石桩模型试验，将碎石桩置入粉 质粘土中，通过在桩身的不同深度的截面和侧面埋设压力传感器，测得不同深度的轴 向应力和径向应力，发现表面荷载沿桩的深度迅速衰减，当深度h = 3 d ( d 为桩径) 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，此结论也可出h u g h e s 和w i t h e r s 所做的试验 得到验证，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侧向位移的阻力随深度的增大而增大。 对于加筋地基模型试验，胡幼常在1 9 9 6 年进行了土工格栅加固道路软基的平面 应变模型试验。试验在一净空尺寸为长宽高：8 0 c m x 2 6 c m 6 0 e m 的试验箱中进 行，并采用读数显微镜观测了荷载作用下软基的位移场。 吴慧明、龚晓南【1 7 叫8 1 在2 0 0 1 年进行了刚性基础与柔性基础下复合地基模型试验 的对比研究，指出剐性基础和柔性基础下复合地基桩土应力比及其发展规律和复合地 基破坏机理都不相同：刚性基础作用下桩体首先进入极限状态丽破坏，柔性基础下上 体首先进入极限状态而破坏。 西南交通大学的苏谦、蔡英、曹新文、罗强和薛双纲进行了土工格栅、格室加筋 砂挚层加固基床的大模型试验并进行了承载力、抗变形能力和动应力分析。在土工袼 室和土工网加固基床效果静态模型试验中通过对比发现，土工格室在提高基床刚度和 强度方面具有明显效果。在静载试验的基础上，进行了定荷载、定频率、百万次重复 加载试验，然后进行变荷载、变频率的动荷载试验，通过这两部分试验，了解动荷载 对塑性变形的影响，以及基床动应力分布和铺设土工格室后的动应力衰减情况。 上海铁道大学在淮南线整治路基病害过程中实测了基床土动应力和土工格室动 应变，测得基床面下o 2 5 m 处动应力值。 方卫民等采用不同高度的土工格室整治路基病害并通过对路基动应力扩散规律 的观测提出了路基换填厚度的简单换算方法。 通过对上述室内各种桩体和复合地基模型试验分析总结可以看出，这些模型试验 主要研究了各种复合地基的承载力、复合地基的承载力变形机理及承载变形特性、桩 基复合地基加固效果以及桩基复合地基加固影响因素等方面，并且在检验现有的各类 第一章，绪论 复合地基沉降和承载力计算公式、探讨各种复合地基的旄工工艺方面做出了重要贡 献。但是，以上各类复合地基中桩体的制作几乎都不是在模型地基内部完成的，即： 这些桩体的成桩过程与现场原型桩体的成桩过程不同，它们都是某种桩体的替代品或 者是预制桩体，这样它们在模拟现场复合地基的有关承载力、复合地基沉降、桩土协 调变形规律、复合地基加固以及复合地基加固影响因素等方面时，必然要忽略许多不 可人为控制的变量参数而抓住主要的影响因素，这样做的好处是使得模型试验结构简 单、流程短小、试验过程可控性强、试验费用减至最低，但相应的弊端也随之产生， 如：研究的主要目标与实际生产实践中的规律没有多大的匹配性，试验中相关副成果 的衍生可能性小，试验成果不易直接转化为可对生产实践起指导意义的规律规范。同 时由于存在着先天不足，导致根本无法与实际现象对比的内再不足。虽鉴于此，然上 述部分试验研究具有以下共同点： 模型试验中各个相关物理量的参数设计大多凭经验进行，取值随意性较大，参 数选择的根据以及各个参数之问的内在联系大多根据试验室条件而非试验本身的要 求来决定； 试验研究主要集中在模型试验结果的分析，试验前对所要模拟的对象和模型试 验本身的性质和特点研究较少； 对于试验结果的可靠性和试验结果是否与工程实践中的现象是否具有相似性 ( 一致性) 没有进行深入研究。多数试验者不假思索的认为试验结果可以推广到实际 工程中去。 本文认为，要使模型试验结果对实际工程具有可推广性，试验中的现象与实际工 程相似，模型试验所揭示的复合地基作用机理以及破坏机理与实际工程相一致，则模 型试验必须遵循一定的准则，即模型试验应在相似理论的指导下进行。 第四节开展土层和温度变化对湿喷桩成桩质量影响研究的价值 本文的研究重点主要放在地基土层的变化和环境影响温度的变化对湿喷桩桩体 的强度形成及其质量影响程度之间的变化发展规律：并在此基础上研究湿喷桩复合地 基关于地基土体含水率变化对其复合地基地场位移变行模式的影响作用的试验研究 和分析。 论文的丌展基于模拟工程现场实际的基础上而进行的室内模型湿喷桩复合地基 试验。因此如何准确再现现场湿喷桩的成桩过程及主要环境变量的影响，以及在成桩 河海大学硕士论文 完成后对湿喷桩复合地基的主要环境变量的维护保持上，并最终根据不同的现场主要 载荷情形及工况实际从室内模型复合地基经相似理论导出可与现场观测及试验相一 致并能相互对比分析的数据资料。因此大体可将室内试验内容归纳为以下两个方面： ( 1 ) 查看在室内模型试验中，温度变化对湿喷桩成桩和强度影响的宏观变化趋 势及微观的量化特征，以及在湿喷桩成桩过程中对温度的依赖情况；并根据试验成果 完善地场温度变化对湿喷桩成桩和强度影响的理论分析，最终提出地场温度变化对湿 喷桩强度影响的量化指标。 ( 2 ) 在土层变化对湿喷桩成桩质量的研究方面，通过室内试验研究，分析影响 湿喷桩成桩和强度生成的主要因素，针对主要因素进行理论分析和试验研究，了解主 要因素变化对湿喷桩成桩和强度的影响，最终提出土层物理力学指标变化对湿喷桩强 度影响的量化指标，并为工程应用提供配套的设计计算方法。因此，本次模型试验具 有很重要的工程实用背景与较高的相关性。 第五节本文研究工作的主要内容与思路 本文的写作思路可以归纳为如下结构：根据课题背景提出本论文的研究方向，从 开展土层物理力学性质和土体含水率的变化以及地下环境温度的变化对湿喷桩桩体 形成强度的影响范围展开试验和研究，在本文第五章中叙及有关湿喷桩复合地基内部 位移场的变化形式研究看似与本文的求解目的不相符和，但事实上却是以研究湿喷桩 复合地基内部位移场的变化形式作为研究湿喷桩桩体强度形成的影响范围的切入点， 以求多角度、多体系开展研究分析。 在把握本文主旨的基础上，文章随后从室内模型湿喷桩及其复合地基的设计、讨 论、制作丌始，研究和制作了监测模型地基内部位移变形的测试系统，由此基础上进 行了室内湿喷桩成桩试验，并根据模型地基内部位移变形的测试系统取得了第一手关 于湿喷桩模型复合地基内部的大量关于各层土层沉降和侧向位移的变形位移数据，为 进一步研究湿喷桩及其复合地基的各种工程力学特性提供了一条别样的途径和相关 理论推导的参数依据。而后重点研究了模型地基土体的含水率变化和环境养护温度的 变化对湿喷桩桩体无侧限抗压强度的影响分析，得出了一组有关土体含水率变化和环 境养护温度变化对湿喷桩成桩桩体的影响关系曲线，总结得到对于湿喷桩成桩的最优 土体含水率和环境养护温度的参数指标。 另外从本文目录编排上，已经可以清楚的反映出本硕士论文的写作内容。出相似 第一章，绪论 理论牵头，以湿喷桩室内成桩机的设计与制作为先导：文章围绕湿喷桩桩体的成桩质 量( 主要关注湿喷桩无侧限抗压强度指标的变化形式) 及其复合地基的地下全场位移 变形模式的发生发展情况；本文进行了地场位移监测系统的设计与制作、模型地基土 制备和室内大型湿喷桩成桩模拟试验以及土层( 主要研究地基土体的含水率变化情 况) 和温度变化对湿喷桩桩体强度的室内试验；在这些试验的基础上，本文还进一步 深入计算与分析了湿喷桩复合地基成桩过程中，地基内部各层的侧向位移变形发展状 况，以及地基内部各层的竖向沉降位移变形发展状况，通过数掘纵横向的对比观察， 并进行必要的分析说明，有助于对湿喷桩复合地基的深入了解；通过对土层和温度变 化对湿喷桩桩体强度的室内试验，文章较为详细的分析了其各种曲线形式的内在凼 素，由于关于开展土层和温度变化对湿喷桩桩体强度的影响研究的文献或试验并不多 见，因此，本文在这一方面上的试验和研究工作为后人的研究思路和研究的方式手段 提供较全面的依据，且有较高的参考价值。 主要工作： 1 、在掌握湿喷桩现场成桩流程及工艺的前提下，实现在室内模拟地基的条件下 进行如何钻孔、压浆、成桩一次自动完成，并可多次反复利用的设备设计、制作过程 以及设计规划相关设各的选择和实验人员的操作流程。 2 、在了解现场公路沿线的土层地质分桁隋况后，合理运用相似理论及其相关规 律、准则，实现将现场士样重塑，成为可有规律得出施工所需参数的实验模拟地基土。 3 、结合现场湿喷桩的有关参数，合理制定室内成桩计划，将室内模型桩的质量 水平稳定在与现场湿喷桩质量可比的基础上。 4 、紧扣本课题的创新点：“根据高速公路软基处理特点，从地场温度变化和土层 物理力学指标变化与湿喷桩成桩质量和桩体强度的关系入手，提出影响的量化指标和 力学模型”；将湿喷桩随土层变化与地温变化的条件明细化，进行量化实验，并对个 重要变量的选取进行单一化处理。 5 、得出在湿喷桩成桩过程中，环境温度和土层变化( 重点考察土体含水率等) 对桩体质量的关系曲线状况。 河海大学顼l j 论文 第二章试验设备研制和相似理论运用 第一节概述 现有深层搅拌桩( 包括湿喷桩) 及其复合地基的室内模型试验研究中，模拟深层 搅拌桩的桩体介质材料都是预先制成的柱状体或是某些混和轧制材料，而至今没有文 献记载、论叙采用与现场湿喷桩成桩工艺、方法、流程制各相似的水泥现浇湿喷桩。 而本次试验的特点就在于室内湿喷桩桩体成桩过程完全模拟现场的成桩过程。这样全 面苛刻的室内试验模拟是为了更深入的研究湿喷桩在成桩、养护、受荷等不同工程条 件下湿喷桩桩体及其复合地基的各种工程力学特性及变形位移发展机理。因此这套颇 费成本制作的可完全再现现场情形的室内大型成桩机械和桩体成桩环境的室内试验 装置是完全有实际价值的科研设备；此套装置可保证各项作业功能能够顺利实施，同 时还具备实用、可靠、稳定和简洁等特性。 第二节相似理论及其在桩机制作中的运用 2 1 相似理论简介 相似理论是说明自然界和工程中各种相似现象相似原理的学说，其理论基础是关 于相似的三大定理。一百多年来，人们以相似理论为指导，在探索自然规律的过程中， 已经形成了一种具体研究自然界和工程中各种相似现象的新方法，即所谓“相似方 法”。对“相似方法”可以这样定义：“相似方法是一种可以把个别现象的研究结果， 推广到所有相以的现象中去的科学方法。”因此，不难反过来理解：相似方法同时也 是现象模拟方法的基础。所谓的模拟，一般情况下是指在实验室条件下，用缩小的( 特 殊情况下也有放大的) 模型来进行现象的研究。这里又引出了“模型试验”的概念。 模型试验是相似方法的重要内容，在近代科学研究和设计工作中，起着很重要的作用。 从相似理论的角度出发，有位德国学者葛兰麽费( g l e n nm u r p h y ) 定义“模型” 如下：“模型是与物理系统密切有关的装置，通过对它的观察或试验，可以在需要的 方面精确地预测系统的性能。”这个被预测的物理系统，通常叫做原型。根据这个 定义，为了利用一个模型，当然有必要在模型和原型之间满足某种关系，这种关系通 常称为模型设计条件，或系统的相似性要求。 由此可见，相似理论与模型试验的关系是十分密切的，是整个问题的两个组成部 分，二者相辅相成，相得益彰，促进了相似理论整门学科的发展。 8 第二章，试验设各研制及其相似理论运用 2 2 相似理论的三大定理 l 、相似第一定理( 相似正定理) 相似第一定理可以表述为：对于相似的现象，其相似准则的数值相等。这一原理 实际上是对相似现象所具有的相似性质的一种说明，即现象相似的必然结果，包含以 下四个方面的涵义： 相似现象能为文字上完全相同的方程组所描述； 用来表征这些现象的一切物理量在空州相对应的各点和在时矧上想对应的各 瞬间各自互成一定的比例关系； 相似现象必然发生在几何相似的对象里； 由于相似现象的一切量各自互成比例，而同时由这些量组成的方程组又是相 同的，所以各楣似常数不能任意选择，它们要服从于某种自然规律的约束。 2 、相似第二定理( 相似逆定理或模化法则) 相似第二定理研究的是相似条件的问题，是一切模型试验应遵循的理论指导原 则。因模型中出现的现象必须相似于实物( 原型) 中的现象，这种相似条件有： 由于相似现象是服从于同一自然规律的现象，这是现象相似的第一个必要条 件； 单值条件相似，这是现象相似的第二个必要条件，包括以下几个方面： ( 1 ) 几何条件相似，即参与过程的物体的几何形状和大小应作为单值条件提 出并满足以下关系式： 玉l ：上址：且l ：c 。边y j ；! f2 边 ( 2 1 ) ( 2 ) 介质条件相似( 物理条件相似) ，即： 寺嘞，告1 詈 协：、 ( 3 ) 边界条件相似； ( 4 ) 初始条件相似：( 如果是稳定问题，则不存在初始条件问题) 由单值条件所代表的物理量所组成的相似准则在数值上相等，是现象相似的第 三个必要条件。 3 、相似第三定理( n 定理) 描述某现象的各种量之间的关系，可表示成相似准则j 1 1 、j 1 2 j i n 之问的函 河海大学硕士论文 数关系。即： f ( 筇1 ，丌2 - - ，玎n ) = 0 ( 2 - 3 ) 相似理论的三大定理由基尔皮契夫( m ：b ；k n p h n e b ) 等人对相似理论进行总 结而提出的，是目前为止对相似理论的量为系统完整的概括。 2 3 相似理论的运用 2 3 1 相似准则的推导 根据模型试验的研究目的，以相似第二j 定理为依据，相似准则的推导方法主要有 定律分析法、方程分析法、量纲分析法三种。 这三种方法都有各自的优缺点和适用条件。其中定律分析法要求对所研究的现象 充分运用已经掌握的全部物理定律并能辨别主次；方程分析法要求能够写出现象的微 分方程；量纲分析法要求全面分析所有参与现象的物理量，写出量纲方程。 量纲分析法是目前应用最为广泛的方法。对于深层搅拌桩( 粉、湿喷桩) 复合地 基的沉降和承载力规律，属于比较复杂的物理现象。参与其中的物理量相当多，目前 甚至没有一个哪怕是统一的经验方程描述，因此既无法采用定律分析法，也无法应用 方程分析法，最终只能采用应用最为广泛的量纲分析法。 量纲分析法的核心是写出量纲方程，首先写出参与现象的各物理量和因次表，如 表2 1 所示。 表2 1 量纲分析物理量弃纳表 物理量符号因次弃纳值备注 桩径 中ll弃纳值= 1 采用、弃纳值= 0 弃川 桩长 ll 1 原型桩k ：1 4 m 桩距dl1 地基k 度 llo 采用地基半幅宽+ 3 有效边界 地基宽度 blo 至少可包含并排的二列桩 地基深度 hl1 土体容重 p f l 。30 含水量n o n e o _ 十体压缩模量e s f l 2l 桩体压缩模量e r , f l 。2 1 1 0 第二章试验说备研制及其相似理论运用 i外载荷 pf1一 i l 地基三向位移量 sl0对应约束较难实现 l l地基温度 tto i 根据表2 1 中各个物理量的取舍情况，由量纲分析的各因素隐式关系可以得出量 纲分析的第一个等式： ，( 西，l ，d ，h ，es ，ep ，p ) = 0 f 2 4 、 其中因次关系式如下： 兀】= l 。1 l “2 l 1 3 l r 4 f l 。3 。5 f l 一3 】。6 i t 。7 ( 2 5 ) 将上式改写成矩阵式为： a x t b 7 = o( 2 - 6 ) 其中： x = x l ，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ，x 6 ，x 7 】 ( 2 - 7 ) i11i13 30i 4 = l o oool11j f 2 8 1 b = 嘲 陋。， 由系数矩阵a 可得：矩阵a 的秩= 2 ，而方程共包含7 个物理量； 再根据量纲分析理论，此题的无因次i t 项个数为：5 = 7 - 2 ； 再根据矩阵a 的秩= 2 ，可得方程组： r x 5 = 一x 6 一x 7 l x l = 3 j 5 + 3 x 6 一x 2 一，3 一x 4 f 2 1 0 ) 令x 5 = 1 ，x l x 4 = 0 可得： n l 一每 陋m 1 - 1 3 l 、l ep 4 , o 1 7 i4 ：迎 p h e p 凡2 j 尹 河海大学硕士论文 2 3 2 模化条件 模化条件是指模型实验时应当遵守的相关准则，模化条件是现象相似的必要条 件； 1 、物理条件相似； 由物理条件相似准则推知，必须使模型所用的材料与原型所用的材料满足以下关系 式： i p 尸 - - ，= 19 矗= l ，知_ 1 ，每= c e ，= 1 , e 矿p 一 陆 式中： 口& p 分别表示原型和模型地基土的湿密度 w & w 分别表示原型和模型地基土的含水率 g & g 分别表示原型和模型实验中的重力加速度 e s & e s 分别表示原型和模型地基土的弹性模量 e 一e p 分别表示原型和模型桩体的弹性模量 根据上式，本次实验中的材料相似必须满足模型桩基材料与原型( 湿喷桩) 材料 完全相同。模型地基土的来源为现场( 原型地基) 取土，考虑到掘取地基土时土体扰 动和含水量的消减，在室内进行模型土体重构时，按现场的土体压实度和含水率进行 人工增补；模型土层分布亦完全模拟现场土层分布情况，并按事先设计的固定比例配 置纵向土层排列。模型桩体的水泥含量比率也与原型( 湿喷桩) 桩体的水泥含量比率 相一致，并在成桩时做到模型搅拌功( 包括：提升速率、搅拌次数、搅拌时间、成桩 速率等) 与现场原型搅拌功相一致。 2 、几何条件相似； 现象相似必定发生在几何相似的空间内，故模型路基的几何形状应与实际路基相 似，主要是路基宽度和软基深度两者的几何相似比相等。成立的条件为： 居 i 2 c b b ” ( 2 1 3 ) 第二章，试验设备研制发其相似理论运用 一h 2 “ f 2 _ 1 4 1 式中： b & b 分别表示原型和模型路基的半幅宽度 h & h 分别表示原型和模型地基的深度 3 、边界条件相似； ( 1 ) 横向柔性边界条件： 复合地基的边界条件主要是横向沿路基两侧的柔性边界条件。在以往有关模型试 验中通常通过设置柔性气囊或者其他办法满足这一条件，本文认为通过预留定宽度 的边界区来满足这一条件更为理想。凶为在实际工程中，路基两侧的柔性边界为无限 远，在模型试验中无法获得与现场完全相同的边界条件，但实际上也没有必要完全一 致，因为根据土体弹塑性力学计算得出的土工建筑物边界设置只需根据实际工程中的 情况，在离建筑物轮廓3 5 倍的尺寸范围设罱一定的柔性变形边界区即可满足计算精 度要求。实际上在这宽裕度内模型桩基变形允许充分发挥，面在这之外的变形延伸 可以忽略不计。 ( 2 ) 纵向平面应变边界条件： 一般情况下，高速公路路基计算可以简化为平面应变问题。在平面应变条件下， 沿路基纵向的位移s ：o ，剪应力t x z2 f 。= 0 ，7 y z 2 7 z y 5 o 。本文利用模型路基 纵向边界为刚性挡板的这一条件来满足原型路基纵向平面应变边界条件。 ( 3 ) 路基底部的下卧层边界条件： 和横向柔性边界条件设置相似，本文认为通过预留一定厚度的下卧边界区来满足 这一条件。因为在实际工程中，路基底部的柔性边界区为无限远，在模型试验中无法 获得与现场完全相同的边界条件，但实际上也没有必要完全一致，因为根据土体弹塑 性力学计算得出的土工建筑物边界设罱只需根据实际工程中的情况，在离建筑物轮廓 3 5 倍的尺寸范围设罱一定的柔性变形边界区即可满足计算精度要求。实际上在这 一宽裕度内模型桩基变形已经允许充分发挥，面这之外的变形延伸可以忽略不计。 ( 4 ) 排水条件： 现实工程中路基的排水条件千变万化，目十分复杂。要做到模型路基的排水条件 与实际工程中的排水条件完全吻合是十分苛刻和困难的，实际上也不可能做到。在实 1 3 河海大学硕士论文 际工程中，如果将软基底面视作非完全不进水面，则要求模型路基下卧层底面非完全 密封( 实践证明无法做到完全密封) ，也可视为基本满足排水条件相似。 ( 5 ) 载荷相似： 在本实验中，模拟载荷的施加大致有两种方式。其一，模拟现场原型单桩静载试 验：在室内模拟中，将事先计量的重物架于湿喷桩桩顶，根据累计重物质量来推算施 加载荷数，最终评定此桩体的单桩静载参数。其二，采用模拟路堤加载方式：相对其 他形式的加载方式葡i 言，模拟路堤加载最能体现柔性路堤荷载作用下的真实工况。载 荷施加方式采用逐级加载，分别模拟路堤修筑和运行的各个时期。 4 、初始条件相似； 模型试验中主要初始条件相似是指应力历史条件相似。一般情况下可认为原型 软基处于自重条件下的正常状态，要使模型路基在自重条件下达到完全正常固结状态 需要较长时间，本文在制作模型路基时将重塑软士静置相当一段时间来尽量模拟这一 条件。 可以看出，由于复合地基的复杂性，要在模型试验中满足所有相似条件是极端苛 刻的，部分条件的满足己相当不易。对此情况唯有通过士工科研人员的经验积累和不 断探索，才能不断完善直到完美。 根据以上模型相似理论的系列推倒，本次模型试验中的相关参数取值将列于表 3 2 。其中湿喷桩桩长、桩径、桩距的几何比尺并未严格按照本次模型试验中的普遍 几何比尺取值，主要是参考以往的文献总结得到： l 、如果桩长、桩径、桩距严格按照试验中的普遍几何比尺取值，并保持模型地 基土