（环境工程专业论文）夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究.pdf

夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究 摘要 本文主要对夯实水泥土的抗压影响因素，夯实水泥土桩复合地基在竖向荷 载作用下力学性状和沉降变形规律进行了试验研究。 影响夯实水泥土抗压强度的主要因素是养护龄期、水泥标号、拌和土料的 土质和土的干密度等，文章指出了抗压强度与这些因素的关系。在竖向荷载的 作用下，通过单桩静载荷试验，单桩复合地基载荷试验，对不同水泥土配比和 不同桩长的水泥土桩进行了研究，得出了一些有用的结论。如复合地基中桩的 受力条件不同于自由单桩，由于桩间土分担荷载，形成边载效应，提高了复合 地基中桩的极限承载力。因此由自由单桩极限承载力确定复合地基中桩的承载 力时，在保证实际安全的前提下，应适当调整复合地基承载力计算公式中的有 关系数。 关键词：夯实水泥土桩复合地基抗压强度单桩静载荷承载力 夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h ef o l l o w i n gt w oq u e s t i o n s ：t h em a j o rf a c t o r s i n f l u e n c i n g t h e c o m p a c t e d c e m e n t t r e a t e ds o i l c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ；t h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e d r o p p i n gd e f o r m a t i o nr u l e s o fc o m p a c t e d c e m e n t t r e a t e ds o i lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rv e r t i c a ll o a d i n g t h em a j o rf j c t o l si n f l u e n c i n gc o m p r e s s i o ns t r e n g t hi sc u r i n gt i m e 、c e m e ml a b e l 、 m i x e d s o i lq u a l i t y 、d r yd e n s i t ye t c t h ep a p e rp o i n t so u tt h er e l a t i o nb e t w e e n c o m p r e s s i o ns t r e n g t h a n dt h o s em a j o rf a c t o r s u n d e rv e r t i c a l l o a d i n g ，t h r o u g h s i n g l e - p i l es t a t i cl o a d i n ga n ds i n g l e p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nl o a d i n gt e s t s ，s t u d y i n g c e m e n t - t r e a t e ds o i lp i l eo fd i f f e r e n tc e m e n t - t r e a t e ds o i lr a t i oa n dd i f f e r e n ts h a f t l e n g t h ，a t t a i n ss o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s f o re x a m p l e ，t h es h a f tb e a t i n gc o n d i t i o n so f c o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ed i f f e r e n tf r o mf r e es i n g l e - p i l e ，b e c a u s es o i lb e t w e e np i l e s s h a r e sl o a d i n ga n df o r m ss u r c h a r g e se f f e c t ，e n h a n c e st h ep i l e su t m o s tb e a r i n g c a p a c i t yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h e r e f o r e ，a t t a i n i n gc o m p o s i t ef o u n d a t i o np i l e s b e a r i n gc a p a c i t yo nf r e es i n g l e - p i l eu t m o s tb e a t i n gc a p a c i t y , s h o u l dp r o p c d ya d j u s t t h ec o e f f i c i e n to fb e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o nf o r m u l ai nas a f es c o p e k e yw o r d s ：c o m p a c t e dc e m e n t - t r e a t e ds o i l p i l e ；c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ； c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ；s i n g l e - p i l es t a t i cl o a d i n g ；b e a r i n gc a p a c i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞邀理王盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：刘褊翠签字日期：功年6 月廖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞擞垄三盘堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徽堡王 大学可以将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、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刈够军 导师签 签字日期：? 。o s g - 细房日 签字日期 文 月少 夯实水泥士桩复合地基t 程特性的试验研究 第一章概述 1 1 复合地基基本理论概述 1 1 1 复合地基应用 随着我国经济的发展，基建规模不断扩大。在土木工程中，为满足上部结 构对地基承力和变形的要求，越来越多的工程采用复合地基法进行地基处理，它 具有以下特点： 1 、工艺简单：复合地基的工艺可以概括为成孔和成桩两大部分，有的桩型 如深层搅拌桩复合地基可以一次完成成孔与成桩，施工速度快，工期短。由于 桩径小且不需要钢筋，避免了桩基础中常见的塌孔，缩颈等通病，质量容易保 证。复合地基目前已有较为成熟的施工工艺，原料拌和、灌注或夯填均易操作， 技术指标容易控制。 2 、旌工方便：复合地基施工机械均为常用建筑机械，如长螺旋钻机、振动 沉管机、振冲器、粉喷机，混凝土搅拌机和混凝土泵等，某些工艺如夯实水泥 土桩，采用人工洛阳铲即可施工。 3 、造价低廉：复合地基充分发挥桩间土的承载能力，减少用桩量，而且不 使用昂贵的钢材，耗用建筑三材少，一般可就地取材或者使用工业废料，如粉 煤灰，矿渣或其他工业垃圾、建筑垃圾等，大大降低造价。 4 、适用范围广：采用复合地基可明显提高地基承载力，减少沉降，过去人 们认为复合地基只能用于中小型工程，随着复合地基技术的发展，在大型工程 及高层建筑中应用越来越广，在超高建筑中的应用也不乏其例，此外，复合地 基还可用于消除地基液化，边坡加固等。 1 1 2 复合地基的发展 复合地基是一门年轻的地基处理技术，其应用与发展只有短短几十年的历 史，复合地基最早始于本世纪三十年代，1 9 3 6 年、德国人s t e u e r m a n 设计了振 冲器，并在1 9 3 6 年，德国k e l l e r 公司研制成功世界上第一台振冲器，用于振 冲挤密砂土地基并很快在此基础上改进发明了碎石桩工艺，取得了良好的加固 效果，如埃及阿斯旺大坝围堰加固。碎石桩应用带动了复合地基的发展，美国、 瑞典、日本等先后发明了深层搅拌、粉体喷射搅拌，高压喷射注浆等地基处理 技术。1 9 6 0 年，国际上首次出现了“复合地基”的概念，当时日本开发了成熟 的s c p ( s a n dc o n y s a c t i o np i l e ) 法，并提出了砂桩与天然地基共同作用的计算 模型，这个模型被称为复合地基。今天的复合地基不仅是一种地基计算模型， 也泛指具有这种模型的多种地基处理技术。 复合地基7 0 年代开始传入我国，得到广泛应用和发展，截止到9 0 年代， 仅碎石桩工程量已累计完成二千万延米，我国科研人员在吸收国外技术的基础 夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究 上研制开发了多种复合地基新技术，如中国建筑科学研究院开发的c f g 桩复合 地基、夯实水泥土桩复合地基等，都已在全国推广使用。施工工艺和设备的不 断改进、完善，大大促进了复合地基的发展，例如碎石桩，目前已拥有振冲、 干法振动挤密、沉管、强夯置换等多种施工工艺，可在不同土质上应用。再如 高压喷射注浆，通过对施工设备的不断改进、使工艺性能不断提高，最初的单 管法( c c p 工法) 桩径仅0 3 - 0 3 5 m ，7 0 年代中期的二重管法( j s g 工法) 桩径达到 0 5 1 o m ，继而三重管法( c j g 工法) 桩径达到1 5 m ，8 0 年代出现的多重管径( r j p 工法) 桩径可达2 3 ，桩体强度也大大超过从前各工法i lj 。 1 1 3 复合地基的定义和分类 复合地基是指天然地基在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) 和增强体两部 分组成的人工地基。加固区从整体看是非均质各向异性的。根据地基中增强体 的方向又分为纵向增强体复合地基和横向增强体复合地基。纵向增强体复合地 基根据增强体性质，可分为散体材料桩复合地基、一般粘结强度桩复合地基， 高粘结强度桩复合地基。 复合地基有两个基本特点：加固区是由基体和增强体两部分组成，是非均 质和各向异性的，在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。 前一特征使它区别于均质地基，后一特征使它区别于桩基础。从荷载传递 机理看复合地基界于均质地基和桩基础之间。 复合地基的增强体材料不同，施工方法不同，复合地基的效果也不同【2 】。 1 1 4 几种典型复合地基的特点 复合地基种类繁多，为了解不同桩型复合地基的承载和变形性状，对散体 桩、一般粘结强度桩和高粘结强度桩复合地基分别选定了几种典型桩型，比较 它们各自的特点。 l 、散体桩复合地基 散体桩是指本身无粘结强度的桩，碎石桩是这类桩的代表。碎石桩的加固 机理主要是通过成桩过程的挤密作用来提高桩间土的承载力，挤密效果与施工 工艺和土质有关，干振碎石桩加固非饱和粉土和松砂，承载力提高幅度在6 0 9 6 以上。碎石桩桩体是良好的排水通道，有助于加快土体的固结，用于加固松砂 地基时，可以消除液化，提高地基的抗震性能。碎石桩桩身模量大于桩间土， 因而具有一定的置换作用，但桩身柔性较大，置换作用较弱，在通常置换率水 平下，桩的荷载分担比约为1 5 一3 0 左右。 碎石桩的荷载传递依赖于桩侧土的约束作用，当承受垂直荷载时，桩身发 生侧向膨胀，桩周土的强度越高，约束作用越强，桩身模量越大，传递垂直荷 载的能力越强。研究表明，通常距桩顶2 - 3 倍桩径范围为高应力区，当大于6 1 0 倍桩径后轴向力的传递收敛很快，桩长大于2 5 倍基础宽度后，即使桩端落在 夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究 好的土层上，桩的端阻作用也很小。 根据碎石桩的以上特点，它往往被用于加固挤密效果较好的土，如杂填土、 松散粉细砂，粉土等。国内外的研究表明，当粘粒含量超过一定的百分比时， 挤密效果很差。因而对于粘性土以及流动性大，强度低的淤泥土不适用。 2 、一般粘结强度桩复合地基 石灰桩是一般粘结强度桩的代表，它是软弱地基中用机械或人工方法成孔 以后，填入生石灰，固化剂及其它掺合剂分层夯实而成。石灰桩对地基的加固 作用主要有以下几个方面：成桩过程对地基的挤密作用；生石灰吸水膨 胀而对地基二次挤密，同时通过与桩周土的物理化学化应改善桩周土的物理力 学性质；置换作用，由于石灰桩本身具有一定的粘结强度，其置换作用大 于散体桩，通常置换率下，桩的荷载分担比可达到2 0 3 8 。 石灰桩的模量较碎石桩高，因而垂直荷载的传递深度比碎石桩大，端阻力 的发挥好于碎石桩。在垂直荷载作用下，石灰桩也会发生侧向膨胀，因而石灰 桩的桩身模量也受围压的影响，但不如碎石桩明显。从变形角度看，石灰桩的 桩身压缩量在总压缩量中占主要比重，桩身的刺入量很小，桩体与加固区土体 变形量基本相等。 石灰桩对粗颗粒土地基可起到较好的挤密效果，对软土地基则主要是置换 作用，而对桩间土性质的改善作用不大。在淤泥质土中难以起到理想的加固效 果，应采取慎重态度。 3 、高粘结强度桩复合地基 高粘结强度桩的显著特点是依靠桩侧摩擦和端阻来承担荷载，桩的承载力由 桩土界面的强度来决定，一般可全桩长发挥侧阻力，桩端落在好土层时具有明显 的端阻作用，因而置换作用最强。高粘结强度桩的桩身模量不受围压的影响。荷 载作用下，桩身的压缩量很小，而以刺入变形为主，桩间土的压缩量与桩的压缩 量不相等。 c f g 桩复合地基是由c f g 桩体、桩间土和褥垫层构成的新型复合地基。c f g 桩桩体由碎石、石屑、粉煤灰和水泥加水拌和而成，具有较高的粘结强度，与 素混凝土桩强度相当，它具有典型的高粘结强度桩性状，通过褥垫层调节桩土 的变形差，保证桩与土共同承担荷载。 近年来，在考虑承台土反力时，一些学者也将桩基础作为一种复合地基来 看待。就传统的桩基础( 不设褥垫层) 而言，由于桩顶沉降等于桩间士的沉降， 而桩间土发挥其承载力所须的沉降量远大于桩，因而桩间土承担的荷载很小， 一般不作为复合地基看待。一些学者提出采取疏桩布置，缩短桩长的办法提高 桩间土的荷载分担率，使桩间土的承载力能更充分利用，形成复合地基。还有 学者希望通过将桩的工作荷载增大( 即降低安全储备) 来提高桩间土承载力的发 挥度，他们认为：我国沿海地区地基处理的主要目的不是强度不够，而是由于 3 夯实水泥土桩复合地基t 程特性的试验研究 变形过大，对于桩基础而言，即使桩达到极限承载力，由于桩和承台的共同作 用，也很难说地基不能继续承担荷载。桩与承台的共同作用过程如下：当荷载 很小时，荷载全部由桩承担，随着荷载的加大，桩对土体的刺入量逐步增加， 随着承台沉降量的增加，桩问土的承载力逐步发挥，当桩达到极限承载力时， 桩间土将承担起所有剩余荷载，而桩仍能充分发挥并保持其承载力。这样，如 果桩的工作荷载加大，则桩间土分担的荷载也会提高。实际允许使用的荷载由 允许的沉降量决定。按照上述思想设计的桩基础称为“复合桩基”。 高粘结强度桩复合地基与一般粘结强度桩和散体桩复合地基相比，其适用 的地基类型更为广泛，承载力的提高幅度具有更大的可调性i ”。 1 1 5 复合地基的加固机理 复合地基的加固机理主要有五个方面：桩体作用；褥垫层作用；排水作用； 挤密作用；加筋作用等【3 1 ，本文的主要研究对象是纵向增强体复合地基。 纵向增强体复合地基是由桩体、桩问土和散体材料构成的柔性褥垫层三部 分组成，如图卜l 所示。 ，基础 r 一7 。 褥垫 土层 图卜1 复合地基示意图 1 、褥垫作用 、保证桩和土共同承担荷载 由于桩的模量高于桩问土的模量，桩产生的沉降量要比桩间土的沉降量小。 由于设置了褥垫层，褥垫层材料具有调整作用，使得作用力能通过褥垫层将荷 载传到桩和桩间土上，保证桩间土承载能力的发挥。 、通过改变褥垫层材料的厚度调整桩、土荷载分担比 褥垫层越薄则桩承担的荷载越大；褥垫层越厚则桩承担的荷载越小。 、调整桩和土水平荷载分担比 褥垫层越薄则桩承担的水平荷载越大：褥垫层越厚则桩承担的水平荷载越 小。 、减少基础底面的应力集中。 4 夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究 2 、挤密作用 施工过程中桩间土被挤密，桩间土的强度得到增强，承载力较原有的基础 上有所提高。 3 、桩体作用 桩体强度比桩间土的强度高，在上部荷载的作用下，产生应力集中，使加 强体起到桩体的作用。 1 1 6 复合地基的破坏模式 纵向增强体复合地基的破坏首先可分为两种情况：桩体破坏和桩问土破坏。 就一般情况而言，桩间土和桩体同时达到破坏是很难遇到的。纵向增强体复合 地基的破坏模式可能有如下几种【”。 1 、由桩体破坏而引起的复合地基破坏 对高粘结强度桩，往往是由于桩体刺入破坏而导致复合地基的整体破坏( 图 1 - 2 ( a ) ) ：而散体材料桩则通常是由于桩体发生鼓胀破坏继而发生整体剪切破坏 ( 图卜2 ( c ) ) ；而一般粘结强度桩复合地基的桩体破坏则与桩体强度和围压有关。 桩体强度低，围压小，桩体可能发生膨胀破坏( 图1 - 2 ( b ) ) ；桩体强度高，围压 大，桩体可能发生刺入破坏( 图卜2 ( a ) ) 。 2 、桩间土体破坏引起的复合地基破坏 复合地基桩间土先达到极限承载力而发生破坏。 3 、复合地基的整体剪切滑动破坏( 图卜2 ( d ) ) 。 ( q ) 刺入破坏( b ) 膨胀破坏( c ) 整体剪切破坏 ( d ) 滑动破坏 图卜2 复合地基的破坏模式 1 2 夯实水泥土桩复合地基概述 1 2 1 夯实水泥土桩发展概况 1 2 。1 1 国外发展概况 自1 8 2 4 年英国人阿斯皮琴首先制造出硅酸盐水泥并且得专利以来，利用水 泥和土拌合作为道路基层进行处理已经得到过应用。但是起初水泥应用主要是 对地基土的浅层处理。第二次世界大战以后，美国研制成功一种就地搅拌桩 灏阿川趼m幽 川刚怫mm纠 夯实水泥土桩复台地基工程特性的试验研究 ( m i p ) ，即不断回转的螺旋钻中空轴的端部向周围已被搅松的土中喷出水泥浆， 经叶片的搅拌而形成水泥土桩。1 9 5 3 年同本清水建设株会社从美国引进这种方 法，继而又开发出以螺旋钻机为基本施工机械的c s l 法、m r d 法，它们都是 采用螺旋钻杆上带有特殊形状的搅拌翼片，并通过钻杆供给水泥浆，与土进行 强制搅拌。1 9 6 5 年日本运输省港湾技术研究所开发的将石灰掺入软弱地基中加 以原位搅拌，使之固结的深层搅拌方法( d l m ) ，即由两根带有旋转翼片的回转轴 及在其中间部位兼作导向柱的固化剂输入管组成，固化剂是从两个搅拌面的交 叉部位输入地基中的。1 9 7 4 年由于大面积软土加固工程的需要，由日本港湾技 术研究所、川崎钢铁厂等对石灰搅拌机械进行改造，合作研制开发成功水泥搅 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 。前苏联在 1 9 7 0 年研究成功一种淤泥水泥土桩，适用于港湾建设工程中，淤泥含水量高达 1 0 0 1 2 0 ，但掺加1 0 一1 5 的水泥后，半年龄期强度可达3 m p a ，较钢筋混 凝土桩的造价低4 0 。以及瑞典等国先后作了水泥土桩的应用研究并取得了一 些成果【4 。7 1 。 1 ，2 1 2 国内发展概况 国内原冶金部建筑研究总院、交通部水运规划研究院于1 9 7 8 年研制成功第 一台s j b 1 型双搅拌轴的深层搅拌机、中心管输浆、陆上型的深层搅拌机及配 套设备，加固深度1 0 1 2 m 。目前已发展到s j b i i 型，其加固深度可达1 5 1 8 m ， 同时开发了单轴粉浆两用机s j b 2 2 d 、s j b 3 7 d ，并得到广泛应用。1 9 8 0 年由原 天津市机械施工公司与交通部一航局科研所等单位合作，利用日本进口螺旋钻 孔机，改装制成单搅拌轴、叶片输浆型深层搅拌机( g z b 。6 0 0 型，最近又开发了 6 0 0 型双轴叶片喷浆搅拌机) 。尔后，浙江大学和浙江临海市一建筑公司机械施 工处共同研究成功d s j i i 型单头深层搅拌机，最大加固深度2 0 2 2 m ，桩径 中4 0 0 7 0 0 m m 。交通部第一航务工程局1 9 9 2 年开发我国第一代深层水泥搅拌 船，该机双头拌和，搅拌深度2 8 1 m ，叶片直径中1 2 0 0 m m ，间距可调，设有自 动定位系统和施工参数自动监控系统，使我国深层搅拌技术的某些方面跨入国 际先进行列。铁道部科学研究院1 9 8 8 年研制成功了d d g 一2 型工程钻机，配以 泥浆泵和粉喷机等可以进行浅层水泥搅拌和粉喷搅拌，加固深度6 m ，成孔直径 2 0 0 m m ，可作6 0 。的斜搅1 8j ，主要用于整治路基及道床问题。 杭州大学、同济大学以及铁道部第四勘测设计院等单位也先后进行过水泥 土桩的研究并取得了一些成果【9 。”j ，但是以上所涉及到的水泥土桩都是通过施工 机械将水泥浆液或粉体在地基深处就地与原位地基土进得强制搅拌而形成的搅 拌水泥土桩【8 l 。国内外对搅拌水泥土桩研究得比较透彻，与之有关研究成果也 常诸见于报端。直到9 0 年代初期出中国建筑科学院地基所开发成功了夯实水泥 土桩，并投入到工程应用，但仅局限于小范围应用。随着近几年建筑业的持续、 健康的发展，夯实水泥土桩及夯实水泥土桩复合地基得到重视、并且其应用范 6 夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究 围越来越广。随着夯实水泥土桩复合地基的应用，也出现了一些针对于夯实水 泥土方面的文章：如夯实水泥土变形特性试验研究1 2 7 】，此文通过室内1 7 0 个夯实 水泥土试样的三轴试验结果分析，揭示了夯实水泥土极限强度q 。所对应的应变 值e 。、极限变形摸量e u ，以及应力为q d 2 所对应的应变值eo 5 、平均变形模量 e 。的相互关系；分析了围压对其关系的影响，提出了夯实水泥土应力应变本构 关系方程。夯实水泥土桩荷载传递特性【2 ，郭忠贤等运用荷载传递法结合g e d d e s 公式计算夯实水泥土单桩的荷载沉降曲线( q s 曲线) ，分析单桩q s 曲线随桩长l 、桩体极限强度q 。、桩端土压缩模量e s 的变化规律，并研究桩身 压缩、桩端阻力及位移随桩顶荷载的变化规律。夯实水泥土性能的研究【2 9 】，张 家柱等在大量的试验基础上，对水泥土的性能进行分析并得出水泥土的一些性 能特点，有助于在岩土工程中的广泛应用。姜彬生在夯实水泥土桩强度和变形 特性【3 0 】中阐述了水泥土桩适用的条件，桩体不同配比的强度变化规律以及水泥 土桩的变形特性以及其它一些关于夯实水泥土桩方面的文章，但是以上文章研 究的深度不够，多是生产实践方面涉及得多一些。 近几年来，夯实水泥土桩以其设备简单、工期短、工程造价低、施工噪声 低等优点在我国北方地区( 尤其是北京、石家庄等地区) 大量的地基处理工程 实践中得到了广泛的推广应用，已取得了显著的技术、经济及社会效益。 1 2 2 课题背景 由于地基土土层本身的复杂性及夯实水泥土桩与桩间土相互作用关系复杂 性，又由于夯实水泥土桩在我国发展时间不长，所以有关夯实水泥土桩及其复 合地基的工程特性及设计计算方法的理论都还不十分成熟。各家在认识上也存 在很多不一致的地方。目前大家遵循的一些设计算方法也不尽人意，夯实水泥 土桩及其复合地基尚处于边实践应用边研究总结的阶段，从而造就尽管运用夯 实水泥土桩在我国北方地区进行地基处理已有近十年的时间，但是夯实水泥土 桩复合地基设计方法经验成分多，设计思路也比较陈旧。 夯实水泥土桩及其复合地基理论主要是夯实水泥土物理及力学性能研究， 单桩及复合地基承载力及沉降变形的研究控制。夯实水泥土桩单桩承载力及沉 降变形的研究目前进行的较少。主要是针对施工现场的一些试验结论及简单的 理论分析，如夯实水泥土桩荷载传递特征的试验研究和理论分析等。参照其 它复合地基承载力计算方法，夯实水泥土桩复合地基承载力计算也通常采用桩 土应力比法和面积比法【”】，前者的关键参数是桩土应力比n ，后者产关键参数 是桩土极限承载力发挥度九p 及 x ，由于上述参数在实际工程设计中难以确定， 所以桩土应力比法和面积比法应用起来也比较困难。 与承载力计算理论相比，夯实水泥土桩复合地基沉降变形计算理论更不成 熟，夯实水泥土桩复合地基沉降变形计算时既要考虑加固区( 复合土层) 及未加 7 夯实水泥十桩复合地基工程特性的试验研究 固区( 下卧土层) 的受力情况，还要计及它们的变形特性。目前常用的几种计 算方法都不同程度地考虑了这两方面，分别计算复合土层与下卧土层的沉降变 形s 1 和s 2 ，两者之和即为复合地基的沉降变形s 。但是由于某些假设条件和某 些影响因素考虑不周，常导致沉降变形计算值大于实测值。 对于复合土层的沉降变形，常用的计算方法有复合模量法，应力修正法和 桩身压缩量法等【3 ，都是在一定条件下建立的，计算结果与实际情况自然有一 定的出入。 计算下卧层沉降变形，主要是计算下卧土层中的附加应力，然后再采用分 层总和法。计算下卧土层中附加应力的方法有应力扩散法、等效实体法、当层 法等1 3 引。 在工程实践中也发现了一些问题，反映出理论研究落后于工程实践的现状， 特别是在夯实水泥土桩桩体的物理力学性质，夯实水泥土桩复合地基承载力和 沉降变形计算方法，夯实水泥土桩的荷载传递规律以及夯实水泥土桩复合地基 褥垫层作用机理等方面，更有待于人们进行深入的研究，以便取得共识。 目前，设计单位进行夯实水泥土桩复合地基设计时有关公式的选用及设计 参数的选择主要依靠经验，没有严格的理论依据。因此，对夯实水泥土桩及其 复合地基的工程特性及设计计算方法进行研究的必要性和紧迫性。当前夯实水 泥土桩复合地基在我国北方地区的工程应用仍在继续升温。解决上述问题无论 在理论研究方面还是在工程实践方面的意义都将是十分重大的。 1 2 3 研究内容 本课题的研究工作遵循成果应具有实用性的思路，是在旖工现场工程试验 和室内试验基础上。首先对夯实水泥土桩的工程特性进行了分析，在此基础上， 重点对夯实水泥桩及夯实水泥土桩复合地基进行了深入细致的研究，有以下两 个方面： 1 2 3 1 夯实水泥土抗压影响因素分析 分析影响夯实水泥土抗压强度的主要因素：水泥掺入比、养护龄期、水泥 标号、拌和土料的土质和土的干密度等。 1 2 3 2 夯实水泥土桩单桩静载荷试验和单桩复合地基试验 分析夯实水泥土桩复合地基在竖向荷载作用下力学性状和沉降变形规律， 通过试验，探讨水泥土桩长桩、短桩和桩体强度改变对复合地基的影响。 1 2 4 研究思路 8 夯实水泥十桩复合地基工程特性的试验研究 图1 3 研究思路流程图 9 夯实水泥十桩复合地基工程特性的试验研究 第二章夯实水泥土桩的工程特性 2 1 夯实水泥土桩复合地基的定义与应用范围 夯实水泥土桩是用人工或机械成孑l ，选用相对单一的土质材料，与水泥按 一定配比，在孔外充分拌和均匀制成水泥土，分层向孔内回填并强力夯实，制 成均匀的水泥土桩。桩、桩问土和褥垫层一起形成复合地基【”】。 夯实水泥土桩作为中等粘结强度桩，不仅适用于地下水位以上淤泥质土、 素填土、粉土、粉质粘土等地基加固，对地下水位以下情况，在进行降水处理 后，采取夯实水泥土桩进行地基加固，也是行之有效的一种方法。夯实水泥土 桩通过两方面作用使地基强度提高：一是成桩夯实过程中挤密桩间土，使桩周土 强度有一定程度提高；二是水泥土本身夯实成桩，且水泥与土混合后可产生离 子交换等一系列物理化学反应，使桩体本身有较高强度，具有水硬性【”】。处理 后的复合地基强度和抗变形能力有明显提高。 夯实水泥土桩，在软弱地基中用长螺旋钻和人工洛阳铲成孔。当用人工洛 阳铲成孔时，孔深一般不超过6 m ，用长螺旋钻成孔一般不超过l o m 。限于目前 所用的成孔机具，夯实水泥土桩适于地下水埋藏较深，或有地下水但土的渗透 系数小于1 0 。5 c m s 的粘性土。当地下水位在桩端以上不超过l m 时，采用某些工 艺措施也可施工。当土的承载力标准值f k 6 0 k p a 时，若不考虑挤密桩间土，可 采用长螺旋钻机和人工洛阳铲排土成孔，若土的承载力标准值丘6 0 k p a 的松散 填土或塑性指数较小的土，除了考虑桩的置换作用，宜应考虑采用挤土成孔机 具，如振动沉管机和干振器等。通过挤土成孔，可使桩间土承载力有较大的提 高【3 5 1 。 夯实水泥土桩不太长，桩的端阻作用是很重要的，通常桩端要落在好的土 层上。 2 2 夯实水泥土桩的施工特点 通常拟建场地勘察，孔位布置按现行勘察规范孔距不可能布得很小。对有 的岩性变化大的场地，不可能反映得很全面。夯实水泥土桩复合地基桩距一般 在1 m 左右，成孔时每个孔都可视为一个探坑、对土层变化一目了然，弥补了勘 察阶段的不足，对及时发现土层的异常变化是很有利的。 由于成孔时对土层变化是又一次探查，可保证施工时将桩端落在好的土层 上。 施工速度快、工期短也是夯实水泥土桩复合地基突出的优点，一般情况下， 四单元六层住宅楼条形基础地基处理，采用夯实水泥土桩只需7 1 0 天即可完 工。 施工过程中，水、电供应往往是制约施工进度的一个重要影响因素。由于 夯实水泥土桩是有人工和机械施工两套工艺。当停电时，可改用人工洛阳铲成 l o 夯实水泥十桩复合地基t 程特性的试验研究 孔代替机械成孔，用人工夯实代替机械夯实。 通常天然地基土含水量适宜，配制水泥土时无需要增加更多的水分。所以 停水停电对夯实水泥土桩施工影响不大。 施工现场无泥浆污染和噪音污染，场地狭窄大型机械无法进场时，采用夯 实水泥土桩则有很强的适应性，比如外交部招待所火灾后重建工程，三面是建 筑物，北面正在兴建高层建筑，机械无进场条件。采用人工洛阳铲成孔，人工 夯实施工工艺，较好地适应了这一特定现场条件。 由于夯实水泥土桩，除水泥外，制桩的建筑材料就是土，可就地取材，即 可利用成孔或开挖时的弃土，成本低、造价低廉。 2 3 夯实水泥土桩与搅拌水泥土桩的区别 搅拌水泥土桩是大家熟知的一种桩型，按成桩工艺可分为浆喷水泥土桩( 深 层搅拌桩) 和粉喷水泥土桩( 粉喷桩) 。这类水泥土桩的特点是通过搅拌装置和 喷射头，将水泥固化剂与现场的原位土强制搅拌，形成水泥土桩桩体。 由于现场搅拌的不均匀性，使得现场搅拌的桩体强度与相同水泥掺量的室 内试验强度显著不同，如图2 一l 所示【1 1 j 。 芒2 = = 毒 越 项 枣 群】 堇订强压n l ( m p a ) 图2 - l 现场与室内无侧限抗压强度关系 若用q 值表示现场的无侧限抗压强度q 。f 与室内无侧限抗压强度q 。l 的比值， n = q f q 。1 ，我国地基处理规范规定强度折减系数t 1 = o 3 5 0 5 。 搅拌水泥土桩桩身强度除取决于水泥掺量外，与土的性质有密切关系，如 图2 2 所示。其它条件相同时，土的含水量越大，桩体强度越低，如图2 - 3 所 刀。 搅拌水泥土还有一个突出的特点是桩体的密度与天然土体的密度相差不 大，如表2 1 所示。 夯实水泥十桩复合地基_ l 程特性的试验研究 言 羔 了 寸 刨 鹱 出 蜒 臣 量i 嘏 ：2 0 0 0 名 lo _ - 一淤d e 赝粉赝粘十 o3 0 a 。= 2 1 0 6 0 9 0 图22 不同类土搅拌水泥土的无侧限抗压强度 。j f、j 卜、。、 、笆k 、 n1 、参、一t 、 、一、 f ? 。 。，。? 毫、。 j。 、 ? 、。 、 - 、1 含水量w ( ) r 龄期3 日( 崎玉县的土) 图2 - 3 尢侧限抗压强度与含水量的关系 通常情况下，搅拌水泥土桩的密度较天然土体密度增加l 3 左右。 水泥土桩桩体强度一般由两部分组成：其一为水泥的胶结强度r 。，其二为土 体的密实强度r d ，它是由土体的密度增加而引起的。 由于搅拌水泥土桩较天然地基密度增加甚微，所以水泥土桩的强度增量主 要取决于水泥的胶结作用。 夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究 表2 - 1 搅拌水泥十的桩体密度与天然土体密度比较 软土天然容重水泥掺入比水泥土的容重 fy - v o ) yo 1 0 0 yo ( k n m 3 ) s ( )y ( k n m 3 ) 51 7 31 1 1 7 11 51 7523 2 51 7 629 71 7 60 6 1 7 5 1 51 7 81 7 2 01 7 81 7 夯实水泥土桩与搅拌水泥土桩的区别主要在于： 1 、夯实水泥土桩是将水泥和土料在孔外充分拌合，拌合的均匀程度远远高 于现场搅拌水泥土，所以夯实水泥土的现场强度和相同水泥掺量的室内强度在 夯实密度相同的条件下是相等的，考虑到现场施工的不利因素，强度折减系数 可取o 8 5 加9 5 。 2 、由于成桩是将孔外拌合均匀的水泥土混合料回填孔内并强力夯实，桩体 强度与天然土强度相比，有一个很大增量，这一增量既有水泥的胶结强度，又 有水泥土密度增加产生的密实强度。 基于以上的主要差异，相同水泥掺量下夯实水泥土桩的桩体强度为搅拌水 泥土桩的2 1 0 倍l ”j 。 2 4 夯实水泥土桩与钢筋混凝土桩比较 钢筋混凝土桩基础中的桩与承台直接相联，可视为褥垫层厚度为0 ，当承台 受垂直荷载p 后，桩分担的荷载为p p ，桩间土分担的荷载为p s ，对端承桩，桩的 变形很小，承台的变形也很小，桩间土承载能力难以发挥，此时p s 很小，荷载 主要由桩来承担。 对摩擦型桩，当承台受荷载p 作用后，桩体和桩承台都产生相应的变形，随 着变形的增加，桩间土承担的荷载也相应增加，桩承担的荷载则逐渐减小。 钢筋混凝土桩基中桩与承台刚性连接，一般情况下，受垂直荷载作用后，桩 顶的沉降、桩问土表面沉降以及承台的沉降都相等。桩顶以下，桩各部位的位 移都大于相应部位土的位移，桩侧土体产生与桩位移相反的侧阻力，即正的摩 擦力，桩的最大轴力发生在桩的顶部1 3 7 】。 夯实水泥土桩复合地基，由于褥垫层的设置，在荷载作用下，桩顶的沉降、 桩间土表面的沉降和基础的沉降均不相同。在桩顶以下某个深度z o 范围内，土 的位移大于桩的位移，在这一范围内土对桩产生的是与桩的位移相同的摩擦力， 即所谓的负摩擦力。z o 处土的位移和桩的位移相等，该断面所处的位置为中性 点。当z z o 时，桩的位移大于土的位移，土对桩产生的是与桩位移方向相反的 夯实水泥十桩复合地基t 程特性的试验研究 侧阻力，即正的摩擦力。 在中性点以上z z o 处 桩的轴力随深度增加而减少，桩的最大轴力发生在中性点处，如图2 4 所示。 0 、 幽2 - 4 桩轴力随深度的夏化 夯实水泥土桩由于褥垫层的设置，无论桩端落在软土层还是落在硬土层， 从加荷一开始，桩身上部就存在一个负摩擦区。 钢筋混凝土桩基在某些情况下，比如桩穿过欠固结土层或土性变化，也可能 引起土对桩的负摩擦作用，这对刚性桩基设计将产生不利的影响。对于复合地 基，除了桩对桩问士的侧向约束外，桩的负摩擦力起着阻碍桩问土下沉的作用， 这对提高桩问土的承载力、减少复合地基的变形是有益的。 根据夯实水泥士桩与桩基的比较，可以看出，夯实水泥土桩在其适用范围内， 可以充分发挥桩间土的承载力。这对降低造价，提高经济效益是有利的。 2 5 夯实水泥土桩应力一应变性状 对散体材料桩( 如砂、石桩) ，桩体三轴应力应变性状如图2 5 所示。当围 压63 = 0 时，桩体强度为0 ，随着围压的增加，桩体强度增加，传递垂直荷载的 能力也相应的增加。 0 1 _ o3 0 v w a ) o3 = 0 2 5 ( m p a ) 012345678 图25 碎石桩三轴廊力应变曲线 低粘结强度桩的桩体( 石灰桩、狄士桩) 本身具有一定的粘结强度，当围压 i 4 2 1 8 6 4 2 o 1 o 0 o 0 夯实水泥土桩复合地基上程特性的试验研究 为。时，桩体强度大于0 ，同样，随着围压的增加，破坏时的主应力差越来越 大，如图26 所示。 0 8 0 6 o d o2 0 o3 = 0 3 ( m p a ) o3 = 0 2 ( m p a ) e ( ) 1 5 丁：e _ j 、 r ， 0 2 l 夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究 桩的侧向约束越大，桩传递垂直荷载能力越强。当桩长大于基础宽度的 1 5 2 o 倍以后，碎石桩的端阻力作用很小。 若土层系上部为软粘土、下部为硬土，采用散体材料桩复合地基方案，一 般效果均不甚理想，这是因为散体桩在软土中传递垂直荷载，主要靠桩侧的约 束力，土越软约束力越差，桩传递垂直荷载的能力越差。 夯实水泥土桩桩体模量较高，侧向约束力的大小对桩传递垂直荷载的能力 影响较小，可以将桩荷载很好地传递到桩端处。由于桩端处土的强度高，桩的 端承效应可充分发挥，复合地基承载力提高幅度大。 2 7 夯实水泥土桩的抗冻性 我国有相当大地域处于寒冷地区，夯实水泥土桩在冬季施工，桩体强度会 不会受影响，是一个需要弄清楚的问题。中国建筑科学研究院做过以下试验【3 6 l ： 1 ) 水泥土成样后养护7 天做无侧限抗压强度试验。 2 ) 成样后立即置于一1 5 0 c 温度下分别冻结l 小时、2 小时、3 小时，然后再 养护7 天做无侧限抗压强度试验。 3 ) 成样后分别养护1 天、3 天、7 天，然后冻结1 天后再养护7 天做无侧 限抗压强度试验。 4 ) 水泥和土混合后，放置l 天再成样，养护7 天，做无侧限抗压强度试验。 5 ) 水泥和土混合后，散体状态下冻l 天再成样，养护7 天，做无侧限抗压 强度试验。 表2 - 2 桩的抗冻性试验 无侧限 编 养护冻结 冻后再 含水 干密度抗压强 条件时间 养护的密度 量 成样条件号时 间 旧c m ) ( g c m 3 ) 度 ( 天)( 天) ( 天)( m p a ) 170o1 9 8 91 6 81 7 0 33 5 2 2o171 9 7 11 4 71 7 1 93 5 6 水泥土混合后立 3 0 27 2 0 0 11 6 91 7 1 13 。1 9 4o371 9 9 91 6 91 7 1 03 1 6 即成样 5 1172 0 0 71 6 51 7 2 33 2 0 63l72 0 0 01 6 01 7 2 43 5 9 77171 9 8 31 5 41 7 1 94 3 5 水泥土混合后放 87o o1 9 7 2 1 4 7 1 7 2 03 6 0 置1 天再成样 水泥混合后冻 97oo2 0 8 71 4 。21 8 2 82 5 0 1 天再成样 1 6 夯实水泥土桩复合地基上程特性的试验研究 注：1 、养护条件：温度2 5 。c ，湿度1 0 0 ；2 、水泥土比例( 重量比) 水泥：干土= 1 ：7 ； 3 、冻结温度：一1 5 。 试验结果见表2 2 ，由l 7 号试样的试验结果可知，成样后水泥土桩具有 良好的抗冻性，2 4 号试件代表冻结l 天、2 天、3 天的试验结果，冻结时间3 天比冻结1 天强度略有降低，和不冻结的1 号试样相比，冻结后强度略有降低。 5 7 号试样，7 号试样由于养护时问冻结前后加起来为1 4 天，因此7 号试样的 强度比5 号、6 号高，也比1 号试样高。反映了龄期对桩体强度的影响是主要的， 冻结对夯实水泥土桩影响不大。 对于放置时间多长将对桩体强度产生影响还需再做进一步的试验，工程中 应尽量拌和后就使用。 由9 号试验结果可知，拌和后散体状态下冻1 天再制样，强度会有较大的 降低。 2 8 夯实水泥土桩复合地基的承载力计算 复合地基承载力是由桩间土和增强体( 桩) 共同组成。目前复合地基承载力 公式比较多，但比较普遍的有两种，其一由天然地基承载力和单桩承载力，考 虑它们与复合地基的桩间土和复合地基中的桩承载力的差异及受力特性，进行 合理的组成叠加；其二是将复合地基承载力用天然地基承载力扩大一个倍数来 表示。 必须指出，复合地基承载力不是天然地基承载力和单桩承载力的简单叠加， 需要对如下的一些因素予以考虑： l 、施工时对桩间土是否产生振动或挤密，桩间土承载力有无降低或提高。 2 、桩对桩间土在水平方向上有约束作用，使土的变形减少：在垂直方向上 荷载水平不大时对土起阻碍变形作用，使土沉降减少。 3 、复合地基中桩承载力的大小与桩距有关。 4 、桩和桩间土承载力的发挥都与变形有关，变形小，桩和桩间土承载力的 发挥都不充分。 5 、复合地基桩间土的发挥与褥垫层厚度有关。 综合考虑以上情况，结合工程实践经验的总结，夯实水泥土桩复合地基承 载力可用下面的公式进行计算：夯实水泥土桩设计前，根据工程要求、土料性 质及水泥品种，由配比试验确定水泥掺八比。夯实水泥土桩桩长不宜超过l o m ， 桩径宜为3 0 0 。6 0 0 m m ，桩距宜为2 4 倍桩径，褥垫层厚度为1 0 0 3 0 0 m m 。建筑 地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) 规定夯实水泥土桩复合地基承载力特征值应 按现场复合地基载荷试验确定。初步设计时可以按下式估算： 厂咣一象肌彬止 。 夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究 式中：厂。女一复合地基承载力标准值( k p a ) ： f f l 面积置换率； r 。单桩竖向承载力特征值( k n ) ； a 。桩的截面积( m 2 ) ； p 桩间土承载力