（森林工程专业论文）水泥搅拌桩和塑料排水板联合处理软基的试验研究和工程应用.pdf

摘要 在我国东南沿海、珠江三角洲、长江三角洲地区广泛的分布着中等或深厚的软土地层。 软土的特点是舍水量高，抗剪强度低，压缩系数高，渗透性差，沉降稳定历时长。在上述 地区修建高速公路，作为大型线状构筑物的高速公路不可避免的要遇到软基地区，如何正 确评价和处理这些地区的软土路基，解决好目前软土地区高速公路建设中路基的稳定和沉 降两大技术难题，对高速公路的建设和建成后的正常运营具有重要的意叉和参考价值。因 此对于软土地区的软基处理已成为高速公路修建的关键技术问题之一。 本文结舍在广泛的分布深厚软土地基上修建盐淮高速公路的工程实践，根据盐淮高速 公路建设工期紧，质量要求高的建设特点，提出了采用水泥土搅拌桩短桩与塑料排水板长 板联合处理软土地基的方法，并在盐淮高速会路的软土地基处理中进行了工程应用和试验 研究。通过对试验段的沉降观测、土压力观测、桩间土性能变化的现场试验和水泥搅拌桩 有效桩长的现场试验等一系列试验研完表明：该联合处理法与单独预压排水法相比，由于 水泥土搅拌桩短桩的存在，有效的提高了软土地基的稳定性，加快了路堤施工速率，相应 的缩缀了工程建设的周期；与单独深层搅拌桩相比，由于塑料排水板长板的存在，加快了 深部软土的固结沉降，将工后沉降控静j 在一定的范圃内。使用谈联合处理法对试验段软基 进行处理，充分考虑和利用高速公路建设的特点，较好的解决了软土地基的稳定和沉降问 题。能够达到缩短工期，提高软土地基承裁力，减小工后沉降，降低造价的目的。本文同 时还结合试验段现场监测和试验的分析对水泥搅拌桩和塑料排水板联合处理的复合地基 的处理方案、处理后的复夸地基的承载力评价、沉降分析计算方法等进行研究，根据联合 处理法复合地基的特点，提出了联合处理方案设计思路。 关键词：水泥搅拌桩；塑料排水板；软土地基；沉降；土应力；有效桩长；方案设计 t h e a p p l i c a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho f c e m e n td e e pm i x i n gp i l ea n dp l a s t i cd r a i n a g eb o a r dw e l l t oi m p r o v es o f t - s o i lr o a d b e d a b s t r a c t m i d d l eo rd e e ps o f t s o i ll a y e r sd i s t r i b u t e dw i d e l yi nc h i n as o u t h e a s ts e a b o a r da l e a ，s h o o i n g d e l t aa r e a , y a n g t z er i v e rd d ma i e a t h es o f ts o i lh a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hw a t e rc o n t e n ta n d l o wa n t i - s h e a r ss t r e n g t ha n dh i 北c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n ta n dl o wp e n c t r a b i l n ya n dh i g h s e n s i t i v i t y i nt h ea b o v ea r e a sb u i l d i n ge x p t 嘲s w a yw i l lu n a v o i d a b l yf a c es o f t - s o i l h o wt o c o r r e c t l ve v a l u a t ea n dd e a lw i t ht h es o f t - s o i lr o a d b e do ft h e s ea l e a s ，t ow o r ko u tac o r r e c t s o l u t i o nt ot h et w ot e c h n i c a ld i f f i c u l tp r o b l e m so fs t a b i l i z a t i o na n ds u b s i 出w h i c hi si m p o r t a n t t ob u i t de x p r e s s w a ya n dn o r m a l l y 脚w h e ne x p r e s s w a yi sb u i l t t h e r e f o r e ，h o wt od e a lw i t h s o f t - s o i lr o a d b e dh a sb e c o m eo n ek e yt e c h n i c a lp m b k m 幻b u i l de x p r e s s w a yi ns o r s o i la f c a t h i sp a p e rc o m b i n i n gw i t ht h ec o n s t r u c t i o no f y a n h u a iv x p m s s w a yw h i c hh a s c h a r a c t e r i s t i c so f b a dg e o i o g yc o n d i t i o na n ds h o r t e rw o r kp e r i o da n dh i g hq u a n t i t yr e q u e s t a c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e r r a i s e st h em e t h o do fa d o p t i n gs h o r to e m e n td e e p m i x i n gp i l ea n dl o n gp l a s t i cd r a i n a g eb o a r dw e l lt oi m p r o v es o f t - s e l lr o a d b e d ，w h i c hi su s e di n t h ec o n s t r u c t i o no f y a n h u a ie x p r e s s w a y t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hi n d i c a t e s ：t h i sm e t h o dh a s m a n y v i r t u e sf i r s t l y ，t h i sm e t h o d 蝴e f f e e t l v e l yi m p u r et h es u 瞄l i t yo f t h es o f ts o i l f o u n d a t i o n ，q u i c k e nt h er o a d b e dc o n s t r u c t i o nv e l o c i t y ，s h o r t e nt h e 刚0 do fe n g i n e e r i n g c _ o n s t n l e t i o rs e c o n d t y , t h i sm e t h o dc a l le f f e c t i v e l yc o n t r o lt h es u b s d cw i t h i nt h es c o p eo f c e r t a i n t h i r d l y ，t h i s m e t h o d c a n l o w e r t h e c o s t s o f t h e p r o j t c t i na w o r d 。t h i s m e t h o d i shg o o d m e t h o dt os o l v et h es o f t - s o i lf o u n d a t i o np r o b t c r a k e y w o r d ：c e m e n td c e pm i x i n gp i l e ；p l a s t i cd r a i n a g eb o a r dw e l l ；s o f t - s o i lf o u n d a t i o n ；s u b s i d e ； s t r e s sr a t i oo f s o i l ；v a l i dl o n go f s t a k e ；p r o j e c td e s i g n 致谢 本文是在导师吴育琦副教授的悉心指导和关怀下完成的。三 年来，吴老师平易近人的品格，严谨的治学态度，学术中孜孜以 求曲精神，使我受益匪浅，为我今后的工作学习树立了楷模。在 此，谨致以衷心的感谢和致意，衷心的祝福导师全家幸福安座。 论文的顺利完成还得益于盐城市交通局周启兆副局长和同 济大学地下建筑和工程系叶观宝教授、徐超副彀授，他们不仅在 论文砖资料收集、内容安排、方案板计等方面恰予了无私的帮助， 而且还在论文的审稿和修订过程中给予了捐导和帮助。在此。表 示最真诚的谢意。 同时，感谢三年来土木工程学院和研究生部各位老师曲谆谆 教诲和无私帮助。 感谢三年来在我读研期间给予我支持和帮助的各位同学。 感谢我的家人给予我的深切关怀和支持。 刘孝江 2 0 0 5 年6 月 1 1 立题的背景及意义 1 绪论 淮安至盐城高速公路是江苏省规划的“四纵四横四联”干线网中的“横二”徐州至淮 安、盐城公路的东段，它连接淮安和盐城两个省辖市，直接沟通京沪、盐靖和盐通高速公路。 它的建成对促进苏北腹地的经济发展和内外部联系进而推动江苏全省区域共同发展和社 会经济向更高层次的发展具有重要作用。但该段高速公路所经地区广泛发育着深厚的软土 地层，作为大型线状构筑物的盐淮高速公路跨越了不同的地貌单元，沿线不可免的遇到各 种各样的软土地质条件，如何正确评价和处理该地区的深厚软土路基，解决好目前深厚软 土地区高速公路建设中路基的稳定和沉降两大技术难题”“，对该段公路建设和建成后的正 常运营具有重要的意义和参考价值。路基的稳定和沉降问题，关系着工程建设的施工进度、 安全、工程质量等重要问题。如果对软土地基的稳定和沉降问题处理不当，软土地基在路 堤荷载的作用下，地基会产生局部或整体剪切破坏，导致地基失稳；或沉降变形过大，导 致地基或路堤开裂破坏，影响构造物的正常使用。因此对于软土地区的软基处理已成为高 速公路修建的关键技术问题之一。 就盐淮高速公路盐城段来说，软基处理占总长度的2 3 ，每公里的软基造价：水泥土 搅拌桩长按9 米来计，砂垫层按0 ，4 米厚计、每公里处理费用约i ( 1 0 0 万元。即使用塑排 板+ 砂垫层+ 堆载预压方法来处理，每公里造价也需约5 0 0 万元。如此复杂的地质条件和昂 贵的造价，对工程质量和总造价具有重要影响，因此该段的软基处理倍受建设和管理单位 的重视，并进行了多项课题研究。 目前，工程中解决软土路基稳定和沉降问题的主要措施有以下几个方面“：一是延长 等载或超载施工预压期，使软土地基在预压荷载的作用下，遍墓强度有所提高，地基的沉 降尽可能多的在施工期间产生，达到有效消除工后沉降，使工后沉降满足规范的要求。二 是采用在地基中打设砂井、排水板、抽真空等处理措施，由u 快地基土的排水固结速率，尽 可能使软土地基在施工期内产生较大的排水固结沉降，增大土体的强度，使路基稳定性逐 步提高。三是采用桩体复合地基等加固措施，提高地基的承载力，使地基在高填路堤等外 荷载的作用下，保持稳定，并能有效的减小工后沉降和路基总沉降。四是采用临时过渡路 面，待过渡路面在外荷载的作用下，路基变形稳定后，再正式修筑路面。五是采用提高路 基设计标高的方法预留沉降量来抵消路基的沉降。上述五种解决方案，虽然能够在一定程 度上解决软土路基稳定和沉降问题，但是缺点也是显丽易见的，方案一、二由于需要预压 或固结稳定，会导致工期延长；方案三对深厚软土的处理，深部履璧不易保证，同时造价 昂贵；方案四、五对于要求建设周期短，质量要求高的嵩速公路建设不适用。 根据在我国多年的高速公路建设过程中积累的经验，针对不同埋藏深度、不同厚度和 不同特点的软土地基，可以选择换填、强夯、预压排水固结、碎石桩、水泥土搅拌桩、c f g 桩、甚至桩基等不同的技术方案对原地基进行处理和加固。在广泛发育着中等和较厚软土 地基的地区，预压排水同结和深层搅拌桩是处理该类地区软土地基的首选加固技术措旌。 基于建设周期和地基条件综合考虑，但在中等和较厚软基处理中预压排水固结法和水泥土 搅拌桩法同时都存在着一些自身的不足。如预压排水固结法施工期与预压期较长，会直接 导致总工期延长；水泥土搅拌桩法造价偏高，同时水泥土搅拌桩深部的施工质量不易保证。 另外，在建设实践中，不同段落( 桥头段、过渡段和常规段) 以及常规段的不同标段的软 土地基往往采用不同的地基加固措施，由于不同段落的沉降速率有差异，即使最终工后沉 降能够满足要求，在不同时期，段落间的沉降差仍会给公路运营和维护带来很大的困难。 盐淮高速公路的建设具有工期紧，质量要求高等特点，如何解决好盐淮高速公路软基 处理中的稳定和沉降问题，保证地基有足够的承载力，在快速填筑路基的施工中保持软基 的稳定性，工后的沉降符合规范的要求，同时又能达到缩短工期和有效的降低工程造价的 目的是本文要研究并解决的问题。本文就是在充分的考虑路基的稳定和沉降，工程的建设 工期和造价等因素的情况下，结合盐淮高速公路的软土地基条件和工程建设特点，提出了 联合使用水泥搅拌桩复合地基法和塑料排水板( 排水固结) 法两种处理软土地基的方法处 理软土地基，即采用水泥土搅拌桩短桩与塑料排水板长板联合处理软土地基的方法。该联 合处理法与单独预压排水法相比，由于水泥土搅拌桩短桩的存在，有效提高软土地基的稳 定性，可以加快路堤施工速率，从而相应螗短建设周期；与单独深层搅拌桩相比，由于塑 料排水板长板的存在，可以加快深郝软土的圊结沉降，从面将工后沉降控制在一定的范围 内。因此使用该联合处理法对软基进行处理，可以充分考虑和利用高速公路建设的特点， 能够较好的解决软土地基的稳定和沉降问题，达到缩短工期，提高软土地基承载力，减小 工后沉降，降低造价的目的( 与常规水泥搅拌桩复合地基相比) 。 本文针对盐淮高速公路盐城段深厚层软地基的处理，提出了采用水泥搅拌桩和塑料 排水板联合加固软土地基的处理方案，通过对试验段现场沉降观测、土压力观测、孑l 压静 力触探试验和扁铲侧胀试验多项现场观测和试验，研究了水泥搅拌桩地基加固与塑料排水 板排水固结两种软土地基处理方法联合处理后复合地基在路堤填筑荷载作用下的沉降、桩 土应力和桩间土工程性能等变化的规律。搽索了评价复合地基词结魔和强度增长的理论 和方法。该项目的研究将对深厚软粘土地区高路堤公路、兔銎油罐及类似工程建设具有重 要的实际意义和经济价值。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 复合地基发蕊概况m 我国地域辽阔，软弱地基类型多，从沿海到内黼，由山区到平原都有着广泛的分布。 自改革开放以来土木工程建设规模大，发展快，在工程建设中，有时不可避免的遇到软基 地区，我国是发展中国家，建设资金紧张，如何在保证工程质蠢的翦提下节省工程投资显 得十分重要。因为复合地基技术能够较好利用增强体和天然跑基两者共同承担构筑物的潜 能，具有比较经济的特点，所以复合地基技术比较适合我国国情，近年来在我国得到长足 的发展。1 9 9 0 年在河北省常德市，由中国建筑学会地基基础专业委员会黄熙龄院士主持 召开了我国第一次以复合地基为专题的学术讨论会，会上交流总结了复合地基技术在我国 2 的应用情况，有力的促进了复合地基理论和实践在我国的发展。龚晓南在1 9 9 1 年编写的 复合地基引论和19 9 2 年编写的复合地基中比较系统的总结了国内外复合地基理 论和实践方面的研究成果，提出了基于广义复合地基概念的复合地基定义和复合地基的理 论框架，总结了复合地基承载力和沉降计算思路和方法。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了复合地基和实践学术研讨会，总 结了成绩，交流了经验，共同探讨了复合地基发展中的问题，促进了复合地基理论和实践 水平的进一步提高。 近年来复合地基理论和实践研究日益得到重视，复合地基已经成为一种常用的地基基 础形式，随着地基处理技术和复合地基理论的发展，复合地基技术在我国各地得到广泛应 用。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、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，加筋土地基等。复合地基技术在房屋建筑、高等级公路、铁路、堆场、 机场、堤坝、码头等土木工程建设中得到广泛应用。复合地基技术的推广应用产生了良好 的社会效益和经济效益。 1 2 2 水泥搅拌桩法处理地基的发展概况。”8 水泥深层搅拌桩( c e m e n td e e pm i x i n gp i l e ) 是用专用的施工机械将水泥与土在原 位拌和形成的具有一定强度的柱体。根据施工方法分为粉喷桩( 称干法) 和深层搅拌桩( 称 湿法) 。深层搅拌桩源自二次煎界大战后的美国，当时美霄研制成的一种就地搅拌桩( m i p 法) ，即从不断回转的螺旋钻中空轴的端郝向周围正被搅拌的土中喷出水泥浆，经叶片的 搅拌而形成水泥土桩，桩径0 5 0 7 m ，长度i 0 1 2 m 。1 9 5 3 年日本清水建设株式会社将 此法从美国引入日本，1 9 6 7 年日本港湾技术研究所参照m i p 工法的特点，研制成功石灰 搅拌施工机械。在此基础上，1 9 7 4 年日本港湾技术研究所、川崎钢铁厂和不动建设株式 会社等科研单位和厂家合作研制成功水泥搅拌固化法( c m c 法) ，此后日本多家科研单位 又开发以螺旋钻机为基本施工机械的c s l 法、豫d 法以及喷射粉体的搅拌法一d j m 法， 并在大型堆石场、港口工程建设中的防波堤、码头岸壁及高速公路高填路堤下的深厚软土 地基的加固工程中。以上各种处理方法凡是固化剂采甩水泥材料的统称为c d m 法( c e m e n t d e e pm i x i n gm e t h o d ) 。 深层搅拌桩在我国的发展起步于2 0 世纪7 0 年代末期，1 9 7 7 年由冶金建筑研究总院 和水运规划设计研究院开始进行深层搅拌法的室内试验和机械设备的研制工作，1 9 7 8 年 末，试制成功了我国第一台s j b i 双搅拌轴、中心管辘浆、陆上型的深层搅拌机及其配 套设备，加固深度1 0 1 2 m ，1 9 8 0 年天津市机械施工公司与交通部一航局科研所合作研制 成g z b 一6 0 0 型深层搅拌机械。最大加固深度1 5 m ，同年年初上海宝山钢铁总厂的三座卷 管设备基础，采用了深层搅拌法处理获得了成功，同年1 1 月由冶金部主持通过了“饱和 软粘土深层搅拌加固技术”鉴定，开始了深层搅拌桩加固技术的推广应用。2 0 世纪8 0 年 代初期，我国铁道部桥梁工厂和上海探矿机械厂等科研单位开发成功了喷( 水泥) 粉型的 深层水泥搅拌桩机械，其加固原理与喷浆型搅拌机械一样，只是用水泥粉代替水泥浆，与 软土混合形成水泥土搅拌桩。19 8 3 年浙江大学和浙江临海市一建机械旌工处共同研制出 d s j 一型单轴深层搅拌机，最大加固深度2 0 2 2 m ，桩径0 4 0 7 m 。目前常用的深层 搅拌机型除了s j b 一型外，科研单位同时还开发了s j b 一2 2 d 型和s j b 一3 7 d 型单轴粉浆两 用机型。 1 9 8 2 年周国钧在国内首先开展了水泥土力学性能试验研究，得到了水泥上基本物理 力学性质，1 9 8 9 年浙江大学的林琼采用一维固结试验的方法对水泥复合土的复合模量进 行了试验研究，1 9 9 3 年张土乔采用三轴压缩仪对水泥土的力学性能进行了全面的试验研 究，得到了单轴试验及三轴试验应力一应变关系，利用三轴试验测定了水泥土的变形模量 e 。并建立了变形模量e 。与单轴抗压强度q u 的关系，1 9 9 3 年段继伟采用在水泥土桩中设 置应变及压力传感器的方法，测定了静载试验中，桩身的应变及应力，研究了水泥上桩的 荷载传递特性。建设部颁布的建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 9 1 ) 把水泥深层搅拌 桩单独列为一章，详细规定了水泥土桩的设计、施工、检测等有关条文，对水泥土桩的应 用起了极大的推动作用。 目前，水泥深层搅拌桩工程实践已走在理论研究的前面，应用范围突破了早期只用在 低层建筑的界限，1 9 9 9 年吴连祥在南方把水泥深层搅拌桩用于1 2 1 5 层的高层建筑的软 土地基处理实践中，桩长为8 1 2 5 m ，并且采用了长短桩相搭配的设计方案，取得了很 好的经济效益。1 9 9 8 年侮开胜等在南京软地区，研究桩长达2 7 m 的深长水泥深层搅拌 桩的施工技术，用于南京炼油厂的5 万立方米油罐地基。经充水预压试验，在2 4 0 k p a 的 使用荷载作用下，地基沉降量仅2 9 6 7 m m ，平均4 3 栅，地基处理很成功。地基处理费用 为6 0 0 万元，比原钢筋混凝土预制桩基方案1 2 0 0 万元的造价，节约了6 0 0 万元，经济效 益十分可观。 随着国民经济建设的发展和水泥深层搅拌桩的施工机械及施工方法的逐步成熟，深层 搅拌法的应用也得到了很大的发展，它已广泛应用予工业厂房、民用住宅、道路工程、港 口工程、水利工程、市政工程等许多领域。从全国范围来看，每年施工的搅拌桩均超过 3 0 0 0 万延米，累计完成的工程量达数亿延米，取得了可观的经济效益和良好的社会效益。 但是在水泥深层搅拌桩广泛应用的同时，原有的深层水泥搅拌桩设计理论及检验方法 在某些方面已经满足不了工程实践的需要，因此还应进行更深入的研究，探索新的设计理 论及检验方法。 1 2 3 塑料排水板处理地基的发展概况5 9 塑料板排水( p l a s t i cd r a i n a g eb o a r dw e l l ) 法是垂直排水法一种，塑料板是一种 新型的复合型工合成材料，它由塑料制成排水芯带，外包一层透水土工织物滤膜组成， 将其打入软土地基之中，作为排水通道，可使较土地基加速排水固结。它是在砂井排水法 和纸板排水法的基础上发展起来的。 人们最先使用3 0 5 0 c m 的砂柱作为排水材料进行垂直排水法较基处理。但是当地基 产生变形时，砂井被截断，不能保持砂井的连续性，对于这种情况，后来采用将砂填入透 水的袋中，形成一种边续性良好的袋装砂井。 4 1 9 3 6 年瑞典土质学家k j e l l m a n 首先研制了排水纸板，利用带沟槽的纸板作为排水通 道，最先以瑞典和比利时为中心的纸板排水法主要在欧洲广为采用，后来日本也采用这种 方法，以美国为代表的美洲系统则多采用砂井排水法。纸板排水法的先期效果较好，但是 纸板排水材料存在被堵塞、腐蚀、施打时被截断，地基产生沉降和变形时被截断，以及排 水通道内水头损失随时间增大等许多问题，随后发展成塑料排水板，它具有排水效率高、 投资省、施工简单、速度快、对周边土层扰动较小等优点。我国于8 0 年代初期开始引进 并使用塑料排水板，随后发展很快，现己逐渐代替砂井，广泛应用于海港、公路、铁道、 水利、建筑等土木工程的各个领域。 目前，国内外许多专家和学者采用二维的比奥固结理论，对塑料排水板加固软土地基 作了研究，通过建立非线性的固结模型、用有限单元法计算出沉降与时间的关系，一定程 度上取得了进展。1 9 9 1 年，修建沪宁高速公路时，采用了塑料板排水软基处理方法，南 京水利科学研究院通过对比试验来验证塑料板排水的处理效果，出版了论文专集高速公 路软基处理，取得了一定的成果，在塑料板排水软基处理方面，这是我国一项大型的试 验研究，做大量的现场对比试验，为以后的理论研究提供了依据。1 9 9 0 1 9 9 2 年，深训 市福田保税区的建设采用了大面积的塑料板排水软基处理工程，许多学者对此工程作了较 为全面系统的研究，井出版了论文专集中深福田开发公司工程文集福田保税区专 集。这是深圳首次采用大规模的塑料板排水软基处理，主要从试验角度上对此方法进行 研究，为深圳以后大面积地使用此方法作了理论准备。1 9 9 2 年，h i r dcc ，p y r a hi c ， r u s s e l ld 利用有限单元法对塑料板排水加固软土堤坝进行了三维数值模拟。19 9 4 年李广 信、陈轮、蔡飞对加筋土体的应力变形的计算方法作了研究，找到了较为有效的计算方法。 1 9 9 6 年，南京市绕城公路二期工程板桥试验段采用土工织物加筋和塑料板排水联合处理 地基，获得了很好的的加固效果，河海大学赵维炳教授采用平面应变比奥固结有限单元法， 计算分析了此工程加固处理的匿结过程。 以上是塑料排水板软基处理应用研究的主要现状，这种处理方法己经广泛应用于软基 处理，试验研究较多，但理论计算，特别是大型数值模拟较少，主要原因是加筋体与土体 作为一个复合土体，其应力应变过程很复杂，目前各种计算方法都对实际情况作不同程度 的简化处理，计算结果与实侧值有一定的差距，存在一定的缺陷，塑料排水板软土处理方 法，还处于理论探讨阶段，远未达到成熟应用的地步。 1 3 本文主要研究的问题 本文围绕高速公路建设过程中面临的各种复杂的软土地基处理问题，特别是目前深厚 软土地区高速公路建设中路基的稳定和沉降两大技术难题。根据目前常用的深厚软土地基 处理方法的优点和不足，结合江苏省盐淮高速路软土地基处理的特点和施工要求，提出了 采用水泥搅拌桩和塑料排水板联合处理软土地基的方法，并对采用水泥搅拌槛和塑料排水 板联合处理的软土地基进行了一些试验研究，主要的研究内容有： 1 对试验段中不同处理方法进行处理的段落进行沉降观测，采集试验段地基沉降监测 数据，通过对现场采集的监测数据分析，研究常规水泥搅拌桩、塑料排水板、水泥搅拌桩 和塑料排水板联合处理复合地基在预压条件下的地基沉降变化规律和地基土的固结特性。 2 对试验段中不同处理方法进行处理的段落进行土应力监测，研究常规水泥搅拌桩、 塑料排水板、水泥搅拌桩和塑料排水板联合处理复合地基在路堤填筑荷载作用下的地基的 桩顶和桩间土的应力变化规律。 3 对试验段原状和路基填土结束后经过路基荷载预压后的桩闯土分别进行两次孔 压静力触探试验和扁铲侧胀试验，通过试验研究经过路基荷载的预压后桩问土工程性能的 前后变化，初步了解桩间土受水泥搅拌桩施工和塑料排水板施工影响。 4 - 对水泥土搅拌桩复合地基的设计理论中的有效桩长问题进行研究，为水泥搅拌桩和 塑料排水板联合处理方案中如何确定水泥搅拌桩短桩桩长服务，进一步完善联合处理法。 5 结合试验段现场监测和试验的分析，对水泥搅拌桩和塑料排水板联合处理的复合地 基的处理方案、处理后的复合地基的承载力评价、沉降分析计算方法等进行研究，提出水 泥搅拌桩和塑料排水板联合处理软土地基的处理方案设计思路。 6 2 工程概况和联合处理试验段的处理方案 2 1 工程概况和试验段地质条件5 ” 淮安至盐城高速公路是江苏省规划的“四纵四横四联”干线网中的“横二”徐州至淮 安、盐城公路的东段，它连接淮安和盐城两个省辖市，直接沟通京沪、盐靖和盐通三条纵向 高速公路，是横穿苏北腹地的一条重要的东西向交通要道，它的建成对促进苏北腹地的经 济发展和内外部联系进而推动全省经济向更高层次的发展具有重要作用。盐淮高速公路本 期工程西起京沪高速公路东侧的淮安市马甸镇，穿越射阳湖荡区，在盐城境内穿越1 2 个 乡镇，止于盐通高速公路盐城东枢纽，全长1 0 4 公里，盐城境内7 3 公里，全线采用四车 道高速公路标准，路基宽度2 8 米，计算行车速度1 2 0 k m h ，桥梁设计荷载汽一超2 0 、 挂一1 2 0 。 盐淮高速穿越了湖泊沉积和滨海沉积不同类型的地貌单元，整个穿越的地区广泛的发 育着中等或深厚的软土地层。盐城东段呈东南与西北走向，西部穿过古泻湖射阳湖沼泽地 带，地势低洼，外缘陆地标高只有0 4 米，软土裸露，厚度4 6 米变化，由西向东覆盖 层逐渐加厚到2 米左右，软土厚度也逐渐加厚到2 0 米左右。路线过了串场河之后，软土 地质由泻澳相向滨海棚过渡，土质变化大、不均匀、夹层交替，出现透镜体。如何正确评 价和处理该地区的软土路基，对该段公路建设和建成后的正常运营具有重要的参考价值。 就盐淮高速公路盐城段来说，较基处理占总长度的2 3 ，每公里的软基造价：水泥土搅拌 桩长按9 米来计，砂垫层按d 4 米厚计、每公里处理费用约1 0 0 0 万元，即使用塑排板+ 砂垫层+ 堆载预压方法来处理，每公里造价也需约5 0 0 万元。如此复杂的地质条件和昂贵 的造价，对工程质量和总造价具有重要影响，因此该段的软基处理倍受建设和管理单位的 重视，进行了多项课题研究。 2 2 软土地基的加固处理 2 2 1 软土的定义和工程力学性质 2 2 1 1 软土的定义“”。“ 各专业技术部门对软上的定义不尽相同，国内外也均无统一的结论。有的定义软土一 般是含水量、孔隙比大，抗剪强度低，渗透系数小，且压缩性、灵敏廑高的粘性土的总称； 有的将软土泛指近代沉积的剪切强度低、压缩性大的软弱土层，主要为饱和软粘上，在天 然地层剖面上，它往往与泥炭或粉砂交错沉积；有的定义软土一般是在静水或缓慢水流中 以细颗粒为主的近代沉积物，即流速减缓与温度变化使徽细粒径的粘土矿物和有机质在悬 浮液溶解力粘滞性降低的条件下，逐渐沉积的饱和软弱糕性土；有定义软土是指天然含水 萤大，压缩性高，承载力低的一种软塑到流塑状态的粘性土，如淤泥、淤泥质土以及其他 高压缩性饱和粘性土、粉土等。公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 - - 9 6 ) 中对软土的划分标准采用天然含水量3 5 或液限、天然孔隙比1 o 、十字板剪切强度 0 3 5 时 土的侧限压缩模量脲* 由于岛是未经修正的模量，土的变形性状一般由胁，来描述的。侧限压缩模量m 是一 维竖向排水条件下的变形对矿。的切线模量，在在扁铲侧胀试验中记作m m 。m w 的计算采 用如下通式： m m = r m e d 其中风是厶和尼的函数，估计表达式见表3 4 。 表4 4 脯的估计襄达式 厶、丘的范围尼的计算式 i d 0 6凡= 0 1 4 + 2 3 6l o gk d i 。3r _ = 0 5 + 2l o gl ( d 轧= 耻o + ( 2 5 一氏o ) l o gk n 0 6 i 。 1 0凡= 0 3 2 + 2 1 8l o gk n 当凡 1 0 0 ) 取值。 6 5 2 田结沉降量 地基土的固结沉降的计算方法多采用分层总和法“1 ，压缩试验资料可由e p 曲线、 压缩模量e 或e - l g p 曲线提供。 采用e p 曲线时，固结沉降应按下式计算： j 。= 墨e o l l - e 1 1 嘶( 6 - - 1 6 ) i ie o l 式中。一第i 层土中点处土自重应力所对应的孔隙比； 一第i 层土中点处士自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比； 碱一第i 层土的分层厚度，在分层时，不同层之间的界面作为当然分层界限； 一一沉降计算深度范围内分层总数。 对于复合层，当面积置换率比较高( 布桩较密) 时，根据实践经验可以不计其固结沉 降量，反之，应计算桩间土的固结沉降量。 6 5 3 最终沉降量 联合处理法处理后的软土地基的最终沉降量应为瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降之 和，当不考虑次固结沉降时，最终沉降量。表示为： 。；5 。+ s ，( 6 1 7 ) 或者按照经验公式估算地基的最终沉降量： = 屯 ( 6 1 8 ) 式中沉降计算经验修正系数，通常为1 1 1 4 。 则在一级旖载瞬肘施加上以后，地基的沉降随时间而不断发展，某一时刻地基的沉降 量以可按下式计算： t 咐+ 玩j 。 ( 6 1 9 ) 式中玩一r 时刻地基的平均固结度，可按固结层与为加固层固结度的厚度加权平均取值 其余符号同上。 6 6 联合处理方案设计思路 在进行软土地基加固设计前，首先应根据路堤葡度 荷载) 、地基条件( 软基厚度与 空间分布) 和建设周期等条件和要求，确定是否有必要采用联合处理法加固软土地基，如 果确定应用该联合处理的方法进行如固，可采用如下的思路和方法进行设计。 6 6 1 水泥搅拌桩短桩复合层设计 根据需要处理路段的地质勘探资料和上部设计文件，分析地基条件和计算上部荷载， 以复合地基承载力为控制原则，进行复合层的初步设计。 ( 1 ) 根据室内配比试验结果确定水泥掺量，计算出桩身强度与刚度； ( 2 ) 结合地基条件确定有效桩长，以有效桩长为上限，比较有效桩长、最大桩长、 临界桩长，结合联合处理法提高复合地基的承载力的能力，以满足在整个路堤填筑施工期 地基的稳定性要求，桩越短越经济的特点，取其短者，然后分别按桩长( 桩侧摩阻力和桩 端天然地基承载力) 和桩身强度计算单桩承载力，取其小者作为设计计算值； ( 3 ) 按式( 6 1 ) 调整面积置换率和桩长； ( 4 ) 以面积置换率进行布桩，按式( 6 3 ) 计算桩距，按式( 6 - 4 ) 计算总桩数。 6 6 。2 塑耕- 瑚# 水掘设计 ( 1 ) 结合水泥搅拌桩的布置，初步确定塑料排水板的布置形式，塑料排水板与水泥 搅拌桩短桩在平面上可以等间距布置，也可以不等间距布置； ( 2 ) 根据软土层的实际厚度确定排水板的插入深度，在深度上，塑料排水板穿过水 泥搅拌桩短桩复合层插入深部软土，可以穿透软土层 较薄时) ；也可以不穿透软土层( 较 厚时) ，具体可按照地基压缩层厚度确定，以2 0 m 为上限。 6 6 3 沉降和承戴力控制设计 ( 1 ) 以最后路堤高度作为荷载条件，按式( 6 1 5 ) 、( 6 - - 1 6 ) 、( 6 - - 1 7 ) 或( 6 1 8 ) 、 ( 6 - - 1 9 ) ，计算地基的最终沉降量s 。和预压期结束时的沉降量岛。此时，t 等于预压期长 度，或考虑分级加载时，取小于预压期的某一时间段长度，判断血，= 一j ，是否满足相 应路段工后沉降设计要求。若满足，进行承载力控制设计计算；若不满足，需要对塑料排 水板的间距进行调整，也可采用超载预压的方法增大路堤蘅载来处理，直至满足为止。 ( 2 ) 根据路堤施工的实际情况，按分级加荷或簿速加赫，按式( 6 8 ) 计算短桩底 平面上的附加应力，并验算是否小于排水层的地基承载力，根据附加应力的大小调整加荷 速率。 6 6 4 施工控制设计 ( 1 ) 按式( 6 1 0 ) 、( 6 1 2 ) 分别计算在一级荷载作用下固结层和未加固层的平均 固结度，根据经验公式估算地基土的强度变化，并作为下一级加荷的依据； ( 2 ) 按地基承载力要求和地基土的强度交化情况，确定分级或等速加载计划，直至 达到路堤设计高度； ( 3 ) 根据加荷计划，校核工后沉降是否满足设计要求。如不满足，需要调整加荷计 划或采用超载预压措施，直至满足为止。 在实际工程实践中，应进行孔隙水压力和地蒸沉降监测，并以此作为后续施工速率控 制的依据和设计变更的依据。 4 5 7 结论与展望 本文针对盐淮高速公路盐城段软土地基的处理问题，结合盐淮高速公路建设的特点提 出了水泥搅拌桩和塑料排水板联合处理该段软土地基的处理方案。该处理方案与单独预压 排水法相比，由于水泥搅拌桩短桩的存在，有效的提高了地基的稳定性，缩短了预压期， 加快了路堤施工速率，从而相应的缩短工程建设总工期；与单独深层搅拌桩相比，由于塑 料排水板的存在，可以有效的加快深部软土的固结沉降，从而将工后沉降控制在一定的范 围内，同时还能降低工程造价。本文通过对试验段和相邻路段的水泥搅拌桩复合地基试验 段的试验研究，结合有关理论知识和分析计算，得出以下结论： 1 水泥搅拌桩和塑料排水板联合处理方案处理软土地基，能够有效的提高软土地基 承载力，满足路基快速填土施工要求，可以加速软土地基的沉降和地基土固结，将工后沉 降控制在规范允许的范围内。与水泥搅拌桩或塑料排水板单独处理软土地基相比，在处理 软土地基方面具有明显的优势。 2 桩土应力比n 具有时效性。整个填土施工过程中，无论是常规段还是联合处理段， 在上部填土荷载下，桩与土所承担的应力一直处于相互协调的过程中。联合处理段，桩土 应力比对短桩阕距比较敏感，桩距对于联合处理法复合地基妁工作性能影响很大。水泥搅 拌桩短桩间距较大时，桩的作用不明显，桩土荷载分担比较均匀。通过调整水泥搅拌桩和 塑料排水板的间距、长度以及预压方式来使不屈段落之阕沉降速率协调一致成为可能。该 发现对于本联合处理法在高速公路软土处理中的应用研究具有启示意义。 3 常规处理水泥搅拌桩长桩复合地基和联合处理水泥搅拌桩短桩复合地基都能有效 的减少总沉降量，但由于水泥搅拌桩短桩桩长较短，桩端支撑力小，加上塑料排水板的排 水固结作用，使水泥搅拌桩短桩复合地基的总沉降量羁显毖长楗复合地基总沉降量大，因 此水泥搅拌桩短桩复合地基能使相当一音分沉晕量在预压阶段完成，使处理过后的路基工 后沉降符合规范要求。 4 水泥搅拌桂复合地基处理软土地基存在有效桩长。在不对变形有特殊要求的情况 下，水泥搅拌桩复合地基中水泥土搅拌桩桩长不宜超过有效桩长。通过试验表明，盐淮高 速公路软土地基处理试验段中水泥土搅拌桩的设计仍有优化的空间，试验段的水泥搅拌桩 的有效桩长应小于b o m 。 5 联合处理方案设计中，水泥搅拌桩短桩桩长在满足壤土荷载对复合地基承载力要 求的前提下，要尽可能减小桩的长度，这样可以更好的体现该联合处理法的优越性，节省 工程经费。计算水泥搅拌桩短桩的单桩承载力时，应将其视为纯摩擦桩，短桩的单桩承载 力全部由桩体强度或桩周土摩阻力来确定。 由于时间仓促，以及本人理论知识和分析能力的局限，还存在一些不足和需要进一步 研究的地方。在本文即将结束之时，对需进一步研究的地方做一些展望： 1 桩端天然地基土的承载力折减系数堪，桩间土承载力修正系数p ，强度折减系数q ， 部是一个范围值它们的取值受人为因素影响大，如何满足技术上可靠，经济上合理，恰当 选择合理值，还有待于在工程实践中迸一步探讨。 2 由于时间仓促，本文仅对完成路基填土工作前的联合处理段沉降进行了观测研究， 对于联合处理段最终沉降还需进一步观测验证。 3 载荷试验可用于判别地基土的相对强度，但仅能作为确定承载力的参考依据，在实 际工程中，还应该根据各地区通过大量的实践，结合多种试验手段建立起地区性、单元性 的软土地基及各类复合地基的承载力和变形沉降经验值。作为工程设计的可靠依据。 4 通过本次联合处理的工程实践，希望能够进一步拓宽软土地基处理方法。 4 7 参考文献： 【1 公路软土地基路堤设计与施工技术规范j t j 0 1 7 9 6 人民交通出版社2 13 1 8 5 9 5 【2 岩土工程技术规范g b 5 0 0 2 1 9 4 中国建筑工业出版杜1 9 9 4 9 5 3 】港口工程技术规范j t j 2 1 9 8 7 人民交通出版社，0 9 8 7 8 6 8 7 【4 公路工程名词术语j w 0 0 2 8 7 人民交通出版社1 9 8 73 6 1 5 】高国瑞近代土质学东南大学出版社，1 9 9 0 2 8 6 1 0 2 6 】叶书麟、叶观宝，地基处理中国建筑工业出版社1 9 9 7 5 2 1 4 2 【7 】公路桥涵地基与基础设计规范j t j 0 2 4 - - 8 5 人民交通出版社，1 9 8 5 。i i 1 5 【8 粉体喷搅法加固软弱土层技术规范t b l 0 1 1 3 - - 9 6 中华人民共和国行业标准，1 9 9 6 9 徐永福、陈冠军高速公路路基软士的特性及其处理方法比较山西交通科技1 9 9 8 4 1 1 9 ) 2 3 2 8 【1 0 】建筑地基基础设计规范5 0 0 0 7 - - 2 0 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