（岩土工程专业论文）小桩复合地基法在高速公路中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 土木工程建设的发展促使复合地基的设计理论与施工技术得到不断创新和发展。 作为一种有效的地基处理手段，近年来发展起来的无砂混凝土小桩复合地基技术在工 程实践中得到应用。投石压浆无砂混凝土小桩复合地基法具有施工简便、控制变形能 力强、节省造价等优点，因而具有广阔的发展应用前景。然而，其计算理论却远远落 后于工程实践。本文对无砂混凝土小桩在高速公路桥台跳车中的应用进行研究。 本文在查阅了大量的复合地基及相关文献资料的基础上，结合小桩复合地基技术 的工程实践，总结了复合地基的处理方法。简要介绍了高速公路桥台跳车的主要原因 以及常见的路基处理方法；阐述了无砂混凝土小桩复合地基的工作机理和施工工艺， 以及变形计算方法；提出了新的沉降计算模型，采用桩身压缩及桩刺入变形计算复合 土层变形的方法概念明确，模型合理实用，为复合地基变形计算带来了方便。当采用 压缩模量法计算复合土层变形时，建议复合地基压缩模量计算采用统一的计算公式。 论文列举了无砂混凝土小桩处理高速公路桥台跳车的工程实例。工程应用的实践 表明，路基沉降控制效果较好，达到了预期目的。 最后，提出了进一步研究无砂混凝土小桩工作机理、发展和完善其设计理论的想 法，并给出了制订相关技术规范的建议。 关键词：高速公路复合地基无砂混凝土小桩沉降设计 施工 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g nt h e o r ya n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a v eb e e n g r e a t l yi m p r o v e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i v i le n g i n e e r i n g a sa l le f f e c t i v eg r o u n d t r e a t m e n tt e c h n i q u e ，n o - s a n d c o n c r e t em i n i p i l ew h i c hh a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s i su s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h i st e c h n o l o g yh a saw i d er a n g eo fa d a p t a b i l i t yo ft h e p r o j e c tw i t hf e a t u r e so fe a s yc o n s t r u c t i o n , l e s ss e t t l e m e n ta n dl o wc o s t h o w e v e r , t h e d e s i g n t h e o r yh a sl a g g e df a rb e h i n dt h ep r a c t i c e t h ea p p l i c a t i o no fn o s a n d c o n c r e t e m i n i p i l e i n r e d u c i n g v e h i c l eb u m p i n gi nt r a n s i t i o n a la r e ao fb r i d g ea n dr o a di n e x p r e s s w a yi ss t u d i e di nt h et h e s i s b a s e do i l r e v i e w i n gal a r g ea m o u n to fl i t e r a t u r ea n de n g i n e e r i n gp r a c t i c eo f n o - s a n d c o n c r e t em i n i - p i l e s ，t h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nm e t h o d si ng r o u n dt r e a t m e n th a v e b e e ns u m m a r i z e d f i r s t l y , t h em a i nr e a s o n so fv e h i c l eb u m p i n gi nt h et r a n s i t i o n a la r e ao f b r i d g ea n dr o a d a r cd i s c u s s e d ，t h e n ，s e v e r a lv e h i c l eb u m p i n gr e l i e fa p p r o a c h e sa r e c o m p a r e d s e c o n d l y , t h em e c h a n i s m ，c o n s t r u c t i o ns t c ：p s a n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n m e t h o d so fn o - s a n d c o n c r e t em i n i p i l ea r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h ec o m p r e s s i n ga n d p u n c h i n gd e f o r m a t i o no fp i l e ，c o m p u t a t i o nm e t h o d o fd e f o r m a t i o no f c o m p o s i t e f o u n d a t i o no fm i n i p i l ei ss u g g e s t e d t h em e t h o dh a sc l e a rc l u e ，a n dt h ec o m p u t a t i o n m o d e li sr e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a l i tb r i n g sc o n v e n i e n c ef o rs e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no f c o m p o s i t ef o u n d a t i o n w h e na d o p t i n gt h em o d u l u so fc o m p r e s s i n gt oc a l c u l a t et h e d e f o r m a t i o no fc o m p o u n ds o i ll a y e r s , t h eu n i f i e dc a l c u l a t i o nf o r m u l ai ss u g g e s t e d t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fn o - s a n d c o n c r e t em i n i - p i l ei nr e d u c i n gv e h i c l eb u m p i n g o fe x p r e s s w a yi sp r e s e n t e di n t h i st h e s i s i ti n d i c a t e st h a tt h ec o n t r o le f f e c to fr o a d b e d s u b s i d e n c ei sb e t t e ra n dt h ea n t i c i p a t e dg o a lh a sb e e na c h i e v e d f i n a l l y ，t h ep r o p o s a l so fs t u d y i n gt h em e c h a n i s m ，d e v e l o p i n ga n dp e r f e c t i n gt h e d e s i g nt h e o r yo fn o s a n d c o n c r e t em i n i p i l ef u r t h e rh a v e b e e np u tf o r w a r d s o m e s u g g e s t i o n so fi s s u i n gc o r r e l a t i v et e c h n i c a ls t a n d a r dh a v eb e e nm a d e k e yw o r d s ：e x p r e s s w a yc o m p o s i t ef o u n d a t i o n n o - s a n d - c o n c r e t em i n i p i l es e t t l e m e n t d e s i g n c o n s t r u c t i o n i l 独创性声明 x 1 0 1 7 2 8 9 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行豹研究工作及取想 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刘翘民 开期：p d 6 年，o 月，翻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保鬯并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅稠 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行捡索，可以采用影印、蠛印或扫攒等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在 本论文属于 不保密匦。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：刘鬈 氏 年解密后适用本授权书。 指导教辉签名：翔饭、矗 f 1 期：却。6 年f 月 e fr 日期：加g 年，口月f ? 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 复合地基处理方法 1 绪论 随着人类社会的发展，建筑占地迅猛增长，但是有大量的建筑地基的土质较差， 经常遇到的有含水量高、孔隙率大的泥炭、淤泥、淤泥质土或极松散的砂类土、素填 土、杂填土，甚至还含有生活垃圾，这些土的强度很低，压缩性大，抗震性能极差。 在土地资源日渐紧张的情况下，必须充分合理地利用。此时就必须发挥人的主动创造 性，运用科学技术，改造自然，改造不良地基，将其转变为我们所需的良好地基，地 基加固处理就是直接改造不良地基的技术之一。凡是基础直接建造在未经加固的天然 土层上时，这种地基称之为天然地基。若天然地基很软弱，则事先要经过人工处理后， 再建造基础者，这种地基称之为人工地基。而欧美国家称之为“地基处理”( s o i l t r e a t m e n t ) 或“地基加固”( s o i li m p r o v e m e n t ) i ”。经过地基处理的人工地基大致可分 为三类：均质地基( 包括多层地基) 、复合地基和桩基。 1 1 1 复合地基的概念 当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基的要求时，需要进行地基处理，形成人 工地基，以保证建( 构) 筑物的安全与正常使用，复合地基法是工程实际中应用较多 较广的一种地基处理方法。 复合地基【懈1 ( c o m p o s i t eg r o u n d ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，c o m p o s i t es u b g r a d e ) 是 指天然地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材 料，加固区是由基体( 天然地基土体或被改良的天然地基土体) 和增强体两部分组成 的人工地基，加固区整体看是非均质和各向异性的。根据地基中增强体的方向又分为 水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。竖向增强体习惯上称为桩，有时也称 为柱。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。 1 1 2 复合地基的分类 复合地基中增强体方向不同，复合地基的性状也不同。桩体复合地基中，桩体是 华中科技大学硕士学位论文 由散体材料组成，还是由粘结材料组成，以及粘结材料桩的刚度大小，都将影响复合 地基荷载传递性状。根据复合地基中增强体设置方向和增强体材料，可按图1 - 1 进行 分类【2 1 。 r 散体材料桩复合地基 f 竖向增强体复合地基广柔性桩复合地基 1ii， 复合地基 成孔 根据图纸设计，放出各个桩位，桩位的平面位置允许误差为1 1 0m m 。 用钻孔机( 或洛阳铲) 成孔，必须保证打孔机机座水平、钻杆竖直。基础底面以 上宜预留不少于5 0 0m m 的覆盖土层。设计桩顶宜高出基底3 0 0 - 5 0 0m m ，因此取成 孔桩长为设计桩长加8 0 0m m 。在基坑开挖时，将上覆土层及桩顶质量较差段人工凿 去成孔垂直度允许偏差为1 桩长。桩位水平位移小于5 0 m m ，标商允许偏差5 0m m 。 ( 5 ) 安放注浆管 施工注浆所用钢管不拔出，可保证小桩质量，增加小桩桩身的强度。因此，小直 径桩一般用厚壁钢管。注浆管采用直径2 5 m m 钢管，注浆孔径及位置可根据土层、注 浆压力及注浆部位现场确定。注浆管周身在台钻上钻孔，孔径为5m m ，采用2 0 0 2 5 0 m m 交叉布置，以便浆液输入。根据设计要求，注浆管有效长度应高出孔口约2 0 锄， 以便注浆。在注浆管的管口放入塞子，以免碎石掉入管内，并用居中器使注浆管居中。 ( 6 ) 碎石投放 施工碎石采用5 1 5 m m 级配振实，每次投石厚度小于5 0 0m m 。采用插入式振动 捧振捣，振捣方法按施工规范要求进行。 ( 7 ) 注浆压力控制 工程注浆分渗入灌注和二次补浆两个阶段。有压灌浆阶段的容许灌浆压力与原状 土条件，以及桩孔深度、位置和灌浆次序等条件有关，离散性较大。通常由现场试验 来确定灌浆压力，即通过逐步提高压力，绘制注浆量与注浆压力关系曲线，实际注浆 时，可以将试验所得容许压力的8 0 作为注浆压力：也可根掘经验，对砂土取o 2 0 5 m p a ；对粘性土，取0 2 o 3 m p a ；对粉土，取o 2 o 4 m p a ；补浆压力一般为1 2 m p a 。 ( 8 ) 灌浆量控制 灌浆量为碎石桩中碎石的孔隙体积和桩周加固土层灌入孔隙体积之和。在灌浆过 程中，碎石桩中孔隙是相通的，可为浆液完全填充，而桩周土层中有些孔隙属封闭孔 隙，浆液不可能完全将其充填，故在计算时，常乘以一个折减系数。同时考虑到浆液 可能流到加固区以外，造成损 ，灌浆量可按下式计算 v = v , n ，+ m n ( 1 + ) ( 2 - 1 ) 式中矿碎石桩体总体 5 ：( m 3 ) ； 1 4 华中科技大学硕士学位论文 一。碎石桩的孔隙率； 圪桩周加固土层的总体积( m 3 ) ； n 桩周土体孔隙率； 浆液损耗系数，取5 1 5 ： m 桩周土体的浆液充填系数，应通过试验确定，无试验资料时可按表2 - 1 经验取用。 表2 - 1 灌浆充填系数m 软土，粘性土，细砂中砂，粗砂黄土 o 2 o 40 4 0 60 2 0 8 2 5 无砂混凝土小桩的技术特点及加固影响因素 2 5 1 技术特点 1 投石压浆无砂混凝土小桩复合地基集成了小桩技术和压力注浆技术及钻孔压 浆成桩法和桩后压浆技术的优点，是在现代复合地基理论指导下开发的一种新的地基 处理方法。 2 它采用工程钻机、洛阳铲等成孔，插入注浆管，投入级配碎石，封孔后压力 注浆成桩。成桩后桩体与压浆加固后的桩周土形成复合地基，具有置换、竖向增强、 排水、排气固结、胶结、压密、充填等多种作用机理。 3 通过对地基土层的碎石置换及碎石桩中设置钢质注浆管压力注浆，使桩侧及 桩端阻力和土层的承载力与变形模量均有相当幅度的提高，决定了该技术可形成较高 的复合地基承载力和具较强的控制变形能力。 4 投石压浆无砂混凝土小桩施工工艺适合除碎石土外几乎所有土层。其材料来 源广、质量易控制、对设备要求低。 5 具广泛的工程适应性，既可用于新建建筑、公路、市政工程的地基处理，又 可用于既有建筑物的地基加固和高速公路高填方软基后处理工程，具有变形小、沉降 稳定快、施工操作简便、灵活、节省造价的特点。 6 该技术区别于其它类型非散体材料桩复合地基技术的重要方面是桩间距大、 直径小、置换率较低( 通常为2 1 0 ) ，可充分发挥桩周土的承载力，从而节省 华中科技大学硕士学位论文 投资。分析表明：比普通深层搅拌桩复合地基可节约基础工程造价1 5 2 0 ， 缩短工期3 0 ；与深层喷射搅拌桩复合地基相比，可节省基础工程造价分别为2 0 ( 人工成孔) 和1 5 ( 机械成孔) ，缩短工期2 5 ；与低标号混凝土桩复合地 基相比( 直径d 取4 0 0 4 5 0 m m ) ，可节省地基处理费用2 0 。 2 5 2 影响加固效果的因素 1 工程地质条件 ( 1 ) 原状土承载力标准值 压力注浆处理后的地基土承载力是复合地基承载力的重要组成部分。通常情况 下，在注浆量和注浆压力相同时，注浆处理后的地基土承载力与原状土的承载力有关， 原状土承载力越高，注浆处理后的地基土承载力一般越高。 ( 2 ) 原状土渗透性 投石压浆无砂混凝土小桩施工通常采用分级升压法注浆。根据土体结构不同，原 状土中孔隙分布特征亦有所不同，对有连续气相分布的土体，在第一步的渗入式灌浆 阶段，水泥浆对桩周土体的灌注范围较大，在浆液土粒中的分布也较为均匀；在第二 阶段有压密注浆时，水泥土进一步密实，对以主要由封闭孔隙构成的气相结构的土体 中，渗透系数小，土体的水平或竖向渗透性较差，一般在渗入式灌注阶段，水泥浆液 对桩周土体灌注难以进行，或灌注范围很小，只有在压密注浆阶段，水泥浆才有可能 对桩周土体进行有效的灌入或侧向挤密，因此，注浆范围受到很大限制，常常要求灌 浆压力较大，以及较厚的上覆土层。 2 桩体材料 ( 1 ) 桩体碎石密实度 投石应采用小粒径级配良好的碎石，以减少深孔填石过程中的架空现象。 ( 2 ) 水泥浆浓度 一般采用水灰比( 重量比) 为0 6 ：1 1 ：1 。水泥浆的水灰比越大，流动性越 好，可灌性就越好，但析水率就越大，稳定性就越差，结石强度就越低，中心小桩强 度就越低，可能影响单桩承载力。 3 灌浆压力和灌浆量 溥浆压力和灌浆量是控制桩周土体加固范围和加固土强度的一个重要影响因素， 通常情：圮下，灌浆压力越大，灌浆量越大，压浆对桩周上体的影响半径就越大，加固 土梭晕和抗剪强度越高。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 4 灌浆工艺 投石压浆无砂混凝土小桩复合地基设计中，通常采用梅花型和矩形布桩。压力注 浆时应使桩周土中气和水排出通畅，以满足灌注效果。 2 6 无砂混凝土小桩复合地基承载力设计 2 6 1 复合地基承载力 采用应力复合式公式计算复合地基承载力： 加- 卢- m 石r k + ，z 卢( 1 一m ) 厶 ( 2 - 2 ) 式中卢。考虑桩土相互作用的桩承载力增强系数，考虑基础形状及尺寸和桩长、 间距( 桩间距一般取为s = 和8 d ) ，一般取1 1 1 2 。 卢：考虑桩土相互作用的桩间土承载力增强系数，考虑注浆对桩侧土的压浆 效果及桩顶土层的实际注浆效果，可取为芦：- i 1 1 2 取一口护 ，q d + 叫p q p ( 2 3 ) h 式中 口。桩侧阻力的增大系数，一般取i i 一1 3 。 口桩端阻力发挥系数，与桩端土性、成桩工艺、桩直径有关，一般取 1 0 - 1 2 。 2 6 2 褥垫层的设置 研究表明，设置褥挚层对复合地基承载力载荷试验结果有较大影响，但褥挚层过 厚( 大于2 0 0 r a m ) 将会大幅度影响桩的承载力发挥。因此，褥挚层的设置与否及设 置的厚度，直接影响按q - s 曲线中的s b 值末确定复合地基承载力的判定结果。 一般复合地基工程均应设置褥垫层，褥挚层的设置除起到土的排水固结作用外， 还可起调整桩土应力比作用。而无砂混凝土小桩复合地基的设计一般采用疏桩理论， 桩径较小，布桩较疏，目的是允许小桩产生较大沉降变形，以利充分发挥树的承载能 力，在桩土共同作用承担荷载的初期，荷载通过褥垫层而更多地传递给桩| 订j 土，使桩 间土首先产生较大的沉降变形，充分发挥桩问土承载力。但若挚层过厚，小楹易产尘 华中科技大学硕士学位论文 向褥垫层的刺入，使先期沉降加大，不能充分发挥小桩承载力。 因此，无砂混凝土小桩复合地基褥垫层的设置，应考虑建筑物对变形的要求、 桩承载力发挥系数以及桩间土承载力发挥系数的取值大小、面积置换率等因素，建议 垫层厚度以2 0 0 m m 为宜。 2 6 3 桩土相互作用与垫层作用的耦合效应 复合地基中桩土相互作用与垫层作用是相互关联耦合发生的，在刚性桩复合地基 和柔性桩复合地基中，桩土相互作用与褥垫层的作用效果不同，试验研究表明无砂混 凝土小桩复合地基，褥垫层使复合地基承载力提高幅值最高达3 5 。 ( 1 ) 褥垫层使桩间土提前“贡献”承载力，此时桩间土在压缩变形后因附加应力相 对较大，桩侧主动土压力提高，对小桩约束作用增强，增大了桩侧摩阻力。 ( 2 ) 小桩侧摩阻力的提高使端承力发挥推迟，地基变形量明显减小，复合地基承 载力增大。 ( 3 ) 中心桩体与周围压密区形成强结合，大大提高了土的抗剪强度，桩对土的这 种作用大幅度提高了桩间土的承载力，同时提高复合土层的应力扩散能力，减小了下 卧土层附加应力和变形。 2 7 投石压浆无砂混凝土小桩开发前景 投石压浆无砂混凝土小桩复合地基是由中心部位的无砂混凝土小桩增强体和周 围压力灌浆水泥加固土共同组成的复合地基。因其具有竖向增强、置换、排水固结、 排气充填、胶结等作用，同时该技术施工简便、控制变形能力强等特点而广泛适用于 建筑、市政、公路、水利等工程的淤泥质土、粘性土、粉士、砂土、湿陷性黄土、膨 胀土及可液化土处理，具有广阔的发展应用前景。 1 8 华中科技大学硕士学位论文 3 小桩复合地基工作机理及变形计算 3 1 小桩复合地基工作机理 3 1 1 排水作用 在成孑l 过程中，下部软弱土层中的超静水压力得到彻底释放使土颗粒的有效应力 发生突增，主固结进程加快；插管投石并问隔压力注浆施工过程中，首先在压力作用 下，通过邻近桩将桩间土中的部分自由水置换排出，再次在邻近桩孔中压力注浆时， 水泥浆继续置换桩周土体中的自由水，并使桩体密实，形成竖向无砂混凝土桩体以及 桩周水泥复合土。无砂混凝土桩体与桩周水泥土共同构成复合地基。 3 1 2 竖向增强体，桩一共同作用 在被加固场地先填土形成附加应力后用碎石桩置换，然后通过桩孔中的钢质注浆 管，对碎石桩体及桩周土体进行低压力的渗入式灌浆，再进行二次压密注浆，使孔内 水泥浆进一步密实，并使桩周土体受到压密灌浆处理，形成较高强度的无砂混凝土小 桩竖向增强体。 3 1 3 化学灌浆作用 无砂混凝土小桩后处理高填方路基技术除了在成孔过程中能迅速消散土中超静 水压力外，在压力注浆阶段对桩周土体的灌浆加固对提高土体的承载力和压缩模量也 具有显著功效。 在饱和土的渗透固结过程中，从土层孔隙中排出的水主要是自由水，而土层孔隙 中的结合水因其具有一定的抗剪强度，所以很难继续排出。孔隙中的结合水对土层强 度的提高和后期蠕变变形影响甚大，特别是对于高含水量、高液限的淤泥类软土，因 孔隙中结合水含量较高，排水固结过程很难大幅度提高土层的强度。 压力注浆过程弥补了排水固结的不足，在压力注浆的初期，浆液劈入士体，使土 体孔隙水压力增加，进一步加快了孔隙水压力的消敝和土体的固结过程，当浆液凝匿 1 9 华中科技大学硕士学位论文 后，浆液凝固体在土体孔隙中起到充填和骨架作用，能显著提高土体的承载力和压缩 模量，大大减少了土体的后期蠕变变形。 3 1 4 综合作用 小桩后处理技术具有堆载预压、快速排水、排气固结、固化、竖向置换增强等综 合作用机理。“刚性基础条件”，大大改善了“柔性基础条件”下复合地基工作性状。具 有固结沉降快、工后沉降变形小、稳定时间短的特点。 具有的刚性桩复合地基特点，有利于高填方路基的稳定。 注浆也使桩周填土得到进一步密实，桩体与桩周填土问产生的较高侧阻力对后填 土起到“减重”作用，降低了地基附加应力。有效调整地基沉降变形时应力向桩的集中。 压力注浆过程中，注入的水泥浆液对桩周土有劈裂、排气、排水作用和充填、固 化作用，使桩周土体的力学性能指标得到显著和迅速改善，大大缩短固结时间和提高 固结度。 3 2 小桩复合地基法处理路基的工后沉降计算 3 2 1 现行规范复合模量的计算及存在问题 1 现行规范复合模量计算 复合模量法是复合地基变形计算中采用较多的一种计算方法，建筑地基处理技 术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 4 q 1 将其作为主要的计算方法。按照规范的规定，对于不同类型 的地基处理方法，复合模量的计算表达式不尽相同。 建筑地基处理技术规范) ) ( j g j 7 9 2 0 0 2 ) q b 涉及的复合地基承载力及复合模量计算 的有关公式如下： ( 1 ) 散体材料桩复合地基承载力( 振冲法、砂石桩法、柱锤冲扩桩法) ，幺一彬。础+ 1 1 - m ) f s t ( 3 1 ) 厂础一 1 + ，挖0 1 ) 九i ( 3 2 ) 式中 正础复合地基承载力特征值5 2 0 华中科技大学硕士学位论文 厶桩体承载力特征值； m 桩土面积置换率； 厶处理后桩间土承载力特征值； ，l 桩土应力比。 压缩模量： 乓- 1 + m ( n 一1 ) e ( 3 - 3 ) 式中 复合土层压缩模量； e 桩间土压缩模量。 ( 2 ) 非散体材料桩复合地基承载力 。m 石r a + 卢( 1 一m k 压缩模量： 中等e s e 妒- m e ，+ ( 1 一所皿： e 甲= a l l + m ( n 一1 准， 式中，：为加固后桩间土模量；e ，为天然地基土模量。 3 2 2 复合土层压缩槿晕统一公式的推导 假定： ( 1 ) 桩土模量比等于桩土应力比( 按变形协调理论) ，即： e ，一月e ( 3 8 ) ，p 一，以 ( 3 9 ) ( 2 ) 加固后桩间土压缩梭量是加固f i 天然地基压缩模量的口倍，口既是桩问上承 载力提高系数，也是模量提。：系数；即： e ；t e j ( 3 _ l o ) 2 1 ) ) ) ) 4 5 6 7 华中科技大学硕士学位论文 l 。o 嘻t k 3 1 1 ( 3 ) 考虑到设计阶段必须对变形进行计算，复合地基承载力特征值采用估算式： 厶一m 暑+ f l ( 1 训厶 ( 3 1 2 ) 式中 厶鼻复合地基承载力特征值的估算值； 见单桩竖回承载力特征值； 4 桩的截面积； 血弓e 然地基承载力特征值； 卢桩间土承载力折减系数，声一1 时式( 3 1 ) 同上式。 将式( 3 - 9 ) 、( 3 1 1 ) 代入承载力统一公式，得 fs ki m n f 彘+ 6 q m l f 。| f s t q n n + b 一6 心；f 。e 登睾+ 1 一憎0 8 d 十槐卜 即 等_ 1 + 肌卜 可得 广丢气广等1 1 ( 3 1 3 ) t + 川( 号一) 】p 口，畦 3 1 3 将式( 3 7 ) 进一步变换并将上式代入后，得： e 。s p ； 1 + 肌一1 m ：垦竺垒二! 造垒 h 制膨厶 ；堕竺鱼二! 卫垒 h 纠p 华中科技大学硕士学位论文 即 3 2 j 讨论 e 堆 e 。 ( 3 1 4 ) ( 1 ) 当桩间土承载力折减系数p 接近1 时，式( 3 1 4 ) 与式( 3 - 5 ) 计算结果相 差较小，可用( 3 5 ) 式计算复合土层模量； ( 2 ) 卢= 1 时式( 3 1 4 ) 与式( 3 - 5 ) 相同，其中式( 3 5 ) 中的，厶为静载荷试验 所得复合地基承载力特征值。 ( 3 ) 当考虑桩土相互作用时式( 3 1 4 ) 与( 3 7 ) 、( 3 6 ) 均不适用。 对于散体材料桩复合地基、深层搅拌桩复合地基、灰土桩复合地基虽可采用上述 方法计算，但存在a 、n 等参数的合理确定问题。 作为建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 规定的复合土层模量计算方法，应 当有一致的计算表达式，即具有通用性。在不同的地基处理方法中，采用不同的表达 式可能会使设计者难以掌握计算的实质，也不利于学术交流和科学研究。 当采用估算式( 3 4 ) 计算的复合地基承载力特征值接近静载荷试验值向t 时，复 合地基复合模量计算应采用统一式： ， e 妒。芋e ， ( 3 1 5 ) ，矗 下面介绍本项目研究的复合地基变形计算新方法。 3 3 复合地基变形计算新方法 3 3 1 复合地基变形组成 ( 1 ) 散体材料桩复合地基( 见图3 - 1 ) 华中科技大学硕士学位论文 s s l + s 2 + s 3 ( 3 1 6 ) s 。为垫层的压缩变形；s ：为复合地基中复合土层的压缩变形；砖为复合土层下 卧土层的压缩变形。 ( 2 ) 非散体材料桩复合地基( 见图3 2 ) s 一s j + 4 t s l + 是+ s + s 3 ( 3 1 7 ) 式中s 。为垫层的压缩变形； s ，为桩“上刺入”量； s 2 为桩身压缩量： 岱，为桩“下刺入”量； 是为复合土层下卧土层的压缩变形 翮硫 兰 咚 i 。气 f 叭1 i l “i ij工0 l lj 图3 - 1 散体材料桩复合地基 图3 - 2 非散体材料桩复合地基 ( 3 ) 本方法不考虑下列因素对复合地基变形影响 支护结构对其产生的约束； 地下水渗流及水位变化： 周围建筑与地面荷载； 基础的尺寸及刚度； 土的动葡反应即土的动力特性； 复合地基的应力历史与岩土工程的施工方法。 3 3 2复合地基变形计算理论 1 桩土分算模型 华中科技大学硕士学位论文 对桩距较大( s 6 d ) ，桩长j 4 0 d 的刚性桩复合地基，建立如图3 - 3 所示的桩 土分算模型； 圆面面面 。 1nn i 下卧土层变形岛 此时 ( 1 ) 附加应力计算 下卧土层变形两 图3 - 3 桩土分算模型 s2d + 2 垤o ( 3 1 8 ) 己- 面瓦p 而o a b 历丽 ( 3 。1 9 ) 其中0 值可根据不同条件在某一范围内变化，理论上有 口生一生一舻7 ( 3 2 0 ) 口值的取值与土性及埋深有关，也与基础刚度及桩体刚度有关，其值的确定是一 个相当复杂的课题，为方便设计和偏于安全，本文推荐：o = 妒。 ( 2 ) 复合地基变形计算： 5 一墨+ 蝇+ 鸲+ 屿+ s ( 一蝇+ a s 2 + 鸲) ( 3 - 2 1 ) a s ：当桩底为较硬土时不应忽略。但由于此时整个复合地基变形量较小，雠。的 计算与否可根据情况确定。 怂，为桩问土或桩身的压缩变形量，计算时土的变形模量为有桩约束作用条件下 的土的变形模量，一般难以确定。 当桩端为粘性土、粉土或较软土层，单桩载荷试验时的桩顶下沉量可视为桩身压 缩量与桩下刺入量之和，又复合地基中桩的应力水平为亭吃，因此( 丛：+ 鸲) 可用单 桩载荷试验( 要求极限状念) q - s 曲线上年| l 当于芋兄时的变形值。 华中科技大学硕士学位论文 大量的单桩载荷试验结果表明，桩顶荷载为凡时，桩顶下沉量一般为桩径的1 ， 因此，当无试验资料时，可取( ( 埘：+ 丛，) ，0 0 1 5 d ( d 为桩径) 估算。 a s z 一竽0 - 2 2 ) i ：! ! 罡 亭为单桩承载力的发挥度系数与土对桩作用的承载力提高系数的乘积。疏桩理论 和试验研究表明，亭在1 o 1 6 之间，一般取芋= 1 2 1 4 ( 根据承载力值提高系数选 取) 。 s 3 由按建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) i 删方法计算确定，应考虑 应力历史及与户e j 之间的差异。 当难以确定约束条件或桩土共同作用条件下的桩间土变形模量时，该方法采用 桩身压缩及桩刺入变形来计算复合土层变形的方法，较为合理实用，方便预测。但需 要根据模量试验确定桩身压缩模量e 。及积累单桩试验资料。 2 桩土合算整体模型 对桩距st3 s d 及柔性桩复合地基应采用如图3 4 所示的桩土合算模型。 藤臁 鳖 噍骥霾；| l 儿l ，“l ，儿，l ld 【a ) ( b ) 图3 4 桩土合算模型 ( 1 ) 附加应力计算： 巴；竺薯竽盟 ( 3 - z 。) 其中q 在o 一钆变化。 本模型的物理意义在于复合地基及下卧土产生一定量的变形后，复合土层与其周 华中科技大学硕士学位论文 边土层的侧阻力在达到极限状念后才会将多余的荷载传至下卧层顶面，这对附加应力 及下卧层土强度验算十分重要。 ( 2 ) 复合地基变形： s ，s l + s 2 + s 3 ( 3 2 4 ) 蜀对碎石、砂垫层可忽略不计。 足为复合层的压缩变形，采用桩身压缩法，桩模量为土约束下的模量，桩顶作 用荷载墨- 亭民，桩底反力为p 2 - 只。 s 2 崔等，( 3 - 2 5 ) 扭。爿。 宇乏1 0 ，一般取亭一1 岛由b 采用建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 方法计算确定，巨。应 考虑应力历史及肠与声e j 之间的差异。 以上模型避开了复合地基变形计算中颇有争议的复合模量的计算问题，在复合土 层变形计算式中与单桩承载力、桩长、桩身模量及下卧土层附加应力建立直接关 系，显然较为直观和合理。 当桩间距s = 3 5 6 d 满足s ，d + 丑t g o 均可采用如图3 - 3 所示的桩土分算模式。 3 4 新方法讨论 ( 1 ) 采用此整体模型、桩土分算模型分别计算桩间距较小的深层喷射搅拌桩复 合地基( 柔性桩) ，桩间距较大的静压预制混凝土小桩( 刚性桩) 复合地基的变形， 沉降差与实测值的比较结果表明模型具有很好的实用性，为地基变形计算提供了一种 新思路。 ( 2 ) 采用桩身压缩及桩刺入变形计算复合土层变形的方法概念明确，模型合理 实用，为复合地基变形计算带来了方便，但需要逐步积累试验资料完善之。 ( 3 ) 当采用压缩模量法计算复合土层变形时，建议复合地基压缩模量计算采用 统一的计算公式，当估算式( 3 4 ) 计算的复合地基承载力接近静载荷试验值工砷时， ， 复合地基的复合模量计算应采用统一式，- e s ，以避免产生混乱，方便设计与 ，础 研究。 华中科技大学硕士学位论文 4 1 工程概况 4 1 12 标牛马坑桥 4 工程实例 该工程位于荥阳市境内，郑少高速k 7 + 6 4 0 桩位附近。地震基本烈度为六度，土 壤最大冻结深度0 2 m 。 以最靠近无砂混凝土小桩处理的少台钻孔为例( z k 7 3 ) ，勘探深度范围内地层 可分为7 层。第层为黄土状亚粘土，层厚2 m ，层底埋深2 m ；浅黄色，稍湿，稍密， 含钙质结核，偶见蜗牛残骸。第层黄土状亚粘土，层厚2 4 m ，层底埋深4 4 m ；棕 黄色，硬塑，含铁锰质结核。第层粘土，层厚6 9 m ，层底埋深1 1 3 m ；棕红色，硬 塑，含铁锰质结核及钙质结核。第层粉砂岩，层厚5 8 m ，层底埋深1 7 1 m t 棕红色， 灰白色，中细粒结构，强风化，多呈棕红色粘土团块。第层泥灰岩，层厚2 2 9 m ， 层底埋深4 0 0 m ；灰白色，泥质微晶结构，块状构造，2 0 m 以上为1 0 6 0 c m 长柱状， 具溶蚀现象；2 0 m 以下岩心多呈5 - 1 0 c m 块状。第层粘土层，层厚5 6 m ，层底埋深 4 5 6 m ；棕红色，硬塑，含有黑褐色铁锰质结核及灰白色钙质团块，遇风干裂。第 层泥灰岩，层厚9 4 m ，层底埋深5 5 0 m ；灰白色，微晶结构，块状构造，微风化，岩 心多呈1 0 3 0 c m 长柱状，含棕红色粘土团块。典型地质构造见图4 - 1 。 根据地质报告揭示的构造条件，设计无砂混凝土小桩桩径dt1 5 0 m m ，设计桩长 1 8 m ，处理路段长度为1 8 m ，道路宽2 8 m ，布桩方案为1 5 0 m x l 5 0 m 方形布置，布桩 数为2 4 7 根，实际设计总延长米为4 4 3 7 5 m 。 4 1 26 标张家门大桥少台 该桥位于豫6 2 线东侧一“v ”型沟上，沟深约1 2 m ，沟两岸均为农田，地形平坦 开阔，沟心基岩大多裸露。路线以3 0 m 板梁桥跨越该沟，桥中一t l , 最高约2 5 m 。本区 地震基本烈度六度，土壤最大冻结深度o 2 m 。 华中科技大学硕士学位论文 根据钻探揭示，工点处地层主要为第四系上更新统地层及寒武系地层；黄土状亚粘 土分布于表层，约3 1 7 m ，灰黄色、棕红色土质不均，含铁锰质斑点及少量卵石，孔 隙发育，具i i 级自重湿陷性。湿陷厚度约3 - 1 7 m ，硬塑，h 级普通土。卵石土成层 田4 12 标牛马坑大桥地质纵断面图 状分布于黄土状亚粘土下部，厚约4 - 6 5 m ，卵石成分以石英砂岩，灰岩为主，次圆 状，土质充填，中密，潮湿，i i 级普通土。石灰岩层成层状构造，灰、深灰色，岩体 层理发育，节理裂隙较发育，充填方解石细脉，沿裂隙面及层面可见有溶蚀现象，岩 体层强风化一弱风化，强风化层厚约1 5 2 m ，i v 级软石，弱风化层为v 级次坚石。 桥址处两岸表层覆盖第四系地层，沟心基岩虽多裸露，但由于石灰岩中岩溶现象发育， 故工程地质条件较差。桥位处纵向地质剖面见图4 2 。 根据地质报告，张家门大桥少台路基处理采用无砂混凝土小桩方案，原设计桩径 d = 1 5 0 呦，设计桩长2 3 m 。处理路段长度为2 0 m ，道路宽2 8 m ，布桩方案为 华中科技大学硕士学位论文 1 5 0 m x l 5 0 m 方形布置，设计布桩数为2 6 6 根，实际设计总延长米为5 7 9 1 3 m 。 图4 - 2 6 标张家门大桥地质纵断面图 4 2 无砂混凝土小桩施工 4 2 1 工艺 施工工艺过程为：测设桩位一机械成孔一测验孔径和孔深一放置注浆管一填石并 振实封孔低压注一二次注浆一人工补浆一成桩。 小桩直径为1 5 0 r a m ，注浆钢管采用直径为2 5 m m 壁厚2 m m 的钢管，从桩顶标高 向下2 5 m 设出浆1 ：3 ，出浆口间距2 0 0 2 5 0 m m ，出浆口直径6 m m ，垂直交叉布冕。 石料粒径o 5 1 0 c m ，水泥采用3 2 5 r 普通水泥，水灰比o 8 ：1 o 。每米石料用量为 o 0 1 8 m 3 ， 每米水泥用量为2 0 一3 0 k g ，第一次注浆压力为o 3 加6m p a ，浆液注满后 采用干硬性细石混凝土封桩头( 桩头高度为0 5 m ，封桩头混凝土中适量掺入速凝剂) ， 华中科技大学硕士学位论文 待1 以小时后注第二次浆，压力为o 6 9m p a ，待一小时后再进行第三次压浆，注 浆压力不小于1m p a ，然后进行人工补浆，直至浆液饱满。 4 2 2 主要技术参数 1 成孔 待桩位布置好后，移动钻机就位，由钻机前面的指挥者指挥钻机手使钻头尖对准 桩位，然后再调整钻秆的垂直度、钻机的平整度，要求成孔后桩的垂直偏差不大于1 ，桩位偏差不大于5 0 r a m ，桩位偏差不大于4 。垂直度用水平尺来控制。采用汽 车钻水冲成孔，并做好排水、排土工作，不准有集水、泥浆等不利于地基的现象。钻 孔时应符合下列规定： a 、钻杆应保持垂直稳固，位置正确，防止因钻杆晃动引起扩大孔径； b 、成孔的钻头保证在成孔后符合设计要求孔径d = 1 5 0 m m ； c 、钻进过程中，应随时清理孔口积土； d 、成孔达到深度后，用清水冲孔内的泥浆，待孔口冲出的水为清水，即碎石填 入后碎石上不含泥为止，孔口予以保护，不准有泥土掉入，确保桩长达到设计要求， 并做好记录； e 、挖出的土应及时运离孔口，不得堆放在孔口四周l m 范围内。 2 注浆管制作 注浆管用2 5 m m 钢管，由下往上布满出浆口，出浆口孔径为5 r a m ，间距为 2 5 3 0 e r a ，垂直交叉布置，上部2 5 m 不设出浆口。注浆管对接时，需可靠焊接。 3 投料 投料工作应安排在成孔后，立即下注浆管，并投料。投料所需的碎石粒径应控制 在5 - 1 0 m m ，且级配良好，现场安排专门记录员根据实际的桩长分别确定每根桩的碎 石用量，并确保投石量。填料人员应注意，倾倒石料时，避免石料倒在填料斗的外面， 尽量减少浪费，并且不能使桩的四周所堆积的淤泥掉入孔内。 4 注浆封孔 注浆采用压浆机压入，分次进行，所需水泥采用3 2 5 r 普通水泥，水泥浆水狄比 3 1 华中科技大学硕士学位论文 为0 8 ：1 。严格控制水灰比，水泥搅拌应连续进行。控制好水泥及水的添加量，第一 次注浆采用低压注浆，压力范围为0 3 加6 m p a ，完成后进行封孔，1 2 小时后进行二 次注浆，注浆压力不小于0 6 m p a ，再待1 小时进行第三次注浆，压力仍保持在1 m p a 以上，然后根据情况进行现场人工补浆、直至浆液饱满。桩头厚度应不小于5 0 c m ， 材料采用干硬细石混凝土，可掺入适量速凝剂。 4 2 3 施工概况 2 标牛马坑大桥少台路基处理，