（交通运输工程专业论文）cgmt桩在路基加固工程中的应用研究.pdf

摘要 c g m t ( c e m e n tg r a v e lm i x i n gt r e n c h l e s s ) 非歼挖干拌水泥碎石桩是在碎石 桩、c f g 桩基础上研发的新桩型，已应用于海南省高速公路病害处理和路基加固 工程。由于地质条件以及c g m t 桩的复杂性，目前对c g m t 桩复合地基加固机 理仍处于研究之中。本文通过理论分析、室内试验、现场试验等手段，对c g m t 桩复合地基的加固机理及其优化设计理论进行了深入的研究。 本文首先通过对c g m t 桩复合地基改善松散砂土和软粘土地基的作用机理 分析，认为c g m t 桩主要通过振密挤密效应、置换效应、加速排水效应、垫层作 用对地基进行加固。 其次通过试验和分析，得出了c g m t 桩的桩二土应力应变关系、桩土应力比、 单桩和复合地基的承载力计算方法。通过对c g m t 桩变形模式和机理的研究，表 明桩体由加速排水效应改善了桩周土的微观结构，加速了地基填土的露结，减少 了沉降。提出了合理的路堤荷载作用下c g m t 桩复合地基的沉降计算方法，并分 析了路堤沉降的影嗡因素。 再次结合京珠高速公路许昌漯河段c g m t 桩加固工程实际，进行了大量的 现场试验和室蠹试验，对c g m t 桩处理地基豹效果进行了检验，对复合地基的承 载机理及应力应变机理进行了深入研究，最后通过地质雷达测试对加固效果进行 了检验。论证了c g m t 桩在高速公路路基加固中应用的可行性和优越性。 最后对c g m t 桩施工技术与质量控制和检测进行了详细的介绍。 关键词：c g m t 桩，路基，承载力，沉降，试验，质量控制 i v a bs t r a c t c g m t ( c e m e mg r a v e lm i x i n gt r e n c h l e s s ) n o n 。e x c a v a t i o nd r ym i x i n gc e m e n t g f a v e lp i l ei s 鑫鑫e wp i l eb a s e d 拶是g r a v e lp i l e ， c f gp i l e ， a n da l s oh a sb e e nu s e di n h e n a nh i g h w a yd i s e a s et r e a t m e n t a n de m b a n k m e n tr e i n f o r c e m e n tp r o j e c t lh e 璎e c h a n i s mo fc g m tp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n ti ss t i l lb e i n g s t u d i e da t p r e s e n tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dc g m t p i l ei t s e l f i t s t u d i e so ni t sr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n do p t i m a l d e s i g n t h e o r yt h r o u g ht h e m e t h o d so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，i n 。s i t ue x p e r i m e 觳t f i r s t l v ，t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo ni o o s e s a n d f o u n d a t i o na n ds o f tc l a yf o u n d a t i o n ，t h er e i n f o r c i n ge f f e c t o fc g m tp i l ec a nb e o b t a i n e dt h r o u g hv i b r a t i o na n dc o m p a c t i o ne f f e c t ，r e p l a c e m e n te f f e c t ，t h ea c c e l e r a t e d d r a i 投a g ee f l e e ta n dc u s h i o n i n ge f f e c t 。t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n dt h ea n a l y s l s ，w e h a v eo b t a i n e dt h ep i l e s o i ls t r e s s s t r a i nr e l a t i o n so fc g m tp i l e t h ep i l e 。s 0 1 l s t r e s s r 蕊o ，t h ee a l c u l a t i o nm e t h o d so fb e a r i n gc a p a c i t y o fs i n g l ep i l ea n dc o m p q s l t e f o u n d a t i o n ， s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h es t u d yo nd e f o r m a t i o nm o d ea n dt h e m e c h a n i s 嫩o c g m tp i l e ，w ec a ns e et h a t t h ea c c e l e r a t e dd r a i n a g e e f f e c ta c c e l e r a t e dt h e c o n s o l i d a t i o no ft h ef o u n d a t i o nf i l l i n ga n dr e d u c e dt h es e t t l e m e n tb yi m p r o v i n gt n e m i c r o s t r u c t u r eo ft h es o i la r o u n dt h ep i l e 。w ep u tf o r w a r dar e a s o n a b l es e t t l e 礅e n t c a l c u l a t i o nm e t h o du n d e rt h ee m b a n k m e n t l o a d ，a n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s o fe m b a n k m e n ts e t t l e m e n t 。 t h i r d l y ，w ed i dal o to fi n s i t u a n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sb a s e d o nt h e l e i 羚稻芏e e 懋e n t o j e c to fj i n g z h uh i g h w a yx u c h a n g l u o h e s e c t i o n w et e s 童专h e t r e a t i n ge f l e e t ，t a k es t u d y o nb e a r i n gm e c h a n i s ma n ds t r e s s - s t r a i nm e c h a n i s mo f e o m p l e xf o u 觳d a t i o n 。a tl a s t ，t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c ti s t e s t e db yg e o l o g i cr a d a r - i t s f e a s i b i l i t va n ds u p e r i o r i t yo fe m b a n k m e n t r e i n f o r c e m e n ti nh i g h w a yh a s b e e n v a l i d a t e d 。 n ee n d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e gt h ec o n s t r u c t i o na n d q u a l i t yc o n t r o l l i n ga n d t e s to f c g m t p i l e k e y w o r d s ： c g m tp i l e ， f o u n d a t i o n ， b e a r i n gc a p a c i t y ， s e t t l e m e n t ， l a b o r a t o r ya n d i n s i t ue x p e r i m e n t ，q u a l i t yc o n t r o l l i n g v 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： 亨 日期：磁年1 - 月矽日 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密l i 。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者 导师 日期渺譬年f 月伽e t 日期：睹年r 月v 1 日 1 1 研究的工程背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 河南省自2 0 世纪9 0 年代以来，已建成了开洛、安新、郑许、许漯等高速公路，全 省的高等级公路总里程己突破了4 5 0 0 k m 。河南省地处中原，在国家加强基础设施建设 的战略带动下，高速公路的建设和发展己进入一个全盛的发展时期，为开发大西北和南 北高速公路大动脉的贯通，起着非常重要的作用。但同时，随着高等级公路的大规模建 设，工程中遇到的问题越来越多，越来越复杂。软土地基其压缩性高，沉降量大，排水 固结稳定性差，在这类地基上修建高等级公路，若不经过处理或处理不当，就会引起道 路质量的降低甚至破坏。由于软土沉降等问题，使路面开裂，车速度大为下降，一直小 修不断。随着高等级公路的修建，软土地基问题越来越突出，己成为影响工程质量、工 程周期和工程造价的关键因素之一。因此，加强高等级公路地基处理的研究，己经成为 迫切需要解决的课题。 c g m t ( c e m e n tg r a v e lm i x i n gt r e n c h l e s s ) 干拌水泥碎石桩是在碎石桩、c f g 桩的 基础上发展起来的一项新的公路路基非开挖快速加固技术。具有施工周期短、造价低、 环境污染小、不影响通车等优点。可增加地基路堤承载力、减少不均匀沉降、加速排水 固结、抗液化和提高整体稳定性。可以解决由于各种原因造成的路基压实度低、含水量 过高形成的路面沉陷、唧泥、翻浆、桥头跳车、路基滑移等路基、路面病害问题。 c g m t 路基加固技术是在对路基病害成因的深入分析的基础上，经反复研究、试验 获得的一项新技术。该技术通过对路基土置换挤密、吸收降低水分等方式形成复合路基， 复合地基，降低了路基填料的含水量，对原有土体进行挤密，使桩周围一定范围内土层 密实度提高，提高了地基，路基的整体强度。 c g m t 路基加固技术采用干法成孔，桩身材料按设计配比水泥：碎石：水= 1 ：8 7 ：0 4 ， 采用c 3 0 混凝土标号，水泥要求3 2 5 r 普通硅酸盐水泥。采用定量容器计量，机械搅拌。 回填夯实时制作和设计体积相同的容器进行定量回填，每次虚填厚度2 5 c m 3 0 c m ；采用 1 2 0 k g 重锤，落距大于1 0 m ，击实次数不小于7 次，压实系数o 9 5 ；封孔用c 3 0 混凝 土振捣密实并收光表面。 和其它路基处理技术方案比较，c g m t 路基加固处理技术具有很多不可替代的优 占 ，、 ，( 1 ) 施工规模小，可多点同时施工，施工速度快，不需要拆除和修复原有路基， 不影响通车； ( 2 ) 与其它地基处理方式相比，具有节约水泥、钢材和木材的优点，可以较好的 l 控制工程造价； ( 3 ) 就地取材，施工快捷简便，对环境污染小； ( 4 ) c g m t 桩是一种散体材料桩，对路基土置换挤密，形成复合地基，增加了承 载力，减少了不均匀沉降； ( 5 ) c g m t 桩吸收降低了路基土体的水分，加速了路基土体的固结排水过程； ( 6 ) c g m t 桩具有较好的抗地震液化特性，处理后可以有效的消除场地液化土层 的液化势； ( 7 ) 适用范围广，可以用于处理砂土、粉土、粘土、素填土和杂填土等土体； ( 8 ) 在软基中加入了抗剪强度远高于土体的c g m t 桩，增加了复合地基的整体稳 定性。 1 2 路基加固技术与碎石桩研究现状 1 2 1 高速公路路基地基加固技术研究现状 我国高等级公路建设的飞速发展，路基地基处理已经成为影响高速公路质量和工期 的关键技术。路基地基处理方法很多，我国高等级公路常用的地基处理方法、加固原理 和适用范围如表1 - 1 所列【1 1 。 表1 1高速公路地基常用处理方法 方法原理使用范围 在地基中设置竖向排水系统( 如插置塑料排水板、袋 装砂井、或设置普通砂井) 和水平排水系统，在逐级 填筑路堤荷载作用下使地基土体排水固结，产生固结 软粘土、淤泥和淤泥质土地 排水固结法 沉降使土体强度增长，地基承载力提高，并可有效减 基。 小工后沉降。若采用大于路堤及工作荷载的预压荷载 则称为超载预压。超载预压可进一步减小工后沉降 采用质量为1 0 4 0 t 的夯锤从高处自由落下，地基土 碎石土、砂土、低饱和度的 强夯法在强夯的冲击力和振动力作用下振实、挤密，可提高 粉土、粘性土、湿陷性黄土、 地基承载力，减少沉降。杂填土和素填土地基。 淤泥、淤泥质土和含水量较 利用深层搅拌机将水泥或石灰和地基土原位搅拌形 高地基承载力标准值不大于 成圆形状、格栅状或连续墙水泥土增强体，形成水泥1 2 0 k p a 的粘性土、粉土等软 深层搅拌法 土桩复合地基以提高地基承载力，减小沉降。深层搅土地基，用于处理泥炭土或 拌法分喷浆搅拌法和喷粉搅拌法两种。 地下水具有侵蚀性时，宜通 过试验确定其适用性。 利用振冲器在高压水流作用下边振边冲在地基中成 不排水抗剪强度不小于 孔，在孔内填入碎石、卵石等粗粒料且振密成碎石桩。 振冲置换法 2 0 k p a 的粘性土、粉土、饱 碎石桩与桩间土形成复合地基，以提高地基承载力， 和黄土和人工填土地基。 减小沉降。 沉管碎石 利用沉管法在地基中成孔，在孔内填入碎石、卵石等 粗粒料形成碎石桩。碎石桩与桩间土形成复合地基， 同上 桩法 以提高地基承载力，减小沉降。 边填碎石边强夯，在地基中形成碎石墩体，由碎石墩、 人工填土、砂土、粘性土和 强夯置换法墩间土以及碎石垫层形成复合地基，以提高地基承载 黄土、淤泥和淤泥质土地基。 力，减小沉降。 2 表1 1 高速公路地基常用处理方法( 续表) 方法原理 使用范围 通过机械或人工成孔，在软弱地基中填入生石灰块或 石灰桩 杂填土、软粘土地基。 生石灰拌和料，通过石灰的吸水膨胀、放热以及离子 交换作用改善桩周土的物理力学性质，并形成石灰桩 复合地基，可提高地基承载力，减少沉降。 低强度混凝土 在地基中设置低强度混凝土桩，与桩间土形成复合地 桩复合地基基。 各类深厚软弱地基。 聚苯乙烯板块( e p s ) 容重只有土的1 5 0 - - 一1 1 0 0 ，并 e p s 超轻质料填 且有较好的强度和压缩性能，用于填土料，可有效地 土法减小作用在地基土的荷载，需要时也可置换部分地基 软弱地基。 土，以达到更好的效果。 在土体中埋置土工合成材料、金属板条等形成加筋土 加筋土法各种软弱地基。 垫层，增大压力扩散角，提高地基承载力，减小沉降。 以上几种地基处理方法在我国高速公路建设中经常采用，每种方法都有它的适用范 围和优缺点，如：袋装砂井排水法适用于工后沉降要求相对较低的一般路段，这种方法 简单、经济，但为了取得较好的加固效果，需要足够长的预压时间，粉煤灰碎石桩、粉 喷桩地基处理能迅速增加地基承载力，减小沉降，但造价较高，适用于在工后沉降要求 严格，以及工期紧张的工程中。 在确定地基处理方法时，可根据工程具体情况，对各种地基处理方法进行技术、经 济以及施工进度等比较。同时，在确定地基处理方法时，还要注意节约能源、环境保护， 避免因为地基处理对地面水和地下水产生污染，以及振动噪音对周围环境产生不良影响 在筮 专予o 1 2 2 碎石桩复合地基研究回顾与现状 碎石桩加固软弱地基起源于1 9 3 5 年。最开始用来加固砂土地基，后来用于加固粘 性土。据h u g h e s 和w i t h e r s 的资料介绍【2 】，在法国建兵工厂使用过碎石桩，该兵工厂坐 落在海湾沉积的软土上，当时的设计桩径为0 2 m ，桩长2 m ，每根桩承担的荷载为1 0 k n 。 加固后的实际沉降量只有未加固前的四分之一【3 】。1 9 3 6 年，德国s s t e u e r m a n 提出用振 动水冲法( 简称振冲法) 挤密砂土地基【4 1 。2 0 世纪5 0 年代初，振冲法开始用于加固粘 性土地基，并成为碎石桩。从此，一般认为以振冲法在粘性土中形成的密实碎石柱为碎 石桩。 振冲法于1 9 3 7 年首次用于处理柏林某大楼深达7 5 m 的松砂地基，使该砂基的密实 度由4 0 振密为8 0 ，承载力提高了1 倍【5 】。5 0 年代振冲法引入美国，试用于安德斯坝 工地，有效地提高了砂基的密实度，随即在美国和西欧推广应用。例如美国p o r tm a n n 桥基，以振冲法加固深达2 5 m 的松砂【6 】。1 9 5 7 年日本也引进了这种技术处理松砂地基。 德国j a h a n nk e l l e r 公司和英国c e m e n t a t i o n 地基工程公司，分别于1 9 5 9 年和1 9 6 0 年将 振冲法拓广用于处理软粘性土地基，在软土中筑碎石桩组成复合地基，满足设计要求， 应用于许多房屋、油罐和堤堰软基的处理【7 】【8 1 。近十多年来国外以振冲法处理松、软土 地基与土构物的应用更加广泛，取得了良好的效果。 1 9 7 7 年振冲法引进我国后即获得迅速地推广，大量用于土建、水利、冶金和交通等 工程的地基与土构物的加固处理【9 j 。多年来中国在大坝、道路、桥涵、大型厂房及工业 与民用建筑地基上广泛采用振冲法加固。如在十字板强度低于2 0 k p a 的软粘土地基，在 含水量高的淤泥、泥炭地基采用振冲法加固都有成功的实例【l0 | 。 随着时间的推移，各种不同的施工工艺相应产生，如沉管法、振动气冲法、袋装碎 石桩法、强夯置换法等。 随着工程实践的大量应用，推动了理论研究的发展，碎石桩复合地基强度和沉降计 算方法取得了很大发展。 国外学者w o n g ，h y ( 1 9 7 5 ) 利用模型试验确定了碎石桩复合地基的桩一土应力 比，并提出了碎石单桩容许承载力计算公式【1 1 1 。b r a u n s ( 1 9 7 8 ) 基于某些假设和极限 平衡条件，推导出了碎石桩极限承载力计算公式。p r i e b e + ( 1 9 7 6 ) 基于半无限弹性体中 园柱孔横向变形理论，提出了碎石桩复合地基沉降计算方法。g o u g h n o u r ，r r ( 1 9 8 3 ) 将单桩及其周围等效影响园范围内的土体组成的圆柱体作为代表性单元来考虑，提出了 应变折减法来确定碎石桩加固区的压缩量【1 2 】。j u r a n ，i ，r i c c o b o n o ，0 ( 1 9 9 1 ) 在 改装后的三轴试验仪上分别进行了围压为常量和侧限两种条件下碎石桩复合体、胶结碎 石桩复合体试验，并指出：对于碎石桩复合体、桩和土都有径向膨胀的趋势，要约束径向 变形，需增加径向压力，在较高置换率下，群桩效应可限制桩的横向变形，从而能有效 地降低地基沉掣1 3 】。p o r o o s h a s bhb ，m e y e r h o f gg ( 1 9 9 7 ) 在假设系统几何非线性， 材料线弹性，桩体底部坐落在硬土层上、桩规则分布的前提下，通过理论分析得到了碎 石桩复合地基荷载一沉降关系【l4 。 国内学者通过多年实践研究，在碎石桩复合地基承载机理和变形方面也取得了很大 的成果。吴延杰、杨志红( 1 9 9 4 ) 通过试验室模型桩试验，得出单桩复合地基在压板是 刚性的条件下，复合地基中应力分布上部为中间小，边缘大的马鞍形分布，而随着深度 的增加，马鞍形逐渐扁平；在碎石柱复合地基中，竖直方向的应力衰减与基础( 载荷板) 下应力水平，基础( 载荷板) 尺寸有关；复合地基中桩土应力比在不同深度时其值也不 同【l5 1 。盛崇文、王盛源、方元凯( 1 9 8 3 ) 在江苏南通天生港电厂现场进行了两组碎石桩 复合地基大型荷载试验，测得了复合地基的沉降模量和桩土应力比【l6 1 。韩杰、叶书麟、 曾志贤( 1 9 9 0 ) 在用碎石桩加固沿海软土地基的现场试验中，测得了刚性荷载板下基底 反力分布，并提出了如何根据荷载试验确定碎石桩复合地基的桩土应力比。李杰、方 永凯( 1 9 8 9 ) 根据室内模型试验结果，认为碎石桩桩顶以下两倍桩径范围内有应力集中 现象，并将复合地基分为应力集中区，其余加固区和下卧层三个部分来进行理论分析， 建议将碎石桩复合地基的沉降分三个部分计算i l 8 1 。 上述这些都是现阶段碎石桩复合地基理论成果，但对复合地基实际承载过程中桩和 4 土的应力应变变化规律还缺乏更深入的研究，因而复合模量的计算，桩土应力比的变化 规律及沉降折减系数的计算等尚待进一步探讨。 1 3 本文主要研究内容 c g m t 桩路基加固技术已在多条高速公路上进行推广使用，但还没有比较成熟的设 计方法，c g m t 桩地基处理设计的准确性、科学性和合理性无法得到保障，所以本文针 对高速公路路基病害、路面裂缝和不均匀沉降等问题，从c g m t 桩复合地基加固机理 入手，研究c g m t 桩复合地基承载力、沉降变形及稳定性规律。完成的主要工作如下： 1 在分析高速公路常见病害的基础上，结合试验和工程实践提出c g m t 路基加固 技术，拟论述c g m t 加固技术的特点及适用性： 2 拟对c g m t 桩复合地基的承载作用机理、荷载传递规律等进行分析，探讨c g m t 桩复合地基的主要破坏模式：分析路堤荷载作用下c g m t 桩复合地基中应力一应变的 分布规律；对现行散体材料桩复合地基中桩体承载力、复合地基承载力、沉降计算进行 研究； 3 拟通过结合京珠高速公路许昌漯河段c g m t 桩加固工程实际，通过现场试验和 室内试验，对c g m t 桩处理地基的效果进行检验，对复合地基的承载机理及应力应变 机理进行研究，并对c g m t 桩的施工技术与质量控制和检测进行介绍。 第二章c g m t 桩复合地基承载力作用研究 2 1c g m t 桩承载作用机理分析 2 1 1c g m t 桩改善松散砂类土形态的作用 c g m t 桩作为碎石桩的一种，能直接改善松散砂类土的性态，尤其是饱和松散砂类 土的抗震液化特性【1 9 】。通过振密、排水减压以及预振效应，改善了土体本身疏松饱和、 排水不及时的不利因素，达到加固效果。 1 振冲振密 饱和松砂经强烈振动，土粒将重新排列密实。据统计振冲处理后的砂基其密实度都 可达到7 0 以上，一般为7 5 以上【2 们。由于砂土振冲密实，其孔隙大为减小，从而减少 沉降，提高砂土的强度和砂基的承载力，消除液化的可能性。 2 排水减压作用 饱和松散砂在振动作用下，趋向密实。由于孔隙中的水来不及排出，砂土难以密实， 致使砂土骨架松弛软化，粒间应力随着不断的振动逐渐转变为超孔隙水压力，当超孔隙 水压力达到上覆土压力时，即产生液化。而密实的砂土无振缩趋势，故不产生液化。即 使是饱和松砂土，因其中含有排水畅通的碎石桩，使桩间土产生的振动超孔隙水压力的 水迅速地由c g m t 桩体排出，土中孔隙水压力亦随之减小，难以聚集提高，从而消除 或减小液化的可能性。 3 预振效应 h b s e e d 等试验表明经预振过的砂土，虽其振后的密实度仅为5 4 ，而其抗地震 液化的能力却相当于密实度为8 0 n 未经预振的砂土抗地震液化的能力【1 2 】。c g m t 桩 复合地基，采用大于1 2 0 k g 的重锤，落距大于1 0 0 c m ，夯实次数不小于7 次，提高了地 基土抗震液化能力。 2 1 2c g m t 桩对改善软粘性土形态的作用 对于粘性土地基( 特别是饱和软土) ，由于土的粘粒含量多，粒间结合力强，渗透 性弱，在振动力或挤压力的作用下，土中的孔隙水不易排出，在c g m t 桩的施工中， 软土难以振挤密实。实际施工中由于桩周土体的重塑，加速了土体的固结，使地基土抗 剪强度有一定的提高，此时桩体起到的主要作用不是使地基土挤密而是置换。桩体由散 粒体组成，在承载力作用下有径向变形，从而桩周粘性土产生被动抗力，对桩体提供径 向支持力，桩周粘性土的粘性大小对桩体的强度有重要影响。土体受到振、冲、挤压等 强烈的扰动往往产生超孔隙水压力，从而导致原地基土的强度降低。制桩结束后，一方 6 面原地基土的结构强度会随时间逐渐恢复【2 l 】；另一方面孔隙水压力会向桩体转移扩散， 有效应力增大，强度提高和恢复，土体的微观结构也随着时间逐渐改善。另外通过调整 c g m t 桩级配，所制成的c g m t 桩也是粘土地基中一个良好的排水通道，大大缩短了 孔隙水的水平渗透途径，加速软土的排水固结，使沉降稳定加快。 2 1 3c g m t 桩复合地基的加固机理 经分析，c g m t 桩复合地基的加固效果主要来源于以下三种作用：一是振密挤密效 应，即因施工成桩过程中，桩周土受到振挤而使桩周土强度增大的效应；二是置换效应， 即地基的原软弱土被较高强度的桩体置换而使地基强度增大的效应；三是加速排水效 应，即桩体使地基土排水渗流的渗径缩短而加速地基土固结从而使地基承载能力随时间 提高的效应。另外，桩体及桩周土组成的加固层对下卧层起到很好的“垫层作用”，扩散 了上部荷载，从而减少了下卧层的沉降。 c g m t 桩复合地基基本特征是桩体材料主要为散粒体材料，它的成型及支承荷载的 能力均需依靠桩周土体对它的径向约束作用。对于散粒材料桩这种特定的结构体，在刚 性基础下，桩柱体的侧向鼓胀变形是实现桩土之间变形协调的首要调整方式。 当c g m t 桩体进入相对硬层时，刚性基础下，桩和桩间土变形满足“等应变”条件， 荷载必须按地基材料的刚度大小不断进行分配，由于桩体材料的模量远比桩间土的模量 大，通过基础传递给复合地基的外荷载逐渐向桩上集中，桩间土负担的应力相应减少， 此时，复合地基中c g m t 桩的作用主要是桩体加固作用。 当c g m t 桩桩体未进入相对硬层时，由于桩体材料的模量远比桩间土的模量大， 由c g m t 桩桩体和桩间土组成的复合土层的模量将大大高于桩间土的模量，复合土层 相当于软土地基上部的硬壳层，主要起垫层作用，垫层将外荷载在地基内引起的应力向 周围扩散，使地基中应力趋于均匀，地基整体承载力相应提高。 复合地基中的c g m t 桩能发挥与砂井相同的排水作用。由于制桩过程中振动、挤 压和扰动等因素的影响，使桩间土中出现了较大的超孔隙水压力，桩间土的强度相应降 低，当制桩结束后，随着土中孔隙水压力的消散，地基土的结构强度不断恢复，在对复 合地基加载过程中，桩体排水作用使土体中的超静孔隙水压力不断消散，有效应力和桩 周土的强度不断增大，复合地基的强度也不断提高。 在松散砂性土地基中设置c g m t 桩时，砂粒经施工振动，其中孔隙大为减少，土 粒重新排列密实，从而减少沉降；砂土中因含有排水畅通的c g m t 桩，使桩间土产生 的振动超孔隙水压力的水迅速地由c g m t 桩体排出，土中孔隙水压力亦随之减小，难 以聚集提高，从而消除或减小液化的可能性。因此，c g m t 桩用来处理松散砂性土地基 时，主要体现为振密挤密和加速排水效应。 软粘土地基中，c g m t 桩的主要作用是置换部分土体，利用c g m t 桩体的强度起 n ；b n 固地基的作用。另外，土中填筑的c g m t 桩又大大地缩短了排水路径，使土体加 7 速固结。因此，处理粘性土地基时则主要表现为置换和加速排水效应。 c g m t 桩型现主要应用于现有路基加固，由于路基土本身具备一定强度，故路堤填 土种类与填筑质量是加固效果的重要因素；对其设置褥垫层可更好的调节复合地基的受 力状况【2 2 】1 2 3 】。 2 2c g m t 桩复合地基应力一应变机理分析研究 2 2 1c g m t 桩复合地基破坏模式 碎石桩复合地基破坏时，表现为不同的破坏模式，主要为：刺入破坏、鼓胀破坏、 整体剪切破坏、整体滑动破坏【2 4 1 。有时对于同一根桩，甚至可能出现一种以上的破坏情 况。c g m t 桩复合地基作为碎石桩复合地基的一种，同样具备此种破坏特性。图2 1 为 几种破坏形式。 鼓胀破坏，在荷载作用下，桩周土不能提供桩体足够的围压来防止桩体产生大的侧 向变形，产生桩体的鼓胀破坏进而造成复合地基全面破坏。松散材料桩复合地基较易发 生鼓胀破坏模式，在一定条件下，柔性桩复合地基也易发生桩体鼓胀破坏。 刺入破坏，桩体强度较高，而地基土强度较低，不能承担荷载，易发生桩体刺入破 坏，进而引起桩问土破坏，造成复合地基全面破坏，刚性桩复合地基易发生此种破坏。 川l 一 0 时，围压越大则破坏时的主应力差就越大，即土对桩的侧向约束越大，桩传递 荷载的能力越强。图2 4 为c g m t 桩应力应变曲线。 o 24 ( a ) 6 ， 2 0 0 k p a c g m t 桩应力应变曲线 1 0 2 3c 固溉桩复合地基桩土应力比 2 3 1 桩土应力比影响因素 桩土应力比是复合地基的一个重要的设计参数，它反映了复合地基的工作状态，实 质上是指作用在桩体上的载荷密度与作用在桩闻体上的荷载密度之比。由于土体和桩 体的实际应力应变关系比较复杂，至今尚无一个被工程界普遍接受的较为完善的计算 模式。在实际工程应用中，常常通过现场足尺模型试验测定桩土应力比来指导工程设计。 近年来的研究表明，在复合地基理论分析中桩顶应力和桩阔土应力是指作用在桩顶 面上和摭闻上的平均应力，桩土应力毙是指两者的平均应力之比。复合地基桩土应力 比的大小主要与六个因素有关： 1 荷载水平 土的实际应力应交关系是非线性的，大多数桩体材料的应力应变关系也是菲线性 的，两者的刚度相差又较大，随着荷载水平的提高桩土应力比是变化的。桩应力比n 值与荷载水平p 存在一定关系，由于复合地基与基础之间往往铺有碎石等垫层，荷载作 用初期荷载将通过垫层比较均匀地传递到桩和桩间土，随着桩和桩间土变形的发展，桩 问土应力逐渐向桩上集中。随着荷载的逐渐增大，复合地基变形也隧之增大，桩上应力 加剧，桩土应力也隧之增大。但随荷载的继续增大，往往桩首先进入塑性状态，桩体变 形加大，桩上应力就会向桩间土转移，桩土应力比减小，直至桩和桩间土共同进入塑性 状态，趋于某一值。 u 4 j 营s 叫 嚣2 l 荷载o j r s 糙憾碎着桩复合缝基 x - i 4 u 营3 叫 嚣2 l 012345 荷载o j r s 砂梭士碎石桩复会地基 图2 5碎石桩荷载应力比关系 上图分别为实测资料经整理得到的砂性碎石桩复合地基和粘性土碎石桩复合地 基桩应力毙随荷载水平提高恧变化的情况【3 0 1 。【殳。】为天然地基承载力特征僮。壶罂可+ 见，对砂性土碎石桩复合地基，当p l r , 】值小于1 0 时，n 值很分散，当p r , 】值增大 时，胛值逐渐趋于一致，其值约等于2 3 ，平均值为2 5 。对粘性土碎石桩复合地基，桩 土应力比聆值隧p r , 值增大而增大，且逐渐趋于稳定，约等于3 。5 。c g m t 由于桩身 轴力减小，桩闻土承载力变化不大，整体表现桩癍力比减小。 2 桩土模量比 在一定条件下，桩土应力比聆值与历成线性关系。但在普遍情况下，一般认 为随桩土模量比的增大，桩土应力比近于呈线性的增长 3 桩土面积置换率 1 m 图2 6碎石桩复合地基桩土应力l ：l n 与置换率m 关系曲线 上图2 6 为国外学者关于碎石桩复合地基的桩土面积置换率m 对桩土应力比, 7 影响 情况的研究成果。由图可见，除p r i e b e 方法外，桩土应力比以随置换率的减小而增大。 c g m t 桩也有类似的结论。在荷载作用下，桩间土会产生固结和蠕变，使得荷载向桩体 集中，桩土应力比随时间的延续有可能增大。 4 原地基土强度 由于原地基土强度大小直接影响桩体的强度和刚度，不同的地基土，会有不同的桩 土应力比，原地基土强度低，其桩土应力比就大；而原地基土强度提高，则桩土应力比 就小【3 1 1 。c g m t 桩作为在原有高速公路路基上的一种加固桩型，其本身路基强度对桩土 应力比影响较大。 5 桩长 桩土应力比玎随桩长的增加而增大，但当桩长达到一定值时，z 值几乎不再增大， 这一桩长称为有效桩长。 6 时间 桩土应力比是指稳定状态下的桩土应力比值，在整个施工过程中桩土应力比随时间 的增长而增大【3 2 1 。 2 3 2 桩土应力比计算方法 桩土应力比的影响因素很多，到目前为止，还没有一个较完善的桩土应力比计算模 式。下面为常用的几种桩土应力比的计算方法，通过这些公式可以估计c g m t 桩复合 1 2 地基桩土应力i ：l n 僮酶大小。 1 模量比公式 这是最简单的计算式，它假定在刚性基础下，桩体和桩间土的竖向应变相等，即 。訾乞。于是，桩体上竖向应力咋5 乓，桩间土上竖向应力q 。e 式，桩土应力比 的表达式为 您：旦：笠 纛， ( 2 1 ) 式率：、吒桩体和桩闻土上的竖向应力。 占口、气桩体和桩间土体的竖向应交； 、t 桩体材料和桩间土体的变形模量。 2 基于复合地基和天然地基载荷试验p s 曲线推算公式 根据相同旖载压板所产生的沉降量相同，可分别从复合地基和天然地基载荷试验 p s 上取得相应的应力值和唾，然后按下式计算2 q ： 嚣：l + 土( 垒一1 ) 磁q ( 2 2 ) 式中：复合地基上的竖向应力。 3 基于r o w e 剪胀理论的公式 根据r o w e 的剪胀理论，将c g m t 桩看成轴对称的圆柱体， 辫：k p p - 2 a p 当 以o 5b 一2 以 可按下式计算箨3 j ： 式中：、b 分别为桩体、桩间土的被动土压力系数； 心、几分别为桩体、桩间土的泊松比。 4 b a u m a n n 公式 ( 2 3 ) 根据c g m t 桩体及桩周土的侧向应力及径向膨胀量间关系，并假定桩体总体积保 持不变条件，可采用下述桩土应力沈计算公式箨3 】： 刀嚣峨【l n ( 严】一1 + 巧 ( 2 4 ) 式中：乓露韪，其中易、e 分别为桩体材料和桩周土体的变形模量； 0 桩体半径； 复合地基中每根c g m t 桩分捏的加固面积折算半径； k ：桩间土侧压力系数，介于被动土压力和静止土压力之间，对软土 砭= 1 2 5 1 5 ； k ：桩体的侧压力系数，介于被动土压力和静止土压力系数之间，对 c g m t 桩k ：= 0 4 - 0 4 5 ；对砂桩k j = 0 3 5 - 0 4 。 5 p r i e b e 公式 p r i e b e 假设3 4 】：地基土为各向同性；基础为刚性；桩体长度已达硬土层。推 导得c g m t 桩复合地基桩土应力比”为： 肛1 婴丛垃一 ( 2 5 ) t a n 2 ( 4 5 0 一0 5 缈。) 厂( 从，m ) 肌聊，= 高。紫 式中：伊。c g m t 桩内摩擦角； m g m t 桩的置换率。 6 陈振健一盛崇文桩土应力比计算式 采用c g m t 桩加固地基时常采用满堂布置形式，在这种情况下可将c g m t 桩复合 地基简化成轴对称问题，桩体和桩间土共同承受刚性基础传递的荷载。从中取一典型 c g m t 桩及其加固范围内的桩间土，按平面上面积相等原则，将其简化成由桩和围绕着 桩的环形土柱组成的圆柱体。假设复合层下相对硬层顶面是光滑的，则等效单元外边界 是光滑的，陈振健和盛崇文【3 5 1 1 3 6 】推导了等效单元的贯穿度为1 时的桩土应力比，z 的计算 式。按破坏方式不同，可分为以下两类： ( 1 ) 桩间土先于桩体破坏，此时桩体始终保持弹性变形阶段，此时桩土应力比为： 刀：丝三堡二! 监! 二竺垦 1 一，2 ( b p 一1 ) ；+ 1 一s e ( 2 6 ) 式中： 互= 1 。铨叱州卜所，等1 l 鲁小州以 一p ps espe s 驴，一掣，等；纠棚每 2p 口 2 ( 2 ) 桩体始终处于极限平衡状态，假定桩体材料为理想弹塑性体，运用塑性力学 分析方法可得弹塑性解，此时桩土应力比为： 以：! 竺二圣竺丝t a n 2 口( 2 一- 7 一) ，2