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水泥土挤密桩在高速铁路路基中的应用 摘要 随着我国对西部地区开发力度的加强，湿陷性黄土地区工程建设速度近年 来有了很大的提高。因此对湿陷性黄土的土性及其处理方法的研究不仅在理论 上具有一定意义，而且具有重要的工程实践意义。 在本文第一章，主要介绍了水泥土挤密桩在国内发展的一些情况。 在本文第二章，结合工程中的具体实例，主要介绍了水泥土挤密桩的作用 原理以及施工工艺，本章结束之时，着重分析现实中水泥土挤密桩的特点和实 际中存在的问题。 在本文第三章，在水泥土挤密桩复合地基中，水泥土挤密桩起着竖向增强 体的作用，它的强度直接决定着复合地基的承载力，因此研究水泥土的物理力 学性质是有必要的。同样夯击能量的大小也会对水泥土挤密桩的强度有一定的 影响。首先通过对水泥土和水泥砂土在不同水泥掺入比、不同龄期下的无侧限 抗压强度试验，对无侧限抗压强度、模量以及应力一应变规律进行了研究，分 析了水泥掺入比、龄期、土性对水泥土性能的影响。并且对水泥砂土在浸水和 不浸水情况下的力学性能进行了研究。上述试验为工程实践提供了试验依据。 在本文第四章，主要论述了复合地基有限元分析的基本理论及一些计算问 题，着重讨论土体单元类型、桩体单元类型及土体、桩体的本构模型的建立， 以及当采用非线本构模型模拟土体时，明确土体非线性分析中需要注意的问题 和有限元解题步骤等内容，再者主要论述了在a n s y s 中所建立的桩基及复合桩基 的三维有限元模型、单元选取、网格划分等问题以及在a n s y s 中的计算结果，并 与两个实际工程中的水泥挤密桩实测数据进行了对比分析，认为所选取的模型 及参数是合理的，并为进一步的分析提供了基础。最后主要分析了复合地基、 双层地基以及天然地基下卧层的应力和沉降随加固区模量、下卧层模量不同的 变化情况，说明复合地基下卧层沉降计算不能采用基于双层地基模型的各种计 算方法，将其应用于工程中是偏于不安全的。 结合水泥土挤密桩在郑西客运专线灵宝段的湿陷性黄土处理地基的应用 实例，依据水泥土挤密桩的作用原理，进行现场施工试验和现场质量监控。并 利用大型有限元软件a n s y s 对竖向荷载下水泥土单桩与土的相互作用进行了计 算分析，结果表明，计算分析基本与实际测量吻合，说明水泥土挤密桩对处理 湿陷性黄土是十分有效的。 关键词t水泥土挤密桩郑西客运专线试验分析荷载试验 a n s y s沉 降黄土与湿陷性黄土路基复合地基 a n a p p l i c a t i o no ft h es o i l c e n m e n t p i l ei nt h er o a d b e do fr a i l w a y a b s t r a c t a l t h o u g hc o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gd u r i n gr e c e n t y e a r s ，t h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o rh a sl a g g e db e h i n dt h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s 。 i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h em a i nr e s e a r c hs t u d i e sa r ea b o u tt h es i t u a t i o n so ft h e s o i l c e m e n tp i l ei nt h ec o u n t r y 。 i nt h es e c o n dc h a p t e r ，b ya l le x a m p l eo fa p p l i c a t i o n ，t h em a i nr e s e a r c hs t u d i e s a r et h ef u n c t i o na n dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s 。i nt h el a s t ，i te m p h a s i z et h a tt h e c h a r a c t e r i s t i co f t h es o i l - c e m e n tp i l ea n dt h ep r o b l e mo fi t a i nt h et h i r dc h a p t e r , f i r s t l y ，i nt h es o i l - c e m e n tp i l e ，t h es o i l - c e m e n tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ns t r e n g t h e nt h ev e r t i c a ls u b s t a n c e 。i t si n t e n s i t yd e t e r m i n e dt h e b e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ep h y s i c s c h a r a c t e ro ft h es o i l c e m e n t ，a l s ot h es i z eo ft h ee n e r g yh a sad e t e r m i n ei n f l u e n c e o nt h es o i l - c e m e n tp i l e ，a c c o r d i n gt ot h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t so nt h e c e m e n ta n dt h es a n ds o i lc e m e n tw i t hd i f f e r e n tc e m e n tr a t i oa n dd i f f e r e n tc u r i n g t i m e ，a n ds t u d y i n go nr u l e so ft h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o na n dm o d u l u s , a n d s u m m a r i z i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r e s s - s t r a i nd i a g r a mo fs o i lc e m e n t ，t h i s d i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fc e m e n tr a t i oa n dc u r i n gt i m ea n dc h a r a c t e - r i s t i co fs o i lo nu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，a n ds t u d yt h em e c h a n i c b e h a v i - o r so fs a n ds o i lc e m e n to nt h ec o n d i t i o no fs o a k i n go rd r y n e s s t h et e s t sp r o v i d e s o m ed a t at ot h ea p p l i c a t i o no ft h e s et w ok i n d so fs o i lc e m e n t t h eb a s i ct h e o r ya n ds o m ec o m p u t a t i o n so ff e mf o rc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r e d i s c u s s e di nt h ef o u rc h a p t e r t h ee l e m e n tt y p e so fs o i la n dp i l e ，m o d e l so fs o i la n d p i l ea n dc a l c u l a t i o ns t e p si nf e m a r ef o c u s e do n s o m en o t e sa r em e n t i o n e dw h e n n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sa r ea p p l i e d i nt h ef o u rc h a p t e r ，t h ee s t a b l i s h m e n to f3 d f e m m o d e l s ，t h es e l e c t i o no fe l e m e n t sa n dm e s h i n ga g ed i s c u s s e d f u r t h e ra n a l y s i s o nt h en u m e r i c a lr e s u l ti sp r e s e n t e d ，a n dt h e ns o m ec o n t r a s t sa r em a d ew i t ht h et e s t d a t a t h ec o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h es e l e c t i o no fm o d e la n dp a r a m e t e r sa r e r e a s o n a b l e t h ec o n t r a s t sa l s os u p p l yab a s ef o rf u r t h e ra n a l y s i s a n dt h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n to ft h ec o m p o s i t eg r o u pp i l e s ，t w o l a y e rf o u n d a t i o na r ec o m p u t e d r e s p e c t i v e l yw h e nv a r y i n gm o d u l u si nt h el a s t i t sc o n c l u d e dt h a tt h em e t h o db a s e d o nt w o l a y e rf o u n d a t i o nd o e sn o tf i tt oc o m p u t i n gt h ed i s p l a c e m e n to fc o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，a n di tc a u s e st oi ns e c u r i t yi fa p p l i e dt oe n g i n e e r i n g b ya ne x a m p l eo fa p p l i c a t i o no ft h e s o i l c e m e n tp i l ei nc o l l a p s i b l el o e s s f o u n d a t i o nt r e a t m e n ti nz h e n g z h o u x i a l lp a s s e n g e rd e d i c a t e dr a i l w a yl i n e ( i n l i n g b a o ) t h ep a p e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h et h e o r yo ft h es o i l c e m e n tp i l e ，a n d m a k et h ef i e l dt e s t ，f i e l dq u a l i t yc o n t r o l 。a n dt h eg o o d m a ni n t e r f a c ee l e m e n t sw e r e d e f i n e dt oc o n t r i b u t ean o n l i n e a rn u m e r i c a lm o d e lf o rt h ec o u p l i n gf i n i t ee l e m e n t s a n di n t e r f a c ee l e m e n t st h ei n t e r a c t i o no fap i l e - s o i ls y s t e ma n a l y z e db ya n s y s ， c a s es t u d i e ss h o w e dt h er e s u l t sa r ef a i r l yw e l lc o n s i s t e n tw i t ht h ef i e l do b s e r v a t i o n ， s oi ti ss ov i v i dt h a tt h es o i l c e m e n tp i l et r e a tw i t hc o l l a p s i b l el o e s sf o u n d a t i o n k e y w o r d s ： s o i l c e m e n tp i l e ；z h e n g z h o u - x i a np a s s e n g e rd e d i c a t e dr a i l w a yl i n e ； e x p e r i m e n ta n a l y z e ；l o a de x p e r i m e n t ；a n s y s ；s e t t l e m e n t ；l o e s sa n dc o l l a p s i b l e l o e s s e m b a n k m e n t ；c o m p o s i t ef o u n d m i o n 插图清单 图2 1土的应力分布图5 图2 2正在施工中的人工洛阳铲6 图2 3螺旋钻孔水泥土挤密桩施工工艺示意图：7 图2 4沉管成孔水泥土挤密桩施工工艺示意图：8 图2 5冲孔水泥土挤密桩施工工艺示意图9 附录图1 沉管柴油打桩机( 沉管成孔) ：1 3 附录图2 水泥土搅拌站( 水泥土制备) 1 3 附录图3 螺旋钻打桩机( 螺旋钻成孔) 1 4 图3 2 a 不同养护时间的砂土的水泥土强度1 6 图3 2 b 不同养护时间的粉土的水泥土强度1 7 图3 2 c 不同养护时间的粉质粘土的水泥土强度1 7 图4 1水泥土挤密桩施工工艺框图2 5 图4 2 a 六桩夹一桩2 6 图4 2 b 五桩夹一桩2 6 图4 3正常土桩孔与软土缩径桩孔的比较2 6 图4 4桩身密度检测2 9 图4 5桩身直径的检验2 9 图4 6p - s 曲线3 2 图4 7 a 桩有限元模型3 6 图4 7 b 整个有限元模型。3 6 图4 8 a 边界条件约束后的有限元模型3 7 图4 8 b 施加桩顶荷载后的有限元模型3 7 图4 8 c 施加荷载后的立面图3 7 图4 8 d 旌加第一层表面正摩擦力3 7 图4 8 e 施加第二层表面正摩擦力3 7 图4 8 f 施加第三层表面正摩擦力3 7 图4 8 9 施加第四层表面正摩擦力3 8 图4 8 h 整体有限元单元( 施加摩擦力) 3 8 图4 9 a 桩顶沉降示意图3 8 图4 9 b 轴向应力分布图。3 8 图4 9 c 剪力分布图3 9 图4 9 d 桩顶及计算的桩侧地面的( p s ) 曲线3 9 图4 。9 e 桩身轴力分布3 9 图4 9 f 桩身轴力3 9 图4 9 9 桩侧剪力分布3 9 图4 1 0 a 复合地基4 0 图4 - 1 0 b 双层地基4 0 图4 1 0 c 均质地基4 l 图4 1 1当层原理法4 1 图4 1 2 下卧层应力随模量比的变化4 2 图4 1 3 下卧层沉降随加固区模量的变化4 3 图4 1 4 下卧层沉降随下卧层模量的变化4 3 表3 i 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表3 8 表3 9 表3 1 0 表3 1 1 表3 1 2 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表格清单 不同掺合比夯实水泥土的干重力密度及最优含水量1 5 不同养护条件下的结果：1 8 不同干密度的试验结果1 8 s 。= l ：5 细砂( 砌) 1 9 s 。= 1 ：6 粉土( m p o ) 1 9 试验场地地层物理力学指标1 9 锤重的影响2 0 单位体积夯击能的影响2 0 人工夯实与机械夯实的对比2 1 成孔直径的影响2 l 落距的影响2 1 桩体含水量的影响2 2 水泥土挤密桩施工的允许偏差、检验数目及检测方法2 9 室内含水量检验3 1 随着试验位置的变化桩体土干密度与压实度3 1 桩间土的干密度与压实度3 l 2 7 5 5 6 号桩静载荷试验实测值3 2 土层物理力学参数3 6 桩土力学性质参数3 6 2 7 5 5 6 号桩静载荷试验a n s y s 实测值4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，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，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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谢意。 学位论文作者签名：乌 日 学位论文版权使用授权书 签字日期：y 7 年相 本学位论文作者完全了解金理工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金起王些太堂可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 驾婶 l 签字日期：弦7 年，z 月多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 了 对钐 年| | | | 致谢 值此硕士论文付梓之际，我首先衷心的感谢合肥工业大学为我提供了这次 深造的机会，同时也为自己能成为合肥工业大学的研究生和王国体教授的学生 而深感荣幸。 本文是在我的导师王国体教授关心指导下完成的。在笔者研究生两年半的 时间里，导师在生活上给予了我无微不至的关怀，在学业上给予了严厉而真诚 的传授。导师极高的计算编程能力，严谨的、实事求是的治学作风，深厚的数 学、力学功底，以及解决实际工程问题的灵活多变的思维方式和能力，尤其是 他的为人师表、助人成才的高尚品德更令我受益终生，都使笔者钦佩不已，也 是笔者今后工作学习的榜样。在此，对导师两年半来的关怀和教诲致以诚挚的 谢意。 在研究生期间，合肥工业大学的许多教授和讲师，以及山西省勘查设计研 究院岩土工程处的陈纬高级工程师、西北农林科技大学的卢博友教授等对于笔 者的学习、论文以及工程实践都给予了无私的帮助，尤其是陈纬老师，在此谨 向各位老师致以衷心的感谢。 在此还要对师兄张学喜等同学在我做论文期间给予的无私帮助表示诚挚的 谢意。 再次感谢合肥工业大学研究生培养处、以及土木建筑工程学院的老师们对 我的辛勤培养! 作者；马飞 2 0 0 7 年1 1 月1 5 日 第一章绪论 水泥土挤密桩自9 0 年代诞生以来，在西北地区得到了广泛的应用。处理了 不同类型的地基，其中重点应用在民用建筑、工业厂房及商业办公楼等。尤其 对含水率较低的软弱地层使用更加广泛。因其所使用的材料可就地取材、施工 简便易行、经济合理、且能达到较高的地基承载力，从而受到广泛青睐。一般 而言，水泥土挤密桩使用于地下水埋藏较深，或有地下水的渗透系数1 0 1 5 c m s 的粘性土，孔深一般为6 1 0 米。当上的承载力标准值丘 6 0 k p a 时，可采用长螺 旋钻机和人工洛阳铲排土成孔。当土的承载力标准值疋 6 0 k p a 的松散填土或塑 性指数较小的土时，除考虑桩的置换作用外，宣应考虑采用挤密成孔工具，通 过挤土成孔，可使桩间土承载力得到较大提高。水泥土挤密桩从近年来的施工 经验上来看，处理并解决3 0 0 k p a 承载力的地基己比较成熟。为了水泥土挤密桩 扩大应用范围，这次在河南湿陷性黄土地区的尝试，在国内尚属首例。从处理 效果来看，既完全消除了其湿陷性，又为其工业厂房提供了高承载力，效果非 常理想，从而为水泥土挤密桩的应用又开辟了一个崭新的领域“”。 水泥土挤密桩加固地基路基基床是一种新的方法，目前没有成功的经验可 供借鉴，没有完整的试验标准和设计施工规范等，目前水泥土挤密桩正应用于 郑西客运专线上，高速铁路对路基承载力有较高的要求，而目前我们国家一些 既有的铁路路基很难达到列车高速运行标准，将基床表层土换填碎石对既有路 基基床表层进行加固，一般可以采用扣轨分段跳槽换填的方法，但要有合理的 工期并对旋工和运营进行统筹安排才能实施，而且此方案对运营干扰严重，因 此，郑西客运专线通道提速改造才有了水泥土挤密桩加固既有路基基床表层的 方法，利用要点封锁线路施工，取得了很好的效果，不仅解决了施工中与周围 环境的影响，加快了施工进度，而且为全国既有铁路大规模的提速积累了宝贵 的经验m 3 。 第二章水泥土挤密桩理论概述 2 1 水泥土挤密桩的概述1 最近二十年来，是我国建筑地基处理技术领域迅速发展的时期，不仅吸收 了国外成熟的，可行的技术，同时我国也自行研制和发明了许多的新技术，新 方法。水泥土挤密桩是在2 0 世纪9 0 年代初由中国建筑科学研究院地基处理研 究所研制的一种处理软弱地基的新型桩，这段时期，国家进行了大规模的基础 建设，土木工程和交通工程蓬勃发展，特别是城市房屋密集，大型施工设备受 限的日城房屋改造的地基处理及交通沿线地区大量深厚不等的素填土或杂填土 等软弱地基处理，选择一种经济、安全、合理的地基处理方法显得有为迫切， 水泥土挤密桩便应运而生。该工法施工简便灵活、受场地限制小、速度快、无 污染、造价底、质量易控制，自从该工法在工程实践中使用以来，立即被广大 设计人员，建设单位所接受，而且由于水泥土挤密桩处理的复合地基均匀性好， 地基强度较高，现以用于小高层房屋的地基处理，在北京、河北、河南、甘肃， 广东等地得到广泛的应用。 水泥土挤密桩是水泥土桩系之一，与搅拌水泥土桩( 浆喷、粉喷) ，高压旋 喷桩( 单管、双管、三管) 并称水泥土桩系水泥土桩系的共同特点是：地基土 体( 天然，人工) 与水泥固化剂通过强制搅拌发生物理化学反应形成具有一定强 度的水泥土胶结体( 竖向增强体) ，习惯称为水泥土桩。水泥土挤密桩与搅拌水 抛土桩的主要区别在于： 1 施工工艺上，水泥土挤密桩是水泥与人工土体在孔外地面拌和均匀然 后回填孔内并强力夯实形成桩体，而搅拌水泥土桩是水泥与原状土体就地搅拌 形成桩体。 2 作用机理上，水泥土挤密桩既有水泥的胶结固化作用，又有拌合料的 夯实挤密作用。根据成孔方式不同可有挤土桩或部分挤土桩两种型式；而搅拌 水泥土桩主要表现为水泥的胶结固化作用，属非挤土桩。 3 桩身物理力学性质上，在桩长范围内，水泥土挤密桩身密度基本是均 匀的，桩身强度基本相等；而搅拌水泥土桩身密度和强度受地层土体控制，桩 身在不同土层中表现为不同密度和强度。从总体上看，水泥土挤密桩身强度较 高，约为搅拌水泥土桩的2 5 倍。 在荷载作用下，水泥土挤密桩与天然地基土体共同承担上部荷载，形成水 泥土挤密桩复合地基，可用于地下水位以上的素填土，粉土、黏性土、砂土地 基，当有地下水时，适于渗透系数 1 0 e m 时，桩承受的水平力已很小，水平荷载基本在褥垫层内剪切滑动， 桩体没有产生破坏，水平荷载主要由桩问土承担。所以当水泥土挤密桩复合地 基设置的褥垫层厚度超过1 0 c m 时，一般不考虑桩体的水平荷载作用。( 见图2 1 ) 图2 1 土的应力分布图 ( 3 ) 增加桩顶围压，提高桩体竖向承载能力 在上部荷载作用下，水泥土挤密桩桩顶首先刺人其上的褥垫层，褥垫层通 过变形协调与桩问土体一起对桩顶产生围压作用，从而提高桩体竖向承载力， 避免了一般桩基中由于桩顶沉降与桩间土的沉降不一致而产生的桩顶应力集中 致使桩头破坏的情况显然，这里对褥垫层德厚度是一定要求的，若褥垫层的 厚度过薄，当桩体穿越软弱土层时，可能产生桩问土位移查大桩体位移，不仅 起不到围压作用，反而增加了对桩体的负摩擦作用，这在桩身强度设计计算时 是必须要考虑的，否则可能造成工程事故，应引起设计人员充分重视。 2 3 水泥土挤密桩的施工工艺 水泥土挤密桩施工工艺流程为：成孔一制备水泥土一夯填成桩。 2 3 1 成孔 成孔是水泥土挤密桩加固地基的第一步。成孔的质量直接影响着水泥土挤 密桩及其复合地基的承载效果。根据成孔过程中取土与否，成孔可分为排土法 成孔和挤土法成孔两种，其中捧土法成孔又包括人工洛阳铲成孔、长螺旋钻机 成孔两种，挤土法成孔又包括锤击沉管成孔、振动沉管成扎、冲击成孔三种 ( 1 ) 人工洛阳铲成孔 人工洛阳铲成孔的优点是设备简单、无振动、无噪音、操作简便可靠近 5 旧建筑物成孔，对工作面的要求很低，特别适合城市中旧城改造等中小型工程。 成孔时将洛阳铲刃口切入土中，然后摇动并用力拧转铲柄，将士剪断，拔 出洛阳铲，铲内土柱被带出。利用孔口附近插入土中的退土钎 ( 矿2 0 _ - 2 5 m m ，l = 0 8 1 2 m 的钢钎) 将铲内土柱刮出。通常，洛阳铲成孔直径在 2 5 0 4 0 0 m m 之间，宜用较小直径。成孔孔深多小于6 m 。对于软土宜用较大直 径，对于素填土及硬土宜用较小直径。( 见图2 2 ) 。 图2 2 正在施工中的人工洛阳铲 ( 2 ) 长螺旋钻机成孔 长螺旋钻机成孔是水泥土挤密桩的主要工法。 该工法的主要优点是长螺旋成孔深，速度快、效率高、能连续出土、成孔 质量好、成桩直径大、噪声和振动小，扰民程度小，而且处理后的地基刚度较 均匀，因此得到广泛应用。长螺旋钻孔夯实水泥土桩施工工艺如下图所示。长 螺旋钻机成孔较容易通过土中的硬夹层，当成孔过程中遇到漂砾或其他硬层时， 可改用其他种类的钻头( 如冲击钻头) 设法通过。该工法适用于地下水位以上的 填土、粉土、黏性土，对于砂土其含水量要适中，太干的砂土或饱和砂土由于 坍孔难以成孔。 目前，长螺旋钻孔钻机的功率分别为7 4 k w 、9 0 k w 、1 1 0 k w ，最大扭拒为 4 2 k n m ，钻孔直径为4 0 0 m m 、6 0 0 m m 、8 0 0 m m 、1 0 0 0 m m 四种，与其配套桩 架电动履带式立柱高达3 0 m ，可施工桩长2 8 m 。由于受夯实效果及地下水的限 制，目前，长螺旋钻孔钻机成孔夯实水泥土桩直径多在4 0 0 8 0 0 m m 之间，桩 长一般小于1 5 m 。见图2 3 6 ( a ) ( b )( c ) ( d ) 图2 3 螺旋钻孔水泥土挤密桩施工工艺示意图： ( a ) 钻机钻进成孔；( b ) 填料： ( c ) 孔内重锤夯实；( d ) 成桩 ( 3 ) 沉管成孔 沉管成孔有锤击沉管成孔和振动沉管成孔两种工艺。锤击沉管法是采用打 桩锤将桩管打入土中，然后拨出桩管的一种成孔法，该法由于施工噪音大受到 一定限制，目前多不采用该工法。振动沉管法是采用振动打桩机将桩管打入土 中，然后拨出桩管的成孔法，目前我国振动打桩机已经系统化、定型化，可以 根据地质情况、成孔直径和孔深选取振动打桩机( 见图2 4 ) 振动沉管法适用于不存在特殊硬夹层的各类软弱地基，其桩端视打桩机的 能量，可进入硬黏性土、密实砂土或碎石土等底层。振动沉管成孔后，若无地 下水及塌孔，缩径现象，即可沉管拔出，然后在桩孔中边填料边夯实，直至成 桩；若地基土质很软、松散，或者地下水高于桩孔底部，沉管挤入地层中成孔 时，需在沉管底部预置预制桩尖，沉人预定深度后边填料、边拨管、边由管内 重锤夯实填料并挤密桩间土，直至成桩。 7 ( a )( b )( c )( d )( e ) 图2 4 沉管成孔水泥土挤密桩施工工艺示意图： ( a ) 沉管机就位；( b ) 沉管； ( c ) 填料；( d ) 边拔管边夯击；( e ) 成桩 振动沉管采用的桩管为无缝钢管，其外径分别有3 2 5 m m 、3 7 7 m m 、4 2 6 m m 、 7 0 0 m m 等几种，桩孔孔深视地层条件及地下水位而定一般小于l o m 。 ( 4 ) 冲击成孔 冲击成孔水泥土挤密桩是在夯实土桩、灰土桩、孔内强夯桩等方法的基础 上发展起来的，其实质就是用直径为2 0 0 6 0 0 r a m 、长1 5 m 、重l o 5 0 k n 的 柱状锤( 锤底可为平底、尖底等) 提升5 l o r e 后无导向、自动脱钩下落，在地基 土中冲击成孔，然后在桩孔中边填水泥土混合料边用锤夯实，形成夯实水泥土 桩体并与桩间土形成复合地基。 冲击成孔法实用性较强，一般受地下障碍物及地下水的影响较小，成桩质 量可靠、不排污、不排土，但噪音较大，在大城市应用会受到一定限制。该法 成桩直径在3 0 0 8 0 0 m m 之间，桩长一般小于l o m 。( 见图2 5 ) ( a )( b )( c )( d ) 图2 5 冲孔水泥土挤密桩施工工艺示意图 ( a ) 冲击成孔( b ) 填料 ( c ) 孔内重锤夯击( d ) 成桩 2 3 2 水泥土的制备 制备水泥土就是把水泥和土按一定配合比在接近最优含水量的状态下拌 和均匀形成水泥土拌合料。水泥一般采用4 2 5 级普通硅酸盐水泥或矿渣水泥， 土料可就地取材( 如长螺旋钻钻孔排出的土) 也可人工加工制备( 如基坑开挖土 体) ，一般选择素填土、粉土、黏性土或者粉细砂土，土料应用5 r a m 1 5 m m 筛。 淤泥、耕植土、冻土、膨胀土及有机质含量超过3 的土使用。 施工时，应将水泥土拌和均匀，控制好含水量在最优含水量的士3 范围内， 如土料水分过多或者不足时，应晾干或撤水润湿，一般可按经验在现场直接判 断，其方法是手握成团，落地散开，这时水泥土基本达到最佳含水量。水泥土 拌合可采用人工拌合或机械拌合，一般人工拌合不得少于三遍，机械拌合可用 强制式混凝土搅拌机，搅拌时间不得低于3 分钟。拌合好的水泥土应及时用完， 随拌随用。 2 4 水泥土挤密桩法的特点和在实际中存在的问题 2 4 1 水泥土挤密桩的特点 ( 1 ) 水泥土挤密桩适应的土性范围很广，限于目前成孔工艺要求，多用 于地下水埋藏较深的地基土，当有地下水时，适于渗透系数, j , - 于i o c m 3 s 的黏性 土以及桩端以上5 0 i o o c m 有水的地质条件。当天然地基承载力标准以 6 0 k p a 9 时，可考虑挤土成孔以利于桩间土承载力的提高和发挥。 ( 2 ) 水泥土挤密桩的最大干密度接近于土料的最大干密度，夯实最佳含水 量为w 士( 1 2 ) ，此时夯实水泥土有最大强度。 ( 3 ) 水泥土挤密桩的强度随混合料成型干密度的不同而异，当压实系数为 0 9 时，其强度仅为最大干密度对应强度的一半。现场施工时，应根据土料性质、 配比控制夯实干密度，压实系数应大于等于0 9 3 。 ( 4 ) 水泥土挤密桩强度随龄期增长而提高。 ( 5 ) 水泥土挤密桩具有良好的抗冻性，成桩后冻结对桩体不产生较大的强 度降低。 ( 6 ) 桩体三轴应力一应变曲线与围压关系不大。 ( 7 ) 水泥土挤密桩复合地基中的褥垫层是复合地基的一部分，它具有保证 桩土共同承担荷载，减少基础底面应力集中，调整桩、土垂直和水平荷载分担 的作用。 ( 8 ) 复合地基需确定桩长、桩径、桩距、褥垫厚度及材料和桩体标号。褥 垫厚度一般取1 0 3 0 c m ，垫层材料多用粗砂、中砂等。桩体标号按3 倍桩顶应 力平均值设计。 ( 9 ) 对于没有振密和挤密效应的地基宜采用排土法成孔，当选用排土法成 孔时，一般用长螺旋钻和洛阳铲成孔，孔深大时宜采用长螺旋钻成孔。 ( 1 0 ) 对于有挤密和振密效应的地基，当需要提高桩间土承载力时，可用挤土 法成孔。一般选用锤击式打桩机或振动打桩机，也可采用钻孔重型尖锤强夯法。 ( 1 1 ) 可采用人工或机械夯实。孔浅时宜采用夹板锤式夯实机，孔深时宜采用 吊锤式夯实，机械夯实优于人工夯实，机械夯实机的夯锤重宜为1 0 1 5 k n ， 提引高度宜取0 8 1 1 0 m ，随着夯锤重力增加，桩体的密度随之增加。工程实 践证明尖锤有明显的挤土效应。 2 4 2 水泥土挤密桩法使用中的缺陷1 7 1 8 】 从现有技术水平来看，挤密桩法存在以下缺点。 1 缺少系统完整的设计计算方法 由于挤密加固机理尚待进一步深入探讨，目前尚无一套完整的设计计算方 法，在一定程度上阻碍了挤密加固法的的扩大应用。因此目前使用挤密法之前 需要在施工现场进行必要的试验工作，以确定或调整有关的施工参数，检验地 基加固效果 2 深层加固受到施工机具的限制 当需要加固的土层厚度超过1 0 m ，即每击夯击能量要大于4 兆焦时，目前受 到国内起重设备条件的限制。 3 振动，噪音的影响 挤密法在施工过程中会产生较大的振动和噪音，对周围某一范围内的建物、 1 0 构筑物会有一定的影响。因此这种加固方法在城市人口密集、建筑物林立的地 区使用会受到一些限制。 2 4 3 水泥土挤密桩施工中注意的问题【2 明 1 试验问题 在开工前，应该根据场地地基情况确定地基处理方案，然后在临近场地或 建筑物场地做出试桩复合地基，待试验取得数据后，再设计基础。试桩不仅为 检验地基处理后的力学性能变化提供参考资料，而且为基础设计提供理论依据。 豫联集团扩建工程1 号冷却塔试桩时，共成孔1 2 个，分5 排，里正三角形布置、 桩间距1 0 8 m ，采取间隔跳打的方法二遍成孔。成孔深度平均为1 4 6 0 m 成孔直 径为4 5 0 m m 经检测湿陷性黄上采取这种处理方法后。地基承载力特征值能满足 设计要求。实际施工中不少工程事先不做试验，而是在处理好的复合地基上做 试验。这种做法如果试验数据符合设计要求尚可。否则将造成被动再采取补救 措施将延误工期，而且不理想。 2 成孔问题 成孔方法有机械成孔和人工成孔两种。成孔时，地基上的含水率一般应 掌握在1 2 2 3 之间，低于1 2 成孔较困难，而且对水泥水解提供水分不充 足；当大于2 3 时容易发生颈缩现象或成桩后桩心软化。因此，低于最优含 水率的上需要加水增湿，大于最优含水率的土，需要采取晾晒干措施。而豫联 一期冷却塔地基上含水量仅5 ，最初采用1 8 k n 冲孔机也无法成孔。后经设 计院、总工办、监理、工程处、施工中一位( 豫中公司) 共同研究讨论，最后决 定采用河南洛阳市生产的洛阳铲，施工时采取隔行隔列、间隔跳打的方法四遍 成孔。实践证明这种方法受地基土含水率影响小。而且操作简单、安全系数大、 劳动强度低大大提高了成孔机械的适应范围。同时，水泥土挤密桩大而积开打 前应先将地而平整、碾压，这样为下一步工序强夯挤密提供可靠保证。 3 挤密问题 灰上挤密桩复合地基关键在于挤密，如何充分发挥挤密作用，施工是关键。 合理的填料配合比及认真的夯实，是确保施工质量的前提。挤密桩一部分膨胀 力向上释放，导致桩顶隆起开裂，这实际上等于削弱了挤密桩的挤密作用。为 避免这种能量的消耗、解决隆起现象。成孔时施工标高应比设计标高至少 2 0 0 m m ( 豫联扩建工程施工时比设计高5 0 0 m m ) 待成孔填料后，再将挤松的上 挖掉，这样才能保证挤密效果。豫联集团园区一期扩建工程中化学水处理山河 南电力勘测设计院设计，基础采用水泥土挤密桩复合地基，设计有效桩长1 0 4 1 1 6 m 桩径5 5 0 m m ，桩间距1 1 m ，以正三角形布置要求处理后的地基承载力 特征值不小少2 5 0 k p a ，经检测在2 5 0 k p a 压力下除探井8 ，1 0 ，1 1 总湿陷量为 零不具湿陷性外，其余探井均有湿陷性，最小总湿陷量= 6 2 7 a n ( 探井3 ) 、最 大总湿陷量a = 1 2 3 0 e r a ( 探井6 ) 均具轻微湿陷性。根据湿陷性黄上地区建筑规 范( g t 3 5 0 0 2 5 2 0 0 4 ) 综合判定该场地具轻微湿陷性，说明湿陷性没有完全消除， 不符合设计要求。经设计院、监理、总工办、工程处分析不合格原因有二：一是 成孔时标高不够；一是部分填料比例没达到设计要求；二是夯击次数不够。该 地基一次处理方案是在轻微湿陷区域基础受力范围及外两排内补打桩，桩成梅 花型布置，桩长、桩径同原设计尺寸。施工完毕后，进行了5 个探井计5 0 个土 样的采取及土工试验。在2 5 0 k p a 压力下地基湿陷性完全消除。另外，成桩时强 夯机落距( 指锤尖至夯填而间的距离) 为8 m 时，击数n = 6 ，落距 s m 时，击数 n = 8 ，填料有机物含量不得超过3 、填料配比为，水泥：土= 1 ：8 ，这些施工工艺 参数在豫联扩建工程中证明效果良好。 4 质量问题 水泥土挤密桩复合地基属隐蔽工程，施工中必须加强检验。检验内容包括 成孔的深度、直径、垂直度，孔内填料的夯实质量，桩体竣工后，尚应检验桩 间土的干密度，桩体填料的干密度、地基承载力等。检验方法包括挖开取样试 验、触探试验、载荷试验等。水泥土挤密在桩数量不多的情况下，可只做探井 取土试验，如果数量面积比较大，除取土试验外，还得做静载堆垛试验。日前 有的工程挤密桩检验手段不全，原始记录不齐，桩体竣工之后立即做垫层做基 础，地基承载力的检验往往放在主体工程竣工之后，或根本就不做这项检验， 使挤密挤桩处理的复合地基承载力不够，在主体工程竣工后才知道地基承载力 达不到设计要求，再做处理难度很大。对那些根本不做检查的复合地基，实际 上就有可能留下隐患，故应重视和加强挤密杭复合地基的质量检验工作。 1 2 本章附录：( 所用照片均来自本人实习所在工地) 附录图i 沉管柴油打桩机( 沉管成孔) 附录图2 ：水泥土搅拌站( 水泥土制备) 附录图3 ：螺旋钻打桩机( 螺旋钻成孔) 1 4 第三章水泥土挤密桩的强度影响因素研究 水泥土挤密桩复合地基中，水泥土桩起着竖向增强体的作用，它的强度直接 决定着复合地基的承载力，因此有必要研究水泥土的物理力学性质。同样夯击 能量的大小也会对水泥土挤密桩的强度有一定的影响。 为了研究水泥土挤密桩的力学性质，通过室内试验研究夯实力、水泥品种、 水泥含量、土料性质、养护条件、龄期等水泥土挤密桩强度的影响，从而为复 合地基设计计算和施工工艺提供可靠的依据。考虑实际工程应用，试验用的土 料采用细纱、粉土、粉质粘土三种。将现场取得的土料经烘干、碾碎，过2 m m 5 m m 筛，形成试验用的粉质土料。本次试验采用土工试验成型设备成型，在标 准压力机按基本试验程序进行无侧限抗压强度试验。 3 1 水泥土的物理性质1 2 4 - 2 5 i ( 1 ) 组成 水泥土是水泥和土体在孔外拌合和孔内夯实而成，水泥土拌合料中的土体既 可以就地取材也可以使用人工制备的土样外，不受场地地基土的影响，因此在 工程实践中，为保证夯实水泥土有较高的强度，土料一般采用较纯的粉细砂、 粉土或粉质黏土。这一点不同于原位搅拌水泥上( 搅拌水泥土的桩身强度受地层 影响较大) 。 水泥土拌合料的水泥品种对夯实水泥土强度亦有影响，建筑地基处理工程 中一般选用4 2 5 级普通硅酸盐水泥，强度较高。若场地地基土有特殊要求时也 可选用4 2 5 级或3 2 5 级矿渣硅酸盐水泥等其他