（岩土工程专业论文）南京河西地区深层搅拌桩复合地基沉降计算与分析.pdf

南京河西地区深层搅拌桩复合地基沉降分析与计算 内容提要 深层搅拌桩作为一种地基加固新技术，今年来在南京河西地区得到了较多的 使用。本文在总结深层搅拌桩处理软基研究成果的基础上，进一步分析了深层搅 拌桩加固软土地基的机理及性状。 通过设计与旌工资料的调研，整理出大量计算沉降的有效数据及南京河西地 区土质的各项物理指标，了解了该地区的深层搅拌桩的使用情况。从中选出了三 十工程作为样本进行研究。 作为本次研究的重点，本文介绍了目前常用的几种深层搅拌桩复合地基沉降 的计算方法，通过分析得出了本文推荐使用的计算方法，即加固区沉降组合使用 复合模量法和桩身压缩量法计算；用等效实体法计算下卧层上的荷载，再用分层 总和法计算下卧层的沉降。为了验证该法的准确性，对三十个工程样本在距竣工 十年左右的时间后进行了两次沉降观测，得到了最终沉降值，通过与计算值的对 比及统计分析，结果显示本文推荐使用的计算方法较为准确，适合在南京河西地 区使用。本文还介绍了对数曲线预测某时刻沉降的方法，并通过工程实例验证了 此法的准确性。 最后本文简单分析了影响南京河西地区深层搅拌桩复合地基质量的因素，并 粗浅地提出了一些对策。 关键词：深层搅拌桩，软基处理，复合地基，竣工沉降，最终沉降，对数曲线 t i a b s t r a c t a san e w t e c h n i q u eo f t h es o f tg r o u n d t r e a t m e n t ，c e m e n t s o i lp i l ei sw i d e l yu s e d i nh e x ia r e a so f n a n j i n gr e c e n t l y o nt h eb a s eo fa c h i e v e m e n t so nc e m e n t s o i l p i l e af u r t h e rs t u d yi sc o n d u c t e do nt h em e c h a n i s mo fc e m e n t s o i lp i l et r e a t e ds o f t c l a yf o u n d a t i o n , t h ec h a r a c t e r i s t i ci sa l s oe x p l o r e d w i t h p r o b ei nm a t e r i a l sa b o u td e s i g na n dc o n s t r u c t i o n 1 a r g ea m o u n t so fd a t ai s o b t a i n e da n dp r o c e s s e dt o g e te v e r yp h y s i c a lc r i t e r i o no f s o i li nh e x ia r e a so f n a n j i n g a tt h es a m et i m e t h ed e t a i l sa b o u tt h ea p p l i c a t i o no fc e m e n t s o i lp i l e a l e c l e a r l yu n d e r s t o o d i na d d i t i o n t h i r t yb u i l d i n g sa r ec h o s e na s 廿l ec h e c ks a m p l e sf o r s t u d y a st h em a l np o i n to ft h i ss t u d y , s e v e r a lc a l c u l a t i n gm e t h o d so fc e m e n t s o i lp i l e c o m p o u n dg r o u n d ss e t f l e m e n ta tp r e s e n ta r es u mu p an e w m e t h o di sr e c o m m e n d e d a f t e r a n a l y s i s c o m p o u dm o d u l u sm e t h o da n dp i l ec o m p r e s s i o nm e t h o da r e u s e d t o g e t h e rt oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n to f t h ee n h a n c e da r e a e q u a le f f e c ts o l i dm e t h o di s u s e dt oc a l c u l a t et h el o a do nt h eu n d e rl a y e r , t h e nt h em e t h o do fs u m m i n go fs e o e r a t e l a y e r si s u s e dt oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n to ft h eu n d e rl a y e r i no r d e l t op r o v et h e a c c u r a t i o no ft h i sm e t h o d ，t h et h i r t yc h e c ks a m p l e s s e t t l e m e n t sa r eo b s e r v e da n d s u r v e y e dt e ny e a r so r s o a f t e rt h e i rc o m p l e t ec o n s t r u c t i o n b yc o m p a r i n gt h ef i r a l s e t t l e m e n t sg a i n e dw i t ht h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s ，t h em e t h o dr e c o m m e n d e di n t h i s a r i t i c l ei sa c c u r a t ea n di sf i tf o rh e x ia r e a so f n a n j i n g i na d d i t i o n ，t h em e t h o d o f u s i n g l o gc u r v et of o r e c a s tt h es e t t l e m e n ti na n y m o m e n t a n dt h em e t h o di sp r o v e da c c u r a t e b yb e i n gu s e d i nc h e c ks a m p l e s a t l a s t ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so f t h ec e m e n t s o i lp i l ec o m p o s i t eg r o u n d sq u a l i t y i n h e x ia r e a so f n a n j i n ga r ea n a l y s e di n t h ea r t i c l e ，t h e ns o m ec o u n t e r - m e a s u r e sa r e s u p e r f i c i a lp r o p o s e d k e yw o r d s ：c e m e n t s o i lp i l e ，s o f tg r o u n dt r e a t m e n t ，c o m p o s i t eg r o u n d ，c o m p l e t i n g c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t ，f i n a ls e t t l e m e n t ，l o gc u r v e i i i 东南大学硕士学位论文 南京河西地区深层搅拌桩复合地基沉降计算与分析 东南大学学位论文独创性声明 本人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取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 查童查堂堡主堂垡堡皇 壹夏塑堕些垦翌星望茎壁堡垒些墨塑堕生簦兰坌塑 第一章绪论 1 1 深搅桩的发展及现状 深层搅拌法是用于加固软粘土地基的一种新方法，它是利用水泥或石灰等材 料作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂( 浆 液或粉体) 强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使 软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。 自1 8 2 4 年英国人阿斯皮琴首先制造出硅酸盐水泥并取得专利以来，利用水泥 灌浆止水、水泥和土拌和作为道路基层已得到应用，但主要是作土的浅层处理。 美国在二战后研制成一种就地搅拌桩( m 口) ，即从不断回转的螺旋钻中空轴 的端部向周围已被搅松的土中喷出水泥浆，经叶片的搅拌而形成水泥土桩，桩径 0 3 加4 m ，长度1 0 1 2 m 。1 9 5 3 年日本清水建设株式会社从美国引进这种方法， 继而又开发出以螺旋钻机为基本施工机械的c s l 法、m r - - d 法( 以开发公司名 称的首字母命名) 。c s l 法和m r d 法都是采用螺旋钻杆上带有特殊形状的搅拌 翼片，并通过钻杆供给水泥浆，与土进行强制搅拌。 除了m i p 类螺旋钻施工方法以外，在日本还有海底地基稳定处理法发展而成 的d l m 法，由污泥拌和处理机派生的具有连续施工特性的h c m 类施工法，以及 喷射粉体的搅拌法_ d j m 法。凡固化料用水泥浆液者统称c d m 法( c e m e n t d e e pm i x i n g m e t h o d ) 。 所谓d l m 法，是1 9 6 5 年日本运输省港湾技术研究所开发的将石灰掺入软弱 地基中加以原位搅拌，使之固结的深层搅拌工法。1 9 7 4 年由于大面积软土a n 固的 需要，由日本港湾技术研究所、川崎钢铁厂等对石灰搅拌机进行改造，合作研制 开发成功水泥搅拌固化法( c m c ) ，用于加固钢铁厂矿石堆场地基，加固深度达 3 2 m 。此外还有类似的d c m f 法、p o c m 法等。 h c m 类施工法，是日本= l j i i 铁工所受日本通产省技术研究基金资助，于1 9 7 5 年研制成功的海底软弱地基稳定处理法( h e d o r oc o n t i n u o u sm i x i n gm e t h o d ) 的一 系列施工方法，包括d c m 法( d e e p c o n t i n u o u sm e t h o d ) ，d e m i c 法( d e e pm i x i n g 东南大学硕士学位论文南京河西地区深层搅拌桩复合地基沉降计算与分析 i m p r o v e m e n tb yc e m e n ts m b i l i z e r ) 和d c c m 法( d e e p c e m e n tc o n t i n u o u s m i x i n g m e t h o d ) 等三种施工方法。 日本的c d m 法还开发出了伸缩式和连结式可变搅拌轴，以降低机架高度， 增加搅拌深度。其水上搅拌船搅拌深度可达水面下7 0 m ，海底下5 0 m ，8 头一次 搅拌面积6 9 1 时，每小时搅拌能力达9 0 m 粉体喷射搅拌法( d j m ) 是日本建设省综合开发计划中有关“地基加固新技 术开发”的一部分，以建设省土木研究所( 施工技术研究室) 和日本建设机械化 协会( 建设机械化研究所) 为中心，在1 9 7 7 年至1 9 7 9 年所开发的专项技术，开 发出在土中分离加固材料与空气以及排出空气的技术，使工法达到了实用化。d j m 法采用了压缩空气通过钻杆向土中喷射水泥粉的技术。搅拌机有单轴和双轴，标 准搅拌直径1 0 0 0 m m ，深度达3 3 m 。 除日本外，美国、西欧、东南亚地区也广泛采用了c d m 法。苏联在1 9 7 0 年 研究成功一种淤泥水泥土桩，用于港湾建设工程。淤泥含水量高达1 0 0 - - - 1 2 0 ， 但掺入1 0 1 5 的水泥后，半年龄期强度可达3 m p a ，较钢筋混凝土桩的造价低 4 0 。 国内由冶金部建设研究总院和交通部水运规划设计院于1 9 7 7 年开始深层搅 拌法的室内试验和机械研制工作。1 9 7 8 年末，试制成功国内第一台s j b 一1 双搅拌 轴、中心管输浆、陆上型的深层搅拌机及其配套设备，加固深度1 0 - - 1 2 m 。1 9 7 9 年在塘沽新港开始进行机械考核和搅拌工艺试验。1 9 8 0 年初上海宝山钢铁总厂的 三座卷管设备基础，采用了深层搅拌处理软土地基，获得成功。同年1 1 月由冶金 部主持通过了“饱和软粘土深层搅拌加固技术”鉴定，开始推广应用。 1 2 深搅桩的优点和适用范围 由于水泥系深层搅拌法施工速度快，无公害，施工过程中无振动、无噪音、 无地面隆起，不排污、不排土，不污染环境，对相邻建筑物不产生有害影响，从 而具有较好的经济效益。近十几年来，在我国分布有较多软土的地区，如广东、 广西、福建、云南、湖北、湖南、浙江、江苏、上海、安徽、河南、天津以及台 湾等地得到广泛应用，发展很快。此外，在美国、日本、西欧以及东南亚地区的 发展也很迅速，应用广泛。 东南大学硕士学位论文 。南京1 河西地区深层搅拌桩复台地基沉降计算与分析 水泥土搅拌法加固软土技术，其独特的优点如下： ( 1 ) 水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度 的利用了原土； ( 2 ) 搅拌时不会使地基侧向挤出，所以对周围原有建筑物的影响很小； ( 3 ) 按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设 计比较灵活； ( 4 ) 施工时无振动、无噪音、无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工： ( 5 ) 土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降； ( 6 ) 与钢筋混凝土桩相比，节省了大量的钢材，并降低了造价： ( 7 ) 根据上部结构的需要，可灵活的采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固 型式； 国外使用水泥土搅拌法加固的土质有新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质土等 饱和软土。加固场所从陆地软土到海底软土，加固深度达6 0 m 。国内目前采用水 泥土搅拌法加固的土质有淤泥、淤泥质土、地基承载力不大于1 2 0 k p a 的粘性土 和粉土等地基。当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性的土时，应通过试验确定 其适用性。加固局限于陆上，加固深度可达1 8 m 。 水泥土搅拌法可用于增加软土地基的承载能力、减少沉降量、提高边坡稳定 性。一般适用于以下情况： ( 1 ) 建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地坪、高填方路堤下 基层； ( 2 ) 行大面积地基加固、防止码头岸壁滑坡、深基坑开挖时作支护和减少 软土中地下构筑物的沉降； ( 3 )为地下防渗墙以阻止地下渗透水流、对桩侧或板桩背后的软土进行加 固。 1 3 课题的提出 在全国乃至江苏省的软土地区已兴建的大量的房屋建筑的地基自理都采用 了深层搅拌桩复合地基。有的地方自理效果较好，而有的地方则较差。本课题力 图研究出其中的症结所在，并针对其制定相应的解决方案，为以后的设计和施工 提供依据和指导，以便促进深层搅拌法这一地基处理方法在理论、设计和施工方 奎堕查兰堡主兰垒堡壅堕室翌要垫垦堡墨望堂苎墨鱼丝苎垫壁茎簦兰坌堑 面的不断完善，实现其可持续发展。 本课题以南京河西地区作为突破e l ，因为河西地区的软土比较具有代表性 ( 软土深厚、地质条件复杂) ，其研究成果对有效地确保工程质量具有重要的指导 意义，对全国的其它软土地区具有很高的借鉴价值。 如此大规模、系统地统计、整理和分析深层搅拌桩复合地斟的设计、施工和 质量检验资料，以确定影响深层搅拌桩复合地斟质量的主要因素，为以后的设计 和提供人依据和指导，在全国范围内沿属首次。其研究成果将具有很高的工程应 用价值，对全国的其它软土地区具有很高的借鉴价值，在理论和工程界将产生重 要反响。 本课题由江苏省建委资助，南京市建筑安装工程质量监督站与东南大学共同 承担。南京市建筑安装工程质量监督站负责实际工程资料的收集整理、理论分析 和成果总结，并落实试点工程。东南大学进行理论研究和工程试验研究，并协助 市质监站做好总结工作。 第二章南京河西地区软土的工程性质 2 1 漫滩地貌的形成 南京河西地区位于长江三角洲中下游，漫滩地域宽广，其两岸和秦淮河入江 径流处等狭长地带的沉积软土厚度极大，深处可达6 0 m 。据历史及研究资料表明， 史前期江流在下游流动，既受两岸低山丘岗边界条件约束，又受江流本身水动力 条件制约，流线摆动，河道迁移，江流“截弯取直”，坍塌淤积相辅而成。据我国 气候资料显示，在全新世时期，气候曾经出现四次寒冷期及其间的相对温暖期， 由于冷潮出现时海面都曾下降，温暖期出现时，海面迅速回升，这种变化必然影 响到南京地区的地貌发育和沉积物特征，由于南京临近入海口，只要地面高程在 海潮平面下，对于长江沟通的低地域或凹形谷地区，必有江水倒流侵入，江水受 潮流顶托，流速减缓，因而既有江流海汐携来的泥砂，又有河床两侧就地坍塌的 泥砂，含泥量大，在其顶托回水的影响下，淤积速度快，沉积厚度大，而在进入 全新世晚期以后，气候、海面仍有轻微波动变化，但己不如全新世时期显著，海 面高程逐步趋向与现代海面相若，而新构造运动由相对稳定状态转为轻微上升， 江面宽度、水深变得束狭及渐浅，河床两侧漫滩平原发育，而其漫滩地形显得低 凹、平坦。综合大量的钻孔质量分析得出：从软土层的颜色、沉积厚度，级配颗 粒变化小，微细层理发育等沉积特征反映，软土层是在相对稳定、水流动力潮汐 变动、回水潮流淤积的条件下形成的。 2 2 河西地区软粘土层的构造特征 南京地区软土具有一般软土所共有含水量高、孔隙比大、，压缩性高和强度低 等特征。同时，它的主要组成土层一淤泥质粘土、粉质粘土中常夹带有粉砂薄层， 形成饼层。总的来说，河西地区的软土属全新世新近沉积层，地质年代较近。其 地层构造特征是土层较厚，层理比较明显。土层分布虽较均匀且有一定规律性， 但土层的起伏和厚薄仍有较多的变化。有的土层在某些地段缺失，给工程中土层 剖面的确定和地基与基础的选择带来某些不便或困难。 燮兰! 堕主兰堡堡塞 鏖窒塑要垫圣鎏星垄堂丝堡垒些茎望壁生苎兰坌堑 根据南京市若干个房地产公司调研到的资料分析，从整个地区的地层构造来 看，可以大体上划分为五个亚层，各个层次土层的基本特征分别描述如下： ( 1 ) 土粉质粘土层：褐灰色灰黄色，粉质粘土显可软塑状，而粘土呈硬塑状 与表层人工填土起构成所谓“硬壳层”： ( 2 ) 泥质粉质粘土：灰色，流塑，含水量大，压缩性高； ( 3 ) 泥质粉质粘土夹薄层粉砂粉砂层：褐灰色，流塑； ( 4 ) 粉质粘土与粉砂互层：褐灰色，流塑软塑，层理清晰； ( 5 ) 粉细砂层：灰色，中密。 2 3 河西地区土质的一般物理、力学性质 随着河西地区逐渐成为南京市新的开发热点，河西地区软土的性质及其在工 程建设中的表现越来越为人们所认识和掌握。长期以来，在各个工程的设计、施 工单位，在各种研究机构以及高等院校中，都对此研究与应用作了大量的工作， 对其一般的基本性质形成了大体比较稳定的共识。我们对河西地区的大量工程进 行了实际调查、统计与概括。从地表开始，对工程影响很深的3 0 米范围内构成河 西地区软土的主要土层，即填土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粉质粘土粉质粘土、 粉质粘土、粘土、粉细砂、层状粉质粘土。 河西地区主要地层特性调查简表表一 土层编号：七层名称土层厚度土层埋深土质特性 1 1 杂填土0 0 2 1灰色，结构松散，夹少量碎砖等杂物 l - 2淤泥质填土o 8 1 4 灰黑，流塑，夹大量淤泥 1 3素填土0 0 2 o0 o 2 6 灰色，软可塑，不均质，低强度 2 1淤泥质粉质粘土2 9 4 81 1 2 6灰色、流塑，高压缩性，高灵敏度 2 - 2 粉质粘土4 8 - - 6 45 2 5 9灰色、流塑，夹薄层糟砂、粉土，低强度 2 3淤泥质粉质粘土2 4 4 010 ，2 1 2 5褐灰色、流塑，高压缩性，高灵敏度 2 4 粉质粘土 1 2 8 1 3 61 4 0 1 5 7 灰色、流塑，夹薄层粉土 2 5粉土1 7 3 62 7 4 2 8 0灰色、稍密，夹淤泥质粉质粘土 2 6 粉土、粉砂1 9 0 - - - 4 0 4 5 0 5 0 1 灰色、稍密 6 东南大学硕士学位论文 南京河西地区涤层搅拌柱复合地基沉降计算与分析 3 1 含卵砾粉质粘土2 2 3 75 3 4 5 4 8深灰色一青灰色，软流塑状，石英质，粒径 3 2 含卵砾粉砂 0 4 - 4 45 5 8 5 8 0青灰色，中密稍密状，为中高强度地基土 4 - l粗砂、砾砂1 4 8 94 6 5 5 2 5 灰一一灰白色，稍中密 4 2 粗砂、卵砾石 5 7 6 15 9 5 6 1 5 灰，中密，卵砾石粒径 2 4 河西地区土质的工程性质 河西地区软土层一般由上部沼泽相淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土及下 部夹砂的淤泥质粉质粘土、软流塑状态的粉质粘土等组成。其物理力学特性是： 含水量大、孔隙比大、高压缩性、高灵敏度、低强度与透水性差等。根据大量工 程的实际调查，总结出河西软土的工程特性有以下几点： ( 1 ) 承载力低、变形大：河西地区软土的地基承载力标准值，各层一般都在 6 0 l o o k p a 之间，对于荷载较大的多层砖混结构的住宅楼，必须采用人工加固地 基，如通常在河西地区采用的深层搅拌桩复合地基。 ( 2 ) 软土地基变形延续时间长：软土的透水性很差，排水固结非常缓慢，使 地基变形延续时间很长，漫滩相软土具有夹砂结构特征，土质均匀性差，又容易 引起地基不均匀变形。对河西地区将要兴建的大量多层砖混结构住宅建筑而言， 采用深层搅拌桩复合地基时，设计和施工时都必须重点控制过量沉降及不均匀沉 降。 下图为河西地区工程地质剖面图。 _ m 匝阻帚蜂蟊裂h邕舞陋庭 刊野 豳 南京河西地区深层搅拌桩复台地基沉降计算与分析 念暴 阑 州巢峰集闩 州杂蟋集峰孵冬 露辩! j ! ! ；盟|；j；!丛 州桀斟峰孵稳 闷 州椠茸 州轷 _刚匝旧帚峰舞烈h凶舞陋襄 匾囊 t l 情况 ( 5 4 b ) ( 5 4 c ) 荷载已完成后，对( 3 ) 式的z l w ( t ) 求积分得： w ( t ) = f t o qh + a ( 1 一gy 0 1 j ) 1 d t = q ( w + a ) t l 埘y e 。y 0 1 i j ( 1 一ertl)(5-5a) v ( t ) = d w d t = q a 菩y o 。】_ e 、t 1 ) ( 5 - 5 b ) d v d t = d e w d t 2 = q _ “y e 。r ( t - 。o l 一百) ( 5 - 5 e ) 现讨论沉降的某些特性。首先，从( 5 4 b ) ，( 5 - - 5 b ) 式可见在整个时间区域吖移 d ，即w 是t 的递增函数，沉降值永远增大，而且从( 5 5 a ) 式可见长期最终 沉降是： w r 吲= r w + 纠g f 广r w + 砂g( 5 - 6 ) 另外，w 是连续的，当t - - t 1 时，从( 5 - - 4 a ) ，( 5 - 5 a ) 式算出的w ( t 9 相等，都是： w ( 1 0 = q f w 七a ( i f “1 ) jq q 从( 5 - - 4 b ) ，( 5 5 b ) 式可见啦j d ，并从( 5 - - 4 0 ，( 5 5 c ) 式可见在0 t t l 时间 区域内d v d t 0 ，沉降速率是递增的；在t t l 时间区域内d v d t w ，如果将w 近似地作为零， - 8 ) 式可见： ( 5 8 ) 由于在软粘土中长 即w 一0 ，则从( 5 彳v ( t 9 = v ( t + 一v 伊一0( 5 9 ) 则在整个时间区域中，v ( t ) 可以看成是连续的。另外在( 0 ，t j ) 时域中，d e w d t 2 o ， 沉降曲线是上凹的。在( t l ，。) 时域中，d e w d t 2 q 后的沉降做 出预测。 为此，将t l 时刻移作新坐标轴原点如图5 - - 2 a ，图5 - - 2 b 所示。设在t l , t l ， t 2 ，k 已作沉降观测，整理出( t l ，t n 。) 时间区域内的沉降曲线和沉降速率曲线 分别如图5 2 a ，图5 - - 2 b 所示。 w ( t ) j i ，一 彳f ( a ) v ( tj ) i k 闰5 - - 2 沉降预测计算图 ( a ) 已知沉降曲线；( b ) 已知速率曲线 从( 5 5 a ) 式可见： w q l = q f ( w + a ) t l 一甜y e ly 。( 1 一e - r t l ) ) t 1t jt ；t ； ( b ) 查查查兰望主堂垡鲨苎 堕塞塑要些垦星星堡塑塑星鱼些茎塑壁生苎量坌竖 w ( 1 1 ) = q ( ( w + a ) | 1 一出y ( 1 一i “1 ) 1 将以上两式相减，并采用简写符号： a = a y ( 1 - - e - “) ，t 。= i t - - tj(5-1 在新坐标轴上t7 代替t ，可得： ( t 。) - - w ( t j ) = a ( 1 一f “j )一1 1 、 或w ( t7 ，= w p + 4 口1 。j( 5 1 2 ) 对( 5 - 1 2 ) 式微分得： v ( t7 ) = d w d t 7 剐y e - ( 5 1 3 ) 对上式取自然对数有： 如v 一j = 如ar y t ( 5 一1 4 ) 从图5 - - 2 b 可见v 矧，v 白j ，y 陬，为已知，算出白v ，i nv 向7 j ， 血v 以j ，应有： 如v ( 1 口= 1 h ay 。i i lv ( t l j ) = i n ay y t i j 。 i n v ( t z 。 = b ay y t 2 j ，i n v o n ) = i n ay y t h ， 以上是白4r 和y 的( n + 1 ) 个一次方程，用最小二乘法可以确定白ar 和y ，也 就是可以确定a 和y 的值。 当a 和y 确定后可从( 5 1 2 ) ，( 5 1 3 ) 式分别求出在任意时刻f 。沉降w 稃7 ， 和速率v ( t 7 j 。特别有： w r 吲；w z j + 彳( 5 1 5 ) 5 4 工程应用 在这次调研到的三十个工程样本中，都包含了建筑物的沉降观测资料，但大 多数均是施工过程中的沉降观测资料，仅有几幢建筑物对工程竣工后进行了一段 时间的沉降观测，我们后来又对这些工程进行了沉降观测，得到了其最终沉降值， 将这两次的数据综合起来，正好可以验证上面的公式。现将这些数据整理后列入 下表： 东南大学硕士学位论文 南京河西地区深层搅拌桩复合地基沉降计算与分析 建筑物沉降速率记录表七 工程名称 v p v ( t 。v 0 2 j )v ( t 3 。)v ( 耄4 、v ( t 5 j )最终沉降 清江1 0 61 6 7 71 1 1 51 0 7 90 8 0 0o 4 9 30 3 6 74 9 7 清江2 0 61 8 5 00 9 1 30 7 2 20 8 3 30 5 8 20 2 6 03 7 8 清江2 0 81 6 1 10 5 2 8o 3 1 70 2 0 00 1 6 70 1 0 04 3 1 清江2 1 01 6 8 00 9 7 20 2 9 60 1 2 50 0 9 8 |4 7 4 龙江1 0 9o 0 9 40 。0 8 30 0 7 90 0 7 5 |2 4 。4 南湖2 0 20 3 8 70 3 7 70 3 6 90 0 8 8 f3 3 2 南湖1 2 50 8 8 60 6 9 40 5 9 40 4 2 40 3 5 40 2 6 33 0 _ 3 将上表中每个工程的若干个沉降速率带入前面提到的由ar 和y 的( n 十1 ) 个一次 方程，用最小二乘法确定a 和y 的值，再将其带入到( 1 2 ) ，( 1 3 ) 式，就可以得 到了这几个建筑物的沉降公式和沉降速率公式，由此求出任意时刻的沉降w ( t7 j 和速率v 一) 。为了验证其正确性，我们利用( 1 5 ) 式求出建筑物的最终沉降值 w r 叫，与后来测得的最终沉降实际值比较，结果如下表： 建筑物沉降实测值与计算值对比表八 清江1 0 6清江2 0 6清江2 0 8清江2 1 0龙江1 0 9南湖2 0 2南湖1 2 5 实测值4 9 73 7 84 3 1 4 7 42 4 43 3 23 0 3 w r 叫 5 1 94 2 54 0 84 2 6 2 6 73 5 73 4 1 相对误差 4 4 1 2 4 5 3 l o 1 9 4 7 5 1 2 5 从上表中的结果可以看出，由对数曲线求出的建筑物最终沉降值w f 吲，与实测 结果较为吻合，误差较小。由此也验证了根据工程竣工后一段时间内的沉降观测 值，利用对数曲线的方法来预测建筑物任意时刻的沉降值是比较准确合理的。 东南大学硕士学位论文南京河西地区深层搅拌桩复台地基沉降计算与分析 第六章解决深层搅拌桩质量问题的对策 通过对南京河西地区地质状况和已有的采用深层搅拌桩复合地基工程的勘 查、设计、施工和质量检测资料的调研，以及对影响深层搅拌桩复合地基质量主 要因素的分析，可以从以下若干方面着手解决深层搅拌桩复合地基在设计、施工 过程中出现的问题。 6 1 面积置换率 面积置换率在数值上等于桩的横截面积和一根桩所承担处理地基的横截面 积之比。改变面积置换率，会相应改变复合地基的复合模量，因此，取不同的面 积置换率进行分析，实际上是分析不同复合模量的复合地基的特性。以下是以固 定的桩长，对于不同置换率下的地基进行分析。 根据同济大学刘志丰等的研究，在同一桩长l o m ，不同的置换率下，复合地 基的附加应力的变化趋势是一致的，如图6 3 所示。从图6 - 3 可以看出，在加固 层内随置换率的增加，附加应力减小的幅度较小，而在下卧层内，附加应力随置 换率的增加而减小，且减小的幅度比加固层的幅度大。 r 型 深度( ) 不同置换率基础中心线下地基附加应力丹布曲线 卜天然地基；z m = 1 2 ：3 啪= 3 0 x 地基沉降置换率的变化曲线 卜加固层沉降；2 一下卧层沉降； 地基总沉降 图5 3 图5 4 图6 4 为地基沉降随着置换率变化曲线与沉降计算结果表。由图可见，随着 置换率的增加，地基总沉降、加固层沉降和下卧层沉降都在减小，当置换率大于 20 9 6 后三种沉降的减小幅度都不明显，而当置换率小于2 0 时，加固层沉降和地 查堕查兰堡圭兰垡堡塞堕室塑堕垫匡塑星望堑苎堡鱼些茎堡堕生簦量坌堑 基总沉降减小的幅度较大。而下卧层沉降虽随置换率的增大有所减小，但幅度极 小。 通过对固定桩长、不同置换率下地基进行的分析，可知，在同一桩长、不同 置换率下，复合地基的附加应力的变化趋势是一致的。从图6 - 3 可以看出，在加 固层内随置换率的增加，附加应力减小的幅度较小，而在下卧层内，附加应力随 置换率的增加而减小，且减小的幅度比加固层的幅度大。所以在一定范围内，增 加置换率可以起到减小地基沉降的目的。从图6 - 4 可以看出，随着置换率的增加， 地基总沉降、加固层沉降和下卧层沉降都在减小。当置换率大于2 0 后三种沉降 的减小幅度都不明显，而当置换率小于2 0 时，加固层沉降和地基总沉降减小的 幅度较大。而下卧层沉降虽随置换率的增大有所减小，但幅度极小。故可以认为， 增加置换率主要是减小加固层的沉降，对减小下卧层的沉降作用并不明显。所以 在设计深层搅拌桩复合地基时，一味的增加置换率来加大加固层的刚度来达到减 小沉降的方法是不可取的。也就是说在某一个特定地区，对于一具体建筑物，存 在一个最合理的置换率。 6 2 桩长 一般来说，桩长就是深层搅拌桩复合地基的加固厚度，其对控制复合地基的 沉降变形起着重要的作用。根据分析，在一定的面积置换率的情况下，改变桩长， 计算复合地基的附加应力，这样来研究桩长对复合地基附加应力的影响，进而可 知道桩长对于沉降的影响。 图6 1 为不同桩长时地基附加应力的分布曲线。由图可以看出，不同桩长的 复合地基的附加应力分布基本一致，应力分布曲线较为平滑，基本没有突变的地 方，另可以看出，三种不同长度的桩在加固区内，曲线下降趋势很明显，而在下 卧层内，附加应力虽有减小，但幅度较小。 罡 芒 r 捌 深度( m ) 基础下附加应力桩长的变化曲线 卜桩长6 m ；2 一桩长1 4 m ；3 - 桩长1 8 m 图5 一l 。 4 言 薹e 1 2 1 6 沉降一桩长的变化曲线 卜加固层沉降；2 一下卧层沉降 3 一地基总沉降 图5 2 图6 2 是不同桩长复合地基的沉降变化曲线。从图中可以看出，随着桩长的 加大，地基总沉降与下卧层的沉降都在减小，而加固层的沉降却有所增加，但不 明显，前者的减小趋势要强于后者的增大趋势。这是因为随着桩长的增加，加固 层的厚度在加大，而下卧层的厚度却在同数量的减小，由于加固层的刚度比下卧 层的刚度大的多，因而，加固层的沉降略有增大的情况下，下卧层的沉降却在大 幅度的减小，两者综合起来，总沉降量当然是在减小，这就是为什么说增加桩长 是减小沉降的主要原因。 桩长对控制复合地基的沉降变形起着重要的作用。从第五章的图6 1 可以看 出，不同桩长的复合地基的附加应力分布基本一致，三种不同长度的桩在加固区 内，曲线下降趋势很明显。而在下卧层内，附加应力虽有减小，但幅度较小。从 图6 2 可以看出，随着桩长的加大，地基总沉降与下卧层的沉降都在减小，而加 固层的沉降却有所增加，但不明显，前者的减小趋势要强于后者的增大趋势。因 此，在设计过程中，可以通过适当增加桩长来达到减小地基沉降的目的。值得注 意的是，这里有一个临界桩长的问题，桩长不宜取的过长，否则会适得其反。对 于不同的地质条件，临界桩长的取算也是不同的。关于这个问题，目前尚无定论， 仍在研究之中。对上海地区常遇见的有机质含量较高的明浜、暗浜填土及冲填土， 在考虑采用水泥土搅拌法进行加固时，应予特别慎重对待。许多设计单位往往采 用加大桩长的设计方案，从而得到不理想的效果。应从提高置换率和增加水泥掺 入量角度来保证浜域内的水泥土达到一定的桩身强度。工程实践表明，采用在浜 变堕查兰堡主兰垡丝苎堕塞塑塑些垦塑星望堑壁墨垒些兰望堕生兰兰坌塑 内提高置换率( 长、短桩结合) 往往能得到理想的加固效果。 6 3 施工场地的地质条件 水泥土深层搅拌桩复合地基作为一种新的地基处理方法，具有诸多优点。但 任何一种方法都与其相应的适用范围。水泥加固土的室内试验结果表明，有些软 土的加固效果较好，而有的不够理想。砂性土固化后，强度大于粘性土；含砂粒 的粉土固化后，强度大于粉质粘土和淤泥质粉质粘土；滨海相沉积的淤泥和淤泥 质土，固化后强度大于河川沉积的同类土；湖沼相沉积的泥炭和泥炭化土固化强 度最低。一般认为含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果 好，而含有伊利石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱 度较低的粘性土加固效果较差。因此，用水泥土深搅桩处理地基时，应尽量需选 择在砂性土及粘粒或有机质含量较低、酸碱度较高的场地中进行。当遇到有机质 含量较高、酸碱度较低的场地土时，单纯用普通水泥加固的效果较差，宜改用水 泥系固化材料或特种水泥，可以明显提高固化效果。 场地土的含水量对施工质量的影响也很大。采用浆液搅拌时，土的天然含水 量越低，加固土的强度就越高。对粉喷桩，土中含水量对水泥土强度的影响不同 于浆液搅拌。当土中含水量较低时，水泥水化不充分，水泥土强度反而降低。因 此，对含水量较高的土体，宜采用粉喷桩加固；对含水量较低的土体，宜采用浆 液喷搅加固。 由于受搅拌机械搅拌能力的限制，水泥土深搅桩不适用于地基承载力大于 1 2 0 k p a 的粘性土和粉土地基。原地基承载力高时，湿法施工比干法施工搅拌可能 性大，且搅拌效果更理想。若采用干法旋工，搅拌后形成的水泥土均匀性相对较 差，且易出现蜂窝状。另外，由于这种土的天然含水量低，满足不了水泥水解水 化反应的水量要求，容易使水泥土呈干粉状，从而达不到理想效果。 从另一角度，对地基承载力高的土，采用水泥土搅拌法进行加固，一旦施工 质量达不到要求，由于机械搅拌对土的扰动，破坏了原土体结构，其效果反而比 原天然地基还差。如某工程，原天然地基承载力为1 1 0 k p a ，采用双头搅拌桩进行 加固，由于施工中搅拌提升速度过快，形成的水泥土极不均匀，单桩测试结果其 承载力仅为6 0 k p a 。所以，对地基承载力较高的土采用搅拌法进行加固时，更要 重视工程质量。 东南大学硕士学位论文 南京河西地区深层搅拌桩复合地基沉降计算与分析 从加固效果看，浅部存在硬壳层时，其复合地基效果一般较好，处理后建筑 物变形较小，一般可控制在l o o m m 以内；而对于有些地区，由于浅部均存在较厚 的吹填土，经水泥土搅拌法加固后，其复合地基效果较差，处理后建筑物变形一 般较大。因此，设计中应尽量利用浅部硬壳层，以提高水泥土复合地基的效果。 6 4 固化料掺合量 水泥土的强度随水泥掺入比的增加而增大，但每增加单位水泥掺入比所引起 的强度增加值( 称之为“水泥效率”) ，不同养护龄期是不同的。在o 9 0 d 范围 内，龄期越长，水泥效率越高。另外，养护龄期在一个月内时，水泥掺入比a 1 0 的水泥效率大于q 。 1 0 的水泥效率；当养护龄期为6 0 9 0 d ，水泥掺入比q ，5 时，水泥土的无侧限抗压强度f 。与水泥掺入比a ，更接近线性关系。当a 。 5 时， 由于水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性也大，故在水泥土搅 拌法施工中，选用的水泥掺入比必须大于7 。 加固土是砂性土时，固化料的种类对强度的影响不大，但随掺和量的增加， 强度则明显提高，且离散性小。粘性土，无侧限抗压强度离散性大。对腐植土， 增加固化料的掺和量，其强度提高不大，特别是普通波兰特水泥和b 种高炉水泥 ( 矿渣水泥) ，这种倾向比较明显。但是使用水泥系固化材料时，其强度和强度 离散性均有明显改善，对于粘性土也有类似效果。使用水泥系固化材料时，粘性 土及腐植土固化体强度随掺合量增加也有明显增大。水泥土的强度随水泥掺入比 的增加而增大，当n 。 5 时由于水泥和土的拌合难于均匀同时反应过弱，水泥土 的强度偏低。 建筑地基处理规范作了如下说明：当其它条件相同，在同一土层中水泥掺入 比不同时，水泥土强度也不同。当水泥掺入比大于1 0 时，标准强度可达0 3 2 m p a 以上。但因场地土质与施工条件的差异，掺入比的提高与水泥土强度增加的百分 比是不一致的。但当掺入比小于5 时，水泥与土的反应过弱，固化程度偏低，试 件强度离散性大。故实际工程中选用掺入比宣大于5 ，一般可使用7 - 1 5 。 水泥浆液搅拌的试验资料表明，水泥土的强度随龄期的增长而增长。一般情 况下，7 天时水泥土强度可达标准强度的3 0 一5 0 ；3 0 天可达标准强度的 6 0 一7 5 ；9 0 天为1 8 0 天的8 0 ；而1 8 0 天后水泥土强度增加仍为终止。另外， 根据电子显微镜的观察，水泥土的硬凝反应也需要3 个月才能完成。因此，选用 查里奎兰堡兰兰垡堡奎!堕塞塑堕垫堕鎏星堂堂垫墨盒些苎塑堕生苎兰坌塑 龄期3 个月时间的强度作为水泥土的标准强度。 6 5 施工工艺 在同一种土中、固化剂掺入量相同时，采用复搅的方法可明显提高桩体强度。 在含水量很小的松散填土中，搅拌时块状土不能破碎，采用注水后上下多次预搅， 即可保证桩体强度。在粘性很大的土中，可能出现搅拌头上部形成土团，随搅拌 头转动，搅拌不均，复搅也不能奏效，只有改变搅拌头的形式才是有效途径。在 粘性较大的淤泥或其它粘性土中，固化料喷入产生困难、喷搅不均，影响桩体强 度，则加大压力改进搅拌头后可以奏效。 搅拌拌和是水泥土桩的关键工序。在拌和开始阶段，水泥土强度增加很快， 到某一限度时，强度上升速度逐渐减缓。对粉状水泥，拌和时间超过一定时间后， 强度反而下降。因此，搅拌拌合的时间不宜过长。 此外，设计部门在建筑上应力求形体简单和荷载分布较均匀，对长高比较大 的建筑物应设置伸缩缝或沉降缝，在结构上应适当加强基础及上部结构的刚度， 旖工时应先建高、重部分，后建低、轻部分，并控制加荷速度。 第七章总结与展望 本文在认真总结过去深层搅拌桩加固软土地基方面的成果的基础上，进一步 分析了深层搅拌桩加固软土地基的机理及其受力和变形性状，整理了大量的资