（地质工程专业论文）高速公路长板—短桩工法复合地基变形监测与设计方法研究.pdf

摘要 摘要 近几年我国高速公路发展迅速，高速公路建设主要集中东部沿海诸省，这些 地区土类含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、透水性小、灵敏度大。这些 特性给高速公路的建设带来不少弊病，有的甚至成为工程成败的关键，因此，软 土地基的处理就成为高速公路建设的一个关键问题。一般来说，对于一般建筑物 软基处理的主要目的是提高软弱地基的强度。但是根据我国已建成的高速公路来 看，主要问题不是路基的稳定性，而是路基在高路堤情况下的变形性。因此，如 何控制高速公路路基的沉降，使其满足设计要求是目前高速公路软基处理的主要 任务，设计的控制标准也由传统的强度控制转化为以变形控制为主。 论文结合在建江苏淮盐高速公路试验段，采用塑料排水板与水泥土搅拌桩联 合的方法( 即长板一短桩工法) 处理高速公路深厚软基的新思路。该工法上部采 用短桩可有效提高地基的早期稳定性，加快路堤施工速率，相应缩短建设周期； 竖向排水体的存在，有效地缩短了排水途径，有利于中部固结层地基土在传至桩 底的附加应力作用下发生排水固结和下部未加固层的固结沉降，提高沉降速率， 可较好地解决深厚软基的工后沉降问题。 该工法将高速公路的建设特点、排水固结法和水泥土搅拌法的优势结合起 来，充分利用高速公路高填方路堤的填土期和预压期，提出将软基加固和堆载排 水预压处理联合起来的设计理念。论文主要以试验段现场变形监测为主，结合现 场试验、原位测试，通过沉降计算、数值模拟及有限元计算对长板一短桩工法的 机理进行讨论，得出该工法的具体设计方法，证明了长板一短桩工法复合地基处 理深厚软基的有效性。 关键词：高速公路，深厚软基处理，长板一短桩工法，变形监测，沉降，土压， 孔压，方案设计 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l ye x p r e s s w a yi sd e v e l o p e dv e r yq u i c k l y t h ec o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a ym a i n l y f o c u s e so nt h ee a s tc o a s t a lp r o v i n c e s ，w h e r es o i lh a sh i g hw a t e rc o n t e n t 、l a r g ev o i dr a t i o 、h i g h c o m p r e s s i b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yd e g r e e 、l o ws t r e n g t h 、s m a l lc o n d u c t i v i t y t h e s ec h a r a c t e r i s t i c s c a l t ym a n yd i s a d v a n t a g e s ，s o m eo fw h i c hh a v eb e c o m ek e y s o f e n g i n e e f i n g p r o j e c t s c o n s e q u e n t l ys o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n tb e c o m et h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi ne x p r e s s w a y c o n s t r u c t i n g 。g e n e r a l l yt h ep u r p o s eo fs o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n ti st oi m p r o v et h es t r e n g t ho fs o f t f o u n d a t i o n a c c o r d i n gt oe x p e r i e n c et h em o s tp r o b l e m i sn o ts t a b i l i t yo fe m b a n k m e n ! b u t s e t t l e m e n tc o n t r 0 1 s ot h em a i nm i s s i o ni sh o wt oc o n t r o ls e t t l e m e n to fe x p r e s s w a ye m b a n k m e n t t om e e tt h ed e m a n do fd e s i g n d e f o r m a t i o nc o n t r o l l i n gb e c o m et h ec o n t r o l l i n gs t a n d a r di n s t e a d o f t r a d i t i o n a ls t r e n g t hc o n t r o l l i n g c o m b i n i n gc e m e n td e e pm i x i n gw i t hp r e f a b r i c a t e dv e r t i c a ld r a i n a g e ( b r i e f l yc a l l e dd - m m e t h o d ) ，a u t h o rp r o p o s e dac o m b i n a t i o na p p r o a c hf o re x p r e s s w a ys o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n t i n t h em e t h o d ，s h o r tp i l ei su s e di nt h eu p p e rs e c t i o nt oi m p r o v ee a r l ys t a b i l i t yo ff o u n d a t i o n ，t o f a s t e nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ef o u n d a t i o na n dt or e d u c ec o n s t r u c t i o np e r i o d s t h ee x i s t e n c eo f v e r t i c a ld r a i nc a ne f f e c t i v e l yr e d u c ed r a i n a g el e n g t h ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt oc o n s o l i d a t i o no f m i d d l ea n db o t t o ml a y e ro ff o u n d a t i o ns o i l i ta l s oc a nq u i c k e ns e t t l e m e n tv e l o c i t ya n dr e s o l v et h e p r o b l e mo f p o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to f d e e ps o f t f o u n d a t i o n u n i t i n gt h ee m b a n k m e n tc o n s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em e r i t so ft h et w om e t h o d s ，d m m e t h o dm a k e sf u l l yu s eo ft h ec o n s t r u c t i o na n dp r e l o a d i n gp e r i o d so fe m b a n k m e n t t h ed e s i g n m e t h o d o l o g i e s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea n du n i t e dm e c h a n i s mo fd - mm e t h o dh a db e e ns t u d i e d t h i sd i s s e r t a t i o ni sm o s tb a s e do nf i e l dd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n go ft h ee x p e r i m e n t a l s e c t i o n ，c o m b i n e dw i t hi n s i t ut e s t sa n dc o m p u t a t i o ns e t t l e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h e e n dt h e d i s s e r t a t i o ni n c l u d ed - mm e t h o di sa d v a n c e da n de f f e c t i v ei nd e e ps o f tf o u n d a t i o n t r e a t m e n t ，a n ds u m m a r i z em a t e r i a ld mm e t h o dd e s i g np r o c e s sa c c o r d i n g l y k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ，d e e ps o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，d mm e t h o d ，d e f o r m a t i o n m o n i t o r i n g ，s e t t l e m e n t ，s e t t l e m e n t ，s o i lp r e s s u r e ，p o r ep r e s s u r e ，s c h e m ed e s i g n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 躲中沧闷 z 岁罐i ；鼹e t 学位论文版权使用授权书 本入完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝作者躲吁渤刁 参s 年5r ；e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 2 年解密后适用 本授权书。 指导教师躲1 儿j 学位论文作者躲又降闷 百年弓月乌e l夕歹年多月弓曰 第l 章绪论 1 1 高速公路的发展现状 第1 章绪论 公路是一个国家国民经济的重要基础设施，发展公路运输的首要前提是大力 加强公路建设。高速公路是社会经济发展的必然产物，它的产生、发展是与整个 社会的政治、经济等发展息息相关的，也代表了一个国家的现代化水平。为了适 应国民经济快速发展，近几年我国高速公路发展迅速，高速公路建设进入从线到 网的发展阶段。 我国在二十世纪8 0 年代中期确定了发展高速公路的方针。1 9 8 8 年1 0 月， 沪嘉高速公路的通车，实现了我国大陆高速公路零的突破，不久之后，沈大、京 津塘高速公路相继投入运营。“九五 期问我国高速公路的建设步伐更进一步加 快，把加快包括公路在内的基础设施建设作为扩大内需的重点，以确保国民经济 持续健康地发展。 高速公路建设面临的岩土工程问题：高速公路是一个全封闭的运输系统，沿 线的桥涵通道比较多，这就决定了高速公路的路堤一般比较高。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。 当前我国高速公路建设主要位于东部沿海诸省，而这些地区的地质环境，除山东 部分地段外，大部分为河相、海相、或泻湖相沉积层，在地质史上属于第四纪全 新世q 4 的土层。土类多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土及淤泥夹砂层， 属于饱和的正常固结软粘土。这些土类的主要特点：含水量高、孔隙比大、压缩 性高、强度低、透水性小、灵敏度大。这些特性给高速公路的建设带来不少弊病， 有的甚至成为工程成败的关键，因此，软土地基的处理就成为高速公路建设的一 个关键问题。如果处理不当，就会产生以下一些问题：路堤整体滑动，桥台破 坏：构筑物与路堤衔接处差异沉降，引起桥头跳车及路面破坏；涵身、通道 凹陷，沉降缝拉宽而漏水；路面横坡变缓，造成积水等。 一般来说，对于一般建筑物软基处理的主要目的是提高软弱地基的强度。但 是根据我国己建成的高速公路来看，主要问题不是路基的稳定性，而是路基在高 路堤情况下的变形性。因此，如何控制高速公路路基的沉降，使其满足设计要求 是目前高速公路软基处理的主要任务，设计的控制标准也由传统的强度控制转化 为以变形控制为主。 第1 章绍论 1 2 高速公路软基处理方法 在软土地基上修建高速公路，往往需要进行地基处理以保证路堤路基的稳定 性、减小工后沉降和工后差异沉降。处理方法大致可分为以下几类： ( 1 ) 桥梁跨越； ( 2 ) 减轻路堤荷载； ( 3 ) 地基处理，常用方法又可分为土质改良和复合地基两类； ( 4 ) 工后修补： ( 5 ) 综合处理。 对高速公路软土地基进行地基处理，常用地基处理方法分类如下： ( 1 ) 土质改良：排水固结法( 堆载预压法) ，强夯法，其他方法。 ( 2 ) 复合地基：水泥土桩复合地基，碎石桩复合地基，低强度桩复合地基， 加筋土复合地基。 通过土质改良或形成复合地基均可提高地基承载力，有效减小工后沉降。在 能够满足地基稳定性要求的前提下，允许产生较大的工后沉降和不均匀沉降，通 过工后对路基路面进行不断修补，不断调整不均匀沉降以满足行车要求，这也是 一种处理方法。 综合处理是指综合应用上述各类方法，如地基处理与减轻路堤荷载相结合， 减轻荷载与工后修补相结合，地基处理与工后修补相结合等。 针对高速公路软基的变形问题，目前最为常用的是两类方法，即排水固结法 和水泥土搅拌法。 ( 1 ) 排水固结法的原理是软土地基在荷载作用下，土中的水慢慢排出， 孔隙比减小，地基发生固结变形。该法通常由两个系统组成，排水系统和加压系 统。排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径， 缩短排水距离，排水系统一般有水平排水体( 砂垫层) 和竖向排水体( 普通砂井、 袋装砂井和塑料排水带) 。加压系统是指对地基施行预压的荷载，它使地基土的 固结压力增加而产生固结，其材料有固体( 土石料等) 、液体( 水等) 、真空负压 力荷载等。排水系统是一种手段，如没有加压系统，土孔隙中的水没有压力差就 不会自然排出，地基也就得不到加固；如果只增加固结压力，不改善土层的排水 条件，则不能在预压期间尽快地完成设计所要求的沉降量，所以上述两个系统在 设计时总是联系起来考虑的。 在高速公路软基处理中，加压系统一般由路堤本身组成，还包括真空法、降 低地下水位法、电渗法等。排水系统常用袋装砂井和塑料排水板。1 9 2 5 年美国 的m o r a n 首先发明了砂井排水预压法，美国加州公路局于1 9 3 4 年首次在建设中 第l 章绪论 使用，随后很快在企世界范序l 内广泛应用。后来为了解决由于地基变形容易使砂 井产生断颈和缩颈问题，发明了袋装砂井。由于袋装砂井施工不便，且需大量施 工用砂等问题，1 9 8 1 年又成功开发了塑料排水板法。由于塑料排水板法具有施 工工效高，施工方便，料源丰富，造价低等优点，很快得到了广泛的推广应用。 塑料排水板试验结果表明：塑料排水板处理在高填方( 填土高度6 o m 以上) 情况下，均能安全填筑到顶，处理后路基强度及各项物理力学指标明显改善，预 压3 个月后的十字板强度可提高1 倍左右；当塑料排水板间距为1 o i i l 时，达到 9 0 0 5 固结度需1 个月，1 5 m 间距时，达到同样的固结度需3 个月；塑料排水板处 理段的侧向位移较大，利用反压荷载可减少侧向位移；加荷速率应控制在每月填 土1 o m 。 ( 2 ) 水泥土搅拌法汜j 是继砂井法和塑料排水板法等加固方法之后出现的加 固饱和软粘土地基的新方法，分为水泥浆搅拌( 国内俗称深层搅拌法) 和粉体喷 射搅拌两种。水泥浆搅拌法是美国在第二次世界大战后研制成功的，后来由日本 等国进一步将其发展，并研制出各种深层搅拌的施工机具。粉体喷射搅拌法最初 是由瑞典k j i e l dp a u s 在1 9 6 7 年提出的，当时是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 年现场制成第一根用石灰和软土搅拌而成 的桩，后来喷射的粉体逐步采用水泥粉。目前水泥土搅拌桩已成为世界各国广泛 采用的地基处理方法之一。 水泥土搅拌法是利用水泥( 或石灰) 等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机 械，在地基深处就地将软土和固化剂( 浆液或粉体) 强制搅拌，由固化剂和软土 间所产生的一系列物理和化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定 强度的水泥加固土，从而提高地基强度和降低变形量。根据施工方法的不同，水 泥土搅拌法分为水泥浆搅拌( 国内俗称深层搅拌法) 和粉体喷射搅拌两种，前者 是用水泥浆和地基土搅拌，后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌。水泥土搅拌 法是高速公路软基处理用得最多的方法之一，如沪嘉、沪宁、沪杭、广州环城等 高速公路使用该法在提高地基强度、减小地基沉降方面收到了非常好的效果。该 处理方法具有下列特点：能有效地减少总沉降，这主要是桩身范围内沉降量减 少；桩尖下的软土沉降量有所增加，因此应将水泥土桩打穿软土层；水泥土 搅拌桩处理后的路基能抵抗侧向变形，这对于减小桥台桩的侧向压力是有利的； 能适应快速加荷的施工条件而不引起急剧沉降。 水泥土搅拌桩试验结果表明：置换率高和处理深度大的处理效果好：处理后 复合地基的抗侧向位移能力较强，且在填土竣工后l 至2 个月侧向位移趋于稳定； 粉喷桩复合地基能承受较大的加荷速率，一般以每月2 m 土为宜。 龚晓南_ 1 认为，水泥土搅拌桩属于柔性桩范畴，存在着“有效桩长 的概念， 第l 章绪论 即搅拌桩桩身应力和变形主要发生在有效桩长范围内，而超过有效桩长的那部分 桩长对提高地基承载力作用不大。对于深厚软土地区，水泥土搅拌桩按变形控制 设计更为合理，即在满足承载力的前提下，以沉降作为设计控制标准，考虑选用 合适的桩长、桩径、置换率和水泥掺入比，使之既满足设计要求，又最经济。 叶观宝h 3 通过实测，认为搅拌桩单桩的最大轴力位于桩顶下5 m 范围内，而 搅拌桩复合地基中桩的最大轴力位于桩顶下3 米范围内，即主要受力桩段上移。 对于超过l o m 的搅拌桩，其桩身下部受力很小，只要起减小地基沉降作用。搅拌 桩复合地基中桩的容许承载力比单桩小。 郑刚n 。等认为水泥搅拌桩介于柔性桩和刚性桩之间，桩土接触面荷载传递与 刚性桩荷载传递并无很大差异。曾友金，章为民借鉴刚性桩的荷载传递机理，用 极限承载力控制法分析得出影响水泥土搅拌桩单桩有效桩长的因素有桩径、桩项 沉降量、桩土刚度比、桩周土层泊松比等。 由于高速公路对地基变形要求高、穿越地质单元多、线路长、工程量大，在 软土地基上修建高速公路，尤其是在东部沿海地区，其地基处理费用占总投资的 比重是很大的一般需1 3 左右，甚至更大。因此，地基处理方案是否合理，直接 关系到工程的成败及投资的大小。而地基处理方案的选择又与地质条件、荷载条 件、使用条件、施工条件等密切相关。 1 3 长板一短桩工法的提出 高速公路是线型构筑物，沿线将遇到各种各样的地质情况，在东南沿海地带 往往会遇到一些深厚软土层。如果这样的地质情况出现在桥头过渡段，由于其工 后沉降的控制标准比较高，荷载也相对比较大，对深厚软土层的处理一直没有取 得令人满意的效果，成为长期困扰建设者的一大难题。 在我国高速公路的建设过程中，根据多年的建设经验，形成了一套适合我国 高速公路建设发展的体系，同时也形成了我国高速公路建设的特点。高速公路除 了跨越地域广，会碰到各种各样的地质情况外，其自身的特点决定了高速公路建 设具有不同于一般建筑物建设的特点哺1 ，具体如下： ( 1 ) 高速公路对沉降变形的要求高。根据规范，高速公路工后沉降控制标 准为：一般路段小于3 0 c m ，箱涵通道处小于2 0 c m ，桥头小于l o c m 。 ( 2 ) 高速公路是线型构筑物，路基工程完成后要求相邻段之间工后沉降速 率基本一致，这样不至于导致差异沉降、路面丌裂。 ( 3 ) 我国高速公路建设存在一固定的填土预压期。按照江苏省的经验，这 一预压期一般为6 个月。 第1 章绪论 ( 4 ) 高速公路对路堤稳定性也有定的要求，路堤填土施工时要分级加载， 不能一次性加载。 目前我国高速公路建设，针对软弱地基处理最常用两种方法：塑料排水板和 水泥土搅拌桩。这两种方法各有其特点。 塑料排水板的特点： ( 1 ) 造价低； ( 2 ) 可以加快软土的沉降速率，但同时也加快了工后沉降速率； ( 3 ) 对于深厚软土地基，仍然需要很长的预压期，无法满足工期要求； ( 4 ) 由于施工的扰动会增加软基的总沉降量。 水泥土搅拌桩的特点： ( 1 ) 减小地基的总沉降量，并且能提高地基稳定性； ( 2 ) 填土预压期短。在水泥土搅拌桩打穿软土层的前提下，理论上不需要 固定的预压期； ( 3 ) 路基工程完成后，工后沉降速率相对于塑料排水板处理来说比较慢； ( 4 ) 造价高； ( 5 ) 由于施工条件、机具的限制，干法的处理深度一般不超过1 5 m ，湿法 的处理深度一般不超过2 0 m ； ( 6 ) 如果水泥土搅拌桩不能打穿软土层，在固定预压期内很难完成预期变 形量，处理效果也就不能令人满意。 根据以上分析，在高速公路建设工程中，对于深厚软土地基的处理，如果单 独采用排水固结法或水泥土搅拌桩进行处理，很难取得令人满意的效果。因此， 本文提出了采用水泥土搅拌桩与塑料排水板联合处理法( 简称长板一短桩工法) 来解决高速公路深厚软基问题。认为联合处理法可以解决深厚软基问题，与水泥 土搅拌桩复合地基和塑料排水板( 砂井) 两种方法相比，既有效地利用了高速公路 建设固有的预压期，解决了沉降问题，又充分发挥两种方法的长处，同时也协调 了不同段落之间的工后沉降速率，也不会影响施工工期，不失为一种行之有效的 方法。 此外，从高速公路全线的角度出发，时常出现采用不同地基处理手段加固软 基的情况，例如一部分路段用塑料排水板处理，一部分路段采用水泥土搅拌桩复 合地基处理( 见图1 1 ) 。 第l 章绪论 水泥土搅拌桩 图1 - 1 相邻段示意图 对于两种处理方法的相邻段，排水固结法处理段由于塑料排水板( 砂井) 的存 在，加快了预压期的沉降速率，但同时也加快了工后沉降的速率；水泥土搅拌桩 处理段，其下软土的固结将非常慢，工后沉降速率也将进行地非常慢。因此，在 高速公路运营后，两种处理方法相邻段的交界处，虽然都满足工后控制沉降，但 由于两者的沉降速率不同，必然会产生差异沉降，导致路面开裂，影响行车速度。 如果水泥土搅拌桩复合地基部分改为水泥土搅拌桩与塑料排水板( 砂井) 联合处 理，则两段的工后沉降速率就基本会趋于一致，这样就解决了上述的差异沉降问 题。而且联合处理法的另一优点是水泥土搅拌桩的桩长可以比单独采用水泥土搅 拌桩短，节约地基处理费用。 综上所述，长板一短桩工法处理软土路基是一种行之有效的好方法，其特点 为： ( 1 ) 搅拌桩解决了浅部路基的稳定性； ( 2 ) 长板解决了下卧层的沉降； ( 3 ) 充分利用高速公路路堤的填土期作为预压期； ( 4 ) 对深厚软土长板和短桩的施工质量容易得到保证； ( 5 ) 可以协调桥头段和一般路段相邻之间的工后沉降速率； ( 6 ) 特别适用于深厚软土路基的处理； ( 7 ) 具有可观的经济效益。 1 4 长板一短桩工法处理深厚软基中要解决的问题及本文的主要工作 针对深厚层软土地基的特点，提出塑料排水板与水泥土搅拌桩联合处理方 案，在现有的固结理论的基础上，通过建立计算机模型研究搅拌桩与塑料板排水 联合处理的复合地基在预压条件下的固结特性，利用原位测试和室内试验研究复 合地基段和深层地基土围结系数、变形模量等参数的计算理论和计算方法，并依 一 一_ i 第1 章绪论 托现场堤测和数值模拟，建立同结过程中地基f l f ；1 结度和强度变化的评价方法，并 提出符合高速公路深厚软土地基条件的实用的联合处理方案。 长板一短桩工法需要进行的研究工作： ( 1 ) 长板一短桩工法复合地基在预压条件下的固结特性； 长板一短桩工法复合地基处理方案构思与设计； 等载预压条件下复合地基的固结机理研究； 建立联合处理复合地基变形的计算模型和进行参数研究； 模型检验与预测。 ( 2 ) 长板一短桩工法复合地基相关参数的确定方法的研究 复合地基固结系数测定的试验研究； 复合地基变形模量测定的试验研究； 参数估计及相关的理论研究。 ( 3 ) 预压固结过程中地基固结度、地基土强度增长情况的评价方法的研究 现场监测方案设计、现场监测与成果分析； 复合地基固结度、地基土强度增长规律的研究； 复合地基工程性能的评价方法的研究。 ( 4 ) 长板短桩工法复合地基设计方法的研究 长板一短桩工法复合地基设计理论分析； 复合地基设计参数的分析与确定； 建立基于深厚软基特点的长板一短桩工法复合地基实用设计方法。 本文的主要工作： 本文依托江苏省高速公路盐城一淮安段盐城十四标试验段，对长板一短桩工 法处理深厚软基进行试验和理论研究。首先结合已有的理论研究对长板一短桩工 法的加固机理、设计计算进行探讨研究，作出初步试验方案，然后通过四个不同 试验段变形监测数据整理对比，分析各个段落之间土压、孔压及沉降的变化规律， 结合现场原位测试验证长板一短桩工法处理高速公路深厚软基的可行性及有效 性。最后结合长板一短桩机理研究及数值模拟、有限元分析得出适合相关深厚软 基处理长板一短桩工法复合地基的合理设计方法，对该工法的变形机理进行讨 论。 第2 章复合地毖 2 1 复合地基概述 第2 章复合地基 复合地基是指由两种不同刚度( 或模量) 的材料所组成，在相对刚性基础上两 种材料共同分担上部荷载并协调变形的地基n 3 。在地基处理中常常是纵向加强体 ( 桩体) 与地基中的天然土( 桩问土) 共同承担外部荷载的作用并协调变形以水 泥、石灰等材料作为固化剂，利用一定的施工机械在软土地基中形成的水泥系搅 拌桩复合地基，在共同承受外部荷载作用时，复合地基中的应力场、位移场都不 同于单纯的天然地基桩、土间的模量及应力一应变关系的不同，影响了各自强度 的发挥，导致了复合地基应力场、位移场与天然地基的不同。 复合地基坤1 的涵义随着其实践的发展有一个发展过程。初期，复合地基主要 是指碎石桩复合地基，人们特注意力主要集中在散体材料桩复合地基的应用和研 究上。随着深层搅拌法的推广应用，人们开始重视水泥土桩复合地基的研究。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胶结材料桩复合地 基。随着减少沉降桩和桩筏基础的研究，以及土工合成材料在地基中的广泛应用， 人们将复合地基概念进一步拓宽，提出刚性桩复合地基和水平向增强体复合地基 的概念。龚晓南认为口1 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可分为竖向增强体复 合地基和水乎向增强体复合地基两大类。竖向增强体习惯上称为桩，因此竖向增 强体复合地基通常称为桩体复合地基。根据桩体材料性质又可分为散体材料桩复 合地基和胶结材料桩复合地基两类，后者视刚度大小又可分为柔性桩复合地基和 刚性桩复合地基两类。对均质地基( 或称浅基础) ，上部结构荷载是通过基础直接 传递给天然地基的。对桩基础，上部结构荷载是通过基础先传递给桩体，再由桩 体通过桩侧摩阻力和端承力传递给天然地基的。对复合地基，上部结构荷载是通 过基础同时传递给天然地基土体和增强体的，或者说是由天然地基土体和增强体 ( 两者形成一复合加固区) 共同承担上部结构通过基础传递来的荷载。增强体与天 然地基土体能够共同承担上部结构荷载是有复合地基的形成条件。 2 2 长板一短桩工法复合地基的概念模型 作为常用的软基处理技术手段，预压排水固结法和水泥土搅拌桩法各有特点 第2 章复合地基 憎j 。预压排水同结法具有：( 1 ) 软土的围结沉降速率快：( 2 ) 消除工后沉降小； ( 3 ) 可提高地基土的承载力和( 4 ) 造价低的优点。但同时也存在：( 1 ) 施工期 和预压期长和( 2 ) 由于施工扰动增加软土地基的总沉降量等不足。 采用水泥土搅拌桩加固软土地基，可以：( 1 ) 有效地提高地基的承载力；( 2 ) 减少地基的总沉降量；( 3 ) 缩短或不需要地基处理施工完成后的预压期。但也有 自身的一些缺陷：( 1 ) 造价偏高；( 2 ) 受施工机具和技术水平的限制，深部施工 质量不易保证；( 3 ) 若搅拌桩不能穿透软土层，工后沉降难以达到设计要求。 长板一短桩工法的提出是为了发挥预压排水固结法和水泥土搅拌桩法的自 身优点，克服其在处理深厚软基的不足。 长板与短桩在平面上可以等间距布置，也可以不等问距布置；在深度上，长 板穿过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。图2 1 中的长板与短桩按等 间距布置，长板不穿透软土层。 o o f 一板 o oo ( ：卜水泥土搅拌桩 。 口口口 竖向 o oo 未加固层 形勿勿勿勿形形万 非软土层 拌桩 图2 1 长板一短桩工法模式图，( a ) 平面；( b ) 剖面 在采用长板一短桩工法处理深厚软基时，根据长板与短桩的作用机理与特 点，在地基剖面上应可划分为( 1 ) 深层搅拌桩复合地基层( 简称复合层，c o m p o s i t e z o n e ) ，( 2 ) 预压排水固结层( 简称固结层，c o n s o li d a t e dz o n e ) 和( 3 ) 未加 固处理的原状软土层( 简称未加固层，u n i m p r o v e dz o n e ) ，见图2 3 ( b ) 。 第2 章复合地基 2 3 常规地基变形计算方法 2 3 1 一般地基的变形计算 一、太沙基固结理论1 1 9 2 5 年，太沙基建立了固结基本微分方程， 件下的解析解，太沙基单向固结基本微分方程： a 甜 a 2 1 , 1 a ， 。o z 2 获得了一定初始条件和边界条 式中，c v 为固结系数，c ，= k i y 。m = ( 1 + e ) k y 。口，。 ( 2 1 ) 在单向固结问题的初始条件和边界条件下，用分离变量法解式( 2 1 ) 得解 析解 z ，( 硝) = 萎万2f ，u os i n 等 - d z ) s i n 等p 州 c 2 2 ) 式中，m ：( 2 m i - 一1 ) z ；瓦：c ，日2 。 二、比奥固结理论 比奥固结理论从较严格的固结机理出发推导了准确反映孔隙压力消散与土 骨架变形相互关系的三维固结方程。对于平面弹性变形问题，比奥固结方程为 一g v 2 w x4 而g 昙勺+ 塞= o 1 一g 俨哆+ 两g 了昙印+ 面o u = 吖 ( 2 3 ) 堕+ 竺v z “：oj o t ，。 。 可通过有限单元法解比奥固结方程 三、大变形固结理论 大变形固结理论的某些基本假设是与太沙基理论相同的。不同之处是压缩系 数不被认为是常数：渗透系数与孔隙比有关；渗透速度以孔隙水与骨架的相对速 度来表示。用固相坐标z 表示的固结方程为 o 西e + m o m k ) d 出o 瑟o e j - 1 ) 丢( 爿驷 4 ) 一般将e 述方程简化成线性方程或拟线性方程，用数值方法求解。 第2 章复合地基 2 3 2 复合地基的变形计算 目前复合地基的变形计算“帅羽，通常把复合地基沉降量分为二部分，复合地 基加固压缩量s ，复合地基加固区下卧层土层压缩量s ，。复合地基总沉降量s 可 表示为二部分之和，即： s = s i + 是 ( 2 5 ) 常用复合地基加固压缩量s 。的计算方法有复合模量法( e 驴法) 、应力修正法 ( 巨法) ，桩身压缩模量法( e p 法) 1 、复合模量法 将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模 量岛来评价复合土体的压缩性。采用分层总和法计算s ，表达式为 s 5 喜芒只 6 ) - ll s “ 式中卸，一第，层复合土上附加应力增量： h ，一第f 层复合土层的厚度； 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。面积加权表达式为 = 呜+ ( 】一所皿 ( 2 7 ) 式中所一复合地基面积置换率； e ，一桩体压缩模量； e ，一土体压缩模量。 2 、应力修正法 在该法中，根据桩间土承担的荷载几，按照桩间土的压缩模量e ，忽略增 强体的存在，采用分层总和法计算加固区土层的压缩量s 。 s ，= 喜等即等耻鹏 汜8 ) 第2 章复合地基 式中以一应力修j f 系数， ，5 丽1 ； 刀和坍分别为复合地基在荷载p 作用下第，层桩间土的附加应力增量， 相当于未加固地基在荷载p 。作用下第i 层土上的附加应力增量； 瓯未加固地基在荷载p 作用下相应厚度内的压缩量。 3 、桩身压缩量法 在荷载作用下，桩身压缩量为 s p = 型， 式中p 一应力集中系数，作2 南： ，一桩身长度，即等于加固区厚度h ： e ，一桩身材料变形模量； 纵一桩底端端承力密度。 ( 2 9 ) 复合地基加固区下卧层土层压缩量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压力是难以精确计算 的。目前在工程应用上，常采用下述三种方法计算1 3 1 ： 1 应力扩散法 翦2 蕈复合地基 k 一一卫一一 o 且一一一一 图2 2 下卧层上附加应力计算 应力扩散法计算加固区下卧层上附加压力示意图如图2 1 ( a ) 所示。复合 地基上荷载密度为p ，作用宽度为b ，长度为d ，加固区厚度为h ，压力扩散角 为，则作用在下卧层上的仇为： 儿= 面瓦研d b p 厕 2 l 。) 对条形基础，仅考虑宽度方向扩散，则上式可改写为 仇= 上b + 2 h t g f l ( 2 l1 ) 采用应力扩散法计算关键是压力扩散角的合理选用。 2 等效实体法 等效实体法计算加固区下卧层上附加应力示意图如图2 1 ( b ) 所示。复合 地基上荷载密度为p ，作用面长度为d ，宽度为b ，加固区厚度为h ，f 为等效 实体侧摩阻力密度，则作用在- f t 三f f a 上的附加应力p 。为 p ：(2h b d p - ( 2 b + 2 d ) h f 1 2 ) 一一2 1 万一 乙 对于条形基础，上式可改写为 p ：p 一2 h ( 2 1 3 ) p 5 p 一面 皑。 第2 章复合地荩 等效实体法计算关键是侧摩阻力的计算。 3 。改进g e d d e s 法 黄绍铭建议采朋下述方法计算下卧层土层中应力。复合地基总荷载为p ，桩 体承担尹芦，桩闻土承担p 。筹p 一昂桩闻承担的荷载热在地基所产生的竖向 应力口：以，其计算方法和天然地基中应力计算方法相同。桩体承担的荷载p p 在 地基中所产生的竖向应力采用g e d d e s 法计算。然后叠加两部分应力得到地基中 总的竖向应力。 q ，r 一 一= 了 ：| ：昌 l 高 i 目 ，。j + l 啻 量 i 目 q ， 单桩荷载分解为三种形式葡载的组合 罄2 。3 单援荷载分解为三种形式荷载的组合 s d g e d d e s ( 1 9 9 6 ) 年将长度为l 的单桩在荷载q 作用下对地基土产生的作 用力，可近似地视律如鹜2 2 所示的桩端集中力q p ，桩侧均匀分布的摩阻力g 和桩侧随深度线性增长的分布摩阻力q 等三种形式荷载的组合。s d 。g e d d e s 根 据弹性理论半无限体中作用一集中力的m i n d l i n 应力解积分，导出了单桩的上述 三种形式荷载在地基中产生的应力计算公式e 地基中的竖蠢应力拶：釜可按下式计 算 o ：q = o ：q ，+ 拶z g 8 ：镰l = q p x | 0 q ，k ，| 0 每q | x l l 。 t 2 1 4 ) 式中，k p 、k ，和墨为竖向应力系数。 对于出n 根桩组成的桩群，地基中竖向应力可对这n 根桩逐根采用上式计算 后叠加求褥。由桩体荷载p 尹和桩闻土胬载p ，共同产生的地基中竖囱应力表达式 为 第2 章复合地鹱 萨：= 羔b ：睇+ 盯：。“十盯：，d ) + 仃：以 ( 2 1 5 ) 复合地基在荷载作用下沉降计算也可用有限单元法计算。在几何模型处理上 大致可以分为二类：一类在单元划分上把单元分为二种，增强体单元和土体单元， 并根据需要在增强体单元和士体单元之闻设置线不设置赛面单元。另一类是在单 元划分上把单元分为加固区复合体单元和非加固体土体单元，复合土体单元采用 复合誊| 料参数。 2 ，4 复合地基承载力 从已有的计算公式来看，复合地基承载力的汁算公式基本致，仅视桩的类 型略有不网，对于柔性桩，箕复合地基承载力特征值为： 厶。m l + ( 1 一m ) z ( 2 1 6 ) 或 厶= 【1 + 朋加一1 ) 1 f ( 2 1 7 ) 式孛：厶，z 一分别为复合地基，单桩和桩闻承载力特征值； m 一桩土面积置换率； , 一桩土应力比。 对于半刚性桩( 水泥土搅拌桩) ，其复合地基承载力特征值为 厶鲁+ p 0 一玩 ( 2 1 8 ) 式中复合地基承载力特征值( k p a ) ； 拂面积置换率； 冀。单桩竖向承载力特征值( k n ) ； 彳一桩昀截面积( 瓣2 ) ； 桩间土承载力折减系数，当桩端土未经修正的承载力特征值大于 桩周土的承载力特征值的平均值时，可取o 1 - - 0 4 ，差值大时取 低值；当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承 载力特征值的平均值时，可取0 5 o 9 ，差值大时或设置褥垫层 时均取高值； 毓2 章复合地基 处理后桩f j 上承载力特钮值( k p a ) ，可取天然地基承载力特征值。 根据设计要求的单桩竖向承载力特征值尺。和复合地基承载力特征值厶计 算搅拌桩的置换率册和总桩数疗，： ：t,pk-pfskm ( 2 1 9 ) = 一 二j 了， 百r a 一眦t 疗，：型( 2 2 0 ) a p 式中彳地基加固的面积( m ? ) 。 根据求得的总桩数i 1 ，进行搅拌桩的平面布置。桩的平面布置可为上述的柱 状、壁状和块状三种布置型式。布置时要考虑充分发挥桩的摩阻力和便于施工为 原则。 桩间土承载力折减系数是反映桩土共同作用的一个参数。如p ：l 时，则表 示桩与土共同承受荷载，由此得出与柔性桩复合地基相同的计算公式；如p = o 时，则表示桩间土不承受荷载，由此得出与一般刚性桩基相似的计算公式。 对比水泥土和天然土的应力应变关系曲线及复合地基和天然地基的p 5 曲线，可见，在发生与水泥土极限应力值相对应的应变值时，或在发生与复合地 基承载力特征值相对应的沉降值时，天然地基所提供的应力或承载力小于其极限 应力或承载力特征值。考虑水泥土桩复合地基的变形协调，引入折减系数，它 的取值与桩间土和桩端土的性质、搅拌桩的桩身强度和承载力、养护龄期等因素 有关。桩间土较好、桩端土较弱、桩身强度较低、养护龄期较短，则值取高值； 反之，则值取低值。 确定值还应根据建筑物对沉降要求而有所不同。当建筑物对沉降要求控制 较严时，即使桩端是软土，值也应取小值，这样较为安全：当建筑物对沉降要 求控制较低时，即使桩端为硬土，值也可取大值，这样较为经济。 第2 章复合地基 2 5 复合地基稳定性n 4 1 1 瑞典条分法 由公路软基路堤设计与旌：r 技术规范( j t j0 1 7 - 9 6 ) 中的计算公式，采 用总应力法。路堤整体稳定性，采用式( 2 2 1 ) 所示的圆弧条分法进行计算，且在 计算时假设若干个穿越地基土的滑弧，以求得安全系数最小值和相应的临界滑动 面： ( 彬c o s o d g l ( o q i + c q f a l l ) j r = 1 一 ( 2 2 1 ) ( 彬s i n 只) 尺+ yq , y q i f = i f = j 式中o 彬第i 土条土重( k n m ) ； 锄、，土条f 条底土体粘聚力( k p a ) 和内摩擦角( 。) ，由直剪快剪 试验确定： q 第i 土条所受地震水平力( k g m ) ，按公路抗震设计规范( j t j0 0 4 ) 计算。 其余符号意义如图2 4 所示。 图2 4 瑞典条分法条块作用力分析 对于加筋路堤使用公路土工合成材料应用技术规范( j t j t0 1 9 9 8 ) 中 的计算公式。加筋路堤整体稳定性，采用式( 2 2 2 ) 所示的圆弧条分法进行计算， 同时应假设若干个穿越地基土的滑弧，以求得安全系数最小值和相应的临界滑动 面： 玎，打 三