（岩土工程专业论文）粉喷桩及塑料排水板加固软土路基试验研究及计算分析.pdf

叫j i 人学坝l j 学位论文 y 6 5 4 2 3 4 粉喷桩及塑料排水板加固软土路基 试验研究及计算分析 岩土工程专业 硕士研究生：林小军指导教师：何昌荣教授 捅要 本文结合广州南部地区仑头龙穴岛快速路试验路段中粉喷桩和塑料排水 板加固软土路基的工程项目，研究软地基处理中沉降、固结及稳定等问题。通过 粉喷桩水泥土室内试验研究，了解粉喷桩处理软土地基中水泥加固土的性质、掺 入量对水泥土强度的影响和水泥土的力学性质与龄期的关系，以确定最佳水泥掺 入量。通过常规方法计算方法，研究软卜路基的沉降量、平均固结度及稳定性。 通过线弹性有限元分析，研究粉喷桩复合地基存沉降、侧向位移和孔隙水压力的 增长与消散的规律，以及地基中的附加应力分布状况，了解粉喷桩复合地基在加 固软土路基中的作用及对地基固结的影响：研究塑料排水板加固软地基在沉降、 侧向位移和孔隙水压力的增长与消散的规律，以及地基中的附加应力分布状况， 了解塑料排水板对地基沉降、固结速度等方而的影响。软土路基处理及计算分析 是一个复杂的问题，本文所作工作对今后软土路基处理中的路堤稳定、沉降及固 结等问题提供了一定思路和方法，具有一定的参考价值和现实意义。 关键词：软土地基处理，粉喷桩，塑料排水板，水泥土室内试验，计算分析，有 限元 j 1 1 人学颂i 。学位论义 s t u d y o ns o f t c l a y t r e a t m e n t b yd r y j e t m i x i n g p i l e a n dp l a s t i c d r a i n a g e p l a t e m o j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l i nx i a o j u ns u p e r v i s o r ：h ec h a n g r o n g a b s r a c t t h ep a p e ri n c o r p o r a t e st h ep r o j e c to fs a t u r a t e ds o f t c l a yt r e a t m e n t 1 a tw a si nt h es e l e c t e dr o a do fl u n t o ut ol o n g x u e d a o h i g h w a yi ns o u t h r e ao fg u a n g z h o u c i t y i no r d e rt o s t u d y t h e p r o b l e m o f s t a b i l i t y , e t t l e m e n ta n dc o n s o l i d a f i o ni ns o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n t t h et e s to f e m e n t s o i lw a sd o n ei no r d e rt h a tt h e p r o p e r t yo fd r yj e tm i x i n gp i l e d j m p ) i ns o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n tw a sd i s c o v e r e d a tt h es a m et i m e ， t o wt h ec e m e n tc o n t e n ti n f l u e n c e st h es t r e n g t ho fc e m e n t s o i la n dw h a t e l a t i o nw a sb e t w e e nt h ec e m e n t s o i lm e c h a n i c s p r o p e r t ya n di t sa g ew a s 2 r l o w n b yt h et e s tt h eb e s tc e m e n tc o n t e n tw a sc o n f i r m e d t h en o r m a l , a l e u l a t i o ns t u d i e st h e s t a b i l i t y , s e t t l e m e n t a n d a v e r a g ed e g r e e o f , o n s o l i d a t i o no ft h es o f tf o u n d a t i o n w i t ht h e a n a l y s i so fl i n e a r - e l a s t i c i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s o m e t h i n ga b o u tt h ed j m p c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ：u c ha st h e s e t t l e m e n t ，t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，t h ei n c r e a s i n ga n d l i s a p p e a r i n g o fp o r e p r e s s u r e w e r es t u d i e da n dt h ed i s t r i b u t i o no f t d d i t i o n a ls t r e s sw e r es t u d i e d ，s ot h a tt h ea c t i o no fd j m pi n t h es o f t b u n d a t i o nt r e a t m e n ta n di t si n f l u e n c et ot h ec o n s o l i d a t i o nw e r e t ob e 叫川大学碳l 学位论文 k n o w na b o u t w i t ht h ea n m y s i so f n o n l i n e a re l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， t h et h e o r yo f u s i n gt h ep l a s t i cd r a i n a g ep l a t et ot r e a ts o f tc l a yw a ss t u d i e d d u r i n g t h es o f tc l a yw s s w e a t e d ，t h ed e v e l o p m e n to f t h es e t t l e m e n ta n d t h e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，t h ei n c r e a s i n ga n dd i s a p p e a r i n go fp o r ep r e s s u r e d e v e l o pa n dt h ed i s t r i b u t i o n so fa d d i t i o n a ls t r e s sw e r ec l e a r e du p s u c h ， t h ea c t i o no ft h ep l a s t i cd r a i n a g ep l a t ei nt h es o f tc l a yt r e a t m e n ta n di t s i n f l u e n c et ot h ec o n s o l i d a t i o nw e r et oh ek n o w na b o u t t h et r e a t m e n to f s o rf b u n d a f i o na n di t sc a l c u l a t i o nw e r ev e r yc o m p l i c a t e d ，t h ew o r ki nt h i s p a p e rp r o v i d e ss o m ew a yo f t h i n k i n ga n d m e t h o da b o u tt h ep m n e mi nt h e c a l c u l a t i o no ff o u n d a t i o ns t a b i l i t y , s e t t l e m e n ta n dc o n s o l i d a t i o n i th a d s o m er e f e r e n c ev a l u ea n d p r a c t i c a lm e a n i n g k e y w o r d s ：s o f tc l a yt r e a t m e n t ，d r yj e tm i x i n gp i l e ，p l a s t i cd r a i n a g ep l a t e ， t e s to f c e m e n t s o i l ，f i n i t ee l e m e mm e t h o d 绪论 第一一章绪论 1 1 公路软土地基及处理 在公路工程名词术语( j t j 0 0 2 - - 8 7 ) 中，软土定义为“由天然含水量大、 压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土，主要有淤泥、 淤泥质土及泥炭”。软土按环境分为下列四类：滨海沉积、湖泊沉积、河滩沉 积及沼泽沉积。软土的主要特点是： ( 1 ) 具有高含水量、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度的 特点 软土天然含水量m 4 5 5 0 ，大于液限，孔隙比e 大于1 0 ，塑性指 数i p 为2 0 以上，强度为l o 3 0 k p a ，压缩系数为口， o 5 m p a - 1 ，固结系数g 为0 1 1 o x1 0 c m v s ，灵敏度s t 为4 8 。因此，该类土的压缩沉降量大， 排水固结慢，地基稳定性差。 ( 2 ) 具有一定的结构性 除了南方湛江一带有高结构性土外，软土均具有一定的结构性。结构性的 形成随土的矿物成分、沉积环境、孔隙水的成分及沉积年代而具不同。 ( 3 ) 表层土呈硬壳层 这是由于地表部分风化、淋洗作用形成的，该硬壳层具有中等或低的压缩 i 生、较高的强度、较强的结构性。 路基工程，软土处理的主要方法有： ( 1 ) 垫层与浅层处理 垫层处理即在路堤与软基之间铺设一层透水性好的垫层，垫层起到排出孔 隙水的作用。浅层处理处治主要是用生石灰材料浅层拌和、换填、抛石( 堆土) 等方法对软基进行加固。浅层处理适用于表层软土厚度小于3 【l 的软土路段的 处理。 ( 2 ) 轻质路堤 1 绪论 即采用轻质材料作路堤，以减少路堤自重、减少沉降并增大稳定安全系数。 常用的轻质材料为粉煤灰。 ( 3 ) 反压护道 即在路堤的两侧或一侧设置反压护道适用于用地不受限制的地区。 ( 4 ) 预压及超载预压 通过临时堆载等方法对地基加载预压，达到预先完成部分或大部分地基沉 降，并通过地基的固结提高地基承载力的方法。 ( 5 ) 竖向排水体预压 在预压之间，在软基中设置竖向排水体，大大缩短了排水距离。加速了地 基的固结过程，能明显的提高预压的效果。常用的竖向排水体有袋装砂井、塑 料排水板及其它种类的土工合成材料复合排水体。 ( 6 ) 粒料桩 采用碎石、砂砾、废渣、砂等散粒料作桩料，采用一定的机械在软土地基 中形成粒料桩。粒料桩对地基土起置换、竖向排水及应力几种作用。 ( 7 ) 加固土桩 用专门的机械将软土地基的局部范围( 某一深度、某一直径) 内的软土柱 体用加固料改良、加固形成，与桩间软土形成复合地基。加固土桩有拌和桩法、 粉喷桩法等。 1 2 本文的研究课题m 随着广州市“南拓”计划的实施，将修建扩建许多高等级的公路，这些公 路全部经过珠江三角洲地区。主要地层岩性为第四系洪冲积及洲海相沉积层， 地层中大多分布软塑流塑状的软粘土、淤泥质粘土、淤泥等软土。近2 0 年 来，珠江三角洲地区处理类似软土地基的主要方法有： ( 1 ) 排水固结法 砂井或塑料排水板排水、堆载或真空预压。造价低，设计理论与经验、施 绪论 工技术等均较成熟，但工期较长，深度没超过2 0 m 。 ( 2 ) 碎石桩复合地基 由于该地区软土地基承载力1 0 3 0 k p a ，碎石桩置换率达3 4 4 9 ，置换 后复合地基承载力1 2 0 1 6 0k p a 。因此，造价较高，碎石桩压缩变形及复合地 基沉降量均较大。 ( 3 ) 粉喷桩复合地基 该方法近1 0 年在珠江三角洲地区应用较多，其原理与实际效果均较好。 但同碎石桩类似，不能形成排水固结，工后沉降较大，完成沉降的时间没有改 变，下卧层沉降量亦大。 以上几种方法在珠江三角地区大量使用，设计施工技术均成熟，经济效益 社会效益显著。但是，一般处理深度大多数在1 5 1 2 m 之问，没有超过2 0 m ， 对超深软土地基、超宽路堤的公路工程方面的研究还比较少。 本文依附广州南部地区仑头龙穴岛快速路试验路段( k 6 2 + 4 7 0 k 6 3 + 7 7 5 ) 的软基处理项目进行研究工作。该路段全长1 0 3 5 m ，软土厚3 3 5 4 2 。o m 。试验段分别采用粉喷桩和塑料排水板两种方案对软土地基进行加固。 对于粉喷桩处理软土地基，如何确定粉喷桩水泥土的最佳水泥掺入量，以 及水泥土到底有些什么物理力学性质，需要进行室内试验研究。粉喷桩复合地 基对减少路堤沉降、工后沉降等方面的影响，特别是由于粉喷桩不能形成排水 固结，桩间土的固结如何完成等问题需要进一步的研究。 对于塑料排水板处理软土地基，堆载、真空联合预压对土体固结速度的影 响，预压期及路堤筑期的应力应变及孔隙水压力状况如何；合理的施工填筑速 率是多少等等，这些问题虽然以前己做了不少研究，但由于该工程的超深软土、 超宽路基的特殊性，必须试验研究这种深厚软土的这些问题，推动软土地基处 理技术的近一步发展，为深厚软土层的处理技术积累经验。 绪论 1 3 课题的研究现状 对于粉喷桩水泥土特性的研究工作很多，除了大量的现场检测试验外，叶 观宝叫m 、周国均嘲等进行了大量的水泥土配比试验及工程性能试验，详细 分析了影响水泥土工程性质的因素，建立了相应的相关关系。上海市地基处理 技术规范中，首次列入室内水泥土无侧限抗压强度试验方法o ”1 。 软地基固结沉降主要计算方法有；分层总和法、太沙基一维固结理论、 实测沉降过程曲线推算沉降量。t e 奥固结理论( b i o tc o n s o l i d a t i o nt h e o r y ) 结合各种土体本构模型的有限元分析也获得了很大的发展。 分层总和法3 由于具有计算概念明确、方法简便易用的特点，成为各种规 范推荐的使用方法。采用分层总和法计算地基沉降时，把沉降计算深度范围内 的土体分成若干层，分别计算各土层的压缩量，然后再求其总和。分层总和法 主要有两种，一种时传统的分层总和法，另一种时规范0 1 推荐的分层总和法， 都采用侧限条件的压缩指标，应用平均附加应力系数计算。采用分层总和法计 算粉喷桩加固软土地基沉降时，其复合地基土层的压缩量主要有以下三种方法 “4 ：复合模量法，应力修正法，桩身压缩法：复合地基下卧层的压缩量主要有 以下四种方法1 ：应力扩散法，等效实体法，h i n d l i n g e d d e s 法，当层法。 太沙基一维固结理论“”建立了饱和土体的单向固结基本微分方程，通过求 解微分方程，获得一定初始条件和边界条件下地基固结沉降的解析解。单向固 结只有在荷载面积较大、压缩土层较薄时误差较小，但因为其计算简便而被近 似地用来解决许多实际工程的固结问题，这一方程至今仍被广泛应用。 实测沉降过程曲线推算沉降量法“”“”是根据实测的沉降值与时间的关系 绘出s 、一t 曲线，然后选择适当的s 。一t 曲线进行拟舍。主要有双曲线法、指 数曲线法、对数曲线法、沉降和时问倒数法等。实测沉降过程眭甘线推算沉降量 法是基于实测数据通过数值模拟来预测地基沉降的，因此具有较强的实用性。 比奥固结理论作为反映饱和土体固结问题的真三维固结理论能较为准确 绪论 的表达土体的变形一时间关系，对于该理论的研究和应用，国内外学者做了大 量的工作。r e g i b s o n ”，j b o o h e r ”7 3 等用复变函数给出了地基表面沉降的解； 黄传志、肖原“等给出了二维固结问题的解析解；胡亚元、黄立中、陈云敏、 吴世明等“”得到了多层地基b i o t 固结问题的理论解答；张吉园、张志勇等1 建立了多种模型下的有限元的比奥固结理论，并编制了相应的有限元分析程 序；陈光镜赵锡宏等”“求解了横观各向同性非均质地基的比奥轴对称固结问 题；张吉园、安危等0 4 研究了软土固结中孔隙水压力消散的有限元方法。 近年来，比奥固结理论结合线弹性模型、邓肯一张非线性弹性模型、弹塑 性模型和粘弹性模型等的有限元分析方法也得到了很大的发展。有限元分析方 法在不同工程地质环境中对土体的应力应变及孔隙水压力的变化规律也具有 较好的模拟性。对粉喷桩复合地基的有限元分析，在几何模型的处理上可以分 为两类“，一类是在单元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复合土体单元和非加固区土体单元，复合土体采用 复合材料参数。对塑料排水板处理软土地基的有限元分析，一般主要考虑塑料 排水板的排水作用，较少考虑其本身材料特性对软土强度的影响。塑料排水板 加固软土地基几个有待研究的问题是“：排水板的加筋作用对地基稳定性的影 响，地面砂石透水层的合理设置，工后沉降分析。 1 4 本文的主要工作与研究方法 本文的主要工作：粉喷桩水泥土室内试验研究；粉喷桩复合地基常规稳定 验算、沉降计算和固结度计算；粉喷桩复合地基有限元分析；塑料排水板加固 软地基常规稳定验算、沉降计算和固结度计算；塑料排水板加固软地基有限元 分析。 粉喷桩水泥土室内试验研究，主要是按不同水泥掺入量制作试样，然后把 制备好的每组水泥土试样按龄期为7 、1 4 、2 8 、6 0 、9 0 、1 8 0 天进行无侧限抗 绪论 压强度试验，测定各个水泥掺入量的水泥土不同龄期的无侧限抗压强度，并测 定水泥土的密度和含水量，把所得数据与淤泥的数据进行对比，由此了解粉喷 桩处理软土地基中水泥在加固中的性质、掺入量对水泥土强度的影响和水泥土 的力学性质与龄期的关系，以确定粉喷桩加固软地基时的最佳水泥掺入量。 对于粉喷桩复合地基，在常规计算中，主要是根据规范方法进行稳定验算、 沉降计算和固结度计算。在进行有限元分析时，材料的应力应变关系采用线弹 性模型，应用比奥( b i o t ) 固结有限元方法来模拟软地基加固后的沉降和固结 等方面的问题。 对于塑料排水板加固软地基，在常规计算中，主要是根据规范方法进行稳 定验算、沉降计算和固结度计算。在进行有限元分柝时，材料的应力应变关系 采用邓肯张非线性弹性模型，应用比奥( b l o t ) 固结有限元方法来模拟软 地基在堆载、真空联合预压过程中沉降、固结和孔隙水压力的增长及消散等方 面的问题。 1 5 本文主要成果 粉喷桩水泥土室内试验研究主要成果是：粉喷桩水泥土强度随水泥掺入量 的增加而增大的；水泥土强度随龄期的变化；水泥土含水量与密度较原状土的 增建情况。 粉喷桩复合地基常规计算的主要成果是：路堤填筑过程中的稳定性：路堤 沉降量；软土路基固结的过程；沉降与时问的关系曲线。粉喷桩复合地基有限 元分析的主要成果是：路堤沉降分布；侧向位移与深度的关系：路堤沉降、侧 向位移随时间的发展规律；地基中孔隙水压力的分布状况；孑l 隙水压力的增长 与消散的规律；地基应力分布状况；地基应力分布、沉降及侧向位移与孔隙水 压力增长与消散的关系。 塑料排水板加固软土路基常规计算的主要成果是：路堤填筑过程中的稳定 性：路堤沉降量；软土路基固结的过程；沉降与时间的关系曲线。塑料排水板 6 绪论 加固软土路基有限元分析的主要成果是：路堤沉降分布；侧向位移与深度的关 系：路堤沉降、侧向位移随时间的发展规律：地基中孔隙水压力的分布状况； 孔隙水压力的增长与消散的规律；地基应力分布状况；地基应力分布、沉降及 侧向位移与孑l 隙水压力增长与消散的关；系塑料排水板对地基沉降、侧向位移、 固结速度及地基应力分布的影响。 工程概况 第二章工程概况m 1 2 1 试验地点及目的 广州南部地区( 仑头龙穴岛) 快速路新龙特大桥北侧k 6 2 + 4 7 5 5 k 6 3 + 7 7 0 0 0 7 试验路段。解决在软土地基上较短时间内修建快速路的一系列难 题，确定合理的软基处理方案、填土速率控制标准和工后沉降预测方法等。 2 2 试验地段地质概况 试验段内覆盖层为第四系三角洲海陆交互相沉积层，下伏基岩为震旦系花 岗岩。从地表到深部分述如下： ( 1 ) 耕植土( q 7 。) ：灰黄色，松散，杂有植物根系。段内分布普遍，厚 度0 7 1 1 2 0 m 。为i 类松士。 ( 2 ) 淤泥( 高液限粘土( c h ) ( q r ) ：灰黑黑色，流塑状，饱和，无 砂感，滑腻感强，断面有光泽，干强度高，可搓成细土条，韧性高，摇震无反 应。上部岩芯不成形，下部稍完整。段内普遍分布，厚6 6 5 1 7 7 0 m 。天然密 度p = 1 5 1 1 7 2 9 c m 3 ，天然含水量( ) = 4 7 9 8 1 ，孔隙比e = 1 3 3 2 0 9 ， 液限含水量。= 3 9 5 7 6 5 ，液性指数i 。= 1 0 3 2 8 6 ，压缩系数a 。= 0 8 5 2 4 3 m p a ，压缩模量e s 一：= 0 9 8 2 4 4 m p a ，固结系数c ，= 0 1 9 2 7 1 0 。7 群s ，c h _ 1 2 3 1 0 4 5 1 0 4 m 2 s ，直剪凝聚力c = l _ o 1 1 0 k p a ，内摩擦角舻 = 9 1 2 0 1 。；在该层位进行标贯5 0 段( 次) ，修正后标贯试验锤击数最大值 为1 6 ，最小值为0 8 ，平均值为o 9 。为i 类松土。 ( 3 ) 低液限粘土( c l ) ( q y ) ：黑色，黄色，软塑状，湿润饱和，有 砂感，稍有滑腻感，表面稍有光泽，干强度中高，可搓成细土条，韧性中， 摇震反应慢，岩芯完整。厚2 0 0 6 7 0 m 。天然密度p 。= l _ 5 8 2 7 0 9 c m ”，天 然含水量u = 2 1 5 4 ，孑l 隙比e = 0 5 5 1 5 6 ，液限含水量。= 2 1 5 5 6 8 ，液性指数i 。= o 6 8 2 8 6 ，压缩系数a l - 2 = o 2 1 5 1 d p a - 1 ，压缩模量b 。 e 工程概况 = 1 4 7 7 6 3 m p a ，固结系数c 。= 0 1 7 4 5 1 0 。m 2 s ，c 一2 1 l 1 9 7 5 1 0 m 2 s ，直剪凝聚力c = 3 o 4 3 o k p a ，内摩擦角舻= 6 4 2 0 7 。；在该层位 进行标贯7 段( 次) ，修正后标贯试验锤击数最大值为9 8 ，最小值为0 8 ，平 均值为4 6 ：经计算承载力标准值最大值为2 5 2 6k p a ，最小值小于1 0 5k p a 。 为i i 类普通土。 ( 4 ) 粘土质砂( s c ) ( q 舻) ：黄色，湿润，中密密实，粘粒含量普遍 大于2 3 2 以上。砂粒以细粒为主，主要成分为石英。干时较硬，岩芯大部较 松散，局部完整，呈柱状。段内普遍分布，厚0 8 0 2 0 4 0 m 。天然密度p 。= 1 8 7 2 1 9 c 一，天然含水量= 1 6 7 8 3 4 1 ，孔隙比e = o 4 7 0 8 9 ，液 限含水量。= 1 9 3 2 7 2 ，压缩系数a 。= 0 1 7 0 5 3 m p a - 1 ，压缩模量e 。 = 3 4 2 8 3 2 m p a ，直剪凝聚力c = 3 o 5 7 0k p a ，内摩擦角妒- - - - 3 9 1 9 8 ”； 在该层位进行标贯2 3 段( 次) ，修正后标贯试验锤击数最大值为1 2 6 ，最小值 为2 8 ，平均值为5 7 ：经计算承载力标准值最大值1 6 1 o k p a ，最小值小于 1 4 0 k p a 。为i 类松土。 ( 5 ) 低液限粘土( c l ) ( q r ) ：灰黑色，软塑可塑，湿润稍湿，有 砂感，稍有滑腻感，表面稍有光泽，干强度中高，可搓土条，韧性中，摇震 反应慢，岩芯大部完整。段内多有分布，厚2 2 0 1 7 1 0 m 。天然密度p 。= 1 7 4 2 0 4 a m 3 ，天然含水量( _ ) = 2 1 9 4 7 ，孔隙比e = o 6 1 2 3 ，液限含水量u l = 2 4 8 5 7 4 ，液性指数i l = o 3 5 2 4 3 ，压缩系数a t - 2 = 0 2 2 o 6 8 m p a - ， 压缩模量e 。- - - - 2 2 6 1 0 2 m p a ，固结系数c ，= 1 5 7 2 3 4 1 0 - - m 2 s ，c h _ 3 3 1 1 2 4 1 0 m 2 s ，直剪凝聚力c = 6 o 3 9 o k p a ，内摩擦角口= 8 o 1 6 8 ”：在 该层位进行标贯2 l 段( 次) ，修正后标贯试验锤击数最大值为1 0 9 ，最小值为 2 1 ，平均值为3 9 ；经计算承载力标准值最大值为2 3 7 5 k p a ，最小值9 0 5 k p a 。 为i i 类普通士。 9 工程概况 ( 6 ) 粉土质砂( s m ) ( q ；”) ：浅灰黑色，稍湿潮湿，中密密实，粉 粒含量约1 6 8 4 6 2 。砂粒以细粒为主，主要成分为石英。干时较硬，岩芯 完整，呈柱状。段内普遍分布，厚1 1 0 1 2 9 5 m 。天然密度p = 1 7 2 1 9 1 9 c m z ，天然含水量- - - - - 3 0 ，2 4 3 o ，孔隙比e = o 7 9 1 2 ，液限含水 量。= 2 0 9 3 2 3 ，压缩系数a 。= o 1 5 o 5 5 m p a - ，压缩模量& 。= 3 9 1 1 1 3 5 m p a ，固结系数c ，= 4 5 5 x1 0 。m v s ，c , = 1 7 8 l o - + m , s ，直剪凝聚力c = 1 2 0 1 8 0k p a ，内摩擦角p - - - - 2 0 4 2 8 3 “；在该层位进行标贯1 3 段( 次) ， 修正后标贯试验锤击数最大值为1 2 4 ，最小值为5 4 ，平均值为6 9 ；经计算 承载力标准值最大值2 1 2 9 k p a ，最小值小于1 8 0 k p a ，为i 类松土。 ( 7 ) 低液限粘土( c l ) ( q 芦) ：浅灰黑色，浅灰白色，软塑可塑，湿 润，有砂感，稍有滑腻感，表面稍有光泽，干强度中高，可搓成细土条，韧 性中，摇震反应很慢，岩芯完整。段内透镜状分布，厚3 0 5 1 6 6 0 m 。在该层 位进行标贯1 3 段( 次) ，修正后标贯试验锤击数最大值为1 0 5 ，最小值为2 1 ， 平均值为5 1 ；经计算承载力标准值最大值2 6 8 8 k p a ，最小值小于1 1 6 7 k p a ， 为t i 类普通土。 ( 8 ) 级配不良砂( s p ) ( q 尹) ：浅灰白色，主要成分为石英砂粒，湿润， 中密状，下部粒径渐粗，岩芯呈松散状。段内普遍分布，后1 9 7 1 7 o o m 。在 该层位进行标贯1 7 段( 次) ，修正后标贯试验锤击数最大值为1 7 5 ，最小值为 5 ，7 ，平均值为8 5 ：经计算承载力标准值最大值2 6 4 9 k p a ，最小值小于1 8 0 k p a ， 为i 类松土。 ( 9 ) 花岗岩( z ) ：灰绿色灰黑色，中粗粒、片麻状结构，块状构造， 岩：毒大部分松散状，底部岩芯基本较完整，呈块状或短柱状。属全风化带( w ) 。 为i i 类普通土。 岩土的物理力学性质见表2 一l 和表2 - 2 。 1 0 工程概况 表1 - 1岩土的物理力学性质表 物理力学 天然含水原状重塑容许承桩周土极孔隙 指标液限塑限 容重量 土载力限摩阻力比 、 p o ( ) lc 1 ) pq uq 。【o 。1 i e 。 岩土 层名称 k n m 。k p ak p ak p ak p a1 8 淤泥1 66 65 12 81 25 54 02 511 低液限粘土 1 83 83 11 91 3 03 5o 7 粘土质砂 1 92 52 21 41 2 04 01 2 低液限粘土 1 84 43 92 31 4 04 01 0 粉土质砂 1 83 72 72 61 5 04 5 含砂低液限 粘土 1 93 51 5 04 5 级配不良砂 1 8 1 8 04 5 基岩全风化1 92 5 05 5 表卜2 岩土的物理力学性质表 物理力学 压缩压缩 直接快剪固结快剪 指标 固结系数 粘聚内摩粘聚内摩渗透系数 系数模量 力 擦角力擦角 、 、 a 1 - 2e $ 1 - 2 c v c h c o c 妒 k vk h 岩 层名称 m p a - im p a10 - 3 c m 2 s k p ak p ac m s 5 2 x6 , 3 淤泥1 51 6o 65 o3 o 505 01 6 0 1 0 81 0 。7 9 7 2 5 低液限粘土 0 83 51 5 6 08 ，01 0 09 01 8 o l o 一81 0 。7 粘土质砂 o _ 36 030 1 4 o1 6 o1 2 01 6 02 8 o 9 0 x3 3 低液限粘土 o 63 21 3 5 61 5 o9 02 5 02 8 o 1 0 81 0 。7 粉土质砂 0 47 64 6 18 01 5 0 2 4 02 0 o3 0 0 含砂低液限 8 , 5 5 8 1 5 01 0 0 粘土 l o _ 81 0 7 级配不良砂5 o3 0 0 基岩全风化1 8 03 0 o 工程概况 2 3 软基试验方案及设计目的 2 3 1 试验方案 试验路段结台涵洞、通道及桥位设置情况，地基加固划分十五个区段，其 中一区、六区、十二区为试验区，每个试验区设一个观测断面。具体设计方案 如下： ( 1 ) 一区采用粉喷桩加固，桩径o 5 m ，桩间距1 2 m ，正三角形布置，基底 铺设o 5 m 后的褥垫层，其间设两层双向土工格栅，最底层格栅距桩顶o 2 m 。 该区的测试断面为置6 2 + 5 0 0 ，路基横断面设计图及粉喷桩布置样见图2 1 所 示。 ( 2 ) 六区采用b 型塑料排水板加固，间距1 3 m ，正三角形布置，基底铺设 o 5 m 后的褥垫层，其间设两层双向土工格栅。为使试验具有代表性和指导意义， 试验填土高度均大于设计填高。试验填土高程8 1 6 m ，四周设1 2 m 的围堰，在 填土顶面和围堰内侧铺设一层无纺士工布和聚氯乙烯土工膜后抽水预压。该区 的测试断面为k 6 3 + 0 8 0 ，路基横断面及塑料排水板布置见图2 - 2 所示。 ( 3 ) 十二区采用丑型塑料排水板加固，间距1 s i n ，正三角形布置，基底铺 设0 5 m 后的褥垫层，其间设一层单向土工格栅，试验填土至路床顶面。该区测 试断面为k 6 3 + 5 2 0 。 2 3 2 试验目的 ( 1 ) 一区为粉喷桩复合地基处理方案，以解决桥头路堤沉降和结构物基础 承载力问题，研究复合地基沉降、桩间土孔隙水压力形成及消散过程、桩土应 力的变化规律。 ( 2 ) 六区为超宽路堤塑料排水板处理方案，研究超宽路堤的受力特点、沉 降发展规律。通过边桩及沉降观测，确定地基施工期填土速率。 ( 3 ) 十二区为一般路堤塑料排水板初恋方案，解决一般地段路堤软基处理， 研究路堤的受力特点、沉降发展规律。通过边桩及沉降观测，确定软土施工填 2 工程概况 土速率。 2 4 本文研究对象 ( 1 ) 一区粉喷桩复合地基处理方案，计算断面k 6 2 + 5 0 0 。研究水泥土不同 掺灰量的不同龄期的物理力学性质及复合地基沉降、桩间土孔隙水压力的形成 与消散、桩土应力的变化规律。 ( 2 ) 六区超宽路堤塑料排水板处理方案，计算断面k 6 3 十0 8 0 。研究超宽路 堤的受力特点、沉降发展规律及塑料排水板处理软土地基的孔隙水压力形成与 消散的变化规律。 7 , - ! ! ! 蚋墨璺型型i i i i 粉疃桩复合地基 、：、 # _ 蒜釜 5 “、 、而、 三 l z g 一 坠堕一 、： 要： 3 l i l 2 c 未! 坠皿， - _ _ 。 目女 图2 1k 6 2 + 5 0 0 横断面及耪喷桩布置样图 粉喷桩布置样图 工程概况 口，堡蜢i i 醒蛆i 丝 ；塑料捧木板扣嗣 * 塑科捧木板加固 - 。1 ；芝 # m h i 三 警! n e f r 群_ j 羔 整科祥水板布置样田 图2 2k 6 3 + 0 8 0 横断面及塑料排水板布置样图 4 水泥十室内试验研究 第三章粉喷桩水泥土室内试验研究 3 1 概述m 粉喷桩是指采用特制的设备和机具，将加固剂粉体材料( 水泥或石灰粉等) 通过压缩空气的传送，与地基土强行拌和，使之产生充分的物理化学反应后， 形成连续、水稳定的剐塑性桩体，与周围天然土体( 桩间土) 一起构成粉喷桩 复合地基。它是一种改善地基土质，提高地基强度的软土地基加固方法，具有 施工方便、造价低廉、适用性广等特点。由于粉喷桩采用粉体作为固化剂，不 再向地基中注入附加水份，反而能充分吸收周围软土中的水份，因此加固后地 基的初期强度较高，对含水量高的软土加固效果尤为显著。近年来，粉喷桩加 固软土地基的方技术来越多的使用在铁路、公路、市政工程、港口码头、工业 和民用建筑软地基加固及基坑工程中。 粉喷桩加固软土地基技术具有以下特点“1 ： ( 1 ) 粉喷桩由于是将固化剂和原地基软土就地拌和，因而最大限度的利用 了原土； ( 2 ) 搅拌时不会使地基侧向挤出，对周围原有建筑物影响很小： ( 3 ) 按照不同地基土和工程的设计要求，合理选择固化剂及其配方，设计 比较灵活； ( 4 ) 施工时无振动、无噪音、无污染，可在市区和密集建筑群进行施工； ( 5 ) 土体加固后密度基本不变，对软弱下卧层不会产生附加沉降： ( 6 ) 与钢筋混凝土桩相比，造价大大降低； ( 7 ) 根据上部结构的需要，可以灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等 加固形式。 水泥加固土的室内试验研究表明，有些软土的加固效果比较好，而有些软 土的加固效果则不够理想。一般认为含有高岭石、多水高蛉石、蒙脱石等粘土 矿物质的软土加固效果比较好，而含有伊利石、氯化物和水铝英石等矿物质的 水泥土室内试验研究 粘土以及有机质含量高、酸碱度( p h 值) 较低的粘性土加固效果比较差。 3 2 加固机理 水泥加固土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同，混凝土的硬化 主要是在粗填充料( 比表面不大、活性很弱的介质) 中进行水解和水化作用， 所以凝结速度比较快。而在水泥加固土中，由于水泥掺入量很小，水泥的水解 和水化反应完全是在具有一定活性的介质土的围绕下进行的，所以水泥加 固土的强度增长过程比混凝土缓慢。水泥加固土的硬化过程主要有以下几个方 面： ( 1 ) - 水泥土的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要是氧化钙、二氧化钙、三氧化二铝、三氧化二铁及三 氧化硫等组成，有这些不同的氧化物分别组成不同的水泥矿物：硅酸三钙、硅 酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。用水泥加固软土时，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，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、 含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。所形成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速 溶解于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水 溶解液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽然继续深入颗粒内部， 但新生产的物质己不能溶解，只能以细分散状的胶体析出，悬浮于溶液中，形 成胶体。 ( 2 ) 土颗粒和水泥化合物的作用 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粘土颗粒发生反应。 。一方面是离子交换和团粒化作用。粘土和水结合时就表现出一种胶体特 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n a + 或钾离子k + ，均能和水泥水化生成的氢氧化钙中的钙离子c a ”进行当量 吸附交换。使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高。水泥水 1 6 水泥士室内试验研究 化生成的凝较粒子的比表面积约比原水泥颗粒大1 0 0 0 倍，因而产生很大的表 面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的 团粒结构，并封闭各土团的空隙，形成坚固的联结，从宏观上看也就使水泥土 强度大大提高。 另一方面是硬凝反应。随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离 子，当其数量超过离子交换的需要后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二 氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶 于水的稳定结晶化合物，增大了水泥土的强度。 ( 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，生成不溶子水的碳酸钙，这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的 速度较慢，幅度也较小。 从水泥土的加固机理分析，由于搅拌机械的切削搅拌作用，实际上不可避 免地会留下一些未被粉碎的大小土团。在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的 现象，而土团间的大孔隙基本上已经被水泥颗粒填满。加固后的水泥土中形成 一些水泥较多的微笑区域，而在大小土团内部则没有水泥。只有经过较长的时 间，土团内的土颗粒在水泥水解产物的渗透作用下，才逐渐改变其性质。因此 在水泥中不可避免地会产生强度较大和水稳定性较好的水泥石区和强度较低 的土块区。两者在空间相互交替，从而形成一种独特的水泥土结构。因此，搅 拌越充分，土块被粉碎得越小，水泥分布到土中越均匀，则水泥土结构强度的 离散性越小，其宏观的总体强度也越高。 3 3 水泥土室内试验研究 3 3 1 试验目的 了解粉喷桩加固中水泥在加固中的性质、掺入量对水泥土强度的影响和水 泥土的力学性质与龄期的关系，以确定最佳水泥掺入量。 水泥土室内试验研究 3 3 2 试验设备及试样制备 ( 1 ) 试验设备 采用c b r 一1 型承载比试验仪，将水泥土视为土样对待，按照土工试验规程 s l 2 3 7 0 2 0 1 9 9 9 进行试验“。 ， ( 2 ) 固化剂 本次试验采用的水泥是普通硅酸盐水泥，标号是4 2 5 。初步确定水泥的掺 入量为1 7 ，再取前后两级，即做水泥掺入量为1 3 、1 5 、1 7 、1 9 、2 1 共五组 进行室内的水泥土配合比试验。 ( 3 ) 水泥土试样的制各及养护 、 试验土样取自试验路段现场，先把取出土样后装密封的塑料袋中，然后再 装入蛇皮袋内，装箱后运送至实验室备用，保证了所取土样的质量。制作试样 前先测定土样的含水量及密度。 由于实际工程中淤泥的含水量u = 4 7 9 8 1 ，取样淤泥的含水量在 5 2 2 6 6 4 3 4 之间，为了使试验更具有代表性和各组试样的试验结果具有可 比性，首先把淤泥的含水量调到6 5 7 0 之间。具体操作是：取出适量土样， 按照测定的含水量和土样重量计算所需掺入的水量，加水后采用手工方式进行 反复搅拌揉捏，使土样均匀含水，搅拌均匀后从中取样测定其实际含水量。 然后把备制好的土样按不同的水泥掺入量制作试样，试样尺寸 h x d = 1 1 5 5 0 5 m m ，每个水泥掺入量制作2 0 个试样备用。具体操作是：取出一定重 量的土样，按照水泥掺入量计算所需加入的水泥，称取水泥均匀撤入样，采 用手工方式进行反复搅拌均匀，把水泥土装入试样筒进行密实( 注意确保试样 芯部的密实和外表的乎整以保证试样质量) ，保留试样筒两端土体超出筒口3 5 m m ，装样完毕后放置在潮湿密闭容器中，超过1 2 小时后取出，把超出筒口的 土体平整刮掉，从试样筒中取出水泥土试样。 在实际工程中，粉喷桩埋没地下，水泥土周围充满饱和状态的淤泥。若按 水泥土室内试验研究 照一般混凝土试样的保养方法，把试样放置在密闭潮湿常温的环境下保养，水 泥土试样中的水分仍然会蒸发，强度增加，这样不符合实际工程情况。所以， 取出成型的水泥土试样分组标签后，用土样淤泥将其紧密包裹，放置在密闭潮 湿的容器里面，常温下保养。由于成型试样已有一定的强度，因此直接用淤泥 包裹，不会对其形状产生影响，水泥土试样包裹在淤泥中进行保养，可以使试 验条件更加接近实际工程情况。 ( 4 ) 试验方法 把制各好的每组水泥土试样按龄期为7 、1 4 、2 8 、6 0 、9 0 、1