（岩土工程专业论文）高速公路粉喷桩复合地基承载机理及其设计理论研究.pdf

高速公路粉喷桩复合地基承载机理及 设计理论研究 摘要 随着土木工程建设的迅速发展，粉喷桩复合地基技术在软土地基处理中得到 了广泛应用。但由于地质条件及粉喷桩复合地基本身问题的复杂性，目前对其认 识仍处于探讨与研究之中，且粉喷桩复合地基主要集中于上海、江苏、浙江、广东、 福建、湖南、湖北等省的软土地区，而在黄河冲积区域如山东地区的应用较少， 故缺乏相应的设计施工经验。因此，本文拟从理论分析及工程试验两方面入手， 对黄河冲积流域的粉喷桩复合地基的设计计算理论、工程旋工与质量检测进行全 面探讨。 本文首先利用溶解一析出理论剖析了粉喷桩的成桩本质，并由此对粉喷桩复合 地基的承载机理进行了全面分析；然后将粉喷桩对土体的作用视为平面轴对称问 题，从而利用圆孔扩张理论，并考虑扩张影响半径的大小，分两种情况分别导得 了桩土应力比和粉喷桩复合地基承载力的计算公式，并在此基础上对影响粉喷桩 复合地基竖向承载力的主要因素进行了深入分析。而后，对粉喷桩复合地基设计 计算的全过程进行了探讨，包括沉降及稳定性计算等，并基于几种常见的“s 型 成长曲线模型，引入“组合预测 的思想，提出了一种变权重组合预测方法，导 得了能预测粉喷桩软土路基任一时刻沉降值的变权重组合“，型成长模型及相应 的解答，并编制了相应的计算程序。最后，依据理论分析过程，针对山东黄河冲 积地区的工程特点，结合津汕高速公路某软土路基工程实践，对粉喷桩复合地基 处理的设计、施工及质量控制方法进行了深入研究，根据工程实践的效果，提出 了一套针对黄河冲积流域地区的粉喷桩复合地基的施工工艺及施工流程，以供类 似工程参考。 关键词：复合地基；粉喷桩；承载力；沉降计算；应用研究 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc i v i le n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，d j mp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n h a sb e e n u s e dt o t r e a tt h es o f t s o i l w i d e l y b e c a u s eo f c o m p l e x i t y o fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dc e m e n tm o r t a rs p r a y e dp i l e c o m p o s l t e f o u n d a t i o n i t s e i f , n o wi th a sb e e nd i s c u s s i n ga n ds t u d y i n gg r a d u a l l y p r e s e n t l y , d j m p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nm o s t l y f a s t e n so nt h es o f ta r e ao fs h a n g h a i ，h u n a n ， c h e k i a n g ，g u a n g d o n ge t c ，w h i l e ，t h e r ei sa l a c ko fr e l e v a n tc o n s t r u c t i o ne x p e r l e n c ei n s h a n d o n gp r o v i n c eb e c a u s eo fl e s sa p p l i c a t i o no fd j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i n t h ea l l u v i u ma r e ao fs h a n d o n gf o r m e db yy e l l o wr i v e r h e n c e ，a i ma tt h ed j m p i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o na p p l i e di n t h i sz o o n ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sd e e p l yt h ed e s i g n c a l c u l a t et h e o r e t i c ，e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dq u a l i t yt e s to fd j mp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i sa n de n g i n e e r i n g t e s t f i r s t l y ，b a s e do nd i s s o l v e s e p a r a t eo u tt h e o r y ，t h i sa r t i c l et a k e sa p a r td e e p l yt h e h y p o s t a s i so ff o r m i n gp i l ea n da n a l y s e sg e n e r a l l yt h ew o r km e c h a n i c so fd j m p i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n s e c o n d l y , u s i n gt h e o r yo f r o u n d h o l ee x p a n s i o nt od e s c r i b et h e a c tb e t w e e nd j mp i l ea n ds o i lr e g a r d e da st h ep l a n ea x i a l l ys y m m e t r i cp r o b l e m ，t h e c a l c u l a t i o nf o m u l ao fp i l e s o i l s t r e s sr a t i oa n db e a r i n gc a p a c i t yo fd j mp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n c a nb eg o ti nt w od i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，c o n s i d e r i n g t h e e x p a n s i o ni n f l u e n c ea r e a ，a n dt h ei n f l u e n c eo f v e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t ya r ea n a l y z e d d e e p l y t h i r d l y i td i s c u s s e st h ee n t i r e l yc o u r s eo fd e s i g nc a l c u l a t i o no fd j m p i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，i n c l u d i n gs e t t l e m e n ta n ds t a b i l i t yc a l c u l a t i o ne t c a n d b a s e do n t h e 口t y p eg r o w t hc u r v em o d e l s ，av a r i a b l e - w e i g h tc o m b i n a t i o nf o r e c a s t i n gm e t h o d h a sb e e np r e s e n t e dw i t ht h ei d e ao fc o m b i n a t i o np r e d i c t i o n ，a n d av a r i a b l e 。w e i g h t c o m b i n a t i o ns - t y p eg r o w i n gm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d l a s t l y , a c c o r d i n ga s t h e c o u r s eo ft h e o r ya n a l y s i sa n da i m i n ga tt h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ea l l u v i u m a r e ai ns h a n d o n gp r o v i n c e ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e sd e e p l yt h ed e s i g n ，c 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 e dm e t h o do fd j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，c o m b i n i n gw i t ht h e d j mp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nt r e a t m e n ti nj i n s h a nf r e e w a y a c c o r d i n g t h ee f f e c to f e n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t ，ak i n d o fc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e a n df l o wa i m i n ga tt h i sa r e a i sp o i n t e do u t ，f o rt h es a k eo fo f f e r i n gar e f e r e n c eo ns i m i l a r i t yp r o j e c t k e yw o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；d j mp i l e ( d r yj e tm i x i n gp i l e ) ； b e a r i n g c a p a c i t y ；s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ； a p p l i c a t i o n m 湖南大学 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：彳长，缸日期：沙7 年5 - 月6 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。本人授权湖 南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 l 、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“4 ) 作者签名：弓毒 导师签 日期：五妒了年5 - 月，日 日期：珈年r , e j ，e t 哆1爷 砷 ，柳卿岛 参万 工程硕f ：学位论文 第1 章绪论 我国地域辽阔，地质情况复杂多变，其中软土分布广泛，这给公路工程建设 带来了极大的困难隐患。道路选线时应尽可能避开软土地区，但有时为满足线形 要求，不得不经过软土地区。此时路堤常存在稳定性差和过大的变形沉降的隐患， 严重影响道路的质量和使用，由此常造成巨大的经济损失。因此在软土地基上修 筑公路，特别是高等级公路，地基的处理显得至关重要。 粉喷桩复合地基由于能显著改善地基承载力，减小地基沉降，并能有效抑止 地基土体侧向变形而成为一种较理想的处理软土地基方式，在工程中得到广泛的 应用。但由于地质条件及粉喷桩复合地基本身问题的复杂性，目前对粉喷桩复合 地基的认识仍处于不断探讨与研究之中。尤其是对其承载机理、承载力计算、沉 降分析等方面的研究还不完善，有待进一步深入研究。本文拟从理论分析入手并 结合津汕高速公路，对粉喷桩复合地基的设计、施工及质量控制等进行了深入的 研究，并将研究成果应用于工程实践。 1 1 软土 1 1 1 软土的定义 国内外对“软土”均无统一定义，我国铁路、建筑及交通部门对软土的定义 也不尽相同。 我国铁路部门n 1 建议以下列物理力学指标作为区分软土的界限： ( 1 ) 天然含水量国接近或大于液限； ( 2 ) 孔隙比g 1 ； ( 3 ) 压缩模量晟 4 0 0 0 k p a ； ( 4 ) 标准贯入击数6 3 5 2 ； ( 5 ) 静力触探贯入阻力几 7 0 0 k p a , ( 6 ) 不排水强度c u 2 5 k p a 。 我国建设部心1 规定凡符合以下三项特征即为软土： ( 1 ) 外观以灰色为主的细粘土； ( 2 ) 天然含水量大于或等于液限； ( 3 ) 天然孔隙比大于或等于1 0 。 我国交通部行业标准【，l 将软土定义为“滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含 水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土”。其鉴定标准为： 高速公路粉喷桩复合地基承载机理及其设计理论研究 ( 1 ) 天然含水量之3 5 与液限； ( 2 ) 天然孔隙比之1 o ； ( 3 ) 十字板剪切强度 3 5 k p a 。 t e r z a g h i 和p e c k t 4 】( 1 9 6 7 年) 将无侧限抗压强度g u 小于2 5 k p a 的粘土称作“很 软的”，而将强度在2 5 一- 5 0 k p a 的粘土称作“软的”。而国外一些论文中将不排水抗 剪强度小于4 0 k p a 的粘性土称为软粘土。 日本道路公团1 9 8 7 年【5 】提出的软土地基的标准如表1 1 。 表1 1软土地基的标准( 1 9 8 7 年日本道路公团) 在德国【j ，软土指“很容易搓捏的土”，相当于软塑状态的土；而将液塑状的土 称为“浆糊状土( 拳头紧握它时，会从指缝间挤出) ”。 综上所述，软土是指天然强度低、孔隙比大、压缩性高、透水性小的软粘土， 有区别于象松砂那样的松软土层。 1 1 2 软土的主要物理力学特征 根据国内外各行业对软土的描述，归纳起来，天然软土主要具有以下物理力 学特性【4 l ： ( 1 ) 含水量高淤泥和淤泥质土的含水量多为5 0 7 0 ，液限一般为 4 0 6 0 ，天然含水量随液限的增大而增加。 ( 2 ) 孔隙比大天然软土的孔隙比往往要比同一垂直压力下的重塑土的孔隙 比高出0 2 - - - 0 4 。 ( 3 ) 渗透性小软土其渗透系数一般在1 1 0 4 1 1 0 墙c m s 之间。而大部分 淤泥和淤泥质土地区，由于该土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉砂、细砂、 粉土等，故在垂直方向的渗透性比水平方向要小。 ( 4 ) 压缩性高淤泥和淤泥质土的压缩系数a 卜2 一般为o 7 1 5 m p a 一，最 大达4 5 m p a ，且随着土的液限和天然含水量的增大而增高。 ( 5 ) 抗剪强度低软土的抗剪强度与加荷速度及排水固结条件密切相关。不 排水三轴快剪所得抗剪强度值很小，且与其侧压力大小无关，即其内摩擦角为零， 粘聚力一般都小于2 0 k p a ；直剪快剪内摩擦角一般为2 0 - 5 0 ，粘聚力为1 0 - 1 5 k p a ； 排水条件下的抗剪强度随固结度的增大而增大，固结快剪的内摩擦角可达8 0 至 2 工程硕上学位论文 1 2 0 ，粘聚力为2 0 k p a 左右。 ( 6 ) 触变性由于软土的结构性在其强度的形成中占据相当重要的地位，所 以触变性也是软土的一个突出特点。软土的触变性是指土体强度因受扰动而降低， 又因静置而增长的特性。在地基处理过程中，软土会因打桩扰动而引起孔隙压力 增加，随后随着孔隙压力的消散，会引起地面沉降和负摩擦。因此，在工程中保 护天然软粘土结构具有重要意义。 1 1 3 软土的工程性质 软土无论按成因还是按土质划分，种类很多。但它们都具有以下几个方面的 共同工程特性f 6 j 。 ( 1 ) 颜色以深色为主，粒度成分以细颗粒为主，有机质含量高； ( 2 ) 天然含水量高，容重小。天然含水量大于液限，超过3 0 以上；相对 含水量大于1 o ；软土饱和度高达1 0 0 ，甚至更大，天然容重为1 5 1 9 k n m 3 ； ( 3 ) 天然孔隙比大，一般大于1 0 ； ( 4 ) 渗透系数小，一般小于1 0 石e m s 数量级，沉降速度慢，固结完成所需时 间较长； ( 5 ) 粘粒含量高，塑性指数大； ( 6 ) 高压缩性，压缩系数大，基础沉降量大，一般压缩系数大于o 5 m p a 1 ； ( 7 ) 强度指标小，软土的快剪粘聚力小于1 0 k p a ，快剪内摩擦角小于5 0 ；固 结快剪的强度指标略高，粘聚力小于1 5 k p a ，内摩擦角小于1 0 0 ； ( 8 ) 软土的灵敏度高，灵敏度一般在2 1 0 之间，有时大于1 0 ，具有显著 的流变特性。 1 2 复合地基 我国软弱地基类别多，分布广。自改革开放以来，土木工程建设规模日益扩 大，发展速度很快，但我国是个发展中国家，建设资金短缺，因此如何在保证工 程质量的前提下，节省工程投资十分重要。复合地基技术能够较好地利用增强体 和天然地基两者共同承担建( 构) 筑物的荷载，具有较经济的优点，故而近年来 在我国工程建设中获得了广泛的重视及飞速发展。同时，自1 9 6 2 年首次使用“复 合地基”( c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ) 一词以来，“复合地基这一概念已成为许多地 基处理方法理论分析及公式建立的基础和根据【弘。l 。 1 2 1 概述 所谓复合地基，一般是指由两种及两种以上刚度( 或模量) 的材料( 桩体或 桩间土) 所组成，在相对刚性基础下共同分担上部荷载并协调变形( 包括剪切变 高速公路粉喷桩复合地基承载机理及其设计理论研究 形) 的人工地基。其研究方法常是在多根桩所加固的地基中，选取一根桩及其影 响的桩周土组成一个单元体而作为研究对象。 复合地基与天然地基同属“地基 的范畴，故两者间有内在联系，但又有本 质区别。复合地基与桩基都是采用桩的形式处理地基，两者有其相似之处，但复 合地基属于“地基 范畴，而桩基属于“基础 范畴，两者有着本质的区别。复 合地基中桩体与基础往往不是直接相连的，它们之间常通过垫层( 碎石或砂石垫 层) 来过渡；而桩基中桩体与基础直接相连，两者形成一个整体。因此，两者的 受力特性也存在着明显差异。 。 复合地基的主要受力层是加固区，而桩基的主要受力层是桩尖以下一定影响 范围内的土层。由于复合地基理论的最基本假定是桩与桩周土的协调变形，故从 理论上而言，复合地基中也不存在类似群桩基础中的群桩效应。 复合地基犹似钢筋混凝土，其中地基中的桩体有如混凝土中的钢筋。它的实 质就是考虑桩、土的共同作用，这无疑较之仅仅认为荷载由桩体来承担要经济和 合理。 1 2 1 1 复合地基的分类 1 桩体如按成桩所采用的材料可分为： ( 1 ) 散体土类桩如碎石桩、砂桩等； ( 2 ) 水泥土类桩如水泥土搅拌桩、旋喷桩等； ( 3 ) 混凝土类桩树根桩、c f g 桩等。 2 桩体如按成桩后桩体的强度( 或刚度) 可分为： ( 1 ) 柔性桩散体土类桩； ( 2 ) 半刚性桩水泥土类桩； ( 3 ) 刚性桩混凝土土类桩。 半刚性桩中水泥掺入量的大小将直接影响桩体的强度。当掺入量较小时，桩 体的特性类似柔性桩，而当掺入量较大时，又类似于刚性桩，为此，它具有双重 特性。 由柔性桩和桩间土所组成的复合地基称为柔性桩复合地基，故其它依次称为 半刚性桩复合地基、刚性桩复合地基。 1 2 1 2 复合地基的效用 1 桩体作用 由于复合地基中桩体的刚度较周围土体大，在刚性基础下等量变形时，地基 中应力将按材料模量进行分布。因此，桩体上将产生应力集中现象，大部分荷载 由桩体承担，而桩间土上的应力相应减小。 4 工程硕上学位论文 2 垫层作用 桩与桩间土复合形成的复合地基或称复合层，由于其性能优于原天然地基， 它可起到类似垫层的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用。 3 加速固结作用 不少竖向增强体或水平向增强体，如碎石桩、砂桩、土工织物加筋体间的粗 粒土等，都具有良好的透水特性，是地基中的排水通道。这些排水通道有效地缩 短了排水距离，加快了荷载作用下桩间土体中的孔隙水的排出，从而加速地基固 结。此外，水泥土类和混凝土类桩也在一定程度上加速了地基的排水固结。而桩 间土在排水固结过程中，土体抗剪强度得到了增长。 4 挤密作用 部分复合地基在施工过程中对桩间土体有挤密作用。如振冲挤密碎石桩复合 地基、振动挤密砂石桩复合地基等。采用振动成桩施工工艺对桩间土都有挤密作 用。陈环( 1 9 9 0 年) 阳1 给出了桩间土强度因振冲碎石桩加固而增加的百分数a r r ( r 为天然土强度，a r 为强度增加值) 随土性变化的曲线。 5 其他作用 石灰桩、粉体喷射深层搅拌桩中的生石灰、水泥粉除了通过吸水、发热、膨 胀等作用，对桩周土产生一定的挤密效果外，还与土体产生一系列物理化学作用 达到增强承载力的效应；而铺设于土体中的水平向增强体，如土工织物、土工格 栅、土工格室等，可起到约束土体竖向变形等作用。 1 2 2 国内外复合地基研究水平与现状 随着复合地基技术在土木工程建设中不断的发展和推广，各种型式的复合地 基在工程建设中被广泛地应用。 复合地基的涵义随着其工程实践有一个发展过程n 们。初期，复合地基主要是 指在天然地基中设置碎石桩而形成的复合地基，人们将注意力主要集中在碎石桩 复合地基的应用和研究上。随着深层搅拌法和高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。碎石桩和水泥土桩的差别表现 在前者桩体材料碎石为散体材料，后者水泥土为胶结材料。碎石桩属于散体材料 桩，水泥土桩属于粘结材料桩。随着水泥土桩复合地基的应用，复合地基的概念 发生了变化，由碎石桩复合地基这种散体材料桩复合地基逐步扩展到粘结材料桩 复合地基。随着减少沉降量桩和桩筏基础的应用和研究，以及各类低强度混凝土 桩复合地基的应用，人们将复合地基概念进一步拓宽。将粘结材料桩按刚度大小 分为柔性桩和刚性桩两大类，于是提出了柔性桩复合地基和刚性桩复合地基的概 念。随着土工合成材料在工程建设中的广泛应用，又出现了水平向增强体复合地 基的概念。随之，双向复合地基也逐步发展起来。 5 高速公路粉喷桩复合地基承载机理及) e 设计理论研究 由于复合地基技术能充分利用增强体和天然地基两者共同承担荷载的潜能， 因此比纯粹的桩基础要经济，因此近些年在我国得到了长足的发展。1 9 9 0 年在河 北承德市，由中国建筑学会地基基础专业委员会黄熙龄院士主持召开了我国第一 次以复合地基为专题的学术讨论会【8 】，总结了复合地基技术在我国的应用情况， 同时有力地促进了复合地基理论和实践在我国的发展。龚晓南 i t t 2 1 较系统总结了 国内外复合地基理论和实践方面的研究成果，提出了基于广义复合地基概念的复 合地基定义和复合地基理论框架，总结了复合地基承载力和沉降计算思路和方法。 1 9 9 6 年中国土木工程学会土力学及基础工程学会地基处理学术委员会在浙江大 学召开了复合地基理论和实践学术讨论会【8 l ，总结成绩、交流经验，共同探讨发 展中的问题，促进了复合地基理论和实践水平的进一步提高。近年来复合地基理 论和实践研究日益得到重视，复合地基已成为一种常用的地基基础形式。 随着地基处理技术和复合地基理论的发展，近些年来，复合地基技术在我国 各地得到了广泛应用。目前我国应用的复合地基类型主要有：有多种施工方法形 成的各类砂石桩复合地基，水泥土桩复合地基，低强度混凝土桩复合地基，土桩、 灰土桩复合地基，钢筋混凝土桩复合地基，薄壁简桩复合地基，加筋土地基等。 复合地基技术在房屋建筑( 包括高层建筑) 、高等级公路、铁路、堆场、机场、堤 坝等土木工程建设中得到广泛应用。复合地基技术的推广应用产生了良好的社会 效益和经济效益。 1 3 粉喷桩复合地基 1 3 1 粉喷桩复合地基的发展概况 粉体喷射搅拌桩( 简称d j mp i l e ) 是水泥桩的一种，它以石灰粉，水泥粉等 粉体材料作为加固料，通过特制的深层搅拌机械，用压缩空气将分体加固料以雾 状喷入地基中，再凭借钻头叶片的旋转，使粉体加固料与原位软土搅拌，并得到 充分混合，从而使软土硬结，形成具有整体性强，稳定性好，有较高强度的柱体， 起到加固地基的作用。 2 0 世纪4 0 年代水泥浆搅拌法最早在美国研制成功，称为m i x e d i n p l a c e p i l e ， 简称就地搅拌桩( m i p 法) 。1 9 5 3 年日本清水建设株式会社从美国引进此法，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 年由日本港湾术 研究所等单位又合作开发研制成功水泥固化法( c m c ) ，用于加固钢铁厂矿石堆场 地，加固深度达3 2 m 。接着日本各大施工企业联合开发研制出加固原理、机械规 格和旖工效率各异的深层搅拌机械，常在港湾建筑中的防波堤、码头、岸壁、高 速公路填方的深厚软土地基加固工程中应用 1 3 1 。 瑞典人k j e l d p a u s 于1 9 6 7 年提出了使用石灰搅拌桩加固1 5 m 深度范围内软土 6 工程硕上学位论文 地基的设想，并于1 9 7 1 年采用粉体喷射搅拌法( d f vj e tm i x i n gm e t h o d ，简称d j m 法) 现场制成一根用生石灰和软土搅拌制成的桩【1 4 】。1 9 7 2 年在瑞典斯德哥尔摩以南 的h u d d i n g 用石厌粉喷搅拌桩作为路堤和深基坑边坡稳定的措施。瑞典 l i n d e n a l i m a t 公司还生产出专用的成桩施工机械桩径可达5 0 0 m m ，最大加固 深度达1 5 m ，并于1 9 7 4 年获得粉喷技术专利。 日本在1 9 7 8 - - - 1 9 8 0 年对粉体喷射搅拌法进行了研究开发，1 9 8 1 年起正式将 此法用手实际工程。现有单轴和双轴两种粉喷搅拌机械，成孔直径8 0 0 1 0 0 0 m m ， 钻孔深度1 5 - 3 3 m 。日本羽田机场跑道的软土地基就是采用粉体喷射搅拌法进行 处理的。 国内于1 9 7 7 年由冶金部建设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，于1 9 7 8 年底制造出国内第一台s j b 1 形双搅拌轴、中心管 输浆、陆上形的深层搅拌机。1 9 8 0 年初，上海宝山钢铁总厂在三座卷管设备基础 软土地基加固工程中正式采用并获得成功。1 9 8 4 年国内开始生产s j b 形成套深层 搅拌设备。 我国由铁道部第四勘察设计院于1 9 8 3 年用d p p 1 0 0 形汽车钻改装成国内第 一台粉体喷射搅拌机，并使用石灰作为固化剂，应用于铁路涵洞加固。1 9 8 6 年开 始使用水泥作为固化剂，应用于房屋建筑的软土地基加固。1 9 8 7 年铁四院和上海 探矿机械厂制成g p p 5 形步履式粉喷机，成桩直径5 0 0 m m ，加固深度达1 2 5 m 。 当前国内粉喷机的成桩直径在5 0 0 7 0 0 m m 之间，成孔深度可达18 m 。1 9 9 2 年， 交通部一航局引进开发海上深层搅拌技术，并于1 9 9 4 年通过交通部鉴定。1 9 9 7 年，杭州森宇电控机械有限公司生产出。“f z 1 喷粉记录器”，它采用工业电脑能 自动显示出不同深度处喷入的水泥粉数量，对评价桩的质量提供了可靠的依据。 近些年来在我国沿海地区及广大南方地区的建筑、交通等领域中，粉喷桩得 到了广泛应用，且处理效果良好。尤其在交通行业，自9 0 年代以来，随着复合地 基理论研究的深入，诸如水泥搅拌桩、碎石桩等技术在高等级公路施工中得到了 广泛应用，较成功地解决了路基的后期沉降、承载能力、高填土路基稳定等问题， 提高了整体工程的运营质量及工程的经济性【1 5 1 。 目前我国南方地区采用粉喷桩处理公路软土地基的施工工艺和检测方法都较 为成熟，但在北方地区因该技术应用相对较少，缺乏相应的施工工艺和经济实用 的检测方法。 1 3 2 粉体复合地基的工程特性 粉喷桩复合地基具有以下工程特性1 ： ( 1 ) 承载能力显著提高由于复合地基是由桩体和土体两种刚度不同的材料 组成，当上部荷载传递到复合地基时，应力将发生重分布，压力常往刚度较大的 7 高速公路粉喷桩复合地基承载机理及其设计理论研究 桩体上集中。而桩体本身承载能力较单一土体的高，故这种压力集中现象必将显 著地提高地基的承载能力。 ( 2 ) 沉降量明显减少由于复合地基中有刚度比周围土体大得多的粉喷桩存 在，桩体对土体的置换作用使得复合地基的变形模量比天然地基的变形模量大大 提高；同时，复合地基作为一个复合土层，相当于在软基上形成了一个硬壳层， 这个硬壳层象垫层一样起到应力扩散和均布荷载的作用，使得单位面积上的应力 减小，从而沉降变形减小。 ( 3 ) 抗剪性能提高由于粉喷桩本身的抗剪强度大于软土的抗剪强度，同时， 桩土合成的整体，其抗剪强度也有相当大的增加，从而使得复合地基的抗剪性能 得以显著改善，有利于提高地基的稳定性。 1 3 3 粉喷桩复合地基目前的主要用途 粉喷桩是一种介于散体类柔性桩和钢筋混凝土类刚性桩之间的半刚性桩。一 定程度上，它兼有这两种桩型的特点，根据地层条件和上部构造要求，常用于下 列几个方面： ( 1 ) 建( 构) 筑物地基加固与桩间土构成复合地基，支承多层民用建筑、轻 型工业厂房和工业设备、软土厚度小于1 5 - 1 8 米的高速公路和铁路路基及大面积 地面堆载地基等； ( 2 ) 作为实体墩基充当基础结构，支承上部荷载； ( 3 ) 用作基坑开挖支挡结构，兼作隔水帷幕； ( 4 ) 加固基坑或沟槽底部土体，防止土体隆升，还可配合坑底注浆封底，防 止地下水上涌； ( 5 ) 用于河岸和岸堤加固，即可稳定边坡，又可用增大渗流途径的办法降低 渗透压力，防止管涌； ( 6 ) 作为遮帘桩布置于道路路肩部位或相邻建筑物之间，可减少或约束软土 地基在上部荷载下产生侧向位移和隔离相邻建筑物荷载影响，从而减少路基沉降 量和差异沉降量。 1 4 粉喷桩质量检测常用方法 由于粉喷桩的施工量大面广，且是隐蔽工程，现有的施工机具无法自动地、 准确地控制搅拌桩的施工质量。为了确保其的施工质量，不仅要在施工过程中控 制好原材料质量，做好室内配比试验、现场工艺试验，加强喷粉施工技术的管理 监督，把好桩位测量放样及各道工序的检查关，还要对施工完成的现场桩体进行 最终检测，以对粉喷桩施工质量进行全面而准确的判断及评定 1 6 1 。 粉喷桩检测包括以下三方面内容： 8 丁程硕+ 学位论文 ( 1 ) 桩的测量放样检测即在成桩后7 d 左右，通过检测桩位、桩数、桩间 距来检查桩的放样情况； ( 2 ) 桩体质量检测包括桩长、桩径、桩身完整性和均匀性、强度等： ( 3 ) 加固效果检测主要包括单桩承载力、复合地基承载力的检测和沉降观 测等。根据水泥粉喷桩处理软土地基的控制参数及检测内容，检测水泥粉喷桩施 工质量常用的检测方法有挖桩检查法、轻便动力触探法、标准贯入法、钻孔取芯 法、应力波反射法和静载试验法等几种【1 7 m 】。 常用检测方法简介如下： ( 1 ) 轻便动力探触成桩7 天内应采用轻便触探仪( m 。) 检查桩的质量，触 探点设在桩径方向1 4 处，抽检频率2 。试验过程中，可用轻便触探仪中附带 的勺钻，在粉喷桩桩身钻孔，取出水泥土桩芯，观察其颜色是否一致，是否存在 水泥浆富集的结核或未搅拌均匀的土团。轻便动力探触应作为施工单位一种自检 手段，以检验施工工艺和施工参数的正确性 t g l 。 ( 2 ) 标准贯入试验通过标准贯入击数反映桩身的强度，通过芯样来研究水 泥土搅拌均匀程度及桩长，因而可以较准确地评价桩身质量，且所需设备简单， 操作方便。用锤击数估算桩体强度需积累足够的工程资料，在目前尚无规范可依 时，可借鉴同类工程或采用经验公式。 ( 3 ) 整桩钻探取芯用钻机对整个桩身钻取芯样，制成试块进行无侧限抗压 强度试验，用以测定桩体强度。该法是检测水泥粉喷桩直观、可靠、有效的方法， 这是目前喷粉桩质量检测中常用的方法，测定结果能较好地反映喷粉桩的整体质 量：但该方法也存在检测时间长、钻孔费用高，钻孔取芯时间一般需在2 8 d 以后， 难以对搅拌桩质量实施动态控制等问题，对取芯的工艺要求也较高，往往只能抽 取少量的桩进行钻孔取芯检n t z o l 。 ( 4 ) 静载荷试验分为单桩载荷试验和复合地基载荷试验两种。该法最能反 应复合地基的实际承载能力，但是其造价高，试验时间长。 ( 5 ) 低应变动测法根据激振力的大小分高应变及低应变两种测试法。由于 粉喷桩的桩体强度相对较低，常采用激振力较小的低应变反射波法。这种近年来 新开发的原位测试技术利用电子仪器和计算机处理，效率高，质量好，应用非常 广f 2 l 】。 应力波反射法测水泥粉喷桩较简捷方便，且节约工期，较适用于大数量粉喷 桩普查与评价分析。经验波速随着龄期、强度、水泥含量、土样含水量变化存在 着明显的不确定性，喷粉桩桩体强度与波速之间关系离散，造成经验波速范围波 动过大，桩端阻抗与周围介质没有明显变化，桩底反射不明显，检测结果误差较 大m i 。另外，有时因搅拌不充分造成的水泥层状、片状分布将会令反射波法很难 甚至无法分析。到目前为止，在国内用反射波法检测水泥搅拌桩的桩身质量目前 9 高速公路粉喷桩复合地基承载机理及其设计理论研究 还处于探索、发展阶段，其准确性与可靠性还有待进一步提高与完善【2 3 】。 ( 6 ) 挖桩检查法该法是目前软基设计规范规定的方法，要求按桩总数2 的取样频率挖桩检查桩的成形情况，即目测法；然后分别在桩顶以下0 5 m ，1 o m ， 1 5 m 等部位砍取足尺的桩头，进行无侧限抗压强度试验，即截取桩段试压法【2 4 】。 目测法主要根据眼观、手摸等感觉，检查0 5 2 o m 桩头质量的大致情况， 该法是最常用、最基本也是最简便的检测方法，但不能反映有效桩长、桩身的状 态信息，因此，也就不能对桩身的质量下完整性结论。 截取桩段试压法 在成桩一定龄期后( 一般不少于l o d ) ，在现场开挖出的桩体 上部、桩项以下连续截取长度等于桩径的三段桩体，上下截面用水泥砂浆整平， 装入压力架后用压力机试压，可测得桩身的抗压强度和变形模量，同时也可以在 桩段抗压破坏时进一步观察桩体喷粉搅拌的均匀性【z ，】。该方法测试出的数据直接 可靠，既可积累室内强度与现场强度之间的数据关系，又可避免桩体横断面方向 上强度不均匀的影响。但该方法的缺点是挖桩深度过大，试验根数不能太多，而 且该方法需要特制的夹板，对试验机精度也有一定的要求。同时在压前必须将上 下面修水平，否则在施压时很容易出现偏心受压，产生较大的试验误差。 1 5 本文的研究目的、意义及内容 粉喷桩复合地基由于具有能显著改善地基的承载力，减小地基沉降，并能有 效抑止地基土体侧向变形等优点而成为一种较理想的软土地基处理方式，在工程 中得到了广泛的应用。其主要被应用于上海、江苏、浙江、广东、福建、湖南、 湖北等省的软土地区，相应的，该区域的工程人员对此法具备了较为完善的理论 分析和成熟的施工经验。然而，目前在黄河冲积流域如山东地区中运用粉喷桩复 合处理软基的应用较少。为此，本文拟从理论分析入手，结合津汕高速公路建设 中粉喷桩复合地基处理软基的工程实例，进行以下研究工作： ( 1 ) 深入调查现有的相关文献及工程经验，对粉喷桩的成桩本质及加固机理 进行深入分析； ( 2 ) 利用圆孔扩张理论模拟粉喷桩桩体对桩周土体的作用，从而计算出桩土 应力比及粉喷桩复合地基承载力； ( 3 ) 总结了路基、路面沉降计算的方法，并基于经济领域中常用的五种“s 型成长曲线模型，并引进组合预测的思想，建立了能预测软土路基沉降量的变权 重组合“s ”型成长模型，并编制相应计算软件； ( 4 ) 结合津汕高速公路中粉喷桩复合地基处理软土路基的工程事例，深入探 讨了黄河冲积区域粉喷桩复合地基的设计、施工及质量检测方法，并通过现场单 桩及单桩复合地基承载力试验、沉降观测试验，对粉喷桩的桩土应力比等关键参 数进行分析，及对本文提出的预测方法进行验证。 1 0 工程硕上学位论文 第2 章粉喷桩复合地基加固机理 2 1 概述 粉喷桩处治软基属于深层搅拌法中的一种，它是利用压缩空气向软弱土层中 输送石灰、水泥等粉状加固料，使其与原位软弱土混合、压密，通过加固料与软 弱土之间的离子交换作用、凝聚作用、化学结合作用等一系列物理化学作用，使 软弱土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的柱状加固土，它与原位软弱土层 组成复合地基，提高软土地基承载力，减少地基沉降量。 水泥土搅拌法加固软土技术，其独特的优点如下【6 】： ( 1 ) 水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地拌合，因而最大限度地利 用了原土； ( 2 ) 搅拌时不会使地基侧向挤出，所以对周围原有建筑物的影响很小； ( 3 ) 按照不同的地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂剂其配方， 设计比较灵活； ( 4 ) 施工时无振动、无噪音、无污染，可以在市区和密集建筑群中进行施工； ( 5 ) 土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降； ( 6 ) 与钢筋混凝土桩相比，节省了大量的钢材，并降低了造价； ( 7 ) 根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固 形式。 水泥土搅拌法适用土质与环境条件： 水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素 填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。当地基土的天然含水量 小于3 0 ( 黄土含水量小于2 5 ) 、大于7 0 或地下水的p h 值小于4 时不宜采用 干法。冬期施工时，应注意负温对处理效果的影响。水泥土搅拌法用于处理泥炭 土、有机质土、塑性指数大于2 5 的黏土、地下水具有腐蚀性时以及无工程经验的 地区，必须通过现场试验确定其适用性。 水泥加固土的室内试验表明，当土中含有多水高岭石、蒙脱石时，桩的加固 效果要较含伊利石、氯化物和水氯石英的土质为佳。当土中的有机质含量较高、 p h 值较低或地下水有侵蚀性时，加固效果较差。 2 2 水泥加固软土的机理 水泥加固软土的机理主要包含两个方面内容：一是固化剂( 水泥或石灰) 与 高速公路粉喷桩复合地基承载机理及其设计理论研究 软土发生一系列物理化学反应而形成强度和刚度都比较大的水泥土或石灰土桩； 二是水泥土桩或石灰土桩与桩间土构成复合地基。 2 2 1 软土与水泥的化学组成 土的化学成分因其成因的不同而区别较大。在我国沿海地区，土层大多属于 近代沉积土层，在河流的下游流域，分布着含水量很高的软粘土。习惯上，将淤 泥、淤泥质土以及天然强度低、压缩性高的一般粘性土等软弱土层统称为软土， 它是在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成，天然含水量大 于液限、天然孔隙比大于1 0 的粘性土。软土的一般特性是其有机质含量较一般 粘土高，以化学风化形成的次生矿物组成，并以蒙脱石为主要成分，颗粒粒径非 常微小，在电子显微镜下呈片状或磷片状：表面带有负电荷，与水有很强的相互 作用，表面能大；对于海相沉积的软土，所含的水分中有大量的硫酸盐。 粉喷桩施工中用到的水泥一般为普通硅酸盐水泥，它是由硅酸盐水泥熟料、 石膏及混合材料等组成，其中硅酸盐水泥熟料对水泥的性能起决定性作用。硅酸 盐水泥熟料由是由多种矿物及中间物组成的聚合体。硅酸盐水泥熟料有代表性的 组成矿物有下列四种：硅酸三钙、形硅酸二钙、铝酸三钙、及铁铝酸四钙，此 外，还含有少量的钙矾石、玻璃相和游离的氧化钙及氧化镁。 硅酸三钙是硅酸盐水泥熟料的主要成分，其含量一般在1 5 6 5 左右。它 是硅酸二钙在1 2 5 0 以上时吸收游离的氧化钙而形成的高温化合物，水化速度较 快，而水化产物的强度较高，是水泥早、中期强度的主要组成成分，对总强度的 贡献也较大。另外其对水泥其它性质的影响也较大。 形硅酸二钙也是硅酸盐水泥熟料的重要成分，其含量一般在1 0 - 4 0 左 右。它的水化速度较慢，对水泥的早期强度贡献较小，其主要贡献在水泥的中后 期强度。水泥的最终强度在很大程度上取决于，形硅酸二钙的含量和水化程度。 铝酸三钙在水泥熟料中含量一般在1 5 以下，但是铝酸三钙的水化速度非常 快，水化热高，是水泥早期强度的主要贡献者。水化铝酸三钙的耐腐蚀性较差， 在环境中若存在硫酸盐时，铝酸三钙可与硫酸盐形成钙矾石，产生非常大的体积 膨胀。因此，当水泥中铝酸三钙的含量较大时，水泥强度受硫酸盐的影响极大， 抗硫酸盐腐蚀的能力相当差。 铁铝酸四钙的水化也是水泥早期强度的来源之一，它的水化速度非常快，水 化热高，是水泥抗折强度的主要贡献者。 2 2 2 软土与水泥的化学反应 实际工程中，常采用水泥固结理论中的溶解一析出理论来解释水泥和软土的 反应。溶解一析出理论是水泥固结理论中较为经典的理论之一，该理论认为水泥 的固结过程就是水泥熟料在水中溶解成离子形式，并以水作为介质进行化学反应。 1 2 工程硕：f ：学位论文 形成了各种晶体从水溶液中析出，最终形成具有一定强度的整体。 在粉喷桩的施工过程中，水泥粉被喷入拌和搅动的软土中，遇到土中水分时， 从溶解一析出理论来看，粉喷桩产生强