（岩土工程专业论文）粉喷桩复合地基承载性能分析及优化方法研究.pdf

摘要 随着基础建设规模的不断扩大和地基处理技术的迅猛发展，粉喷桩复合地基已在理 论和实践中均取得了相当的进步，但其理论研究还远远不能满足实践的需要，有一些问 题亟待解决。 本文通过现场静载荷试验、桩土应力比测试试验以及水泥土室内强度试验对粉喷桩 复合地基的承载性能进行了系统的研究，表明地基处理后其力学性质和变形特性得到明 显改善，验证了设计计算的合理性和施工加固效果的可靠性，以期对粉喷桩复合地基的 承载性能有一个比较客观可靠的说明，并提出粉喷桩单桩承载力具有明显的时间效应。 采用平面应变有限单元方法对粉喷桩复合地基的承载性能进行分析，反映出桩周土 分担荷载作用以及桩土应力比随影响因素的变化规律，并与现场试验结果进行比较，基 本符合实测结果，说明该方法具有一定的实用性。 优化方法是使目标函数在控制条件下达到最小值的方法，借鉴a n s y s 一阶优化方 法，基于目标函数对设计变量的敏感程度，对粉喷桩复合地基进行优化设计研究。在满 足强度和变形要求的前提下，以水泥用量为目标函数，分析设计变量对复合地基承载力 及沉降的影响程度，计算得出设计变量桩长、置换率和水泥掺入比三者之间的最优化组 合，同时为黄河三角洲地区类似工程地基处理提供有益的参考。 关键词：粉喷桩复合地基，现场试验，时间效应，优化方法 b e a r i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nm e t h o d r e s e a r c ho nd j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n j i a n gl i q u n ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nq i n g z h i a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si n f r a s t r u c t u r ee x p a n s i o na n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fg r o u n d i m p r o v e m e n tt e c h n o l o g y , t h ed r yj e tm i x i n g ( d j m ) p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a sm a d e c o n s i d e r a b l ep r o g r e s si nt h e o r ya n dp r a c t i c e n e v e r t h e l e s s ，t h e o r e t i c a ls t u d yi sa l s of a rf r o m e n o u g ht om e e tt h en e e d so fp r a c t i c e t h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d b e a r i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni ss t u d i e db yw a yo ff i e l d s t a t i cl o a dt e s t s ，p i l e - s o i ls t r e s sr a t i ot e s t sa n dt h ei n t e r i o rs t r e n g t ht e s to fc e m e n t s o i l t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd j mp i l eh a sb e e ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e da f t e rr e i n f o r c e m e n t i tc a nb es e e nt h a tt h er e a s o n a b l e n e s so fc a l c u l a t i o na n dt h e r e l i a b i l i t yo fc o n s t r u c t i o na r ev e r i f i e dt oo b t a i nam o r eo b j e c t i v ea n dr e l i a b l ed e s c r i p t i o no f b e a r i n gp e r f o r m a n c e m e a n t i m e ，t i m e - e f f e c to f t h ed j mp i l e sb e a t i n gc a p a c i t yi sp r o p o s e d a n a l y z i n gb e a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nb yt h ep l a n e s t r a i nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h el o a d - s h a r i n go fs o i la n dr e g u l a r i t i e so fp i l e s o i ls t r e s sr a t i o w i t l lt h ec h a n g e so ft h ef a c t o r sa r er e f l e c t e d c o m p a r i n gt of i e l dt e s tr e s u l t s ，t h ep r a c t i c a l i t y o ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a st ob ev e r i f i e d o p t i m i z a t i o nm e t h o di s aw a yt om a k et h eo b j e c t i v ef u n c t i o na c h i e v et h em i n i m u m v a l u ei nac o n t r o l l e de n v i r o n m e n t b a s e do nt h es e n s i t i v i t yo fd e s i g nv a r i a b l e sf o ro b j e c t i v e f u n c t i o n ，o p t i m i z a t i o no ft h ed j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i ss t u d i e db yt h ew a yo f f i r s t o r d e rm e t h o do fa n s y ss o f t w a r e a tt h ep r e m i s eo fs a t i s f y i n gt h ed e m a n d so fs t r e n g t h a n dd e f o r m a t i o n ，a n dc e m e mc o n s u m p t i o na st ob et h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，i n f l u e n c e so fd e s i g n v a r i a b l e so nb e a t i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o na r ea n a l y z e d o p t i m i z a t i o nc o m b i n a t i o no f p i l el e n g t h ，r e p l a c e m e n tr a t i oa n dc e m e n tr a t i oc a l lb ec a l c u l a t e d ，w h i c hc a nb es u i t a b l ef o r g r o u n di m p r o v e m e n ti ny e l l o wr i v e r d e l t ar e g i o n k e yw o r d s ：d j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，f i e l dt e s t s ，t i m e e f f e c t ，o p t i m i z a t i o nm e t h o d 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：沙7 年厂月嘲 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位 指导 日期：沙哆年厂月才日 矽对够 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 复合地基研究现状 第一章绪论 1 1 1 国内外发展现状 复合地基( c o m p o s i t es u b g r a d e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 的概念是日本学者在2 0 世纪 6 0 年代初提出的。当时是指一种计算砂井地基的数学模型，随后广泛地运用于土桩、碎 石桩、深层搅拌桩、石灰桩等加固地基的理论分析之中。随着地基处理技术的发展，复 合地基的概念得到了很大的扩展。现在，复合地基一般指天然地基的一部分，或全部被 人工置换或者加强，加强体与原有地基共同承担外部荷载的人工地基【1 1 。文酬2 胴对复 合地基进行了较全面和准确的定义，即复合地基是指在地基处理过程中，部分土体得到 增强或被置换，或在地基中设置加筋材料，加固区是由基体和增强体两个部分组成；在 荷载作用下，基体与增强体共同承担荷载的作用。凶此，复合地基既不同于天然地基， 也不同于桩基。绝大多数地基处理方法形成的人工地基属复合地基。 在地基基础理论分析中引入复合地基的概念是一个巨大的进步，复合地基理论研究 的进步也大大促进了地基处理技术的发展。随着基础建设规模的不断扩大和地基处理技 术的迅猛发展，尽管目前复合地基已在理论和实践中均取得了相当的进步，但复合地基 的理论研究还远远不能满足实践的需要，仍然有大量的问题亟待解决。由于地基处理技 术应用的时间不长，相比较而言复合地基的理论落后于实践，因此，复合地基作用机理 及设计理论的研究正处于发展之中。 现代地基处理技术起源于欧洲。1 8 3 5 年，法国工程师设计了最早的砂桩。1 9 3 4 年， 苏联阿别列夫教授首创了土桩挤密法；1 9 3 6 年，德国工程师s s t e u e r m a n 提出采用振冲 法加密砂性土原理；1 9 3 7 年，德国j k e e u e r 公司制成了第一台具有现代振冲器形式的 雏形振冲器，并于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加固粘性土地基，随后德国、美国和日本 在加固软粘土地基中被采用【l 】【2 1 。 2 0 世纪6 0 年代，法国m e n a r d 技术公司首创了强夯法处理地基( 也称动力固结法， d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ) 。2 0 世纪7 0 年代，日本最早将高压喷射技术用于地基加 固和防水帷幕，即c c p 工法，也就是我们现在说的高压喷射技术( j e tg r o u t i n g ) ，也称 旋喷法。第二次世界大战后的美国发明了深层搅拌法地基处理技术，当时称m i p 。2 0 第一章绪论 世纪7 0 年代，m i p 在日本得到了进一步的完善和推广【2 】【4 1 。 我国现代地基处理技术应从5 0 年代中期引入苏联阿别列夫教授于19 3 4 年首创的土 桩挤密法开始，在西北黄土地区进行了土桩挤密法研究和应用。6 0 年代中期，西安地区 在土桩挤密法的基础上成功地应用了灰土挤密桩法，并在7 0 年代起逐步推广应用。1 9 7 6 年，南京水利科学研究所和交通部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 年试制出我国第一台1 3 k w 的振动水冲器，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。 根据地基中增强体的方向可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。另 外，由于上部基础形式的不同，对复合地基作用的荷载类型不同，复合地基还可分成刚 性荷载下复合地基和柔性荷载下复合地基。竖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 】【2 】，分类如图1 1 所示： 复合地基 竖向增强体复合地基 散体桩复合地鬟裁 柔性桩复合地基鬣裁 刚体桩复合地基 梨藿萋碧 水平增强体复合地基 竺藿萋爰 图1 - 1 复合地基的分类 f i g1 - 1 c l a s s i f i c a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n 1 散体桩复合地基 散体桩是指桩体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。碎石桩桩体是良好的排水通道，有助于加快土体的固结。碎石桩桩身模量大于桩间 土，因而具有一定的置换作用，但桩体柔性较大，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 。 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。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。从变形角度看，石灰桩的桩身压缩量在总压缩 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 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，对桩间土性质改善作用不大。 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。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 1 2 复合地基的作用机理 加固地基承载力的提高和沉降量的减小归因于桩体与桩间土构成复合地基，并共同 承载上部荷载，这就是复合地基效应。复合地基因桩间土的性状不同、桩体材料不同和 成桩工艺不同可分为多种类型。不同类型的复合地基有不同的复合地基效应，但可归纳 为以下几个方面【1 1 】： 1 置换作用 复合地基中桩体的强度和模量比桩间土大，在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面 应力大。桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减小了桩间土承担的荷载。这样 由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小。这一作用称为置换作用或桩体效应。 2 挤密作用 对于松散填土、松散粉细砂、粉土。采用非排土和振动成桩工艺可使桩间土孔隙比 减小，密实度增加，提高桩间土的强度和模量。如振动沉管挤密碎石桩、振冲碎石桩、 振动沉管c f g 桩( 水泥粉煤灰碎石桩) ，对上述类型的土具有挤密效果。 3 加速排水作用 复合地基中的桩体很多具有良好的透水性。如碎石桩、砂桩等。水泥粉喷桩本身的 透水性差，不具备排水作用，但水泥粉可以吸收一定数量的土中水，使土的含水量有所 降低，从而提高桩间土的强度。 4 承台作用 复合地基中，承台有四大作用：加强作用、削弱作用、遮拦作用和分担作用。 3 第一章绪论 1 2 粉喷桩研究现状 1 2 1 国内外发展现状 粉体喷射搅拌桩( 简称粉喷桩，d j m ) 法是深层搅拌法( d e e p 1 e v e lm i x i n gm e t h o d ) 中的一种成桩方法，是通过特定的深层搅拌机械，在地基中用压缩空气将特定的固化剂 ( 水泥，石灰粉等) 喷入地基深部，凭借搅拌机械的回转钻头叶片与原位土搅拌混合， 压密，经过一系列的物理化学反应，形成具有一定强度的地基，变成了桩和桩周土共同 承担外部荷载的复合地基，从而达到加固地基，减少变形的目的【引。 这项工程技术是美国在第二次世界大战后开发研制的。1 9 5 3 年日本从美国引进这项 技术，2 0 世纪六七十年代用于大型软土地基加固、港湾建设、挡土隔渗等工程。2 0 世 纪7 0 年代前苏联也相继研制成功一种水泥土桩，用于港湾建设。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桩，系由k j e l d p a u s 首仓l j ( 19 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、加纳等国将石灰桩法用于加固黄土和红土。 1 9 8 3 年初，铁道部第四勘测设计院开始进行粉体搅拌桩加固软土的试验研究，并与 铁道部武汉工程机械所合作，研制出我国第一台液压式履带深层搅拌试桩机。1 9 8 4 年7 月在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上应用石灰搅拌桩加固软土地基获得成功，后来又相 继在武汉和连云港用于地下水沟槽挡土墙和铁路涵洞等软基加固，都获得良好的效果。 此后，粉喷桩技术在国内外的铁路、公路、市政工程、港口码头、工业与民用建筑等行 业中的软土地基加固工程中得到了广泛的推广应用，取得了良好的社会效益和经济效 益。它与混凝土桩相比，节省大量钢材，降低了造价，缩短了工期【2 】【7 】。 随后，该项技术在世界范围内得到了推广应用，结合各国的工程实际和资源条件及 其他，该技术具有以下不同特点【5 】【8 】： ( 1 ) 需要处理的土类不同，包括土质，含水量等； ( 2 ) 固化剂采用的不同，主要固化剂有水泥，石灰等； ( 3 ) 固化剂的搅拌方式，即搅拌机械的不同。 目前国内对粉喷桩的研究大多着重于以下几个方面1 5 】： ( 1 ) 受力分析：主要包括桩长度确定，单桩、复合地基承载力以及有限元法分析。 ( 2 ) 施工质量控制：主要包括施工工艺、水泥级配、桩质量检验、桩身沉降处理 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 等。 ( 3 ) 其他应用：如重力式挡土墙地基中的应用，加固淤泥质湿软地基等。 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 m ；我国目前 仅可达1 8 m 。对于粉喷桩机来说，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1 9 1 1 0 1 。另一方面，在施工过程中常出现意想不到 的问题。例如，当存在临空面时，粉喷桩施工会引起边坡失稳；在已有构筑物附近施工， 会引起地面开裂，构筑物受损等现象；施工完后的粉喷桩会突然下沉等。 1 2 2 适用的工程对象 粉喷桩是一种介于散体类的柔性桩与钢筋混凝土类的刚性桩之间的桩型，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【8 】： 1 组成水泥土桩复合地基，提高地基承载力，增大变形模量，减少沉降。水泥与 软土经过充分搅拌后形成的水泥土，其抗压强度比天然软土提高了几十倍至数百倍，变 形模量也增大数十到数百倍。因此由水泥土桩和周围天然土层组成的复合地基能较大程 度地提高承载力，减少沉降量。 所以可以应用于：建( 构) 筑物的地基加固，如6 - - 1 2 层多层住宅办公楼，单层或 多层厂房，水池储蓄基础等；高速公路、铁道、机场道和高填方堤基；大面积堆场地基。 2 作为实体墩基充当基础结构，支承上部荷载；加固基坑或沟槽底部土体，防止 土体隆升，尚可配合坑底注浆封底，防止地下水上涌。 3 形成水泥土支挡结构物，如软土层的基坑开挖，管道开挖或河道开挖的边坡支 护和防止底部管涌、隆起。当采用多排水泥土桩形成挡墙时，常采用栅格状的布桩形式。 4 形成防渗止水帷幕，由于水泥土结构致密，其渗透系数可小于lx1 0 母lx 1 0 一c m s ，因此可用于软土地基基坑开挖和其他工程的防渗帷幕。 5 其他工程应用包括：进行大面积加固后可防止码头岸壁的滑动，减少软土中地 下构筑物的沉降和振动下沉，防止地基液化；对桩侧或板桩背后软土的加固以增加侧向 承载力；对于较深的基坑开挖可以和钢筋混凝土桩构成复合壁体共同承受水、土压力； 用于地下盾构施工地段的软土加固，以保证盾构的稳定掘进等。 1 2 3 粉喷桩发展趋势 随着人们对粉喷桩认识的加深，粉喷桩有了一些新的发展，针对粉喷桩的一些缺陷， 5 第一章绪论 发展了一些新的成桩方法和桩型；如考虑到机械搅拌，存在水泥粉与土的搅拌不均匀， 局部水泥富集局部水泥缺失的现象，发展了夯实水泥土桩；针对水泥土桩复合地基沉降 较大，桩体易破坏的特点，发展了加筋水泥土组合桩；针对粉喷桩的荷载传递特征，从 优化设计角度出发，产生了按不同受力段采用不同掺入比的粉喷桩等等2 】【3 l 【6 1 ；下面就 分别予以简要介绍： 1 夯实水泥土桩 采用常规粉喷桩型时，存在着水泥土桩身质量不均匀的问题，表现在两个方面：一 是水泥与土的搅拌不均匀，导致某一部位水泥富集，某些部位水泥掺入量少甚至缺失的 情况；二是由于地层的不均匀性，在条件类似的情况下，沿桩身的部分段地层可能含水 量、有机质的含量较高，导致桩身的该段强度更低，从而控制了桩的强度。夯实水泥土 桩采用人工洛阳铲或机械成孔，将水泥与现场地基土( 成孔时掏出的地基土) ，按一定 的配比人工拌和均匀，机械夯实形成具有水稳性和足够强度的水泥土，制成桩体，并与 原地基土共同作用，从而达到提高地基承载力，改善地基土变形特性的目的。 2 水泥土组合桩 在处理软土地基时，水泥搅拌桩和混凝土桩表现出两种不同的破坏模式：桩身强度 破坏和桩周土的破坏。水泥土搅拌桩由于桩身强度低使荷载不能有效地传递到桩身的底 部；而混凝土灌注桩具有较高的材料强度，但其极限摩阻力小于水泥土的极限摩阻力， 桩体材料的强度还远远未发挥出来。以上两种软土地基的处理方法中，均存在桩身强度 和桩侧摩阻力不匹配的现象，造成桩的承载力低( 水泥土搅拌桩) 或桩身强度的浪费( 混 凝土灌注桩) 。而水泥土组合桩综合了水泥土搅拌桩和混凝土灌注桩的优点，实现了桩 身强度和桩周( 端) 土承载力的良好匹配，使荷载能得到有效地传递。 3 变掺入比的水泥土桩 水泥土桩作为介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型，其应力传递与扩散有着与水泥 土搅拌桩和粉喷桩两种桩型不同的特点，在外荷载作用下桩体内应力随着深度的增加而 衰减，由此可见，从降低工程造价、优化设计的角度出发，桩体强度可随着桩身位置变 化而不一，上部桩体强度要高一些，而下部桩体强度可相对低一些，而桩体强度取决于 水泥掺入比，由此可见采用沿桩身采用不同水泥掺入比理论上有优势，实践上也得到了 应用，取得了较好的经济效益。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 4 粉喷桩存在的问题 粉喷桩法存在的主要问题有1 7 1 ： 1 粉喷桩加固费用中水泥材料占很大比例，人工费和机械费仅占2 0 左右，由于 施工单位私自减少水泥用量，造成质量事故。 2 粉喷桩强度介于土和混凝土之间，用于检测混凝土桩质量的动测法不宜用于粉 喷桩，十字板和静力触探等方法又因为水泥土较硬而不宜使用，用钻探取芯试验和标贯 试验法检测则既费事费钱且为破坏性检测，水泥土桩身质量检测技术有待于进一步发展 4 4 1 4 5 o 3 水泥土掺入不同的添加剂后，其变形和确定特性变化较大，根据不同的土性， 寻求合理的水泥配方，是提高粉喷桩法可靠性及效益的基础。 4 粉喷桩的实际施工可靠性是目前工程界普遍关注的问题，改善搅拌工艺，研究 有效的搅拌监测系统，是大规模推广该方法的施工技术基础。 1 3 本文的研究内容 本文主要拟在以下几个方面进行探索和研究： 1 介绍粉喷桩复合地基承载性能的理论基础，对加固机理、荷载传递机理、承载 力和沉降计算进行了分析总结。 2 对东营市某大型住宅软土地段粉喷桩复合地基进行现场试验和水泥土室内强度 试验研究。通过现场静载荷试验和桩土应力比测试试验，检测各楼段粉喷桩的施工质量， 确定粉喷桩复合地基承载力及桩土应力比等重要参数，为粉喷桩复合地基的强度验算和 变形预测提供数据，并验证该楼段地基人工加固的效果，以期对粉喷桩的承载性能有一 个比较客观可靠的分析和说明；通过水泥土室内强度试验和不同龄期的现场单桩载荷试 验，对粉喷桩单桩承载力的时间效应进行了系统研究。 3 采用平面应变有限单元方法，利用大型有限元软件a n s y s 对粉喷桩复合地基的 承载性能进行分析，反映出桩周土分担荷载作用以及桩土应力比随影响因素的变化规 律，并以工程实例说明该方法具有一定的实用性。 4 考虑桩土共同作用及群桩效应问题，提出黄河三角洲地区粉喷桩复合地基优化方 法，即在一定目标函数前提下确保变形和竖向应力约束，设计变量桩长、置换率和水泥 掺入比存在着一个优化组合。得出设计变量对复合地基承载力及沉降的影响程度，为类 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承载性能理论研究 第二章粉喷桩复合地基承载性能理论研究 2 1加固机理 2 1 1 水泥土的硬化机理 一般来说，常用的加固料为水泥和石灰，国内粉喷搅拌法主要是以水泥作为固化剂。 目前使用水泥的品种主要是普通硅酸盐水泥和波兰高炉矿渣水泥。普通硅酸盐水泥颗粒 主要成分有硅酸三钙( c 3 s ) ，硅酸二钙( c 2 9 ) ，铝酸三钙( c 3 a ) 和铁铝酸四钙( c 4 ) ， 这四种物质是形成加固土强度的主要成分。当土中孔隙水和水泥接触时，水泥颗粒表面 的矿物又很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙，含水铝酸钙及含水铁 酸钙等化合物【1 2 】【1 3 1 。其水化反应如下： 2 ( 3 c a 0 野q ) + 6 - 2 0 = 3 c a o 2 - 研d 2 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 ( 2 1 ) 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 吼0 = 3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + c a ( o h ) 2( 2 - 2 ) 4 c a o a 1 2 q 0 3 + i o h 2 d + 2 c a ( o h ) 2 = 6 c a o 彳乞0 3 心d 3 1 2 d ( 2 - 3 ) 3 c a o a 1 2 0 3 + 1 2 h 2 d + c a ( o h ) 2 = 3 c a o 彳，2 0 3 c a ( o h ) 2 1 2 马0 ( 2 - 4 ) 3 c a o a 1 2 0 3 + 1 0 h 2 d + c a s q 1 2 0 = 3 c a o 么乞0 3 c a s 0 4 1 2 o ( 2 - 5 ) 以上形成的两种主要化合物与水泥颗粒粘结在一起，在土体中形成骨架，隔断了化 学反应的进一步进行，但是水泥颗粒与土体之间并不是完全的成为晶格结构，部分氢氧 化钙化合物也与其他产物相混合游离出来，由水泥硬化产生的碱性环境中钙离子和铝离 子也将发生离子交换，从而成为半晶格结构。随着钙离子的大量交换，粘土中二氧化硅 等与钙离子进行化学反应，游离出来的二氧化钙也与空气中的二氧化碳和水发生碳酸化 反应，生成强度较高的碳酸钙。水泥的水化反应引起了土壤中孔隙水p h 值的升高，这 是由于熟石灰的分解造成的，二氧化硅和氧化铝然后将逐步反应与钙离子的水解解放出 来，形成水泥不溶性的化合物，这种二次反应称为硬凝反应。 铝酸三钙与水反应比其他物质更快，反应如下： c 3 彳+ 6 专c 3 彳风+ 高水化热( 2 - 6 ) 由于现场情况下有少量的石膏，反应控制缓慢进行。随后，硅酸三钙( c 3 s ) 、硅酸 二钙( c 2 s ) 缓慢水化，逐渐提高了水泥的强度。硅酸三钙( c 3 8 ) 的反应发生在土与水 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 泥稳定中，可表示为以下形式： c , s + h 2 0 一c 3 是巩+ c a ( o h ) 2 水解反应： c a ( o h ) 2 = c a 2 + + 2 ( 0 日) 一 硬凝反应： ( 2 7 ) ( 2 8 ) c a 2 + + 2 ( 伽) 一+ s i 0 2 = c s h( 2 9 ) c 口抖+ 2 ( o h ) 一+ a t 2 0 3 = c a h( 2 1 0 ) 当p h 值小于1 2 6 ，发生以下反应 c 3 & 巩= c 3 是巩+ c a ( o h ) ： ( 2 1 1 ) 高炉矿渣硅酸盐水泥是一种混合硅酸盐水泥和高炉矿渣的水泥，精细化高炉矿渣粉 不与水反应，但有可能在高碱性条件下产生硬凝反应的产物。 国内外学者们对于水泥土硬化机理面作了许多的研究1 3 】，得出粉喷桩桩体的抗压强 度与所处理原位土的地质、含水量、固化料的掺入比、龄期、有机质含量有着密切的关 系。水泥土硬化的主要影响因素有以下几方面【1 4 】： ( 1 ) 土类别：含水量越高，塑性指数越大，有机质含量越高，硬化效果越不好； ( 2 ) 固化料掺入比：固化料掺入比越大，增强效果越好。但从经济角度考虑，应 通过试验选择最佳掺入比作为设计值； ( 3 ) 含水量：存在最佳含水量，对应最佳固化剂掺入比，使得桩的效果最佳； ( 4 ) 龄期：强度随时间增加； ( 5 ) 土矿物质含量：火山矿物如蒙托石，高岭石含量越高，硬化效果越好； ( 6 ) 土的p h 值：p h 值越高，效果越好； ( 7 ) 凝结温度：温度越高，硬化越快。 2 1 2 粉喷桩的加固机理 粉喷桩复合地基的特点是【5 】：桩身具有足够的强度，在垂直荷载作用下，桩身不致 因侧向约束不足而破坏，但桩身的刚度仍然不是太大，在外荷载作用下，桩身仍可能发 生较大的压缩变形。 粉喷桩的基本加固机理是【1 5 】【1 6 】：使固化剂与原位土充分混合后，由于固化剂吸收周 围土层中的水分而发生一系列的物理化学反应，使混合水泥土凝结硬化，既提高了自身 的强度，又稳定了桩周围土层，这样桩体连同桩间土共同承担上部荷载作用形成复合地 9 第二章粉喷桩复合地基承载性能理论研究 基，从受力情况看，粉喷桩复合地基主要通过桩体的置换作用，依赖桩土共同作用提高 复合地基的承载力。 2 2 破坏形式 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，取其最小值，根据现有的报道，复合地基可能的破坏模式可归纳为以下四种【2 5 】： ( a ) 桩体刺入破坏：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； ( b ) 膨胀破坏：当桩的刚度很小时可能发生桩体膨胀破坏； ( c ) 整体剪切破坏：复合地基产生塑性流动区域，桩体和桩间土均发生剪切破坏； ( d ) 滑动破坏：复合地基沿某一滑动面产生破坏，桩体和桩间土均发生剪切破坏。 复合地基可能发生的破坏模式如图2 1 。 ( d ) ( a ) 桩体刺入破坏( b ) 膨胀破坏( c ) 整体剪切破坏( d ) 滑动破坏 图2 - 1复合地基可能发生的破坏模式 f i 9 2 - 1 f a i l u r em o d eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n 由丁祖武等做的试验知，粉喷桩复合地基唯一可能发生的破坏模式是粉喷桩复合地 基作为整个加固体像实体深基础一样发生剪切破坏，即当复合地基中桩和桩间土相继达 到其极限承载力后，外加荷载向加固体端部转移，使加固体以下的高压应力区逐渐发展 直至在复合地基深层出现整体的剪切滑动面而破坏。由于群桩效应，使桩间土应力增大， 从而使侧壁摩阻力有所增加【2 3 】。 2 3 荷载传递机理 2 3 1 桩的荷载传递机理 从力学角度来看，桩可以分为摩擦桩、端承桩以及水平桩。实际工程中的桩并不是 如上所述只具有单一承载机理，多是以一种承载为主并兼有其它承载的桩，如摩擦端承 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 桩或端承摩擦桩。当桩顶作用荷载时，桩身产生轴向压缩变形，在桩身与桩侧土间就会 产生相对位移，桩侧土便对桩身产生侧向摩阻力，而它的发展大致要经历以下三个阶段 f 1 9 】【2 0 】： 第一阶段，当荷载较小时，桩顶及桩身位移量较小，由于桩身上部正应力较小，因 而极限摩阻力及极限位移较小，在桩身上部某一深度范围内摩阻力达到或接近极限摩阻 力，这一部分的摩阻力由上至下逐渐增大。随着深度的增加，虽然极限摩阻力增加，但 桩身位移减小，摩阻力不能充分发挥而逐渐减小。这一阶段为上部摩阻力发挥阶段。 第二阶段，随着荷载的增大，桩身位移量增大，上部摩阻力充分发挥的范围向下扩 展，且由于下部位移的增大，其摩阻力与上部相比不再减小，而呈增大的趋势。这一阶 段为下部摩阻力发挥阶段。 第三阶段，荷载继续增加时，下部摩阻力逐渐增大至相应的极限摩阻力，整个桩身 范围内的摩阻力均达到极限，这一阶段即为破坏阶段。 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【3 1 】。 2 3 - 2 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，因而在粉喷桩顶上铺设褥垫 层，如1 5 c m 厚的碎石垫层和2 0 c m 厚的水泥石屑褥垫层，褥垫层上为混凝土结构层， 这样在复合地基受荷作用后，为桩上、下刺入提供了条件，保证桩土变形始终协调一致， 使桩土间始终参与工作川。 2 3 3 荷载与桩土应力之间的关系 当施加较小荷载时，荷载将通过褥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性增长关系，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，为满足桩和桩间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，应力又会向桩间土转移，j , l - 力t l 荷载的增量部分基本上由桩问土来承担，直至桩和桩 间土共同进入塑性状态川【2 2 】。 第二章粉喷桩复合地基承载性能理论研究 2 4 粉喷桩复合地基承载力计算 粉喷桩复合地基承载力的确定目前还没有成熟的方法，绝大多数复合地基承载力的 计算方法是先计算出桩体承载力、桩间土承载力，然后通过一定的组合关系得到复合地 基的承载力。当下卧层存在软弱层时，还需要对复合地基下卧层的承载力进行验算。规 范建议采用经验公式和现场静力载荷试验的方法，目前工程上一般采用下述两种情况计 算粉喷桩复合地基中桩的承载力【2 7 】： ( 1 ) 根据桩身材料强度计算承载力； ( 2 ) 根据桩侧摩擦力和桩端端阻力计算承载力。 其中考虑在荷载作用下桩侧摩擦力和端阻力的实际分布计算桩的承载力显然更为 合理。由侧摩阻力和端承力求出桩体的承载力，再由桩体承载力和桩间土承载力用应力 叠加原理来求出复合地基的承载力。然而由于这方面的实测资料较少，限制了理论上的 研究，若取得桩侧摩阻力分布规律，进行理论分析，建立一简化计算公式，对粉喷桩承 载力的计算具有实用价值。 2 4 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应通过现场单桩载荷试验确定，也可按式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 进行计算，取其中较小值洲【2 6 1 。 硝= r f = s , a 。 ( 2 1 2 ) 群= q ，+ 口a p q p ( 2 - 1 3 ) 式中尺? 单桩竖向承载力标准值( k n ) ； 厶j 与搅拌桩桩身加固土相同的室内加固土试块的9 0 d 龄期的无侧限抗压 强度平均值( k p a ) ； 么。桩的截面积( m 2 ) ； 刁强度折减系数，可取0 3 5 - - 0 5 ； 反桩间土的平均摩擦力，对淤泥可取5 - - - 8 k p a ；对淤泥质土可取8 - - - 1 2 k p a ； 对粘性土可取1 2 15 k p a ； u 。桩周长( m ) ； 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 桩端天然地基土的承载力标准值( k p a ) ，可按国家标准建筑地基基础 设计规范( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 1 2 9 第三章第二节的有关规定确定； ( 2 14 ) 进行计算【2 7 1 ： f s p , k = m 以r ? p + 肛朋如 ( 2 1 4 ) 式中厶j 复合地基承载力标准值( k p a ) ； 4 桩的截面积( 肌2 ) ； z j 地基土的承载力标准值( k p a ) ； 桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取0 5 - - - 1 o ；当桩端土 单桩竖向承载力标准值，见公式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 。 根据设计要求的单桩竖向承载力特征值和复合地基承载力特征值厶 计算粉喷 一鳞 p 彳p “l 刀：_ m a ( 2 1 6 ) 1 刀= 一 l z 一 4 、 式中a 地基加固的面积( 聊2 ) 。 2 5 粉喷桩复合地基的沉降验算 粉喷桩复合地基的沉降验算是基于复合地基沉降计算理论和方法上的。工程与设计 1 3 第二章粉喷桩复合地基承载性能理论研究 中通常采用的计算方法是实用沉降计算法。在该方法中，通常把沉降量分为加固区土体 压缩量s 及下卧层土体压缩量是两部分，总沉降量s 表达式为：s = s 十最，其中加固 区土层压缩量s 可采用复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法等计算，下卧层压缩量 s 则通常采用分层总和法计算。只是在计算过程中由于桩体的置换效应较大，在计算附 加荷载时一般采用等代实体基础的方法【2 7 】1 2 9 i f 3 0 1 。 2 5 1加固区土体压缩量s 1 的计算 1 复合模量法( e 法) 复合模量法的原理是将复合地基加固区增强体连同地基土两个部分看作一个复合 体，采用复合压缩模量e 表征复合土体的压缩性，复合模量也可以根据试验而定，并以 此作为参数用分层总合法求s l 。 2 应力修正法( e 。法) 应力修正法的基本思路是：认为桩体和桩间土体压缩量相等，计算出桩间土的压缩 量则可以得到复合地基的压缩量f 3 4 】。根据桩土模量比求出各自分担的荷载，忽略增强体 的存在，用弹性理论求土中应力，按分层总和法计算加固区土体的变形作为s l 。 3 桩身压缩量法( e 。法) 桩身压缩量法的基本思路是：计算出桩身的压缩量和桩身刺入下卧层的量就可 以得到地基整体的压缩量。假定桩体不会产生刺入变形，通过模量比求出桩承担的 荷载，再假定桩侧摩阻力的分布形式，则可通过材料力学中求压杆变形的积分方法 求出桩体的压缩量，并以此作为s 1 【3 5 】【3 9 1 。 2 5 2 下卧层沉降量s 2 计算 1 应力扩散法 应力扩散法实际上是地基规划2 9 1 中验算下卧层承载力的借用，即将复合地基视为双 层地基，通过一应力扩散角简单地求得未加固区顶面应力的数值，再按弹性理论法求得 整个下卧层的应力分布，按分层总和法求s 2 。 2 等效实体法 等效实体法即地基规范中群桩沉降计算方法，假设加固体四周受均布摩阻力，上部 压力扣除摩阻力后即可得到未加固区顶面应力值，然后可按弹性理论法求得整个下卧层 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的应力分布，再按分层总和法求s 2 1 2 9 1 。 等效实体法的基本思路为将复合地基加固区视为一个等效的实体基础，作用在下卧 层的荷载面与作用在复合地基上的一致，在等效实体四周有摩阻力分布，由弹性理论计 算出下卧层的附加应力。但这种方法的缺点是需要计算实体四周摩阻力的大小与分布， 一般不易计算准确f 3 4 1 。 3 m i n d l i n g e d d e s 方法 按模量比将上部荷载分配给桩土，假定桩侧摩阻力的分布形式，按m i n d l i n 基本解 积分求出桩对未加固区形成的应力分布；按弹性理论法求得土分担的荷载对未加固区的 应力，再与前面积分求得的未加固区