（岩土工程专业论文）柔性基础复合地基沉降分析.pdf

摘要 路堤类漂性荷裁作用下簸合地蒸的沉降特性是当今岩童工程中个较为复 杂戆涤嚣。本文逶过甄囊测试、傣冀努爨、璞论诗雾砖这一瀚震避露了系统磷究， 褥出了一些有益的结论。 通过嚣繇测试，研究了鬃缝基旗复会遮簇虢沅簿及受力性获，讨论了沉簿蘧 荷载及时间的变化规律，襻出了适用于柔性衙载下笈合地基的桩土皮力比墩值。 运丽m a r c 敦雠，将平嚣蠲越青袋元运弼子潦提袈载下复念数基魏获豹研 究，分析了复合地鍪敕沉降影响因素。 结合嚣个工程实例逶过数据处蠛及理论诗算，分轿了柔僬基础复合逮蒸的工 露泼器组成特薤，礤究了羚搂柱鸯曩黧较圭遗蒸豹霆终瓠壤。摆复杂熬萋工焉淀酶 分为艇器嚣豹次围缝淀降帮下搓 层豹生园鳞及次固绪扰降，在螬基鹚上，提如了 王嚣沉降诗算貔篱簧表达式。 对兹线拟合法预溅工后沉降静邋丽馒传了俺要豹探讨，得出了葵旁一定忑程 指导意义韵绪论。 关键词：柔憔基础复合地撼m a r c 软件工后沉降预测 a b s 舡毽c t 1 1 琳s 础e m e n tp 茁o p e r t yo fc o m | 眇s i t eg r o u n du n d e rn c x i b l ee m b a n 玉曲e n tl o a di s ac 0 唧l i c a t c dp r o 彤黼i i lg c o t 蒯l n j q u ef e 辫i t l y d i i 】鳅e d 馥姆随tt h i s ，n 潲u 曲 法s 主撼l 端，瓢攮删疆lc a 圭魏l 崩。取睡ea u 镪黻璜a 妇so 珏l 辩m 搴a 蛔瓣e c o n d u s l 州l s t h ea u t h o rs m d i o st h es e t t l e m 黼ta n ds t r e s sp r o p e m e so f 唧o s “e 斛o u n d u 丑d e ff l 燃i 坟e 锄b a n 融e n ll o 鑫d 氆o u 鹳i n - 虹t u e s s 骶矗sp a p e rs 抽d 瞄t h es e t 娃e m e n l m k 诵壕t 沁i o 醛鑫藏d 渤e 吐粕痴g 勰d8 c 茁e v e s l k 懿i 攮b l e 婶e 嘲程r 暑涵w 鲢醢i s 吣i t a b l e 晒也e 州磷i 耄eg r o u n d 珏耐e rb e x 戤ee m 蛐e n t l o 聪 b a s c d o n 也ep m 黟a mo fm a r c l l l ep a p e ru s 。st h cp l a n e 雕o b l c mf i n i t ee l e m e m l 。s 妇鸯t 醅洋。爹e 蠢c s 。嘲p o 把g u 疆珏珏d 髓凇基棚渤黼tl 瀚d 铀ea 确疆 翘曲l v s e s 镪es e t 钰雕c n t 彘抛o f 函霸勰e i l o e 1 色ea u 蜘r 越a l y 8 e st h ec o m p o s i t i 船p f o p 鳅i e so f 娥c r - c o n s 铷甜雌s 暇i e n t 缸s e do 溉s 撼d 归g 啪璐m l 蛹o nc a s e 也u g hd a t a 辫s s i n ga 珏d 像r e t c 俎 c a l c 畦a t 主濑瓢ep a p e rs 掘d i e s 娃l e 揩菇嬉。舳e n t 礤e 穗a 珏妇o f 掰m 瘩l e 翘dp r 。s e n t s t h ec a l c # l a 主i o ne q l 王a l 毒0 n 茧0 ra 蠡e b 8 t r 瞅i o ns e t 踟搬e 吐 弧e 删氆甜s i m p l yd i s c 髑s e s 妞a p p l i c a b i l i t yo f 也ef i t t e d 黜v em e t h o d 断 蠊e 鞋s 控瞅女旺s g 暇。撩髓搿醴溉i o 麓a 蠹畦a c 壤e v 然s o 趣e 璐e 矗娃巍翻强蠡髓s 。 鬣昭w o 烈s ：蛙c x i b l e 赫雌d 毪圭i o 丑；c o m 渊沧g f o 驻b 娥m a r cs o 柳建r e ； a 蠹鳓鞋s 粕e 斑ms e 啦e m e m ；p f e d i c 耋i o n 话互搬刽住声明 本人声明：本人所璺交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 磷究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何来加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任融本人承接。 论文作者签名：山宣 d 。解，月啪日 论吏知识产权权孱声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校爱发表或使用学位论文域与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蝎 文一年了月泌曰 导师签名：2 庐i 年f 月上占日 第一章绪论 1 1 复合地基概述 1 1 1 复合地基定义和分类 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) 筑物的安全和正常使用。地基处理方法很多，按地 基处理的加固原理分类，主要有下述六大类：置换，排水固结，振密，挤密，灌 入固化物，加筋，以及冷、热处理等。经过人工处理形成的人工地基大致上可分 为三类：均质地基、多层地基和复合地基。 复合地基【1 l 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。在荷载作用下，基体和增强体共同 承担荷载的作用。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖 向增强体复合地基。如图1 1 所示。 qq ( a ) 水平向增强体复合地基( b ) 竖向增强体复合地基 图1 1 复合地基的分类 复合地基最初的概念是指在天然地基中设置碎石桩而形成的地基，随着工程 实践的发展，复合地基的内涵也在不断地延伸。深层搅拌法和高压喷射注浆法在 地基处理中的应用和推广，人们开始重视水泥土桩复合地基的研究。碎石桩和水 泥土桩复合地基在受力特征上是完全不同的。碎石桩本身不具有粘结强度，它必 须依靠基体的侧限来发挥作用。水泥土桩本身具有粘结强度，它不必依靠基体的 侧限，而主要依靠基体的摩擦和下卧层的端承力发挥作用。因而，将碎石桩称作 散体材料桩，将水泥土桩称作粘结性材料桩。低强度桩( 包括与其近义的素混凝 土桩和c f g 桩) 的开发和推广使得复合地基的概念进一步拓宽。低强度混凝土桩 蒸 不仅具有粘结强度，它的变形模量也较之水泥土桩大得多，从而低强度桩复合地 基的受力特征也将不同于水泥土桩复合地基。因此，工程和学术界又将水泥土桩 复合地基称作柔性桩复合地基或半刚性桩复合地基，而将低强度桩复合地基称作 刚性桩复合地基。因此，根据复合地基工作机理可作下述分类： 复合地文蓁三：三二三三兰二 粘结体材料桩复合地 r 散体材料桩复合地基 柔性桩复合地基 刚性桩复合地基 散体材料桩和粘结性材料桩之间的差别是明显的，但柔性桩和剐性桩难以 直接区分。段继伟根据桩土相对刚度k 与沉降关系的研究，建议： k 1 o 刚性桩 其中，相对刚度足按下式定义： 肌雁手 ( 1 - - ) 式中亭；l n 2 熨( 1 一卢，) ， z 为桩长。当桩长大于有效桩长时，采用有效桩长计算。 竖向增强体习惯上称为桩( p i l e ) ，有时也称为柱( c o l u 砌) ，竖向增强体 复合地基通常被称为桩体复合地基。目前工程中应用的竖向增强体远比上述分析 复杂得多，包括碎石桩、砂桩、水泥土桩、石灰桩、灰土桩、素混凝土桩、c f g 桩和钢筋混凝土桩等。不同材料桩体的复合地基受力特征不尽相同，针对不同材 料桩体复合地基，研究其受力特征，采用合理的方法设计和施工，才能不至于使 地基处理失效。 但无论何种材料桩复合地基，有两个基本特点是共同的： ( 1 ) 加固区是由基体和增强体两部分组成，是非均质的，各向异性的； ( 2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同直接承担荷载。 1 1 2 复合地基计算理论 复合地基在土木工程中的广泛应用促进了复合地基理论的发展。尤其是从工 业与民用建筑方面发展起来的刚性基础复合地基，目前已初步形成理论框架。近 年来，一些主要的研究工作也都集中在这一方面，相应也积累了很多经验，使得 2 ， 刚性基础复合地基有了一定的理论基础，并在此基础上进行了更为系统的研究， 现以形成了相对完整的理论体系和设计方法，有效的指导着复合地基的工程实 践。 复合地基的计算理论包括复合地基的承载力分析、复合地基沉降分析和复 合地基稳定性分析三方面的内容： ( 1 ) 复合地基承载力分析 桩体复合地基承载力计算思路是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载 力，再根据一定的原则叠加这二部分承载力得到复合地基的承载力。 桩体复合地基的极限承载力p 。普遍表达式可用下式表示： p 可一k 妒+ k 2 九( 1 一m ) p 彳 ( 卜2 ) 式中 p 。复合地基承载力，单位k p a ； p 。天然地基极限承载力，单位k p a ； p 单桩极限承载力，单位k p a ： 墨反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不同的修 正系数，一般大于1 o ； e 反映复合地基中桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力不 同的修正系数，其值视具体工程情况确定，可能大于1 o ，也可能 小于等于1 0 ： 复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例。若桩体先达到极限 强度，引起复合地基破坏，则 = 1 0 。若桩间土比桩体先达到极 限强度，则九 1 o ； a ，复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例。一般情况下，复 合地基中往往桩体先达到极限强度，a ，通常在0 4 1 o 之间； m 复合地基置换率。 式( 卜2 ) 中系数匠主要反映复合地基中桩体实际极限承载力与自由单桩荷 载试验测得的桩体极限承载力的区别。复合地基中桩体实际极限承载力一般比单 桩荷载试验得到的要大。其机理是作用在桩问土上的荷载和作用在邻桩上的荷载 两者对桩间土的作用造成了桩间土对桩体的侧压力的增加，使桩体极限承载力提 3 高。对散体材料桩，其影响效果更大。系数量的影响因素很多，如桩的设置过 程中对桩间土结构的扰动：成桩过程中对桩间土的挤密作用；桩体对桩的侧限作 用；某些桩体材料，如生石灰，水泥粉与桩间土的物理一化学作用；还有桩问土 在荷载作用下固结引起的抗剪强度的提高等等。上述影响因素中除对土结构扰动 为不利因素外，其它的影响因素均能不同程度的提高桩间土的极限承载力。 若能有效地确定复合地基中桩体和桩间土体地极限承载力，而且破坏模式 是桩体先破坏引起复合地基全面破坏，则承载力计算式( 卜2 ) 可改写为： p 盯阜肋p 一+ a ( 1 一珊) p 盯 ( 1 3 ) p 。桩间土实际极限承载力，单位k p a ； p 一桩体实际极限承载力，单位k p a ； 历复合地基置换率； a 桩体破坏时，桩间土极限强度发挥度。 ( 2 ) 复合地基沉降计算模式 工程中复合地基沉降计算一般采用简化的方法进行，这些简化方法从研究 途径上分为将复合地基作为整体考虑的沉降计算方法和将复合地基沉降分为加 固区与下卧层压缩量分别考虑的沉降计算方法。 1 ) 将复合地基作为整体考虑的沉降计算方法 ( a ) 沉降折减法 这是按照复合地基的基本概念以及考虑地基变形过程中桩体上应力集中现 象而建立的沉降计算方法，即： s = 卢 ( 卜4 ) 其中s 复合地基的沉降： 如相应的未加固地基的沉降； 芦沉降折减系数。 蹦e b e 在分析刚性基础端承碎石桩复合地基时，依据半无限弹性体中圆柱孔 的横向变形理论获得了沉降减小因子计算式： 卢= v ( 1 + m 0 1 ) ) ( 卜5 ) ( b ) 应变修正法 g o u 曲n o u r 在分析刚性基础下碎石桩复合地基时，认为当基础荷载较大时桩 4 休会发生侧向鼓胀，因此须进行塑性分析。考虑到桩体发生塑性变形可能性随深 度而变小，他建议取典型单元体逐段进行弹塑性分析。塑性分析中假设桩体为不 可压缩的刚塑性材料，服从摩尔库仑准则。取弹性和塑性分析获得的应变折减 系数的大者与未加固时土的垂直应变之积作为复合地基的竖向应变，累加逐段计 算的压缩量可获得复合地基沉降。 2 ) 加固区与下卧层分别考虑的沉降计算方法 在工程应用上常将复合地基的沉降分成两部分，即加固区的压缩量和下卧 层的压缩量，分别计算这两部分压缩量，二者迭加作为复合地基的沉降量。 ( a ) 加固区压缩量的计算 加固区压缩量的计算方法有三种，分别是复合模量法、应力修正法和桩身 压缩量法。这三种方法都假设桩与桩问土变形相等。 复合模量法是将桩和桩间土看作一复合体，采用复合模量来评价复合土体 的压缩性。 应力修正法是根据桩间土分担的荷载，忽略桩体的存在，由桩间土的压缩 模量用分层总和法计算加固区压缩量。它本质上就是前述的沉降折减法，这种方 法的关键就是确定桩土应力比。 桩身压缩量法是假设桩体不会产生刺入下卧层的变形，计算桩身压缩量作 为加固区压缩量。采用这种方法需要确定桩身应力沿深度的分布，即复合地基中 桩身的荷载传递规律。 ( b ) 下卧层压缩量的计算 下卧层压缩量的计算通常采用分层总和法，因此下卧层压缩量计算的关键 是确定下卧层土中的附加应力分布。由于作用在下卧层面的荷载难以精确计算， 故目前在工程上下卧层压缩量采用压力扩散法、等效实体法和当层法以及不考虑 桩体存在的分层总和法共四种方法进行计算。 压力扩散法是利用压力扩散角计算下卧层面上的荷载从而确定下卧层竖向 附加应力。但目前并没有适当的方法确定压力扩散角，压力扩散角的确定往往依 据经验估计。 等效实体法实际上是群桩沉降的计算方法，将加固区视为等效的实体深基 础，假定加固区四周摩阻力均匀分布，用复合地基基底压力扣除摩阻力后即可得 到下卧层面荷载，据此按弹性理论计算下卧层附加应力分布，由分层总和法计算 5 下卧层压缩量。 当层法是指利用加固区的复合模量，将加固区换算成与下卧层模量相同的 土层，从而变成了均质地基问题很容易求出竖向附加应力，按分层总和法计算出 下卧层压缩量。 张小平等( 1 9 9 9 ) 提出用m i n d i i n 解推求复合地基中附加应力。依据粉煤灰 桩身应力的传递特性，分析其桩侧摩阻力的分布规律，探讨了用m m d l i n 解考虑 简化的桩侧摩阻力的分布，推导出粉煤灰桩及与之类似的柔性桩复合地基中附加 应力的计算公式。 ( 3 ) 复合地基稳定性分析 复合地基的稳定分析方法很多，通常采用圆弧分析法计算，在圆弧分析法 中，假定地基土的滑动面呈圆弧形，取不同的圆弧滑动面，可得到不同的安全系 数值，通过试算可以找到最危险的滑动面，并可以确定最小的安全系数值。 在圆弧分析法计算中，假定的圆弧面往往经过加固区和未加固区，地基中的 强度应分区计算，加固区和未加固区土采用不同的强度指标。未加固区采用天然 地基土体的强度指标，加固区体体强度指标可采用复合土体强度指标，也可分别 采用桩体和桩间土的强度指标计算。 1 1 3 复合地基的工程应用 随着地基处理技术和复合地基理论的发展，近些年来，复合地基技术在世界 各地得到广泛应用。目前在我国应用的复合地基类型主要有：由多种施工方法形 成的各类砂石桩复合地基、水泥土桩复合地基、低强度桩复合地基、土桩、灰土 桩复合地基、钢筋混凝土桩复合地基、加筋土地基等。其主要用于以下几类工程 中： ( 1 ) 各类结构物的基础工程：低中层结构物的基础、油罐基础以及作为建 筑物的纠偏措施。 ( 2 ) 公路、铁路工程：公路和铁路的路堤基础、桥墩基础以及作为路堑、 堤坝的斜坡稳定措施。 ( 3 ) 防水、防汛工程：地下防渗墙、重力挡墙。 ( 4 ) 隧道、地下工程：竖井与顶管交接处的局部加固，隧道开挖起始块的 加固以及开挖工程的般加固措施。 ( 5 ) 地震工程：在地震中作为减少液化和管涌措施。 ( 6 ) 临时工程的挡墙、防渗墙、抗滑动等措施。 1 2 柔性基础复合地基研究现状 1 2 1 柔性基础复合地基概念 柔性基础复合地基与以往所说的复合地基的区别在于基础刚度的不同。判别 基础是刚性或者是柔性，采用的标准是基础的抗弯刚度以 建筑物下的混凝土基础，其刚度很大，可以认为其抗弯刚度占卜。o ，这类 基础均可认为是刚性基础。在中心荷载作用下，刚性基础不会发生挠曲变形，基 底各点的沉降是相同的。在刚性基础复合地基中，基础底面处满足等应变假设， 即桩项与桩间土的变形相同。 当基础抗弯刚度点卜o 时，认为这种基础为绝对柔性基础。如果假设这种基 础时由许多小块组成，那么各小块之间光滑无摩擦，基础上的荷载通过小块直接 传递在土上，基础底面的压力分布图形将与基础上作用的荷载分布图形相同，基 础底面的沉降则各不相同。对于填土路堤，可以认为路堤本身不传递剪力，那么 它就相当于一种柔性基础。本文所讨论的柔性基础复合地基即是指在路堤荷载作 用下的复合地基。在柔性基础复合地基中，桩顶与桩问土体变形不同，存在一沉 降差，这就使得柔性基础复合地基的受力与变形性状不同于刚性基础复合地基。 1 2 2 柔性基础复合地基沉降研究现状 现有的复合地基计算理论大多针对建筑上的刚性基础复合地基，刚性基础复 合地基理论基础为： ( 1 ) 基础为刚性； ( 2 ) 在竖向荷载作用下桩与桩间土共同承担上部荷载； ( 3 ) 复合地基土内部任一水平截面上桩与桩间土的竖向压缩变形相同。 对于刚性基础作用下的复合地基，以上三条假设都成立。对于柔性基础，第 一个假设显然不成立，第二个假设是成立的，第三个假设是不成立的。对于填土 路堤荷载作用下的复合地基，受力变形后路堤底面不可能仍保持平面，即不符合 平面假设，复合地基土内部并非处处存在等应变现象。在工程实践中人们已经发 现在公路工程中应用在建筑工程逐步积累并得到验证的复合地基沉降计算方法 计算沉降，计算值往往小于实测值。于是开始重视柔性荷载作用下复合地基的性 状研究。 7 高玉杰1 4 】采用自行设计加工的复合地基模型箱，通过室内模型试验和室内常 规试验，研究了柔性加载条件下桩与桩问土之间的相互作用关系。 方磊对刚性基础复合地基有褥垫层工况和柔性基础复合地基工况进行室内 模型试验研究，结果表明：1 ) 柔性基础复合地基中桩土应力比随着上部荷载的 增加而逐渐趋于稳定。2 ) 柔性基础复合地基中桩体轴向力在基础以下两倍桩径 深度以内基本相等，从两倍桩径以下到有效桩长处，桩体应力随深度的增加而减 小。3 ) 桩侧摩阻力最大值也发生在两倍桩径深度附近，在桩顶处桩侧摩阻力为 零或负值。 冯瑞玲1 1 9 】通过数值仿真分析，研究了影响柔性基础复合地基受力、变形及强 度性状的影响因素及其影响程度，得出：1 ) 柔性基础复合地基的承载力值大于 同样条件下刚性基础复合地基的承载力值。2 ) 在柔性基础复合地基中，塑性区 首先出现在桩顶或桩端的土体中，其破坏模式为桩问土体先破坏进儿导致复合地 基整体破坏；在此基础上，根据柔性基础复合地基的受力、变形特点，考虑基础 刚度、桩间土体性状、桩体强度、桩长、桩距及桩端土体性状的影响修正了规范 中对于深层搅拌桩复合地基的设计计算公式。 吴慧明于2 0 0 0 年进行了刚性基础和柔性基础下单桩复合地基的模型试验。 结果表明：1 ) 柔性基础下单桩复合地基地基土先达到极限状态，随着荷载的增 加，桩体也进入极限状态。而刚性基础下单桩复合地基则是桩体先达到极限状态， 然后地基土进入极限状态。2 ) 柔性基础下复合地基桩土应力比随荷载水平的增 加表现为先减小后增大。刚性基础下复合地基的规律则相反。在量值上后者约为 前者的1 0 倍。3 ) 由于柔性基础下复合地基破坏时桩体承载力未能得到很好的发 挥，因此复合地基承载力要小于刚性基础下复合地基。这说明柔性基础下复合地 基承载力不能简单套用刚性基础下的计算公式。4 ) 柔性基础下复合地基的沉降 大于刚性基础下复合地基的沉降。 e l 咖通过现场测试证明了柔性基础下桩项位移与桩间土体位移并不相 等。 俞建霖于2 0 0 2 年对杭宁高速公路路堤下低强度混凝土桩复合地基进行了试 验研究，得出：1 ) 路堤荷载作用下复合地基桩间土承载力的发挥度远大于低强 度混凝土桩。2 ) 柔性基础下复合地基实测沉降量比按刚性基础下复合地基理论 计算所得沉降要大得多。 龚晓南对柔性基础下复合地基的性状进行了初步探讨，分析了基础刚度变化 对复合地基性状的影响，并指出柔性基础下复合地基垫层与刚性基础下复合地基 的垫层应有不同，前者要求刚度大，以使桩体分担更多荷载，而后者则相反。 饶为国基于薄板变形理论和删e r 弹性地基模型，提出了路堤下桩一网复 合地基工后沉降计算方法。 旆建勇采用m i n d l i n 解答，利用现场试验和有限元分析所得的桩侧摩阻力分 布规律，推导出深层搅拌桩复合地基单位元沉降的计算公式。 b a l a 锄等在分析端承碎石群桩复合地基时，取单桩和其影响范围的桩周土 为典型单元( u n i tc e u ) ，用线弹性有限元法分析了刚、柔性基础下复合地基的 沉降反应。计算发现，刚性基础下碎石桩复合地基的沉降速率随桩土模量比提高 而增大；对于柔性基础，桩土模量比对沉降速率影响不大。加固深度与桩径之比 小于5 时，柔性基础沉降略小于相应的刚性基础当加固深度与桩径之比在1 0 2 0 之间时，柔性基础的沉降几乎与相应的刚性基础相同。 朱云生通过数值模拟分析，得出以下规律：1 ) 柔性填土路堤下复合地基中 桩长、桩土模量比、荷载水平等因素对桩间土的应力分配、桩体承载力和地基土 沉降影响较大。2 ) 柔性填土路堤下复合地基中桩身竖向附加应力在荷载水平较 低时在桩顶达到最大值，随着荷载水平提高，附加应力最大值出现在桩顶以下某 一深度处，随着基础刚度的增大，最大值出现位置逐渐下移，达到最大值后沿深 度衰减，传至桩底应力占桩顶应力比例增大。 1 3 本文主要工作 1 通过现场实测数据分析了路堤荷载作用下复合地基的受力及变形特性， 研究了柔性基础复合地基的变形及荷载传递规律。 2 分析了桩土模量比、置换率、桩长等因素对复合地基变形性状的影响。 3 对柔性基础复合地基工后沉降的组成特征、时变特征作了系统研究，提 出了工后沉降的简要计算方法。 4 结合实际工程对几种曲线拟合法预测工后沉降的适用性作了简要分析。 第二章粉喷桩复合地基原位试验研究 2 1 工程概况与试验方案 2 1 1 工程概况 阿荣旗一深圳国家重点公路开封至通许( 周口界) 段高速公路( 以下简称“本 项目”) 是河南省“五纵四横四通道”公路主骨架中一纵的重要组成部分，起自 开封市东北袁坊乡南侧，止于通许县长河洼。本项目全长6 4 0 9 3 公里，双向六 车道，路基宽2 8 米，设计行车时速1 2 0 l ( 1 1 1 h 。设大桥3 座共7 9 5 米，中桥1 3 座 共6 6 5 米，涵洞5 9 道；互通式立交5 座，其中枢纽互通式立交2 座；设置分离 式立交3 3 处( 含陇海铁路立交) ，其中与公路立交3 l 处：通道7 6 座。全段划分 为1 0 个旌工标段。 本项目线路所处地段为黄河平原区，全线多处分布软弱土层和液化土层，需 进行地基处理以满足路基填土压力对地基承载力的要求。为研究不同工程措施处 理特殊土地基的效果及沉降变形规律，指导工程的大规模施工，长安大学选取具 有代表性的五个断面进行了包括粉喷桩、挤密碎石桩复合地基两种处理方案的研 究工作，试验方案如表2 1 所示。本文选择方案1 的现场试验结果作为研究对象 加以分析。 2 1 2 地质条件 方案l 试验区( k 1 2 7 + 3 2 6 k 1 2 7 + 3 6 6 ) 地处第六标段乌梅井立交桥头附近， 属于地质构造稳定地区，第四系沉积厚度大。区内地下水含量丰富，属地下水浅 埋带，地下水类型简单，含水层为砂层及亚砂土层，具多层含水层，含水层埋深 不等，地下水对混凝土无结晶类腐蚀、无分解类腐蚀、无结晶分解复合类腐蚀。 场地土类型为中软一软弱土，建筑场地类型为类。 试验区地表至地表下1 0 米深度附近，地基土( 亚砂土) 呈软塑可塑状态， 地表下3 米附近n 6 3 5 在l 3 ，n 在4 6 ，地基土天然承载力为6 0 1 2 0 k p a ，地 下水位埋深3 米。土层条件为： 亚砂土，褐黄色，稍密，孔隙比0 6 6 9 o 7 1 4 ，层底埋深4 3 4 5 米，标 贯击数5 7 ，容许承载力1 2 0 k p a ： 亚粘土，褐灰色，可塑，饱和，层底埋深9 6 9 8 米，标贯击数5 5 9 ， 容许承载力15 0 k p a ； 1 0 粉砂，褐黄色、灰褐色，松散一稍密，未揭穿，标贯击数1 2 1 8 ，容许承 载力2 2 0 k p a ： 特殊土地基处理试验方案表2 1 编试验区 断面 处理方法 设计参数 测试目的 号 起止桩号桩号 桩径巾5 0 ，桩长研究粉喷桩处理 方 k 1 2 7 + 3 2 6 粉喷桩1 3 m ，掺灰比1 5 ，软基的效果，测试 案 k 1 2 7 + 3 6 6 k 1 2 7 + 3 4 1表面铺设碎石置换率i 区m =地基沉降及土压 l 垫层+ 土工布0 1 3 ，i i 区= 0 1 ，力分布规律，获取 3 0 厚碎石垫层。最优设计参数。 方桩径由5 0 ，桩长 测试填土较低路 案 k 1 2 7 + 8 0 0粉喷桩 1 0 m ，掺灰比1 5 ， 段的沉降及土压 力值，与方案1 测 2 置换率m = 0 1 。 试结果对比。 桩径中5 0 ，桩长 研究粉喷桩处理 方 k 1 5 3 + 6 0 0 粉喷桩 1 2 m ，掺灰比1 5 ， 软弱土与液化土 案 k 1 5 3 + 6 4 0 k 1 5 3 + 6 1 5表面铺设碎石 置换率i 区m = 互层地基的效果， 0 1 2 区m = 测试地基沉降及 3 垫层+ 土工布土压力分布规律， o 0 9 ，3 0 厚碎石垫 获取最优设计参 层。 数。 碎石桩呈三角形布研究碎石桩处理 挤密碎石桩置，桩径由4 0 ，液化土地基地效方 k 1 4 9 + 2 0 9 8 k 1 4 9 + 2 2 0表面铺设碎石 桩长5 m ，桩间距果，测试地基沉降案 k 1 4 9 + 2 4 9 8 4 垫层+ 土工布1 3 m ，排距1 1 m ，及土压力分布规 3 0 厚碎石垫层。律。 碎石桩呈三角形布 方 挤密碎石桩 置，桩径由4 0 ， 案 k 1 6 3 + 7 3 4 k 1 6 3 + 7 5 0表面铺设碎石桩长8 m ，桩间距与方案4 作对比 k 1 6 3 + 7 7 4 5 垫层+ 土工布 1 1 ，排距0 9 5 m ， 3 0 厚碎石垫层。 各土层主要物理力学性能指标表2 2 含水量 容重 空隙比 液性塑性压缩模内摩擦 粘聚力承载力 层号土层指数指数量角 c 基本值 w e k n l - 3 l li pe i m p a 巾。 k p a k p a 亚砂土 3 0 81 8 o0 7 15 0 2 1 6 41 2 0 亚粘土 3 1 91 8 6 2o 8 90 7 91 5 75 3 51 4 23 5 31 5 0 粉砂3 2 6 1 8 3o 9 67 o2 802 2 0 土层的物理力学性能指标如表2 2 所示。根据工程特点和地质情况，经计算 分析，地基处理设计方案定为： 试验区全长4 0 米，区内需进行处理的土层为亚砂土、亚粘土，处理土层 厚度1 3 米，原始地基容许承载力1 2 0 k p a 。地基处理采用深层搅拌桩( 粉喷) ，按 填土厚度进行变桩距设计，处理后复合地基承载力试验区i 为1 7 5 k p a 、试验区 为1 6 0 k p a ，复合地基纵剖面如图2 1 所示。 试验区i ，粉喷桩按等腰三角形布置，置换率0 1 3 ，桩长1 3 0 米进入粉砂 层，桩径o 5 米，桩距1 3 米，排距1 1 米，掺灰量1 5 ，复合地基承载力1 7 5 k p a 。 试验区，粉喷桩按等腰三角形布置，置换率0 1 0 ，桩长1 3 0 米进入粉砂 层，桩径0 5 米，桩距1 5 米，排距1 3 米，掺灰量1 5 ，复合地基承载力1 6 0 k p a 。 k 1 2 7 + 3 6 6 k 1 2 7 + 3 4 6 图2 1 复合地基纵鲁i 面图( 单位：m ) 2 1 3 测试内容和方法 随着我国高速公路的迅猛发展，采用粉喷桩复合地基处理路堤下的软弱地基 得到愈来愈多的应用。现有复合地基的计算理论多是考虑刚性基础下的应力场分 布情况( 如房屋基础) ，但是柔性基础下复合地基的沉降，计算值往往与实际值 有很大的差异。所以对柔性基础下复合地基的受力性状和沉降特性进行研究具有 重要的现实意义。目前还没有柔性荷载下进行现场载荷试验的方法，加强现场观 测和分析，参考荷载板试验成果，是探讨粉喷桩复合地基在柔性荷载下工作性状 的重要途径。为了取得粉喷桩复合地基加固软土地基的数据，总结规律，进行了 以下项目的试验研究。 复合地基承载力。针对不同置换率情况进行单桩、桩间土静载试验，以验证 复合地基承载力。 复合地基桩土应力比。在桩间土和桩顶分别设置土压力计，测定桩间土和桩 顶的应力，探讨桩土应力比随荷载及时间的变化规律。试验采用钢铉式压力盒。 复合地基沉降。桩顶和桩间土体的沉降采用沉降杯观测，路堤顶面沉降采用 d s z 2 精密自动安平水准仪对沉降板上的位移标杆进行观测，得出沉降一荷载一 时间关系曲线。 2 2 载荷试验成果分析 2 2 1 载荷试验内容及方法 在该复合地基中，采用变置换率的方式调整桥面和路面的沉降差。复合地基 的置换率不同，其承载性能也不一样。因此，针对不同置换率情况进行了单桩以 及桩间土静载荷试验。 本次试验共进行了三桩两土共五组静载荷试验。其中在试验区i 区( m - 0 1 3 ) 进行了两桩一土共三组，编号分别为单桩n 0 1 、单桩n 0 2 、桩间土n o 1 ；i i 区 ( = 0 1 0 ) 进行了一桩一土共两组，编号为单桩n 0 3 、桩间土n 0 2 。试验点任意 选取，粉喷桩龄期均超过2 8 天。 复合地基载荷试验采用平板载荷试验方法，试验加荷方式为分级维持载荷沉 降相对稳定法( 常规慢速法) ，加载系统采用1 0 0 t 和5 0 t 千斤顶；观测系统采用 人工观测；量测系统采用两块5 0 册大量程百分表，对称布置在刚性压板上；稳 压系统采用人工稳压。试验标准采用公路软土地基路堤设计与施工技术规范 中有关静载荷试验的规定。试验要点为： ( 1 ) 单桩复合地基载荷试验和桩间土载荷试验采用的压板形状分别为直径 为5 0 c m 和6 0 c m 的圆形铁板。 ( 2 ) 压板高程应与基础底面设计高程相同，压板下宜设中、粗砂找平层。 ( 3 ) 加荷等级分为8 1 2 级，总加载量不宜少于设计要求值的两倍。 ( 4 ) 当荷载量尚未超过设计要求值时，1 小时内垂直变形增量小于0 1 m m 才可加下一级荷载；当加载量大于设计要求值后，1 小时内垂直变形小于0 2 m m 即可加下一级荷载。 ( 5 ) 当出现下列现象之一时，可终止试验： 垂直变形s 急剧增大，土被挤出或压板周围出现明显的裂缝： 总加载量已为设计要求值的两倍以上； 累计的垂直变形量已大于压板宽度的1 0 。 当为第一种情况时，其对应的前一级荷载为极限荷载。 ( 6 ) 卸载观测：每级卸载为加载的两倍，每级卸载后，隔1 5 m i n 测读一次； 读两次后，隔半小时再读一次，即可卸下一级荷载。全部卸载后，当测读到3 0 m i n 回弹量小于0 1 衄，即认为稳定。 2 2 2 载荷试验曲线及分析 ( 1 ) 单桩静载荷试验分析 完成单桩静载荷试验3 组，图2 2 为载荷试验p s 曲线。试验最大加载 1 4 0 0 k p a ，最大沉降量分别为8 1 6 5 唧( n o 1 ) ，5 0 8 1 姗( n o 2 ) ，7 2 3 2 唧( n o 3 ) 。 加载至极限状态的1 组( n o 3 ) ，破坏荷载为1 4 0 0 k p a ，其余两组未加载至极限 状态，但其p s 曲线有较明显的拐点，均为1 0 0 0 k p a 左右。按相对变形s d = 0 0 0 6 取值n o 1 为7 5 0 k p a ，n o 2 为9 0 0 k p a ，n o 3 为9 5 0 k p a ，其中n o 3 加载至极限 状态，按规范要求，单桩承载力特征值确定为6 0 0 k p a ，其余两根单桩承载力特 征值分别为7 5 0 k p a ( n 0 1 ) 、9 0 0 k p a ( n 0 2 ) ，极差小余3 0 。从桩体静载荷试 验结果可知，桩体承受荷载的能力较高且差异不大，达到极限荷载时的沉降量也 无显著差异，这说明粉喷桩搅拌均匀、质量可靠。表2 3 为各级压力下单桩沉 降量及s d 汇总表。 各级压力下单桩沉降量及s d 汇总表 表2 3 单桩n o 1单桩n o 2单桩n o 3 压力沉降量s d压力沉降量s d压力 沉降量 s d d = 5 0 0d = 5 0 0d = 5 0 0 p ( k p a ) s ( m ) p ( k p a )s ( m )p ( k p a )s ( m m ) ( 咖)( )( m ) 2 0 01 1 3 90 0 0 2 3z 0 01 0 7 60 0 0 2 22 0 01 3 2 60 0 0 2 7 4 0 01 6 7 4o 0 0 3 34 0 01 6 4 2 50 0 0 3 34 0 01 8 2 30 0 0 3 7 6 0 02 3 8 10 0 0 4 86 0 02 2 8 4 50 0 0 4 66 0 02 3 6 90 0 0 4 8 8 0 03 1 8 5o 0 0 6 48 0 02 7 8 4o 0 0 5 68 0 02 9 8 60 0 0 5 9 1 0 0 0 4 2 4 0o 0 0 8 5 1 0 0 03 3 4 8 0 0 0 6 7 1 0 0 03 9 4 20 0 0 7 9 1 2 0 05 9 7 5o 0 1 2 01 2 0 04 4 5 40 0 0 8 91 2 0 05 0 7 00 0 1 0 1 1 4 0 0 8 1 6 5o 0 1 6 3 1 4 0 05 0 8 l0 0 1 0 21 4 0 07 2 3 2o 0 1 4 5 1 4 0 一t 一2 3 兽一t 螯一s 一6 7 8 9 压力p ( k p a ) 1 2 0 0 1 6 0 0 图2 2 单桩静载荷试验p - s 曲线 ( 2 ) 桩间土静载荷试验分析 完成桩间土静载荷试验2 组，图2 3 为桩间土静载荷试验p _ s 曲线。最大 加载3 0 0 k p a ，最大沉降量分别为1 6 8 9 4 咖( n o 1 ) ，3 3 0 2 4 咖( n o 2 ) 。其中n 0 2 加载至极限状态，破坏荷载3 0 0 k p a ，按规范要求桩间土承载力特征值为1 2 5 k p a 。 桩间土按相对变形s d = o 0 1 取值n 0 1 为1 5 0 k p a ，表2 4 为各级压力下桩间 土沉降量及s d 汇总表。 压力( k p a ) 05 0】0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 曼 世 蛙 图2 3 桩间土静载荷试验p - s 曲线 。 咕 m m 哪 嗡 枷 啦 由于没有进行天然地基静载荷试验，因此无法从p s 曲线上直观地看出桩间 土相应于天然地基承载力的提高。地质勘探得出该地段天然地基承载力为 1 2 0 k p a ，桩间土静载荷试验结果( n 0 1 为1 5 0 k p a 、n 0 2 为1 2 5 k p a ) 与其比较， 承载力分别提高了2 5 和4 2 ，桩间土的力学性质得到普遍提高。 各级压力下桩问土沉降量及s d 汇总表 表2 4 桩间土n 0 1桩间土n o 2 压力沉降量s d 压力 沉降量s d p ( k p a ) s ( )d = 6 0 0 p ( k p a )s ( ) d ：6 0 0 m 5 01 3 8 00 0 0 2 35 01 9 1 4o 0 0 3 1 9 1 0 03 9 1 6o 0 0 6 5 2 71 0 04 1 7 90 0 0 6 9 6 5 1 5 06 3 8 3 50 0 1 0 6 3 91 5 09 0 5 10 0 1 5 0 8 5 2 0 09 9 4 90 0 1 6 5 8 22 0 01 4 9 4 60 0 2 4 9 1 2 5 01 3 0 1 1o 0 2 1 6 8 52 5 02 7 5 5 20 0 4 5 9 2 3 0 01 6 8 9 40 0 2 8 1 5 73 0 03 3 0 2 3 50 0 5 5 0 3 9 图2 4 为桩间土载荷试验s l o g t 曲线。桩间土n o 1 试验点置换率m - o 1 3 ， 桩间土n o 2 试验点置换率m - o 1 0 。从载荷试验结果可以看出，桩间土n 0 1 的 承载力比桩间土n o 2 的提高了2 0 。这说明在一定范围内，桩间土的承载力随 着置换率的增大而增大。 l o g ( t ) 1 01 0 01 0 0 0 ( a ) 桩间土n 0 1 ( i i f 0 1 3 ) 0 5 一1 0 旦一1 5 篷一2 0 蛙 一2 5 3 0 3 5 4 0 l o g ( t ) 11 01 0 01 0 0 0 ( b ) 桩问土n 0 2 0 i f 0 1 0 ) 图2 4 载荷试验s i o g t 曲线 2 3 原位测试成果分析 2 0 0 5 年2 月完成复合地基成桩工作，2 0 0 5 年4 月2 日开始铺设3 0 厚的碎 石垫层及土工布，2 0 0 5 年4 月l o 目开始第一层填土，至2 0 0 5 年9 月2 0 日填至 设计高程，填土厚度3 2 m 。由于7 、8 月份为当地雨季，填土历时较长，共1 6 4 1 6 o吨q书畸m m 州m m 一旦世蜉 天，平均填土速率1 9 5 c m d 。 土压力盒及沉降杯在2 0 0 5 年5 月2 3 日埋设，埋设时路堤已填土1 1 7 m ，采 用挖掘机开挖沟槽深至粉喷桩顶面，仪器埋设完毕后再分层压实将沟槽填平。沉 降板在路堤填至距设计标高一米左右时埋设以观测路堤本身的沉降。仪器埋设位 置见图2 5 。路堤填筑施工期间每填一层进行一次观测，填筑间歇期间每周观 测1 2 次，填筑完毕进入工后沉降期后基本上每周观测一次，并视观测数据的 稳定情况，逐渐拉长观测的间隔时间。观测结果整理以2 0 0 5 年5 月2 3 日为时间 起点，观测期填土过程见图2 6 。 土工布， 芗，s l - 5s 2 4 t 3y 4 s 2 3 t l 弛s 1 一 i 牙 y ：压力盒s 1 ：柱顶沉降水杯霓：柱问沉降水杯b ：沉降振 图2 5 观测仪器埋设断面图 3 5 3 2 5 3 2 摧l5 喜 t 0 5 0 02 04 06 08 01 0 0 1 2 0 时间( d ) 图2 6 试验段路堤填土过程 2 3 1 沉降测试成果分析 沉降测试采用长安大学自行制作的静力水准法设备和元件，该测法的特点是 测线能适应土体的沉降变形，且分辩值可达l 唧，满足对土体沉降测试量级的要 1 7 求，缺点是测试方法受人为操作水平的影响较大。共在五个桩顶上埋设了沉降杯， 沿路基横断面分别位于路基中心线处、第二车道中心线和路肩下，沉降杯沿路基 对称全副布置，埋设位置见图2 5 。为了与桩顶沉降进行对比，在桩顶沉降杯 附近的桩间土上各埋设一个沉降杯，沉降观测从2 0 0 5 年6 月6 日开始。由于工 后沉降观测时间较短，沉降板所测数据较少，还不能显现工后沉降的规律，因此 在本文中，沉降板所测数据不予列出。 ( 1 ) 沉降发展过程 图2 7 、图2 8 分别绘出桩顶沉降曲线和桩间土沉降曲线，从图上可以看 出，桩顶和桩间土沉降均较小，桩顶的最大沉降量为1 7 3 c m ，桩间土表面最大 沉降量为6 4 6 c m 。相同观测部位的桩间土表面沉降比桩顶沉降大，说明桩顶某 一深度范围内存在负摩擦区。桩间土对桩体侧面产生的负摩擦力将使桩体承担的 荷载增加，桩间土承担的荷载相应减少，对减少加固区的压缩量起到有利的作用。 时间( d ) 02 04 06 08 01 0 01 2 0 f 聿镂 、l 一 飞攀摹季琴 熟一 - 一s l 一1 - - 一s l 一2 - r s l 一3 - 一s 1 4 - * 一s 1 5 图2 7 桩顶沉降曲线 时间( d ) 02 04 06 08 01 0 01 2 0 1 墨? q r _ = = | 凶卷基蓉 二一一一i j ；i 图2 8 桩问土沉降曲线 o 0 m ：2 加 巧 一目占世蛙 0 ：2 帖 印 ：2 帅 田) 进蛙 图中表明，桩顶与桩间上的沉降曲线与填土荷载曲线有较好的吻合关系， 沉降增长趋势与荷载施加规律一致；加载期间沉降增长较快，有较明显的突变台 阶，说明土体瞬时沉降较大；在第一个施工间歇期，沉降变形出现平稳趋势。再 次填土，沉降又迅速增大；旌工结束后，沉降很快稳定，进入预压期1 个月后， 复合地基地表总沉降速率已经降低为0 1 衄d 。这是因为粉喷桩穿透了整个软弱 土层，地基的沉降在旅工期已经