（交通运输工程专业论文）北仑港区矿石堆场软基处理方案的综合分析.pdf

摘要 宁波北仑港区是中国四大深水良港之一，也是中国重要的铁矿石中转基地， 随着社会经济的飞速发展，铁矿吞吐量的逐年增加，竞争的日益激烈，对于港区 堆场的使用要求也越来越高。 如何处理大面积、高承载力要求的港区深厚的软土地基，向来是个棘手问题： 土体变形情况复杂，理论滞后，实践性极强；而在技术可靠，经济合理的前提下， 结合具体的工程情况，如何定量化分析、优选最佳方案，是一个引人入胜的课题， 也具有较大的现实意义。 宁波北仑港区自1 9 7 8 年以来，已陆续建成矿石堆场约3 0 万平方米左右，采 用的堆场软基处理方法主要有四种：即袋装砂井堆载予压法、强夯置换石碴桩法、 挤密砂桩法和水泥粉煤灰碎石桩法。其技术可靠性，造价高低，工期长短等各方 面各有其优缺点。 本文结合北仑港区工程实例，首先对北仑港区软基的工程特性、抗剪及变形 进行了详尽的描述、分析：然后进一步研究、分析各种方案的加固机理及处理效 果，提出了一些不同的想法。最后运用层次分析法设计了一套定量化分析的应用 程序软件，较为准确地确定了一些权数，分析了一个工程实例，为港区堆场软基 加固方案的选择提供一种思路和可行的方法。 最后，通过对于国内外文献的阅读和学习，借鉴兄弟港口堆场建设的实践经 验，对于港口饱和软粘土处理的发展趋势，提出了几点设想与展望。 关键词：港区堆场，软基处理，层次分析法 a b s t 峪c t t h en i n g b ob e i l u np o r ta r e ai so n eo ft h ec h i n e s ef o u rb i gd e e pw a t e r g o o dp o r t s ，a n di ti sa l s oa ni m p o r t a n ti r o no r er e l a yb a s e si nc h i n a a l o n gw i t h t h es o c i a le c o n o m yr a p i dd e v e l o p m e n t ，i r o no r ev o l u m eo fg o o d sh a n d l e dy e a r b yy e a ri n c r e a s e ，c o m p e t i t i o nd a yb yd a yi n t e n s e ，m o r ea n dm o r e i sa l s oh i g h r e g a r d i n gt h ep o r ta r e ad u m ps i t eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s ， h o wt op r o c e s st h ed e e ps o f ts o i lg r o u n dw h i c hr e q u e s tb i ga r e ah i g h s u p p o r t i n gc a p a c i t yi nt h ep o r ta r e ai sa l w a y sad e l i c a t em a t t e r ：t h es o i lb o d y d i s t o r t i o ns i t u a t i o ni s c o m p l e x ，t h et h e o r yl a g ，a n dt h ep r a c t i c a l i t yg r e a t l y s t r e n g t h e n e d h o w e v e rw h e ni t i sr e l i a b l ei nt h et e c h n o l o g y , u n d e rt h e e c o n o m i c a lr e a s o n a b l ep r e m i s e ，u n i f i e st h ec o n c r e t ep r o j e c ts i t u a t i o nh o wt o r e a l i z eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dc h o o s e st h ep r e f e r r e dp l a ni sas i g n i f i c a t i v e t o p i c ，a l s oh a st h eb i gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s i n c e1 9 7 8t h en i n g b ob e i l u np o r ta r e ah a sc o m p l e t e dt h eo r ed u m ps i t e a b o u t3 0 0 ，0 0 0s q u a r em e t e r so n ea f t e ra n o t h e et h e r em a i n l yh a v ef o u rk i n d s o fs i g n i f i c a t i v em e t h o dt op r o c e s st h es o f tb a s eo ft h eb e i l u np o r ta r e ad u m p s i t e ：t h ep a c k e di nb a g ss a n dd r a i np i l e sc a r d e sg i v e sp r e s s e st h el a w , t h e s t r o n gp r e s s e sr e p l a c e m e n tb a l l a s tp i l el a w , p u s h e st h ed e n s es a n dp i l el a w a n dt h ec e m e n tp u l v e r i z e dc o a la s hc r u s h e ds t o n el a w t h e yh a v et h e i ro w n g o o da n db a dp o i n t si nt h ee n g i n e e r i n gr e l i a b i l i t y , t h ec o n s t r u c t i o nc o s th e i g h t ， t h et i m ei i m i tf o rap r o j e c ti e n g t ha n ds oo n ， t h i sa r t i c l eu n i f i e st h ep r o j e c te x a m p l eo f t h ep o r ta r e a ，f i r s th a sc a r r i e do n t h ee x h a u s l i v ed e s c r i p t i o nt ot h eb e i l u np o r ta r e as o f tb a s ep r o j e c t c h a r a c t e r i s t i c t h ea b i l i t yo fa n t i c u ta n dt h ed i s t o r t i o n ；t h e nf u r t h e rs t u d i e s ， a n a l y z e se a c hk i n do fp l a nt h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n dt h ep r o c e s s i n g e f f e c t ，p r o p o s e d s o m ed i f f e r e n t i d e a s f i n a l l y i th a s d e s i g n e d s e to f q u a n t i t a t i v ea n a l y s e sa p p l i c a t i o np r o c e d u r e s o f t w a r eu s i n gt h e a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，a c c u r a t e l yh a dd e t e r m i n e ds o m ew e i g h t s ，h a v e a n a l y z e dap r o j e c te x a m p l e ，a n dp r o v i d e saf e a s i b l em e t h o df o rt h ec h o i c eo f t h es o f tb a s er e i n f o r c e m e n tp l a ni nt h ep o r ta r e ad u m ps i t e ， f i n a l l y , t h r o u g hr e a d i n ga n d $ t u d y i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e ， u s i n gt h ee x p e r i e n c eo ft h ec o n s t r u c t i o ni nt h eo t h e rh a r b o rd u m ps i t e sf o r r e f e r e n c e ，i th a sp r o p o s e ds e v e r a lt e n t a t i v ep l a n sw i t ht h ef o r e c a s tf o rt h e d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fp r o c e s s i n gs a t u r a t e ds o f tc l a yi nh a r b o r s c a ox i a o t i a n d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i ng u o l o n g k e y w o r d s ：p o r ta r e ad u m ps i t e ，s o f ts o i lg r o u n d ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) 论文独创性声明 本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。论文中除了特别搬以标注帮致谢蘸遗方努，不 包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他 同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确 的声明并表示了谢意。 作者签名：监强期：之丝 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保篷、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和 借阅；学校可以上网公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或者其德复簏手段保存论文。保密静论文在解密 后遵守此规定。 日期： 上海海事太学交通运输。程硕士论文 一、雩| 言 。 试验曲线如酉： s 图2 - 2 - 1 库仑强度定律 公式( 2 - 2 1 ) 给出了土沿菜一个给定的萄发生剪甥破坏的条件。实际应用中， 常擞判断土中一点是否破坏。但在同一点处，不同的作用灏上的作用力不同，蓑其中 某一个面上的切向力、法向力满足了式( 2 - 2 1 ) ，则认为该点发生了剪切破坏，并 馥该点处予极限乎篱状态。盎于葵承圜爱浚了不固馋恩面上的法囱力和切肉力，因此 它与上述库仑强度定律结台，即可建立处于极限状态时的应力条件。 j 蕊。贰一 图2 - 2 2 对应于不同状态的葜尔圆 ( 1 ) 应力隧i 与强度包线提离，鄄剪应力r s ，该点娥子弹蠖状态。( 2 ) 应力圆i i 与强度靓线在a 点相切，即r 2 s ，该点处于极限平衡状态；应力圆i i 稼为援疆盛力困。( 3 ) 应力鏊l i l 与强度篷线耱裁，帮： $ ，该煮娃子破舔凌 9 上海海事大学交通运输工程硕士论文 态。在实际的受力状态中，当f = s 时，已发生剪切破坏，故这种应力状态不可能在 土体的实际受力状态中出现。 一一弋歹开赢麟f 一、 毋 o - t f q 、 露薅不捺零羹强度 不瓣拳剪强 度。但在工糨实践中，安全系数的确定远小于国家舰范要求。 在j 毫仑港区鬻辑较基楚疆麓工程实戥串，遂菱骥藐剪程度随辩褥蘑长蕊释低靛蕊 象，也应该目f 起足够的重视。 ( 兰l i 会港区软土戆变形情壤 圭在暴力俸爱下发生交形，辩一般鳃_ 王程瓣邋，接鹣痤力承平多在羧菩k p a 以下，在这样的应力作用下，土中颗粒的变形很小，完全w 忽略不计，因此，土的压 缩赣燕主中孔豫减小静结暴，土钵秘的交纯鬣就等于萁中孔陈的减小量。侮在键和软 牯中，情掇不尽棚圊，现缝合宁波北仑港区堆场建设。跨况分板热下： 上海海事大学交通运输工程硕士论文 饱和土在受到外荷载作用时，孔隙水从孔隙中排除，同时土体中的孔隙水压减小， 有效应力增大，土体发生变形，这一过程称为渗透固结。饱和粘土是粘粒在静水或流 动非常缓慢的水中沉积而形成的，其间通常还伴随着化学反应，所形成的土层具有强 度低，压缩性高，渗透性差的特点，亦称为软土。由于渗透性很差，故饱和粘土的渗 透固结过程进行得十分缓慢，因此，其沉降随时间的发展过程对实际工程具有重要的 意义。 太沙基一维( 单向) 固结理论 所谓一维( 单向) 固结，是指粘土层只在竖向发生压缩( 相当于完全侧限) ，土 中孔隙水也只沿竖向的渗透。此外，还假设：孔隙水的渗透服从达西( d a r c y ) 定 律，且七保持不变；压缩系数口v 保持不变：外荷载为均匀满布荷载，且瞬时施加。为 建立固结方程，在粘土层中取一体积元，并注意到在渗透固结过程中，体积元中孔隙 的变化始终等于其中孔隙水的变化，并利用上述假设，最终可得到其固结方程为： a 2 “ 抛 、。z 2 o t ( 2 - 3 一1 ) 其中 r k l ”一一 卅，。 称为崮结系数，它综合反映7 土的j 土绢及渗透性。再引入 “0 ，f l 一2p ( 初始条件) ( 2 3 2 ) f g ，】。= 0 【“g ，r 】z = 2 h = 0 ( 边界条件，两面排水时) ( 2 3 3 ) 由式( 卜3 1 ) ( 卜3 - 2 ) 解得其超孔隙水压为 脚p 薹扣( 刳e x p ( - m 2 引。圳 其中 l = 睾 称为时间因素，为无量纲量。对双面排水的粘土层，式中的h 为粘土层厚度 1 2 上海海事大学交通运输工程礤尘论文 翡半；擎瑶j 求时，瓣淑为整个藕鬣靛簿瘦。 由式( 卜3 - 4 ) 可得趣孔隙水压的分布规律： ( 1 ) 超孔隙水压“随时间的维移逐渐减小，直至最终完全消散。 ( 2 ) 饱和糙层两蕊排水射，其中蕊处的挺最大，因为其摊水距离最长；薅个 排水面处的“始终为0 ，因为其排水距离始终为0 。 ( 3 ) 零嚣撵零对，不透农甏处赘掰凝大，撵窳瑟鲶熬掰始终秀e 。 ( 4 ) 注意到当地基表面为均匀满布荷载p 时，饱和粘土层中任意深度处的蛏向 附加应力盯均等于p ，因此有 o - t 0 ，f ) = 巧， ) 一封0 ，f ) = p 一辩0 ，f ) ( 2 - 3 5 ) 由此砸褥到有效应力沿糖土鼷厚度的分布情况。 9 阐结度及饱和粘土地基的沉降过程 ( 1 ) 霾缝疫豹概念 固结度是衡鬃固结完成程度的指标，有两种不同的撒述方法：一种鼹针对饱和粘 土徭中一点处静，魏对将该点豹鬻结度寇义力萁有效应力与总应力之磁。镶如，对前 面研究的一维固结问题，将粘土层中某点处的固结度为 = 剖= 掣小掣。嘞 而更常用的魁将固结度定义为整个粘土层在时刻t 的竖向变形与艇稳定后变形 嚣魄整，静 u 。：塑：曼 s s ( 2 3 7 ) 可爨涯鞠，u ) 羲燕u 0 ，f ) 漆整令糖层厚度戆乎终篷。 可得： u 一2 荟矿1 e x p ( - m 2 引( 2 _ 3 嘞 上式收敛很快，取第一项，可得 上海海事大学交通运输工程硕上论文 小7 8e 坤l 。引 当u o ) 3 0 ，由上式可得到较好的近似解；若u o ) 较小，则应多取几项计算。 ( 2 ) 粘性土的沉降过程 u o ) 求得后，由 4 0 = u ( ，) 3 ( 2 - 3 1 0 ) 可得任一时刻的沉降。 这里还需说明的是，式( 2 - 3 8 ) 是在假设竖向附加应力沿粘土层厚度均匀分 布的条件下得到的，这要求地基表面的荷载为均匀满布的。但在实际工程中，由基础 传至地基的荷载是分布在有限范围的荷载，相应的竖向应力是沿深度逐渐衰减的。此 外，对欠固结土，其沉降还需考虑自重应力的影响。可以证明，式( 2 - 3 8 ) 适用 于： 粘土层两面透水，无论粘土层中的竖向应力是何种分布形式： 粘土层单面排水，且粘土层中的竖向应力均匀分布。 当粘土层单面排水，而粘土层中的竖向应力为非均匀分布时，需采用另外公式计 算。 事实上，在北仑港区矿石堆场软基处理及使用过程中，在不影响安全的前提下， 对土体的沉降变形的要求并不高，而且，土体的后期沉降( 使用期沉降) 约占总沉降 的4 0 一6 0 ，一般在施工结束时预先提高面层的标高，预留沉降。 1 4 t 海海事天学交遴运箍下程磺” 论文 三、 魏仑港区矿石堆场常用软基加圈方案综合分析 软土饿基的加固方法主要有朗种，即排水固缩法、深层挤密法、动力压密法及化 学翘固法，结合j 0 仑港区矿石堆场黪建设实践，逛一分辨翅下： ( 一)袋装碜势壤载予纛法 1 溉述 大量的工程实践和科学研究袭明，在较粘性地基上，特别是在饱和粘性土地基 上施加个静载时，会出现两种情况：( 1 ) 静荷载超过地基的承载能力，地基将出现很 大的塑性赘切变形，壹至发生破坏，( 2 ) 羚黄载 氐予邋基螅承载姥力，溉基体夔着 时问的推移将发生沉降或蒺异沉降，使建筑物产生变形、裂缝，严重的撼至引起建筑 饕德臻。为解决静一类滔麓，应设法提裹逡基i 懿撬骛强疫，焉解凌岳一类趣题，过 去常用的方法是在建筑物正式施工预先使地基发生沉降，以减少后期施工和使用期的 沉降量。 一般来说， 乍用于饱和软糙地基上的荷载，在最初时亥4 ，企部由中孔隙水压 力承担，从而造成很大的超孔隙水压力。超静水臁力大的区域中的孔隙水向压力小的 医城波动，这就是强骧本压豹溃数。峦予糙性熬渗透系数很小，强羧窳鲍流感卡分 缓慢，随着孔隙水的排走，土体产生相应的压缩变形，土的强度也之逐渐增大。由此 可露，芤豫水莲力豹清散过程就蹩土静蓬镶国结j 建程，邈就是豹强凌瀵长遥稔。孔 隙水的排池通常有三条途径：一怒在地面上预加一个压力，从而在体内造成一个压 差，迫使孔隙水向砂层或通过预先设置的滤层排走；二怒在土体内规定的部位施加一 个熊压，这样也熊在土钵内造成一个压蓑，诱饺孔隙水囱受压区集中摊迮；三是利用 电能在土体内造成一个电势差，驱使孔隙水排走。三种方法总称“排水固结法”。 2 。袋装移莽堆载鞭压法热零毒嚣遴 堆载预压法怒最古老的一种软基加固方法。即在建筑物旋工前，用与设计荷裁相 等躐略大的荷载( 称为预聪荷重，知土、移、石料等) ，堆积现场使逸基强迫压密沉陷， 上海海事大学交通运输t 程硕士论文 以提高地基的强度，减少建筑物的后期沉降量。待强度变形达到设计要求后，将预压 荷载搬走，而后在经预压过的地基上修建建筑物。根据土力学原理，土层的固结时间 应与排水距离的平方成反比，因此，土层越厚，固结时阃越长。如果在土层中设置一 些人工的排水通道，就能缩短土层的固结时间，这就引进了排水砂井的概念。砂井和 预压结合应用就是砂井预压法。 一般地基软土层的水平向渗透系数远大于垂直向渗透系数，设置砂井即可充分发 挥孔隙水易于水平方向流动的特点。在预压荷载作用下，地基土内孔隙水缓慢地流向 砂井，再沿着砂井流向铺在地基上的砂垫层。如果砂井旌工质量不佳或地基变形过大 而出现各种排水不连续现象，则砂井的排水作用将大大降低，地基土的加固效果不明 显，所以，嗣后又出现了“袋装砂井预压法”，即把砂料装在一根细长的透水口袋内。 再用机具把它插入地基中。 袋装砂井是6 0 年代后期在普通砂井的基础上发展起来的一种软基加固技术。从 巴伦( r a b r o n ) 的固结理论分析表明，井径对固结时间的影响没有井距那样敏 感。从理论上讲，砂井直径只要能够满足排水要求就可以了，软粘土渗透系数一般是 砂井渗透系数的0 0 1 倍，砂井的理论直径可以很小。但在对高含水量的软基处理时， 常因孔壁不稳，使砂柱变形、流动，因而有时出现砂井直径切断等现象，难以保证砂 井的连续性。一般希望砂井地基砂井布置得细而密较好。井径减小，排水率不是成正 比的降低，根据这一分析，国内外开始广泛采用袋装砂井加固地基。 3 工程实践 1 9 7 8 年北仑港区建设十万吨码头矿石堆场，经过反复论证、试验，决定采用袋 装砂井加堆载予压，其主要技术参数如下：袋装砂井直径2 7 0 m m ，l = 1 2 m ，1 6 0 0 9 5 0 m m 梅花形布置，5 0 0 r a m 砂垫层，8 m 厚石碴分三级加载。加固结果表明：袋装砂井 比普通砂井具有明显的优点： ( 1 ) 在施工打设砂井时其连续性好，不会因施工操作上的误差使砂井的连续性 遭到破坏。由于砂井袋是柔性的，当地基产生水平和垂直变形时仍能保持其连续性。 ( 2 ) 因砂井直径大大减小，节省材料，因而费用低廉( 一般袋装砂井比普通砂井 造价低4 0 6 0 ) 。 ( 3 ) 袋装砂井施工机具轻便简单，效率高，一般每昼夜可打设2 5 0 根左右。 ( 4 ) 与打入式普通砂井相比，排泥量少，施工所引起的土体扰动小。通过袋装 1 6 上海海事大学交运运竣下程硕= 论文 砂井堆载预愿鸯爨匿的地基，茭视麓承载力蠼加4 0 ，终1 0 0 i 2 0 k p a ，经过二卡多年 的堆场运行，局部葡载可达4 0 0 k p a ( 实际衙载) 。 袋装砂并预压法懿理论缀残熬，麓工经验氇辍丰富，簸理效浆良好，稷由于箕施 工期镀长，而且堆载料用量很多，施工后难以处理，因此，现在一般结合其他方法( 比 摇强夯法) 涞综合键用。 ( = )强夯置换看碴桩法 1 概述 强夯誊换虿建糖法是麓力压密法豹一耱，所谓动力箧密法，就是采嗣渤蔫载j c 雩缝 基进行加固的方法，这种方法一般比静载预压法经济。研究表明一个单位的重量，设 法交成动荷载后，可以产生上千倍的当量静藏效应，因此采用动荷栽加固软土地麓已 成为当今世界上软綦加固技术发展巾的一项重大攒旅。因为它可以带来较经济的工程 造价。动力服密法主要是利用各种掇源产生动荷载威反复衙载使土体产生液化，从而 弓l 起体愿蠢结构魄破坏，传重鞭毅 捌，最嚣达到一个鞍为密实、稳定豹瑟结梭。 例如强夯法域爆破法，巨大的能量瞬间释放产生的压缩波使土体孔隙水压力急剧增 大，其强度剿锐减，睫之在势留波作矮下使主静琢肖结穗解体。待这些波消逝后，土 粒落剔一个新的较稳定的位置，同时有相当一部分水排走，从而使土体获褥加密。重 锤夯实法、掇动挤密法和机械压实法也基本相同，只是它们所产生的动荷载比强夯法、 爆破法小两墨。但枫械压实法 乍用蹿闻比较长，有效加固深度只餐1 2m ，不象强 夯法成爆破法那样加固深度可达1 0 m 乃至2 0 m 深。对于非饱和土( 包括各种垃圾土、 疫弃物等) ，艇魂芬载惹霹将这些孝葶瓣戆霖骞续橡瓣体，魏陈中瓣气钵逸獭，鼓蔼达 到加网目的。对颗粒较粗的地基加闲效果尤为显著。 强夯法越理魂蘩由法国l o u i sm e n a r d 技术公司在1 9 6 9 年首创，这荦牵方法怒使 用吊升设备将很重的锤( 一般为8 4 0 t ) 起精至较大高度( 般为8 2 0 m ) 簸。使其自 由落下，产生巨大的冲击能鼹( 一般为ll0 0 4 0 0 0 k p a ) 最大可达8 0 0 0 k p a ) 作用于地 基，绘地基以；孛击魏振动，扶露在一定范豳内使地蒸豹强度握裹，器缭牲醛低，羧善 了地撼的受力性能。此法应用初期，仅用于加固砂_ 土、碎石土地基。但强夯法经过几 年瓣发震宅已遣瘸子撵鞠扶砾石饔糨毪主豹各炎缝基主。这主要是崮予施工方法 1 7 卜海海事大学交通运输丁程硕十论文 的改进和排水条件的改善。它不仅能提高地基的承载力，降低其压缩性，同时，还能 改善地基抵抗振动液化的能力。为处理软土地基，还发展了预设的袋装砂井，或纸板 排水的强夯法、夯扩桩加填渣强夯法、强夯填渣挤淤法、碎石桩强夯法等。强夯法具 有设备简单、旌工速度快、不添加特殊材料、造价低、适应处理的土质类别多等特点， 在地基处理工程中得到广泛应用。我国从1 9 7 8 年引入强夯法后，经过几十年的发展， 现已广泛应用于工业民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路、铁路路基、飞机场跑道、 码头以及大型设备基础等地基处理工程中。 2 强夯法的加固机理 强夯法加固地基虽有大量成功的工程实例，国内外学者从不同的角度对其加固机 理进行了大量的研究，但是，由于各类地基的性质差别极大，强夯影响的因素也很多， 从土体本身来说，土的类型( 包括饱和土、非饱和土、砂性土、粘性土) 以及土的结构 ( 颗粒大小、形状、级配、絮状结构，聚粒结构) 、构造( 层理等) ，密实度、抗剪强度、 渗透性、压缩性，强度等均会影响加固效果。从土体外部来说，单点夯击能( 锤重、 落距) 、单位面积夯击能、锤底形状和面积、夯点布置、夯击次数、夯击遍数、两遍 夯击之间的间歇时间以及强夯置换的填料，砂井的作用也会影响加固效果。可从机理 上作出不同的解释，这些解释虽众说纷纭但可以互补，形成系统的解释。强夯的基 本原理是：土层在巨大的强夯冲击能作用下，土中产生了很大的应力和冲击波，致使 土中孔隙压缩，土体局部液化，夯击点周围一定深度内产生裂隙形成良好的排水通道， 使土中的孔隙水( 气) 顺利溢出，土体迅速固结，从而降低此深度范围内土的压缩性提 高地基承载力。 强夯法对于饱和土的加固机理 强夯加固地基的机理比较复杂，到目前为止尚未建立起一套成熟的理论和设计计 算方法。根据工程实践和试验成果，随地基类型和加固特点不同，其加固机理也有所 不同。针对于北仑港区的堆场，软基的加固机理分析如下： 传统的饱和固结理论为t e r z a g h i 固结理论认为；饱和土是二相土。土体由固体 颗粒和液体( 通常为孔隙水) 组成。假定水和土粒本身是不可压缩的，因为水的压缩系 数很小仅为5 1 0 “m p a ，土本身的压缩系数更小，为6 1 0 m p a ，而土体的 压缩系数通常为0 6 1 5 m p a ，各相差1 0 0 1 0 0 0 倍。当压力为1 0 0 6 0 0 k p a 时， 土颗粒的体积变化不足土体体积变化的1 4 0 0 ，故可忽略土粒和水的压缩，认为固 1 8 = 海海事大学交通运输r 程硕十论文 结就是孔隙体积缩小和孔隙水的排出。 德帮体在诤卷萤载律翔下，承不髭及辩攘密，鼓髂积不交程是发生：餐自变形， 因此夯击时饱和土造成侧面隆起，匿夯时形成“橡皮土”。强夯时则不同，m e n a r d 根 据偬霸土经强夯后瞬时产生数十厘米沉降遮一事实，认为德和并非二韬主，二确 的波体中存在一些封闭气泡，约占士体总体积的l 3 ，在夯击时，遮部分气体 可压缩，认为饱和士是可压缩豹。他还提出了一个新的动力圃结模型，与传统的 t e r z a g h i 羚力基缝模型比较，有缀多不尉点。在强夯作用下，气体体积缨小的滕力 增量与孔隙水压力增量一致。因此，冲击便士结构破坏，土体积缩小，液体中气泡被 压缭，藐藩衣匿办增翔，孔獠东渗滚辩密，承压藏小，气滤彩驻，钵又褥戳二次夯 击压缩。夯击使土结构破坏，孔压增加，迭时土体产生液化和触变，孔压消散，触变 恢复，强度增加。着一遍嚣密过小，刚土结构破环丧失的强度大，艋变俄复增加酌强 度小，则夯聪承载力反而减小。但是，若夯黄第二遍，土避一步凰密，则触变恢复增 加的强度大，依次增加遍数可获得预想的加固效果，结合埂论和工程实践，本人对于 强夯法翔整鳃羁款糕的掇理分攒烬下： 1 ) 由于士体中有机物分解及土毛细管的弯曲作用土中总含有气泡，其体积约占 总体积豹l 3 ，强夯时，气溺俸积基缩，藐豫本基力增大，麓焉气体有 所膨胀，孔隙水排出，液拥、气相体积减小，即饱和土具有可压缩性。遮就 是强夯对土体产生瞬间压密变形的条件。 2 ) 强夯时土体结构被皴坏，士体被慰绩，土牲周围的弱结合水由于振动和激度 影响，定向排列被打乱，柬缚作用降低，随着夯击能量的增大，孔隙水压力 不装增大，冀篷达到上覆麓重对产篷局部滚纯，弱绩会承变成塞凌零，熬 强度下降到最小值。随着孔隙水压力降低，结构恢复，强度增加。 3 ) 由于强夯辩夯击髓餐较大戳波豹形式传递，同对夯锤下体歪缭，产生对拜 围土的挤密作用，使士中威力场重新分布，土中浆点拉成力大于士的抗挝强 度时，在土体内就出现裂隙并成树枝状排水网络，孔隙水得以顺利溢出，对 夯毒兹后躲渗透系数的交但可用一个孑l 经可变戆l 本芋l 避孝亍摸羧，当滚纯 度( = 超静孔隙水压力与全威力之比) 小于临界液化胰时，渗透系数随液化度比 铡蘧汝，当其超过漆赛滚讫度露，渗透系数骤增，这表翻主体产生摄丈翡承 平披应力，心现大鼹裂隙。所以在夯击点周围产生垂直破裂面，出现冒气冒 1 9 上海海事大学交通运输t 程硕七论文 水涌砂现象。随着孔隙水压力的消散，土颗粒重新排列组合，孔压低于侧向 总应力，水平拉应力减小，微裂缝重新闭合，这时土中液体又恢复到正常状 态。 3 工程实践 1 9 9 3 年北仑港区二十万吨码头矿石堆场建设，经过反复试验，采用强夯置换石 碴桩法，夯重2 2 吨，底座2 1 m ，单击夯能4 5 0 0 k n * m ，成桩长度约7 m 左右，4 4 m 梅花形布置，置换率2 5 3 0 ，1 5 m 石碴垫层。 因为对饱和软粘土来说，强夯处理效果并不显著。所以采用在夯坑内填碎石、塘 碴等粗颗粒材料，通过夯击能作用排开软土，从而在地基中形成碎石墩，也就是强夯 置换石碴桩法。并进行了5 0 m $ 5 0 m 的实地试验，由于碎石墩具有较高的强度并能和周 围土形成复合地基，另外，碎石墩中的空隙是软土孔隙水良好的排水通道，由此缩短 了软土的排水固结时间，使土体强度得到提高。 施工结果表明，土体的强度增加了2 0 4 0 ，大约在9 0 l o o k p a 之间，而且 通过堆场1 0 年左右的运行，局部荷载可达3 0 0 k p a 左右( 实际荷载) 。 强夯置换石碴桩法处理地基的优点非常明显：即设备简单、施工速度快、不添加 特殊材料、造价低、适应处理的土质类别多，工期与投资的效益非常明显。但对于四 周环境的影响也很大。 ( 三)挤密砂桩法 l 概述 挤密砂桩法是深层挤密桩法的一种，深层挤密桩法是以振动和冲击的方法成孔， 然后向孔中填入砂、石、土、灰、灰土或其它材料，将材料捣实挤入软土地基中，在 地基中造成直径较大的密实柱体，称为挤密桩。过去认为，在软土地基中采用挤实砂 桩效果不明显，但近几年来采用了新的施工工艺，它可使较大深度范围内的地基得以 挤密，效果良好。深层挤密桩法按填入材料不同，可分为砂桩，碎石桩、生石灰桩和 灰土桩等。 砂桩法主要优点是既能用于陆上也能用于水上的软基加固，日前陆上加固深度已 2 0 上海海事大学交通运输t 程硕士论文 已达3 0 m ，水下可达4 5 m ，此外用同一台施工机械可适应各种土层( 松砂地基、软粘土 地基和超软土地基) ，并根据土层的松软程度可方便地调节压入砂量。能适应快速加 固地基的要求，一般要求承载力为1 5 0 3 5 0 k p a 时，加固后勿需压载可达到要求。同 一台机械既可施打挤实砂桩又可施打普通砂井，因此施工中根据工程需要可随时进行 砂井或砂桩的变换施工。挤密砂桩既具有普通砂井的排水作用，又有类似摩擦桩的支 承作用，砂桩和土构成复台地基。砂桩自引人我国后，在工业及民用建筑、交通、水 利等工程建设中均得到应用，有成功的经验，但也有达不到预期处理效果的情况，尤 其在软弱粘性土中还缺乏经验。 振动沉管砂桩是近十余年来发展起来的一种砂桩施工工艺。振动沉管法是在振动 机的振动作用下把套管打入规定的设计深度，套管入土后挤密了套管周围的土，然 后再投砂子，排砂于土中，振动密实、振动拔管成桩，多次循环后就成为挤密砂桩。 这种施工工艺处理效果较好，既有挤密作用又有振密作用，使桩与桩间土形成较好的 复合地基，提高了承载力、防止了砂土液化、增大了软弱地基土整体稳定性。目前， 砂桩材料除单纯砂子外，还有砂石桩、灰砂桩( 扶：砂= 3 ：2 ) ，用砂石料形成砂石桩， 用灰砂料形成灰砂桩。灰砂桩随着时间的增加，土中固化作用提高，桩体强度也不断 增加能起到挤密地基、提高地基承载力的作用，砂石桩比纯砂桩桩身具有更好的颗 粒级配、有更大的桩身密实度，单桩强度有所改进。 砂桩的施工工艺和设计理论在不断发展，但在实践工程中还会遇到一些新问题。 例如，计算桩距时要不要考虑或如何考虑施工时地面的隆起和下沉问题：在粘性土地 基的砂桩设计中，要不要考虑或如何考虑砂桩对桩间土固结排水的影响；扩大桩径 时对设计的桩距有无影响，如果有影响，将如何考虑；在软弱粘性土中，采用大直 径、大桩距效果好还是采用小直径、小桩距效果好。 2 砂桩在软弱粘土中的加固机理 在施工实践过程中，砂桩加固软粘土的机理也在进一步的发展。砂桩在软弱粘性 土地基中，其挤密作用减弱，主要通过桩体的置换和排水作用加速桩间土体的排水固 结，并形成复合地基，提高地基的承载力和稳定性，改善地基土的力学性能。结合北 仑港二次用砂桩法处理软基的工程实践来分析砂桩在软粘土的加固机理： 1 ) 置换作用 对粘性土地基，特别是软弱粘性土地基，其粘粒含量高，粒间应力大，孔隙往往 t 海海事大学交_ i 基运辕王摇硬士论文 大予粒粒径，渗逡性低。在扳动力或接爆力的传用下，中水不易摊走，会出现较 大的超静孔隙水压力，扰动土比其有同密度同含水量的原状土，熟力学性能会变差。 鼹叛，砂棱瓣缝帮熬洼戆速基瓣箨羯不怒揍密鸯嚣图终雳，甚至穰藩咎戆强疫会鑫 现暂时的降低。砂械对粘性土地基的作用之一是利用砂桩本身的强度形成复合地基。 载赫试验和工程实藏表明，砂桩复合遗基承受外蘅载时，发生压力向嚣a 震大的柱俸集 中的现象，使桩间士层承受的压力减小，沉降比相应减小。地基承载力增大率和沉降 减小率与置换率成e 比。试验表鞠，在同等荷载作用下，其沉降可比原地基土减小 2 0 3 0 。 砂石置换法是一种换土置换，即以性能良好的砂石来祷换不良的软弱粘性土。排 法是一耱疆捐置换法，它是逶过减蕴辍搬将不整途基强镪捧嚣并嚣换；褪是，它稍 对械间土的挤密作用并不明显，有时，在施工时会使饱和软粘土地基地面产生较大的 隆起，有噩寸还会造成表层硬壳土松渤。 由于砂桩的刚发比桩周粘性土的刚度大，两地纂中应力按材料变形模爨进行黧耨 分配。因此，大部分荷载将由砂桩来承担，桩体应力和桩间粘性土应力之比值称为桩 威力毙，试验表鹾，般8 l 达裂2 4 。 2 ) 排水作用 麴藩瓒述，软弱精往楚一静鬏粒缩、渗透毯低显结构往较强靛，在残桩豹过 程中，由于振动挤臌等扰动作用，桩间土出现较大的超静孑l 隙水臌力，从而导致原地 基土的强度降低。宵工程实测资料表明，制桩后立即测试可知：檄闻土含水量增加了 l o 、于密度下降了3 、十字板强度比朦地基土降低了1 0 4 0 。制桩结束后， 一方面原地藻土的结构强度逐渐恢复；另外，在软粘土中，所制成的砂桩是粘性土地 基孛一令爨好懿蓑 求遥遵，妙棱霹瑷秘移势一样怒撂拳终溺，大大绩短了魏黢拳戆窳 平渗透途径，加速了软土的排水固姑，加快了地基的沉降穗定。加固结果使有效威力 辔翻、强度恢复并提高，甚至超遭原土强痰。资料表明，在载荷板面积影响范函内， 饱和的粉质糕土和淤泥质粉质粘土，当荷载约为1 6 0 k p a 时，砂桩复合地麓沉降稳定 时间为6 0 7 0 h ，而天然地基的稳定时间为t 9 0 h ，这说明秒桩促进地基固绪沉降肖十 分爨藩的馋用。 由于砂桩是一种散粒材料桩，幽它承受荷载作用后会产生较大的径向位移，并引 超摭瘸糖产生被动菝力。翔采援麓赘强度遘低，不l 这弱移控掰需静缎彝绞索力， 上海海事大学交遥运输王程预土论文 桩体豹强度就得不劐充分发挥，甚至会产生臌胀破坏，这样就难以选到理想的处理效 果。这就需要在施工过程中合理地布置成极的顺序。 3 ) 酝磐作震 如果软弱土层不大，则桩可穿遴整个软弱土层达到其下的相对硬层上两，此时桩 落程蕊羲终掰下裁会产生力集中，获两馕赣主逶基承担懿森力疆瘦减，l 、，荚缝采与天 然地基相比，复合地基的承裁力会提高、压缩会减小、稳寇性会增加、沉降速率会加 茯，还可用来改善主体的抗剪强度，加固稀的复合缓土层还能大大羧善体的稳定， 这种加固作用就是邋常所说的“加筋法”。 4 ) 垫展作用 如栗软弱层较厚，则毫窿体不掰能穿逐整个艨，北融+ 如圜过的复会桩土层戆 起到垫层作用，垫层将荷载扩散，使扩散到f 卧层顶面的应力减弱并使分布趋于均匀， 驮蠢缝高簦鏊基豹整侮羝撬力，减枣葵滚降豢。 3 工程实践 能仑港送酌锾1 、铁2 潍场( 2 0 0 1 年) ，铁3 、铁4 雏繇( 2 0 0 4 年) 软基处理筠 采用了砂桩法：直径5 0 0 m m 沉管灌注砂桩，l = 2 0 m ，l m * l m 正方形布置，置换率2 0 ，5 0 0 m m 脬砂石蛰层，结采表明效果蘸好，地基并未发生大的隆起，局部隆起也很 快瀵教，透水性良好，旌工结束，体豹承载力提糍了2 0 3 0 ，搿达1 0 0 k p a 左豢。 这表明：砂桩是适合于处理粘性土地基的，其加固原理如上所述：澄换作用，排水作 瑁，舞 拳蠢续、复会控垫攥毒筝震及龛萎蘩佟耀。遴遘戳上魏国掺趱，可以这至l 摄嚣 地蒸承载力、减小地基沉降量、加速固结沉降、改善地基稳定性、提高砂土地基的相 对寮凄、耩强抗液能熊力等鹜静。国予海砂资源丰饔，氇可部分节约授瓷。 ( 四)水溅粉煤灰碎石梳法( c f g 桩) 1 概述 水泥羚煤灰碎磊柱 楚琢c f g 援( c e m e n tf l y a s hg r a v e l ) ，楚峦碎露、石震、 砂石和粉煤妖掺适嫩水泥加水拌和，用各种成桩机械在地基中制成的强度等级为 c 5 c 2 5 的皴。亦帮这耪处理方法怒逶遥奁碎石柱髂中添蕊疆承泥为主静胶结奉孝辩， 添加粉煤灰是为增加混合料的和易性并有低标号水泥的作用，同时还添加适量的石屑 ：薄海事大学交通运输工程破士论文 默改善级酝，使桩体获德驳缝强度菸从散体材料槛转化为爨有某些黍性援特点的蕊粘 结强度桩。 c f g 缓复合圭| 羹蒺成套技术，楚在8 0 年代由中国建筑摹萼学磺究陡立题开始试黢磅 究，1 9 9 2 年通过了部级鉴定，1 9 9 4 年被建设部列为全国重点推广项目，1 9 9 5 年被国 家科委歹| l 为国家缀全国重赢推广磺舀。经j 熏卡多年的研究帮推广疲霜使冀在我国桶基 本建设中起了非常霪要的作用。就目前掌握的资料，c f g 桩可加网从多艨建筑到3 0 层以下的齑层建筑，从民嗣建筑到工业厂房均可使用。与一般的碎石桩相比，碎石桩 系数体毒孝越桩，摭零身没稳糙接强度，主爨靠周围土的约寐形成桩体强度，并和楗! 闯 土组成复合地基共同承担上都建筑的垂直荷载。土越软对桩的约柬作用越差。桩体强 疲鹣小，毫疰传递垂嶷麓载熬键力越差。 通常在碎石桩桩顶2 3 倍桩赢径范围为高应力区，4 倍直径为碎石桩的临界桩 长。当桩超过萁晒界桩长，大予6 l o 倍褴径后辖淘力的传递收敛很快，当槛长大 于2 5 倍基础宽度履，即使桩端落在较好的土层上，桩的端阻力也很小。 刚性桩与散体材料桩不同，般情况下，不仅可全桩长发挥桩的侧摩阻力，桩端 落在好艨上也霹较磐懿发挥端照俸用。装烙碎露桩加以改进，使其具鸯刚性毽灼某 些性状，则桩的作用大大增强。复合地基承载力会大大增加。这样就在碎石桩体中， 掺麓逶量露藩、粉漾获帮窳泥麴永狰黎，涮残一耱糖接强度较褒瓣攘，爨形戒豹穰豹 刚度远大于碎石桩的刚度，但和刚性桩相比刚度相差较大，它是一种具有高粘结强度 的柔性桩。c f g 桩、桩闽士和褥蛰层一起构成柔设桩复台缝基。 2 。c f g 桩对手软糕的加固根理 2 0 0 3 年建龙钢厂建料堆场，采用低标号c 1 5 索混凝土桩，c f g 桩与索混凝土桩的 区剃莰在予犍钵孝葶瓣豹穆戏不圈，嚣在葵变形窝受力缚 叟方覆没蠢太大豹区别。瑷对 其加固原理分析如下： 1 ) c f g 桩的嚣g 性桩槛狡 对于像砂桩和碎石桩那样的散粒材料桩，它们主要怒通过有限桩长( 一般为6 l o d ) 传递垂直荷载的，碎石桩是程2 3 倍桩径范围内为商应力醚，当檎长大于菜一 数傻屡，接健递芬溅的l 乍援已显麓减弱。c f g 桩不同子碎石柱，跫县有定糖结强度 的桩，在外荷载作用下，桩身不会像碎石桩那样出现鼓胀破坏，并可全桩长发挥侧摩 港力，桩落在好藩上吴露鞠显戆凑承力，蕴承受靛蔫载遥过缓瘸熬摩疆力窝蕊端隧 海海事大学交逶远辕工程颈埝文 力捷裂深鼷逮基孛，其复金这基承竣力可大蝠度掇裹。c f c - 没奏僚碎石援曩撵懿蠛雾 桩长，它可以像刚性桩一样把外荷载传到深层地基。c f g 桩是一种有别于一般碎石桩 静特殊桩蝥，其考嶷议嚣l 榷箍懿工作原理。 2 ) 单桩承载力的可调性 c f c - 桩的桩长可根据实际工耩要求和她质条件确定，从几米剁2 0 多米，如目f 所 述，c f g 桩能像刚性桩那榉全桩长发挥桩的侧摩臌力。有资料表嚷，桩承担的赫载占 总荷载的百分比可在3 5 7 0 之间变化，有的工程这个比例更高，使得复合地基 承载力提蠢摄度大并虽其鸯攫大戆霉壤毯。特别楚天然地蘩承载力较低藤没计要求躲 承载力较高时，用槊性桩复合地基一般难以满足设计要求，用c f g 桩处理时，复合地 基承载力魄较容器蜜现。 3 ) 桩体的排水作用 c f g 桩在处理饱和粉土和砂士地基的施工中，由于成桩过程中的沉管和拔管酾振 动馋用( 螺旋转成孔振动 乍用小些) ，会使体晦产生较大的超静戮隙承鼷力。刚剐麓 工究的c f g 桩将是一个良好的排水通道，特别是在较好透水层上新还有透水性