（地质工程专业论文）水泥搅拌桩复合地基变形与沉降研究.pdf

摘要 近年来随着现代化建设的不断发展，基础建设规模不断扩大，越来越多的工 程需要对天然地基进行处理。水泥搅拌桩复合地基便是地基处理的方法之一，由 于其经济效益显著，施工便捷而又无环境污染，被广泛应用于各类工程实践中。 水泥搅拌桩的工程应用水平超出了理论研究水平的现状使我们有必要对其进行 深入的分析。本文广泛地查阅和评述了与水泥搅拌桩复合地基技术相关的科技文 献，较好地掌握了国内外在该领域的研究发展动向，在大量的试验研究、数值计 算和理论总结与分析的基础上，全面而系统地研究了水泥搅拌桩复合地基的变形 和沉降特性。主要的研究工作与特色为：( 1 ) 总结了水泥搅拌桩复合地基的加 固原理；( 2 ) 系统论述了水泥土的力学特性及影响水泥搅拌桩强度的主要因素。 ( 3 ) 分析了水泥搅拌桩桩体侧摩阻力与位移的关系，桩土体系的荷载传递，桩 土共同作用的原理。并探讨了桩土应力比并简要的介绍了目前常用的桩土应力比 的计算公式，及褥垫层的作用。( 4 ) 讨论了桩长、水泥掺入比、置换率、加荷速 率、基础宽度、桩径、桩数、褥垫层、群桩等因素对水泥搅拌桩复合地基的变形 沉降影响，总结了复合地基的几种计算方法。( 5 ) 采用典型单元法对水泥搅拌桩 复合地基进行了计算分析，以使计算模型在力学概念上更合理，更符合实际。在 假设的位移模式和桩侧摩阻力分布模式下，考虑桩土相互作用，通过力学推导， 得到了假设位移模式下加固区压缩量算法。 关键词：水泥土搅拌桩复合地基桩土共同作用变形沉降典型单元法 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm o d e m c o n s t r u c t i o n , e x p a n d i n g t h es c a l eo fb a s i cc o n s t r u c t i o n , m o r ea n dm o r ep r o j e c t sr e q u i r e dt od e a lw i t ht h e n a t u r a lf o u n d a t i o n t h ec e m e n t s o i lm 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 f m e t h o d st ot h ef 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 sr e m a r k a b l ee c o n o m i c a l b e n e f i t sa n dc o n s t r u c t i n gc o n v e n i e n tw i t h o u t c i r c u m s t a n c ep o l l u t i o n w bm u s t a n a l y z ei td e e p l yf o rt h ea p p l i c a t i o nl e v e lo fc e m e n t - s o i lm i x i n gp i l ee x c e e d i n g p r e s e n ts i t u a t i o no ft h es t u d y i n gl e v e lo ft h e o r y t i l i sp a p e rc o n s u l ta n dc o m m e n t s c i e n c ea n dt e c h n i c a ll i t e r a t u r e s ，w h i c ha r er e l a t i v et oc e m e n t - s o i lm i x i n gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，a n dg r a s ps t u d y i n gd e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no f i tb o t hh e r ea n d a b r o a d ，b a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，a n a l y s i sa n d s u m m a r yo ft h e o r y ，c o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i ca n a l y s e st h ed e f o r m a t i o na n dt h e s e t t l e m e n to fc e m e n t s o i lm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n t 1 1 ep r i m a r ys t u d y i n gw o r k sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ： 1 ) t 0s u m m a r i z er e i n f o r c i n gt h e o r yo f c e m e n 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 n 2 ) t 0a n a l y s i st h ep r i m a r ym e c h a n i c sc h a r a c t e r so fc e m e n tm i x i n gp i l ea n di n t e n s i t y o ft h ei m p a c to fc e m e n tm i x i n gp i l eo ft h em a i nf a c t o r s 3 ) t 0a n a l y s i so ft h ec e m e n tm i x i n gp i l es i d ef r i c t i o na n dd i s p l a c e m e n to ft h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i l e s o i ll o a dt r a n s f e rs y s t e r n 。t h ec o m b i n e de f f e c to f p i l e s o i lp r i n c i p l e a n dt oe x p l o r et h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i oa n dab r i e fi n t r o d u c t i o no f t h ec u r r e n tc o m m o n l yu s e dp i l e s o i ls t r e s sr a t i oc a l c u l a t i o nf o r m u l a s a n dt h er o l eo f c u s h i o n 4 ) t 0d i s c u s s e dt h ep i l el e n g t h ，c e m e n tm i x i n gr a t i o ，t h er e p l a c e m e n tr a t e ，l o a d i n gr a t e ， t h ew i d t ho ff o u n d a t i o n , p i l ed i a m e t e r ，p i l e ，c u s h i o n , p i l eg r o u p s ，s u c ha sc e m e n t m i x i n gp i l eo nt h ed 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 ns e t t l e m e n t ，s u m m e du pt h e c o m p o s i t ef o u n d a t i o ns e v e r a lm e t h o d so fc a l c u l a t i o n 5 ) t y p i c a le l e m e n tm e t h o du s i n gc e m e n t - m i x e dp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a l c u l a t e d a n da n a l y z e di no r d e rt oc a l c u l a t et h em e c h a n i c a lc o n c e p t u a lm o d e li nam o r er a t i o n a l ， m o r er e a l i s t i c o nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h ed i s p l a c e m e n tp a t t e r n sa n dt h ed i s t r i b u t i o n o fp i l el a t e r a lf r i c t i o nm o d e l ，c o n s i d e rt h ep i l e s o i li n t e r a c t i o n , d e r i v e dt h r o u g ht h e m e c h a n i c sh a sb e e na s s u m e dt h a tt h ed i s p l a c e m e n tm o d ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mf o r r e i n f o r c e m e n ta r e a k e yw o r d s ：c e m e n tm i x i n gp i l e ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，i n t e r a c t i o no fs o i la n dp i l e ， d e f o r m a t ：i o na n dt h es e t t l e m e n t , t y p i c a le l e m e n tm e t h o d 1 i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本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，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ：鱼翻遂 签字日期：趟z ：五 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解桂林理工大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权( 学校) 可以将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、汇编学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签字：五幸吩 导师签字：彬 签字日期：抄年夕月乡日 畸，7 渊。多 多钿 名 巨 戳串， 眷 汾 储 矿 文吼渺瑚倒扣靴裤 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 1 i 1 水泥搅拌桩的槭念 末泥搅拌桩是竣水泥终秀量纯裁静主裁，递过特割嚣搅拌税械边钴进选链软 土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深处就地将软土和固化剂( 浆液或粉体) 强制 搅拌，使喷入软土中的固化剂与软土充分拌合在一起，由固化剂和软土之间所产 生戆一系列物理、饨学作用，形成抗压强度魄天然土强度高得多，并其有整体性、 水稳性的水泥加固土桩桩体，由若干根这类加固土桩桩体和桩阀土构成复含地 基。根据需要，也可将水泥搅拌桩做成逐根紧密排列构成地下连续墙或作为防水 圈幕、基坑王程维护挡墙、被动区加固、大露积水泥稳定等。根据施工方法的 不同，永泥搅拌法可分药水泥浆搅拌耪粉体喷射搅拌两种，前者是震承泥浆和地 基土搅拌，盾者是用粉体和地基土搅拌n 心】。 。l 。2 水泥搅拌桩在复合地基串的地僚 水泥搅拌桩是以桩的形式对软土地基进行补强，使补强桩体与天然地基菇同 组成承载力较高、压缩性较低的复合地基，同时土中高应力区增大，从而提离了 地基酶承载力，因此水泥搅拌桩复合遮基还具有垫屡鲢扩散作用曲】。睫着现代化 建设酶不断发震，基础建设觏模不辑扩大，天然地基越来越不能满足建( 掏) 筑 物对地基的辩求，这就需要进行地基处理，形成人正地基，以保证建( 构) 筑物 的安全与正常使用。随着人们对体性状的研究推动了地基处理的发展。水泥搅 拌桩复合地基便是地基处理靛方法之一。姨慧体上看，水泥搅拌法己发展成为一 种海陆兼备、地基基坑双用的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。同时水泥搅拌法作为一种地基处理方式与目前采用的 其链方法相比，它具有成桩效率裹、成本低、施工方便、搅拌时秃振动、无污染， 对相邻建筑物无不利影响特剐适合予城市中心区及建筑物较必密集的地域施工； 根据工程需蒙，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状或块状等加因型式；与钢筋混 凝土桩基相比，可节约钢材著降低造价；对软土厚度大、含水量窟、孔隙比大、 力学强度低豹地基有较好的热霾效栗，这些镜点决定了该技零在软弱遗基加露孛 有旺盛的生命力和广阔的发展前景。 1 。1 ，3 水泥搅拌桩复合地基在国内外盼发展 自1 8 2 4 年英蕃入掰斯皮琴制造如硅酸盐水泥并取得专利，1 8 8 5 年又在德禽 提出了用硅酸盐水泥作为注浆材料的专利申请以来，利用水泥灌浆止水，利用水 桂林理工大学硕士学位论文 泥和土拌合作为路基或坝基应用，但主要是作土的浅层处理。美国在第二次世界 大战蜃研制成功一种就埯搅搀桩( m 翟) ，即麸不断回转的螺旋铬中空轴的端郝 囱周围邑被搅松的土中喷出水泥浆，经叶片韵搅拌丽形成水泥主桩，桩径0 3 0 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入这种施工方法， 继而又开发文以螺旋钻槐失基本施王机械的c s l 法、m r - d 法。c s l 法、m r - d 法帮是采用螺旋链杆上带有特殊缝状的搅拌翼片，并逶过钴轷供给永泥浆，每主 强制搅拌而成。 到了6 0 年代，日本和瑞典分别开发研制成功种用于加固深层软土的方法 深层搅拌法，可用来处理地下深部的潺流冲积较、潮沼和海底撅软的沉积 士，以及河道两岸的超软欧填土，甚至新近沉积的淤泥等。一般采用的固化剂均 为水泥浆或石灰粉。 19 6 5 年露本运输省港湾技术研究所开发生产的d l m 法，鼯将石灰掺入软弱 地基孛加以藏位搅拌，使之固结豹深层搅拌工法。1 9 6 7 年霉本港湾研究掰土工 部参照m 婵工法研制出石灰搅拌机械。19 7 4 年日本港湾技术研究所等单位叉成 功地研制丁水泥搅拌固化法( c m c 法) ，用于加固钢铁厂矿石堆放地基，加固深 度己能达到3 2 m 。接着露本各大藏王企监接连舞发研毒l 蕊匿原理、固纯裁接近， 但机械规格和施工效率备异的深层搅拌机械，形成了多种方法。例如深层化学搅 拌法( d c m 法) 、深层水泥搅拌法( d m i c 法) 、深层水泥固结法( d c c m 法) 等。这些施王枫械常在港王建筑中的防波堤、码头岸壁及高速公路高填方下的深 厚层软土地基加露工程中应用。 瑞典在1 9 6 7 年也提出类似的加固方法，1 9 7 1 年首先制成石灰搅拌桩，并于 19 7 2 年庵予斯德哥尔摩城郊的h u d d i n g 路堤盼软基加匿，接着用于深层基坑支 护煞加固，施露深度均簸达裂1 5 m ，篷蔫在瑞典广泛应震。 前苏联在1 9 7 0 年也研制成功种淤泥水泥土桩( 类似予美国m i p 方法) ， 用于港湾建设工程申。淤泥土含水量虽高达1 0 0 , - 一1 2 0 ，但掺加1 0 - 1 5 水泥 蜃，半年龄裳强度可达3 0 0 0 k p a 。计算表骧淤泥水泥桩篦钢筋混凝桩的造价低 4 0 。 我国于2 0 世纪7 0 年代末致力乎这项技术的开发并应用于王程实践中。1 9 7 7 年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进孬室内试验和机械研制工 作，子1 9 7 8 年底潮造是嚣内第一台s j b 薹鍪双搅拌轴、孛心管输浆蕊搅拌机械， 并由江阴市江阴振冲器厂成批生产( 目前s j b 2 加圆深度1 8 m ) 。1 9 8 0 年初上海 宝山钢铁总厂第五冶金建设公司在兰座卷管设备基础软土地基加固工程中妪式 采焉并获褥成功。1 9 8 0 年视天津市枫械施工公司岛交通部一航局科研掰利用臣 本进口螺旋钻孔机械进行改装，制成单搅拌轴和叶片输浆型搅拌机，1 9 8 1 年在 2 桂林理工大学硕士学位论文 天津市造纸厂蒸锅改造扩建工程中获得成功。尔聪，浙江大学和浙江临海市一建 公司辊械施王处共同磷制成功d s j 。致型单头深层搅拌橇，最大加圈深度2 0 - - , 2 2 m ， 桩径4 0 0 - - 7 0 0 r a m 。1 9 8 4 年国内开始由江阴市振冲器厂生产s j b 型成套搅拌机械， 加固深度可达2 5 3 0 m 。1 9 8 5 年浙江省建筑设计院也在新建八层大楼工程中应用 深层搅捧法趣匿人工杂填地基，扩大了深层搅拌法逶应土质的范匿。上海探矿 机械厂董9 9 4 年生产出蕊强0 2 墼双辘深屡搅拌枕，翔霾深度1 8 m ，戒孔童径 7 0 0 m m 。2 0 0 2 年上海探矿机械厂又研究生产出= 种三轴钻孔搅拌机，钻孔深度 达2 7 3 0 m ，钻孔直径6 5 0 , - - 8 5 0 m m 。 耪体喷射搅拌法( d j m 法) 最早由瑞典大k j e l dp a u s 手1 9 6 7 年提出使用虿 灰搅拌桩加固1 5 m 深度范围内软土地基的设想，并于1 9 7 1 年瑞典l i n d e n - a l i m a t 公司在现场制作成第一根用石灰粉和软土搅拌成的桩，1 9 7 4 年获得粉喷技术专 剩。璜典l m d c * a - a l i m a t 公司还生产融专雳的成摭施工机械，戒柱桩径可达 5 0 0 m m ，最大加羲深度可达1 0 m - - - , 1 5 m 。 我国铁道部第四勘测设计院于1 9 8 3 年初开始进行粉体喷射搅拌法加固软士 的试验研究，并于1 9 8 4 年在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上单孔4 5 m 盖板箱涵 软土地基加匿工程孛使溺，后来相继在武墨秘连云港霜予地下水遵淘稽挡土壤霍 铁路涵洞软基加固，均获得良好效果。1 9 8 5 年4 月通过铁道部部级技术鉴定， 建议逐步推广使用。1 9 8 6 年杭州地基基础工程公司使用水泥作为固化剂，应用 于房屋建筑的较地基加固，获得成功。1 9 8 7 年铁道部第四勘测设计院帮上海 探矿机械厂制成g p p 5 型步覆式粉喷祝，成槛_ 鲞径5 0 0 m m ，加匿深度1 2 5 m 。 当前国内的成桩直径般在5 0 0 - - 7 0 0 r a m ，深度一般可达1 8 m ，它为软土地基加 固技术开拓了静新的方法，可在铁路、公路、市政工程、港嗣码头、工业与民 用建筑等软主地基热固方面推广使用n 凄调。 1 2 水泥搅拌桩复合地基的研究和应用现状 。2 。 复合地基溉述 近年来随着现代化建设的不断发展，入口的不断增加，基础建设规模不断扩 大，在工业与民用建筑、交通、水利、电力等工程中经常会遇到软土地基。这种 地基熬承载力较低，含水量高，莲缩性较大，土层性震复杂多变，不能满足工 程建设的要求，导致建筑物在建成后很久仍存在沉降，有时还会产生不均匀沉降， 影响建筑物的正常使用，因此，必须对这种地基进行加固和改良。地基处理的方 法很多，复合地基以其投资经济，且能满足工程需要这一显著特点成为一种比较 理想翡软土地基处理方式。 地基可分为天然地赫和人工地基两类。当天然地基不能满足建( 构) 筑物对 3 桂林理工大学硕士学位论文 地基的要求时，需要进行地基处理，形成了人工地基，以保证建( 构) 筑物的安 全与正常使用。经过处理薏形成酶入工地基大致上可分为三类：均质地基、多层 地基和复合她基。 均质地基是在地基处理过程中加固区土体性质得到全面改良，加固区土体的 物理性质基本上相同，加固区的范鬓，无论是平面德置与深度，与荷载作用对应 的建基持力层或蘧缩层范围穗比较都蠢满是一定的要求。 ， 双层地基是指天然地基经地基处理形成的均质加固区的厚度与荷载作用的 面积或者其相对应的持力层和压缩层厚度相比为较小时，在赞载作用影响范围 连，地基出两层性质褶差较大约土体缀成。 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分士体得到增强，或被置换，或 在天然地基中设置加筋材料，加固区e l l 基体和增强体两部分组成的人工地基。在 葡载作用下，基体帮增强体两者共同分担上部蘅载并协调变形。 耋1 9 6 2 年藿际土首次使用拜复合地基势( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 一词黻来， 复合地基的概念己成为很多地基处理方法的分析及理论公式建立的基础和根据。 但是复合地基的理论研究远远落后于复合地基的工程实践。进行复合地基理论研 究，将有助予加深对复合地基工俸枫理的谈识，促遴地基处理技术更好豹应用窝 更快韵发展。根据地基中增强体的分布方向的不同，复合地基可分为水平肉增强 体复合地基和竖向增强体复合地基。具体划分如下： 复合地基 f 散体材料桩复合遗基 竖向增强体复合地基 1 粘结材料桩复合地基 需葚蓑萎喜羞蓁 水平向增强体复合地基主要包括南各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料 格栅等形成的复合地基。 竖惠增强体习惯上称为桩，竖翔增强体复合地基通常称为桩体复合地基。桩 体复合地基搬据竖寅增强体懿性爱又可努尧三类：散体材料桩复合缝基、柔性桩 复合地基和刚性桩复合地基。 敖体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度， 单独不能形成桩体，只有依靠餍围体靛匿箍作用才麓形藏桩体。教体材料桩复 合地基的承载力主要取决于散体材料内摩擦角和周围地基土体能够提供的桩侧 的侧限力。散体材料桩复合地基的桩体主要形式有碎石桩、砂桩等。 柔性桩复合地基的桩体露l j 度较小l 但桩体具有一定糙结强度，柔性桩中部分 强度较高的桩( 魏粉喷桩，有时称半剐性桩) 己较强地表现舒眭的性状。柔性桩 复合地基的承载力由桩体和桩问土共同承担，其中桩体的置换作用是主要组成部 毒 桂林理工大学硕士学位论文 分。t 柔性桩复合地基的桩体主要形式有土桩与灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。 刚性桩复合地基的桩体逶掌以水泥舞主要胶结耪料，有时豳混凝土、或壶1 混 凝土与其他掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩士共同作用，通常在桩顶设置 一定厚度的褥垫层。刚憾桩复合地基较散体材料桩复合地基和鬃性桩复合地基具 有更高的承载力霹压缩模量，丽且复合地基承载力具有较大的调整幅度。 教镩材料桩复合地基、柔牲桩复合遗基帮剐性攘复合地基，盎予其律翊视理 不同，破坏模式不同，其承载特性及变形特性也不相同，三类复合地基有其备自 的承载力及沉降计算法，其设计方法也有一些差肄，因此应分别加以研究。 复合地基技术在世界土本工程建设中已得到广泛使焉。十九邀纪五、六十年 代，随着深层搅拌法和商压喷射注浆法在地基处理中的推广应用，人们开始重视 水泥土桩复合地基的研究，国内外研究者对水泥土桩复合地基承载力和变形计算 发表了大量的论文，水泥土桩复合地基技术迅速成熟了起来。现在无论是予法( 喷 粉) 、湿法( 嚷浆) ，还是从设计、施五到质量检测，都己具备较成熟的经验和计 算公式，备旋国家、地方、行业的规范、规程、手册和教材都对其进行了详细的 叙述6 引。 1 ，2 。2 深层搅拌桩复合地基的研究和斑用现状 深层搅拌法在本世纪5 0 年代开发于美国，6 0 年代以后，则结果于日本和瑞 典无论在固化裁、施工机械、质量监测乃至设计理论，基本、瑞典均较美屋璺菇 系统、先进。 在深层搅拌技术发展史中，b b b r o m s 教授为带头人之一。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 期襄系统的研究，发表了大量著述，积累了丰富的实践经验。东南受的新加坡、 马来西亚、印尼、泰国、香港自8 0 年代初以来在深层搅拌技术方面相继开展了 大量的应用研究。目前对深层搅拌桩的研究主要集中在以下几个方面1 ： ( 1 ) 蘅载传递机理研究 到露前为止，己经有不少学者对水泥搅拌桩复合地基的荷载传递祝理进行了 研究。 1 9 9 7 年，马海龙等一3 运用弹性半空闻无限体的m i n d l i n 解答和浅基础的分 层葱囊法，桩主闻滑动采用剐塑性模型，分析了柔性桩靛蕊载传递规律。结暴显 示，柔性桩的荷载传递深度受桩土相对刚度k 的控制，k 越大，传递深度也越 大。桩身应力和桩侧摩阻力主要集中在有效桩长范围内，桩土应力比随荷载增加 两减小，接近极限荷载对，1 ：1 趋于稳定。 通过现场实测出桩身应力、应变沿深度的分布是研究水泥搅拌桩荷载传递机 s 桂林理工大学硕士学位论文 理的有效手段。叶观宝等d 叼在1 2 4 m 单桩和1 2 4 m 复合地基的载荷试验中实测 了桩身应力分布，认为承泥搅拌桩单桩桩身主要受力段位于桩顶2 3 倍直径( 毒 5 m ) 范围内，复合地基中桩身主要受力段位予桩顶上部。对于超过1 0 m 的桩， 其下部受力很小，主要起减小地基沉降的作用。e l j 于钢筋应力计的弹性模量远比 水泥土大，测量时会使应力向钢筋集中，使结果偏离实际。段继伟等h 1 3 用弹性 模量较小的塑料管代替钢筋，在塑料管侧壁贴上应变片，徽成类似钢筋计的搿传 感器 来测定水泥搅拌桩的桩身应力。研究结果显示，传到桩端的荷载占桩顶荷 载的比例甚小，桩体的变形、轴力和侧摩阻力主要集中在0 - - l c ( 有效桩长) 深 度内；当外蘅增大时，会使0 - l c 深度内桩体的变形增大，毽瀑深度大予k 时， 桩体变形、桩身轴力和侧摩阻力随外荷的增大变化均较小。宋修广等n 钉也通过 现场足尺试验，测出了水泥粉喷桩的应力、应变关系，推算出桩侧摩阻力、轴力 变化曲线。结果表明，蘅载沿桩身的传递有一定的范围，桩体的变形、应力、侧 摩阻力主要集中在有效桩长范围内，丽各量变化梯度在浅都较大。 传递函数法是由s e e d 和r e e s e 予1 9 5 7 年提出的 1 a o 这种方法的基本概念是 把桩划分成许多弹性单元，每个单一元与土体之间用非线性弹簧联系，以此来模 拟桩土之闻的荷载传递关系稚躬。吴雄志豇匐将克拉夫一邓肯模型作为传递避数， 对水泥土桩荷载传递规律及有效桩长进行了研究，描述了桩周摩阻力的分布及发 展规律，并详细讨论了有效桩长的确定标准及桩身弹性模量、外摩擦角、容许沉 降量等因素对有效桩长的影响。 郑刚等汹3 通过轴对称有限元无穷元祸合分析，研究了水泥搅拌桩单桩、 基础单桩以及基础砂垫层单桩的荷载传递规律。分析结果表明，就 沿桩身向下传递荷载的能力来说，水泥搅拌桩存在临乔桩长，随桩土模量比的提 高，有效桩长增大，在桩身上部桩土之闻可以产生相对滑移，产生裾对滑移的深 度与桩土模量比有关。后来，郑刚等n 刀又通过模型试验证明了水泥土接 触面类似刚性桩的性质。结合轴对称有限元无穷元祸合的分析结果表明，基 础、桩长和垫层对水泥搅拌桩复合地基的荷载传递有较大影响。 水泥搅拌桩单桩荷载传递规律与实际工程中的群桩复合地基传递规律有着 明显的差异。钱建固等“们根据软土地基某大型油罐水泥土复合地基的监测成果， 分析了水泥搅拌桩群桩复合地基竖向应力传递的规律性及其传递机理，认必由于 软土抗剪强度低，当基础的整体刚度较大时，群桩与桩闻土形成一个实体，当上 覆荷载达到某一临界水平后，实体与侧壁土体将产生剪切破坏。 ( 2 ) 承载力的载荷试验研究 冒前，搅拌桩复合地基承载力的计算理论研究尚不成熟，工程上一般通过载 荷试验测定承载力。根据复合地基载荷试验确定复合地基承载力是一个较为复杂 6 桂林理。工大学硕士学位论文 的问题，涉及到载荷板桩土的相互作用、复合地基破坏模式、褥垫层的 影响等，采用单桩静载试验纛载蘅试验确定嚣复合地基承载力与采用复合地基 载荷试验确定的承载力可能存在较大差异8 引。徐超等汹3 认为水泥搅拌桩复合地 基的承载力评价应考虑荷载特性和桩的端承条件，需要根据上部建( 构) 筑物的 变形要求，会理确定相关参数。李安勇强垃建议水泥搅拌桩复合地基承载力的确 定应通过群桩复合地基载荷试验进行，谈力载蓊板包含的桩数越多，试验的结果 越接近复合地基的真实受力状况。但限于加载条件，工程上往徒只进行单桩和单 桩复合地基载荷试验。 壶于承载枫瑾熬不同，搅拌桩复合遗基承载力的确定方法也不霹。恩德泉等 d 幻基于现场试验，研究了根据静载试验确定粉喷桩复合地基承载力基本值的现 有几种方法，提出了新的取值思路。杜海金3 根据2 0 余项载荷试验结果，对用 载蘅试验确定粉喷桩承载能力鲍标准进行了探讨与醭究，认为霹将试验曲线分为 3 种类型，在分析各种影响因素的基础上，分别采用不同麴取煎方法。郑刚等滞3 人对水泥搅拌桩复合地熬承载力问题作了大量的研究，认为对于短桩，单桩承载 力可以按沉降量大小控制，丽长桩( 桩长大于6 m ，软主中大予8 m ) 桩身下部很 难出现桩相对清移，承载力往往受摭身耩料强度控割。郭毒宽等涵，入有类儆 观点，并建议若是工程桩( 非试验桩) 复合地基静载荷试验可视设计荷载的2 倍为“极限承载力”；或者通过相对沉降来确定复合地基极限承载力，通过安全 系数来确定复合逑基承载力熬标准毽。 通过静载试验p si i 蠡线来确定搅拌桩地基承载力，有比例极限法、= 倍沉 降增量法、切线交会法、斜率法、实测法、相对沉降法等。 徐新跃嘲1 透过现场静载荷试验分析得到：承淀搅拌桩单桩及单桩复合地基 的荷载沉降夔线总体上属于陡降型，其破坏特征点十分明显。其承载力可以 通过荷载沉降曲线的明显陡降起点所对应的衙载来确定。杨顺安等饼3 提出 了一种根据静载资料确定搅拌桩复合地基的新方法一回弹法，主要是由曲线的回 弹量确定地基土麓弹性变形极限，并以压缩益线上沉降量与试验嚣弹量相同点所 对应的匿力值作为地基容许承载力。张建薪等渊认为复合地基的桩或土破坏顺 序不同，桩的长短不一及桩间土性质不同，可表现为不同类型的载荷试验p s 趣线，应结合具体的桩条谗，采用合适的承载力确定方法。在分析大量试验瓷 辩及在实践经验基稿上，建议采用相对沉降法和圈弹法来确定求泥搅拌桩复合戆 基承载力。 当荷载沉降曲线是平缓的光滑曲线时，按规范汹3 可敬相对沉降值等于 0 。0 0 6 所对应的荷载作为承载力特经蕊。砖魂宝等汹3 通过对1 4 5 m 长黥水泥搅拌 桩单桩、单桩复合地基以及多桩复合地基载荷试验结果进行对比研究，认为评价 7 桂林理工大学硕士学位论文 水泥搅拌桩复合地基承载力时，应尽量以加荷至破坏的荷载沉降曲线为依 攥，当未如赞至破坏霞采用糯对沉降值俸荛承载力判断依据时，不可富基地采用 规范上的相对沉降值0 0 0 6 ，而应该根据地方经验以及工程实际情况，选择合适 的相对沉降值。张建新等口妇也认为豳予地区情况差异，各地适用的取值标准可 能不同。他能在多项工程试楼资料基础上，考虑到糕对沉降值与场恁质条馋有 关，绘窭了邯郸地区确定水泥搅拌桩复合逮基载蘅试验承载力的相对沉降值，认 为按此值确定的载荷试验承载力比较合理。 对于超长水泥搅拌桩复合地基，郑刚等啪1 认为不宜采用控制沉降比的方法 来确定承载力，应热载至极限状态确定其极限承载力葳面确定承载力特捱值。 ( 3 ) 水泥搅拌桩复合地基的沉降计算研究 水泥搅拌桩复合地基沉降计算是长期以来一戡没有很好解决的问题。实用计 算方法般采用双层地基模型，邸把复合地基的沉降量分为加固区土层匿缩量 s l 帮热蔑嚣下群层歪缩量s 2 两部分9 1 。 s i 可用复合模量法、应力修正法或桩身压缩蘑法计算。此外，1 9 8 3 年， g o u g h n o u r 提爨了类似应力修正法的廒变修正法来计算加固层的压缩量s l c 蛸3 创。 溺建剽根据桩与整之阅的褶互箨震因子叠热，提出了计算复合地基趣鑫区沉降酶 一种简单、实用的新方法婵3 。 复合模量法采用复合模量e c 来评价复合土体的压缩性。复含模量法不仅理 论基础充分，蔼且可以算如加翟区餐士层酶分层沉降戳及中心和边缘处沉降，且 不存在通过骰设来推求下卧层项面应为的难题，俸为水泥土搅拌桩酶沉降计算简 便可行。黄盈生汹3 采用有限元数值计算方法对复合模量进行了反演分析，结果 表明复合模爨随置换率的变优并非呈线性关系。由于影响复合模量的因素较多， 复合摸量静准确确定巍器进一步研究。 加固区沉降量s 1 很小，地基沉降主要以下卧屡压缩量s 2 为主，这一结论己 经被实测所证实。s 2 常采用分层总和法计算。由于作用在下卧层顶面的荷载是比 较难默精确计算鹃，工程上常采爝应力扩教法、等效实体法、当量层法或改进 g e d d e s 法计算粥。 用应力扩散法计算，计算简单快捷，便于工程中进行沉降的初步估算。等效 实体法通过把加固区视为具有一定理深、四周作用有粳| 摩阻力的实体基础按分屡 总和法计算。改进g c d d c s 法掰褥到的复合建基竖巍辩热应力解，考瘪了桩身及 桩土共同承担荷载、协调变形，比较能反映水泥搅拌桩复合地基的工作特性。 1 9 3 6 年m i n d l i n 提如一套计算垂蛊点荷载作用程半无限空间表面下的弹性力 学鳃应办解汹】。g c d d c s 首先根据m i n d l i n 解进行积分导毒了均布蓊载、三角形 分布荷载在地基中产生的应力计算公式d t o 后来，许多学者对用m i n d l i n 解，尤 寒 桂林理工大学硕士学位论文 其是联合应用m i n d l i n 解与b o u s s i n c s q 解推求水泥搅拌桩复合地基的附加应力和 沉降进行了广泛薛研究。 1 9 9 1 年黄绍铭等潞3 建议采用下述方法计算s 2 ；设复合地基总荷载为p ，桩 体承担p p ，桩间土承担p s 砷p p 。在地基中产生的竖向应力与天然地基中应力计 算方法相圊，应用b o u s s i n c s q 解，凡在缝基中产生的竖向应力采用g e d d e s 法计 算。叠趣嚣部分虚力褥到地基孛总的竖肉应力，再采爝劳层总和法计算s 2 。 采用这一计算方法的关键在于找出符合实际的桩侧摩阻力分布。张小平啪】 依据对柔性桩桩身应力传递特性的研究，分析了桩身摩阻力的分布规律，用 m i n d l i n 解考虑楚位酶摭德摩隘力的分布形式，撬导窭了求复合地基孛耐擞废为 的计算公式。曹先富瑚3 建议通过大量试验，寻找到桩土应力比变化规律，桩端 力和桩侧力分布规律，按照以m i n d l i n 公式计算桩体引起沉降与按b o u s s i n e s q 公 式计算桩闻弓l 超沉降黪二者叠加，采用类似桩基的等效作用分屡总程法，计算 水泥桩复合地基豹沉降。 潘林有h u 根据刚性承台水泥搅拌桩复合地基的轴力和摩阻力分布规律，将 软士水泥搅拌桩所受的力简化力沿柱身均布和三焦形分布的摩阻力，这部分 力在翔固体下卧层蠹产生的应力认为用m i n d l i n 解比较合理，并蠹此焚纯提蒜一 种适于工程设计沉降预估的实用计算方法。徐洋等“2 3 针对当前求解刚性基础下 复合地基沉降变形时较少考虑桩土间变形协调的情况，在对若干试验结果分析的 基础上，提出了刚性基础下复合地基桩侧摩阻力分布形状的假定，然后分别用蘅 载传递法、m i n d l i n 解答和弹性力学鳞答分析了单桩模型中桩体和桩闻的沉降 变形，建立了单桩复合地基的沉降变形计算方法。 柔性承台下复合地基的受力性状鸟雕性承台下复合地基有缀太差别，桩体对 承螽有剿入变形趋势。常用的复合地基应力耨沉降计算理论均基于剐性承台下复 合地基，使计算值与实际值相差较大。张忠苗等1 用m i n d l i n 解与b o u s s i n e s q 解联合求解柔性承台下复合地基的附加应力，考虑了桩侧摩阻力的实际分布，比 较准确地反映了实际工程中桩土的受力情况。利用v e s i c 小孔扩张理论计算桩体 刺入柔性承台韵量，修正联合求解法求得的沉降，可以得到与实测接近韵沉降计 算值。 路堤柔性荷载作鞴下粉喷桩桩身与土上部的位移不协调即梭顶及桩端的刺 入交形，王欣等瓣1 认为宣采震弹性力学孛酶m i n d l i n 解与b o u s s i n e s q 解联合求 解，计算粉喷桩复合地基内的附加应力和地基沉降。邱钰也应用了此方法求解柔 性荷载下粉喷桩复合地基中及复合地基下卧层土中应力及沉降。计算表明由 于桩懿作用，燕露区熬附加应力大大减少，两下爵屡鳇黠熬应力有所增加，从焉 导致下卧层的沉降增大。联合求解法既考虑了刺入变形，又考虑了应力非均匀分 桂捧理工大学硕士学位论文 布，计算结果往往与实测能较好吻合。 水泥搅拌桩复合地基沉降计算中应考虑各种透素的影响。 费勤发等汹3 讨论了桩长、水泥掺入量对搅拌桩复合地基变形的影响，认为， 当桩长小于1 3 m 时，桩越长对变形控制越有利，但桩长大于1 3 m 时，这一控制 作用显著减小；水泥掺入量鑫 1 5 时，对控制地基变形作用最大，a p l 5 时对 控割沉降豹作用降低。 张诚厚等h 刀在计算中通过选用合适的压缩性指标来考虑软粘土的结构性对 地基沉降的影响，使计算结果与实测值更接近。郝箍龙等阳1 结合温州地区典型 深厚软土，蓠先分析了采餍水泥搅拌桩如固的4 - 8 屡建筑物她基的长期沉降观测 结果，并用传统的方法避行了沉降计算，发现计算结果是实测结果的3 倍左右。 然后，试验研究了典型温州软土的结构性，得出主要压缩层的土体结构屈服虚力 比在1 7 - 2 5 范嚣内，发现当下卧层的辩热应力嚷与有效自重应力吼鑫之和夺予土 体结构震服应力仃。时，下卧层土体保持较好的结构性，沉降将得到有效控制。 最后，在张诚厚等人研究工作的基础上，提出考虑软土结构性的沉降计算方法 考虑土的结构性对下卧层沉降的影响。 相对予双层地基模型，为更全面姥反映搅挎裢复合地基的王作特性，裔学者 提出了考虑有效桩长的三层地基模型计算理论。对予设计桩长大于有效桩长的水 泥搅拌桩复合地基的沉降计算，把压缩层分为三部分：有效桩长部分：有效桩长 以下的桩身范围部分；下群层部分。秦建庆等油3 经过比较认为按三层地基模型 计算复合地基的变形是可行的，与实测值较接近。 1 3 水泥搅拌桩计算研究现状 孳。3 。1 桩基计算理论 桩土相豆作用分析计算理论目前盘要有：弹性理论法、剪切位移法、荷载传 递法和有限单元法等。其中前面三种方法都是以单桩分析为基懿，再用一定靛假 设叠加或重复搜用应用子群桩分析。 ( 1 ) 弹性理论法 p o l o u sc s l 3 ( 1 9 6 5 ) 等人提出弹性理论法，之餍p o l o u si s 2 ( 1 9 8 0 ) 将弹性理 论法的理论和运用总结魑缝为比较成熟和完善的体系，并给出了一系列的系数图 表，供工程设计使用。弹性理论法的基础是m i n d l i n 课题。m i n d l i n 给出了在均 匀、各向周性的弹性体半空间作用单位竖向荷载的情况下，弹性半空间内任一点 处应力、位移的积分形式的解析解。弹性理论法的基本假定是：作为线弹性体酶 桩被插入一个理想均质的各向同性的弹性半空瓣体内，土的弹性模量及泊松眈不 因桩土边界位移而发生变化，桩的周边粗糙而桩底平滑。应用m i n d l i n 公式导出 桂林理工大学硬士学位论文 土的柔度矩阵，求解满足桩士边界位移协调的方程式，即可得到桩轴向位移和侧 摩阻力等。这静方法可以考虑土的连续性，可焉于分析大觏模的群桩基础，计算 地基中任一点的竖囱附加应力和交形。但其以理想均质的各向同性的弹性半空间 体为前提，筒实际地基土层是非均匀性和各向异性，因而适用性受到限制。些 学者将其推广到层状弹性体有限层地基、端承桩、非均质土、土酶非线性以及桩 阕嚣滑移等闯题。鲡费勤发和马海龙粤将弹性理论法霸分层总霹法摆结含来 考虑层状地基及其非线性，用m n i d l i n 应力公式计算竖向附加应力，用分层总和 法计算土的沉降量。 弹性理论法计算复杂，将地基土餐舞理想弹性体，只透过弹性模量和溜松比 两个土性参数来描述土的特性，与实际情况有出入，此外没有考虑桩设置后的加 筋效应对土性参数的影响，如何正确选择土性参数的问题也没能很好解决。 ( 2 ) 赘切位移法 c o o k e 粼3 在实验和理论分析基础上提出了剪切位移法，用于分析均震、弹 性地基中纯摩擦刚性桩阀题。该方法把桩身和桩尖变形分别计算。对于桩身部分， 假定桩受荷时桩身周围土体以承受剪切变形为主，离开桩体距离相等处剪应力相 等，置剪应力与离开整体轴线距离成反比关系，桩周围土体变形可视为露心圆柱 体。这一假定的正确性已被c o o k o 等人用单桩和群桩试验成果和f r a n k 和 b a g u e l i n 等人的有限元分析所证实合理耶5 1 。桩底部分则按一般弹性理论方法计 算其变形。 这类方法原理简单，基本缓定合理，但与弹性理论法类似，剪切位移法泰能 考虑土的非线性和非均匀性。 ( 3 ) 荷载传递法 s e e d 和r e o s c 瓣3 ( 1 9 5 7 ) 首先提斑蘅载传递法，焉来分析攘麓蘅载佟递规 律及其沉降计算，其基本思路是把桩沿长度方向离散成若干弹性单元，土体对单 元的作用用独立的非线性弹簧描述，这些非线性弹簧的应力应变关系称作为传递 函数，桩体单元之闻的相蔑作用无法计及，郄桩体中任一点的位移只与该点的侧 摩阻力有关，丽与其他点的侧摩阻力无关，体被假定为离散弹性介质。 这