（岩土工程专业论文）粉喷桩复合地基承载特性研究及有限元分析.pdf

摘要 粉喷桩复合地基即是地基处理的方法之一，由于具有造价低、施工速度快、 无噪音、无污染等优点，正在各类工程中广泛应用，具有极其广泛的前景。但是， 由于粉喷桩复合地基的不确定因素多、问题复杂及难度大，人们对它的认识还不 够，因而造成了粉喷桩复合地基在实际应用中的工程隐患和浪费。因此，有必要 对粉喷桩复合地基的承载特性作进一步的研究，使理论研究与实际相吻合并指导 实践，从而达到安全适用、经济合理的目的 本文在总结前人的理论研究和现场具体工程试验成果的基础上，利用m a r c 大型有限元软件，对粉喷桩单桩复合地基的承载特性进行数值模拟，得出粉喷桩 单桩复合地基承载特性的影响因素及其随影响因素变化而变化的规律，并在此基 础上对粉喷桩多桩复合地基的承载特性进行研究，使所得结论对粉喷桩复合地基 的设计与施工有一定参考价值。 关键词：粉喷桩复合地基承载特性有限元 s t u d yo ft h eb e a r i n gp e r f o r m a n c e so ft h ed s m p i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o na n d a n a l y s i so ff i n i t ed e m e n t a b s t r a c t t h ed r y c e m e u tj c tm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni so n eo fm e t h o d st ot h e f o u n d a t i o ni m p r o v e m e n t ，b e c a u s eo fi t sl o w p r i c e ，c o n s t r u c t i o nh i g hs p e e d , n on o i s e a n d1 3 0p o l l u t i o n , e t c i ti s w i d e l yu s e di nv a r i e dp r o j e c t sa n dh a si t so w n c o m p r e h e n s i v ep r o s p e c t b u tt h e r ea r cm a n yi n s u r e f a c t o r s ，c o m p l e x i t ya n d d i f f i c u l t i e so ft h ed ，mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n w h a tw ek n o wa b o u ti ti sn a l t o w , w h i c hr e s u l t si ne n g i n e e r i n g si n s e c u r i t ya n dw a s t ei np r a c t i c e h e n c e ，t oa s s l l r et h e s a f e t ya n de c o n o m i c , i ti su r g e n tt of m t h e rs t u d yt h eb e a r i n gp e r f o r m a n c e so f t h ed j m p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n , i nw h i c hw ec 蛆c o m b i n et h et h e o r yw i t hp r a c t i c e i nt h i sp a p e r , w h i c hi sb a s e do nt h ef o r m e r s t h e o r i e sa n de x p e r i m e n t a t i o n s , n u m e r i c a le m u l a t i o ne x p e r i m e n t a t i o n sa r ec a r r i e do u to nt h eb e a r i n gp e r f o r m a n c e so f t h ed j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nb y 啦i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( v e m ) s o f t w a r eo fm a r c t h r o u g ht h i sm e t h o dw e 啪o b t a i nt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e b e a r i n gp e r f o r m a n c e so ft h es i n g l ed j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dt h e r e g u l a r i t i e sa c c o r d i n gt ot h ec h a n g e so ft h e s ef a c t o r s ；t h e n ，e l lt h eb a s i so ft h e m , w e s t u d yt h eb e a r i n gp e r f o r m a n c e so ft h em u f t i d j mp i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o na n d a c q u i r et h er e g u l a r i t i e so ft h e mt h a ta r ec h a n g e dw i t ht h ec h a n g e so ft h ef a c t o r s t h e c o n c l u s i o n sw eg e tw i l lb eo fs o m ev a l u ei nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：d j mp i l e ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；b e a r i n gp e r f o r m a n c e ；f i n i t ee l e m e n t 论支柱刨住声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：z 彳芝扫。占年毕月加日论文作者签名： 土1 杞2 舯占年牛月扣日 话支知识产权仅属声明 本人在导师指导卜 所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 乙7 龟b 年斗月 。日 铷签名剜谦饱，圳年印胁日 第一章绪论 1 1 复合地基概述1 1 2 1 羽嘲 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， 或设置了加筋材料，加固区由天然地基体和增强体两部分组成的人工地基。 随着我国经济的发展，基础建设不断扩大。在土木工程中，为了满足上部 结构对地基承载力及变形的要求，越来越多的工程采用复合地基来进行地基处 理。它具有以下特点： ( 1 ) - r 艺简单：复合地基的工艺可概括为成孔和成桩两大部分，有的桩 型如深层搅拌桩可一次完成成孔与成桩，施工速度快，工期短。由于桩径小且 不需要钢筋，避免了桩基础中常见的塌孔、颈缩等通病，质量容易保证复合 地基目前已有比较成熟的旄工工艺，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：复合地基施工机械均为常用建筑机械，如长螺旋转机、 振动沉管机、振冲器、粉喷机、混凝土搅拌机、混凝土泵等，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，如粉煤 灰、矿渣或其它工业废料、建筑垃圾等，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。 按地基中增强体的方向可分为纵向增强体和横向增强体，本文以纵向增强 体复合地基为研究对向。纵向增强体复合地基按增强体粘结强度，可分为以下 几种类型： 1 散体桩复合地基 散体桩是指本身无粘结强度的桩，碎石桩是这类桩的代表。碎石桩的加固 机理主要是通过成桩过程的挤密作用来提高桩间土的承载力，挤密效果与施工 工艺和土质有关。干振碎石桩加固非饱和粉土或松砂，承载力提高幅度在6 0 以上。碎石桩桩体是良好的排水通道，有助于加快士体的固结。用于加固松砂 地基时，可消除液化，提高地基的抗震性能。碎石桩桩身模量大于桩间土，因 而具有定的置换作用，但桩身体柔性较大，置换作用较弱，在通常置换水平 下，桩的荷载分担比约为1 5 - 3 0 。 碎石桩的荷载传递依赖于桩侧士的约束作用，当承受垂直荷载时，桩身发 生侧向膨胀，桩周土的强度越高，约束作用越强，桩身模量越大，传递垂直荷 载的能力越强。研究表明，通常距桩顶2 - 3 倍桩径范围为高应力区，当大于6 - l o 倍桩径后轴向力的传递收敛很快，桩长大于2 5 倍基础宽度后，即使桩端 落在好的土层，桩的端阻作用也很小。 根据碎石桩的特点，它往往用于加固挤密效果很好的土，如杂填土、松散 粉细砂、粉土等。国内外的研究表明，当粘粒含量超过一定百分比时，挤密效 果很差。因而对粘性土及流动性大、强度低的淤泥土不适用。 2 柔性桩复合地基 石灰桩是柔性桩的代表，它是在软弱地基中用机械或人工方法成孔后，填 入生石灰、固化剂及其它掺合剂分层夯实而成。其加固作用有以下几个方面： ( 1 ) 成桩过程对地基的挤密作用； ( 2 ) 生石灰吸水膨胀对地基的二次加密，同时通过与桩周土的物理化学反 应改善桩周土的物理力学性质； ( 3 ) 置换作用，由于石灰桩具有一定的粘结强度，其置换作用大于散体桩。 通常置换率下，桩的荷载分担比可达2 0 - 3 8 。 石灰桩的模量较碎石桩高，在垂直荷载的传递深度比碎石桩大，端阻力的 发挥好于碎石桩。在垂直荷载下，石灰桩也发生侧向膨胀，但不如碎石桩明显。 从变形角度看，石灰桩的桩身压缩量在总压缩量中占主要比重桩身刺入量很 小，桩体与加固区土体变形量基本相等。 石灰桩对粗颗粒地基有较好的挤密效果，对软土地基则主要是置换作用， 对桩问土性质改善作用不大。在淤泥土中难以起到理想的加固效果，应慎重对 待。 2 3 刚性桩复合地基 刚性桩的显著特点是依靠桩侧摩阻力和端阻力来承担荷载，桩的承载力由 桩土界面的强度来决定，一般可全长发挥侧阻力。桩端落在好土层时具有明显 的端阻作用，因而置换作用最强。刚性桩的桩身模量不受围压影响，在荷载作 用下，桩身压缩量很小，而以刺入变形为主，桩间土压缩量与桩的压缩量不相 等。通过形差，保证桩与土共同承担荷载。刚性桩复合地基与柔性桩和散体材 料桩复合地基相比，其适用类型更为广泛，承载力的提高幅度具有更大的可调 性。 1 2国内外研究现状m 嘲旧阴删 地基处理是古老而又年轻的领域。木桩处理在我国应用历史悠久，浙江余 姚市河姆渡出土的文物表明，我们的祖先在7 0 0 0 多年前已能采用各种木桩以加 固沼泽地基建造干栏式建筑2 0 0 0 多年前，石灰作为建筑物基础垫层材料以及o p 石灰稳定土的技术已在我国应用而现在的复合地基技术是工程技术人员在工 程实践中总结和发展起来的。它的发展基本有；一是当软弱地基上建筑结构物 时，工程技术人员很自然想到在土体中设置比土体强度高的增强体；另一种是 当采用桩基础时，工程技术人员在实践中经常发现结构物底板下的土表现出来 的定的应力水平而承担着荷载，因此也很自然想到将面积较大，承载能力较。 低的土体纳入承载要素范围共同承受上部结构荷载因此，如何同时充分发挥 竖向增强体和土体的承载力，是发展现代复合地基技术的出发点。 现代地基处理技术应从1 9 世纪3 0 年代欧洲应用砂桩算起。后来德国 s s t e u e r m a n 在1 9 3 0 年提出采用振冲法加密砂型土原理1 9 3 3 年，德国的 j k e e l l e r 制成了第一台振冲器，并于1 9 3 5 年在纽伦堡用于加固松散粉砂地基。 后来在美国，欧洲，日本等地得到应用。1 9 6 0 年左右在英国开始将振冲法应用 于粘性土地基。不久，在德国，美国和日本也用于加固软填土地基。1 9 7 6 年下 半年，南京水利科学研究所和交通部水运规划设计院共同研究振冲法加固软填 土地基技术，1 9 7 7 年制造出我国第一台1 2 k w 的振冲水冲器，1 9 7 7 年9 月首 先用于南京船厂船体车间软粘土地基加固，加固深度1 3 1 8 m 。 粉体喷搅法( d r ) rj e tm i x i n gm e t h o d ) 是深层搅拌法( d e e p - - l e v e lm i x i n g m e t h o d ) 中的一种成桩方法。深层搅拌法始于本世纪5 0 年代开花于美国，6 0 年 3 代以后，则结果于日本和瑞典。无论在固化剂、施工机械、质量监测乃至设计 理论，日本、瑞典均较美国更为系统，先进 起初，美国i n t r u s i o np r c p a k tc o ( 侵压注浆公司) 以水泥浆为固化剂，用 一种带有齿状切土器和搅拌叶片的空心钻具，钻入预定的深度以后，从钻具底 端不断喷出水泥浆液，随喷随旋同时提升，使周围土体和水泥浆液被强制搅拌 而制成直径d = - 3 0 0 4 0 0i 1 3 i n 的水泥土桩，桩长最大可达1 2 m ，该技术在美国被 称之为m i p 法( 就地搅拌法) ，为深层搅拌法的继续发展奠定了基础。 m i p 法闯世不& ( 1 9 5 3 ) ，即被日本引进用于港湾建设、挡土隔渗等工程。 以后，随着日本经济的腾飞，于6 0 7 0 年代深层搅拌技术得到了高速发展，不 仅出现了由m i p 法演进的种种工法，而且创立了不少独特工法及其大型深层搅 拌机械，广泛应用于海上和陆地的软土加固工程中，被统称为d m m 法。 目前，在日本深层搅拌桩径可达1 8 m 、最大加固深度为6 0 m ，最大加固面 积为9 5 m 2 主要用于加固和开发海底软土。 领先发展搅拌技术的另一个国家瑞典则称深层搅拌桩为石灰桩或水泥土 柱，系由k j e l d p a u s 首创( 1 9 6 7 ) 。7 0 年代初始用于中低层建筑地基及路基加固、 地下管道开挖和基坑开挖支护、基坑封底和小通径隧道开挖加固等方面。随后， 该技术被迅速推广至芬兰、挪威、荷兰等邻国，不久，新西兰、加纳等国将石 灰柱法用于加固黄土和红土。 在d m m 技术发展史中，当推b b b r o m s 教授为带头人。他自7 0 年代 以来，以北欧和东南亚广大软土地区为对象，对石灰、水泥深层搅拌技术进行 了长期和系统的研究，发表了大量的著作，积累了丰富的实践经验。在他的带 动和参与下，东南亚的新加坡、马来西亚、印尼、泰国、香港自8 0 年代初以来 对深层搅拌技术相继开展了大量的应用研究。 深层搅拌技术经各国近4 0 来年的努力发展，从总体上看，己发展成为一 种海陆兼备、地基基坑双用、水泥与石灰干湿两全的软土处理技术。其加固深 度和加固效果随设备功能的提高而加大。施工时无振动、无噪音、无废水污染、 无土体位移，对工程环境影响很小；施工简便、工期短、成本低。这些优点决定 了深层搅拌技术在软弱地基加固中有着旺盛的生命力和广阔的发展前景。 我国对深层搅拌桩的研究始于1 9 7 7 年1 0 月，原冶金部建筑研究总院和交 4 通部水运规划设计院在借鉴国外经验的基础上进行搅拌成桩机械研制和室内外 试验研究工作，于1 9 7 8 年末造出了第一台双轴搅拌机( s j b - 1 型1 。以水泥浆为 固化剂，于1 9 7 9 年在天津塘沽新港通过考核后，遂于1 9 8 0 年初首用于上海宝 钢三座卷管设备基础的软基加固中并获得成功，同年1 1 月通过部级鉴定。至 9 0 年代，s j b 一1 型进一步发展为系列产品，主要由江阴振冲器厂进行批量生产。 此外，交通部一航局科研所在1 9 7 8 - - 1 9 7 9 年闻对水泥和石灰两种固化剂进 行了室内试验，分析了不同掺入比、不同外掺剂和不同水质对加固效果的影响。 1 9 8 0 年该所与天津机械施工公司利用日本的螺旋钻机改装成g z b - - 6 0 0 单轴搅 拌机并投入工程应用，与s j b l 型双轴搅拌机并列而为两种机型。 随后，浙江省建筑设计院、福州大学、浙江大学等单位相继开展了深层搅 拌桩的现场试验和室内分析研究。1 9 8 7 年浙江大学与浙江省有色金属地质综合 勘察公司利用8 0 0 型磨盘钻机改制成功d s c 一5 0 型单轴搅拌机，并于1 9 9 0 年 通过部级鉴定，地矿系统下属一些单位则利用岩心钻机等改装为各种型号的搅 拌机，投产使用。 上述均属浆液搅拌机系列。在发展粉体喷搅桩方面，铁道部第四勘察设计； 院于1 9 8 3 年开始研究，不久制成第一台车载式样机，于1 9 8 4 年用于涵洞软基 加固获得成功并通过部级鉴定以后铁四院与上海探矿机械厂合作研制了g p p 一5 型专用粉喷机，于1 9 8 8 年通过铁道部和地矿部的联合鉴定，以水泥粉或石， 灰粉为固化剂，接地压力3 4k p a ，成桩深度为1 2 5m 。近年来，该机型有所改 进，成桩深度相应加大此外，铁道部武汉工程机械研究所也相继研制了专用 粉喷机，经改进后，可使施工深度达1 8 m 并具有三档提升速度。 深层搅拌技术在我国的应用仅有2 0 来年的历史，但应用普及域已遍布东南 沿海和内陆软土地区，除用于建( 构) 筑物地基加固外，由于它有良好的隔渗性 能，在地基开挖中可不用井点降水，避免了因地下水而造成基坑周围的地面附 加沉降。为了进一步认识搅拌桩墙的变形和稳定性，上海铁道学院、浙江大学、 同济大学等有关单位分别展开了土工离心模型试验和弹塑性有限元分析并结合 工程监测开展研究，取得了不少有价值的成果。一些新型结构，如竹筋水泥土 搅拌桩、拱形水泥土挡墙、水泥土遮帘桩也应运而生 总之，搅拌桩技术在我国的发展己有2 0 年，但真正得到广泛应用研究不过 5 1 0 年，虽然该技术己经渗透到土木工程的各个领域，然而由于种种原因搅拌桩 存在不少问题，出现了不少的工程事故，给予人们深刻的教训。在1 9 9 7 年1 0 月全国第五届地基处理学术讨论会上提出一个发人深思的问题“搅拌桩能否继 续使用0 下面几例来反映它存在的问题：上海市在1 9 9 3 年至1 9 9 6 年问大量采 用水泥搅拌桩，由于工程应用一拥而上，相应施工控制、技术管理与质量检测 未能跟上，出了一些问题，如沉降过大，超过3 0 c m ，出现不均匀沉降、倾斜、 开裂现象等。致使上海市建委发文，暂停使用粉喷桩，而对浆喷搅拌桩实行培 训发证上岗南京市某小区住宅采用水泥搅拌桩，部分出现不均匀沉降及开裂， 因此不得不改用造价高的刚性桩基础【9 1 。 搅拌桩的发展是迅速的，应用是广泛的，教训是惨重的，然而造成事故的 原因是多方面的，包括勘察、设计、施工、管理等等，笔者认为其主要的原因 有以下三方面： ( 1 ) 技术参数的取值 目前由于多数工程施工时间紧迫，要求在短时间内进行并完成众多的实验， 往往是很难实现的，致使室内水泥土试块试验种类和数量较少，施工前也无现 场试验桩的实测资料，在确定水泥土各种参数时无明确的标准，从而造成设计 参数严重偏离现场实测参数。 ( 2 ) 粉喷桩的设计方法 粉喷桩单桩竖向承载力，复合地基承载力的确定方法主要是通过规范提供 的经验公式或载荷试验确定。由于计算单桩承载力时材料强度取值不同，不同 设计者复合地基承载力计算结果差别很大；采用现场载荷试验确定复合地基承 载力，其判定标准不够明确。复合地基沉降主要发生在下卧层，其理论沉降量 的计算值与许多工程实测沉降值相差甚大。 ( 3 ) 粉喷桩的施工与检测 施工管理混乱，施工队伍偷工减料，桩体质量严重缺陷，质量检测手段不 健全，所以成桩的质量如何保证及其检测方法都有待进一步的研究。 1 3 本文研究的内容 由于粉喷桩复合地基在设计、施工、检测方面存在诸多问题，受到许多因 素的影响，人们对它的认识还不够，因而造成了粉喷桩复合地基在实际应用中 6 工程隐患和浪费。因此，有必要对粉喷桩复合地基的承载特性作用进一步的研 究，使理论研究和实际应用吻合并能指导实践，从而达到安全使用、经济合理 的目的。本文着重对以下几个方面作详细分析和研究： 1 现场试验研究能客观地反映粉喷桩复合地基的加固效果及工作机理，论 文结合国家高速公路阿深线开封一通许段粉喷桩加固段进行全面的施工检 测，在试验段埋设了相关仪器，进行现场观测，并总结出粉喷桩承载特性规律。 2 利用m a r c 大型有限元软件对粉喷桩单桩复合地基的承载特性进行数值 模拟，得出粉喷桩单桩复合地基承载特性的影响因素及其随影响因素变化的规 律，并在此基础上对粉喷桩多桩复合地基的承载特性进行研究，找出粉喷桩多 桩复合地基承载特性随着影响因素变化而变化的规律。 3 总结桩土应力比的测试结果，分析其变化规律，将实测数据与数值分析 结果进行对比分析，为该地区类似工程地基处理提供有益的参考。 7 第二章粉喷桩复合地基理论分析 2 1 粉喷桩复合地基基本理论枷闻嘲悯 1 定义 水泥粉体喷射搅拌法( 简称粉喷桩) ，是深层搅拌法中水泥粉体干喷方法的 一种。它是利用压缩空气将水泥粉体输送到地基深层软弱的地层中，通过钻头 在原位进行强制拌和，形成土和水泥的混合体，成为具有整体性、水稳定性好， 具有一定强度的桩状加固体，从而加强了地基，变成了桩和桩周士共同承担外 部荷载的复合地基。 2 特点 ( 1 ) 由于粉喷桩采用粉体作固化材料( 干燥状态) ，与水泥浆深层搅拌法 相比，它不再向地基中注入附加水份，反而能充分吸收周围土中的水份，增强 土体固结使加固后地基的初期强度提高，对含水量高的软土，加固效果尤为明 显。对粉砂土，还可防止砂土液化，减少沉降量。 ( 2 ) 固化材料全面地被喷射到靠搅拌叶片旋转过程中产生的空隙中，同时 又靠土的水份把它粘附到空隙内部，随着搅拌叶片的搅拌，使固化剂均匀地分 布在土中，不会产生不均匀的散乱现象，有利于提高地基土的加固强度。 ( 3 ) 与高压喷射注浆和水泥深层搅拌法( 湿法) 相比，输入地基中的固化 材料用量少，无浆液排出，无隆起现象。与灌注桩及预制桩等钢筋混凝土桩相 比，可节省大量钢材，缩短了工期。 ( 4 ) 该法施工可加固成群桩，也可交替搭接加固成壁状、格栅状或块状、 使用的固化材料是干燥状态的直径为0 5 m m 以下的粉状体，材料来源广泛，并 可使用两种以上的复合材料，因而对地基土加固适应性强，且不同的土质要求 都可以找出相适应的固化材料。 3 适用范围 ( 1 ) 土质与环境条件 一般来说，粉喷桩适合于加固软弱地基，如淤泥、淤泥质土和地基容许承 载力小于1 2 0 k p a 的粘土、粉质粘土及粉土等。 8 造岩矿物构成土的主要成分。除造岩矿物之外，当土中含有多水高岭石、 蒙脱石时，桩的加固效果要较含伊里石、氯化物和水氯石英的土质为佳。 当土中的有机质含量较高、p h 值较低或地下水有侵蚀性时，加固效果较差。 但可采用改性水泥并加大掺入比，必要时还可使用添加剂( 外掺剂) 。 当土中含有直径大于6 0 m m 的颗粒含量超过2 5 时，不宜使用 ( 2 ) 加固深度 理论上讲，粉喷桩的加固深度取决于设备能力，国外最大深度已达6 0 mr 我国目前仅可达1 8 m 。对粉喷桩机来说，由于空气压缩机的能力和性能有待改 善，目前它的有效加固深度只能为1 5 m 。欲扩大粉喷桩的应用领域，必先从“硬 件”研制入手，同时考虑配套技术，方能改进目前的应用局面。 2 2 粉喷桩复合地基目前的主要用途m 鲫 粉喷桩是一种介于散体类柔性桩和钢筋混凝土类刚性桩之间的桩型，因此， 它兼有这两种桩型的特点，根据地层条件和上部构造要求，可用于下列几个方 面： 1 建( 构) 筑物地基加固 与桩问土构成复合地基，支承多层民用建筑、轻型工业厂房和工业设备、 软土厚度小于1 5 1 8 米的高速公路和铁路路基及大面积地面堆载地基等； 2 作为实体墩基充当基础结构，支承上部荷载； 3 用作基坑开挖支挡结构，兼作隔水帷幕 粉喷桩相互咬合成格栅状作为重力式挡土墙处理在理论上讲是成立的，但 必须以地界不受限制和经济合理为前提。故加筋技术的萌生和发展是必然趋势； 4 加固基坑或沟槽底部土体，防止土体隆升，还可配合坑底注浆封底，防 止地下水上涌； 5 用于河岸和岸堤加固，即可稳定边坡，又可用增大渗流途径的办法降低 渗透压力，防止管涌； 6 作为遮帘桩布置于道路路肩部位或相邻建筑物之间，可减少或约束软土 地基在上部荷载下产生侧向位移和隔离相邻建筑物荷载影响，从而减少路基沉 降量和差异沉降量。 9 2 3 粉喷桩复合地基桩的平面布置形式旧咖 桩的平面布置灵活多样，桩距不受限制，一般应视地质条件和上部结构要 求采用下列形式： 1 单根柱状 多用于房建地基和路基加固，也常用于大面积堆载和站坪地基处理，它有 利于发挥桩间土的支承作用。其布置一般采用正方形或三角形布置，其置换率 ( 桩土面积比m ) 与桩间距s 存在下列关系： 正方形 s i d 。昙刁i 。0 s 6 f i t - d 矩形s m d 一0 8 6 6 1 m s m 一s t | s 2 正三角形s d - 0 9 5 2 机所 梅花形( 均匀形)s l d - 1 1 0 以m 式中s 桩的中心距，简称桩间距； d 桩径； 墨、s ：矩形布桩时两个不等的桩间距。 2 块状 一群粉喷桩在平面上彼此相切或相割成块体，即可是矩形，也可成圆形， 作为实体墩基支承上部荷载。这种形式在国内使用不多，原因是太不经济，它 完全忽略了桩间土的支承作用。国内多是将它组成“管柱”形式，或者加密桩 间距但仍然保持单根桩柱形式。 3 排状 一群粉喷桩彼此相割在平面上形成有一定厚度的一字形界面，形成一地下 连续墙，必要时在垂直它的排列上方每隔一定间距加肋，以增加墙体的抗倾覆 能力。故从立面上看又可谓之壁状。 4 拱状 一群粉喷桩彼此相割在平面上形成拱状或连拱状，拱脚部位由一组粉喷桩 支承，籍以支挡侧土压力。 1 0 5 格栅状 将两排或两排以上的粉喷桩作平行布置，排间每隔一定距离以肋相连，在 平面上构成格栅状。 2 4 粉喷桩复合地基的破坏模式m 甜 在复合地基的承载力设计中，正确判定其可能破坏形式是关键内容之一， 然后才可选用相应的设计方法。当破坏模式难以确定时，也可用给予不同破坏 模式的方法分别计算，最后取其最小值，根据现有的报道，粉喷桩复合地基可 能的破坏模式可归纳为以下四种： 桩体刺入破坏：发生于桩土界面处，当桩的刚度较大，地基土强度较低的 情况容易发生这种破坏； 膨胀破坏：当桩的刚度很小时可能发生桩体膨胀破坏； 整体剪切破坏：在荷载作用下，复合地基产生塑性流动区域，在滑动面上 桩体和桩问土均发生剪切破坏。 滑动破坏：在荷载作用下，复合地基沿某一滑动面产生破坏，在滑动面上 桩体和桩间土均发生剪切破坏 、 柚卿 ( a ) 桩体剌入破坏( b ) 膨胀破坏 ( c ) 整体剪切破坏( d ) 滑动破坏 但是这些可能的破坏模式是相对的。对水泥土桩来说，当桩身强度不同时， 会有不同的破坏模式。当水泥土搅拌桩的水泥掺入量较小( 口。= 5 ) 时，水泥土 桩的轴向应变很大( 4 9 ) 。应力刚达到峰值即产生塑性破坏，此后在较大应 变范围内缓慢下降，这就表现了桩体膨胀破坏的特性；但当a 。= 1 5 时，水泥土 桩在较小应变情况下使应力达到峰值，随即发生脆性破坏，这又类似于桩体整 体剪切破坏的特性。以上两种均使桩体浅层发生破坏，然而当桩体为高水泥含 1 1 量( 4 ，= 2 5 ) 时，水泥土桩的变形及膨胀量均很小，为此，这种高强度的水泥 土桩体在下卧软土层就会发生刺入破坏；另外，当土层条件不同时，对相同的水 泥掺入量的桩体也将发生不同的破坏模式，这更使得确定复合地基承载力复杂 化。 2 5 粉喷桩复合地基的荷载传递机理“1 嘲 1 桩土共同承担荷载 考虑到粉喷桩是介于刚性和柔性桩之间的半刚性桩，因而在粉喷桩顶铺设 半刚性层，如1 5 e r a 厚的碎石垫层和2 0 e n a 厚的水泥石屑半刚性层，半刚性层上 为混凝土结构层，这样在复合地基受荷载作用后，保证桩土变形始终协调一致。 2 荷载与桩土应力之问的关系 当施加较小荷载时，荷载将通过垫层均匀地传递到桩和桩间土上，此时变 形也很小，桩和桩间土应力成线形增长关系，符合虎克定律。随外荷载的增加， 桩土应力发生变化，在加荷过程中，为满足桩和桩问土位移协调一致的变形条 件，荷载必须按地基材料刚度大小不断进行分配，表现基底下应力逐渐向桩上 集中，荷载增大，复合地基变形随着增大，桩上应力集中加剧，当桩土应力达 到最大值( 相当于地基比例极限荷载) 时，桩承担的荷载达到其临界荷载，桩 体首先进入局部塑性状态，不能再分担更多的外加荷载，应力这时会向桩间土 转移，j b 】n 荷载的增量部分基本上由桩间土来承担，直至桩和桩间土共同进入 塑性状态。 3 桩侧摩阻力 符合地基的荷载传递是由上向下、由桩体向桩问土扩展的过程。试验表明， 经粉喷桩加固后的地基土的含水率、孔隙比、压缩系数均有所减小，而容重、 压缩模量均有所增加。这样，在整个加荷过程中，桩间土逐渐被挤密，桩侧水 平力增加，桩侧摩阻力也随着增大，侧摩阻力的大小可以根据加固前后土的物 理力学指标变化大小来估计。复合地基中粉喷桩的受力主要表现为摩擦型桩， 大部分荷载由桩侧摩阻力承担，只有当荷载达到地基土的比例极限时，桩侧摩 阻力的作用基本发挥完毕，此后所增加的外加荷载主要由桩间土及桩端阻力共 同承担。 1 2 2 6 粉喷桩复合地基承载力计算m 帕 1 粉喷桩单桩竖向承载力设计计算 单桩竖向承载力标准值群取决于水泥土桩体本身的桩身强度和所加固的 桩间土的性能两个先决条件。可能的话，最好能使土对桩的支承力与桩身强度 所确定的承载力相近，并使后者略大于前者较为经济。单桩竖向承载力标准值 应通过现场单桩载荷确定，在无荷载试验数据时，也可按式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 进行计算，取其中较小值。 一吮j a p ( 2 - 1 ) 或 玩l + a a p q p ( 2 - 2 ) 式中单桩承载力标准值( k n ) ； 如与搅拌桩桩身加固土配比相同的室内加固水泥土( 边长为 多 7 0 7 m m 的立方体，也可用边长为5 0 m m 的立方体) 9 0 ( i 龄期无侧限抗压强度平 均值( 婶a ) ； 。 ，强度折减系数，可取0 3 5 0 5 ； 。 u 。桩周长( m ) ； a ，桩的横截面积( m 2 ) ； l 桩长( m ) ； q p 桩端天然地基土的承载力标准值( k p a ) ，可按有关规范确定； 玩桩间土的平均摩擦力，对淤泥可取5 8 l 【p a ，对淤泥质土可取8 1 2 k p a ，对粘性土可取1 2 1 5 k p a ，也可按表2 - 1 来取值； 4 桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0 4 0 6 。 表2 - 1 搅拌桩桩问土的平均摩阻力 土名土的状态玩( k p a ) 淤泥，泥炭土流塑 5 8 淤泥质土 流塑软塑8 1 2 粘性土软塑 1 2 1 5 粘性土可塑 1 5 1 8 式( 2 - 1 ) 中加固土强度折减系数，7 是一个与工程经验以及拟建工程的性质 密切相关的参数。工程经验包括对施工单位素质、施工质量、室内强度试验与 实际加固强度比值，以及对实际工程加固效果等情况的掌握。拟建工程性质包 括拟建工程的工程地质条件、上部结构对地基的要求以及工程的重要性等。目 前在设计中一般取巧= 0 3 5 0 5 如果旌工队伍素质较高，施工质量较高，现 场实际施工的搅拌桩加固强度与室内试验结果接近，以往实际工程处理效果较 好，且拟处理场地为工程地质简单，工程对地基沉降要求不太高时，可取高值， 反之取低值。 式( 2 - 2 ) 中桩端土承载力折减系数a 取值与施工时施工质量及桩端土质等 条件有关，特别是当桩端为较硬土层、桩较短时，取高值。如果桩端施工质量 不能保证，搅拌桩没能真正支承在硬土层上，桩端地基承载力不能充分发挥， 或桩较长时，取低值。如果由于施工搅拌破坏了桩端土的天然结构，且桩端施 工质量又没能保证时，这时可取口= o 。一般情况下，当桩端质量能保证时，设 计中一般采用4 = o 5 桩端天然地基土的承载力标准值g ，可采用地质勘察报告中提供的地基承 载力值。 从式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 的分析可知，当桩身强度大于( 2 1 ) 式中所提出 的强度值时，相同桩长的承载力接近，而不同桩长的承载力明显不同此时桩 的承载力主要是由地基土的支承力来控制，即由式( 2 - 2 ) 来计算确定，增加桩 长可提高单桩承载力。当桩身强度低于式( 2 1 ) 所给值时，承载力受桩身强度 的控制。一般来说，搅拌桩的桩身强度是有一定限度的，也就是说，搅拌桩从 承载力角度存在一个有效桩长，即单桩承载力在一定程度上不随桩长的增加而 增大。 为了使单桩承载力的设计更加合理，设计时应使桩体强度与承载力相协调， 或使前者略大于后者更为经济。即 t l f 。 a p2 可i u + “p qp 单桩承载力应通过现场载荷试验加以验证，或先行施工试桩，据以确定单 桩承载力。 1 4 当桩体强度小于5 0 0 k p a 时，单桩承载力应通过现场载荷试验确定。 综上所述，搅拌桩的设计主要是确定桩长和水泥掺入比口。 ( 1 ) 当土质条件，施工因素等限制搅拌桩的加固深度时，可先确定桩长l 根据桩长按( 2 2 ) 式计算单桩承载力标准值，再据此按公式( 2 1 ) 求水泥 土桩的无侧限抗压强度，叫j ，然后再参照室内配合比试验资料，选择所需的水 泥掺入比a ，。 对于深厚的软土地基仅进行局部深度加固时，可认为g ，= 0 来进行上述计 算步骤，最后确定所需的水泥掺入比口， ( 2 ) 当搅拌桩的深度不受限制时，可首先根据室内配合比试验确定水泥掺 入比4 。，然后再确定桩身强度允j ，据此根据( 2 - 1 ) 计算单桩承载力标准值， 最后根据( 2 - 2 ) 确定搅拌桩长 ( 3 ) 直接根据上部结构对地基承载力的要求，选定单桩承载力，然后 按式( 2 1 ) 确定允j ，据此参照室内配合比试验资料求得相应与厶 的水泥掺 入比口。，又根据群按式( 2 - 2 ) 确定出桩长l 。 2 粉喷桩复合地基承载力的设计计算 ” 水泥土搅拌桩复合地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定， 也可按下式计算 和胁筹删叫耽 ( 2 3 ) 式中l 复合地基承载力标准值( k p a ) m j 面积置换率 。桩间天然地基土承载力标准值( k p a ) 彳。桩横截面积( 胁2 ) 芦桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取o 5 1 0 ，当桩 端土为硬土时，可取o 1 o 4 ，当不考虑桩间软土的作用时，可取0 ； r 单桩承载力标准值( k n ) ，由式( 2 - 1 ) 或( 2 - 2 ) 计算得到。 桩间土承载力折减系数声是反映桩土共同工作的个参数。如，- - - - - 1 时， 表示桩与桩问土共同承担外荷载，由此得出与柔性桩复合地基相同的计算公式， 如卢- - - - 0 时，表示桩问土不承受荷载，由此得出与一般刚性桩基相似的承载力 计算公式。由此可再一次表明水泥土搅拌桩介于柔性桩和刚性桩之间的一种地 基加固形式。 卢值为桩间土承载力折减系数，其实桩身强度对声系数也有影响。例如桩端 是硬士，但桩身强度很低，桩身压缩势必很大，这时桩间土就承受较大荷载，芦 可能等于0 4 。实际处理设计时，系数还应根据建筑物对沉降的要求而定。当 建筑物对沉降要求较高时，即使桩端上是软土，也应取小值，这样较为安全 反之，当建筑物对沉降要求较低时，允许有较大沉降时，即使桩端土为硬土，口 也可取大值，这样较为经济。总之，桩间土承载力折减系数声的确定，是各种 复合地基设计时所遇到的一个复杂问题，上述为 建筑地基处理技术规范 ( j g j 7 妒_ 9 1 ) 中提出的经验数据。在实际工程中应通过原型或大型载荷板试验 来测定，是较切合实际的。在重要的或规模较大或地质条件复杂的工程中应进 行上述试验。 对于大面积的桩侧新填土，重新固结将在桩侧产生负摩阻力，对刚性桩来 说，不可忽视这一负摩阻力对单桩承载力的折减。而水泥土桩和桩间土能够同 时下沉，所以回填土的固结不致在搅拌桩侧壁产生较大的负摩阻力，设计时一 般不考虑负摩阻力，也不考虑桩周围回填土层所提供的侧壁摩阻力。 根据设计要求的单桩承载力和复合地基承载力标准值厶 ，可计算搅拌 桩的置换率m 和总桩数n 从式( 2 - 3 ) 整理得 揣 c 2 4 ， 月l - 7 = 一 z 4 j 喊| a j 一掰i ?。 厅。型( 2 - 5 ) a p 1 6 式中a 需加固得地基面积( 册2 ) 根据求得总桩数n ，就可进行桩得平面布置。桩的平面布置可为正方形、 三角形、柱状、壁状、格栅状以及块状，布置时要充分考虑到发挥桩的侧摩阻 力并便于矗氲工。 2 7 粉喷桩复合地基的沉降计算m 叫嗍嗍 粉喷桩复合地基变形s 的计算，包括复合土层的压缩量墨和桩端下未加 固土层的压缩变形s ：之和。 s - 墨+ s 2 ( 2 j 6 ) 1 复合土层的压缩fs l ，一般可取1 0 3 0 m m 经验值，也可按下面介绍 的几种方法进行计算。 复合模量法( 臣法) 将复合地基加固区增强体连同地基土看作一个整体，采用复合压缩模量点二 来评价复合土体的压缩性。采用分层总和法计算s ，表达式如下 s im 砉争一 c 2 - 7 ) 式中a 只第i 层土层的附加应力增量( k p a ) ； 凰加固区复合土层第i 层的厚度( m ) ； 0 值可通过面积加权法计算或弹性理论表达式计算( 龚晓南，1 9 9 2 ) ，也 可通过室内试验测定 面积加权法表达式为 层。- m e p + ( 1 一- 0 e , ( 2 - 8 ) 式中：m 面积置换率； e p 桩体压缩模量； e 土体压缩模量。 1 7 ( 1 ) 应力修正法( e 法) 在水泥土搅拌桩加固的地基中，水泥土搅拌桩的存在使作用在桩间土上的 荷载密度比作用在复合地基上的平均荷载密度要小，亦即作用在桩体上的荷载 密度要比作用在复合地基上的平均荷载密度要大，这就是水泥土搅拌桩的应力 集中现象。采用应力修正法计算压缩量墨时，根据桩土模量求出桩土各自分担 的荷载，忽略增强体( 即粉喷桩) 的存在，用弹性理论求土中应力，用分层总 和法求出加固区土体的变形作为加固土体的变形s ，具体计算如下： 粉喷桩复合地基中桩间土分担的荷载为 只- l + m 三( n - 一1 ) 。，p ( 2 - 9 ) 式中p 复合地基上平均荷载密度( k p a ) ； 应力减小系数或称应力修正系数； 甩复合地基中的桩土应力比，无实测资料时，可取3 5 ； 小面积置换率 复合地基加固区复合土层压缩量采用分层总和法计算，其表达式如下 s lu 笥薹a b p 。a h j 吨； 争叱乱( 2 - 1 0 ) 式中印，未加固地基( 即天然地基) 土在荷载p 作用下第i 层士上的附加 应力增量( k p a ) ： 卸。复合地基中第i 层桩问土中的附加应力增量( k p a ) 9 乱未加固地基( 即天然地基) 在荷载p 作用下相应水泥土桩长厚度 内的压缩量( 锄) ： 口，应力修正系数； ( 3 ) 桩身压缩量法( e ，法) 在荷载作用下，假定桩体不会产生桩底端刺入下卧层的沉降变形，则通过 计算桩身的压缩量来计算加固区土层的压缩量。 在桩身压缩量中，根据作用在桩体上的荷载和桩体的变形模量计算桩身压 缩量，并将桩身压缩量作为加固区复合土层的压缩量。 粉喷桩复合地基桩体分担荷载为 。丽n p i h p p ( 2 - 1 1 ) 式中p 复合地基上的平均载荷密度( k p a ) ； “，- 应力集中系数， “，五；n 丽； 厅复合地基中的桩土应力比，无实测资料时，可取3 5 ； m j 面积置换率； 若桩侧摩阻力为平均分布，桩底端承力密度为凡，则桩身压缩量为 跏& 。警三 ( 2 1 2 ) 。 式中l 桩长( m ) ； e ，桩身材料变形模量( m p a ) 。 若桩侧摩阻力不是平均分布，则须首先根据桩顶荷载和桩侧摩阻力计算桩 身应力沿深度z 变化情况，再进行积分可得到桩身压缩量。计算中也可考虑桩 身变形模量沿桩长方向变化，压缩量墨的表达式如下 驯，- 上菇 协 式中 只( z ) 桩身应力沿深度z 变化的表达式； e p g ，p ) 桩身变形模量，是桩身应力p 和深度z 的函数。 2 粉喷桩复合地基下未加固的下卧层的压缩i s ，的计算方法 跏薹静，一善n 哗，一骞争c ， 式中 根据