（地质工程专业论文）赣大高速公路碎石桩复合地基性状分析及研究.pdf

论文题目：赣大高速公路碎石桩复合地基性状分析及研究 硕士生：孙保卫 ( 签名) 苫二卫堑二 指导教师：张志沛 ( 签名) 经主! 净 摘要 碎石桩复合地基是目前土木工程中广泛应用的地基处理方式之一，但有关碎石桩复 合地基的理论研究相对滞后，尤其是碎石桩复合地基沉降的计算值，与现场实测值相差 较大，承载力计算仍是半经验、半理论的公式，计算结果的准确程度很大程度上决定于 计算者的实践经验以及现场试验参数可靠性的高低。因此，关于碎石桩复合地基的性状 分析研究是目前工程地质学科的主要研究内容之一，也是工程应用之急需。 本文以赣大高速公路l ( 3 8 + 1 5 0 k 3 8 + 3 0 0 段软土地基采用碎石桩处理的工程实例 为依托，采用f l a c 加数值模拟软件对软土地基的沉降机理和碎石桩复合地基的作用机 理进行研究探讨。 首先，介绍了赣大高速公路软土地基工程地质特征，分析物理力学性质，计算了软 土地基在路基荷载作用下的沉降值和固结时间，再采用数值模拟软件分析软土地基在路 基荷载分层加载的情况下应力应变变化规律，并进行理论解释和稳定性评价。 其次，分析了碎石桩复合地基加固机理、破坏模式，讨论了碎石桩复合地基承载力 和沉降计算思路及设计理论，再采用数值模拟软件分析碎石桩复合地基在路基荷载分层 加载的情况下应力应变变化规律，并进行理论解释和稳定性评价。 第三，运用数值模拟软件模拟不同设计参数的碎石桩复合地基在路基荷载作用下应 力应变情况，并对模拟结果进行对比评定，提出碎石桩处理软土地基的最佳方案。 关键词：软土地基；碎石桩复合地基；数值模拟；稳定性分析与评价 研究类型：应用研究 s u b j e c t：a n a l y s i sa n dr 姻e a r c ho n1 暗a i to fg a n d ah i g h w a y g r a v e lp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n p e c i a l t y ： g e o i o g ye n g i n e e r i n g n a m e ：s u nb a o - w e i i n s t r u c t o r ： z h a n gz h i p e i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 阳艿加f( s i g n a t u r e ) 2 丝坌竺竺 ( s i g n a t ur e ) 1 1 l e g r a _ v e lp i l ec o m p o s i t ef 0 吼d a t i o ni s 谢d e l yu s e di i l t l l ef - 0 u i l d a t i o n 仃：舳e mm c u r r e n tp r o j e c t ，b u tt h et l l e o r e t i c a lr e s e a r c ho nw i l i c hi ss t i l ll a g g i i l gb e m n d i i lp a r t i c u l a rt h e 霉a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u l l d a t i o ns u b s i dc a l c u l a t i o l l s ，锄dt l l es c e n eo f t l l es u b s i dv a l u eo ft l l e m e 嬲u r e dd i f f e r e n c eb e t 、v e e nt l l er e l a t i v e l yl a r g e ；t h ec a l c u l a t i o no fb e 撕n gc 印a c i t ) ri ss t i l l s e m i e m p i r i c a l ，s e 面m e o r e t i c a i ，锄dt h ea c c u r a c yo fm ec a l c u l a t i o nr e s u l t si sm o s t l yd e c i d e d b y 1 ec a l c u l a t o r t sp r a c t i c a le x p 甜e n c e 锄dt h eq u a l i 够o fp 猢e t e rq u 址i t ) ，p r 0 v i d e di i l l e f i e l d 仃i a l s s t i l d y0 nn u m e r i c a ls 蛔i u l a t i o no fs o i ls 们s sa n ds 们i 1 1h a v es o m ea d v a i l t a g e s ，a n d i sg r a d u a l l yu s e dt 0g u i d et 1 1 ep r a c t i c eo fe n g i n e e r i n gi i lr e c e n ty e a r s 1 1 1 i st 1 1 e s i sa d o p t i n gt l l ep 叫e c tw 1 1 i c hu s e 忙g r a v e lp i l et od e a l 、i t l lm e ns o i l 姗l d a t i o nmt l 聆s e “0 no fk 3 8 + 15 0 k 3 8 + 3 0 0i i lg 趾d ae x p r e s 鼢啊y ，d e 印l yd i s c u s sm e m e c i 删血s mo fs o rs o i ls u b s i dm l d 孕a v e lp i l ec o m p o s i t ec o m p o 吼d ，趾df o c u so nm e i n 曲e r i c 2 l ls i 舢l a t i o n f i r s t l yo fm l ，i t i si n t r o d u c e dm a tt l l eg 锄d ae x p r e s s w a ys 0 re n g i l l e c r i i 培g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s 甜l d 锄a j y z e di t sp h y s i c a l 觚di i l e c l l a i l i c a lp r o p e 而e s i ti s c a l c u l a t e dm e s u b s i d i n gv a l u e 锄dc o n s o l i d a t i o nt i i n eo fs o f ts o i lf 0 u “l a t i o nu n d e rt h er o a db e dl o a d ，趾d a d 【o p t i n gn 啪e r i c a ls i m u l a t i o ns o 小) l 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f s 切b i l i 够 t 1 1 i r d l y ，a d o p t i n go fn 啪e r i c a ls i m u l a t i o ns o r 眦吮i ti ss i i i l u l a t e dt h es 仃e s s c h a n g i n g s t a t e so fg r a v e lp i l e - c o m p o u l l d i n gt h ef - 0 u i l d a t i o nu 1 1 d e rm a db e dl o a du s i n gd i 圩e r e n td e s i 驴 p 舢e t e r s a i l dc o m p a r em ei r i l i t a t i n gr e s u l t s 谢t he v a l u a t i r 培，p u tf o n v a r dab e s ts c h e h l eo f d e a l i n g 、) l r i t l ls o rs o i lf o u n d a t i o nb y 伊a v e lp i l e k e yw o r d s ：s o rg m u l l d g r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u i l d a t i o nn 啪e r i c a ls i m l a t i o n 鼢b i l i t ya n a l y s i sa n de v a l u a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 1 与乞日期：2 ，叩j ，夕 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适川本声明。 勺 学位论文僻繇堋哥亿指删僦：1 饥三l 知 1 伊胡年f 月夕日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的目的和意义 高速公路是社会经济发展的必然产物，高速公路的发展必然促进经济的发展。世界 上一些发达国家早就认识到这条规律，他们从5 0 年代起就开始大量修建高速公路，建 成了他们自己国内高速公路网。我国高速公路起步比较晚，但近二十几年内取得了巨大 成就。截止2 0 0 7 年底，我国公路总里程达3 5 7 3 0 万公里，高速公路6 0 3 万公里，其中 公路总里程和高速公路总里程均位居世界第二位，已经初步建成国内高速公路网。我国 公路规模很虽然大，但依然存在许多问题，如公路总里程中低等级公路所占比例较大， 高速公路里程在我国公路总里程中占的比例很小等，所以在未来几年内，我国仍然会大 量修建高等级公路。 我国地域辽阔，地质情况复杂多变，软土分布极广。随着高速公路的大量修建，软 土地基如何处理已经成为一个制约高速公路发展的关键问题。在软土地区修建公路，由 于地基松软，可能会导致路基强度降低、路基沉陷、路面脱落和路面变形过大等病害， 特别是桥头、通涵台背等与路基接头处两者沉降量不同，直接影响路面平整度，线型的 平顺和路面结构的稳定。因此，在软土地基上修建公路，尤其是高等级的公路，地基处 理显得至关重要。 在高速公路的修建过程中，怎样处理软弱地基，关系到公路造价是否经济，施工工 期是否缩短，运营是否安全等。碎石桩复合地基作为处理软弱地基的一种传统方法，具 有节约水泥、钢材和木材，施工简单、费用低廉、加固期短等特点，并能有效地提高软 弱地基承载力，减少建筑物沉降量等，因此，在国内外得到广泛应用。目前对于碎石桩 复合地基的研究，国内外学者结合具体地基处理形式作了大量工作，在各自假定的基础 上提出了桩土应力比的计算式，但至今仍无一个被工程界普遍接受的较为完善的计算模 式，人们在进行地基处理设计时，都利用已有的经验保守设计，使工程设计存在一些不 必要的浪费。因此，对碎石桩复合地基理论作系统深入的研究也显得尤为重要。 1 2 选题背景 本次选题以赣州至大余高速公路k 3 8 + 1 5 0 k 3 8 + 3 0 0 段软土地基为例。该地区无大 的断层和褶皱，地下水为潜水类型，初见水位在0 1 0 m 1 6 0 m ，地下水主要来源于大 气降水，土体中有机质高液限粉土为褐黑色，很湿，软塑流塑，软塑为主，成分主要 为粉粒及粉砂，扰动后成流塑状，厚度为3 1 0 m 1 2 3 0 m 。在该软土地基上修建高速公 路，该软土地基既要承担路堤永久荷载，还要承担车辆等动荷载，在这两种荷载共同作 西安科技大学硕士学位论文 用下，软土地基就会发生沉降，特别是当不均匀沉降的发生超过公路的容许值时，路面 就可能开裂破坏，影响公路的正常使用和行车安全，严重的会引起公路破坏，缩短公路 使用年限。为了保证公路在设计年限内正常使用，则需要对该软土地基进行处理。赣大 高速公路施工图设计中对该段软土地基拟采用碎石桩处理，碎石桩桩径0 4 0 米，平均桩 长8 0 5 米，等边三角形布置，桩间距1 5 0 米。 该段软土地基采用此种处理措施是否能满足工程需要，是否有更合理的软土地基处 理方法，为了满足工程需要，节约成本，故需要对该处理方案进行稳定性评价和经济评 价，并提出合理的碎石桩复合地基设计参数。 1 3 碎石桩复合地基的研究现状 碎石桩( 胁v e lp i l e ) 又称粗颗粒土桩( ( 衲n l 】l a rp i l e ) ，是指用振动，冲击或水冲等方式 在软弱地基中成孔后，再将碎石压入已成的孔中，形成大直径的碎石所构成的密实桩体。 从碎石桩复合地基的特性分析，按桩的材料，碎石桩复合地基隶属散体土类桩；若按刚 度来，碎石桩复合地基属于柔性桩【l 儿纠l j j 。 2 0 世纪6 0 年代，日本学者在处理砂井地基承载力时首次提出并应用了复合地基理 论。复合地基理论第一次提出了由桩体和土体共同承担上部荷载的思想，非常符合处理 后的地基承载的实际情况。 国外学者h u g i l e s ( 1 9 7 4 ) 【4 】假设桩侧向膨胀时体积不变及在沉降过程中桩的垂直应 力和侧向应力不变，得到碎石桩沉降量计算公式；p r i e b e ( 1 9 7 6 ) 1 5 j 根据弹性半空间理 论推导出复合地基在垂直荷载作用下的沉降量计算公式；b r a u n s ( 1 9 7 8 ) 1 6 j 在鼓胀破坏 模式的基础上，根据极限平衡理论提出碎石桩承载力计算方法，认为桩体破坏主要由于 桩顶附近鼓胀引起；b a l a a m ( 1 9 8 1 、1 9 8 3 ) 1 1 7 】用有限元方法计算复合地基的沉降量和沉 降速度；r a n i a n & i 渤( 1 9 8 9 、1 9 9 0 ) 【8 】根据圆孔扩张理论，通过求桩间土的承载力或碎 石桩的承载力及桩土应力比，得到复合地基的承载力。 盛崇文、王盛源、方永凯( 1 9 8 3 ) 【9 】进行了两组碎石桩复合地基大型荷载实验，每 组包含4 根直径0 8 m 的砂桩和碎石桩，测得复合地基的沉降模量和桩土应力比；李杰、 方永凯( 1 9 8 9 ) 【1 0 】根据室内模型实验，认为碎石桩顶以下两倍桩径范围内有应力集中现 象，并将复合地基计算划分为应力集中区、其余加固区、下卧层三部分来进行计算沉降； 韩杰、叶书麟等( 1 9 9 0 ) 【1 1 j 在碎石桩加固软土现场试验中测得了刚性荷载板的地基反力 分布，并提出了由平板静荷载试验确定碎石桩复合地基的桩土应力比方法，建议根据相 同压板所产生的相同沉降，分别从复合地基和天然地基荷载试验的p - s 曲线求得桩土应 力比；李广信、陈轮、蔡飞【1 2 】( 1 9 9 4 ) 在室内模型试验中采取了在碎石桩上部加筋的办 法，来增加桩上部的约束力，有效地限制了桩的横向鼓胀变形，提高了复合地基的承载 力和降低了沉降量；王盛源、关锦荷等( 2 0 0 2 ) 【1 3 】在假定桩体均匀横向膨胀、桩体积不 2 1 绪论 可压缩、桩体底部坐落在硬土层情况下，由桩体的横向膨胀力推导了复合地基的沉降表 达式，通过大型现场直剪试验获得了碎石桩复合地基的强度指标。 以上学者所研究复合地基承载力的方法，计算比较烦琐，涉及参数较多，具体操作 不是很方便，因此工程实际应用也比较少。工程实践中，承载能力的定量计算还是以经 验为主，复合地基沉降量一般采用复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法来计算，承 载力的计算则是根据一定的原则叠加桩体承载力和桩间土承载力，理论计算与实际操作 尚存在较大的差异，因此还有待于进一步解决这个问题。 近年来，随着计算机软硬件的更新发展，基于有限元离散元的数值模拟分析也逐渐 增多。n 锄o t 采用有限元方法对复合地基进行了数值模拟分析，得到的结果与试验比 较吻合。 韩杰i l l 】采用平面有限元对碎石桩复合地基应用b i o t 固结理论来计算和分析碎石桩 复合地基的固结变形；吴永红用非线性弹塑性有限元方法，对碎石桩复合地基的受力和 变形机理进行了深入研究；李宁1 4 j 【1 5 】【1 6 1 对各种复合地基进行全面的数值模拟分析，得 到各类复合地基在不同情形下的承载机理；张爱军、谢定义采用有限元一无界元三维非 线性分析程序对桩式复合地基进行分析，用于各类复合地基的计算：杨涛采用复合本构 有限元法求得复合地基的承载力和沉降量，通过复合桩土样的三轴试验得到桩土复合试 样的本构关系，并探讨了本构关系的参数。 以上学者所做的碎石桩复合地基承载能力数值分析，考虑了解析计算中许多无法考 虑的情形，从新的视角分析了复合地基的作用机理。通过数值分析，可以模拟出碎石桩 复合地基的应力场、应变场，也可以模拟出桩土间的相互作用以及群桩效应，从而反映 出复合地基的承载机理。 1 4 本文主要研究内容 由于碎石桩复合地基承载性能受到许多因素的影响，人们对其的认识还不够，因而 造成了碎石桩复合地基在实际应用中的工程隐患和浪费。本文结合赣大高速公路工程实 例分析研究软土地基在路基荷载分层加载的情况下和碎石复合地基在路基荷载分层加 载的情况下其承载性状变化，并采用数值模拟方法对其承载性状进行模拟分析，以能提 出合理的设计参数，指导设计与施工，从而达到安全使用、经济合理的目的。 本文研究内容： ( 1 ) 深入调查现有的文献和工程经验，对碎石桩复合地基作用机理、设计和施工等 进行全面的分析和研究。 ( 2 ) 调查分析赣大高速公路研究区软土的性状，采用数值方法分析其稳定性。 ( 3 ) 采用数值方法分析赣大高速公路研究区软土碎石桩处理后的稳定性，并进行评 价。 3 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 对不同设计参数的碎石桩复合地基进行数值分析，提出合理的参数选择建议。 1 5 技术路线 确定研究的内容与目地 上 收集研究区工程地质资料、设计、施 工资料 上 研究区地基土物理力学性质研究 1 l 软土地基沉降和稳定性分析 1r i 碎石桩成桩特性研究i 运用f l a c 3 。软件进行数值模拟计算 复合地基特性研究 1r 复合地基施工工艺、沉降观测的研究 图1 1 技术路线图 4 2 碎石桩复合地基理论分析 2 碎石桩复合地基理论分析 2 1 碎石桩复合地基分类 随着复合地基理论的不断发展，施工技术和设备的不断创新，碎石桩的施工方法也 越来越丰富。按施工方法不同，碎石桩复合地基可分为振冲碎石桩复合地基、振动挤密 碎石桩复合地基、沉管碎石桩复合地基、射水成孔袋装碎石桩复合地基和强夯置换碎石 桩复合地基等。这些碎石桩复合地基都属于散体材料桩复合地基【1 7 j 【1 8 】【1 9 】。 ( 1 ) 振冲碎石桩复合地基 振冲碎石桩复合地基按加固机理可分为两类：振冲密实法和振冲置换法。振冲密实法 的加固原理是一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列，孔 隙减小，另一方面依靠振冲器的水平振动力，在加填料情况下通过填料使砂层挤压加密。 振冲置换的加固原理是利用振冲器在高压水流下边振边冲在软弱粘性土地基中成孔，此 后在孔内分批填入碎石等坚硬材料，制成一根根桩体，并由碎石桩和原地基土构成碎石 桩复合地基。 ( 2 ) 干法振动挤密碎石桩复合地基 干法振动加固地基工艺是先用干法振动成孔器成孔，原桩孔位中的土体被挤到周围 土体中去，提起振动成孔器，向孔内倒入碎石等坚硬材料并进行捣实，然后提起振动成 孔器，继续倒碎石，直至碎石桩形成。碎石桩和挤密的桩间土形成碎石桩复合地基。 ( 3 ) 沉管碎石桩复合地基 采用沉管打桩机在地基中设置碎石桩，形成复合地基。常用设置碎石桩的方法有振 动沉管法、内击沉管法和心管密实法。近年来还采用钢渣、炉渣、石屑等材料制桩以形 成复合地基。 ( 4 ) 射水成孔袋装碎石桩复合地基 在高含水量的软粘土地基中，采用高压射水器射水成孔，然后向孔中置入袋装碎石 而制成桩体，形成袋装碎石桩复合地基。该法避免了碎石桩在软土中由于侧向约束力小， 而在垂直荷载作用下变形大的特点。因此，袋装碎石桩复合地基比一般碎石桩复合地基 承载力高。 ( 5 ) 强夯置换碎石桩复合地基 强夯置换碎石桩复合地基是利用重锤夯击成孔，回填碎石等坚硬材料后夯击密实， 边夯边填碎石，不断置换，使之形成深度3 6 m 、直径为2 m 左右的碎石桩体，与周围 土体形成碎石桩复合地基，强夯置换法近年来发展较快。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 2 碎石桩复合地基作用机理分析 对碎石桩复合地基作用机理的研究近3 0 年有较大的发展，而且已经有完整的理论体 系，概括起来有以下三方面的内容。 2 2 1 碎石桩复合地基的加固机理 碎石桩复合地基的加固效果主要来源于以下三种作用：一是振密挤密效应，即因施工 成桩过程中，桩周土受到振挤而使桩周土强度增大的效应；二是置换效应，即地基的原 软土被较高强度的桩体置换而使地基强度增大的效应；三是加速排水效应，即桩体使地 基土排水渗流的渗径缩短而加速地基土固结，从而使地基承载能力随时间提高的效应。 另外，桩体及桩周土组成的加固层对下卧层起到很好的“垫层作用”，扩散了上部荷载， 从而减少了下卧层的沉降川儿削j 。 碎石桩复合地基基本特征是桩体材料为散粒体材料，散粒材料之间没有粘结力，它 的成型及支承荷载的能力均需依靠桩周土体对它的侧向约束作用。对于散粒材料桩这种 特定的结构体，在刚性基础下，桩柱体的侧向鼓胀变形是实现桩土之间变形协调的首要 调整方式。 当碎石桩桩体进入相对硬层时，刚性基础下，桩和桩间土变形满足“等应变”条件， 荷载必须按地基材料的刚度大小不断进行分配，由于桩体材料的模量远比桩间土的模量 大，通过基础传递给复合地基的外荷载逐渐向桩上集中，桩间土负担的应力相应减少， 此时，复合地基中碎石桩的作用主要是桩体加固作用。 当碎石桩桩体未进入相对硬层时，由于桩体材料的模量远比桩间土的模量大，由碎 石桩桩体和桩间土组成的复合土层的模量将大大高于桩间土的模量，复合土层相当于软 土地基上部的硬壳层，主要起垫层作用，垫层将外荷载在地基内引起的应力向周围扩散， 使地基中应力趋于均匀，地基整体承载力相应提高。 复合地基中的碎石桩能发挥与砂井相同的排水作用。由于制桩过程中振动、挤压和 扰动等因素的影响，使桩间土中出现了较大的超静孔隙水压力，桩间土的强度相应降低， 当制桩结束后，随着土中孔隙水压力的消散，地基土的结构强度将不断恢复，在对复合 地基加载过程中，桩体排水作用使土体中的超静孔隙水压力不断消散，有效应力和桩周 土的强度不断增大，复合地基的强度也不断提高。 在松散砂性土地基中设置碎石桩时，砂粒径施工振动，其中孔隙大为减少，土粒重 新排列密实，从而减少沉降；另外，砂土中因含有排水畅通的碎石桩，使桩间土产生的 振动超孔隙水压力的水迅速地由碎石桩体排出，土中孔隙水压力亦随之减小，难以聚集 提高，从而消除或减小液化的可能性。因此，碎石桩用来处理松散砂性土地基时，主要 体现为振密挤密和加速排水效应。 6 2 碎石桩复合地基理论分析 在软粘土地基中，碎石桩的主要作用是置换部分土体，利用碎石桩体的强度起到加 固地基的作用。软粘土粒间具有粘聚力，属非松散土体，加之土的透水性较差，土的孔 隙水不易流动排出，故在碎石桩的施工中，软土难以振挤密实，改善软土本身的土性不 明显。由于施工扰动，桩周围的土体往往会出现超孔隙水压力，使土的强度有所降低。 但是由于粘性土的触变性，制桩后休置一段时间，桩周土的强度不仅可恢复原有数值， 而且还有所增长。另外，土中填筑的碎石桩又大大地缩短了排水路径，使软土加速固结。 因此，处理粘性土地基时则主要体现为置换和加速排水效应。 2 2 2 碎石桩复合地基的桩土共同作用机理分析 刚性基础下的碎石桩在垂直应力作用下，将发生侧向挤胀。桩单元的侧壁有摩阻力 作用，且作用方向沿桩侧向上。侧壁摩阻力使桩单元底面应力小于桩单元顶面应力，即 桩体沿桩向下传递的力逐渐衰减。另外，由于基础的刚性较大，桩与土的下沉在桩顶部 位是协调一致的，桩土之间相对滑移较小可以忽略不计。桩间土受到周围桩和承台的“遮 拦作用”( 即桩和承台的存在限制桩间土变形的作用) 和“分担作用”而处于高应力状态， 从而提高了桩间土的抗挤能力，进而提高了地基的承载能力，减小了地基的沉降瞄j 。 当荷载达到一定数值时，桩体因为应力集中先进入极限状态，随着荷载的进一步增 加，地基土也进入极限状态，也就是说刚性基础下复合地基中桩和土的承载力都能得到 较好发挥。 道路、堤坝等柔性荷载下的碎石桩复合地基，在不考虑垫层时，桩顶部位的桩与土 体所受荷载是相等的，都等于上覆荷载。另外，由于基础的柔性，桩项可以向上刺入， 因此桩土的变形也不再协调一致。在受到足够大的荷载时，由于桩间土强度相对较弱， 将先进入极限状态，再进一步增大荷载时，桩体将出现一定的径向变形，但其承载能力 仍然会有较大富余，而此时桩间土的沉降量已经很大，所以在路堤荷载下碎石桩复合地 基中，桩间土的承载力可以得到充分发挥，而桩的承载力发挥的却较低。为了充分发挥 桩的承载力，一般在复合地基表面铺设一定厚度的具有一定刚度的垫层，以形成荷载拱 效应，使荷载能向桩转移一部分，使桩分担更多的荷载。但此时的桩土应力分担比仍远 小于刚性基础下复合地基的桩土分担比。此外，桩在竖向荷载作用下产生的径向应力将 使土体受到侧向挤压，从而增加土体的抗压缩能力，可以有效地减小复合土体的沉降量。 实测资料表明：柔性基础下的端承桩桩基，由于桩侧土体产生的沿桩体向下的负摩阻 力的影响，桩体竖向应力随深度增加而增加，桩周土中应力则相应随深度增加而减小。 但对于未到达相对硬层的碎石桩复合地基，桩顶压缩量小于桩周土压缩量，将向上刺入 路堤，桩侧产生向下的负摩阻力；而桩端压缩量大于桩周土，桩端将向下刺入下卧层， 桩侧产生向上的正摩阻力，正负摩阻力的转换点称为中性点，中性点处摩阻力为零。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 2 3 碎石桩复合地基的抗液化加固机理 我国是一个多地震国家，在以往的多次强烈地震中，因饱和砂土液化而引起工程结 构的破坏占有相当大的比例。液化现象常常与饱和砂土联系在一起。 针对饱和砂土发生液化的原因，出现了多种可液化土层的处理方法，如换土、加密、 采用桩基、加入固化剂、设置地下围护墙和碎石桩等。其中，碎石桩由于具有施工方便、 成本低廉、不用三材、加固效果好等优点，近年来在工程中得到了广泛应用。 2 0 世纪7 0 年代，碎石桩技术开始应用于加固可液化土层，并逐渐发展成为一种应 用广泛的抗震防液化加固手段，而且这种加固技术的有效性已经得到实际地震的证实。 随着碎石桩在工程界的广泛应用，其理论究也取得了引人注目的成就。在静力荷载作用 下采用碎石桩加固软弱地基的理论研究较早，有关碎石桩复合地基的加固机理、设计方 法、施工质量检验等前人做了大量探索，已经有了被普遍接受且较为完整的理论体系。 现有研究已经表明，碎石桩复合地基抗液化的作用主要表现在以下三个方面：增加桩周 围砂土的密实度；通过桩体的排水来限制砂土中超静孔隙水压力的增长；桩体分担 地震水平剪应力作用( 桩体减振作用) 。 ( 1 ) 碎石桩的密实作用 采用振动技术来加密松砂的概念易于理解，这里仅从抗液化的角度来分析。按照施 工方法的不同，振动碎石桩又可分为振冲碎石桩和干振碎石桩两种。两种方法形成的复 合地基密实度都得到了提高。振冲碎石桩在成孔和挤密碎石的过程中，一方面桩周土体 在水平振动力作用下产生径向位移，使桩间土密度提高。另一方面，振冲器的振动力在 饱和砂土中传播振动和加速度，在振冲器周围一定范围内的砂土受到反复的振动和剪切 循环荷载作用而产生振动液化，液化后的土颗粒在重力、上覆土压力以及填料挤压力的 作用下重新排列，孔隙比减小，体积收缩，趋于密实，从而形成密实的碎石桩复合地基。 前已述及，在地震荷载作用下饱和松砂发生液化的原因之一是密实度不够。由于饱 和松砂土粒骨架疏松且多为不稳定结构，因此在强震作用下土体趋向密实，体积减小。 但因短时间内充满土孔隙中的水难以及时排出，土孔隙无法减小，体积不能发生变化， 土粒间的有效应力逐渐转变为超静孔隙水压力。随着震动的持续作用，土中超静孔隙水 压力不断地聚集、提高，当其值达到相应的固结压力，粒间应力( 即有效应力) 为零，土 粒之间没有了接触也就出现了液化现象。而饱和松砂在碎石桩施工过程中得到振密和挤 密，将原来易产生液化的疏松土体加固成密实的土体，同时增加了水的渗流通道，这样， 在以后的地震作用下，土体的密实度变小，不产生或产生很少振密引起的超静孔隙水压 力，消除或大大减小其液化势。因此可以通过增加砂土的密实度来防治液化的发生。根 据我国对地震区的广泛调查和室内试验，当地震烈度为、度时，如果砂土的相 对密度分别达到5 5 、7 0 和8 0 以上时，砂土不会发生液化。 8 2 碎石桩复合地基理论分析 ( 2 ) 碎石桩排水减压作用 国内外专家已经注意到设置在饱和松砂层中碎石桩( 或砾石排水桩) 的排水减压效 用，并从多角度进行了研究。我国化工部、冶金部、水电部、建筑研究院等1 0 个单位 曾在大兴现场进行了联合试验与测定。结果表明，设置碎石桩后，复合地基比天然地基 的动孔隙水压力降低了2 3 左右。曾昭礼在现场测得天然地基距振冲中心约2 0 m 范围内 振动孔压剧增，造成土的液化，2 0 m 以外随距离增加基本上按指数关系递减，而采用碎 石桩形成复合地基后，超静孔隙水压力比天然地基降低了6 6 。郑建国在现场采用打桩 机作为震源量测了距震源2 o m 处天然地基和经碎石桩加固后桩间土的超静孔隙水压力， 在同样激振情况下，加固后桩间土的超静孔隙水压力仅为天然地基的4 7 。由于目前在 现场还没有很好的办法来模拟地震荷载，只能采用打桩机等方式加动力荷载，因此上述 试验仅能定性地说明碎石桩的排水效用，无法进行更深入的研究。o a t s u 和y 0 s i l i 血、 s 勰l l ( i 和t a l l i g u c l l i 、王士风等利用振动台进行了模型试验研究，s e e d 和b o o k e r 曾提出 分析计算方法，并编制了计算程序，给出了一套供设计用的曲线采用有限元研究了单纯 径向排水的孔隙水压力计算。以此为基础，s a s a 垴和t a i l i g u c l l i ，林本海等给出了二维、 三维情况下的有限元分析方法k 川。 地震荷载作用下饱和松砂发生液化的原因之一是地震作用下产生的超静孔隙水压 力不能及时消散，造成地基的喷砂冒水或砂土的流动。通过上述理论分析可以得到，复 合地基中的碎石桩是以透水性很强的碎石填筑，可以在土层中形成良好的排水通道，缩 短排水路径，加速超静孔隙水压力的消散，增强了土体的抗剪强度，因此在地震力作用 下孔隙水压力不易积累增长，也就不会发生液化。 ( 3 ) 碎石桩的减震作用 已有的研究表明碎石桩不仅可以分担上部垂直荷载的作用，而且还可以分担振动剪 应力来抵抗砂土液化，即碎石桩的减震作用。 碎石桩复合地基中桩土分担地震剪应力重分布的概念由b a e z 和m a j t i i l 提出。在碎 石桩复合地基中，由于桩体的刚度远大于桩间天然土体，地震荷载将因地基的初始应力 状态和刚度发生了变化而产生应力的重新分布。因此，当碎石桩和周围的土体一起变形 时，地震剪应力的分布应该是桩土各自刚度和面积的函数。在相对刚度较大的碎石桩上 会产生地震剪应力的集中，因此减小了作用在桩间土上的剪应力水平。 在现场对碎石桩加固前后地面振动加速度的测量和剪切波的量测，可定性地反映桩 体分担剪应力的情况。郝增志等通过对振冲加固前后的地面振动加速度的量测发现，加 固后地基的垂直、水平切向和水平径向的加速度均较加固前分别减少了2 8 2 、1 2 5 和1 9 o 。可见桩体分担水平剪切应力的作用也很明显。 采用振动打桩机作为激振源，在加固区桩间土上和未加固区天然地基上分别测出了 地面振动加速度值。测量结果表明，地基经碎石桩处理后，其桩间土地面振动加速度仅 9 西安科技大学硕士学位论文 为未加固地基地面加速度的3 0 左右，也就是地面加速度降低了7 0 。从这个意义上来 说，碎石桩对桩间土地震反应产生了减震效应。这是由于复合地基在抵抗地震剪应力时 是由碎石桩和桩间土共同承担的，因为桩与土的刚度不同，剪应力在桩上出现了集中。 由于实际的情况不同，现场试验所测得的加速度存在较大差异，但是都表明了碎石桩可 以分担较大的水平剪应力，使得桩间土上作用的剪应力减小来抵抗地震液化。 2 3 碎石桩复合地基计算理论分析研究 2 3 1 碎石桩复合地基承载力计算理论 碎石桩复合地基由碎石桩体和桩间土一起参与工作，共同承受上部荷载。在基础的 整体变形下，通过碎石桩、桩间土的变形协调，大部分荷载传递给刚度大、强度高的碎 石桩体，土体的负荷减小，故复合地基的承载力有明显提高。由于碎石桩复合地基承载 问题本身的复杂性，目前对于碎石桩复合地基的认识仍在深入探讨和研究之中，可以说 对于碎石桩复合地基承载力的计算仍是半经验、半理论的，计算结果的准确程度很大程 度上决定于计算者的实践经验以及现场试验获取的参数质量的高低2 4 】【2 5 】【2 6 1 。 碎石桩复合地基承载力计算通常有两种思路：一种是先分别确定桩体的承载力和桩 间土的承载力值，再根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力值；另 一种是把桩体和桩间土组成的复合土体作为整体考虑，确定复合地基的容许承载力，主 要是通过复合地基滑弧稳定分析法确定复合地基承载力值【2 7 1 。此外还有其他方法如盛崇 文( 1 9 8 0 ) 【2 引，郭蔚东、钱鸿绪( 1 9 9 0 ) 【2 9 1 ，程家庆( 1 9 8 3 ) 【3 0 1 ，曹祉田、李受祉( 1 9 8 4 ) 【3 1 1 ， 王长科吲及龚文惠【3 3 】等都提出了碎石桩复合地基承载力计算方法。 1 面积比法 复合地基的极限承载力p 可用下式表示： p 盯= k l ，印+ k 2 如( 1 一所) p 矿 ( 2 - 1 ) p 盯2 k l ，印+ k 2 如【l 一所j p 矿 l z 。l 式中： p 一一桩体极限承载力，单位k p a ； p 。一天然地基极限承载力，单位l a ； 足一反映复合地基桩体实际极限承载力的修正系数，一般大于1 ； 疋一反映复合地基桩间土实际极限承载力的修正系数，其值视具体工程情况确定， 可能大于1 ，也可能小于l ； 见一复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，可称为桩体极限强度发挥度。 桩体先达到极限强度，则无= 1 ，若桩间土先达到极限强度，则 得到。采用压缩模量时，主固结沉降采用下式计算： 墨= 窆铷 ( 3 5 ) f = l 上。肼 式中： e 一压缩模量。 缱地基中各分层中点的附加应力增量； 忽一分层厚度。 其计算结果列于下表中： 表3 3k 3 8 + 2 3 0 段半幅路基中心最终沉降量 经过以上计算分析，赣大高速公路k 3 8 + 2 3 0 段半幅路基中心最大沉降量为3 8 9 8 c m ， 显然该路段软土地基变形不能满足公路工程的要求，因此，必须对该路段软土地基进行 处理。 ( 1 ) 固结度计算 地基固结度指的是地基在荷载作用下，经历某一段时间后产生的固结固结沉降量与 其最终固结沉降量之比。即： u t = s c t | s t 玑一固结度 经历某一时间，后所产生固结沉降量 墨一最终沉降量 在压缩应力、土层性质和排水条件等已定的情况下，u 。仅是时间t 的函数。地基固 结度反映土体中孔隙水压力向有效应力转化过程的完成程度。又有公式： 3 赣大高速公路软土工程地质特征 以= ( 瓦) t ，= cv x t | h 1 由此可见固结度仅为时间因素瓦的函数。当土性指标口，七，e 和土层厚度圩已知 时，针对某一排水条件和边界条件即可求出u 一，关系。该路段为双面排水，现以 飚8 + 1 9 7 段为例计算其固结时间。地基固结度按8 0 考虑，软土层的初始孔隙率e = 1 0 ， 压缩系数口= 0 0 0 0 5 l 【p a - 1 ，渗透系数按粉土查工程地质手册得七= o 0 4 ，a _ ，查表可 得时间因数瓦= 0 5 3 ，软土厚度平均为7 5 5 8 m 。 阢= 8 0 a 一，z = o 5 3 ，口2 0 0 0 0 5 k p a 1 ，七= 0 0 4 m y ，p = 0 8 7 ，九= l o ， c ，= k ( 1 + p ) 口九 = o 0 4 2 ( o o 0 0 5 1 0 ) = 1 6 ( m 2 y ) r = 瓦h 2 c ，卢t v h 2 c v = 0 5 3 1 0 2 2 1 6 3 5 ( y ) 通过上述估算，可以得出当固结度为8 0 时，其固结时间约为3 5 年，显然不能满 足工程施工期限要求。此外因填土高度较大，土体不稳定，会产生滑动。因此，必须对 该路段软土地基进行处理。 3 3 本章小结 本章分析了赣大高速公路沿线自然地理、地形地貌、地层岩性、软土地基物理力学 性质，并对软土地基沉降率进行计算，得出了如下几点结论： ( 1 ) 赣州至大余高速公路( 三益至梅关段) a 4 合同段k 3 8 + 1 5 0 k 3 8 + 3 0 0 段软土 地基从上到下地层岩性依次为碎石土、粉土、砾石土、板状砂土，总厚度为1 2 3 m ，该 土层结构松散，含水量较高，渗透性强，压缩性高，抗剪强度低，属软土地基。 ( 2 ) 对该软土地基进行沉降计算，得到总的沉降量为3 8 9 8 c m ，严重不满足公路工 程对路基地基的要求，会引起路基不均匀沉降，影响工程质量：对该软土地基进行固结 计算，得到的固结时间为3 5 年，该公路工程的工期为1 8 个月，显然不能满足工期要求。 因此，需对此软土地基进行处理。 西安科技大学硕士学位论文 4 赣大高速公路软土地基数值分析 4 1 软土地基数值模拟 4 1 1f l a c 软件介绍 ( 1 ) f l a c 应用领域 f l a c 最初是应用于岩土工程，从1 9 8 6 年以来，f l a c 在地下工程、矿业、岩石力 学等研究领域应用解决了一系列岩土方面的问题。f l a c 也能用于土木工程和工程力学 的各个领域i j 5 。 软件在矿业工程和地下建筑领域进行分析和设计，包括运动方程的显式时程解法可 进行渐进破坏和崩塌现象分析，这对于矿山设计有关的研究极为重要。在矿山设计中， 界面模型可分析断层结构的影响，各种结构单元能用来模拟岩石加固系统。f l a c 中蠕 变模型选项可以进行盐类和钾盐类矿山设计的研究。通过应用热力学模型可选模块， f l a c 可以对存放有高放射性废料的地下储库的存储效果进行研究。 由于f l a c 具有动态分析选项，因此编码可以应用于各种工程动力学问题，可以进 行地震工程的分析，例如，对坝的稳定性的研究、土和结构的相互作用和液化现象。并 还可以通过计算来估计爆破荷载的作用，比如地下爆破工程。 早期的f l a c 版本无法提供用于土力学和地基设计中的一些常规结果表达格式。 f l s h 语言解决了这个问题，现在用户可以自定义想要的格式，例如绘出p q 图，或者 进行特定设计分析时计算出安全