（道路与铁道工程专业论文）粉喷桩加固软基的工程应用与计算分析.pdf

摘要 粉喷桩加固软土路基在工程中应用十分广泛，其目的在于提高路基的稳定性和 控制地基的沉降变形。目前对粉喷桩加固路基变形的计算理论和试验研究虽己取得 了不少成果，但由于粉喷桩复合地基的性状极为复杂，对粉喷桩复合地基的受力变 形机理认识还不足，各种设计参数的不确定性影响因素较多，理论计算成果与实际 结果还存在较大差距。 本文在认真总结水泥搅拌桩复合地基研究成果的基础上，结合工程实践，讨论 了两个具有粉喷桩特色的问题，即：桩土应力比的计算和确定粉喷桩复合地基承载 力方法的探讨。桩土应力比是反映复合地基工作状态的一个重要参数，其取值将直 接影响工程造价及工程安全。由于土体和桩体的实际应力应变关系比较复杂，至今 尚无一个被工程界接受的较完善的计算模式。本文推导了一种考虑桩一土相互作用 下计算桩土应力比的一组解析解，为计算复合地基桩土应力比提供了一种新的思 路，对复合地基设计有一定的参考价值。并通过试验和数据分析，给出了土压力随 填土高度的变化规律和桩土应力比的变化规律，说明土工格栅与砂垫层组成复合褥 垫层，可以提高桩土应力比，分散均化地基应力的效果明显，从而提高整个体系的 承载力，也说明桩土应力比并非一常数，在设计取值时应尽量全面考虑各种因素， 用多种方法试算，合理取值。 其次，总结了目前确定粉喷桩复合地基承载力的方法，分析了这些方法的优劣。 静载试验是传统而又最直接可靠的确定复合地基承载力的方法，根据静载试验得到 的p s 曲线，在按有关规范确定承载力时具有很大的主观性。本文提出确定粉喷 桩复合地基承载力的双曲线拟合法，并通过大量试验数据进行计算、对比分析，指 出双曲线拟合法确定单桩或复合地基承载力不失为一种有效的辅助方法。 最后，从实践中，探讨了粉喷桩复合地基施- - r 矛n 设计应注意的问题和存在的误 区，为进一步开展复合地基的理论和实践研究提供帮助。 关键词：复合地基；粉喷桩；桩土应力比；承载力；设计和施工 a bs t r a c t i no r d e rt oe n c h a n c er o a de m b a n k m e n ts t a b i l i t ya n dc o n t r 0 1s e t t l e m e n td e f o r m a t i o n ， c e m e mi n j e c t i o np i l ec o m p o s i t eg r o u n di sw i d e l yu s e dt or e i n f o r c et h ee m b a n k m e n t c o n s t r u c t i o n do ns o f ts i 0 1 a tp r e s e n t ，s o m eu s e f u lr e s u l to fc a l c u l a t i o nt h e o r ya n dl a t e s t r e s e a r c ho nt h ee m b a n k m e n td e f o r m a t i o nh a v ea c h i e v e d 。h o w e v e r ，t h ec h a r a c t e ro fd j m c o m p o s i t eg r o u n di sv e r yc o m p l e x ，t h em e c h a n i s mo ft h es t r e s s - d e f o r m a t i o nt h e o r yo f d j mc o m p o s i t eg r o u n di s n tt h o r o u g h l yu n d e r s t o o dy e t ，a n dt h en u m b e ro fu n c e r t a i n i n f l u e n c ef a c t o r so fd e s i g np a r a m e t e ri st o om u c ht ob ec o n s i d e r e d s ot h e r es t i l le x i t s m u c hd i s p a r i t yb e t w e e nt h e o r e t i c a lr e s u l t sa n dm e a s u r e dr e s u l t s t h i sp a p e ra s s o c i a t e st h ep r a c t i c ea n dr e s e a r c h e dr e s u l t so fd j mc o m p o s i t eg r o u n d ， t w op r o b l e m st h a th a v et h es p e c i a lf e a t u r e si sd i s c u s s e d ，t h a tc a l c u l a t i n gp i l e s o i ls t r e s s r a t i oa n dm e t h o do fa s c e r t a i n i n gb e a r i n gc a p a c i t yo fc o m p o s i t eg r o u n d t h es t r e s sr a t i o o fp i l e s o i li sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt h a t r e f l e c t st h ew o r kc o n d i t i o no fc o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，a n dr e g u l a t i o no fs t r e s s - d e f o r m a t i o ni sc o m p l i c a t e d ，u pt on o w ，am o r e p e r f e c tc a l c u l a t i o nm o d ei sa c c e p t e db yt h ee n g i n e e r i n gf i e l d i nt h i sp a p e r ，a na n a l y t i c a l f o r m u l af o ra n a l y z i n gp i l e s o i ls t r e s sr a t i ou n d e rt h ei n t e r a c t i o no fp i l ea n ds o i li s d e d u c e d ，i tp r o v i d e san e ww a yf o rt h ec a l c u l a t i o no fp i l e s o i ls t r e s sr a t i oo fc o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，a n di tp r o v i d e sr e f e r e n c et od e s i g nc o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h e nt h r o u g h i n - s i t ee x p e r i m e n t ，t h ev a r y i n gc h a r a c t e r so fp i l e s o i ls t r e s sr a t i oa n dp i l e s o i ll o a ds h a r e r a t i oa r ea n a l y z e d ，t h ea n a l y z i n gr e s u l t sr e f l e c tp i l e - s o i ls t r e s sr a t i oe d u c e sw i t hl o a d i n c r e a s e ，a n dt h er a t i od o e sn o tc h a n g ea f t e ri th a sr e a c h e dm i n i m u mv a l u e ，a n dp i l e n e t c o m p o s i t ef o u n d a t i o n sc a nb eu s e dt om i n i m i z et h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t s o fe m b a n k m e n t so ns o f tc l a yf o u n d a t i o n s a l s oe x p r e s sp i l e s o i ls t r e s sr a t i oa r en o t c o n s t a n t ，s ow ea r ed e s i g n i n gc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，w es h o u l dc o n s i d e rv a r i o u sf a c t o r c o m p l e t e l ya sf a ra sp o s s i b l e ，t r yt oc a l c u l a t ew i t hv a r i o u sm e t h o d s ，t a k e st h er e a s o n a b l e v a l u e s e c o n d l y ，a l lk i n d so fd e t e r m i n i n gm e t h o d sf o ru l t i m a t eb e a r i n gr e s i s t a n c ea r e d i s c u s s e da n da n a l y z e d ，b a s e do nt h ef i e l ds t a t i cl o a d i n gt e s tt od e t e r m i n et h eb e a r i n g c a p a c i t yo fc e m e n ti n j e c t i o np i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sad i r e c ta n dc r e d i b l em e t h o d ， b u td i f f e r e n tb e a r i n gc a p a c i t i e sm a yb eg i v e nb yd i f f e r e n tt e s t e r st h r o u g ht h es a m et e s t p - sc u r v e h y p e r b o l am e t h o dc a nb eu s e dt op r e d i c tt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yi s p r o p o s e d ，ag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t a ld a t ai sc o n t r a s t e da n da n a l y s e d ，t h er e s u l ts h o w s t h a th y p e r b o l am e t h o di sa ne f f e c t i v ea n da s s i s t a n tm e t h o d i nt h ee n d ，f r o me n g i n e e m gp r a c t i c e s ，p r o b l e m sa n dm i s t a k ei d e aa b o u tc o m p o s i t e f o u n d a t i o nf r o md e s i g na n dc o n s t r a c t i o ni si l l u s t r a t e d ，i ti sh e l p f u lf o rf i m h e rt h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lr e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ： c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；c e m e mi n j e c t i o np i l e ；s t r e s sr a t i oo fp i l e s o i l ； b e a r i n gc a p a c i t y ；d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：耋官创 日期：夕年，d 月f 各日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 秀制 导师签名：争哆； 日期：夕年7 吐月7 争侣 日期：加。霹，9 - 月，扩日 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早三百下匕 我国的高速公路己走过大约1 8 年的历程，至今已有4 万多公里的高速公路正在 为我国经济和社会的发展提供着高效率的运输服务。2 0 0 4 年1 2 月1 7 日国务院审议通 过国家高速公路网规划标志着我国高速公路的发展进人了新的历史阶段。规 划确定的国家高速公路网采用放射线与纵横网格相结合的布局形态，构成由中心 城市向外放射以及横连东西、纵贯南北的公路交通大通道，包括7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线，可以简称为“7 9 1 8 n ”，总规摸大约为8 万5 千公 里。铁路也在“跨越式”发展，武广客运专线、京沪高速、西合高速等相继开工建 设。为了适应现代化建设的要求，实现交通运输高效率，高速公路和高速铁路建设 在我国发展很快，技术标准越来越高，对路基工后沉降和工后沉降差控制标准要求 严格，允许工后沉降和沉降差数值小。公路路基设计规范j t gd 3 卜2 0 0 4 第7 6 4 条 给出了地基稳定性与工后沉降控制标准，当路面设计使用年限( 沥青路面1 5 年、水 泥混凝土路面3 0 年) 内的残余沉降( 简称工后沉降) 不满足表1 1 的要求时，应针 对沉降进行处治设计。高速铁路对工后沉降控制标准更为严格，京沪高速铁路 设计暂行规定规定路基工后沉降量不应大于5 c m ，年沉降速率应小于2 c m 年。桥 台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于3 c m ，路基工后定义为基础设施铺轨完成时 的沉降量与最终形成的沉降量之差雎3 。 路基是线状的土工结构物，跨越空间距离大，受地理条件限制，许多路基不可 避免修筑在不良地质地段，特别是在软弱土和不良土地段，主要包括：软黏土、人 工填土、部分砂土和粉土、湿陷性土、有机质土和泥炭土、膨胀土、盐渍土、多年 冻土，岩溶、土洞和山区地基等。例如杭甫高速公路，就有9 5 公里位于软土地基上， 占全长的6 5 。路面宽、路堤高则表明其作用在地基上的荷载大而且作用范围宽， 其结果是在地基中产生的附加应力大、荷载作用影响范围深，不仅使地基可能产生 较大的沉降量，而且沉降持续发展的时间长，尤其是在桥涵与路基连接段产生沉降 差就有可能发生“跳车”现象。众所周知，高速公( 铁) 路在竣工后若路基继续发 生较大的下沉或侧移，不但要花费巨大的经济代价去维修、整治，还影晌正常营运， 甚至由此发生安全事故。日本东海道新干线的设计时速为2 2 0 k m ，由于其在设计中 仅仅采取了轨道的加强措施，而忽略了路基的强化，以至从1 9 6 5 年开始，因为路基 的严重下沉，使路基病害不断，线路变形严重超限，不得不对线路以年均3 0 k m 以上 的速度大举整修，1 ( ) 年内中断行车2 0 0 多次，列车运行平均速度也降到1 0 0 - 1 1 0 k m h 。 从技术和经济方面合理、有效地控制路基沉降，保证道路交通安全和快速运营，近 年来复合地基在我国高等级公路建设中得到广泛应用，复合地基理论研究和工程实 践日益得到重视。1 9 9 6 年中国土木工程学会土力学及基础工程学会地基处理学术委 员会在浙江大学召开复合地基理论和实践学术讨论会，总结成绩、交流经验，共同 探讨发展中的问题，促进了复合地基理论和实践水平的进一步提高，也指出复合地 基概念和理论仍处在不断发展之中，复合地基承载力和沉降计算思路和方法还需进 一步研究。 在软土地区，往往通过地基处理形成复合地基来达到提高人工地基承载力和减 小沉降的目的口1 。处理方法一般有置换、排水固结、灌入固化物、振密或挤密、加 筋等。国内应用较普遍的是碎石桩、挤密砂桩、石灰桩、二灰桩和水泥土搅拌桩等， 其中以水泥土搅拌桩应用最广，水泥土搅拌桩分浆喷和粉喷两种。目前，粉喷桩己 广泛应用于软土地基加固，并且新材料、新工艺的应用发展很快，由此形成的人工 地基，土的性状已被人为改变，有必要更深入地研究粉喷桩复合地基的物理力学特 性、设计计算方法，也需要不断在实践中总结经验。 表1 1 容许工后沉降 一 桥台与路堤相邻处 涵洞、通道处一般路段 高速公路、一级公路0 1 0 m0 2 0 m0 3 0 m 二级公路 0 2 0 m0 3 0 m0 5 0 m 1 2 粉喷桩复合地基研究现状 1 2 1 粉喷桩发展历史 粉喷桩作为搅拌桩的一种，国内外对此研究己很多，据不完全统计，仅国内在 中文核心期刊上发表的论文也在3 0 0 篇以上。从国内外查阅的文献来看，现场和室 内实验占主要部分，深入的理论研究较少，这说明搅拌桩加固地基的研究仍处于感 性认识和实践的阶段o “。 搅拌桩通常指是以水泥( 水泥浆和水泥粉) 为凝固剂，也有用石灰等材料为凝 固剂，就地搅拌而形成柱状桩体。第二次世界大战后，美国首先研制成水泥深层搅 拌法，制成的水泥土桩称为就地搅拌桩。1 9 6 7 年，瑞典的k i e l dp a u s 首次提出使用 石灰搅拌加固l5 m 深度范围内的软土地基的设想，并于19 7 1 年在现场制成一根用生 石灰粉和软土拌制而成的石灰柱，次年在瑞典岩土工程研究院的试验场地进行了石 灰杜试验，1 9 7 4 年正式取得专利并应用于工程实践。瑞典的l i n d e n a i i m a k 公司 还生产出专用的成桩施工机械，桩径可达5 0 0 m m ，最大加固深度1 0 1 5 m 。日本在1 9 6 7 年由运输部港湾技术研究所开始研制石灰搅拌机械，1 9 7 4 年开始在软土地基加固工 程中应用。施工机械的成桩直径为8 0 1 0 0 0 m m ，形成两种施工方法，类为使用 石灰浆的深层石灰搅拌桩( d l m 法) ，另一类为使用生石灰粉的粉体喷射搅拌法 ( d j m ) ，有单轴和双轴两种机型，最大加固深度为1 0 - 3 0 m r 3 。 我国于1 9 7 7 年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院引进、研发水泥 深层搅拌法，制成双搅拌轴、中心管输浆陆上型深层搅拌机，于1 9 8 0 年正式应用于 工程实践。1 9 8 0 年天津市机械化施工公司与交通部一航局引进、开发成功单搅拌轴、 叶片输浆型深层搅拌机。1 9 8 3 年浙江大学土木工程学系会同联营单位开发成功单轴 喷浆水泥深层搅拌机。1 9 8 3 年铁道部第四勘察设计院开始进行喷石灰粉深层搅拌法 的研究，并获得成功，不久应用于粉喷水泥粉深层搅拌。1 9 9 2 年，交通部一航局引 进、开发海上深层搅拌机械并应用于工程实践。近2 0 年来，在我国软土地区，如浙 江、江苏、上海、天津、福建、广东以及台湾等地搅拌桩得到广泛应用。 1 2 2 复合地基承载力的计算 竖向承载水泥土搅拌桩复合地基承载力的理论计算方法通常按建筑地基处理 技术规范( j g 37 9 - 2 0 0 2 ) 的面积加权法为主，即按下列公式计算佰3 ： p = 脚= + ( 1 一肌) 厶 ( 1 1 ) 以。 或厶= 【1 + m ( n - 1 ) f 政 ( 1 2 ) 式中： k 、复合地基的承载力特征值( k p a ) ； i l r 一面积置换率，即水泥搅拌桩的截面积之和与加固土面积之比：复合地基 的置换率确定后，即可确定桩径d 和总桩数n ： d = 2 0 a p j 死n = m a a v a 加固地基的总面积( m 2 ) ； r 。单桩竖向承载力特征值( k n ) ； a 。单桩截面积( m 2 ) ； b 桩间土承载力折减系数。当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周 土的承载力特征值的平均值时，可取o 1 o 4 ，差值大时取低值；当 桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的 平均值时，可取0 5 - - 0 9 ，差值大时或设置褥垫层时均取高值； f 。桩间土承载力特征值( k p a ) ，可取天然地基承载力特征值； n 桩土应力比。 对予单桩竖向承载力特征值在初步设计时可按式( 1 3 ) 估算瞄1 ，并同时满足式 ( 1 4 ) 要求，应使由桩身材料强度确定的单桩承载力大于或等于由桩间土和桩端 土的抗力所提供的单桩承载力。 疗 见= 甜户9 面+ 口郎4 ( 1 3 ) i = 1 见= 7 7 允a p ( 1 4 ) 式中： f 。与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块( 边长为7 0 7 m m 的立 方体，也可采用边长为5 0 r a m 立方体) 在标准养护条件下9 0 d 龄期的立 方体抗压强度平均值( k p a ) ； n 桩身强度折减系数，干法可取0 2 0 , - - 0 3 0 ，湿法可取0 2 5 o 3 3 ； u 。桩的周长( m ) ； n 桩长范围内所划分的土层数； q 。，桩周第i 层土的侧阻力特征值，对淤泥可取4 - - 7 k p a ，对淤泥质土可 取l o 1 5 k p a ，对可塑状态的黏性土可以取1 2 , - - 1 8 k p a ： t 桩长范围内第i 层土的厚度( 1 1 1 ) ； q 。桩端地基土未经修正的承载力特征值( k p a ) ，可按现行国家标准建筑 地基基础设计规范( g b s 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 的有关规定确定； q 桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0 4 - - 0 6 ，承载力高时取低 值。 龚晓南等根据式( 1 1 ) 对搅拌桩复合地基承载力的可靠度进行了分析口1 ，得到 了搅拌桩复合地基承载力的概率特性。郝小员等针对式( 1 1 ) 中经验参数太多1 ， 不易选取等问题，提出了采用人工神经网络带有偏差单元的i r n ( i n t e r n a l l y r e c u r r e n tn e t ) 模型对搅拌桩复合地基承载力进行计算。 也可通过荷载试验来确定单桩或多桩复合地基的承载力，通常采用承压板进行 荷载试验，根据试验得到的p s 曲线，以规范规定的方法来确定复合地基承载力特 征值喵1 。 1 2 3 复合地基沉降计算 复合地基沉降计算问题是复合地基性状研究中的主要问题之一，目前搅拌桩复 合地基沉降计算仍以复合地基理论为主，建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - 2 0 0 2 ) 中 将沉降分两部分计算，即：s = s + s 。，其中s 。是加固区沉降，s ：是下卧层沉降。加固 区沉降计算常采用复合模量法，下卧层沉降量通常采用分层总和法计算。在下卧层 沉降计算中，关键在于计算作用在下卧层土体上的荷载，即下卧层土体中附加应力 的计算。目前常采用应力扩散法、等效实体法、改进g e d d e s 法来计算下卧层 = 体 中的附加应力。加固区底面附加应力的计算目前存在较大的分歧，有学者认为i - j 采 4 用双层地基模型来分析，也就是说对复合地基而言，双层地基中的附加应力比均质 土地基中的附加应力衰减的快，加固区的强度越高应力扩散作用越大旧3 。但杨涛 ( 2 0 0 0 ) 通过有限元分析表明，复合地基附加应力传播规律与双层地基完全不同， 下卧层中的附加应力并未发生扩散，反而略有增加，使得下卧层的压缩量比相应的 天然地基稍大。下卧层的沉降量也可先按未加固天然地基计算，然后乘以放大系数， 其值可取1 - 0 3 怕。 复合地基沉降计算另一个需讨论的问题是水平侧向位移对沉降的影响。现在惯 用的做法是在下卧层的沉降计算中乘以经验系数，认为经验系数综合考虑了侧向位 移等因素的影响。这种计算方法的精度依赖于经验系数的取值，经验系数的大小根 据下卧层的当量压缩模量确定，或根据当地经验确定。 搅拌桩复合地基沉降计算的另一类方法是有限元等数值计算方法，这类方法专 业性强，一般广泛用于理论研究。复合地基沉降计算有限元法在几何处理上大体可 以分为两类：一类在土体划分上把单元分为两种增强体单元和土体单元，并根 据需要在增强体单元和土体单元之间设置或不设置界面单元：另一类是在单元划分 上把单元分为加固区土体单元和非加固区单元。 路堤下搅拌桩复合地基的沉降计算方法目前仍主要沿袭刚性基础下复合地基 的沉降计算方法，这种方法是建立在桩土等应变假设的基础上的，路堤下的搅拌桩 复合地基显然与这一假设有很大的出入。e k s t r o m 等( 1 9 9 4 ) 也认为等应变假设对 于柔性荷载( 如路堤荷载) 并不适用 1 ，a l a m g i r 等( 1 9 9 6 ) 考虑了桩土变形不相等 的情况，认为桩土相互作用剪应力决定桩土各自承担的荷载和最终沉降睛3 ，假定桩、 土仅发生弹性变形，桩的下端支承在刚性基础上，桩间土不发生相对滑动。在此基 础上，提出“单位元的概念。由荷载的对称分布、几何对称性，得到单位元外边 界的剪应力为零，使得整个复合地基的变形计算可以简化到单位元中讨论，并建立 了位移模式，导出了剪应力公式，推出了桩、土的应力场和位移场，利用在桩土作 用面相对位移为零的假定，求出了最终沉降，该方法的缺点是没有考虑搅拌桩桩端 为软弱下卧层的情况。杨涛( 2 0 0 0 ) 针对a l a m g i r 等方法的不足，引入刚性摩擦桩 沉降计算中常用到的“中性点”概念，推导了柔性基础下悬桩复合地基的沉降计算 公式阳1 ，其假定桩土作用面处会发生相对滑动，规定等沉面以上桩侧土的压缩等于 桩体压缩与桩顶刺入基础中的变形之和，等沉面以下桩侧土的压缩等于桩体压缩与 桩端刺入下卧层中的变形之和，假定桩侧摩阻力与桩侧土中竖向应力成正比0 1 。施 建勇等( 2 0 0 2 ) 考虑了桩土界面的变形协调，应用半无限均质弹性体中点荷载引起 位移的m m d i i n 解，利用现场试验和有限元计算分析得出的桩侧摩阻力分布规律， 推导了深层搅拌桩复合地基单位元沉降计算公式口，计算结果表明，该方法计算的 沉降值介于分层总和法和有限元法之间。 鉴于搅拌桩复合地基沉降计算中的参数存在不确定性，有学者开始对搅拌桩复 合地基沉降的可靠性分析。龚晓南等( 1 9 9 8 ) 应用随机场理论建立了土体参数的随 机场模型，推导了土体参数空间变异性的方差折减系数公式，运用简单的桩体沉降 计算模式构造极限状态方程，采用一次二阶矩法计算可靠度指标，分析了桩土刚度 比、桩体长径比、相关距离和土体变形模型变异性等因素对柔性桩沉降可靠度的影 响n 羽。马克生等( 2 0 0 0 ) 采用小波动方法结合剪切位移法，将土的弹性模型视为沿 深度变化的一维平稳随机场，推导了柔性桩桩顶沉降响应方差的解析表达式n 3 i 。 利用灰色理论预测复合地基沉降也在研讨过程中。 1 2 4 复合地基的稳定性分析 搅拌桩复合地基稳定性计算采用常规稳定性分析方法，只是抗剪强度指标采用 了复合地基抗剪强度指标。 黄云生等提出采用复合地基的抗剪特性，用圆弧滑动来分析复合地基的稳定 性。复合地基的抗剪强度可按下式计算呻1 ： 乙= 朋c p + ( 1 一m ) c p + 【( p n f l + 7 , z ) t a n 伊p + ( p f l + y s z ) t a n 织 c o s 29 ( 1 5 ) 式中： i i r 置换率； c p - 桩体内聚力； c 。桩间土内聚力； 桩体有效内摩擦角； 织桩间土有效内摩擦角： 儿桩体容重； 儿桩间土容重； r 桩顶面以上的荷载； n 桩土应力比； b 应力折减系数，相当于沉降折减系数； z 为桩顶平面至滑弧面计算点的垂直距离 刘吉福等给出了复合地基综合抗剪强度按面积加权计算1 ，即： t = 垅f 。c o s 0 + ( 1 一m ) c u tp 2 c p + p ：c o s 8 t a n 9 p p ：2 7 p z + “口o ： 式中： 【f r 置换率； 0 剪切面与水平面的夹角； c 。相应于桩体破坏应变的桩间土的不排水抗剪强度； 6 ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) u p _ 应力集中系数，纬2 i 磊专面 l + 7 竹( 玎+ lj n 桩土应力比； f 桩体抗剪强度： c 广桩体内聚力； 妒。桩体有效内摩擦角； p ：作用与滑弧面的垂直应力； z 为桩顶平面至滑弧面计算点的垂直距离； 0 ：桩顶平面上作用的荷载在计算点引起的附加应力，可按一般弹性理论计 算。 一些学者采用有限元法对高速公路复合地基的稳定性进行了分析，并分析了复 合地基各种参数对稳定性的影响1 。 综合上述，粉喷桩加固软土路基时，在加固机理、受力变形、沉降与稳定性问 题以及复合地基设计等方面均有其独特的一面，不能简单地套用其它刚性桩和柔性 桩的计算分析方法，也不宜照搬某个规范，总体而言，复合地基的理论研究远远落 后于工程实践n 制。 1 3 本文的工作 1 本文在认真总结水泥搅拌桩复合地基研究成果的基础上，结合工程实践，将讨 论两个有关具有粉喷桩特色的问题，即：桩土应力比的计算和确定粉喷桩复合 地基承载力方法的探讨。推导了一种考虑桩一土相互作用下桩土应力比的一组解 析解，通过试验数据分析，给出土压力随填土高度的变化规律和桩土应力比的 变化规律，说明了土工格栅砂垫层的效用。 2 总结了目前确定粉喷桩复合地基承载力的方法，分析了这些方法的优劣，提出 确定粉喷桩复合地基承载力的双曲线拟合法，并通过大量试验数据进行计算、 对比分析，得出一种合理实用的确定粉喷桩复合地基承载力的方法。 3 通过工程实践，探讨了粉喷桩施工和设计两方面的一些注意问题和误区，提出 了自己的一些看法。 7 第二章粉喷桩加固软基的机理和特点 目前在我国应用的复合地基类型主要有：由多种施工方法形成的各类砂石桩复 合地基、水泥土桩复合地基、低强度桩复合地基、土桩和灰土桩复合地基、钢筋混 凝土桩复合地基、薄壁筒桩复合地基等。粉喷桩加固软基是水泥土搅拌法的一种。 水泥土搅拌法是用于加固饱和软黏土( 淤泥和淤泥质黏土) 、黏性土、粉土等地基 的一种方法，它是利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，就地将软土 和固化剂强制搅拌，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， 从而提高地基土强度和增大变形模量。根据固化剂掺入状态的不同，可分为浆液搅 拌和粉体喷射搅拌两种。前者是用浆液和地基土搅拌，称为深层搅拌法( 简称湿法、 浆喷法) ：后者是用粉体和地基土搅拌，称为粉体喷搅法( 简称干法、粉喷法) 。 所谓“深层”搅拌法是相对于“浅层”搅拌法而言的，“浅层”搅拌法的加固深度 一般不超过3 m ，“深层”搅拌法的加固深度通常超过5 m 1 。 深层搅拌法最早在美国研制成功，称为m i x e d i n p l a c ep i l e ，b p m i p 法，接着 日本的各大施工企业和研究所接连开发研制出加固原理、固化剂相近，但机械规格、 施工效率各异的深层搅拌机械，形成了多种工法，加固深度达6 0 m 以上，常在港口 工程、高速公路高填方路堤下的深厚软土地基加固工程中应用，在日本，深层搅拌 法的处理场所从陆地发展到海上，加固海底软土的工程量已远大于陆地的工程量。 近年来又将深层搅拌法和高压喷射注浆法结合起来，从搅拌翼交叉喷射固化剂，开 发出超高压交叉喷射复合搅拌法，单轴处理直径可达1 6 m 。国内1 9 7 8 年底制造出国 内第一台双搅拌中心管输浆的搅拌机械，1 9 8 0 年初在宝钢三座卷管设备基础的软土 地基加固工程中首次获得成功。 2 1 粉喷桩加固软基的原理 软土与水泥通过机械搅拌形成水泥加固土( 简称水泥土) 的基本原理是基于水 泥和土的物理化学反应过程：它与混凝土的硬化机理有所不同，混凝土的硬化主要 是水泥在粗填充料( 即比表面不大，活性很弱的介质) 中进行水解和水化作用。所 以凝结速度较快。而在水泥土中，由于水泥渗量很少( 一般占被加固土重的7 一2 0 ) ， 水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质土的围绕下进行，所以硬 化速度缓慢，其强度增长过程比混凝土缓慢。 1 水泥的水解和水化反应 水泥土搅拌法基本采用普通硅酸盐水泥作为固化剂。普通硅酸盐水泥主要由氧 化钙、二氧化硅、三氧化：二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，水泥和水拌合时， 水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，形成胶体。此外，化 合物中的水泥杆菌以针状结晶形式迅速析出，把大量的自由水以结晶形式固定下 来，使软土中的自由水减少，这对于含水量高的软土强度增长有特殊意义。 2 黏土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化形成水泥石骨架，有的则与周 围具有一定活性的黏土颗粒发生如下反应： ( 1 ) 离子交换和团粒化作用 黏土和水结合时表现出一种胶体特征，如土中含量最多的二氧化硅遇水后，形 成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子或钾离子，它们能和水泥水化生成的氢氧化钙 中的钙离子c a 2 + 进行当量吸附交换，使较小的、离散的土颗粒互相靠拢形成较大 的土团粒，从而使土体强度提高。 水泥水化反应生成的凝胶粒子的比表面积约比原来的水泥颗粒大1 0 0 0 倍，因而 产生很大的表面能，使之具有强烈的吸附活性，能把较大的土团粒进一步结合起来， 形成水泥土的团粒结构，使水泥土的强度提高。 ( 2 ) 硬凝反应 水泥水化反应析出的大量钙离子，能与黏土矿物中的二氧化硅及三氧化二铝发 生化学反应，逐渐生成不溶解于水的稳定的结晶化合物，这些新生成的化合物在水 或空气中逐渐硬化，这就是硬凝反应。硬凝反应增大了水泥土的强度，并使之具有 足够的水稳定性。 3 碳酸化作用 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反 应，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使水泥土强度增加，但是增加的速度较 慢，幅度也较小。 从上述水泥土强度增长的机理分析可见，深层搅拌法机械的切削搅拌作用越充 分，土块被粉碎越小，土颗粒与水泥的拌和越均匀，则水泥土结构强度的离散性越 小，其总体强度也越高。 2 2 粉喷桩加固地基土的性状 软土与水泥通过机械搅拌形成水泥土，其物理力学性质发生了很大变化。 1 物理性质 ( 1 ) 含水量：水泥土的含水量低于原土样的含水量，且随着水泥掺入比的增加而 减小。 ( 2 ) 容重：水泥土的容重略高于原土样的容重。 ( 3 ) 相对密度：水泥土的相对密度稍大于原土样的相对密度。 ( d ) 渗透系数：水泥加固淤泥和淤泥质黏土能减小天然土层的水平向渗透系数， 9 而对垂直向渗透性的改善效果不显著。水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增 大、搅拌均匀程度的提高及养护龄期的增长而减小。 2 力学性质 ( 1 ) 水泥土抗压强度及其影响因素 国内水泥土抗压强度的取值有两种：立方体抗压强度和无侧限抗压强度，国外 水泥土抗压强度采用无侧限抗压强度，要求试样的高度h 大于或等于直径d 的2 倍。 加固淤泥和淤泥质黏土形成的水泥土，水泥掺入比1 5 的9 0 d 龄期无侧限抗压强度可 达2 3 m p a ，是原状土无侧限抗压强度的几十倍，甚至上百倍临1 。 影响水泥土无侧限抗压强度的因素很多，主要有：土的种类、水泥参量、水泥 强度等级、龄期、有机质含量、外掺剂及搅拌、养护条件等。 土的种类：不同的土类，其水泥土的强度有很大的差异。在其他条件相同的情 况下，几种典型土类的水泥土强度大小大致呈如下规律：泥炭土 淤泥 淤泥质 黏土 黏性土 砂性土。淤泥中含砂量的多少，对水泥土强度有明显影响。砂性 土中形成的水泥土强度往往高达5 1 8 m p a ，比加固淤泥和淤泥质黏土形成的水 泥土强度高得多。 水泥掺量：水泥掺量可用水泥掺入比来表示，水泥掺入比为掺入水泥质量与被 加固软土质量的比值。试验表明，水泥土的强度随着水泥掺入量的增加而增加。 水泥掺入比太小时，由于水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性 比较大。但是，当水泥掺入比达到1 8 - - - - 2 0 后，水泥与土的水解水化反应所形 成的胶体处于饱和状态，强度增长幅度很小。因此，在水泥土搅拌法的实际施工 中，水泥掺入比不应小于7 ，不宜大于2 0 ，一般在7 1 5 的范围内较为 适宜。 水泥强度等级：水泥土的强度随着水泥强度等级的提高而增加。一般情况下， 水泥强度等级每提高一档，水泥土的无侧限抗压强度约增加2 0 3 0 。水泥 种类对水泥土强度亦有影响，这是由于不同水泥中的矿物成分对水泥与土的水解 水化反应及凝硬反应有不同的影响，进而影响水泥土的强度，但因场地土质与施 工条件的差异，掺入比和水泥强度等级的提高与水泥土强度增加的规律是不完全 致的。 龄期：水泥土的强度随龄期的增长而提高，一般超过2 8 天后仍有明显增长，9 0 天之后增长减缓。有试验表明，1 8 0 天的水泥土强度为9 0 天的1 2 5 倍，而1 8 0 天后水泥土强度增长仍未终止，但对于不同土类、不同含水量，水泥土强度随龄 期增长的速率是不同的。 含水量：水泥土无侧限抗压强度随土样含水量的增加而降低，当软土的含水量 右i5 0 8 0 范围变化时，含水量每降低1 0 ，水泥土强度可提高3 0 。 = - j 机质含量：有机质使土具有较大的水溶性、塑性、膨胀性和较低的渗透性， 1 0 并提高土的酸性，使水泥的水化反映受到抑制，因此，有机质含量高的软黏土， 其加固效果较差，甚至没有效果。目前还没有明确规定不宜单纯用水泥进行搅拌 加固的有机质含量值，有的提出不能大于1 ，有的提出不能大于2 。此外， 地下水的酸碱度，亦即p h 值的大小，对水泥土的强度也有很大的影响。珠江三 角洲地区的水泥搅拌法施工表明，对地下水p h 值小于5 的软黏土，采用深层搅 拌法加固的效果不理想，工程事故也比较多。 外掺剂：用于水泥土的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响，目前国内常用的 外掺剂有石膏、三乙醇胺对水泥土的强度有增强作用，木质素磺酸钙对水泥土 强度增长的影响不大，主要起减水作用。使用减水剂时应注意选择合适的水灰 比。掺加了粉煤灰的水泥土，一般强度有所提高，由于粉煤灰有不同等级，处 理效果不一样。 搅拌及养护条件：水泥土的搅拌时间及均匀程度对水泥土强度的影响很大，而 搅拌的均匀程度又与钻杆的提升速度、转速、复搅的深度和次数等有关。养护 对水泥土强度的影响主要表现在养护环境的湿度和温度。养护条件对水泥土的 前期强度影响较大，对后期强度影响较小。 ( 2 ) 水泥土抗剪强度 水泥土的抗剪强度也与许多因素有关，对于掺合量在1 2 1 5 之间的水泥 土，抗剪强度与无侧限抗压强度之间有一定的相关性，一般来说，水泥土的抗剪强 度大约为抗压强度的十分之一。 ( 3 ) 水泥土的变形模量、压缩系数和压缩模量 水泥土的变形模量一般约为无侧限抗压强度的8 0 - - - 1 5 0 倍，压缩系数约为( 2 3 5 ) 1 0 - p a ，其相应的压缩模量为6 0 - - - 1 0 0 m p a 。 水泥土搅拌法加固软基具有其独特优点： ( 1 ) 最大限度地利用了原土； ( 2 ) 搅拌时无振动、无噪音和无污染，可在密集建筑群中进行施工，对周围原有 建筑物及地下管线影响很小；( 3 ) 根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁 状、格栅状和块状等加固型式；( 4 ) 与钢筋混凝土桩基相比，可节约钢材并降低 造价。 2 3 粉喷桩加固软基的工程应用 1 适用土质 水泥土搅拌法最适宜于处理各种成因的饱和软粘土( 淤泥、淤泥质土) ，也可 用于处理粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地 基。 水泥加固土的室内试验和现场施工经验表明： ( 1 ) 对含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物质的软土加固效果较好，而 对含有伊利石、氯化物和水铝石英等矿物质的粘性土以及有机质含量高、p h 值较低的粘性土加固效果差。因此，当地基土的天然含水量大于7 0 或地下水 的p h 值小于4 时，原则上不宜采用水泥土搅拌法，若要采用必须通过室内配合 比试验和现场确定其适用性。 ( 2 ) 当地基土的天然含水量小于3 0 ( 黄土含水量小于2 5 ) 时，由于不能保证水 泥充分水化，因此不宜采用干法。 ( 3 ) 当粘土的塑性指数i 。大于2 5 时，容易在搅拌头叶片上形成泥团，无法和水泥拌 和，不宜采用水泥土搅拌法。 ( 4 ) 在海水渗入地区，地下水中含有大量硫酸盐，因硫酸盐与水泥发生反应时， 对水泥土具有结晶性侵蚀，会出现开裂、崩解而丧失强度，为此应选用抗硫 酸盐水泥，使水泥土中产生的