（水工结构工程专业论文）粉喷桩复合地基计算与分析.pdf

于两要 我国地域辽阔，地基条件复杂，软弱地基类别多，分布广。为了满足地基的强度、 变形及抗震等要求，必须对天然土层进行人工处理。水泥粉喷桩作为一种地基加固新技 术，具有许多的优点。随着大量基础工程的建设，粉喷桩的应用也越来越广泛。但由于 其理论研究方面的滞后和施工经验不成熟，制约了粉喷桩在实际工程中的应用和发展。 本文在总结前人的理论和实践成果的基础上，结合实际工程，在室内外试验的基础 上，利用有限差分软件f l a c 3 d ，数值模拟了粉喷桩复合地基静载荷试验过程，并对粉 喷桩复合地基设计参数进行了数值分析。论文的具体内容如下： l 、总结分析了粉喷桩复合地基沉降计算方法的研究现状，并基于实际工程中的勘 察和设计资料，应用规范法对粉喷桩复合地基沉降进行了计算。 2 、进行了粉喷桩复合地基静载荷试验，用有限差分法模拟了静载荷试验过程，较 好的与现场实测复合地基的荷载一沉降曲线相吻合。 3 、采用反分析方法得到了桩、土的反演物理力学参数，用此组参数预测了复合地 基的整体沉降，与规范法计算的沉降值相比较，结果合理。 4 、对天然地基和加桩后的复合地基分别进行数值模拟，绘出其位移和应力的云图 和等值线图，并根据其位移和应力等值线图，分析天然地基与加桩后的复合地基的位移 和应力变化情况，最后指出加粉喷桩对天然地基的改良起到了积极的作用。 5 、结合工程实例，利用有限差分软件f l a c 3 d ，按沉降控制设计原则，对粉喷桩复 合地基方案设计参数的优化进行了初步的探讨，得出了一些有益的结论，对工程实践具 有一定的指导意义。 关键词：水泥粉喷桩粉喷桩复合地基静载荷试验参数反演数值模拟 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 8 年钿日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 8 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景及其意义 我国地域辽阔，地基条件复杂，软弱地基类别多，分布广，为了满足地基的强度、 变形及抗震等要求，必须对天然土层进行人工处理。目前不少地基处理方法是通过形成 复合地基以达到提高地基承载力、减少沉降的目的，由于复合地基技术充分利用了天然 地基和增强体共同承担荷载的潜能，因此与其它基础相比具有比较经济的特点。 近年来，对复合地基理论和实践的研究日益得到重视，从可持续发展的角度讲，复 合地基技术符合在工程设计与施工中充分挖掘土体本身固有的强度潜能和自稳能力的 软基处理发展趋势，同时，使用粉煤灰、钢渣等工业废料符合环保要求，从受力性能上 看，复合地基与天然地基相比，具有承载力高、沉降和差异沉降小等优点，与桩基等深 基础相比，节省费用，从适用范围上看，复合地基适用范围大，可根据土性、地下水位、 承载力要求、地方材料和工业废料供应条件、施工环境等，选择不同类型、不同桩体强 度的复合地基处理方法，由于复合地基上述特点，因此受到学术界和工程界的广泛关注。 复合地基技术是一门不断发展的技术，初期阶段的复合地基主要是指碎石桩复合地 基，大量的研究工作都是建立在碎石桩复合地基的实际应用上，随着水泥土桩复合地基 的应用，复合地基的概念发生了变化，由散体材料桩复合地基逐步扩展到粘结材料桩复 合地基，地基承载力得到了较大的提高，随着桩基技术的发展和各类低强度混凝土桩复 合地基的应用，复合地基的概念进一步扩展，因此，有必要加强复合地基的理论研究， 只有这样才能促进复合地基技术的进一步发展。 粉喷桩作为一种新的地基加固方法，目前还缺乏系统完善的理论研究，工程设计及 计算中大都采用经验公式或工程类比的方法，其理论基础是复合地基理论。“复合地基 ( c o m p o s i t eg h l d u n d ) 的概念最早是在六十年代提出的，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，加固区由基体( 天然地 基土体) 和增强体二部分组成的人工地基【3 1 。其理论经过近三十年的研究，已取得了长足 的进步。自1 9 8 6 年在上海举行第一届地基处理学术讨论会以来的五届学术会议中，复合 地基都是讨论的重要内容之一。1 9 9 0 年和1 9 9 6 年，还分别在承德和杭州召开了复合地基 专题学术讨论会，就复合地基的理论与实践进行了专题研讨。随着复合地基的广泛应用， 其理论研究在国内外也越来越受到重视。国外也有不少关于复合地基的报导，如1 9 8 4 年 在日本召开了“复合地基强度和变形讨论会 。 虽然在复合地基理论和工程实践方面取得了很大的进展，但其理论严重落后于工程 第一章绪论 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理论 和实践学术讨论会，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，复合地基己成为一种常用的地基基础形式【l3 1 。 目前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，低强度混凝土桩复合地基，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( 包括高 层建筑) 、高等级公路、铁路、堆场、机场、堤坝等土木工程建设中得到广泛应用。 1 2 2 复合地基技术的发展趋势 1 2 2 1 地基处理技术新发展 地基处理技术最新发展反映在以下七个方面： ( 1 ) 地基处理机械新发展 近几年来地基处理机械发展很快。例如，我国强夯机械向系列化、标准化发展；深 层搅拌机械型号增加，深层搅拌机拥有量近年来也大幅度增长。地基处理机械的发展使 地基处理能力得到很大的提高。 ( 2 ) 地基处理材料新发展 新材料的应用，使地基处理效能提高，并产生了一些新的地基处理方法。土工合成 材料在地基处理领域得到愈来愈多的应用；塑料排水带的应用提高了排水固结法施工质 量和工效；在地基处理材料应用方面还值得一提的是近年来重视将地基处理同工业废渣 的利用结合起来：粉煤灰垫层、钢渣桩复合地基、渣土桩复合地基等应用取得了较好的 社会经济效益。 ( 3 ) 地基处理计算 x 河海大学硕+ 学位论文 ( 5 ) 地基处理监测 地基处理的监测同益得到人们的重视。检测手段愈来愈多，检测精度日益提高。地 基处理逐步实行信息化施工，有效地保证了施工质量，取得了较好的经济效益。 ( 6 ) 地基处理新方法 近年来，各地因地制宜发展了许多新的地基处理方法。例如：将强夯法用以处理较 软弱土层，边填边夯，形成强夯碎石柱复合地基；近年低强度混凝土桩复合地基应用得 到发展，它们不仅能充分发挥桩体和桩问土的承载力潜能，而且使桩侧摩阻力决定桩的 承载力和桩身强度决定承载力两者接近，从而可达到较好的经济效益。新的地基处理方 法的不断发展提高了地基处理的整体水平和能力。 ( 7 ) 地基处理技术综合应用 地基处理技术的发展还表现在多种地基方法综合应用水平的提高。例如真空预压法 与高压喷射注浆法结合可使真空预压法应用于水平渗透性较大的土层；高压喷射注浆法 与灌浆法相结合可提高灌浆法的纠倾加固效果。重视多种地基处理方法的综合应用可取 得较好的社会经济效益1 5 j 。 1 2 2 2 复合地基技术的发展趋势 国外发达国家复合地基的主要特点是注重提高工效，施工机械趋于自动化、大型化； 注意环境保护，避免污染；广泛采用计算机，实现信息化施工和资料累积，推行反分析， 不断提高设计、施工质量和经济效益。结合我国国情，近年来，复合地基在土木工程建 设中得到广泛应用，然而在推广中存在一定的问题。在现在的研究中应着眼这些问题的 研究，为将来的工程建设更好地服务。 ( 1 ) 重视复合地基设计计算理论的研究 根据工程的性质和特点，提供符合复合地基实际工作性状的计算参数，加强复合地 基设计计算理论的研究。如复合地基的荷载传递机理；承载力、沉降计算方法；优化设 计理论；动力荷载作用下复合地基的性状分析等，都有待于进一步研究。 ( 2 ) 完善现有复合地基技术，开发复合地基新技术、新工艺 开发行之有效的复合地基方法及与之相配套的施工机具，提高工效，针对地基土特 性、建筑物类型与荷载，尽量利用工业废料和地方材料形成低成本、高质量的新技术。 ( 3 ) 扩大电子计算机在复合地基中的应用 对于复合地基的数值计算分析应当是计算机技术、数值方法和地基基础工程基本理 论三者的结合。针对各类复合地基所提出的新的计算方法，对于这些方法的验证和推广 4 第一章绪论 工作不容忽视。扩大电子计算机在复合地基中的应用，提高设计水平和效率。在数值计 算中，关键是计算参数的取得和计算参数的精度、土体和桩体的本构模型的选择问题。 如果解决了这两个问题，数值计算将可以非常精确的计算复合地基的承载力。 ( 4 ) 加强组合型复合地基的研究 综合运用两种以上的地基处理方法所组成的组合型桩复合地基可以得到较高的地 基承载力，减少沉降，且有较好的经济效益。比如c f g 桩与碎石桩组合，既达到消除 地基液化，又大幅度提高承载力的目的1 3 0 】。 1 3 粉喷桩复合地基的发展及其新技术的应用 1 3 1 粉喷桩的发展和特点 粉喷桩是“粉体喷射搅拌桩的简称，其施工工艺是通过专用的粉体喷射搅拌施工 机械，用压缩空气将水泥、石灰等粉体加固材料喷射入地基土中，再凭借钻头叶片的旋 转，将粉体加固材料与原位软土充分搅拌成具有整体性和一定强度的柱状加固水泥土， 从而提高地基强度2 】f 3 】。 该方法于2 0 世纪6 0 年代后期首先从瑞典和日本提出、开发并推广应用。1 9 6 7 年瑞 典k j e l dp a u s 首次提出使用石灰搅拌桩加固1 5 m 深度范围内软土地基的设想，并于1 9 7 1 年进行了第一次现场试验，制成一根用生石灰和软土拌制而成的柱。次年这种石灰粉体 喷射搅拌柱在瑞典投入了生产实践，被用作为路堤和深基坑边坡的稳定措施。瑞典 l i n d e n a l i m a t 公司还生产出专用的成柱施工机械，柱径可达5 0 0 m m ，最大加固深度 1 0 1 5 m 【4 】【5 】【6 1 。 同一时期，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施工机械， 1 9 7 4 年开始在软土地基加固工程中应用，并研制出两类成柱直径可达8 0 0 1 0 0 0 m m 的 石灰搅拌机械，相应地形成了两种施工方法：一类为深层石灰搅拌法( d l m 法) ，以颗 粒状生石灰为加固材料；另一类为粉体喷射搅拌法( d j m 法) ，以生石灰粉末为加固材 料【5 】【6 】。 其后，芬兰也开始这方面的研究，水泥土搅拌桩相继在欧洲，日本和美国得到蓬勃 发展，广泛应用于工业与民用建筑与铁路、公路工程的软土地基加固，主要用途是提高 地基承载力，控制地基变形，减小土的渗透性等等，随着人们工程经验的积累，又逐渐 用于边坡抗滑、桥梁工程以及海岸线的堤岸工程加固等等【5 】【6 】【7 1 。目前，粉喷桩还广泛 应用于解决桥头差异沉降引起的桥头跳车问题以及采空区加固问题等【8 1 【9 1 。 粉喷桩初期主要用来加固软粘土地基，但是后来逐渐发展到用于粉土与膨胀性土的 第一章绪论 1 3 2 2 改进的粉体喷射搅拌工法( m d m ) 当地基土的天然含水量小于3 0 ( 黄土含水量小于2 5 ) 、或者具有较薄的硬土层等 情况时，粉体喷射搅拌工法难以施工，且水泥不能充分水化，因此不能取得理想的加固 效果。基于此，j o h a n g u n t h e r 和b e r u l yl i n d n r 6 m ( 2 0 0 4 ) 提出了改进的粉体喷射搅拌工法 ( m d m ) 。 改进的粉体喷射搅拌工法( m d m ) 就是在传统粉体喷射搅拌工法( d j m ) 施工时，通过 特定的导管向土体中喷入一定量的水，调整黏土的液性指数或者砂土的含水量，从而加 固常规粉体喷射搅拌工法( d j m ) 不能加固的某些土体。 1 3 - 2 3 排水粉喷桩复合地基法( 2 d 工法) 1 9 】 粉喷桩技术自从瑞典工程师k j e l dp a u s ( 1 9 6 7 ) 发明以来，在国内外的铁路、公路、市 政工程、港口码头等各类软土地基加固工程中得到了广泛的应用。 排水固结法也是一种加固软土地基的经济有效的方法，他主要利用排水通道( 排水 板、砂井、砂垫层等) 在上覆荷载作用下排水固结，提高软土地基的承载力，减小沉降 量。 刘松玉等( 2 0 0 5 ) 将粉喷桩技术与排水固结法有机地结合起来，形成一种全新的软土 地基处理技术一一排水粉喷桩复合地基法( 2 d 工法) 。该方法的应用意义在于对粉喷桩可 较大幅度地加大粉喷桩的间距，加快粉喷桩复合地基的强度增长。 1 4 问题的提出 如前所述，粉喷桩作为一种新的地基加固技术，近年来在我国发展很快，也取得了 很多有益的研究成果。但是理论与实践还不成熟，许多方面需要深入研究与完善。目前 粉喷桩复合地基的研究主要分为四大方面：粉喷桩加固技术的机理研究、粉喷桩复合地 基的承载力研究、粉喷桩复合地基的地基沉降变形研究和粉喷桩的设计理论。 ( 1 ) 粉喷桩加固技术的机理研究 粉喷桩的作用主要有桩体作用、垫层作用和挤密作用，以前大家比较关心的是前两 者的作用，而对于桩间土的挤密作用只是进行定性说明【2 0 1 ，缺乏深入的定量分析。事实 上，由于粉喷桩复合地基为桩土共同作用型式，因此桩间土的作用影响着地基承载力及 沉降变形，不应忽略桩间土的改良影响。 ( 2 ) 粉喷桩复合地基的承载力研究 7 河海大学硕士学位论文 粉喷桩复合地基的承载能力是工程界和设计人员十分注重的指标。由于受软基本身 性质及桩身强度、桩长、施工质量等因素的影响，所以粉喷桩的承载力较难确定，工程 中通常采用现场试验的方法检验粉喷桩的承载力。然而，对于特定的闸基础条形荷载， 地基承载力到底如何计算，在进行粉喷桩承载力计算时应考虑哪些影响因素，粉喷桩复 合地基在条形荷载作用下如何进行理论计算等这些都是值得进一步研究的问题。 ( 3 ) 粉喷桩复合地基的地基沉降变形研究 通常认为粉喷桩复合地基的沉降量为加固区和下卧层沉降量之和。加固区的沉降量 计算一般按复合地基理论采用复合模量法( 西法) 或桩身压缩模量法( 印法) 等进行计算， 下卧层的沉降一般按分层总和法计算。这两部分的计算关键是如何计算附加应力场，准 确计算附加应力场和考虑桩间土改良影响的复合模量计算将是沉降计算方法改进的关 键。 ( 4 ) 粉喷桩的设计理论 粉喷桩的设计理论主要包括复合地基承载力的计算和沉降量的计算，由于粉喷桩强 度较低，压缩性较大，故其受力和变形特性不同于刚性桩，因此，粉喷桩设计理论必须 建立在合理的、符合实际的模型基础上，应考虑加固后的地基变形和破坏特征，在进行 沉降量计算时应考虑加固后地基附加应力沿深度的分布与均质地基的不同，显然过去的 设计理论有待于进一步完善。 1 5 本文的研究内容 粉喷桩复合地基的承载力研究、粉喷桩复合地基的地基沉降变形研究和粉喷桩的设 计理论是粉喷桩复合地基的研究的三大重要部分。本文从粉喷桩处理地基的优化设计理 论出发，用岩土软件f l a c 3 d 对粉喷桩的承载力和沉降进行设计参数数值模拟研究。主 要工作内容包括以下四部分： ( 1 ) 概述粉喷桩复合地基的概念，结合浍解引河闸工程的实际情况，通过( 水泥土粉 喷桩加固软基方案和粉喷桩加固软基方案) 比较，选择粉喷桩这种方法加固软基。 ( 2 ) 利用粉体喷射搅拌工法处理地基的原理，分析粉喷桩的承载力和沉降变形的计 算方法的合理性及适用范围，结合浍解引河闸工程的实际情况，运用规范法计算该工程 的沉降。并研究承载力和沉降变形的影响因素及其相互关系，并将分析计算成果与相关 试验数据资料进行对比验证。 ( 3 ) 试验采用“慢速维持荷载法，现场检测进行单桩复合地基静载荷试验，确定复 合地基竖向承载力是否满足设计要求，得出荷载沉降关系曲线。采用岩土软件f l a c 3 d 对单桩复合地基静载荷试验进行数值仿真，将模拟数据绘出的荷载沉降曲线，与现场 第一章绪论 试验结果进行比较分析，反演桩、土参数使得计算的曲线与实测的曲线达到最好吻合效 果。用反演得到的桩、土参数预测复合地基的竖向沉降，并与用规范法计算得到的复合 地基总沉降值进行比较，分析f l a c 3 d 数值模拟方法的适用性。 ( 4 ) 采用f l a c 3 d 桩结构单元对水泥土粉喷桩的变形规律进行模拟，通过改变桩长、 置换率等设计参数，分析其对沉降变形特性的影响，提出复合地基的优化设计方案，为 工程设计提供指导，并对粉喷桩处理地基技术今后的发展趋势作出分析和展望。 9 河海大学硕士学位论文 第二章粉喷桩复合地基的工程特性及计算理论 2 1 复合地基的概念和变形特性 复合地基能够较好利用增强体和天然地基两者承担建( 构) 筑物荷载，所以具有比较 经济的特点。自国外1 9 6 2 年首次开始使用“复合地基”( c o m p o s i t ef o u l l d “伽) 一词以 来，复合地基的概念己成为很多地基处理方法的理论分析及公式建立的基础和根据。 2 1 1 复合地基的基本概念 所谓复合地基，一般可认为由两种刚度( 或模量) 不同的材料( 桩体或桩间土) 所组成， 在相对刚性基础下两者共同分担上部荷载并协调变形。其研究方法经常是在众多根桩所 加固的地基中，选取一根桩及其影响的桩周土所组成的单元体作为研究对象。 2 1 1 1 复合地基与复合桩基的区别 复合桩基与复合地基都同时考虑了桩和桩间土共同承担荷载，在设计计算参数时， 又都采用了桩基础的两个抗力公式，因此很容易让人们混淆不清，但两者在本质上还是 有区别的【3 1 j ： 从构造组成来看，复合桩基中的桩与承台相连接，桩中钢筋是插入承台的，是基础 的一个组成部分，而复合地基的桩与承台不连接，是地基的一个组成部分。 从荷载受力来看，复合桩基的桩是将承台上部荷载力传至桩间土和桩尖持力层土体 上，属传力的基础；而复合地基中的桩，是将承台底地基土进行加固，以满足承台上部 荷载承载力的要求，属受力的地基。 从承载力的确定和检测方法来看，复合桩基中的桩与桩基础的单桩竖向抗压静载荷 试验一样，判定标准是用q s 曲线的极限荷载值或沉降量来确定，桩身质量判断可用高、 低应变动测度验来检测；而复合地基中的桩，其单桩竖向承载力标准值，只是供设计人 员从理论上去推导复合地基承载力，一般可以不检验，主要应该通过现场载荷试验的 q s 曲线中比例极限或相对沉降量，来确定其复合地基承载力标准值，桩身质量判断一 般由予留混凝土试块或现场标贯试验确定。 2 1 1 2 复合地基的特点 复合地基具有以下特点： 1 0 第二章粉喷桩复合地基的工程特性及计算理论 ( 1 ) 工艺简单：深层搅拌桩可一次完成成孔与成桩，施工速度快，工期短。复合地基 目前已有较为成熟的施工工艺，原料拌和、灌注、夯填均易操作，技术指标容易控制。 ( 2 ) 施工方便：施工机械均为常用建筑机械，如长螺旋钻机、振动沉管机、粉喷机、 混凝土搅拌机等，某些工艺如夯实水泥土桩，采用人工洛阳铲即可施工。 ( 3 ) 造价低廉：复合地基充分发挥桩间土的承载力，减少用桩量，且不使用昂贵的钢 材，耗用建筑三材少，一般可就地取材或使用工业废料，大大降低造价，且有利于环保。 ( 4 ) 适用范围广：采用复合地基可明显提高地基承载力，减少沉降。过去人们认为复 合地基只能用于中小型工程，随着复合地基技术的发展，在大型工程及高层建筑中，应 用越来越广，在超高层中的应用也不乏其例。此外，复合地基还可用于消除地基液化、 边坡加固等。 2 1 1 3 复合地基的分类 ( 1 ) 桩体如按成桩所采用的材料可分为： 散体土类桩如碎石桩、砂桩等； 水泥土类桩如水泥土搅拌桩、旋喷桩等； 混凝土类桩树根桩、c f g 桩等。 ( 2 ) 桩体如按成桩后桩体的强度( 或刚度) 可分为： 柔性桩散体土类桩属于此类桩； 半刚性桩水泥土类桩； 刚性桩混凝土类桩。 半刚性桩中水泥掺入量的大小将直接影响桩体的强度。当掺入量较小时，桩体的特 性类似柔性桩；而当掺入量较大时，又类似于刚性桩，为此，它具有双重特性。 2 1 1 4 复合地基的作用机理 组成复合地基中增强体的材料不同，施工方法不同，则复合地基的作用也不同。综 合各类复合地基的作用，主要有下面六个方面： ( 1 ) 桩体作用 复合地基中桩体的刚度较周围土体大，地基中应力将按材料模量进行分配。因此， 桩体上产生应力集中现象，大部分荷载将由桩体承担。复合地基的承载力较原地基有所 提高，沉降量有所减小。随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更为明显。 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 垫层作用 桩与桩间土复合形成的复合地基，在加固深度范围内形成复合层，它可起到类似垫 层的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用。 ( 3 ) 加速固结作用 不少竖向或水平向增强体，如碎石桩、砂桩等，都具有良好的透水特性，是地基中 的排水通道，有效地缩短了排水距离，加速了桩间土的排水固结。 ( 4 ) 挤密作用 在成桩过程中，由于振动、排土、材料吸水、搅拌等作用，都对桩间土起了一定的 密实作用。采用振动成桩施工工艺设置桩体的，对桩间土都有挤密作用。 ( 5 ) 加筋作用 复合地基除了可以提高地基的承载力之外，还可以用来提高土体的抗剪强度。为此 可提高土坡的抗滑能力。 ( 6 ) 其他作用 石灰桩、粉体喷射深层搅拌桩中的生石灰、水泥粉具有吸水、发热、膨胀作用，对 桩周土具有一定的挤密效果外，还与土体产生一系列物理一化学作用；水平向增强体， 如土工织物、土工格栅、土工格室等，铺设于土体中，可起到约束土体竖向变形的作用。 2 1 1 5 复合地基的基本力学特点 复合地基有两个基本特点： ( 1 ) 加固区是由基体和增强体两部分组成，是非均质和各向异性的； ( 2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。前一种特征使它区别于浅基 础，或称为均质地基( 包括天然的和人工的) ，后一特征使它区别于桩基础。从荷载传递 机理看，竖向增强体复合地基界于浅基础和桩基础之间。 2 1 2 复合地基的破坏模式 竖向增强体复合地基的破坏模式首先可以分成下述两种情况：一种是桩间土首先破 坏进而复合地基全面破坏；另一种是桩体首先破坏进而发生复合地基全面破坏。在实际 工程中，桩间土和桩体同时达到破坏是很偶然。大多数情况下，都是桩体先破坏，继而 引起复合地基全面破坏。 在外部荷载的作用下，复合地基的承载力达到极限时，复合地基就可能发生破坏。 竖向增强体复合地基破坏模式可以分成下述几种型式：刺入破坏，鼓胀破坏，整体剪切 第二章粉喷桩复合地基的工程特性及计算理论 破坏和滑动破坏。如图( 1 ) 中a 、b 、c 、d 所示。 桩体发生刺入破坏如图1 ( a ) 所示。桩体刚度较大，地基土强度较低的情况下较易发 生此种破坏。桩体发生刺入破坏，不能承担荷载，进而引起复合地基桩间土破坏，造成 复合地基全面破坏。刚性桩复合地基较易发生刺入破坏模式。 ( a ) 刺入破坏( b ) 鼓胀破坏( c ) 整体剪切破坏( d ) 滑动破坏 图l 竖向增强体复合地基破坏模式 鼓胀破坏模式如图1 ( b ) 所示。当桩间土在荷载作用下不能提供桩体足够的围压时， 将产生桩体鼓胀破坏。散体材料桩复合地基较易发生。在一定条件下，柔性桩复合地基 也可能发主桩体鼓胀破坏。 整体剪切破坏模式如图1 ( c ) 所示。在荷载作用下，复合地基产生图中的塑性流动区 域，在滑动面上桩体和土体均发生剪切破坏。散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基可 能产生整体剪切破坏。 滑动破坏模式如图l ( d ) 所示。在荷载作用下，复合地基沿某一滑动面产生滑动破坏。 在滑动面上，桩体和桩间土均发生剪切破坏。各种复合地基均可能发生此种模式。 在荷载作用下，一种复合地基的破坏取什么模式，影响因素很多，不仅与复合地基 本身的结构形式、增强体的材料性质有关，还与荷载形式、复合地基上部的基础结构形 式有关。具体分析时应考虑各种影响因素综合分析加以估计。 2 2 粉喷桩的加固机理 粉喷桩加固软土的基本原理是，使固化剂与原位土充分混合后，由于固化剂吸收周 围土层中的水分而发生一系列的物理化学反应【3 5 1 ，使混合水泥土凝结硬化，既提高了自 身的强度，又稳定了桩周围土层，这样桩体连同桩间土共同承担上部荷载作用形成复合 河海大学硕士学位论文 地基。水泥土硬化速度缓慢且作用复杂，粉喷桩加固软土地基一般认为包括以下几个过 程：一、水泥的水解和水化反应；二、粘土颗粒与水泥水化物的作用；三、碳酸化作用。 一、水泥的水解和水化反应 普通的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，由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿化物硅酸三钙、硅酸二钙、铁铝 酸三钙、铝酸三钙、硫酸钙等。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快和软土中 的自由水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙及含水铁酸钙等化合物。各 自的反应过程如下： ( 1 ) 硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) ：在水泥中的含量最高( 约占全重的5 0 左右) ，是决定强度的 主要因素。 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 ，3c a o 2 s i 0 23 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 ( 2 ) 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) ：在水泥中的含量较高( 约占全重的2 5 左右) ，它主要产生后 期强度。 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 h 2 0 3c a o 2 s i 0 23 h 2 0 + c a ( 0 h ) 2 ( 3 ) 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ) ：占水泥重量的1 0 ，水化速度快，促进早凝。 3 c a o a 1 2 0 3 + 6 h 2 0 3 c a o a 1 2 0 36 h 2 0 ( 4 ) 铁铝酸四钙( 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 ) ：占水泥重量的1 0 ，能促进早期强度。 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 + 2c a ( o h ) 2 + 1 0 h 2 0 3 c a 0 a 1 2 0 3 6 h 2 0 + 3 c a o f e 2 0 3 6 h 2 0 在上述一系列的反应过程中所生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶于水中，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，但新生物己不能再溶解，只能以细分散 状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。 (5)硫酸钙(cas04)：虽然在烈麴” x 第二章粉喷桩复合地基的工程特性及计算理论 二、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；也有的则与其 周围具有的一定活性的粘土颗粒发生反应。 ( 1 ) 离子交换和团化作用 粘土和水结合时就表现出一般的胶体特征，例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 + ，它们能和水泥水化生成的钙离 子c a 2 + 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。 水泥水化生成的凝胶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的强度大大提高 ( 2 ) 凝硬反应 随着水泥水化反应的深人，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换的需 要量后，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。随着反应的深入，逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物。 这些新生成的结晶化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度，而且由 于其结构比较致密，水分不易侵入，使水泥土具有足够的水稳定性。 从扫描电子显微镜中观察可见，天然软土的各种原生矿物颗粒间具有很多空隙。拌 人水泥7 天时，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥水化物结晶的萌芽。一个 月后水泥土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸充填到颗粒间的孔隙中，形成网状构造。 到五个月时，纤维状结晶辐射向外延伸，产生分叉，并相互联结形成空间网状结构，水 泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来。 三、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可见，对于软土地基深层搅拌加固技术来说，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。在拌人水泥后 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被水泥颗粒填满。所以，加 固后的水泥土中形成一些水泥较多的微区，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。因而在 水泥土中不可避免地产生强度较大和水稳定较好的水泥石区和强度较低的土块区，两者 河海大学硕+ 学位论文 在空间相互交替，从而形成一种独特的水泥土结构。由此可得出如下结论，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 的总体强度也最高。 2 3 粉喷桩复合地基破坏模式 2 3 1 桩间土的破坏模式 图2 为天然地基的几种破坏模式。复合地基中的桩间土一般出现类似于图2 的破坏模 式，实际上是浅层土的破坏。图2 a 、图2 b 为地基中出现了剪切滑动面；图2 c 为地基土 发生了冲剪破坏，并产生了较大变形。 c b 部誓珲 图2 天然地基破坏模式 2 3 2 粉喷桩的破坏模式 对于软土中的粉喷桩，当下部没有相对硬层存在时，如果不作为复合地基，而作为 单纯的桩基础工作，则粉喷桩单桩的破坏模式一般如图3 所示，其特点是粉喷桩出现了 较大的变形，p s 曲线出现陡降破坏段。但在复合地基中的粉喷桩，由于受到基础( 或承 台) 的影响，其p s 曲线与单桩完全不同。对于单桩，当所承受的荷载达到其极限承载 力后，桩会产生剧烈的不停滞的下沉，此时桩尖下土发生大量塑性变形，并在桩尖下土 中局部范围内形成连续滑动面。在复合地基中，由于基础和加固体的约束，当个别桩达 到其极限承载力后，该桩停止分担新的荷载增量，荷载增量由周围桩承担，在大多数桩 没有达到极限荷载之前，单根桩不会出现连续的下沉，即不会出现图3 中单桩p s 曲 线的陡降破坏模式。 1 6 第二章粉喷桩复合地基的工程特性及计算理论 a ) 均匀软土中粉喷桩单桩破坏模式( b ) 粉喷桩单桩载荷试验曲线 图3 单桩p s 曲线 2 3 3 粉喷桩复合地基的整体破坏模式 图4 是对粉喷桩复合地基所做的静荷载试验的p s 曲线，可以看出，尽管复合地基 的最大沉降量已超过6 0 m m ，但其p s 曲线斜率仍基本保持一常数，并没有出现类似单 桩的陡降破坏特征。而粉喷桩复合地基唯一可能发生的破坏模式是粉喷桩复合地基中整 个加固体象实体深基础一样发生整体剪切破坏。即当复合地基中桩和桩间土相继达到其 极限承载力后，外加荷载向加固体端部转移，使加固体以下的高应力区逐渐发展，直至 在复合地基深层出现整体的剪切滑动面。然而伴随加固体整体剪切破坏而产生的地基沉 降量将是十分可观的，在实际工程中也是绝对不允许的，因而也可以认为软土中，粉喷 桩复合地基的承载力最终只能由地基的变形条件控制。 p | 础 o 1 2 02 4 03 6 04 8 0 6 0 0 8 1 6 2 4 3 2 皇 g 4 0 啬4 8 5 6 6 4 图4 粉喷桩复合地基载荷试验p s 曲线 通过图4 的粉喷桩桩复合地基的p s 曲线，可将粉喷桩桩复合地基的整体破坏模式 过程大致划分为以下几个阶段： ( 1 ) 加荷初期，荷载水平较低，由于桩发挥其承载力的变形条件较低，粉喷桩的承 载力发挥度较桩间土高，随着荷载增加，粉喷桩率先达到其允许承载力。 ( 2 ) 继续加载，此时粉喷桩承担的荷载大于其允许承载力，而桩间土承担的荷载仍 低于其允许承载力，荷载继续增加到复合地基的允许承载力。 1 7 河海大学硕十学位论文 ( 3 ) 继续加载，桩和桩间土相继达到其极限承载力。 ( 4 ) 继续加载，单桩下的剪切面不断增大，并在整个加固体下形成连续的整体剪切 面，加固体象实体深基础一样工作，其p s 曲线保持一定的斜率延伸，直至复合地基的 沉降值超过一定的变形量，此时所对应的荷载即为复合地基的极限承载力。 2 4 粉喷桩复合地基的计算理论 2 4 1 粉喷桩复合地基承载力计算 竖向承载水泥土粉喷桩复合地基的承载力特征值应通过现场单桩或多桩复合地基 载荷试验确定。初步设计时可按下式估算【1 8 】： 厶：聊争+ ( 1 一所) 厶 ( 2 1 ) a p 见= 甜尸+ 口彳尸郎 ( 2 2 ) j = l 兄= 刁厶彳。 ( 2 3 ) 式中局t 一复合地基承载力特征值，k p a ； 如一单桩竖向承载力特征值，k n ； 彳d 一桩的截面积，m 2 ； 夕一桩间土承载力折减系数； 厶一桩间土承载力特征值，k p a ，可取天然地基承载力特征值； 一桩的周长，m ； ，2 一桩长范围内所划分的土层数； 吼厂桩周第f 层土的侧阻力特征值，l ( p a ； ，一桩长范围内第f 层土的厚度，m ； q 一桩端天然地基土的承载力折减系数； 劬一桩端地基土未经修正的承载力特征值，l 【p a ； 刀一桩身强度折减系数，干法可取0 2 0 0 3 0 ；湿法可取o 2 5 o 3 3 ； 厶一与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下9 0 d 龄期的 立方体抗压强度平均值，k p a 。 第二章粉喷桩复合地基的工程特性及计算理论 2 4 2 粉喷桩复合地基沉降计算 粉喷桩复合地基的沉降计算是基于复合地基沉降计算理论和方法上的。在竖向荷载 作用下，粉喷桩复合地基的沉降是桩体、地基土体和衬垫层三者相互作用的结果。因而， 从沉降值组成角度分析，粉喷桩复合地基的沉降应该有三部分组成，一是加固区的土层 压缩量s ，；二是桩群体下卧层土体压缩量& ；三是垫层的压缩量岛。粉喷桩复合地基的 总沉降量s 为： s = sj + s 2 + s 3( 、2 a 、) 由于垫层压缩量一般较小，且多发生在施工期，故一般不予考虑。所以工程与设计 中通常采用的计算方法是实用沉降计算方法，在该方法中，通常把沉降量分为二部分( 如 图5 所示) ，& 为加固区土体压缩量，& 为下卧层土体压缩量，总沉降量s 表达式( 式 2 4 ) 可改为：s = 研+ & ( 2 5 ) 蘅簟 图5 复合地基沉降计算模式 ( 1 ) 加固区土层压缩量研的计算方法 加固区压缩量计算的常用方法有复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法。这三种 方法都假定桩与桩间土的变形相等。 复合模量法( 丘法) 将复合地基加固区增强体连同地基土看作一整体，采用置换率加权模量作为复合模 量e 。来评价复合土体的压缩性。并以此作为参数采用分层总和法计算复合地基加固区 压缩量研，表达式为： s ：窆知 ( 2 6 ) 1 9 河海火学硕士学位论文 式中么b ，为第j 层复合土上附加应力；膨为第，层附和土层的厚度。 尾，值可通过面积加权法计算或弹性理论表达式计算，也可通过室内试验测定。面 积加权平均法表达式为 疋= 聊e 。+ ( 1 一聊) e ( 2 7 ) 式中m 为复合地基面积置换率； 历为桩体压缩模量，m p a ； e 为土体压缩模量，m p a 。 应力修正法( 历法) 根据桩土模量比求出桩土各自分担的荷载，忽略增强体的存在，用弹性理论求出土 中应力，再用分层总和法计算加固区土体的变形，它本质上是前述的沉降折减法，其关 键在于确定桩土应力比。 桩身压缩量法 假定复合土体中桩体在荷载作用下不产生刺入下卧层的变形，并假定桩侧摩阻力的 分布形式。再基于桩所分担的荷载和桩体的压缩模量，通过材料力学中求压缩杆件的方 法求出桩体压缩量，并认为桩体压缩量等同于复合土层沉降量。 ( 2 ) 下卧区土层压缩量& 的计算方法 复合地基加固区下卧层压缩量s 。通常采用分层总和法计算。在分层总和法计算中， 作用在下卧层土体上的荷载或土体中附加应力是难以精确计算的。目前在工程应用上， 常采用下述四种方法计算： 应力扩散法 将复合地基视为双层地基，通过应力扩散角简单的求得未加固区顶面应力的数值， 再按弹性理论求得整个下卧层的应力分布，然后分层总和求& 。 这种方法有如下局限性：首先地基加固范围有限，一般仅在基础轮廓内设置深层搅 拌桩加固土体，这与非均质地基坚硬土层无限大的假定是有区别的。其次，在设计中比 较难确定的是应力扩散角度的大小。 等效实体法 即地基基础规范中群桩沉降的计算方法。假设加固区四周受均布摩阻力，上部的压 力扣除摩阻力后即得到未加固区顶面应力的数值，再按弹性理论求得整个下卧层的应力 分布，用分层总和法求& 。在这种模式中考虑了桩群体通过摩阻力将部分荷载扩散至假 想实体基础范围以外，但此时土对桩的摩阻力g 的确定存在着极大的不确定性，也限制 了其应用。 第二章粉喷桩复合地基的t 程特性及计算理论 ( 9 m i n d l i n g e d d e s 法 按照模量比将上部荷载分配给桩土，假定桩侧阻力的分布形式，按m i n d l i n 基本解 积分求出桩对未加固区形成的应力分布，按弹性理论求得土分担的荷载对未加固区的应 力，再与前面积分求得的未加固区应力叠加，以此应力按分层总和法求& 。该法所得到 的复合地基竖向附加应力解，考虑了桩身及桩土共同承担荷载，但该方法计算量大，在 实际设计计算中应加以简化4 0 1 。 当层法 加固区复合模量为如，未加固区模量为最，则将加固区换算成与未加固区模量相 当的土层，其当层厚度可按下式进行计算： 8 ) 则由弹性理论计算未加固区中竖向应力为： 盯，： ! 名一 ( 2 9 ) 2 心+ 叫) 2 则可由此应力按分层总和法计算蹦。 2 4 3 复合地基数值计算分析方法 用于复合地基理论计算的数值方法主要以有限单元法和有限差分法为主。在几何模 型处理上大致上可以分为二类：一类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，复合土体单元采用复合 材料参数。 目前有限单元法和有限差分法计算的发展趋向于更复杂的模型或进行三维分析，虽 然这样会带来计算参数更多、计算工作量更大的结果，但是它能更好的的模拟实际工程 情况，对实际工程的数值模拟仿真就更加的准确，所以在工程数值计算、工程设计与研 究中得到广泛的应用。由于粉喷桩复合地基受力机理较复杂，其本构模型及计算参数相 对较多，为了更好的模拟实际现场情况，需要建立较复杂的数值模型进行三维分析，但 由于其计算量大，耗时耗力的特点，所以一些适宜工程应用的粉喷桩复合地基的沉降计 算方法也得到广泛的应用。因此各类复合地基沉降计算采用上述何种方法为宜，需具体 问题具体分析。 河海大学硕十学位论文 所面积置换率( ) ，所= 2 0 ； r ? 单桩竖向承载力( 刷) ： 彳。桩截面积( 研2 ) 桩间土承载力折减系数，= o 4 ； z 。桩间天然地基土的承载力( 弛) ，z 。= 1 0 3 8 弛。 经计算，加固处理后的复合地基承载力厶。= 1 7 6 2 弛。而浍解引河闸底板底面地 基压力名。= 7 7 删聊2 ，未加固前地基允许承载力7 0 删所2 ，可见，地基加固处理后， 复合地基承载力能满足闸基底压力需要。 2 5 3 规范法计算粉喷桩复合地基设计沉降 在进行粉喷桩复合地基设计时，其设计沉降通常是根据建筑地基处理技术规范 ( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 【3 1 1 和建筑地基基础设计规范( j g 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 【3 2 】进行计算的，总沉 降量分为加固区的沉降量函和下卧层的沉降量& 两部分来计算，具体计算过程如下： 1 、加固区的沉降量s ，采用复合模量法【3 1 】计算，其计算公式如下： s5 车争 1o m f ( 2 1 2 ) e 珊= 聊耳+ ( 1 一所) 巨 ( 2 1 3 ) 式中：越第j 层复合土上附加应力增量( 配) ； e 。，第j 层复合土的复合模量( 弛) ； h ，第j 层复合土层的厚度( 所) ； e 。桩群体的变形模量( 弛) ； m 面积置换率( ) ； 4 粉喷桩的压缩模量( 配) ； e ，桩间土的压缩模量( 弛) ； 2 、下卧层( 桩端以下未加固土层) 的沉降量& 可按现行国家标准建筑地基基础 设计规范( j g 5 0 0 0 7 ) 的有关规定进行设计计算。 计算地基变形时，地基内的应力分布，可采用各向同性匀质线性变形体理论。其最终沉 降量可按下式计算： 蔓= 织s = 织争( z ，q z l - 。q 一。) ( 2 1 4 ) 第二章粉喷桩复合地基的工程特性及计算理论 式中& 下卧层地基的沉降值( 朋