（岩土工程专业论文）碎石桩复合路基承载机理与沉降变形研究.pdf

摘要 碎石桩复合地基目前在我国得到了广泛的应用，取得了显著的经济效益和 社会效益，但是对复合地基的作用机理和计算方法的研究还较少，目前对碎石 桩复合地基的认识仍处于不断探讨与研究之中。因此，本文结合“大庆到广州 高速公路湖北省麻城至浠水段软基处理监测与试验研究”课题，从理论分析、 现场试验、反演分析以及数值模拟四方面入手，对碎石桩复合地基的承载机理 和沉降计算方法等内容进行了深入的探讨，主要工作内容如下： 首先在借鉴前人研究成果的基础上，深入探讨了碎石桩复合地基的作用机 理和计算方法，对碎石桩在软土地基处理中的应用进行了较为深入的总结，其 中复合地基承载能力和沉降计算是本文研究的重点。 依托项目在大广北高速公路上设置的碎石桩复合路基试验段，进行了碎石 桩加固软土地基的现场试验研究。现场试验分两个阶段：第一阶段进行了碎石 桩密实度动力触探试验和碎石桩复合地基静载荷试验，对碎石桩复合地基加固 效果进行了分析研究；第二阶段进行了沉降和变形监测试验，通过对孔隙水压 力、沉降等数据进行处理和分析，揭示了碎石桩复合地基变形发展规律、应力 分布等特点，给出了碎石桩加固的软土路基的具体施工建议。 选取该碎石桩复合路基监测段内的某一典型断面的观测资料，通过统计分 析、回归分析得到影响其位移变化的土层的有效压力值，并结合f l a c 3 d 计算， 通过优化反分析从而反演得到该段复合路基的物理力学参数。 论文以大广高速公路k 8 4 + 0 0 0 碎石桩复合地基试验段为背景，采用岩土工 程数值分析软件f l a c 3 d 程序，建立碎石桩复合地基的三维数值模型，进行了三 维流固耦合计算。模型模拟了路堤分层填筑过程，同时对碎石桩复合地基的应 力应变数值模拟数据进行采集。数值模拟结果表明：( _ ) 复合地基较原状地基的 承载能力明显增强，竖向沉降显著降低；( 二) 复合地基数值模拟计算结果与现场 监测数据做了对比分析，使用两种方法对复合路基承载力和稳定性进行研究。 关键词：碎石桩复合地基工作性状现场试验反演分析数值分析 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，g r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sb e e nu s e di nm a n y e n g i n e e r i n gp r o j e c t sw h i c hs h o wm a n yg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ，b u tt h e r e s e a r c ho nt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dt h ek n o w l e d g eo ni t sb e h a v i o r sa r es t i l l i n a d e q u a t e n o wi th a sb e e nd i s c u s s i n ga n ds t u d y i n gg r a d u a l l y s oc o m b i n i n gw i t h t h ei t e m “s o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm o n i t o r i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f d a q i n g g u a n g z h o ue x p r e s s w a yi nh u b e ip r o v i n c ef r o mm a c h e n gt ox i s h u i ”，i t s t u d i e sd e e p l yt h em e c h a n i c so fb e a r i n gc a p a c i t ya n dm e t h o d sf o rs e t t l e m e n t c a l c u l a t i o no fg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s 、f i e l dt e s t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n db a c ka n a l y s i sa n ds oo n t h em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c h a r ea sf o l l o w s ： a tf i r s t ，u n d e rt h eb a s eo fi n h e r i t i n gf o r m e rc o n c l u s i o n sc r i t i c a l l y ，t h i sp a p e r s u m m e du pt h em e c h a n i s ma n dc a l c u l a t i n gm e t h o d sa n ds oo nf o rt h eg 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 ，i nw h i c hb e 撕n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n so f c o m p o s i t ef o u n d a t i o na r et h ef o c u so ft h i sp a p e r g r a v e lp i l et e s ts e c t i o ni ss e ti nd a g u a n ge x p r e s s w a ya n ds o f tc l a yf o u n d a t i o n s u p p o r t e db yg r a v e lp i l e si ss t u d i e dt h r o u g hf i e l dt e s t s a tt h ef i r s tp h a s e ，w ed ot h e d y n a m i cp e n e t r a t i o nt e s tf o rm o n i t o r i n gg r a v e lp i l ed e n s i t ya n ds t a t i cl o a dt e s tf o r t h e g r a v e lp i l ef o u n d a t i o n a n da n a l y s et h ee f f e c to ft h er e i n f o r c e dc o m p o s i t ef o u n d a t i o n a tt h es e c o n dp h a s e ，d u r i n gt h ee m b a n k m e n tb u i l d i n gp r o c e s s ，w em o n i t o rt h e s e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n b a s e do nt h ep o r ep r e s s u r ea n d s e t t l e m e n td a t aa n ds oo n t h ed e f o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fs t r e s si nt h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nw a sm e a s u e r d t h ec o n s t r u c t i o no fs o f tc l a yf o u n d a t i o nr e i n f o r c e db y g r a v e lp i l e sa r ep r o p o s e d s e l e c t i n gt h em o n i t o r i n g d a t ao fat y p i c a lc r o s s s e c t i o n ，t h r o u g hs t a t i s t i c a l a n a l y s i s ，r e g r e s s i o na n a l y s i s ，w eg e tt h ee f f e c t i v es o i lp r e s s u r ew h i c hi m p a c t st h e c h a n g e so fd i s p l a c e m e n t ，a n dt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sb yi n v e r s e a n a l y s i sc o m b i n e ds i m u l a t e dm o d e lw i t hf l a c t h et h r e ed i m e n s i o n e dc a l c u l a t i o nm o d e lo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ns u p p o r t e db y g r a v e lp i l ei se s t a b l i s h e db yf i a c 3 d ，w h i c h i sa c c o r d i n gt ot h ed a g u a n gf r e e w a y k 8 4 + 0 0 0w o r k i n gs e c t i o n m o d e ls i m u l a t e st h ee m b a n k m e n tb u i l d i n gp r o c e s s s t r e s s a n ds t r a i nd a t ac o n t r a s ti sd o n eb e t w e e no r i g i n a ls u b g r a d ea n df i e l dt e s t t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e s ，c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ls u b g r a d em o d e l ， t h a tt h em o d e lo fr e i n f o r e e dc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni n c r e a s e so ft h eb e a r i n gc a p a c i t yo f w e a ks u b g r a d ea n dd e c r e a s e sh i g h l yt h ev e r t i c a ls e t t l e m e n t m e a n w h i l e ，t h ed a t ao f s i m u l a t i o na n a l y s i si sc o m p a r e dw i t ht h ef i l e dt e s t k e y w o r d s ：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 ，b e h v a l o r s ，f i e l dt e s t ， i n v e r s ec a l c u l a t i o n a la n a l y s i s ，n u m e r i c a la n a l y s i s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：叠霍望 日期研究生签名：筮速：望日期 关于论文使用授权的说明 妒t f 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期 | 鼋11 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着我国国民经济的快速增长，高速公路建设迅速发展。到2 0 0 8 年底我国 已建成高速公路总里程达到6 万k m ，继续稳居世界第二位。 由于我国幅员辽阔，软土及其他不良地基土分布范围广泛，这给公路工程 建设带来了极大的困难和隐患，成为公路工程关键问题之一。道路选线时应尽 可能避开软土地区，但有时为满足线形的要求，不得不经过软土地区。在软土 地区修建公路，高路堤存在着稳定性差和过大的变形沉降等问题，而低路堤在 交通荷载作用下，也常使道路发生较大的沉降变形，严重影响道路的质量和使 用，由此造成的经济损失是巨大的。因此在软土地基上修筑公路，特别是高等 级公路，地基的处理和路基工程的施工显得至关重要。 由于碎石桩处理软土路基的方法简单易行，便于操作且实用性强，能够很 好的满足工程要求，目前已大量应用于工程实践中。但是，目前系统介绍碎石 桩加固软土路基的著作并不多，理论研究尚少，只有一些技术人员发表的零散 的科技论文。本文将以碎石桩加固的软土路基为研究对象，依托正在建设的大 广高速公路软土路基监测项目，对k 8 3 + 6 8 4 k 8 4 + 3 5 2 段的碎石桩复合地基进行 研究分析。 1 1 地基处理的目的和意义 地基处理的对象主要是软弱地基和特殊土地基。在这类地基上的建( 构) 筑物 主要面临以下四个方面的地基问题【1 1 ： ( 1 ) 强度、地基承载力及稳定性问题。 ( 2 ) 压缩沉降、水平位移及不均匀沉降问题。 ( 3 ) 地基的渗透量超过允许值时，会发生水量流失，或因潜浊和管涌而可能 导致失事。 ( 4 ) 振动或动力荷载作用下的液化、失稳和震陷问题。 当直接在软弱地基上修筑建筑物时，就需要考虑对软弱地基进行处理，以 保证工程安全。地基处理的目的是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋 和热学等方法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特性，主要表现在以 武汉理工大学硕士学位论文 下几个方面【2 】： ( 1 ) 提高地基土的抗剪强度。 ( 2 ) 降低路基土的压缩性。 ( 3 ) 改善地基土的透水特性。 ( 4 ) 改善地基的动力特性。 ( 5 ) 改善特殊土的不良地基特性。主要是消除或减弱黄土的湿陷性和膨胀土 的胀缩特性等。 在土木工程领域中，与上部结构比较，地基的不确定因素多、问题复杂、 难度大。地基问题处理不好，后果非常严重。据调查统计，世界各国发生的各 种土木工程建设中的工程事故，地基问题常常是主要原因。地基问题处理好， 不仅安全可靠而且具有较好的经济效益。它主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 提高工程质量 地基质量的好坏，是工程能否成功的关键。针对不同的工程实际情况，对 建筑物所处的软基地段进行适当的加固处理，是提高工程质量的必经途径。 ( 2 ) 降低工程造价，节省投资资金 软基处理牵涉的技术面广，难度大，不确定因素多，不同的软基适用的处 理方法各有不同，并将产生不同的经济效益和处理效果。如果能够针对工程实 际提出适当的处理办法，可以大大节约工程投资。 ( 3 ) 加快工程进度，缩短工程周期 这点对于高速公路路堤填土施工和路面铺设而言尤为明显。不同的软基处 理技术允许不同的工程进度，先进的技术允许路堤土以较快的速度填筑，缩短 沉降周期，在较短的时间内达到路面铺设的要求，从而加快工程进度。 总结国内外地基处理方面的经验教训，推广和发展各种地基处理技术，提 高地基处理水平，这对新时期提出的“建设两型社会”的目标具有重要的意义。 1 2 国内外复合地基研究水平与现状 复合地基( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) - 于1 9 6 2 年在国际会议上首次提出。在我国， 随着地基处理技术的不断发展和复合地基技术在土木工程建设应用的推广，复 合地基理论在实践中也在不断完善和发展。 龚晓南较系统总结了国内外复合地基理论和实践方面的研究成果，提出了 2 武汉理工大学硕士学位论文 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 3 - 6 1 ，总结了复合地 基承载力和沉降计算思路和方法。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，加固区由基体( 天 然地基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。 复合地基由于桩体种类较多，应用领域广，组成复杂，国内的众多学者通 过现场试验、理论研究和数值方法对复合地基的共同工作机理、变形控制方法 和设计方法等进行了大量的研究。 宋二祥、池跃君、傅景辉等【7 。l 】对刚性基础下复合地基垫层的工作机理、承 载力、破坏模式、桩土应力比以及沉降方面进行了较为深入的研究，尤其深入 研究了刚性桩复合地基。韩煊、李宁等人【1 2 0 4 】利用数值仿真的思路和方法，分 析了两桩和群桩桩一土相互作用，并对复合地基的不同设计参数影响下桩与桩 间土的附加应力和桩侧摩阻力进行了系统的研究，为复合地基的定量设计提供 了依据。采用数值试验的方法，系统研究了4 种模量的代表性群桩复合地基施 加褥挚后的承载性状，分析了褥垫在复合地基中的加固机理与作用。 以上研究主要集中在建筑工程当中，而对于公路工程复合地基，由于地基 上部为填土，所以与建筑工程复合地基有较大区别。但设计仍然大量沿用刚性 基础下复合地基理论，造成实测沉降和应力值与设计值相去甚远。 龚晓南【l5 】探讨了基础刚度对复合地基的影响以及褥垫层的设计原则，认为 刚性基础下桩体复合地基垫层的效用是可以减小桩土荷载分担比，改善复合地 基浅层桩体和桩间土的受力状态，并认为柔性基础下复合地基很有必要设置垫 层，柔性基础下桩体复合地基垫层应具有一定刚度或劲度。通过现场试验和数 值试验定性的探讨了基础刚度对于复合地基性状的影响。主要结论有以下几点： 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，一般桩先达 到极限状态。柔性基础下土的承载力能充分发挥，极限承载力大于原状土极限 承载力，而桩的承载力未能得到很好的发挥： 刚性基础下复合地基中桩土应力比随着荷载增大而增大直至桩体达到极 限状态，然后随着荷载继续增大而减小。柔性基础下复合地基中桩土应力比随 着荷载增大而减小直至土体到达极限状态，然后随着荷载继续增加而增大； 复合地基的沉降随着基础刚度的增大而减小，柔性基础沉降大于刚性基 础沉降。 曾开华，俞建霖，龚晓南【1 6 】对杭宁高速公路浙江段路堤柔性基础下低强度 3 武汉理工大学硕七学位论文 混凝土桩复合地基的性状进行了分析研究。测试了复合地基的桩土应力、桩土 表面沉降、分层沉降、侧向变形等。研究结果表明：在柔性基础下这种复合地基 可以发挥桩间土的承载能力，其桩土应力比的变化趋势为先减小后增大；另外， 实测的沉降量比按刚性基础下复合地基理论计算的沉降量要大。 饶为国等【1 7 0 9 】将桩+ 土工格栅褥垫层的路堤称为桩一网复合地基，分析了桩 一网复合地基的组成和工作原理。基于薄板大挠度变形理论，结合桩网合地基 的具体情况提出路基工后沉降量的直线计算方法，把基于建筑地基的沉降控制 设计和“疏桩 观点推广到路基情形，提出路基控制工后沉降的疏桩设计思路。 李昌宁，王炳龙等【2 0 】通过现场测试检验与监测对两种不同桩长的c f g 桩加 固软土地基的承载力、加固效果、在路堤荷载下的沉降变形规律以及土工格栅 应力应变等进行了研究。对设计、施工等方面的问题进行了探讨。 张仪萍等【2 l 】针对粉喷桩复合地基性状采用了以长期监测为手段的现场试验 研究，获得了复合地基位移、孔压以及桩身应力的有益结论。 朱奎，徐日庆，毛西平等【2 2 】采用荷载试验的手段，对温州欧海大道桥头路 堤采用低强度硅桩和水泥搅拌桩刚柔组合桩复合地基进行了研究。通过对桩土 应力和沉降数据的分析，对路堤填土下刚柔组合桩复合地基的承载和变形特性 进行了研究。通过现场测试结果揭示了路堤荷载下桩土应力比远小于刚性基础。 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【2 3 1 ，总结成绩、交流经验，共同 探讨发展中的问题，促进了复合地基理论和实践水平的提高。近年来复合地基 理论和实践研究日益得到重视，复合地基已成为一种常用的地基基础形式。 随着地基处理技术和复合地基理论的发展，近些年来，复合地基技术在我 国各地得到了广泛应用。目前我国应用的复合地基类型主要有：有多种施工方法 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。复合地基技术的推广应用产生了 良好的社会效益和经济效益。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 碎石桩复合地基发展概况和研究现状 碎石桩，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，按桩材，碎石桩复合地基隶属于散体土类桩；若按刚度来，碎石桩复合 地基属柔性桩。 据h u g h e s 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) t 2 4 】的资料介绍，碎石桩最早始于1 8 3 5 年。直到 1 9 3 6 年，由德国s s t e u e r m a n 提出用振动水冲法( v i b r o f l o t a t i o n ) ( 简称振冲法) 振密 砂土地基。5 0 年代末，振冲法开始用于加固粘性土地基，并成为碎石桩。 1 9 3 7 年德国凯勒公司( k e l l e r ) 按斯图门( s s t e u e r m a n ) 设计制造出具有现代振 冲器雏形的机具，并用于柏林市郊一幢建筑物地基。处理深度7 5 m ，处理后砂 基相对密实度由原来4 0 提高到8 0 ，承载力提高1 0 倍。斯图门到美国后，1 9 4 4 年成功加密了安德斯坝基( e n d e r s ) ，并得出振冲法可以有效地提高砂基相对密实 度的结论2 5 1 。振冲法加密砂基的有效性和经济性越来越为人们所承认。 我国于7 0 年代中期引进振冲法加固技术，江苏省江阴市振冲器厂己正式投 产系列振冲器供应市场。二十多年来中国在大坝、道路、桥涵、大型厂房及工 业与民用建筑地基上广泛用振冲法加固。如在十字板强度低于2 0 k p a 的软粘土 地基，在含水量达2 0 6 的淤泥、泥炭地基采用振冲法加固都有成功的实例。并 在以下方面得到了长足的发展： 振冲法加固深水下软基 振冲法加固高层建筑软基 振冲法用于基础纠偏 振冲碎砖桩 深厚淤泥及特殊土地基的振冲加固 在振冲器机具方面，1 9 8 4 年，水电部北京勘测设计院自制成功了7 5 k w 的大 功率潜水电机振冲器，并在多项工程中使用。水电部北京勘测设计院曾用7 5 k w 振冲器在四j t i m 街子水电站打穿了8 0 m 厚漂卵石层成功地加密了下卧细砂；在 昆明松华坝水库加密了1 5 m 厚玄武岩风化碎石土坝壳；在昆明含水量5 0 - 9 0 的淤泥地基上经加固后建成了1 2 层高楼等陶。这些都说明我国的振冲加固技术 己经达到了世界先进水平。迄今为止，新型的碎石桩主要有以下几种： 锤击碎石桩 5 武汉理t 大学硕士学位论文 锤击碎石桩又称干法碎石桩和弗兰基式碎石桩，是指采用重锤内击沉管和分 层击实填料工艺制造的碎石桩。中国由中南勘察设计院和武汉地质勘察基础工 程公司率先开发研制，随之在一些单位中得到推广。 干振碎石桩 干振碎石桩技术是对振冲碎石桩的直接改进，即以无水千振的“振孔器取 代振动水冲的“振冲器 造孔和制桩，从而避免泥水污染环境及非饱和土遭水 浸软的缺点。由河北省建筑科学研究所等单位开发研制，1 9 8 5 年通过省级技术 鉴定。至1 9 9 0 年底，已用于五十余项工程，加固面积4 1 0 4 m 2 以上。 振挤碎石桩 振挤碎石桩是指以振动沉管打桩机为机具，模仿挤密砂桩工艺制造的碎石 桩，一般习称振动挤密碎石桩。此法由于可利用现成的机具和工艺( 同时作了改 进) 因而已有不少单位应用。此技术优点为制桩效率高，穿透力强，能制较长的 桩。缺点为侧挤能力及桩体挤密能力稍低。 水泥粉煤灰碎石桩 水泥粉煤灰碎石桩技术特点为通过在碎石桩体中添加以水泥为主的胶结材 料( 添加粉煤灰作用为增加混合料的和易性并有低标号水泥作用，同时还添加适 量石屑以改善级配) ，使桩体获得胶结强度并从散体材料桩转化为柔性桩。由中 国建筑科学研究院地基基础研究所等单位于19 9 0 年开始研究开发和试用。其机 具和工艺与振冲碎石桩大体相同。但亦可采用锤击碎石的机具和工艺制桩。桩 料的配合比可根据地层情况和加固要求通过试验确定，并在地面预先无水拌和。 强夯碎石桩 强夯碎石桩是采用强夯技术制造粗而短的“矮桩”形碎石桩( 或称碎石墩) ， 国外多称强夯置换法，是一种过渡型( 边缘型) 地基加固技术。国内已有少数单位 在一些工程中结合强夯使用。 中华人民共和国建筑行业规范中规定：“振冲法适用于处理不排水抗剪强度 不小于2 0 k p a 的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基”。然而b a r k s d a f e 等( 1 9 8 3 ) 、w e l s h ( 1 9 8 7 ) 和j u r a n ( 1 9 8 8 ) 等都撰文指出，振冲法可适用c u = 1 5 5 0 k p a 的地基土以及高地下水位情况网。 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。y a m a m o t o 采用有限元方法对复合地基进行了数值模拟分析，得 到的结果与模型试验比较吻合。 6 武汉理工大学硕士学位论文 韩杰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霞的承载机理；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 本文的研究内容和工作 碎石桩处理高速公路软土路基是我国公路建设目前常用方法之一，其具有不 需钢筋、水泥和木材，施工简便，造价低廉，不需预压，加固周期短等特点， 但其理论与试验研究工作尚有待深入探讨，为此，本文结合“大广北高速公路 软基监测项目 课题，进行了以下研究工作： ( 1 ) 深入调查现有的文献及工程经验，对碎石桩复合地基的发展现状、特点、 分类、施工、以及承载力与沉降理论等内容进行比较全面的总结与研究； ( 2 ) 以“大广北高速公路软基监测项目 为依托，对第七合同段k 8 3 + 6 8 4 - k 8 4 + 3 5 2 之间碎石桩复合地基进行了复合地基静荷载试验、碎石桩密实度动力 触探试验，检测碎石桩复合地基的加固效果；在路堤填土过程中，又对该路段 路基沉降、孔隙水压力等内容进行了现场试验研究，并将成果及时的反馈给施 工方，以指导施工实践。 ( 3 ) 选取该碎石桩复合路基监测段内的某一典型断面的观测资料，通过统计 分析、回归分析得到影响其位移变化的土层的有效压力值，并结合f l a c 计算， 通过优化反分析从而反演得到该段复合路基的物理力学参数。 ( 4 ) 利用f l a c 3 d 数值分析程序，对大广北高速公路第七合同段k 8 3 + 6 8 4 - - 一 k 8 4 + 3 5 2 之间碎石桩复合地基在路堤填土过程中的路基土层的沉降、应力等进 行了数值模拟分析，同时将数值模拟结果与实测结果进行对比分析。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章碎石桩复合地基的作用机理探讨 随着以碎石桩为代表的散体材料桩复合地基在软土加固中的广泛应用，推动 了碎石桩复合地基理论研究的发展，碎石桩复合地基的加固机理、复合地基强 度和沉降计算方法等理论取得了很大发展。但是有关碎石桩加固软土路基的理 论比较分散，系统介绍的资料很少。本文在查阅现有研究成果的基础上，对碎 石桩复合地基理论进行了系统的总结和研究。 2 1 碎石桩改善软弱土层特性的机理分析 本文研究的碎石桩加固地段位于k 8 3 + 6 8 4 - k 8 4 + 3 5 2 之间，软土类型为软 粘性土、砂土，基本地层结构是上部一般有4 m 左右的可塑硬塑状的亚粘土， 下部有3 0 - - 4 0 m 的含有机质粉细砂或砾砂层。 通过土工试验和原位测试获取软土大量物理力学性质指标，结果表明：该段 区内软土具有天然含水量高、孔隙比大，高压缩性、抗剪强度低的工程地质特 性，采用振动成桩法施工。下面将就振冲碎石桩改善松散砂类土和软粘性土形 态土层的有效性和可行性进行分析。 2 1 1 碎石桩改善松散砂类土形态的机理 碎石桩能直接改善了松散砂类土的性态，尤其是饱和松散砂类土的抗液化特 性【2 8 1 。对饱和松散砂类土，除增强地基的强度、减小其沉降外，砂土最常遭遇 的严重灾害是地基的地震液化，在地震区建筑工程，必须考虑饱和松砂地基的 液化危害性。众所周知，在强烈的地震动作用下松散的砂土，其本身具有很大 的震密性，土的孔隙要减小，但因短时间内充满土孔隙中的水难以即时排出， 土孔隙无法减小，土骨架呈松弛状态，土粒间的有效应力逐渐转变为超孔隙水 压力。随着振动的持续作用，土中超孔隙水压力不断地聚集、提高，当其值达 到相应的固结压力，粒间应力几乎为零，土粒悬浮即产生液化。因此，砂性土 以及少粘性土要产生液化必须具备三个条件，即疏松饱和、排水不及时和强烈 的振动。而振冲碎石桩正是直接改善前两个饱和疏松少粘性土本身的不利因素， 这主要是通过振密、排水减压以及预振效应所获得的结果。 8 武汉理工大学硕士学位论文 一、振冲振密 饱和松砂经强烈振动，土粒将重新排列密实。美国米歇尔( m i t c h e l l ) 【2 9 】统计 振冲处理后的砂基其密实度都可达到7 0 以上，一般为7 5 以上。我国曾检测 振碎石桩复台地基承载机理及优化设计研究冲效果较低的桩间土中心处砂土的 密实度一般都达到7 5 以上。由于砂土振冲密实，其孔隙大为减小，从而减少 沉降，提高砂土的强度和砂基的承载力，消除液化的可能性。根据震害调查表 明，当地震烈度分别为7 、8 和9 度时，只要砂土的密实度分别达到或超过5 5 、 7 0 和8 0 ，即不产生液化。 二、排水减压作用 饱和松砂在振动作用下，趋向密实。由于孔隙中的水来不及排出，砂土难以 密实，致使砂土骨架松弛软化，粒间应力随着不断地振动逐渐转变为超孔隙水 压力，当超孔隙水压力达上覆土压力时，即产生液化。而密实的砂土无振缩趋 势，故不产生液化。即使是饱和松砂土，因其中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。美国加州大学西特 ( h b s e e d ) 与波克尔( j r b o o k e r ) 教授圈的研究表明，当碎石桩桩径与桩距之比达 到o 2 5 时，砂基的任何部位都不会产生液化。 三、预振效应 西特等【3 0 l 试验表明经预振过的砂土，虽其振后的密实度仅为5 4 ，而其抗 地震液化的能力却相当于密实度为8 0 的未经预振的砂土抗地震液化的能力。 我国化工部、冶金部、水电部及建研院等十个单位，曾在大兴现场进行了联合 试验、测定，表明采用振冲碎石桩处理过的砂基，其振动孔隙水压力较未处理 的砂基降低2 3 左右，该复合地基己具有良好的抗8 度地震液化的能力。 2 1 2 碎石桩对改善软粘性土形态的作用 对于粘性土地基( 特别是饱和软土) ，由于土的粘粒含量多，粒间结合力强， 渗透性低，在振动力或挤压力的作用下，土中的孔隙水不易排出，故在振冲碎 石桩的施工中，软土难以振挤密实。并且由于受振冲置换、填筑碎石桩的一系 列振冲、挤压等强烈的扰动，桩周围的土体往往会出现超孔隙水压力，从而导 致原地基土的强度降低。制桩结束后，一方面原地基土的结构强度会随时间逐 9 武汉理工大学硕士学位论文 渐恢复；另方面孔隙水压力会向桩体转移扩散，结果是有效应力增大，强度提 高和恢复，甚至超过原土体强度。通过电镜摄片观察，发现土的微观结构亦大 为改善，土的某些不稳定的结构改变为稳定的结构、孔隙减少，孔洞明显地变 小或消失等等。故在制桩后休置段时间，桩周软土的强度不仅可恢复，而且 还有所增长。因此，施工结束后，除砂土地基外，应间隔一定的时日j 后方可进 行质量检测，否则会出现暂时的假象。虽然振冲碎石桩法对粘性土地基的处理， 经过一段时间后其强度也会有一定的提高，但毕竟不像砂类土那样显著，非改 善软土本身性态的主要原因。通过调整碎石桩级配，则所制成的碎石桩是粘土 地基中一个良好的排水通道大大缩短了孔隙水的水平渗透途径加速软土的 排水固结，使沉降稳定加快。 2 2 土工格栅加和砂垫层的作用机理 为了更好的提高碎石桩加固的软土路基的承载力和稳定性，土工格栅和砂鹋 层已经广泛应j ；i 于高速公路软基处理中。人广高速公路的碎石桩加固地段 k 8 3 + 6 8 4 k 8 4 + 3 5 2 之间也采用了土工格栅加砂垫层的软基处理方式。 2 2l 土工格栅与土作用的加筋机理 十工合成材料在公路软基处理中的作用主要有隔离、排水、加筋等作用。 本路段铺设土工格栅主要是利用了其加筋作用。 由于该路段土层为软粘性土、砂土，其抗 拉抗剪性能差，在土体中加筋，以筋材料为抗 拉构件，与土产生相互摩擦作用，限制其上下 土体与土体的侧向变形，等效于给土体施加了 一个侧压力增量，从而增强土体内部的强度和 整体性，提高土体的抗剪强度，根据迄今为止 的研究结果，筋土问相互作用的基本原理大致 可归纳为两大类：一是准粘聚力原理； 一、准粘聚力理论 这一原理是根据以砂土和水平布置 图2 一l 土工格栅施工图 是摩擦加筋原j 里 3 1 】。 层或多层筋材的加筋砂土三轴试验结 霪 武汉理工大学硕士学位论文 果分析而提出的。 加筋土结构可以看成是各向异性的复合材料，一般情况下拉筋的弹性模量远 远大于土的弹性模量，拉筋与土共同作用，使得加筋土的强度明显提高。砂土 试样在单轴压力下受到压密，土样侧向在侧压力作用下发生侧向应变。如在土 中布置了拉筋，由于拉筋对土体的摩擦阻力，当土体受到垂直应力作用时，在 拉筋中将产生一个轴向力，起到限制土体侧向变形的作用，相当于在土中增加 了一个侧向应力，从而使使土的强度提高了。 根据库仑理论，土的极限强度为： t f 。o t a n 9 + c 式中： f ，土的极限抗剪强度； 仃土体上受到的正应力； c 土的粘聚力； 矽土的内摩擦角。 c = 0 时为砂土；c 0 时为粘性土。 设q ，为土样破坏时的最到主应力，吒为土样侧面的最小主应力。根据土样 破坏时土样的摩尔图与土样库仑强度线相切条件可得： q ，= o 3t a n 2 ( 4 5 。+ 罢) + 2 c t a n ( 4 5 。+ 等) 在三轴对比试验中，如果未加筋砂土样在q 、氓作用下达到极限平衡，保 持啦不变，则加筋砂在相同应力状态下未破坏，而是q 增至q ，时才达到极限 状态。如图2 2 所示。 砂样在加筋前后矽值不变，加筋后土的强度提高了。比较未加筋砂和加筋砂 试验的极限平衡条件，加筋砂多了一项由c 引起的强度增加，或者说承载力增加， 即z x o ! r2 呒，- o 1 。 从三轴对比试验的结果来看( 图2 3 ) ，加筋砂与无筋砂的强度线几乎完全 平行，说明砂样在加筋后矽值不变，但加筋后，加筋砂的强度曲线不通过仃f 的 坐标原点( 即氓o 1 ) ，而与纵坐标相截，其截距c 相当于土的极限强度公式中 的c 。则可以认为，加筋砂土力学性能的改善是由于新的复合土体中具有某种“粘 聚力 的缘故。砂土本身是没有这个粘聚力的，而是砂土加筋后的结果。 在土体中加筋，约束了土体的侧向变形，增大了侧向压力，使之增大土体的 武汉理工大学硕士学位论文 抗剪强度，相当于增大一个粘聚力c ，成为准粘聚力。它反映了加筋土这个复合 体本身的材料特性。加筋的作用就是提高了土体的抗压强度q 和抗剪强度( 准 粘聚力c ) 。 吒d l 一垒堡1 ( a ) 未破坏时的应力状态； ( c ) 加筋砂极限破坏状态； q ( k p a ) qq ， l垒璺!j_ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ ( b ) 未加筋砂极限破坏状态； 图2 2 无筋砂及加筋砂强度分析 ( 无加筋砂) 图2 _ 一无加筋砂和加筋砂强度线 二、摩擦加筋原理 材料与土的摩擦是加筋土的一个重要性质，筋材与土相互摩擦作用机理较 为复杂，它与筋材的类型、变形特性、形状长度和土的性质及上覆压力等密切 相关。由于摩擦加筋原理概念明确、简单，在加筋土挡墙的足尺试验中得到了 较好的验证。因此在加筋土的实际工程中，特别是加筋土挡墙工程中得到广泛 的应用。根据加筋土复合体中筋一土之间的基本构造，我们在加筋土体中取出 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 一微段来讨论其摩擦加筋原理。如图2 - - 4 所示。 设微段的长度为扰，拉筋两端分别受力为夏、互，压住拉筋的法向应力为仃， d t = 互一瓦。则该微段上产生的总摩擦力仃 d f = 2 c r f b d l 。当d f d t 时，则筋土之间 就不会产生相互错动，即土的水平推力被卜二二一 筋一土之间摩擦力所克服，复合体保持稳定。图2 - 1 加筋土体受力分析图 从以上可以看出，筋材一是要表明粗糙，能使筋土之间产生足够的摩擦力； 二是要有足够的强度和弹性模量，以保证筋一土之间产生错动前拉筋不被拉出， 并保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。 在加筋土挡墙中，墙体由于受土体的推力产生破坏时，下滑土棱体的自重 产生的水平推力对每一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔出，而下滑土棱体 外的土体与筋带的摩擦阻力阻止拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的摩擦阻 力都能抵抗相应的土推力，则墙体不会出现下滑土棱体的滑动面，加筋土体的 内部就会稳定。拉筋的工作类似于通过筋带结构锚固在稳定土体中，从而保证 挡墙的稳定。 2 2 2 砂垫层在碎石桩复合地基中的作用 在荷载作用下，砂垫层可以通过碎石的流动补偿性来调整桩、土应力分配 和复合地基变形，使基础一挚层一复合地基共同作用。其主要作用包括： 拱效应：在受荷初期，应力开始向桩顶集中，桩顶沉降大于桩间土沉降， 说明砂垫层中卸载拱已经形成，拱脚位于桩项，荷载经卸载拱传向桩顶，而位 于卸载拱下面的桩间土所受应力则大为减小。 调整桩、土应力比：由于桩顶和桩间土的沉降不同，调动砂垫层的流动补 偿性，逐步调整桩、土应力比，不使应力过分集中在桩间土而造成复合地基上 部整体剪切破坏或应力过分集中在桩体而造成鼓胀和刺入破坏。经过一段时间 的调整，桩、土应力趋于合理分配，此时复合地基即处于平稳状态。 保护表土和改善接触条件：铺设砂垫层能避免施工机械对施工后复合地基 武汉理工大学硕士学位论文 表土的扰动：改善表层排水条件，使表土强度有所提高；同时能改善基础与复合地 基的接触条件，防止地基反力不均而造成“脱空 或基础倾斜。 改善复合地基的性状：砂垫层能有效地加速复合地基的稳定时间减小复 合地基的沉降，从而有效地改善复合地基的性状。 2 3 路堤荷载下桩土共同作用机理分析 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。 在路堤柔性荷载下的碎石桩复合地基，在不考虑垫层时，桩项部位的桩与 土上所受荷载是相等的，都等于上覆荷载。另外，由于基础的柔性，桩顶可以 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，而桩的承载力发挥度却较低。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。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。 随着以碎石桩为代表的散体材料桩复合地基在软土地基加固中的广泛应 用，对碎石桩复合地基的理论和实践研究也日益深入。碎石桩复合地基承载过 程中，应力有向桩体集中的趋势，桩土应力比n 值反映了复合地基的承载性状， 很好的分析桩和桩间土的承载能力的发