（机械设计及理论专业论文）干拌水泥碎石桩cgmt施工技术与设备研究.pdf

摘要 干拌水泥碎石桩作为一种新型的软土路基加固技术，主要应用于高速公路翻 浆，路基沉降，桥头跳车等病害处理，已在多条高速公路中应用，并取得了较好 的加固效果。目前，c g m t 桩的研究还不完善。 本文首先简单介绍了国内外各种软土路基处理技术，分析了c g m t 桩的加 固机理，采用数值分析软件f l a c 进行对c g m t 桩复合地基承载力性状分析，同时 列举了多种c g m t 桩的承载力计算以及复合地基的计算方法，并给出经验公式。 其次对c g m t 桩的施工技术进行了研究。结合高速公路加固工程，介绍了其 设计过程，施工工艺，施工过程中的质量控制，最后提出了瑞理波法检测施工效 果，并对施工效果进行检测，施工效果良好。 再次对c g m t 桩施工设备进行了研究。根据施工设计要求，对施工设备进行 选型，分析打桩机与碎石桩之间的相互作用，提出了影响成桩效果的因素，并且 给出了c g m t 桩的成桩过程中的施工参数，以及对施工设备进行了合理匹配。 最后对路基病害的加固的几种方法进行比较，进行施工工艺对比，成本比较， 分析c g m t 桩的经济性。 关键词：干拌水泥碎石桩加固机理数值分析承载特性施工技术 施工设备经济性 a b s t r a c t t h er e i n f o r c e m e mt e c h n o l o g yo fc e m e mg r a v e lm i x i n gt r e n c h l e s sp i l ei so n en e w p i l eb a s e do ng r a v e lp i l e i tm a i n l yh a sb e e nu s e di nh i g h w a yb r i d g e ，e m b a n k m e n t s e t t l e m e n t , p u m p i n gv e h i c l ej u m p i nd i s e a s et r e a t m e n t i th a sa p p l i c a t i o no fh i g h w a y s , a n dh a sa c h i e v e dg o o dr e i n f o r c e m e me f f e c t a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fc g m t p i l e i sn o tp e r f e c t t h i sp a p e rf as tb r i e f l yi n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nv a r i o u sk i n d so fs o f t s o i ls u b g r a d et r e a t m e n tt e c h n o l o g y , a n a l y z e st h er e i n f o r c e m e mm e c h a n i s mc g m t p i l e ，t h en u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r ef l a co nc g m tp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n b e a r i n gc a p a c i t yt r a i ta n a l y s e s ，a n dc o l u m no ft h ec g m t e n u m e r a t e st h ep i l eb e a r i n g c a p a c i t yc a l c u l a t i o na n dt h ec a i c u l m i o nm e t h o do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，a n dg i v e s e x p e r i e n c ef o r m u l a s e c o n d l yc g m tp i l eo nt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi ss t u d i e d c o m b i n e d 、) i ，i t i l h i g h w a yr e i n f o r c e m e n te n g i n e e r i n g ，a n di n t r o d u c e st h ed e s i g np r o c e s s ，c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y , c o n s t r u c t i o np r o c e s sq u a l i t yc o n t r o l ，a n df i n a l l yp u t sf o r w a r ds o m e r i c h a r dw a v em e t h o dt od e t e c tr i c kc o n s t r u c t i o ne f f e c to fc o n s t r u c t i o ne f f e c t ，a n d t e s t i n g ，c o n s t r u c t i o ne f f e c ti sg o o d c g m t p i l ec o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tf o ra g a i nw e r es t u d i e d a c c o r d i n gt o t h e c o n s t r u c t i o nd e s i g nr e q u i r e m e n t si nc o n s t r u c t i o n ，e q u i p m e n ts e l e c t i o n ，a n a l y s i s 谢t h h a m m e r so fi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eg r a v e lp i l e ，p r o p o s e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fp i l e e f f e c t , a n dg i v e sc g m tp i l e - m a k i n gp r o c e s so fc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r so f c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，a n dt h er a t i o n a lm a t c h i n g f i n a l l ys e v e r a lo ft h ed i s e a s ea u t o m o b ir e i n f o r c e m e n tm e t h o da r ec o m p a r e d ， c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , c o s tc o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ee c o n o m yc g m t p i l e k e y w o r d s ：c e m e n tg r a v e lm i x i n gt r e n c h l e s sp i l e r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m n u m e r i c a l a n a l y s i sl o a d - b e a r i n g c h a r a c t e r i s t i c sc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t e c o n o m y 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 1 9 8 8 年，中国第一条高速公路建成通车以后，中国高速公路进入了快速发展的黄金 期。截至2 0 1 0 年底，据统计，中国高速公路通车里程已经超过7 万公里。伴随着高等 级公路的大规模建设，施工过程中面对的难题逐渐增多，其中以软土问题最多。因为软 弱地基压缩性高，排水性能差，固结困难，沉降量大等问题，会造成公路品质的降低直 至出现破坏。由于软土路基的沉降等问题，使路面开裂，引起路面结构的破坏，使高速 公路养护费用大大增加。随着高速公路的大规模建设，施工过程中的软土地基问题成为 提高工程质量，减少施工成本的重要因素。因此，如何处理软土路基的问题越来越关系 到公路建设和养护发展。 河南省高速公路路基填土多为黄土、黄淮海河冲洪积形成的粘土、粉质粘土和粉土， 粉砂土及砂土等，又因路基填土较高，导致病害，使路面形成早期损坏n 1 ，其形成原因 有： 1 ) 原地基承载力差、土质天然密实度低，具有较大变形和可压缩性。 豫北、豫东、豫东南地区，原地面清除表层可耕植土o 5 聊后，其承载力一般为 5 0 一l o o k p a ，部分在1 0 0 1 5 0 k p a 之间，冲积层土的天然密度一般为1 4 5 - 1 5 9 c m 3 。 当路堤平均填土高为4 0 聊，填土干密度为1 7 5 9 c m 3 ，地表层单位应力为7 0 k p a ，如果 考虑基层和面层，其干密度值要更大。按地基承载值为l o o k p a 、密度为1 7 5 9 c m 3 ，经 换算允许填土高度为5 7 m 。但是由于其他因素的影响，实际上，每条高速公路度约有 2 0 路段填土高度都会大于允许设计值。 在路基施工前，都应对施工区的地基承载理进行详细的探测和计算，但是，很多时 候根本没有做到位。同时没有对应该处理的软弱路基段进行合理的整治，仅仅处理了一 些常见的软弱路基，并在处理后没有给于充分的时间让填土进行自然沉降，导致工程结 束后，路面早早的产生病害。 2 ) 填土压实不均匀，导致不均路基沉降。 第一章绪论 河南地区土质复杂，难以确定压实系数。对于不同施工路段，用同一种压实机械组 合和压实参数以及在实验路段上确定的同一个最大干密度，压实度随机抽取实验结果不 稳定，这给施工质量的控制以及施工质量的监测带来较大的困难，同时也会延长路基的 施工周期。即使对检测出的不合格作业点进行处理，但是最终还是会造成地基的不均匀 沉降，从而导致路面的破坏。 3 ) 路基防护不到位，导致路基和路面的破坏。 填土路基的形成过程中，容易受到雨水的破坏。就填土高度超过3 5 m 以上的路基而 言，填土后的路基必须经过一夏天的雨水冲刷，自然沉降。现有的高填土路基的施工方 法通常采用先超宽填筑，再刷坡，最后才进行防护。由于施工和防护时间上的错位， 填土路基暴露，造成暴雨冲刷。当降雨过大时，能够造成路基的严重损坏。对冲刷严重 的高填土路基，如果处理不及时、不充分，给路面的施工以及开放交通之后带来严重的 问题，容易过早的产生路面病害。 4 ) 排水设施和排水系统不健全，造成道路基层排水不及时，进而产生前期破坏。 水一直是路面和路基破坏的重要因素。河南省除西南部之外，大部分属于黄淮海平 原气候，此其后具有春季，秋季，冬季干旱少雨，夏季多雨且强度大，非常不利于路基 的填土施工。在施工期间，由于干旱少雨，填土路基含水量少，很难达到设计得最佳含 水量，不能够保证其压实度，同时土粒间的孔隙大。当夏季暴于来临时，由于排水设施 不全面，导致雨水大量进入孔隙中，进而破坏路基结构，导致路面出现早期破坏现象。 5 ) 重视程度不足 由于高填土路基施工不仅占地多、取土量大和施工量大，而且在征地和拆迁以及用 土征地等先期工作难度较大，本来应该先开工和完成的路段，往往因为对协调工作的重 视程度不够，以及施工工序和工作周期安排不恰当导致高填土路段变成了后开工和后完 成。并且在为了赶上施工的总体进度，加快施工速度，导致施工过程中质量控制没有进 行严格把关，自然沉降时间不够，道路路面修筑完成后，甚至通车后还发生明显的沉降， 路面破坏早早发生。 在对路面路基病害的深入研究的基础上，经过反复理论研究和现场试验，得到了一 种新型的路基处理技术g m t 桩。该路基加固技术不仅通过置换挤密作用，增强原 有路基土的强度，还通过水泥吸收地基中含有的大量水分，同时将桩体本身作为排水的 2 长安大学硕士学位论文 渠道，增加了地基和路基的整体成承载能力。但是对该技术的研究还不深入，影响了该 技术的推广和应用。 1 2 碎石桩路基加固技术研究现状 1 9 3 5 年，碎石桩技术面世，最开始在软性砂土地基上进行加固，后来也应用到加固 粘性土路基工程中。根据h u g h e s 和w i t h e r s 的资料可知【2 1 ，碎石状加固技术曾经在法国 建设坐落在砂土软弱地基上的兵工厂中使用过，当时桩径的设计值为0 2 m ，桩长2 m ， 单桩可承担的载荷为1 0 k n 。加固后减少沉降量达到了原来的7 5 t 3 。振动水冲法( 又称 振冲法) 最早由德国学者s s t e u e r m a n l 9 3 6 年提出提出，开始时，主要被用来加固砂土地 基【4 】。2 0 世纪4 0 年代末5 0 年代初，加固粘性土地基开始使用振冲法加固，并称为碎石 桩【5 1 。为此，碎石桩一般情况下被理解为在砂性土中通过用碎石加固路基。 2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代初，西欧各国先后在粘性土上运用振冲法对地基进行加 固处理【6 】。 孳。 日本为海岛国，地基大部分为松砂地基，且地震频繁，于1 9 5 7 年首次引进振冲法 加固地基。 1 9 7 7 年，我国首次使用振冲法加固地基。3 0 多年来，我国在坝基、道路、桥 梁、工业与民用建筑地基处理中，振冲法均已得到了广泛的应用。但因振冲碎石 桩有泥水污染环境，在城市和已有建筑物地段的应用受到限制，且有软化土的作 用。大量的研究表明采用干振法加固技术能够很好的解决了振冲加固过程中产生的一系 列问题，并且在各地都取得了良好的效果。 各种施工工艺随着时间和加固地基结构的不同不断的创新，产生了沉管法、袋装碎 石桩法、振动气冲法、强夯置换法等多种新技术，新工艺。 对碎石桩研究随着大量加固地基工程中的应用越来越多，加固强度和沉降量计算研 究取得了卓越的发展。大量的国内外学者都对碎石桩承载力计算方法和计算公式进行了 深入的研究。都提出碎石桩单桩的承载力计算方法1 7 1 【8 1 。1 9 8 0 年，盛崇文将b r a u n s 理论 运用到复合地基，推导出了振冲加固碎石桩的复合地基承载力计算公式1 9 1 ，1 9 8 3 年，建 议并使用了大量桩和土的载荷试验资料并根据置换率按经验公式估算桩土应力比从而 推算出复合地基的变形模量，并以此为基础给出复合地基承载力和沉降量计算公式。林 第一章绪论 孔锚在计算复合地基的极限承载力时采用圆弧滑动法【l o l ，工程实践中复合地基沉降量的 计算一般采用复合模量法、应力修正法或沉降折减系数法来计算。上述都是到目前为止 碎石桩复合地基研究成果，但对复合地基实际工作过程中桩土之间的应力应变变化规律 还需要进一步的研究【1 1 1 。 1 3 本文主要研究内容 c g m t 桩路基处理技术已在多条高速公路公路上进行过施工，但该技术的设计方法 还不够完善，其准确性，科学性和合理性还没办法得到确切保证。本文对c g m t 桩在 处理高等级公路基病害，路面裂缝和不均匀沉降等问题应用上进行研究，对c g m t 桩 的作用机理和承载特性，c g m t 桩的实际应用，c g m t 桩施工设备以及经济性进行研究， 目的是为其施工和推广提供一定的依据。具体内容如下： ( 1 ) 对c g m t 桩的作用机理及承载特性进行分析，并对c g m t 桩复合地基进行 数值分析，并研究c g m t 桩的承载力计算方法。 ( 2 ) 结合工程实践，对c g m t 桩施工工艺，质量控制，检测方法进行研究。 ( 3 ) 根据施工设计要求，对施工设备进行选型，对施工参数的进行分析，并对设 备的合理匹配进行研究。 ( 4 ) 对比几种不同的路基病害处理方法，分析c g m t 桩的经济性。 4 长安大学硕士学位论文 第二章c g m t 桩加固路基机理和承载特性分析 2 1c g m t 桩路基加固技术机理 碎石桩加固加固路基效果1 2 , 1 3 , 1 4 】主要来源于以下三种作用： ( 1 ) 置换作用 原有的软弱土被拥有较高强度的碎石桩置换，从而增大原地基的强度。在原有的路基 土中形成碎石桩后，就会与原来的路基形成复合地基，并且原有的路基土被一定的具有 较高强度的碎石桩所代替，而且被替换的原软基土的强度和变形量都远远小于碎石桩， 所以能够有效的增强路基土的承载能力和改善其承载特性，从而能够增强软土地基的从 整体性能。在载的作用下，由于桩体的摸量和强度较大，载荷逐渐集中到了桩体上，使 桩体承载了较大的载荷，而原路基土的载荷则相对减少。承载力显著提高。 ( 2 ) 加速排水作用 地基中含水通过c g m t 桩的吸收，可以有效地降低，同时桩体可以作为地基排水 的渠道，缩短排水的距离，从而可以在施工后，地集的承载能力还会增强。特别对于粘 性土路基，路基中的含水量直接影响路基的强度。在c g m t 桩施工结束后，桩体是路 基土中一个良好的排水通道，结构层中的水通过桩体向下，排入原状土中，加速路基的 排水固结。 ( 3 ) 振密挤密作用 施工成桩过程中，桩周土受到振挤而使桩周土强度增大c g m t 桩排水作用和沙井 的相似。在成桩过程中，由于机械的振动和合夯实作用，会有较大的超孔隙水压力产生， 会造成加固路基承载能力的降低。随着时间的推移，路基土中存在的超孔隙水压力减少 消失，能够有效的恢复原来的结构的强度，在载荷的不断作用下，水压力在地基中通过 桩体不断的减少，地基的有效应力和承载强度不断增加，复合地基的强度也不断提高。 2 2 c g m t 桩的承载特性分析 散体材料桩主要依靠预原土路基最桩的约束力来承受路面载荷，桩侧摩擦和桩端力 的作用对桩体承载能力的影响很小。c g m t 桩作为散体桩家族中的一员，夜同样具有这 种特性1 1 5 , 1 6 , 17 】。 第二章c g m t 桩加固路基机理和承载特性分析 对c g m t 桩施工桩进行三轴试验，结果显 示其应力应变曲线呈非线性的状态，侧向压力 的大小对实验的结果可以产生明显的影响，当 0 3 = 0 时，桩体处于松散状态，桩体的抗压强度 为零；当q 0 时，桩体的应力差随着侧向约束 o o a ) 的增大而增大，即土对桩体的侧向约束越大，桩 ol 己345 67 8 - ) 体传递载荷的作用就越好，见图2 1 。图2 1c g m t 桩应力应变关系 采用碎石桩加固处理过后的地基，路面的结构层内部在载荷的作用下产生应力和应 变，并通过桩体传递到桩和桩土形成的复合路基土上。由于桩间土的模量远小于桩体材 料，因此路面结构层传递过过来的载荷将逐渐的进行分配，最终主要集中到碎石桩上， 而桩间土的应力也就相对减小。碎石桩在载荷作用下，桩体顶端受到载荷作用时，发生 恻向膨胀。桩体的侧面受到侧向摩阻力的同时又受到桩周土的侧压力。 1 dl 勺 2 d 帘 3 d斗 4 d 5 d 2 咚 1 d 芦 曲线1 2 d 3 d 4 d 5 d 曲线2 a 实验前后桩体形状变化 b5 r5 r 随深度的变化 p 2 p p 皇p 1 图2 2 桩体应力传递及形状变化 南京水科院孟广讯等人通过对碎石桩模型试验【1 8 1 ，得出不同形式的桩体的轴向应力 以和径向应力正。研究表明桩体顶部所受到的载荷会沿桩的深度快速见效，见图2 2 。 当入土长度达到三倍的直径时，桩体所受到的应力平均值只有桩顶载荷的三分之一左右， 在距离桩顶到三倍桩径的范围内轴向和径向应力都比较大，属于高应力区。通过h u g e r 和w i t h e r 的试验也证吲1 9 】：在两倍桩体直径深度范围内，桩体的侧向位移比较大，当超 过这个距离后，桩体的侧向变形极其微小。这主要因为原路基土对桩体的侧向约束力随 6 长安大学硕士学位论文 桩的长度的增加而增加。只有当桩体在载荷的作用下，产生的鼓胀力等于原地基土对桩 体产生的约束力相等时，桩体才会处于稳定状态，加固路基才会处于正常工作状态。因 此，影响c g m t 桩加固路基的承载能力主要由两部分：第一取决于桩体自身材料的强度； 第二则为桩体在载荷的作用下，桩周土对桩体侧压即桩周土对桩体的侧向约束力。以上 分析的前提是c g m t 桩桩体自身具有较高的密实度，在良好的状态下工作。这同时也说 明路基加固的成功与否很大程度上决定于施工工艺和施工质量。 2 3c g m t 桩复合地基承载力性状的数值分析 2 3 1f l a c 程序简介 这里对本次数值分析时用到的本构关系等进行简单的介绍【2 0 】： ( 1 ) 本构关系 本次分析采用m o h r - c o u l o m b 模型，此模型主要有以下假设条件： 乱模型服从三维静力平衡条件； b 岩土为线模型； c 塑性区的岩体满足摩尔库仑强度准则。 1 ) 增量弹性定律 模型在运用过程中主要使用到了除了主应力g r 。、0 2 和c r 3 ，还有平面外应力o r ：。可 以通过应力的张量和分量求解得出除主应力大小和方向，其中它们排序如下： 盯l 仃2 0 3 ( 2 1 ) 对应的主应变增量垃、血2 和血，分解如下： a e f = a e ；+ a e 7 i = l ，3 ( 2 2 ) 胡克定律的增量可表示如下： a c t l = 口l p i + 口2 0 心；+ p ；) ( 2 3 ) a a 2 = 口l 出；+ 口2 c 生；+ 出3 e ) ( 2 4 ) a c t ，- 6 t 。p ；+ 口：( p ；+ p ：e ) ( 2 5 ) 公式中，q = k + 4 g 3 ；口2 = k - 2 g 3 。 2 ) 屈服函数 在平面o r i ，c r 3 ) 中根据公式得排序堆破坏准则进行描述，如图2 3 。 7 第二章c g m t 桩加固路基机理和承载特性分析 图2 3m o h r - c o u l o m b 强度准则 由强度准则可以看出，a 点到b 点的破坏函数为： fs = o 、一口撑。- 2 c 再 b 点到c 点的拉破坏函数如下： f = o r - 0 3 式中：内摩擦角； c 粘聚力； ( 2 6 ) ( 2 7 ) 仃抗拉强度。 m = 篇 ( 2 - 8 ) 从上述公式中可以看出，对模型起作用的只有最大和最小主应力，而处于中间的主 应力根本不起到作用。对于内摩擦角妒0 的材料，它的抗拉强度不能超过盯二戥，公式 如下： 叱2 南 ( 2 9 ) ( 2 ) 力学参数 通过实验表明，当加载达到屈服上限时，岩体在变形过程中还能够存在一定量的残 余强度。本次分析过程中采用的弹性理想本构模型采用如下屈服准则进行描述： 石卸- 可，面l + s i n 9 也篙 ( 2 1 0 ) 式中：q 最大主应力5 仉最小主应力； c 粘结力； 8 长安大学硕士学位论文 矿一擦角。 当氽0 时，模型会发生剪切破坏。岩体的抗拉强度在通常情况下很小，因此拉破坏 的发生可以根据抗拉强度准则( c r 3 c r r ) 进行判断。 ( 3 ) 接触面结构 在大部分情况下需要考虑接触面之间相对滑动、脱离、接触。会出现三种情况。 1 ) 粘式。物体之间的接触没有相对运动，变形前后没有相对位移。 2 ) 滑移。物体之间沿接触面变形够产生相对运动两物体相接触，但变形后接触点间 沿接触面有相对运动，沿接触面法线方向两接触面坐标相同。 3 ) 开式。物体之间并没有全部接触，但是随着变形，接触和没接触都可能发生改 变。 f l a c 3 d 采用接触面单元来表现这种特性。以上三种状态能够比较好的在f l a c 3 d 中 的接触面单元模拟出来 接触面( i n t e r f a c e ) 的工程性态原理图，见图2 4 。 2 3 2 c g m t 桩模型的建立 3 一摩擦体 写一抗压强度 - 抗拉强度 d = 剪胀体 k 剪切刚度 k = 抗压刚度 图2 4 界面单元工程性态原理图 d 以某高速公路加固路段的路基为数值分析对象。该路基采用高填方，在路面开放之 后不久，由于路基问题，出现翻浆、不均匀沉降的路面破坏，在此路段采用c g m t 桩 加固路基。路基断面图如图2 5 所示。 9 第二章c g m t 桩加固路基机理和承载特性分析 违土蔓i 缶 iil 车 i til 蔓 牛 i失 i l 辛 毫 _ l 打 i 爰土迫 车lii 重 lj 蕞 卜“侧卜叫碑鼎避鲥仙虬卜_ 图2 5 路基断面图 图2 6 单桩计算模型图 1 0 长安大学硕士学位论文 图2 7 群桩计算模型图 由于高速公路沿中心线对称，所以根据对称性，取道路的一般作为分析对象。其中 取c g m t 桩桩长为5 米，半径7 5 m m ，填土高度为4 m ，c g m t 桩穿过原有路基的深度 l 米。c g m t 单桩数值模型见图2 6 ，c g m t 桩地基的数值分析模型见图2 7 。 2 3 3 模型的基本假设 为了更好地发现c g m t 桩承载特性的基本规律，在数值分析过程中，各种路基结 构层的数据指标的随身度的变化忽视不计，路基土的材料均为一致。其中路面面层、沥 青混凝土碎石层、石灰土层和水泥碎石土地基均采用线弹性模型，而c g m t 桩和路基 土层则运用摩尔一库仑模型。在分析过程中桩土之间考虑其相对滑动，而且在碎石桩与 路基土之间以及石灰土和桩体之间都设有接触面。 根据现场试验和室内试验结果，材料力学参数取值见表3 1 。 接触面的法向刚度kn 和切向刚度k s 根据接触面两侧的材料的参数按下面的计算方 法进行计算，计算公式如下t 。 e e 一2 面葛 ( 2 1 3 ) 第二章c g m t 桩加固路基机理和承载特性分析 式中tk 去向刚度； 卜杨氏模量； e 广_ 修正杨氏模量： s _ _ 触面距离。 式中：k 广剪切刚度； g - 剪切模量； g 一修正剪切模量； s - 础触面距离。 t = 而g g , 表2 1 参数取值表 ( 2 1 2 ) 体积摸量k剪切摸量g 内摩檫角 凝聚力c 材料名称泊松比 ( m p a )( m p a )( o )( k p a ) 路堤 0 3 56 1 62 0 58 41 9 路基 o 3 94 7 5 1 1 3 9 41 4 6 c g m t 桩 4 6 02 1 04 0o 石灰土 o 2 93 1 7 51 5 5 o 水泥碎石土 o 2 7 8 6 9 64 7 2 4 沥青碎石 0 2 86 0 6 13 1 2 5 混凝土层面 o 3 09 5 8 34 4 2 3 2 3 4c g m t 单桩数值分析 采用本数值分析的有限差分计算结果与现场单桩实验结果进行桩顶p l s 曲线对比， 检验模型的合理性。图2 8 为现场试验的p s 值和计算值对比图，由图2 8 知， 1 2 长安大学硕士学位论文 荷载值( k p a ) 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 图2 8 桩顶沉降曲线 有限差分计算值与实测规律相似，吻合较好，误差较小，说明本文采用的计算模型是合 理有效的。下面对竖向荷载作用下c g m t 单桩的力学特性进行分析。 ( 1 ) 桩身轴力随荷载变化规律 4 0 0 3 5 0 3 0 0 + 名2 5 0 夸2 0 0 r1 5 0 票l o o 辑5 0 0 o2 桩长m ) 46 图2 9 桩身轴力变化图 数值模拟桩身轴力的变化规律如图2 9 所示，由于侧壁摩擦的作用，在同一级荷载 下，桩身的轴力随着埋深的增大而减小。 ( 2 ) 桩土应力比随荷载变化规律 o 5 l 5 2 5 3 5 4 5 o l 2 3 4 善v 潋蜉 第二章c g m t 桩加固路基机理和承载特性分析 2 5 0 2 0 0 丑1 5 0 r 毯1 0 0 0 5 0 0 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 荷载( k p a ) 图2 1 0 桩土应力比随荷载的变化曲线 数值模拟c g m t 桩土应力比随载荷的变规律如图2 1 0 所示，随着载荷的不断增大， 桩土应力比基本不变，保持在1 7 2 0 之间。 2 3 5 竖向荷载作用下复合地基c g m t 桩力学特性分析 ( 1 ) 桩身轴力随荷载变化规律 图2 1 1 为单桩与群桩轴力对比图，从图中清晰的可以看出单桩的轴力大于群桩的轴 力。这是因为部分载荷被桩间土分担。摩擦阻力在c g m t 桩中也存在，故c g m t 桩桩 身轴力也表现出了摩擦桩相似的群桩效果。 4 0 0 3 5 0 3 0 0 帕 兽2 5 0 - r2 0 0 毯 暴1 5 0 亦 掣1 0 0 5 0 0 荷载1 0 0 k p a 荷载2 0 0 k p a 荷载3 0 0 k p a 荷载4 0 0 k p a 荷载1 0 0 k p a - 群桩 荷载2 0 0 k p a - 群桩 荷载2 8 0 k p a - 群桩 荷载3 8 0 k p a - 群桩 o246 桩长( m ) 图2 1 1 单桩和群桩的轴力图 ( 2 ) 桩土应力比随荷载变化规律 根据模拟结果可知，桩土应力比随载荷的变化不明显，保持较为稳定未定的数值， 1 4 长安大学硕士学位论文 其中由于群桩中原路基土分担得载荷量更小，所以群桩的应力比一般会小于单桩。如图 2 1 2 所示。 2 5 0 2 薹1 5 0 趟 1 o 5 0 o z 2 0 04 0 0 荷1 ( k p a ) 6 0 08 0 0 图2 1 2 单桩和群桩的土应力比 ( 3 ) c g m t 桩复合地基内力分布图 图2 1 3 为c g m t 桩复合地基g m t 桩的垂直应力云图，由图可以看出在桩顶处存 在应力集中现象，路面面层应力集中影响范围只在石灰土层。水泥稳定碎石层和沥青混 凝土层范围内没有应力集中的现象。 f 王0 4 ( ：3 ) 口3 o o 的坼皿o 恤ip ee 碑咖e i tc ：习习疆- a 陀 ：5 翔5 e 也d ：t 品鲴e + d 叩 i t1 1 3 1 t + 0 d 1 r o l a l l o b ： ：葛口口田 y ：口皿口 z ： t d 皿口 舶：1 ，6 1 9 ：2 2 s u n 目o 啕h ： ：口皿也w 卫d ：5 皿也也m ：a d 田口田 p 茸- en o m a i ： x ：口口田e + 口田 y ：1 d 口口e + d 田 z ：口皿m + 田口 o l l k 3 1 1 ro r sz z o b i e ：0 - b e - i d j 习臼b - n 皿也佃口 ；刖t - t c a b 目i 加e + d d 5 白_ 2 5 田e + 口0 5 篇田e + 0 喳白- 皿皿e + 0 啷 皿田e + 0 嘴b 司j 5 田e + 口 j 5 叩e + 口d 5b 刁加田e + 口0 5 印田e + a 噶b 旬占田e + n 2 5 田e + d n 5 白刁皿田t 4 0 0 5 皿田e + d 5 白之j 5 田e + 0 d 5 j 5 田e 4 - f l 岱白圣团田e + 0 击 a 】田e + 口d 5 白之0 5 叩e + 0 d 5 石田e + 口d 5 缶 】田e + 凸d 5 加田e + d d 5 白- 1j 5 田e + 口d 5 j 5 田e + d 喳白1 厨羁e + 口晒 i f c a c o b $ i 坩ggd i p h 0 l e a o o t nu s r 】l l 一l 型1 ；姑 艘 一一 曩 i 心i 、 电一 、 _ 一 q h _” 。-。 _， ， i j f l 图2 1 3 复合地基c g m t 桩垂直应力云图 ( 4 ) c g m t 桩复合地基变形特性 图2 1 4c g m t 桩复合地基垂直变形等值云图，从图中可以看出，路面层最大沉降 1 5 第二章c g m t 桩加固路基机理和承载特性分析 量在3 m m 左右。从路面层石灰土层的变形来看，c g m t 桩顶和石灰土层接触处变形为 l m m ，所以不会发生桩的刺入破坏现象。 f l a c 3 d3 o o t d5 邻2 o d e ip e 驯跫c 伽c ：tr ： r 佃t b i i ： ：- i ，6 ，田z：z 口口口口 y ：t5 口d ! - 0 a 1y ：口n n z ：7 z 口宕z + 田口z ：口d d a ) l t ： 1 】1 e + 口廿 u a 口： 9 5 - a ：2 2 卯口 eo r 扫i i ： ：d 口口d ! 口d a y ：5 口口也- a 口1 z ：口田口c + 口 p b eh o 而a i x ：口口口口| a 口d y ：1 d d 也+ 口口a z ：口口凸口c 口 ：o “t d u ro fz d i 乃h c e l n e n t ，b i t ：o lb e - d n 蕾c - 口d 田口田 i 篇篡嚣冀裟箍 i 卅2 n d 乜_ 口r n - 1 0 0 0 也一o m l 卅口n d 也- o 3 3 _ e n n 0 也_ 凸口 l d 口口也口口协_ 5 n n l 童_ 口 1 6 口口d 匝口0 1 - 0 1 3 n 也a 口 r j d o n p - 口口- 7 孔龟- 口口 i i l z i l l a i - z 口i 0 口 l a s t 0 9 5 ，桩间土的平均压实系数为0 9 0 - 0 9 3 。 图3 1 0 回填夯实 ( 5 ) 封孔 采用c 3 0 膨胀混凝土振捣密实并收光表面，可在混凝土中加入适量的早强剂和速凝 剂。如果属于全幅封闭施工，封闭时间较长，可以在面层时，使用乳化沥青进行 封孔，见图3 1 l 。 黪囊，懑想黪瑟黧驴十i 。玛鼍蝻o 一“矾鼬嗣 ? 寰凑霸鹾黟麴 一唧嘲嘲薯罩_ ，= 鼍! ! 翌 ，、)一! 二嘏k 一嚣：匹 j l j ， 、 图3 1 1 封孔 3 3 2 施工过程中质量控制 c g m t 桩路基加固技术在路基加固的效果，理论分析已经达到了路基加固的效果， 其作用的效果则受施工过程中的质量控制很大的影响。针对施工过程中的质量控制，应 注意以下几点： 3 2 警是 长安大学硕士学位论文 1 ) 成孔时，垂直度应控制在1 5 以内，在钻孔过程中，要始终保证其垂直度。 2 ) 回填和夯实时，可采用隔桩跳打，可减少对已打好的桩影响。同时，减少打桩 时对其它孔位的影响。 3 ) 夯实使用1 2 0 k g 的夯锤，落距大于l m ，夯实7 击，夯实控制以前后每次沉降 量不超过5 m m 为最佳夯击次数。夯实时，可设计一承载桩，作为落锤与碎石料之间的 传载体，减少落锤在下落过程中，能的损耗，并可清晰观察沉降量。 4 ) 由于加固区的含水量较大，可在成孔时加入少量水泥，防止其产生缩孔现象。 在成孔时，可适当放大成孔直径。 施工后注意对桩的养护，当桩达到设计强度的9 0 才能放行，可在混凝土中加入适 量的添加剂，减少养生时间，增加转场的速度。除了以上几点外，还要主要天气的影响， 做好防雨措施【3 t i t 3 引。 3 4 施工效果检测与评价 c g m t 桩复合地基的加固效果主要取决于桩的承载力，而承载力又取决于桩成型 后的密实度。采用瑞利波法对c g m t 桩的密实度进行检测。 3 4 1 瑞利波检测方法原理 瑞利波检测方法是一种弹性面波，是无损探测【3 2 】【3 3 1 1 3 4 1 ，见图3 1 2 。 图3 1 2 瑞利波测试原理 3 4 2 瑞利波检测评定桩体承载力和变形模量 经过大量研究表明，瑞利波波速与地基承载力之间如下公式，即： 3 3 第三章c g m t 桩施工技术研究 f a k = a 咭 ( 3 2 ) 式中口与b 为常数，其取值与和测定的地区和位置有关系，如深圳地区的关系式就可表 示为： 厶k = 2 7 7 7 v 巾7 9 6( 3 3 ) 式中：厶七加固路基承载力值，k p a ； 瑞利波波速，m l s 。 强夯后的地基的承载力特征值与v r 的关系一般可以表示为： 厶 c = 2 9 0x1 0 _ 2 嵋石3 6 ( 3 4 ) 通过大量的实验结果，给出了经验公式( 3 5 ) 和( 3 6 ) 。 昂l c = 0 0 0 2 1 曙j 9 7 7 ( 3 5 ) e o = 0 0 0 0 1 2 皤1 8 1 1( 3 6 ) 式中：厶_ i c 碎石桩桩体承载力特征值，k p a ； 瑞利波波速，m s ； 晶碎石桩桩体变形模量值，m p a 。 c g m t 桩桩体承载力和变形模量随瑞利波速度珞的变化曲线，见图3 1 3 与图3 1 4 。 i 户厂 一i i 。 3 0 03 5 04 0 0 图3 1 3 碎石桩桩体承载力与瑞利波速度吆的关系 长安大学硕士学位论文 。 r 0 ， 1 5 04 5 0 图3 1 4 碎石桩桩体变形模量与瑞利波速度的关系 经研究表明，c g m t 桩桩体达到密实度标准要求的瑞利波平均速度： 2 0 0 m s ( 3 7 ) 3 4 3 检测结果及分析 桩体的密实度与瑞利波v r 的关系见表3 5 。 表3 5 碎石桩体的密实度与瑞利波v r 的关系 密实度松散稍密中密密实很密 v r ( m s ) 3 0 0 抽取3 根桩进行测试结果如表3 6 ，图3 1 5 所示。 表3 6 瑞利波速度 桩号 桩径( m )最小速度( m s )最大速度( m s )平均速度( m s ) 1o 1 51 7 52 8 02 5 5 20 1 51 9 03 0 02 7 0 3o 1 51 7 02 7 3 2 4 2 结果显示，c g m t 成桩后，其密实度达到标准。 许骡高速在施工通车后，加固区无翻浆，路基下沉现象产生，c g m t 路基加固效果 明显。 第三章c g m t 桩施工技术研究 呐d 畸帅a ff i elj q 0 7 s 啪c j q o m 蚶n o 1 6 t o t a l 9 2 d o t s i n h6 9 鲁nv 盯n 2 7 3 r w s f r e q u e n c yb a n d 1 5 , 6 2 6 0 0 6i - m ：1 4 1 g o $v i9 7 5 ： l ii bm o m ，kt ll i 一 一 i l i ! l i i ii i 工 名 融j 2 2 蔓工嘲 - - 一1 _ - 一一 l i i - i 1 i： i i i ： i 一 一一j ：一一一 i j ： l i i i -l i i i i i 。一t i i l 同t n b s& b l 0 i i i 3 5 本章小结 图3 1 5 桩频散曲线 本章c g m t 桩以实际应用入手，根据我们c g m t 加固技术在高速路基养护病害处 理中的应用，详细介绍了其设计内容、施工工艺、以及施工效果评价。 长安大学硕士学位论文 第四章c g m t 桩施工设备研究 c g m t 桩施工设备主要主要有：取芯设备，钻孔设备，成桩设备以及水泥搅拌和运 输设备。施工设备的合理选择直接影响其施工质量以及经济效益。 4 1 施工设备的选择 4 1 1 取芯设备的选择 我们根据设计施工要求选取h z 1 5 型混凝土钻孑l 取芯机，见图4 1 ，主要参数见表 4 】。 图4 1i t z - 1 5 型混凝土钻孔取芯机 表4 1 主要参数 型号h z 1 5 功率单相串激电动机功率：2 2 k w 2 5 k w 最大钻孔取芯直径( r a m ) 1 5 0 最大钻孔取芯深度( m m ) 4 0 0 7 0 0 主轴转速( r m i n ) 5 0 0 1 0 0 0 外形尺寸长宽高 4 7 0 2 3 5 0 8 8 0 m m 钻头形式 人造金刚石薄壁钻 进给方式手动 重量2 5 k 混凝土钻孔取芯机的注意事项 3 7 ， ii -i 第四章c g m t 桩施工设备研究 1 ) 当混凝土钻孔取芯机在钻孔时，应保证进给速度均匀，大约为3 ，- - 5 c m m in 左右， 如发现钻头受卡，可适当降低进给速度，必要时可将钻头提升一段，然后再慢慢钻入， 忌硬性钻进，以免打坏钻头及机器。 2 ) 在整个钻进过程中必须保持充分水冷却。 3 ) 钻进过程中，不得超载，当电机温度超过7 0 c ，( 手感烫手) ，应降低加载力， 并更换新钻头。 4 ) 钻孔结束时，只有将钻头脱离工件时，才可停机。 4 1 2 钻孔设备的选择 根据施工设计要求，对比各种钻孔设备的参数以及使用性能，我们选取 x y - 1 0 0 型液压钻机，见图4 2 。详细参数见表4 2 。 图4 2x y - 1 0 0 型液压钻机