（水利工程专业论文）灰色理论在粉喷桩复合地基承载力预测中的应用研究.pdf

山东人学1 ：程硕士学位论文 摘要 随着建筑规模和范围的日益扩展，将会出现越来越多地质条件不能满足承 载力或变形要求的地基，这就要求我们善于针对不同的地质条件、不同的结构 物选定最恰当的地基处理方法。 复合地基法由于其适用范围大，可选性强，已发展成为我国地基处理的重 要处理方法。粉体喷射搅拌桩作为水泥搅拌桩的干法，采用粉体作为固化剂， 能充分吸收周围软土中的水分，为软土地基加固技术开拓了一种新的方法，在 国外得到广泛应用，在我国软土地基加固方面得到推广使用。 相比较而占，粉喷桩尚属于一种比较新兴的处理方法，虽然其设计理论有 了很大的发展，但在设计中各种影响因素的确定，还有很多工作要做，其中作 为复合地基重要指标的承载力的确定尤其重要。 载荷试验是当前确定复合地基承载力的主要方法，但在实际工程中，由于 试验条件等因素所限，很多时候载荷试验结果往往不能满足确定承载力的要 求。 如果个系统既含有已知信息，又含有未知信息或未确知信息，这个系统 就为灰色系统。灰色系统理论属于系统论的范畴，是研究这种信息不完全系统 的方法，主要通过对“部分”己知信息的生成和开发，提取有价值的信息，实 现对系统运行行为的正确认识和有效控制。从载荷试验中可以得到一些确定的 信息，但有些因素仍然难以了解清楚，所以可以把它作为一个灰色系统来进行 分析，利用灰色理论对其中的规律性进行分析研究。 含一个变量、一阶灰色微分方程的灰色预测模型g m ( 1 ，1 ) ，用于时间短、 数量少、波动性少的预报问题效果较好。利用数值计算软件m a t l a b 程序的编 程、绘图等方便功能，编制了m 程序，可方便应用于载荷试验沉降的工程预 测，并直接将结果用曲线图表示。 本文利用g m o ，1 ) 模型对莱钢永锋钢铁有限公司高炉区某工程的粉喷桩 载荷试验资料实现了沉降曲线的预测，结果显示，在沉降预测中采用g m ( 1 ，1 ) 山东大学工程硕士学位论文 模型方法预测精度高，做出外推性的预测是可行的。对不同级别预测的结果显 示，不同数量的原始数据导致预测结果的不同，数据越多反应的信息越多，预 测结果精确性越高。 关键词：复合地基粉喷桩承载力灰色预测 山东大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h es t e a d yd e v e l o p i n go fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ec o n s t a n te n l a r g e m e n to f t h eb a s i cc i v i le n g i n e e r i n g ，m o r ea n dm o r es u b g r a d et h a tc a n tm e e tt h er e q u e s to f c a p a c i t yo rs e t t l e m e n tc o m e sf o r t h t h e r ea r ev a r i o u sm e t h o d sf o rm a n a g i n gs o r g r o u n d ，w es h o u l db e9 0 0 da tc h o o s i n gt h ea d e q u a t eg r o u n dt r e a t m e n tm e t h o da d a p t t od i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n db u i l d i n g s f o ri t sa b r o a du s i n gr a n g e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sb e e nt h em a j o rm e t h o do f g r o u n dt r e a t m e n ti nc h i n a b e i n gt h ed r ym e t h o do fc e m e n td e e pm i x i n g ，t h ed r yj e t m i x i n g ( d j m ) i san e wt o o l t op r o c e s st h es a t u r a t e ds o f te a r t h u s i n gp o w d e ru s s o l i d i f i c a t i o np h a r m a c e u t i c a l ，t h ed r yj e tm i x i n gp i l ec a l la b s o r bt h ew a t e ri nt h e s a t u r a t e ds o f te a r t hs u f f i c i e n t l y t h em e t h o dh a sb e e nu s e dw i d e l yo v e r s e a sa n dn o w i sp o p u l a r i z i n gi no u rc o u n t r y t h et h e o r yo ft h ed j mc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni st r a i l e db e h i n db yt h ep r a c t i c eo f t h ed j mc o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h i sl e a d st ot h el i m i t a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to f d j mm e t h o d s oi ti si m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nt h e o r e t i c a l l y b e i n go n ei m p o r t a n ti n g r e d i e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n , t h ed e t e r m i n i n go fc a p a c i t y i sv e r yi m p o r t a n t n o wl o a dt e s ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st od e t e r m i n et h ec a p a c i t y o fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n , w h i c hs o m e t i m e sc a n ts a t i s f yt h en e e df o rs o m et e s t r e a s o u s 1 1 l es y s t e mw h i c hi n c l u d i n gb o t hk n o w na n du n k n o w ni n f o r m a t i o ni sc a l l e d g r e ys y s t e m g r e ys y s t e m ，as y s t e mt h e o r y , c a ng a i nc o r r e c tu n d e r s t a n d i n ga n d c o n t r o lt h e s y s t e mo p e r a t i o nt h r o u g hg e n e r a t i n g a n d e m p o l d e r i n g k n o w n i n f o r m a t i o n w ec a ng e ts o m ec e r t a i ni n f o r m a t i o nf r o ml o a dt e s t , b u tt h e r ea r es o m e u n c e r t a i ni n f o r m a t i o n s oi tc a l lb et a k e na st h eg r e ys y s t e ma n da n a l y z e db yg r e y t h e o r y u s i n gg r e yf o r e c a s t i n gm o d e lg m ( 1 ，1 ) ，w h i c hi saf i r s t - o r d e rd i f f e r e n t i a l e q u a t i o nw i t ho n ev a r i a b l e ，w ec a l lg e tn i c ep r e d i c t i n gr e s u l t so ns h o r t t i m e ，a i i i 山东大学工程硕士学位论文 f e w - a m o u n ta n dl i t t l e f l u c t u a t i o np r o b l e m s w i t hm a t h e m a t i c ss o t tm a t l a b ，w ec a n p r o g r a m m e dmf u n c t i o nf o rs e t t l e m e n tf o r e c a s t i n go fl o a dt e s ta n dp l o tt h er e s u l t s b ym a t l a bd i r e c t l y g m ( 1 ，1 ) w a su s e dt op r e d i c tt h ed j ml o a dt e s tr e s u l to fl a i g a n gy o n g f e n g b fp r o j e c t i tc k i b _ et ot h a th i g hp r e c i s i o nc a nb eg a i n e db yu s i n gg m ( 1 ，1 ) i n s e t t l e m e n tp r e d i c a t i o n i ti sf e a s i b l ef o re x t r a p o l a t i o n w h e nt h en u m b e ro fd a t a c h a n g e s ，m o r ed a t am o r ep r e c i s er e s u l t sc a nb eg o t t e nw i t hm o r ed a t ap r e s e n t e d 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 d r y j e tm i x i n gc a p a c i t yg r e yp r e d i c t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：诘眵豇礁 日论文作者签名： 型业! 至 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：边玺丝i 导师签名： 日期： 山东大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 自改革开放以来，我国土木工程发展很快，工程建设规模日益壮大，许多 建筑物有时不得不在地质条件较差的场地上进行修建，特别是软弱地基问题越 来越突出。为满足建( 构) 筑位移物的要求，在工程建设中往往需对软弱地基 进行处理【l 捌。 我国各个地区地质、地貌等情况不尽相同，软弱地基形成机理也不尽相同。 因此，在对软土地基加固处理时需根据当地的实际情况，采取切实可行的处治 方法，以保证建筑物的安全与经济。我国劳动人民在地基处理方面有着极其宝 贵丰富的经验，根据历史记载，早在两千年前就己采用在软土中夯入碎石等压 密土层的夯实法。另外，灰土和三合土的换土垫层法也是我国传统的建筑技术 之一。 建筑物地基一般面临的是以下四方面的问题：地基承载力和稳定性；o 变 形( 沉降、水平位移及不均匀沉降) ；o 渗漏； 液化。 1 地基承载力和稳定性 当地基承载力不能满足要求时，在建( 构) 筑物荷载作用下地基将会产生 局部或整体剪切破坏，影响建( 构) 筑物的安全与正常使用，严重的会引起建 ( 构) 筑物的破坏。天然地基的承载力主要与土的抗剪强度有关，也与基础型 式和埋深有关。天然地基承载力不能满足要求时，需要进行地基处理，形成人 工地基，以满足建构筑物对地基承载力的要求。 2 变形 在建( 构) 筑物的荷载作用下，地基沉降或水平位移、不均匀沉降会超过 相应的允许值。若地基变形超过允许值，同样会影响建( 构) 筑物的安全与正 常使用，甚至是破坏 3 1 。天然地基的变形主要与荷载大小和土的变形特性有关， 与基础型式也有一定关系。若天然地基的变形不能满足要求，则需要进行地基 处理，形成人工地基，满足对地基变形的要求。 3 渗透 当地基中水力比降超过允许值时，地基土会因潜蚀、管涌产生破坏而导致 上部结构的破坏造成工程事故。天然地基渗透问题主要与土的渗透性有关。若 天然地基不能满足要求则需对地基土进行改良，减少土的渗透性，或在地基中 设置止水帷幕，阻截渗流，以防止潜蚀、管涌等现象。 4 液化 在动力荷载作用下，会引起饱和松散粉细砂或部分粉土产生液化，使土体 市区抗剪强度而近似液体特性的现象，从而导致地基失稳。 综上所述，地基处理的目的主要集中在提高软弱地基的强度、保证地基的 稳定；降低软弱地基的压缩性、减少基础的沉降和不均匀沉降；防止地震时地 基土的振动液化；消除特殊土的湿陷性、胀缩性和冻胀性等几个方面。为了达 到上述目的，通常有两类方法：一类是对天然土体进行改良；另一类是在天然 土体中插入或置换材性较好的材料，如砂石、土工合成材料、混凝土、钢管等【3 1 。 按地基处理的作用机理分类，主要就是置换、夯实、排水、胶结、加筋和冷热 处理等处理方法i 侧。 水泥土搅拌法( c e m e n td e e pm i x i n gm e t h o d ) 主要适用于加固饱和粘性土和 粉土等地基【6 】，在地基处理中应用较广。它是利用水泥( 或石灰) 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( 浆液或粉体) 强制搅拌，使 软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固体，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，水泥搅拌法分为深层搅拌法 和粉体喷搅法( 简称粉喷) 两种。前者是用水泥浆液和地基土搅拌，而后者则 是在前者的基础上发展起来的。简单说粉喷法就是通过特制的深层搅拌机械， 在加固深度范围内把水泥粉( 或石灰粉) 与切碎的软弱土原位强制搅拌，利用 水泥和地基土间所产生的一系列物理、化学反应，使地基土硬结成水泥土柱状 体，即粉喷桩；粉喷桩与软土一起构成复合地基，从而达到加固软弱地基的目 的。所以，水泥搅拌桩主要是在桩体范围内通过胶结固化作用，形成具有较高 2 山东大学工程硕士学位论文 强度桩体的桩，但对周围土体没有挤密作用，是一种以置换为主的胶结加固方 式。 经工程实践证明，水泥土搅拌法经济效果显著，目前已成为我国软土地基 建造6 7 层建筑物最为经济合理的处理方法之一同。随着实践活动的日益增多、 工程资料的日益丰富，各种地基处理方法也必将获得进一步发展，这对于加快 基本建设速度、节约基本建设投资具有特别重大的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 复合地基基本理论及其发展【纠3 1 近4 0 年来，国内外在地基处理技术方面发展十分迅速，老方法得到改进， 新方法不断涌现。随着地基处理工程实践的发展，理论研究工作也在逐步发展。 理论与实践的相互促进、共同发展，使地基处理成为土力学基础工程领域中的 一个较有生命力的分枝，地基处理在国内外都处于方兴未艾和重要的地位。经 过地基处理形成的人工地基大致可分为三类：均质地基、多层地基和复合地基。 其中不少地基处理技术是通过地基处理形成复合地基来达到提高地基承载力、 减少沉降。 复合地基是一个新概念，正在不断发展之中 1 0 1 。随着实践的发展，复合地 基的含义也有个发展过程，从初期仅指在天然地基中设置碎石桩而形成的复 合地基到现在广义的复合地基，随着实践中各种新的地基处理技术的出现而得 到扩展。广义上讲，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( 天然土体或 被改良的天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。根据地基中增强体 的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基，其中竖向增强 体复合地基通常称为桩体复合地基。 复合地基有两个基本特点： l 复合地基是由基体和增强体两部分组成的，属于两种刚度模量不同的材 料组成，所以复合地基是非均质和各向异性的； 3 2 复合地基在荷载作用下，基体和增强体共同直接承担荷载的作用，对于 桩体复合地基，桩和桩间土共同分担上部荷载并协调变形。 复合地基处理方法中，除了换填垫层法、预压法、强夯法、化学法，其余 大多属于桩体复合地基，应用范围较广，相对研究也就多。 桩体复合地基按照作用机理可分为桩体作用、垫层作用、挤密作用、加固 作用、加筋作用等，具体内容如下【1 0 1 。 l 桩体作用：复合地基中桩体的刚度较周围土体大，当产生等量变形时， 地基中应力按材料模量进行分配。桩上产生应力集中现象，大部分荷载 将由桩体承担，桩间土所承担的荷载相对较小，这样就使得复合地基承 载力较原地基有所提高。随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥愈加明显。 2 垫层作用：桩与桩间土形成的复合地基，在加固深度范围内形成了复合 层，这可以起到类似垫层的换土，均匀地基应力并使应力扩散作用增大。 在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，垫层的作用尤为明显。 3 挤密作用：对于砂桩、土桩、石灰桩等，在施工过程钟由于振动、沉管 挤密或振冲挤密、排水等原因，使桩间土起到一定的密实作用。 4 加固作用：水泥土类桩和混凝土类桩，它们可以减小地基土的压缩系数， 使加固后的复合地基的固结系数大于加固前原地基土的固结系数，起到 了加速加固的作用。 5 加筋作用：复合地基在提高了地基承载力的同时，同时可以提高士体的 抗剪强度，从而提高了土的抗滑作用。 龚晓南在文献【“】中根据竖向增强体的性质将桩体复合地基分为三类：散体 材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。 散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度， 单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料桩 复合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩 侧侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。 柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定粘结强度，柔性桩中部 4 山东大学工程硕士学位论文 分强度较高的桩已较强地表现出桩的性状。柔性桩复合地基的承载力由桩体和 桩间土共同构成，其中，绝大多数情形，桩体的置换作用是主要组成部分。柔 性桩复合地基的桩体主要形式有土桩与灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。 刚性桩复合地基的桩体通常以水泥为主要胶结材料，有时由混凝土、或由 混凝土与其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩土共同作用，通常在桩顶 设置一定厚度的褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合 地基具有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力具有较大的调整幅度。 叶书麟掣6 】贝0 把复合地基按成桩材料分为如下三类：散体土类桩复合地基、 水泥土类桩复合地基、混凝土类桩复合地基。 段继伟【1 2 1 根据桩土相对刚度k 与桩的沉降关系研究，建议柔性桩和刚性桩 的判别准则。 k o刚性桩 事实上柔性桩与刚性桩是很难严格界限的。桩土相对刚度是连续变化的， 其性状也是连续变化的，严格界限柔性桩和刚性桩也不一定合理。针对于各种 具体的地基处理方式所形成的复合地基类型，根据各自所表现的性状，相对集 中的概念是：砂桩、碎石桩、矿渣桩、渣土桩等复合地基作为散体材料桩复合 地基；土桩、石灰桩、灰土桩、水泥土桩、c f g 桩等复合地基作为柔性桩复合 地基；混凝土疏桩、小桩复合地基等作为刚性桩复合地基。散体材料桩复合地 基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基，由于其作用机理不同，破坏模式不同， 其承载特性及变形特性也不相同，三类复合地基有其各自的承载力及沉降计算 方法，其设计方法也有一些差异，因此应分别加以研究。 近十年来我国在复合地基的技术领域内发展十分迅速【l3 1 。机械制造业及仪 器仪表业的长足发展为复合地基技术的发展提供了可靠的深厚基础；我国的广 阔地域、建设规模的日益扩大，为研究者提供了丰厚的工程实践经验；复杂的 地质条件、现代土木工程日益严格的要求，给我们的土木工程师，特别是岩土 工程师提供了一个又一个难题，这也极大推动了理论研究的发展。科学家们通 过室内外试验及理论分析，从不同方面研究了复合地基的特性，在复合地基的 工作性状、计算理论方面有了很大的提高和完善。 复合地基理论尚处在不断发展的阶段，其技术尚待继续研究和开发，才能 满足工程中日益严格的要求。 1 2 2 水泥土搅拌法的发展 水泥搅拌法从第二次世界大战美国研制成功开始，到如今已有6 0 多年的发 展历史，国内外的大量研究开发使其得到不断完善、发展。水泥土搅拌法分为 深层搅拌法和粉体喷搅法两种，两种方法出现的时期不同，但均得到了比较广 泛的应用，相应都进行了大量的室内外试验研究、理论分析及数值模拟研究， 取得了一大批成果，使得水泥土桩的设计计算理论趋于成熟。 我国由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院于1 9 7 7 年1 0 月开始 进行深层搅拌法的室内试验和机械研制工作。1 9 8 0 年初上海宝山钢铁总厂第五 冶金建设公司在三座卷管设备基础软土地基加固工程中正式采用并获得成功， 同年1 1 月由冶金部基建局主持，通过了“饱和软粘土深层搅拌加固技术”鉴定 1 1 4 l 。 粉喷法最早于1 9 6 7 年由瑞典的g j e l dp a u s 提出，1 9 7 1 年首次采用粉喷法制 成石灰粉喷桩试桩，1 9 7 4 年应用于稳定路堤和深基坑并取得专利，此后在欧美 广泛应用。我国铁道部第四勘测设计院从1 9 8 3 年初开始进行石灰粉喷射搅拌桩 加固软基的试验研究【1 5 1 ，并于1 9 8 4 年在铁路专线上的地基处理工程中应用，于 1 9 8 5 年4 月通过铁道部鉴定。1 9 9 2 年在沪宁高速公路昆山段进行水泥粉喷桩的 试验研究，并经交通部验收。由于它充分利用了原状土的承载能力，此后就在 软土地基处理中被大量采用，特别是在我国南方和沿海地区，大范围的软弱土 地基提供了粉喷桩技术广泛应用的地质条件，并使其得到很快的发展，被应用 于工业厂房、民用住宅、交通工程、市政交通、港口工程等众多领域，在各种 地基处理方法中采用率居于前列，取得了可观的经济效益和社会效益。目前国 内工程中使用的粉喷桩深度多为l o m 1 5 m ，最大桩长已达2 7 m ，适用加固范围 6 山东大学工程硕士学位论文 较广。但从粉喷法问世以来，由于桩土作用的复杂性，使得对复合地基承载力 及变形的机制的认识面临数学上的困难，从而出现了工程应用一直相对超前于 理论研究的情况。 对水泥土搅拌法的研究工作，主要集中在水泥土基本性质、水泥土桩复合 地基的计算理论及施工机械、施工工艺等几个方面。 材料研究的试验设备、条件较为成熟，对于水泥土的研究已取得了较大进 展。日本s s a i t o n 等用电子显微镜、x 射线衍射仪及差热分析等手段对水泥土 的硬化机理进行了观察分析：寺师昌明、t k a w a s a k i ，y o s h i os u z u k i 等 通过大量的室内试验，对水泥土的物理力学特性进行了探讨；张士乔【1 6 1 ( 1 9 9 2 ) 通过三轴不排水剪切试验，对水泥土不同掺量不同龄期强度进行了大量试验， 得到其应力应变关系以及水泥土搅拌桩的破坏特性；黄新【明、刘顺妮1 8 1 分别对 水泥加固土硬化机理及高含水量粘土固化剂进行了研究；黄宏伟9 1 对粉喷桩固 化剂新型材料进行了试验与分析；张家柱【2 0 i 进行了水泥土性能的试验研究。 对于搅拌桩复合地基的承载特性、变形沉降、桩土作用等方面，工程师们 同样进行了大量的室内外试验和理论分析工作，使水泥土搅拌桩理论逐步在走 向成熟。 。 三宅达夫在1 9 8 4 年用水泥土土复合试件在直剪仪上进行剪切试验，探讨了 水泥搅拌桩复合地基的抗剪强度特性；m t e a r a s h i & h t a n a k a 通过模型试 验及现场载荷试验，对水泥搅拌桩复合地基的承载力及沉降特性进行了研究。 周国钧 2 2 1 研究了深层搅拌桩加固软粘土的特性。陆贻杰【2 3 】对水泥搅拌桩复合地 基进行了模型试验及三维有限元分析，讨论了荷载作用下搅拌桩复合地基的桩 土应力分布、工作性状及变形分布问题。刘一林 2 4 1 利用宁波粘土不同置换率进 行水泥土一土复合土体试样的固结不排水三轴剪切试验，探讨了复合土体的应 力应变关系及强度特性：林琼2 5 1 利用肖山粘土进行了不同置换率的水泥土一土 复合土体试样的一维固结试验，表明复合体的压缩模量与置换率并不成线性关 系，而与竖向荷载有关。陈静曦 2 6 1 进行了水泥粉喷桩复合地基静载荷试验的相 关问题研究。 7 王启铜【2 7 】研究了水泥土桩的沉降特性及荷载传递规律；叶观宝网、段继伟 嗍、徐松林3 0 1 分别进行试验对水泥搅拌桩的荷载传递规律进行了测试，并得出 临界桩长的概念，上海地区直径为5 0 0 r a m 的单头搅拌桩有效桩长为7 m 左右， 双头搅拌桩的有效桩长为1 0 1 n 左右；顾尧章口”、王朝东 3 2 1 也对水泥土搅拌桩临 界桩长问题进行了讨论。姚笑青【3 3 】则将临界桩长引入了水泥土搅拌桩复合地基 沉降计算中。陈竹引3 4 j 对搅拌桩的沉降及组成、桩侧摩阻力的发挥程度进行了 分析，并提出刚性桩和柔性桩的判别标准。 梁治安【3 5 l 对粉喷桩承载能力能否测试，如何取值等提出看法，进行了分析。 袁聚云【3 6 1 对单桩及复合地基的承载力都进行了试验研究。陈颖辉口7 】探讨了用指 数模型确定深层搅拌桩复合地基承载力的方法。李飞f 3 町讨论了确定水泥土桩复 合地基承载力载荷试验p s 曲线的取值方法、垫层效应及单桩承载力的评定方 法；郑刚【3 9 柏】进行了刚性桩与水泥土桩的荷载传递室内对比试验及有限元分析， 对复合地基载荷试验承载力判断标准作出了建议。张建新【4 l 】根据多项试桩资料， 针对不同地基土质条件，提出用相对变形法确定邯郸地区粉喷桩单桩载荷试验 承载力的具体方法。 章胜南【4 2 】、李广信邮】、杜建成m 对水泥土搅拌桩复合地基的桩土应力比进 行了探讨。周建民【4 5 】对深层搅拌桩复合地基群桩进行有限元分析，讨论了深层 搅拌桩复合地基的工作机制及应力、变形分布特点。张捷h 6 j 根据b i o t 固结理论， 采用有限元法对水泥土桩复合地基固结特性进行了分析。洪昌华、何军 4 7 , 4 s 对深 层搅拌桩复合地基承载力进行了概率分析及可靠性研究。灰色预测理论也在搅 拌桩理论的研究得到应用，张仪萍利用灰色理论对沉降进行预测；李巨文例 对灰色理论预测水泥深层搅拌桩极限承载力的可行性作出了论证。 1 2 3 粉喷桩复合地基的特点及应用 1 特点 粉体喷搅法加固软土技术具有其独特优点： ( 1 ) 粉喷桩采用干燥粉体作固化材料，与深层搅拌法相比，不需向地基中注 8 山东大学工程硕士学位论文 入水分，反而能充分吸收周围土中的水分，最大限度地利用了原土，对含水量 高的软土加固效果尤为明显。 ( 2 ) 固化材料被喷射到靠搅拌叶片旋转过程中产生的空隙中，土的水分又把 它粘附到空隙内部，随着搅拌叶片的搅拌，使固化剂均匀分布在土中，较少产 生不均匀的散乱现象，有利于提高地基土的整体加固强度。 ( 3 ) 固化材料用量少，无浆液排出，噪音少、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沟管影响很小； ( 4 ) 根据上部结构需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固型 式，适应性强； ( 5 ) 与钢筋混凝土桩基相比，可节约钢材并降低造价。 2 适用土质 水泥固化剂一般适应于正常固结的淤泥与淤泥质土、粘性土、粉土、素填 土( 包括冲填土) 、饱和黄土、粉砂以及中粗砂、砂砾等地基加固。对泥炭土或 地下水p h 值较低、有机值含量高的粘性土，宜通过试验确定其适用性。通过室 内试验，一般认为用水泥作加固料，对含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘 土矿物的软土加固效果较好；而对含有伊利石氯化物和水铝石等矿物的粘性土 以及有机质含量高，p h 值较低的粘性土加固效果较差。当地基土的天然含水量 小于3 0 时，由于不能保证水泥充分水化，故不宜采用粉喷法。 3 适用工程对象 ( 1 ) 形成复合地基，作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地 坪、高填方路坝下的基层等； 。 ( 2 ) 形成支护结构，进行大面积地基加固、深基坑开挖时作支护和减少沉降； ( 3 ) 形成防渗止水帷幕，以阻止地下渗透水流； ( 4 ) 用于河岸和岸堤加固，既可稳定边坡，又可通过增加渗流途径的方法降 低渗透压力，防止管涌； ( 5 ) 作为遮帘桩布置于道路路肩部位或相邻建筑物之间，减少或约束软土地 基在上部荷载作用下产生侧向位移，并隔离相邻建筑物荷载的影响，减少路基 9 沉降量和不均匀沉降。 1 2 4 粉喷桩发展前景 根据粉喷桩的特点及适用对象，现在粉喷技术已广泛应用于铁路、高速公 路、市政工程、港e l 、码头、机场、工业及民用建筑等领域的软弱土地基加固， 取得了较好的经济效益和社会效益 3 7 1 。在路基工程中，如京秦高速公路廊坊段 软基处理，用其对软土地基进行侧向约束，可取代反压护道与砂井的作用，节 省大量的土地和节省了加固工程费用；在唐港公路施工中，成功采用此法，使 地基承载力从8 0 k p a 提高到2 0 0 k p a ；在建筑结构工程中，地基处理也是粉喷桩 应用的主要方面。 可以预见，随着施工工艺、旌工机械及研究理论的发展，粉喷桩将得到更 广泛的应用，具体方法的调整可以使其适用性进一步增强，这需要大家的共同 努力。 1 3 研究课题的提出、目的和意义 由于地基土体的复杂性、影响因素的多样性，在实际工程的设计应用中， 粉喷桩的承载力的确定始终是一个核心而不易解决的问题，如何合理地确定承 载力，充分发挥复合地基的技术经济效益，始终是工程设计施工人员十分关心 的问题，若能精确确定极限承载力对工程界具有重大意义，否则有可能造成不 可估量的损失。 工程中较多采用载荷试验进行粉喷桩承载力测定，但由于各种因素影响、 条件限制，荷载往往无法加到指定值，而如何利用这些载荷试验结果确定地基 承载力是一个需要解决的问题。从试验中我们可以得到一些确定的信息，但有 些因素仍然难以了解清楚，是一个典型的灰色系统。灰色系统理论主要通过对 灰色系统中“部分”己知信息的生成和开发，提取有价值的信息，实现对系统 运行行为的正确认识和有效控制，从而可以在地基承载力的确定中采用灰色理 论。 1 4 本文的研究内容 本文拟通过对粉喷桩加固机理、荷载传递规律等基本原理的总结，对粉喷 1 0 山东大学工程硕士学位论文 桩复合地基承载力确定的方法进行研究。针对广泛采用的载荷试验，将粉喷桩 承载力的确定作为灰色系统，利用灰色预测理论应用于载荷试验p - s 曲线的预 测，从而为承载力的确定提供条件。 山东大学工程硕士学位论文 第2 章粉喷桩加固原理及设计施工 2 1 加固机理 水泥搅拌法是通过特制的搅拌机械，沿深度方向就地将软土和固化剂强制 搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土。 软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理，是基于水泥土的物理化学反应 过程。下面进行具体介绍。 2 1 1 水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及 三氧化硫等组成，由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥钙物：硅酸三钙、 硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。水泥与粘土搅拌时，水泥颗粒 表面的矿物很快与粘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、含水铁酸钙等化合物，化学反应式如下： 2 0 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 3 c a 0 2 2 s i 0 2 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2( 2 一1 ) 2 ( 2 c a 0 s i 0 2 ) + 4 h 2 0 3 c a 0 2 2 s i 0 2 3 h 2 0 + 3 c a l ：o h ) 2 ( 2 2 ) 3 c a o a 1 20 3 + 6 h 2 0 3 c a 0 2 a 1 20 3 6 h 2 0( 2 3 ) 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 + 2 c a ( o h ) 2 + 1 0 h 2 0 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 + 3 c a o f e 2 0 3 6 h 2 0( 2 - 4 ) 由于水泥与水在水解和水化反应过程中生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅 速溶解于水，使水泥颗粒表面重新暴露，再与土中水发生反应，于是土中的水 溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽然继续深入颗粒内部，但 新生成物已不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成 胶体。 此外，普通硅酸盐水泥中的硫酸钙与铝酸三钙一起同土中水发生反应，生 成一种被称为水泥杆菌的化合物( 化学反应式2 5 ) ，其生成量随着水泥掺入量的 多寡和龄期的长短而异，这种化合物把大量的自由水以结晶形式固定下来，对 于含水量高的软土的强度增长有特殊意义。 3 c a s 0 4 + 3 c a o a 1 2 0 3 + 3 2 h 2 0 - - 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2h 2 0( 2 5 ) 由于水泥掺量少，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质一 土的围绕下进行，所以水泥加固土的强度增长过程比较缓慢。 2 1 2 粘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粘土颗粒反应。 通过离子之间的交换，使较小的、离散的粘土颗粒互相靠拢，形成较大的 土的团粒。另一方面，水泥水化反应生成的凝胶粒子的比表面积比原来的水泥 颗粒大1 0 0 0 多倍，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，并封闭各土团的孔隙，形成坚 固的联结，使水泥土的强度提高。 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，在碱性环境中和粘 土矿物中的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分进行化学反应，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。 2 1 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，其反应见( 2 - 6 ) 。这种反应能使水泥土增加强 度，但增长的速度较慢，幅度较小。 c a ( o f t r ) 2 + c 0 2 一c a c 0 3 + h 2 0 ( 2 6 ) 由以上机理分析可知，对于水泥土搅拌法来说，搅拌作用越充分，土体颗 粒与水泥的拌和越均匀，其水化水解反应和凝硬反应越充分，水泥土结构强度 的离散性越小，其总体强度也就越高。水泥的强度等级及种类、土的种类及土 中含水量、水泥土的搅拌时间及均匀程度等都对最终水泥土桩的强度产生影响。 1 4 山东大学工程硕士学位论文 2 2 荷载传递规律 粘结材料桩复合地基承受荷载作用时，主要依靠桩周摩阻力和桩端端阻力 把作用在桩体上的荷载传递给地基土体。粉喷桩在荷载作用下，处于上部的桩 段首先受到压缩，一部分荷载往下部桩身传递时，另一部分则在桩与桩间土之 间形成摩阻力，桩身荷载通过桩周摩阻力传递到桩周土层中，使桩身荷载及桩 身压缩量随深度递减。随着荷载的逐级施加，桩身压缩量和位移量不断增大， 硅身下部的摩阻力随之进一步发挥。当桩周摩阻力全部发挥至极限状态后，桩 端产生位移，桩端阻力明显表现出来，荷载增量将全部由桩端土承担。由于桩 体弹性模量与土体变形模量之间的差异，使复合地基在整个受载过程中，桩与 土所承担的应力一直处于相互协调过程中【3 5 1 。加载初期，随外荷载增大，桩顶 与桩间土应力比也随之增大，达到比例极限时，桩土间受力状态发生变化，桩 体的压应力有所减少，荷载增量开始向桩周土转移，桩间土应力增大，桩土应 力比开始减小。 由试验可知，在复合地基承载力测试中，比例极限只附近的承载力主要由 单桩提供。据张雁f 5 3 】所述，上部荷载传到桩端的仅有l o 左右，说明粉喷桩复 合地基中桩的承载力主要由桩侧摩阻力承担荷载。粉喷桩主要表现为摩擦桩的 特征，桩侧摩阻力与其压缩变形大小成正比，由上至下逐渐发挥。 在以上的传递荷载过程中，桩体的刚度起了很大的作用。刚度大，则相同 情况下的桩身压缩小，桩侧摩阻力的发挥也就相对不多。粉喷桩属于柔性桩的 范围，桩身刚度小。这样，在荷载作用下，桩体本身的压缩量近似等于桩顶端 的位移量，桩底端相对周围土体相对位移有限，桩端阻力也就作用不大。因此， 在极限荷载作用下，桩体一定长度内的压缩量已等于桩顶端位移，该长度以下 桩体与土体间无相对位移，也无产生相对位移的趋势，该长度以下桩体对桩的 承载力没有贡献，只起到减小沉降的作用。 叶观宝睁4 l 通过试验得出，无论是单桩或是复合地基中，水泥搅拌桩桩身受 力段主要位于桩顶上部。段继伟研究了桩长与极限承载力的关系，指出在其他 条件相同的情况下，随着桩长的增大，桩体极限承载力开始增加很快，后来增 加幅度减少，最后趋于某一定值。于是提出了有效桩长的概念。在水泥搅拌桩 的设计中，主要时确定搅拌桩的置换率和桩长，从承载角度说一定条件下，提 高置换率比增加桩长效果更好。当然，有效桩长是随着地质条件、考虑问题角 度等相关问题而变化的，需要具体情况具体分析。 2 3 设计计算方法 2 3 1 粉喷桩复合地基设计 粉喷桩复合地基承载力特征值可由式( 2 7 ) 进行估算，由式中我们可以看出， 复合地基承载力除了受桩、桩间土承载力影响外，置换率是一个重要影响因素。 所以设计中的主要任务是确定搅拌桩的置换率和长度。通过单桩设计确定好桩 长后，再进行复合地基设计，完整的设计过程包括五块主要内容：资料搜集一 一加固型式初选单桩设计一复合地基设计验算。 厶，k - 脚争+ 成一m ) f s k ( 2 - 7 ) n p 式中：厶处理后桩间土承载力特征值，单位k p a ： m 复合地基置换率； r 。桩体竖向承载力特征值，单位l d q ； 彳。桩体横截面积，单位m 2 ； 桩间土承载力发挥度。 1 资料收集 采用粉喷桩加固软弱土层应收集下列资料： ( 1 ) 场地内详细的工程地质、水文地质、土工试验资料，了解软弱土层的 分布范围、成层结构、地下水埋深及其性质，特别是土的天然含水量、 粘粒含量、有机质含量及土的p h 值等资料； ( 2 )了解建筑物对地基及加固的要求，建筑物的类型、荷载大小及分布； ( 3 ) 加固料的来源、质量、价格、运输及保存等方面资料，本着就地取材 的原则选用加固料； 1 6 山东大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 采用粉喷桩加固软弱土层时，应进行室内配方试验，提供合理的加固 料种类及配方，加固土可靠的物理、力学参数，供设计使用；粉喷桩桩 身强度应取9 0 d 龄期的试块抗压强度，或根据现场载荷试验修正。 2 加固型式选择 水泥搅拌桩的平面布置型式多样，可根据地质条件和上部结构的要求灵活 采用，主要有以下几种： l 柱状 每隔一定的距离打设一根搅拌桩，即成为柱状加固型式，适用于单层工业 厂房独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固，也常用于大面积堆载和地 坪地基处理，它有利于发挥桩间土的支承作用。布置可采用正方形、矩形或三 角形。 2 壁状 将相邻搅拌桩部分重叠搭接形成有一定厚度的一字形界面，为壁状加固型 式。适用于深基坑开挖时的边坡加固，以及建筑物长高较大、刚度较小、对不 均匀沉降比较敏感的多层砖混结构房屋条形基础下的地基加固。 3 块状 使粉喷桩在平面上彼此相切或相割成块体，作为实体墩基支承上部荷载。 对上部结构面积荷载大，对不均匀下沉控制严格的构筑物地基进行加固时，可 采用这种布桩型式。 4 、格栅状 将两排或两排以上的粉喷桩作平行布置，排间每隔一定距离以肋相连，在 平面上构成格栅状。 3 单桩设计计算 在初步设计阶段，单桩竖向承载力特征值按式( 2 - 8 ) 和( 2 - 9 ) 进行控制，取其 中的较小值。所以在单桩设计时，承载竖向荷载的搅拌桩一般应使土对桩的支 承力与桩身强度所确定的承载力相近，并使后者略大于前者最为经济。因此， 1 7 单桩的设计除了桩长的确定外，水泥掺入比也是设计的重要内容。 咒= ，7 厶j 以( 2 8 ) r = q f f ，+ a 4 p q ，( 2 - 9 ) j = l 式中： 兄单桩竖向承载力特征值n ) ； 厶j 水泥土试块在9 0 d 龄期的抗压强度o 【p a ) ； 彳。桩的截面积( m 2 ) 玎桩身强度折减系数 u 。桩的周长 吼桩周第f 层土的侧阻力特征值，对淤泥可取和7 k p a ；对淤泥质土可 取6 - - 1 2 k p a ；对软塑状态的粘性土可取l