（交通运输工程专业论文）水泥搅拌桩加固软土地基应用技术研究.pdf

摘要 水泥搅拌桩能有效地加固软土地基，但也存在一些问题，如成桩质量难以保 证、处理深度偏浅、桩土共同作用难以协调等，造成工程界对水泥搅拌法处理软 土地基的效果产生怀疑，许多地方采取慎用、甚至限用的限制。因此，急需分析 原因，研究改进方法和对策。为此，本文结合广东省怀集至三水高速公路实体工 程，对水泥搅拌桩加固软土地基的设计理论、施工质量控制、施工质量检验、工 后沉降监测及分析等进行研究，以提出一套设计、施工和验收的方法，从而为工 程应用提供参考。 本文通过水泥搅拌桩加固软土地基试验段的研究，得出以下主要结论： 1 ) 通过软土地基加固的设计原理与设计理论及工程实际监测资料的深入分 析，得出采用应力修正法进行路基沉降计算时，需在施工完成后，根据实际观测 的沉降数据对计算沉降量进行修正。通过修正系数的计算分析，发现采用应力修 正法计算出的路基沉降量准确度能达到8 6 7 ，修正后的沉降数据可指导后续施 工，确定路面施工时间；同时，采用圆弧滑动法验算路基稳定性，圆弧滑动面只 存在于地基的上层一定的深度范围内，不应该以滑动面范围内的无侧限抗压强度 来要求整桩。 2 ) 通过水泥搅拌桩加固软基的“四搅四喷一施工方法与常规“两搅一喷 施 工方法的处理效果对比，并采用轻型静力触探、无侧限抗压强度、标准贯入、单 桩承载力及复合地基承载力等试验，对水泥搅拌桩的施工质量进行了控制和评定， 发现水泥搅拌桩加固法适合于具有一定含砂量、粘性较差的软土层，水泥与该种 软土的胶结情况较好，搅拌均匀结合后能有效提高该土层的无侧限抗压强度，而 粘性较大的土体及无法搅碎的腐木与水泥的胶结较差，基本上不能成桩，不适合 于采用水泥搅拌桩处理，在工程设计时值得注意。同时，单桩承载力及复合地基 承载力可作为水泥搅拌桩施工质量的验收指标。 3 ) 依据路基实测沉降资料，分别采用修正系数法和a g o 法对路基沉降稳定 性进行了分析，对比结果说明，a g o 法仅利用隐含于总沉降量中的不排水沉降量 数据就可对路基稳定性进行判断，而不需要采用孔隙水压力数据，具有较强的操 作性，且节省了观测时间，分析结果可较准确地反映实际的地基沉降稳定性状态， 从而为施工提供参考意见。因此，该方法应用于工程实践具有重要的意义。 关键词：水泥搅拌桩；软基；复合地基；软基处理；a g o a bs t r a c t c e m e n tm i x e dp i l e sc a nc o n s o l i d a t es o f ts o i l f o u n d a t i o n e f f e c t i v e l y ，b u t p r o b l e m ss u c ha sd i f f i c u l t yt oe n s u r et h ep i l eq u a l i t y ，l o w e rt r e a t m e n td e p t ha n d b a d i n t e r a c t i o no fs o i la n dp i l e sa r em a d et h ee n g i n e e r sd o u b tt h e i re f f e c t a sar e s u l t ，t h e c e m e n tm i x e dp i l e sa r en o tw i d e l yu s e da n de v e nf o r b i d d e ni nm a n yp l a c e s t h e r e f o r e ， i ti so f i n s t a n c et os t u d yt h ec a u s e sa n df i n d o u tt h ea d v a n c e dm e t h o d sa n d c o u n t e r m e a s u r e s f o rt h i sr e a s o n ，c o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c to fh u a i j it o s a n s h u i e x p r e s s w a yi ng u a n g d o n gp r o v i n c e ，t h ep a p e rr e s e a r c h e dd e s i g nt h e o r y ，c o n s t r u c t i o n q u a l i t yc o n t r o l ，c o n s t r u c t i o nq u a l i t yi n s p e c t i o n ，m o n i t o r i n ga n da n a l y s i so fs e t t l e m e n t a f t e rc o n s t r u c t i o nf o rs o f ts o i lf o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o nw i t hc e m e n tm i x e dp i l e st o p u tf o r w a r das e t o fm e t h o da b o u td e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n da c c e p t a n c e ，s ot h e r e s e a r c hc a np r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o rt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c h e so ft h et e s ts e c t i o nf o rs o f t s o i lf o u n d a t i o n c o n s o l i d a t i o nw i t hc e m e n tm i x e dp i l e s ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sc a nb ef o u n d ： i ) a c c o r d i n gt ot h ed e e pa n a l y s i so fd e s i g np r i n c i p l e ，d e s i g nt h e o r ya n dr e a l m o n i t o r i n gd a t af o r s o f t s o i lf o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o n ，w ec a no b t a i nt h a tt h e c a l c u l a t e ds e t t l e m e n tq u a n t i t yi sc o r r e c t e dw i t ht h er e a ld a t ao fm o n i t o r i n gs e t t l e m e n t a f t e rt h ec o n s t r u c t i o n ，w h e nt h es u b g r a d es e t t l e m e n ti sc a l c u l a t e dw i t ht h es t r e s s c o r r e c t i o nm e t h o d t h ea n a l y s i so fc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n ts h o w st h a tt h ea c c u r a c yo f t h ec a l c u l a t e ds e t t l e m e n to fs u b g r a d ec a nb er e a c h e d8 6 7 w i t ht h es t r e s sc o r r e c t i o n m e t h o d t h ec o r r e c t e ds e t t l e m e n td a t ac a ng u i d et h ef o l l o w - u pc o n s t r u c t i o nt o d e t e r m i n et h ec o n s t r u c t i o nt i m eo fp a v e m e n t m e a n w h i l e ，w h e nt h ec i r c u l a ra r c s l i d i n gm e t h o di sa p p l i e dt o c h e c kt h es u b g r a d es t a b i l i t y ，t h ec i r c u l a ra r cs l i d i n g s u r f a c eo n l ye x i s t si nac e r t a i nd e p t hs c o p eo ft h eu p p e rf o u n d a t i o n ，s ot h a tw es h o u l d n o tu s et h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t hi nt h es c o p eo fs l i d i n gs u r f a c et or e q u i r e t h ew h o l ep i l e s 2 ) t h r o u g ht h et r e a t m e n te f f e c tc o m p a r i s o no ft h ec o n s t r u c t i o n m e t h o d so f f o u r t i m em i x i n ga n ds p r a y i n g w i t ht h eo r d i n a r ym e t h o do f t w o t i m em i x i n ga n d s p r a y i n g ”f o rt h es o f t f o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o no fc e m e n tm i x e dp i l e s ，t h et e s t m e t h o d s ，i n c l u d i n gl i g h ts t a t i cc o n ep e n e t r a t i o n ，u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o n ，s t a n d a r d p e n e t r a t i o n ，s i n g l ep i l eb e a r i n gc a p a c i t ya n dc o m p o s i t eb a s eb e a r i n gc a p a c i t y a n d o t h e rm e t h o d s ，a r ea p p l i e dt oc o n t r o la n de v a l u a t et h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yo fc e m e n t m i x e dp i l e s w ec a nf i n dt h a tt h ec o n s o l i d a t i o nm e t h o do fc e m e n tm i x e dp i l e si sg o o d f o rt h es o f ts o i ll a y e rw i t hac e r t a i ns a n dc o n t e n ta n dap o o rv i s c o s i t y t h ec e m e n t i n g c o n d i t i o no fc e m e n tw i t ht h ek i n do fs o f ts o i li sb e t t e r ，a n dt h ee v e nm i x i n gc a n i n c r e a s et h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho ft h es o i ll a y e re f f e c t i v e l y h o w e v e r ， t h ec e m e n t a t i o no fc e m e n tw i t hal a r g e rv i s c o u ss o i la n dau n a b l em i x e dr o t t e nw o o d i sw o r s e ，s ot h ep i l e sc a nn o tb ef o r m e db a s i c a l l y c e m e n tm i x e dp i l e sa r en o tg o o d f o rt h e i rt r e a t m e n t ，s ow ep a ya t t e n t i o nt oi ti ne n g i n e e r i n gd e s i g n b e a r i n gc a p a c i t y o fs i n g l ep i l ea n db e a r i n gc a p a c i t yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a nb er e g a r d e da st h e a c c e p t a n c ei n d e x e so ft h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yf o rc e m e n tm i x e dp i l e s 3 ) a c c o r d i n gt ot h er e a l t e s t e dd a t ao fs u b g r a d es e t t l e m e n t ，t h ec o r r e c t e d c o e f f i c i e n tm e t h o da n dt h ea g om e t h o da r ea p p l i e dt oa n a l y z et h es t a b i l i t yo f s u b g r a d es e t t l e m e n tr e s p e c t i v e l y t h ec o m p a r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ea g om e t h o d o n l yu s e st h eu n d e w a t e r i n gs e t t l e m e n td a t ai n c l u d i n gt h ew h o l es e t t l e m e n tt oj u d g e t h es u b g r a d es t a b i l i t yw i t h o u tt h en e e df o rap o r ew a t e rp r e s s u r ed a t a s o ，t h em e t h o d i se a s yt oo p e r a t ea n ds a v e st h eo b s e r v a t i o nt i m e ，a n dt h ea n a l y z e dr e s u l t sc a nm o r e a c c u r a t e l yr e f l e c tt h er e a lc o n d i t i o no ff o u n d a t i o ns e t t l e m e n ts t a b i l i t yt op r o v i d et h e r e f e r e n c es u g g e s t i o nf o rt h ec o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，t h em e t h o dh a si m p o r t a n t m e a n i n gf o rt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：c e m e n tm i x e dp i l e ；s o f ts o i lf o u n d a t i o n ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；s o f t f o u n d a t i o nt r e a t m e n t ：a c c u m u l a t e dg e n e r a t i n go p e r a t i o n ( a g o ) h i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名 日期：矽形年歹月罗日 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，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工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 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签 导师签 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“v ) 日期：2 伊曙年 日期：勰 日 日 岁7 月 月 s 1 1 第一章绪论 1 1 问题的提出 近年来我国高速公路建设正在高速发展，2 0 0 4 年底国务院审议通过的国家 高速公路网规划( 下称规划) 标志着我国高速公路的发展进入了一个新的阶 段，规划确定的“7 9 1 8 ”国家高速公路网总规模大约为8 5 万公里，构成由中 心城市向外放射以及横连东西、纵贯南北的高速公路网。我国幅员辽阔，工程地 质条件复杂，软弱地基和不良地基种类多、分布广，随着高速公路的迅猛发展， 尤其是规划方案的实施，给高速公路地基处理技术的发展带来前所未有的机 遇和挑战。 广东省是我国经济最为发达的地区之一，为了促进经济的进一步发展，我省 近年来不断加大交通基础设施的投资力度，尤其是高速公路建设投资。在我省沿 海的经济发达地区，除个别地段外，大多处于平原水网地带，其地下水位高、表 层地质层次沉积年代近、结构松软、含水量高、变形大，多为软土地基，这决定 了我省修筑高速公路的特点，即需要处理的软基路段多。在软土地区修筑高速公 路，路堤地基存在稳定性差和沉降过大等问题，影响工程质量和道路正常使用， 常常造成重大的经济损失。 我省是高速公路网最发达的地区之一，已建成高速公路总里程3 5 2 0 公里，到 2 0 3 0 年规划建成高速公路总里程8 8 0 0 公里，对于经济发达的珠江三角洲地区， 高速公路网基本完善，目前我省高速公路网正在向全省经济相对较落后的山区发 展，在平原水网带到山区的过渡段落，同样存在不少软土地段，与平原水网地区 的软土不同，处在平原与山区交界的软土路段( 主要为山间洼地) ，其软土具有其 本身的特点，主要表现在结构相对较密实，多处于软塑状态，含水量相对不高， 具有一定的承载力。 目前在国内，对于公路软土地基的处理方法按处理原理主要分两种，一为排 水固结处理法，二为复合地基处理法。在一般路基路段，在工期要求不紧的情况 下，采用排水固结加预压方法处理是最佳选择，但对于桥头过渡区、结构物基础 的加固区与过渡区，采用排水固结加预压方法处理显然是不合适的，一方面预压 时增加了施工工期，另一方面还需要等预压沉降稳定后，对已填好的路基进行反 开挖施工构造物，增加了施工难度及工程造价。故对软土路段的桥头过渡段、构 造物基础的加固区及其过渡区，一般采用复合地基处理的方法处理，目前常用的 复合地基处理的方法有：钢筋混凝土管桩处理、水泥搅拌桩处理、c f g 桩处理、 挤密砂桩法及加筋法等。 大量工程实践表明：构造物加固区及其过渡区的软基处理采用管桩处理的方 法是非常成功的，且具有非常成熟的设计及旆工经验。但是其费用非常高，极大 地增加了公路工程造价。正因为这样，我省在各高速公路工程项目中都有意开展 了采用不同复合地基处理方法对构造物基底加固区及过渡区进行处理的课题研 究，总结经验。目前比较常用的是水泥搅拌桩法、c f g 桩法、挤密砂桩法等。由 于c f g 桩法工程造价也比较高，且施工质量难以控制，在最近几年逐渐淡出应用， 目前除了管桩复合地基加固以外，比较常用且使用效果比较理想的有水泥搅拌桩 法及挤密砂桩法等。由于挤密砂桩的处理深度较浅，且处理后工后沉降一般难达 到设计要求，故水泥搅拌桩法在我省许多高速公路项目上得到了应用，且达到了 良好的处理效果，但由于设计理论计算、施工质量控制及验收标准等还没有统一 的标准列入规范，在设计、施工过程中难以控制。我省一直在致力研究、总结其 使用方法，有成功的经验，也有失败的教训，为了有效利用资源、结合高速公路 项目建设，在在建高速公路项目中适当选择试验路段，对水泥搅拌桩的设计计算 理论进行验证，总结施工经验、验收标准等，由此开展水泥搅拌桩加固软土地基 应用技术研究非常必要。 1 2 国内外研究概况 水泥搅拌桩法加固软土地基是利用水泥浆作为固结剂，通过特制深层搅拌机 械，在地基深部就地把土与固结剂强制拌和，使其成为具有较好整体性、水稳性、 又能满足强度要求的加固土体，使这些加固土体与天然地基形成复合地基，共同 承担上部荷载。在高速公路软基处理中，水泥搅拌桩主要用于桥头过渡段、含结 构物路段、新老路堤加宽和一些特殊路段( 包括滑塌路段) 的处理。 水泥搅拌桩法是美国在第二次世界大战后研制成功的，称之为就地搅拌桩 ( m i p ) 。这种方法是从不断回转的中空轴的端部向周围已被搅松的土中喷出水泥 浆，经叶片搅拌而形成水泥土桩，桩径0 3 o 6 m ，长度1 0 - - 1 2 m 。1 9 5 3 年日本 清水建筑株式会式从美国引进此法，1 9 6 7 年日本港湾技术研究所土工部开始研制 石灰搅拌施工机械。1 9 7 4 年由日本港湾技术研究所等单位又合作开发研制成功水 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 。接着日 本各大施工企业接连开发研制加固原理、机械规格和施工效率各异的深层搅拌机 械，例如d c m 法、d m i c 法、d c c m 法。此后深层搅拌桩法在日本港工建筑中 的防波堤、码头岸壁及高速公路填方下的软土地基加固工程中开始广泛应用。 我国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行了室内试 验和机械研制工作。1 9 8 0 年在软土地基加固工程中首次获得成功。此后在全国软 土地基加固工程中推广开来，特别是在道路工程中的软土地基处理。 2 从上世纪八十、九十年代起，我国研究人员对这种桩的加固机理、荷载传递 性质、设计理论等作了大量的工作，有很多研究成果。 1 ) 水泥土性能的研究 搅拌桩水泥土的宏观及微观力学性质是研究的一个热点，国内学者作过大量 的试验分析，取得了较大的研究进展，基本掌握了水泥土的性质。对水泥土的研 究主要集中在固化机理和力学性能两个方面。 黄新等人【l j 着眼于研究土样对水泥土中水泥水化产物生长状况的影响，在对 水泥加固土中孔隙水化学成份分析的基础上，提出了水泥加固土的硬化模式。刘 顺妮【2 j 等人采用水泥、单一外加剂和复合外加剂对高含水量粘土进行固化试验， 并运用互射线衍射和扫描电子显微镜照相等技术对加固土进行了分析。 更多的研究对水泥土的力学性能开展进行，水泥土的无侧限抗压强度是水泥 土桩复合地基设计计算中最常见的一个指标。试验表明水泥土的无侧限抗压强度 比天然土的提高了很多。文献 3 】根据水泥土的无侧限抗压强度试验认为，水泥土 的变形特性随强度不同而介于弹性体和弹塑性体之间。影响水泥土强度的主要因 素有：水泥掺合比( 水泥重量和被增强的软土重量之比) 、龄期、水泥标号、矿物 成分、水泥细度、土样含水量、土中有机质含量、外掺剂、周围土体围压、土中 p h 值和温度等【4 】。文献【5 】通过大量配比试验，得到了水泥土的应力应变以及搅拌 桩的破坏特性。 从以上研究成果看来，广大学者主要对室内水泥土的强度参数、强度影响因 素等进行了较详尽的研究。然而，由于室内水泥土的配合比试块的制作、养护条 件较好，而现场取芯试件的强度受水泥土搅拌桩的施工搅拌的均匀性、地下养护 条件等因素影响，因此现场实际强度一般要低于室内配合比试验的强度。因而在 日本c d m 工法设计和施工手册中提出，室内试验所得的无侧限抗压强度与现场 取样试验得来的无侧限抗压强度的比值，对于海上采用大型机械时取1 ，用小型 机械时取o 5 ，陆地工程约为o 5 【6 l 。因而，现场采取水泥土进行强度试验，研究 现场水泥土的强度变化具有更为实际的意义。 2 ) 荷载传递规律与设计理论 由于基础一桩一土相互间的共同作用十分复杂性，使得对搅拌桩复合地基承 载力及变形机制的认识面临数学上的困难【| 7 1 ，致使理论研究进展缓慢，大为滞后 于工程实践的发展，无法有效地解决工程实践中所出现的一些问题。 ( 1 ) 荷载传递规律的研究 深层搅拌桩复合地基就其加固区而言是水泥土桩和土的复合体，桩和土共同 承担外荷载，通过相互作用实现荷载的传递和分配，达到桩土协同作用从而减小 3 地基的沉降【8 】。荷载传递规律的研究主要以试验为主，包括室内模型试验和现场 试验【9 1 。 文献【1 0 通过对实验室砂箱中的水泥土侧壁贴应变片的方法进行试验，从而 研究了水泥土样的荷载传递曲线，试验显示桩身应力沿深度的分布比较均匀。文 献【1 1 】通过室内模型试验研究了水泥土搅拌桩复合地基承载力和桩土界面的性质 1 2 1 。通过室内模型试验研究了基础、桩长和垫层对水泥土搅拌桩复合地基荷载传 递的影响b 3 。 现场静载试验能得到第一手实测的资料，因而受到研究者的青睐【l 引。文献 1 5 】 和文献 1 6 1 均采用在桩身埋设钢筋应力计的方法，结合现场静载试验量测桩身应 力，并分析其分布规律，搅拌桩属于摩擦型桩，其桩顶为主要受力段，桩顶传递 到某一深度就很小了【1 7 l 。文献【1 8 】在前文的基础上用贴应变片的塑料管代替钢筋 应力计对承台水泥搅拌桩进行了单桩载荷试验，测量了桩身沿深度的位移曲线， 然后根据理论计算出桩身轴力分布、桩侧摩阻力分布等，并提出了有效桩长的概 念【l 引。文献【2 0 】通过在承压板下埋设土压力盒的方法，测定了四桩复合地基顶部 土压力的分布：四桩中心压力最高，两桩中间压力最低，承压板周边压力居中。 ( 2 ) 搅拌桩计算理论 水泥土搅拌桩的承载力设计方法较多，主要有复合地基承载力的试验法及估 算法，但其也存在不少问题，首先是承载力的取值标准不完全统一，其次是桩土 应力比及群桩效应等问题仍面临数学及力学上的困难。目前常用的单桩承载力的 计算方法是参照混凝土桩的公式，复合地基承载力按面积比公式进行计算【2 1 1 。文 献 2 2 】中考虑水泥土室内强度与现场强度的差别，建议在现有单桩承载力计算方 法中增加一项按现场水泥土强度设计。洪昌华等提出了用概率分析方法估算深层 搅拌桩复合地基承载力【2 引。 ( 3 ) 搅拌桩变形理论研究 复合地基沉降计算的最实用方法仍离不开分层总和法及其改进的方法，工程 实测证明应用m i n d l i n 解计算群桩沉降较以等代墩基法更符合实际，但由于 m i n d l i n 解及其计算方法的复杂性一直难以得到普遍推广应用。 刘一林【2 4 】将水泥桩加固区作为一均质的桩土复合层，用复合模量匠来综合 反映加固区内桩的刚度和置换率的影响【2 5 1 。他根据水泥土和土复合试样的三轴固 结不排水试验，采用归一化双曲线应力一应变模型【2 6 1 ，按平面问题求解，得出了 沉降随e 。变化的规律【2 。 文献【2 8 采用三维八结点等参单元进行有限元分析，将承台、桩体和地基土 分成许多单元，桩土材料均采用弹性非线性模型，各单元间通过结点位移相互协 调。文献【2 9 认为有限元法能较全面地反映桩和土之间的耦合作用及桩周土的非 4 线性特性，并可以考虑不同介质的各种分布情况，在分析各种影响因素时具有优 越性。在进行了三维有限元计算( 软土采用邓肯一张模型，在板和软土之间设置 接触面单元) 后，指出位于板中部的桩顶竖向应力最小，而在外缘竖向应力较大。 文献【3 0 】把土视为d r u c k e r - - p r a g e r 材料，将桩体视为弹性体，用弹塑性平面有限 元分析了单桩的p s 曲线特性、桩土应力比与外荷的关系等。文献【3 1 】研究了软 土中单桩的荷载传递机理，提出了桩侧摩阻力与桩身位移的非线性传递函数，并 通过拟合实测的数据来确定桩侧摩阻力与桩身位移曲线，并很好地拟合出桩的荷 载沉降曲线【3 2 1 。文献【3 3 】提出用于计算在弹性介质中桩的沉降的传递函数【3 4 1 ，在 该传递函数中，土的位移可表示为土桩中心线距离的对数函数【3 5 1 ，c h o w t 珀】已将 该方法推广用于单桩的非线性分析，文献1 3 7 提出用双曲线模型描述桩侧摩阻力 与桩周土的局部剪切位移的非线性关系。 以上研究中主要采用的三类方法，复合模量分析法计算简便，能体现整体规 律性，但复合模量的选取尚无统一的标准，且尚无法反映桩土间相互作用特性； 在有限单元法将桩土分别划分许多小单元，可以研究桩土间相互作用的规律，但 桩单元和土单元的接触问题也没有得到很好地解决；模型拟合法可较直观得出单 桩沉降与荷载的非线性关系，但多桩复合地基的研究较少，有待进一步分析研究。 3 ) 施工与检测技术的研究 水泥土搅拌桩对施工质量的要求很高，施工工艺对水泥土搅拌桩桩身水泥土 的强度和均匀性影响很大，从而直接影响上部荷载在桩的传递。以往研究者往往 只重视对既有施工工艺下水泥土搅拌桩性质的研究，而对施工工艺和搅拌机械的 改进不太重视，从而只得出了在某一施工工艺下水泥土搅拌桩的性质。南京某油 罐地基处理工程中，通过施工工艺的优化和机械的改进，成功地制出了长2 7 m 的 超长水泥土搅拌桩，突破一些既有的观点p 引。 水泥土搅拌桩发展至今，施工工艺由早期的“干法 到现在常用的“湿法 ， 搅拌次数也由最初的“一喷两搅 到现在的“两喷四搅 、“四喷四搅，搅拌头的 翼数也随搅拌机械功率的增加而增加。施工工艺、施工机械的改进提高了水泥土 搅拌的均匀性和强度，桩长也逐渐加深，大大拓宽了搅拌桩的应用范围。 水泥土搅拌桩技术全面推广以来，水泥土搅拌桩以其低廉的价格、较快的施 工速度、灵活的布桩形式和水泥掺入量，在工程中得到广泛运用，然而由于其施 工工艺要求较高，施工队伍素质参差不齐，质量检测又较为困难，因此导致了很 多工程事故【3 9 1 。如何加强质量检测，提高加固效果，成为各方十分关注的问题。 水泥土桩由于其半刚性、半柔性的特殊性质，对其质量的检测变得更为复杂。 一目前国内对水泥搅拌桩的质量测试方法还没有形成统一的认识。对搅拌桩的检测 方法总体上分为三类：原位测试方法、室内试验、物探方法。原位测试方法有轻 5 型动力触探、静力触探、标贯触探、载荷试验等。室内试验有取芯进行无侧限抗 压试验方法4 0 1 和化学分析、热分析检测方法【4 1 1 。物探技术如低应变动力试桩法 4 2 - 4 3 】、探地雷达法【4 4 1 等也有少数应用。 这些方法的均有一定的优点、缺点和适用范围，在一般情况下，水泥土搅拌 桩都采用多种检测方法进行检测 4 5 - 4 6 ，目前还没有一种实用而又有效的方法。水 泥土搅拌桩检测方法不统一给施工质量控制和工程验收带来很大不便，也不符合 标准化的要求，因此结合多种检测方法的综合检测体系是水泥土搅拌桩检测的必 然发展方向。目前在国内，根据材料喷射状态的不同，主要分为干法和湿法两种 【4 7 】，湿法以水泥浆为主，有时适当掺加减水剂和速凝剂，施工搅拌均匀，易于复 搅，但加固体硬化时间长，被加固土体天然含水量高时，桩间多余的孔隙水需要 较长的时间才能排除【4 耵。干法以水泥粉为主，也叫粉喷桩【4 9 1 ，其水泥硬化时间短， 在一定程度上降低了桩间土的含水量，在一定范围内提高了桩间土的强度，但在 施工时搅拌均匀性欠佳，难以复搅，施工质量不易控制。目前，公路工程中，为 便于施工控制，多采用湿法【5 0 1 。 1 3 项目概况及研究的必要性 二广高速公路怀集至三水段全长1 1 8 8 5 k i n ，是国家规划重点高速公路，双向 六车道，总投资约8 6 亿元，设计时速：怀集四会段8 0 k m h ，四会三水段 l o o k m h 。其中广宁四会段长4 0 2 5 k i n ，位于珠江流域的北江、绥江冲洪积平原 地区及怀集山区之间的过渡区域，在平原与山区交界的软土路段( 主要为山间洼 地、丘陵鱼塘等) ，其软土具有其本身的特点，主要表现在结构相对较密实，多处 于软塑状态，含水量相对不高，具有一定的承载力等。施工图设计中对于桥头过 渡段，通道、涵洞等构造物的过渡段等采用水泥搅拌桩复合地基进行处理的不在 少数。结合广东省对水泥搅拌桩复合地基处理的技术应用还不够完善，为了对水 泥搅拌桩复合地基处理进行进一步的应用技术研究，以指导以后的设计、施工及 验收等，有必要在本工程选择一代表性路段，进行先行试验，总结经验。 1 4 主要研究内容 1 ) 通过软土地基加固的设计原理与设计理论及工程实际监测资料的分析，对 依托工程水泥搅拌桩加固软土地基方案进行设计，并预测工后沉降。 2 ) 通过室内配合比试验确定最佳配合比。 3 ) 通过施工前复核设计、工后各种试验检测、桩身实测强度的平行试验及现 场载荷试验，验证在施工完成后是否能达到设计标准( 2 8 d 无侧限设计抗压强度 为1 2 m p a ，单桩设计承载力= 1 2 5 k n ) ，从而验证设计验收标准的合理性，研究是 6 否存在更加合理的验收方法。 4 ) 水泥搅拌桩施工完成后进行填土观测、沉降量观测、位移观测，确定控制 填土速率，验证路基稳定性验算是否合理。 5 ) 根据实际沉降量观测数据推算工后沉降，修正计算沉降量，验算路基沉降 计算的精确度。 6 ) 研究新的施工工艺( 四搅四喷) 与常规施工工艺( 两搅一喷) 对水泥搅拌 桩成桩质量的影响，通过对比研究，总结施工经验。 7 第二章设计计算原理及方法 2 1 设计计算原理 2 1 1 加固机理 水泥搅拌桩法加固软土地基是利用水泥浆作为固结剂，通过特制深层搅拌机 械，在地基深部就地把土与固结剂强制拌和，使其成为具有较好整体性、水稳性、 又能满足强度要求的加固土体，使这些加固土体与天然地基形成复合地基，共同 承担上部荷载。 2 1 2 设计原理 在软土地基中修筑路堤，必须考虑其填筑时的稳定性及路面完成后的沉降情 况( 即工后沉降) ，故在水泥搅拌桩对软土地基进行加固的设计中，主要是进行稳 定性验算及沉降计算控制的。 2 2 设计方法 2 2 1 沉降计算 目前在各种复合地基的沉降计算方法中，通常把复合地基沉降量分为两部分， 如图2 1 所示。图中h 为复合地基加固区厚度，z 为荷载作用下地基压缩层厚度。 复合地基加固区的压缩量计为s l ，地基压缩层厚度内加固区下卧层厚度为( z j 1 ) ， 其压缩量计为s 2 。于是，在荷载作用下复合地基的总沉降量s 可表示为两部分之 和，即： s = s l + s 2 ( 2 1 ) 荷载p 图2 - 1 复合地基沉降计算模型 8 1 ) 加固区土层压缩量s l 的计算 ( 1 ) 复合模量法( e 。法) 将复合地基加固区增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量 e 订来评价复合土体的压缩性。采用分层总和法计算加固区土层压缩量。将加固区 分成n 层，每层复合土体的复合压缩模量为e 。咖加固区土层压缩量s l 为： s 。：窆争， ( 2 - 2 ) 式中：缱一第i 层复合土上附加应力增量，k n ； 日；一第f 层土层的厚度，m 。 竖向增强体复合地基复合土压缩模量e 。采用面积加权平均法计算： e c , = m e w + ( 1 + m ) e 。 ( 2 - 3 ) 式中：e 。一桩体压缩模量，m p a ； e 。一桩间土压缩模量，m p a ； m 一复合地基置换率，无量纲。 =型条=0907(d)2(2-4)m 2 x 4 3 b b = ；_ 2 。 z 式中：b 一桩布设的三角形边长，m 。 d 一桩径，m 。 ( 2 ) 应力修正法( e 。法) 在竖向增强体复合地基中，增强体的存在使作用在桩间土上的荷载密度比作 用在复合地基上的平均荷载密度要小，在采用应力修正法计算压缩量时，根据桩 间土分担的荷载，按照桩间土的压缩模量，忽略增强体的存在，采用分层总和法 计算加固区土层的压缩量。 竖向增强体复合地基中桩间土分担的荷载为： p ，= 丽p =以ppp ( 2 5 ) ，2 瓦而面2 以 ( z 一5 式中：p 一复合地基平均荷载密度，k p a ； 。一应力减小系数或称应力修正系数，无量纲； 儿2 百磊而( 2 - 6 ) n 一复合地基桩土应力比，无量纲。 故复合地基加固区土层压缩量采用分层总和法计算： 弘- a e p i h ，：i z , 窆铷；钢& ( 2 - 7 ) t = l 1 。一 i = l t ；, s l 9 式中：衅一未加固地基( 天然地基) 在荷载p 作用下第f 层土上的附加应力增量， k n ； 必。一复合地基中第f 层桩间土中的附加应力增量，k n ； 墨，一未加固地基( 天然地基) 在荷载p 作用下相应厚度内的压缩量，e m 。 ( 3 ) 桩身压缩量法( e 。法) 在荷载作用下，若桩体不会发生桩底端刺入下卧层的沉降变形，则可以通过 计算桩身的压缩量来计算加固区土层的压缩量。 在桩身压缩量法中根据作用在桩体上的荷载和桩体变形模量计算桩身压缩 量，并将桩身压缩量作为加固区土层压缩量。 竖向增强体复合地基桩体分担的荷载为： = z p p ( 2 - 8 ) p2 百面而2 ( 2 。葛) 式中p 一复合地基平均荷载密度，k p a ； ，一应力集中系数，无量纲。 p2 百丽n ，(2-9) 若桩侧摩阻力为平均分布，桩底端承力密度为p l ，则桩身压缩量为： s 。= s p = 兰生差三! 三l ( 2 1 0 ) 式中：一桩身长度，也等于加固区厚度h ，m ； e 。一桩身材料变形模量，m p a 。 若桩侧摩阻力分布不是均匀分布，则需先计算桩身应力沿深度z 的变化情况， 再进行积分，可得到桩身压缩量。计算中也可考虑桩身变形模量沿桩长方向的变 化。压缩量s 。的表达式为： 耻沪r 篙疵 ( 2 - 式中：p ，( z ) 一桩身应力沿深度z 变化的表达式，k n ； e p ( z ，p ) 一桩身变形模量，可以是深度z 和桩身应力p 的函数，m p a 。 ( 4 ) 加固区压缩量s 。计算方法比较分析 e 法：复合模量法是基于经典的分层总和法沉降计算理论，考虑到水泥 土搅拌桩的改良作用，用加固土层的桩土复合变形模量来代替天然地基土变形模 量。这种方法不仅理论基础充分，而且可以算出加固区各土层的分层沉降以及中 心和边缘处沉降。但是，它在加固区的附加应力仍取天然地基中的值，这点与事 实有点不符。众所周知，地基中的附加应力是将地基视为半空间无限体、弹性体 1 0 和均质体而得出的。水泥土桩复合地基符合半空间无限体，近似弹性体，但不符 合均质条件，故搅拌桩复合地基中的附加应力己不同于天然均质地基，但由此引 起的误差相对来说较有限，计算结果较稳定。用复合模量法计算的沉降与按双曲 线法计算的沉降量较为接近。因此，建议加固区沉降墨采用复合模量法计算。 e 。法：在置换率较低时，应力修正法可用来计算加固区压缩量。当复合 地基置换率较高时，采用应力修正法计算误差较大。计算误差还与桩与天然土的 相对刚度有关，相对刚度愈小，误差愈大。通常认为，在荷载作用下桩端能发生 较大刺入沉降时，采用该法可取得较好的效果。 e 。法：桩身压缩量法适用于当桩端刺入沉降很小，则加固区压缩量近似 等于桩体竖向压缩量，采用该法计算加固区压缩量可以取得较好的效果。 2 ) 下卧层土层压缩量s ，的计算方法 下卧层土层压缩量s ，的计算常采用分层总和法计算，即： 耻喜斧t = 喜挚t = 喜争t 式中：e 。，一根据第f 分层的自重应力平均值墨学( 即p 。，) ，从土的压缩曲线 上得到的相应孔隙比，无量纲； 盯d 、仃。( “) 一分别为第i 层土层底面处和顶面处的自重应力，k p a ； p ：，一根据第i 分层的自重应力平均值o c i - t - i o 一c f f _ 1 ) 与附加应力平均值 墨学之和( 即p 2 ，) ，从土的压缩曲线上t 。一i o 的相应孔隙比，无 量纲。 仃d 、盯：( ) 一分别为第i 层土层底面处和顶面处的附加应力，单位k p a ； 日；一第f 分层土的厚度，m ； 口，一第i 分层土的压缩系数，无量纲； e 。；一第i 分层土的压缩模量，m p a 。 在计算下卧层土层压缩量s ，时，作用在下卧层上的荷载是比较难以精确计算 的，目前比较常用的有以下两种方法： ( 1 ) 压力扩散法 将复合地基视为双层地基，由加固区土层和下卧层土层组成( 如图2 2 ) 。复 合地基上作用荷载p ，通过加固区土层，压力扩散角为，作用在下