（岩土工程专业论文）预应力混凝土管桩加固软土路基的现场试验研究.pdf

摘要 广东沿海广大地区，基岩埋藏较浅，风化严重，强风化岩层较厚，较 为适合预应力砼管桩的应用。目前预应力砼管桩仍然多用于建筑桩基，丽 作为复合地基用于加固软土路基则较少，大规模的使用在广东还是首次。 复合地基理论研究远落后于工程实践，尤其是高强度预应力砼管桩加固软 土路基这样一种柔性基础刚性桩复合地基模式，在理论和设计上存在很多 需要研究的地方。通过在软土路段设置试验段进行现场试验是一种较好的 方法，可以解决理论研究上的不足，并可以利用其结果指导设计和施工。 本文主要对以下5 个方面进行了研究： 1 、以两种不同的模型对复合地基的变形尤其是桩体上刺入模式进行 了详细的分析，以现场试验数据验证了变形模型的正确性，并从沉降组成 的角度上分别讨论了最终沉降的三个组成部分对变形特性的影响。对其中 的一种变形模型建立了公式，推导了地基置换率m 的公式。 2 、在地质条件相近的路段选择四种不同的褥垫层设置方式进行现场 试验，通过对管桩复合地基现场试验段的大量沉降、土压力等数据的处理， 进一步探讨了桩土协同作用机理及桩一土协同工作特性，建议以桩土应力 比峰值点为分界点，将由土体瞬时沉降引起的协调工作作为桩土协调工作 第一阶段，由主固结引起的作为第二阶段。通过现场实验结果分析，建议 采用碎石作为褥垫层材料。 3 、模拟现场试验条件对管桩复合地基进行了二维有限元分析，对褥 垫层设置原则进行了探讨，指出了柔性基础下复合地基和建筑承台下复合 地基在某些褥垫层设置原则上是相反的。对褥垫层设置参数进行了定性和 定量的研究。 4 、对比其他的软基处理方式，对管桩复合地基进行了经济评价。 关键词：预应力砼管桩复合地基；褥垫层：现场试验；桩土应力比 工作特性 a b s t r a c t i no u a n g d o n g p r o v i n c e ，e s p e c i a l l yi nt h ev a s tc o a s t a la r e a s ，t h eb e d r o c k i ss h a l l o w , a n dw e a t h e r e d s e r i o u s l y t h ez o n eo fw e a t h e r i n gr o c ki st h i c ka n d s u i t sf o rt h e a p p l i c a t i o no fp r e s t r e s s e dt u b u l a rp i l e a tp r e s e n t ，p r e s t r e s s e d t u b u l a r p i l e s a r e g e n e r a l l y u s e da s p i l e f o u n d a t i o n so fs t r u c t u r e b u ti t s s e l d o mu s e dt or e i n f o t e et h es o f ts o i lr o a d b e d a n di ti st h ef i r s tt i m et oa p p l y p r e s t r e s s e dt u b u l a rp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni nt h i sl a r g es c a l ei ng u a n g d o n g p r o v i n c e t h et h e o r yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sf a rb e h i n dt h ep r a c t i c e t h e r e a r eai e lo f p r o b l e m sl i e si nt h et h e o r ya n dt h ed e s i g n i ti sa 肿o dm e t h o dt o e x p e r i m e n to n s o f ts o l lf o u n d a t i o n b ye x p e r i m e n td e f i c i e n c i e so ft h e o r ys t u d y c a nb em a d e u pa n dr e s u l to ft h ee x p e r i m e n tc a na l s ob eu s e d t od i r e c td e s i g n a n dc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e rf o c u so n5f a c e t sa sb e l o w ： 1 s t u d y o nt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro f p r e s t r e s s e d t u b u l a r p i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n t w od e f o r m a t i o nm o d e l s a r eu s e dt o a n a l y z e t h e d e f o r m a t i o na n dt h eu p p i e r c eo ft h ef o u n d a t i o n v a l i d i t yo ft h e s et w om o d e l s a r ep r o v e d d i s c u s st h ee f i c to ft h et h r e ep a r t so fs e t t l e m e n tr e s p e c t i v e l y t h r o u g ht h e s et w om o d e l s c o n s t r u c ts o m ef o r m u l a sa c c o r d i n gt oo n eo ft h e m e d e la n dd e r i v a t et h ef o r m n l ao fr e p l a c e m e n tr a t i om ， 2 p e r f o r ma ne x p e r i m e n to ns o m es e c t i o n so ft h er o a d b e ds o f ts o i l f o u n d a t i o nw h i c hg e o l o g yc o n d i t i o na r ec l o s e t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ed a t a a c h i e v e d d i s c o v e rt h eo r d e ro fs o i l p i l ei n t e r a c t i o na n dt h ep r o c e s so fs o i l c o o p e r a t ew i t hp i l e sa g a i n s tt h el o a dc a nb e d i v i d e di n t ot w o s t a g e s ，t h ef i r s t s t a g ei sb e f o r et h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i or e a c h e st h ep e a kp o i n t ，t h ec o o p e r a t i o n o ft h i ss t a g ei sc a u s e db yi m m e d i a t es e t t l e m e n t t h es t a g ea f t e ri st h es e c o n d s t a g ea n dt h ec 0 0 r d n a t i o ni sc a u s e db yp r i m a r y c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t f i n d t h a tc r u s h e ds t o n ei sf i tf o rm a k i n gc u s h i o n s 3 u g et w o d i m e n s i o nf e m t oa n a l y z et h i sf o u n d a t i o n ，d i s c o v e rt h a tt h e p r i n c i p l eo fc u s h i o ns e t t i n ga n dp o i n to u tt h a tc o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e r s t u f f i n gs o i li sc o n t r a r yt ow h i c hu n d e rs t r u c t u r eb a s e s o m eq u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t ys t u d y o fp a r a m e t e ri sa l s od o n e 4 g i v ee c o n o m i ce v a l u a t i o nb yc o m p a r i n gt h et u b u l a rp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nw i t ho t h e rs o f tf c ，u n d a t i o nt r e a t m e n t s k e y w o r d s ：p r e s t r e s s e d t u b u l a r p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，c u s h i o n ， e x p e r i m e n t ，p i l e s o i ls t r e s sr a t i o ，w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c i j 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 高速公路上行车速度快，交通流量大，与一般公路相比较，高速公路 对路基、路面的要求更高，因此常常需要穿越不良地基地段。在珠江三角 洲地区大部分地基存在滨海相和河相沉积的软粘土，广东省已建和正建的 几条高速公路的资料表明，较长的软土路段，既不容易处理，造价也相应 增加。如己建成的高速公路中，长度为1 5 7 k m 的广佛高速公路，软土地 基路段长4 4 3 k m 占全线总里程的2 9 4 ；广深高速公路全长1 2 2 k m ， 软土地基路段长3 4 k i n ，占全线总里程的2 8 ，佛开高速公路长8 0 k i n ， 其中软土地基路段长1 2 9 8 k m ，约占全线1 6 3 ，西部沿海高速公路和广 珠高速公路均广泛分布者软土。软土具有压缩性高、含水量大、渗透性差、 抗剪强度低等特点“3 ，并具有一定的结构性。3 。在附加应力作用下会因压 缩变形和剪切变形而产生很大的沉降，甚至会因承载力不足而破坏。因而 软土地基处理技术己成为关键技术之一。软基处理方法对工程质量和施工 1 ：期有重大影响，直接关系到投资和管理单位的经济效益以及社会效益。 高速公路不仅要求路堤稳定，而且对沉降变形提出了很高的要求，常 规的砂井堆载预压处理方法不能减小总沉降量，也不能控制工后沉降和不 均匀沉降，从已建成的软士路基高速公路的营运情况来看，过大的工后沉 降和不均匀沉降会造成“桥头跳车”以及平整度差的问题。这些情况的出 现对施工技术提出了更高的要求，同时也促使各种新的工艺和技术应运而 生，预应力混凝管桩作为复合地基加固软土地基就是其中的一种。 广东沿海的广大地区，基岩埋藏较浅，风化严重，强风化岩层较厚， 较为适合预应力砼管桩的应用。经过近二十年的发展，高强度预应力砼管 桩( 简称p h c 管桩) 在广东的应用有了一定的基础，1 9 9 7 年广东省生产 管桩的企业就已经达到5 0 余家，产量为全国的三分之二。1 ，p h c 管桩是 武汉理工大学硕士学位论文 按国家标准在工厂大批量制作的“3 ，因此桩身的强度、质量都能得到保证。 管桩复合地基取材方便、质量好控制、现场施工便于管理、施工工期 快、较为经济，越来越收到沿海地区设计和施工人员的青睐。广梧高速公 路为了满足工期的要求，对软基处理方式进行了较大的变更，主要是引进 预应力砼管桩处理高速公路软基，但是目前预应力砼管桩仍然多用于建筑 桩基，而作为复合地基用于加固软土路基则较少，有必要对这一处理方式 进行深入研究。 1 2 复合地基基本理论 复合地基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，加固区是由基体( 天然地基士体或被 改良的天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基“1 。自1 9 6 2 年国 际会议上首次使用复合地基的一词以来，复合地基的概念已经成为很多地 基处理方法的分析既理论公式建立的基础和依据。但是经过三十年的工程 经验总结和理论研究，复合地基的理论仍不成熟，甚至在学术界和工程界 对复合地基的很多方面都存在分歧，理论研究远落后于工程实际。 考虑桩土共同承担外荷载作用的复合地基理论是一般工程设计、检 测、计算的理论依据。但是不同形式的复合地基，或是应用领域的不同， 其桩土协同工作性状、褥垫层设置方式、沉降控制方法以及现场施工控制 方法都有许多需要研究的地方。 1 2 1 复合地基的分类 1 、复合地基的分类 ” 分类是社会科学与自然科学研究事物、认识事物的一种行之有效的手 段，目的在于将一个领域的某些具有共性的事物划归一类。这些共性对其 他类而言则是个性。类别的划分突出了个性，以便于人们更深入地了解和 认识这些个性，服务于人类。 复合地基地是7 0 年代以来发展最快的一种地基处理方法，不同桩型 武汉理工大学硕士学位论文 复台地基 按增强体材料分 按增强体设置方 向分 按基础月幢和垫 屠设置分 r 稚) 申碎石畦 r 碎石桩 挤密砰石蛀 7 蹬始 渣蝴l 千赫石桩 l 砂桩 r 碎石桩 裂髓叫慧 篙燃 复合建羹 1 柬握土柱f 一：t 糟喷桩 l 夯实水泥土桩 r c f g 桩( 水泥粉埠灰碎石桩) 高粘结强度桩l 索混凝土桩 复台地基 碎石压力灌浆桩 l 管桩 f - 士上格栅 十1 台艘车彳辩 土工布 r 蟹向增强体 、水平向增强体 。斜向增强体 r 刚性基础，设垫层 j 同q 性基础，不设垫层 i 柔性基纯设垫层 。柔性基础，不设垫层 r 等长度复合地基 按增强体长度分 l 长短桩复合地基 按桩体相对剐度f 刚性桩蔓台地基 分 i 囊性桩复台地基r 振冲砰j 百桩。囊性桩复台地基r 振冲砰看桩 r 碎石桩 挤密碎石桩 f 散体材料桩复台地基 渣土桩l 干振碎石桩 r 强制置换 刚性材料桩复台地基l 砂桩 按加固原理分 jl 乘性村料桩复台地基 k 强f 戮袭煺 瓣。士的朴强 旋喷桩复台地基 。蒴嗖桩 图1 1 复合地基分类图 武汉理工大学硕士学位论文 桩体的刚度直接影响到复合地基的荷载传递特性，研究分析桩体的相 对刚度对桩体荷载传递的影响对复合地基理论具有重要的意义。同时也可 以更加科学的划分刚性桩与非刚性桩的界限。 刚性桩和非刚性桩的划分不仅受到了桩体材料强度以及桩问土性质 的影响，它还是跟桩体的长度和尺寸相关的，实际工程用桩都不是理想的 刚性桩，在荷载作用下桩体本身发生压缩。对于可压缩桩，桩底端位移d 。 小于桩顶端位移6 。如果桩体刚度较小，且长度达到一定的数值，桩体的 压缩量等于桩顶端位移，桩底端相对于周围土体没有相对位于产生而且无 产生相对位移的趋势，则桩端端阻力为零。那么在某一长度以下的桩体将 对复合地基的承载力没有贡献。段继伟“1 通过研究发现桩长超过，。时，桩 的板限承载力增加很小桩长l 。称之为有效桩长，并给出了有效桩长的有 关确定方法： 有效桩长与桩土模量比和桩径有关，其取值范围为 1 ) f 。( 8 - 2 0 ) d ，当e p e s = 1 0 5 0 时： 2 ) f 。( 2 0 - 2 5 ) d 当6 ，e 5 = 5 0 1 0 0 时： 3 ) f 。 1 0柔性桩 k ( 1 0刚性桩 将管桩复台地基有关桩与桩间土的数据代入到式( 1 2 ) 中进行计算， 耿桩体弹性模i e ，一1 5 0 0 0 m p a 、桩间土模量e s = 5 m p a 、 ；z 0 3 管桩 半径r ：0 2 m 、直径dt0 4 m ，预应力混凝土管桩模量很大，桩土弹性模 武汉理工大学硕士学位论文 量比远大于范围值，有学者以数值方法分析c f g 桩复合地基，发现一股 工程情况下不会达到临界桩长“，取3 3 d 计算等于1 3 2 m 仍大于实际长度， 故l 取为实际长度1 2 m 。 经过计算，k 值为2 2 4 1 ，故管桩复合地基属于刚性桩复合地基。 加固软土路基的管桩属于高粘结强度桩；管桩与桩间土形成竖向增强 体，并且褥挚层和填土中的土工格栅起到了定的水平加固作用：管桩基 本等长布置；上部填土荷载可以看作柔性基础，为防止管桩上刺入上部填 土，必须设胃褥垫层；经过计算和分析管桩复合地基应属于刚性桩复合地 基；从加固原理上讲，管桩是以锤击沉管的方式打入路基当中，所以管桩 复合地基又属于强制置换法复合地基。 1 2 2 复合地基形成条件 复合地基至少必须满足两个条件：( 1 ) 加固区由基体和增强体两部分 组成，是非均质的，各项异性的；( 2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同 承担药载的作用。“。采用粘结材料桩，特别是采用刚性桩形成的复合地基 应特别注意复合地基的形成条件，如果桩士间不能协调工作和变形，那 么桩土将不能共同承担荷载而成为桩基础或者不能达到加固软士的效果， 严重的造成应力集中，还可能导致桩体应力超过允许承载力而导致桩体破 坏。复合地基的形成示意图如图1 2 。 图1 2 中，是桩体模量，。是桩闾土模量，b ：是下卧层土体模 量，艮是褥垫层模量。在图1 2 ( a ) 和图1 2 ( b ) 中，在承台传递的荷 载作用下，桩体可以产生下刺入下层土或者上刺入垫层，通过桩和桩间土 体变形协调共同承担荷载，采用刚性桩或者柔性桩均能形成复合地基。图 1 2 ( c ) 中，在承台荷载作用下，随着桩间土在荷载作用下产生沉降， 中的应力不断减小，而桩体的应力逐渐增大，荷载向桩体上转移。桩间土 将不能承担荷载。但是对于散体材料桩，在荷载作用下，桩体产生侧向鼓 胀变形，桩体和桩间土的变形可以保证桩体和桩间土永远共同承担荷载， 一 亟堡型三盔堂堡主堂垡塑塞 币n r 压缩屠嘶“ 雠_ 千目比硒屡小q 雎罨屠 ( d )( 劬 图1 2 复合地基形成条件示意图 因此，散体材料桩在任何情况下均能形成复合地基，并且可以有效改善复 合地基中浅层的受力状态，提高桩间土的抗剪强度、提高增强体承受的竖 向荷载的能力。但是在这种形式下，刚性桩尤其是刚度大的管桩不能形成 复合地基。图1 2 ( d ) 是一般工程应用上复合地基的处理方式，桩体一般 穿透最薄弱土层，落在相对好的土层上。 当建( 构) 筑物的地基一部分压缩性很小，而另一部分压缩性较大时， 为了避免不均匀沉降，在压缩性很小的区域，通过换填法铺设一定厚度可 压缩性的土料形成垫层，以减小桩顶应力集中和减少不均匀沉降“。而柔 性基础复合地基需要加设一定剐度和劲度的褥垫层以增大桩士应力比，防 止桩体上刺入上部填土，实现对桩土共同工作进行协调，减小桩间土承担 荷载，同时减小差异沉降。简单来说，褥垫层就是可以实现将“柔的变刚， 刚的变柔”。褥垫层是复合地基工作的核心“。 软土路基工程最主要是解决过量沉降( 包括工后沉降和不均匀沉降) 和稳定性的问题，所以在工程应用上为了减小沉降量常常将桩体打入硬土 层。通过上刺入变形，管桩加固软土路基在任何情况下均能够形成复合地 ， 亟堡里三查兰堡主堂垒笙塞 基，但是路基填土相对松散和软弱，为了增大桩土应力比，防止桩体刺入 上层填土，褥垫层的设置是相当必要的。管桩加固路基应是图1 3 的设置 形式。 面雕震 ( b ) 图1 j 现场采用的复合地基模式 实际现场采用的也是这两种形式，设计要求将管桩打入硬土层2 m 以 上，收锤标准以到达桩端持力层、最后贯入度或最后i m 沉桩击数为控制 标准，实际操作中，采用三点支撑履带自行式柴油打桩机，桶式柴油锤， 一般以最后贯入度不宣小于1 0 击8 0 m m 为控制标准，即最后l o 击的贯入 量应小于8 0 r a m 。贯入度控制不仅受桩端阻力的影响，而且还将受到桩侧 摩阻力的影响导致桩端未必到达不可压缩层，对于这两种模式来说，桩 体均能达到与桩间土协调变形，不同的是图1 2 ( a ) 对于减小总沉降量有 利，桩体完全通过上刺入变形达到共同承担荷载的效果，褥垫层下桩顶平 面产生的差异沉降会较大，对于图1 2 ( b ) 桩体不仅可以产生上刺入变形 而且可以通过下刺入来达到协调工作的目的，减小了差异沉降量，但是下 卧层的沉降量的会增大总沉降量。这两种复合地基的设置方式都是可取 的，各有各的优缺点。 1 2 3 管桩复合地基的组成 管桩加固路基是由刚度不同的材料组成的协调变形，共同承担上部荷 载的地基，是一种刚性桩复合地基的形式。通过在软土路段打设预制砼管 桩，并在其上铺设由土工格栅( 1 2 层) 和填充材料组成的褥垫层( 有 武汉理工大学硕士学位论文 的还架设托板) 以组成桩网一桩间土复合地基，协同工作，抵抗上部荷 载，从而起到加固软土路基的作用。见图1 4 。 一 ( a ) 1 。、1 。1 。1 。1 。1 。1 。+ 。一 持墀 i ( b ) 圈1 4 桩一阿一桩间土复合地基示意圈 如图1 4 所示，复合地基分为以下几个部分： 1 ) 上部填土部分； 2 ) 褥垫层部分，由上部及下部土工格栅及填料组成，填料一般为碎 石或丰且砂( 填料中有的也铺设土工格栅) ： 3 ) 援体部分。本项研究桩采用p h c 管桩，设计打入持力层； 4 ) 桩问土部分，管桩加固路基研究的醯间土指受到管桩挤压且沉桩 过椎中产生的超孔隙水压力消散完毕的桩间土； 5 ) 下卧土层。 1 24 复合地基的破坏模式 竖向增强体和水平向增强体的破坏模式是不同的，刚性基础下和柔性 基础下的破坏模式也是不同的，带褥垫层的刚性桩复合地基还存在垫层破 坏。 一般的在竖向增强体破坏模式可分为两种情况：桩间土首先破坏继而 造成复合地基全匝破坏，这种情况主要发生在柔性基础下复合地基当中； 另种是桩体首先破坏继而复合地基全面破坏，这种情况主要发生在刚性 基础复合地基当中。实际工程中，一般不存在同时破坏的情况。 破坏模式分为以下四种“”，见图1 5 。 武汉理工大学硕士学位论文 l l l ll ll i l il l l li ll l l l 雷4 2 并垫层厚度与沉降关系曲线图 由图4 2 可以看到。随着褥垫层厚度的增加，桩间土沉降减小，当褥 垫层厚度达到5 0 0 m m 时。如果厚度继续增大，桩间土沉降减小的幅度变 缓。说明当褥垫层厚度较小的时，不能形成一层具有一定刚度和劲度的“支 撑体”，对变形的调节能力有限，当褥垫层厚度增加时，对应力和变形的 调节能力逐渐变得明显起来，将路堤苟载的很大一部分传递给管槛承担， 减小了桩间土承担的荷载并使得桩间土的沉降减小；由于管桩强度很大， 在荷载作用下的变形量很小，所以褥垫层厚度对其变形影响较小， 由图4 3 可以见到随着褥垫层厚度的增加，桩土应力比逐渐增大，同 时也是当褥垫层厚度达到5 0 1 m m 时，增大的幅度减小，说明当褥垫层厚 度较小时，上部填土荷载通过褥垫层进行调节受到尺寸大小的限制，上部 衙载只有很少的部分集中到了桩顶，随着褥垫层厚度的增加，荷裁进行调 节的空间加大另外褥垫层的刚度也相对提高，使得较多的荷载向桩顶传 递，从而使得桩土应力比提高。 武汉理工大学硕士学位论文 羲i 型89 。 引 ”o 5 ”。褥? 0 垫0 层8 0 厚0 度9 。嚣3 。 图4 3 褥垫层厚度与桩土应力比关系曲线图 以上图4 2 、图4 3 均说明了当褥垫层厚度达到5 0 0 m m 时，褥垫层对 应力和变形的调节幅度较高，在此厚度下，变形和应力已经得到了较为充 分的调节，厚度继续增加，调节能力提高的幅度减小，所以在该工程地质 条件情况下，褥挚层厚度取5 0 0 m m 为宜，昧的增加褥垫层的厚度将是 不经济的。 需要指出的是对于刚性基础复合地基，多份文献上都曾指出“”，复 合地基使用垫层厚度应根据桩间土的性质确定，当桩间土性质好时，为了 更好的发挥桩间土的承载力，垫层的厚度做厚些；当桩间土性质差时，为 了更好的发挥桩体的作用，垫层的厚度做薄些。而用于软土路基加固的褥 垫层厚度越厚，将土承担荷载转移到桩体上的量越大，和以上情况正好相 反，在褥垫层设计上切不可套用建筑工程承台刚性基础复合地基褥垫层设 置原则。 4 2 3 褥垫层模量的影响 将褥垫层厚度定为5 0 0 m m ，选取不同的褥垫层模量进行数值试验， 得到褥垫层模量与沉降的关系如图4 , 4 ，得到褥垫层模量与桩土应力比之 问的关系如图4 5 。 一 l。 5 5 8 8 武汉理工大学硕士学位论文 出图4 4 可以看到，随着褥垫层模量的提高，桩问土沉降逐渐减小， 当褥垫层模量达到i o o m p a 时，减小的幅度减缓，说明当褥垫层模量较小 时，对变形的调节能力较弱，但是沉降的减小不是无限的，褥垫层的模量 是出褥挚层材料决定的，味的增大模量也是不经济的。桩顶沉降随着褥 挚层模量的提高而增大，说明模量提高使得桩顶的集中力增加，增大了桩 体的压缩和桩端沉降。 直 v 潋 蛙 - 5 f一一一一一一一一一一一一- 一硅丽症犀一一 1 生：= ? = = ? 。l 一， 图4 4 褥垫层模量与沉降关系曲线图 由图4 5 可以看到，随着褥垫层模量的增加桩土应力比增加，且增 加几乎呈线性。说明褥垫层模量的增加将桩间土承担的荷载转移到了桩 顶，使得桩顶应力相对集中。 褥垫层的模量是由褥垫层材料决定的，应选择不同的复合地基的褥垫 层材料进行现场试验，由实际的沉降数据和桩土应力数据进行对比分析和 综合评价，从第三章现场试验对比分析得到的结果看，褥垫层材料采用一 定尺寸和级配的碎石作为填充材料效果较好。 对于承台基础来说，随着褥垫层厚度的增加，承台沉降增加，桩土应 力比减小，而随着褥垫层模量的增加，承台沉降减小，桩土应力比增加。 路堤填土下的复合地基数值分析得到的结果与承台基础下的复合地基得 到的结果正好相反。但是褥垫层的调节原理是相同的，对于路堤填土的复 合地基来说，填土较为松散软弱，褥垫层增加了上部的刚度和劲度，将上 武汉理工大学硕士学位论文 部填土荷载调节转移给桩体来承担；而对于承台基础来说，刚度较大，褥 垫层减小了上部的刚度，将荷载调节给桩间土来承担。 91 丑90 r 型8 9 一 茸88 8 7 86 8 - 5 84 8 3 一_ 1 1 01 0 02 0 03 0 04 0 0 褥垫层模量( m p a ) 图4 5 褥垫层模量与桩土应力比关系曲线图 4 3 管桩应力应变分析 管桩作为一种刚性桩，其应力状态的一个特点就是在桩顶以下一段深 度z 。中存在桩身负摩阻力，由于它的作用使得轴向压力盯，在深度z 。以上 逐渐增大，而在z 。以下由于正摩阻力开始发挥作用又逐渐减小，在z 。处 达到峰值，见示意图图4 6 。 通过分别计算桩两侧的应力大小( 桩体两侧的竖向应力往往是不均匀 的) ，可以推算桩体在桩间土挤压和桩端嵌固下的所受弯矩，从而得到桩 体受桩间土挤压的情况。对实际群桩的内桩来说，由于各不同方向邻桩对 其影响的迭加，以上应力不均匀的情况将有所抵消。但是对于边桩或角桩， 则可能会由于应力不均匀造成桩体产生较大弯矩，甚至在浅表处出现断桩 的情况。 武汉理工大学硕士学位论文 os i i i ji i i l l l z 图4 6 桩身应力示意图 选取褥垫层厚度为5 0 0 m m ，褥垫层模量2 0 0 m m ，利用有限元计算所 得的边桩两侧竖向应力如下表4 2 。 可以看到，在浅表处、5 ，9 1 6 m 和1 3 5 7 8 m 深度处槛两侧竖向应力 差值较大，又以浅表处的应力差值最大，桩体在这些位置处于小偏心受压 状态，弯矩大小可以通过简单的积分算得，计算简图如图4 7 。 表4 2 边桩桩身应力随深度变化表 釉( m ) _ i 业吐i r 武汉理工大学硕士学位诧文 弯矩计算简图如图4 ，8 。从表中可以 看到，弯矩发生变化的地方基本上都是土 层的分界面上，根据弯矩图绘制受力示意 图如图4 ；9 。 弯距懈d 左侧 图4 7 弯矩计算简图 p ， 一 眵一 亚钻土 、 _ “一 、旦 淤泥 砒 亚粘土 、u 国虾砂十 强风 化混合岩 图4 8 边桩沿深度弯矩变化图圈4 9 边桩受力情况示意图 从图4 9 看出褥垫层对边桩有水平力作用边桩最大弯矩出现桩顶部， 同时土层分界面一般弯矩也很大，所以应注意褥垫层以及浅层对边桩的作 用，对于管桩这种抗弯强度的桩体来说，弯矩应不会产生太大影响，但是 如果采用抗弯强度较弱的桩，边桩浅表处出现过大的弯矩应给予足够的重 视。 计算得到的管桩位移见图4 1 0 。管桩弯矩图4 9 与计算得到的位移图 4 1 0 形状相似。 武汉理工大学硕士学位论文 4 5 小结 厂一。 j l l 二_ ： 、 j 蔷 图4 1 0 边桩水平位移图 1 ) 当褥垫层模量较小时，对变形的调节能力较弱，随着褥垫层模量 的提高差异沉降减小桩土应力比增加，说明褥垫层模量的增加可咀将 桩间土承担的部分荷载转移到了桩顶，但是褥垫层对差异沉降的减小不是 无限的，一味的增加模量将是不经济的。 2 ) 当褥垫层厚度增加时，对应力和变形的调节能力逐渐明显，将路 堤荷载的一部分传递给管桩承担，并使得桩间土的沉降减小；随着褥垫层 厚度的增加，上部填土荷载通过褥垫层进行调节受到尺寸大小的限制降 低，桩土应力比逐渐增大，但是这种调节作用也不是随厚度增加无限增长 的。 3 ) 由数值试验结果还可以看到，当褥垫层厚度达到5 0 0 m m 时，变形 和应力已经得到了较为充分的调节，厚度继续增加，调节能力提高的幅度 减小，所以在该工程地质条件情况下，褥垫层厚度取5 0 0 r a m 为宜。不可 套用建筑刚性基础褥垫层一般为1 0 0 3 0 0 m m 的设置标准。 4 ) 柔性基础褥垫层厚度设置也应根据桩间土的性质确定，当桩间士 性质好时，为了更好的发挥桩间土的承载力，垫层的厚度做薄些；当桩间 武汉理工大学硕士学位论文 土性质差时，为了更好的发挥桩体的作用，垫层的厚度做厚些。这与刚性 基础设置原则正好相反，这一点需要引起设计和施工人员的注意。 5 ) 通过数值分析的结果可以看到褥垫层对上部刚度的具有很好的调 节作用，可以使刚性基础桩顶的应力集中程度减小，使柔性基础的桩顶应 力增加，同时使得柔性基础差异沉降减小。 6 ) 从有限元计算的结果可以看到，边桩最大弯矩出现桩顶部，同时 土层分界面一般弯矩也很大，如果采用抗弯强度较弱的桩，边桩浅表处出 现过大的弯矩应给予足够的重视。 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章管桩复合地基的经济适用- 陛评价 预应力管桩加固路基作为一种新的软土路基处理方式，有着施工工期 短、工艺简单、路堤稳定性好、沉降变形小等常规处理无法比拟的优点。 论文以实际工程为研究背景，对其沉降特性、桩土应力比、施工控制方法 做了大量的研究，为了便于该新方法的应用和进一步研究，现从适用性和 效益的角度对管桩复合地基和其他处理方式进行对比。 5 1 各类处理方法的特点及适用条件 高速公路软基处理方法主要可以分为两类： 1 ) 排水固结处理方法，包括预压排水法和真空联合堆载预压； 2 ) 复合地基处理方法，包括粉喷桩、碎石桩和预应力砼管桩等。 5 1 1 排水固结法 1 、预压排水固结法 堆载预压方法是一种在高速公路施工中较广泛的软基处理方法，有人 曾指出只有在特殊情况下如工期太急，荷载过大等情况下才会考虑其它方 案”。但随着高速公路的发展，以及市场经济对效益的要求，使得该种处 理方法的不足显得更加突出，该方法不能减少总沉降量，虽然结合超载方 法的应用使得工后沉降和不均匀沉降大大减小，但沉降量过大、工期太长 以及填筑路堤过程中的稳定性问题仍未解决。 2 、真空联合堆载预压法 真空联合堆载预压加固软基方法是从真空预压和堆载预压基础上发 展起来的新一代软基处理方法，该方法利用抽真空使加固区内形成负压 区，这不仅可以加快固结沉降速度，而且较好的解决了填筑路堤过程中的 稳定性问题，缩短了填筑路堤的施工工期，是一种在珠江三角卅f 地区修筑 武汉理工大学硕士学位论文 高速公路值得推广的软基处理方法。但作为高速公路新一代的软基处理方 法，一般应用于大面积的软土加固当中，对于狭长型的软路基在施工工 艺、技术等方面仍有许多不完善的地方，施工质量较难保证。 5 1 2 复合地基 复合地基处理方法在路基中设置各种类型的桩或土工织物等以形成 增强体，从而达到加固路基的目的，在高速公路建设中比较常见的桩有粉 喷桩、碎石桩等。 1 、粉赜桩复合地基 粉喷桩处理软基是通过专门的机械将粉体固化剂( 水泥、石灰等) 喷出 后在地基深处就地与软基强制搅拌，利用固化剂和软土之间产生的一系列 物理、化学反应，在原地基中形成强度、刚度较大的桩体，同时也使桩间 土体性质 导到改善，桩与桩间土体形成复合地基菸同承担外荷载。在高速 公路中般用于桥头和涵洞等结构物处的地基处理，其目的是解决桥头、 涵洞等结构物处与路堤相联接处的不均匀沉降问题，在旖工工期紧张的路 段有时也采用粉喷桩处理，以提高路堤填筑速度，如京珠高速公路广珠段 k 5 6 + 9 8 0 k 5 7 + 2 3 5 软基段的处理。 尽管粉喷桩在施工工艺、质量检验等方面都有规范可循，但实际施工 中成桩质量和加固效果很难得到保证。但是粉喷桩的有效长度一般只有 1 2 m 左右，在处理深厚淤泥土层时该种处理方法受到一定的限制。 2 、碎石桩复合地基 碎石桩加固软基以置换作用为主，它是通过专门桩机振冲成孔，成孔 后填碎石由振冲器上下振动使土体和填料被挤密实成桩，从而使地基得到 加固。这种处理方法对路堤稳定性提高不大，在珠江三角洲地区的软土( 淤 泥) 层，一般含水量高，土体的抗剪强度低，有的星流塑状态，不是很适 合采用这种软基处理方法。 3 、预应力砼管桩复合地基 管桩采用大型管桩预制厂定制的p h c 管桩，预应力钢筋为高强度刻 痕丝，采用螺旋箍，箍筋与主筋之间焊接，采用高效外加剂，二次搅拌， 武汉理工大学硕士学位论文 高速离心，蒸养一压蒸养护方式，桩身硷强度达到c b o ，高抗压抗剪强度， 且不受地下水影响，耐久性很强，质量有保证。”。由于打设时会产生较高 的孔隙水压力，并造成桩间土附加应力下降，承载力降低。管桩与袋桩砂 井应配合使用，先打设袋装砂井，在袋装砂井打设完毕后打设管桩，打设 以贯入疫进行控制，填筑宣在孔隙水压力演敬完后迸行。预应力砼管桩一 般用以构筑物桩基础，同时可以用以处理沉降过大的软基路段、桥头、涵 洞等位置，以减小不均匀沉降和加快施工进度。 管桩复合地基的优点在于管桩成品来自大型的预制厂，工艺简单，施 工质量有保证，施工现场文明。但是和粉喷桩一样，管桩复合地基同样存 在加固长度的问题；不适宜加固软土层很厚的路基段， 5 2 经济效益对比分析 5 2 1 经济效益分析 广捂高速公路工程孛，有的软土路段设主十改桥，现将预压处理、复合 地基以及桥进行经济效益对比分析，列表如表5 ，1 。 表5 1 各种软基处理方法每l o o m 赂段( 四车道) 单价和工期 可以看到常规堆载预压每1 0 0 m 处理单价最低，但施工工期域长，比 管桩和桥长近1 0 个月；桥处理的每1 0 0 m 单价最高，是管桩复合地基的 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 倍：碎石桩工期太长，且处理效果差，粉喷桩每l o o m 单价与管桩相 近，但是工期比管桩慢，且施工质量难以保证。 超载预压费用虽然远远低于管桩复合地基，但是工期长了1 0 个月， 1 0 个月公路营运的费用和节约的管理费用是相当可观的，除此之外还有 两个重要的方面应当考虑，一是高速公路提前1 0 个月完工的社会效益和 对地方经济的拉动所产生的效益，二是公路运营成本的降低，主要是省去 了由于预压处理后期工后沉降和不均匀沉降可能造成路面损坏的维修费 用。采用管桩复合地基将会带来的较好的综合效益。 武汉理工大学硕士学位论文 6 1 结论 第6 章结论与展望 本文针对软土路基处理，对高强度预应力砼管桩加固软土路基这样一 种路基填土下高强度桩体复合地基的模式进行了较为系统的研究。对路堤 填土下复合地基模型理论进行了研究，通过大量的数据分析，分析了该模 式的工作机理、变形性状的特点以及桩士协调的规律，提供了合理褥垫层 选择建议，通过有限元数值分析，对路堤填土下的复合地基的某些参数的 影响作了定性和定量的分析，最后对管桩加固软土路基进行了经济对比评 价和应用展望。 通过研究，得到的主要创新成果以及结论如下： 1 、推导了最小桩土置换率公式，丰富了填土下复合地基的变形模型 理论，并对差异沉降的影响和防范措施进行了一些探讨。 2 、通过现场对比试验研究，提出将复合地基的协调工作分为两个阶 段，以桩土应力比达到极值为分界点，第一阶段的调整总要是由土体的瞬 时沉降引起的，第二阶段的调整是由土体的主固结沉降而引发的，由于褥 垫层的调节作用，桩体间歇式的刺入垫层，不断的对桩一土应力进行协调， 以抵抗上部荷载，达到共同工作。 3 、柔性基础复合地基可以通过设置褥垫层增加上部刚度，提高桩体 承担荷载，但是设置原则和刚性基础下复合地基相反，不可盲目套用，厚 度和刚度的提高对路堤填土下复合地基有利，但是效果不是无限增强的， 褥垫层填料的级配和大小对复合地基的工作性状有很大的影响，填充材料 的粒径不应过小，且不宜含有粘土等杂质，对于该工程地质条件下，厚度 选取5 0 0 m m 左右为宜。柔性基础褥垫层厚度设置也应根据桩间土的性质 确定，当桩间土性质好时，为了更好的发挥桩间士的承载力，垫层的厚度 做薄些：当桩间土性质差时，为了更好的发挥桩体的作用，垫层的厚度做 武汉理工大学硕士学位论文 厚些。 4 、孔隙水压力和侧斜数据均反映了在整个填土期间不存在稳定性问 题，所以管桩复合地基的填土施工可以放宽控制。 5 、从经济角度出发，通过对比分析+ 说明了对于总沉降量大且工期 紧张豹软基路段，采用管桩加固软土路基可以获得较好舶经济效益帮社会 效益是一种值得大面积推广使用的新的软基处理技术。 6 2 展望 随着我国高速公路事业的迅速发展和市场经济体制的逐步完善，软基 处理的综合效益逐渐成为了高速公路建设的决定性因素，较基处理技术不 仅要成本低，更应具有工期短、处理效果好、施工质量可靠的特点，在这 种前提之下，管桩复合地基作为一种综合效益较高的新型处理方式将得到 越来越广泛的应用。有理由相信，随着应用过程中的经验和技术也的不断 积累和理论研究的不断深入，管桩复合地基的设计和施工将逐渐走向规范 和成熟，在不久的将来将会有更多的高速公路选择管桩加固软主地基，并 因此而产生较大的经济效益和社会效益。 但是目前对于管桩复合地基的研究还很不成熟，其加固机理、变形性 状以及变形控制和理论还有很多有待完善的地方。本文在很多方面只是管 中窥豹，很多方面也没有涉及，文中的不足总结起来有以下几点： l 、路堤填下复合地基变形摸型有很多不足之处需要进行完善，模 型推导公式也有待检验和进一步修正。 2 、由于经费和场地的关系，现场试验只是对不同褥垫层设置进行了 对比试验研究，而复合地基的影响参数还有很多，另外，由于四断面的地 质条件不可能完全一样，所以对某些数据进行对比可能出现偏差， 3 、数值试验采用的二维平面应变有限元，桩体简化为连续墙，导致 桩体作用夸大，且约束了桩问土的变形，对数值试验的结果产生了一定的 影响，所以一部分结果只能停留在定性研究的程度上。 武汉理工大学硕士学位论文 参考文献 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