软土地基处理新技术

2006 10 24 软土地基处理新技术 软土地基处理新技术 陈云敏童建国浙江大学岩土工程研究所浙江省电力设计院 2006 10 24 软土地基处理新技术 目录 1 地基处理技术背景2 大面积荷载下软基处理技术3 桩筏基础工作性状及分析方法4 桩基施工质量控制和检测5 结论 2006 10 24 软土地基处理新技术 我国软土地基的分布 软土厚度 15mto50m软土地区占国土面积5 GDP占50 以上软土地区大型电厂分布密集 2006 10 24 软土地基处理新技术 软土的工程特性 软土含水量高 孔隙比大 厚度深 50 e 1 2 2 0 H 15 50m软土压缩性高Cc 0 3 0 7 3m高的填土会引起1m的沉降软土强度低Cu 8 15Kpa 一次性堆填3m高的路堤会引起滑坡软土渗透性差k 1 10 8 5 10 7cm s沉降稳定时间可能长达几十年 例如杭甬高速公路运行10年后 实测沉降速率达到1 0 5 0mm 月软土具有结构性 结构破坏后工程特性显著降低 2006 10 24 软土地基处理新技术 岩土工程问题解决方法 外荷载 土 固体颗粒 水和空气三相体 工程特性 变形 强度 渗透 土工构筑物 试验 基本理论 设计方法 施工技术 岩土工程问题解决方法 基本理论 试验 工程实践 设计方法 施工技术 2006 10 24 软土地基处理新技术 软土地基研究方法 多尺度认识土的特性 微观结构 单元特性 宏观现象 2006 10 24 软土地基处理新技术 结构性软土压缩特性 压缩曲线由四段组成1 水平段 AB 2 弹性压缩段 BC 3 结构破坏突降段 CD 4 重塑压缩段 DE 最终交于0 42e0点 结构屈服应力比 2006 10 24 软土地基处理新技术 电厂基础工程设计原则 以控制地基稳定为主海堤 江堤 煤场 场坪填土等以控制变形为主总沉降 主厂房 烟囱 冷却塔 建筑物等工后沉降 道路 干煤棚等 2006 10 24 软土地基处理新技术 软土 2 大面积荷载下软基处理技术 基岩 关键问题 1 加载过程中地基的稳定性 2 使用期内的工后沉降应用范围 煤场 海堤 场坪等 2 1排水固结法 2006 10 24 软土地基处理新技术 排水固结 真空预压法 2006 10 24 软土地基处理新技术 排水固结 IFCO强制固结法 砂墙 粘土密封层 真空抽水管 2006 10 24 软土地基处理新技术 排水固结法实例 杜湖水库 杜湖水库大坝砂井排水固结 1970年 满足地基稳定性 2006 10 24 软土地基处理新技术 淤泥质粘土16m厚cu 15kPa 地基承载力 75kPac 0 26 28 地基承载力 2000kPa 2006 10 24 软土地基处理新技术 设计关键问题 控制加载速率和孔压上升砂井 2997根 直径 0 42m 长度 12 14m三角形布置间距 3m控制加载速率 2006 10 24 软土地基处理新技术 孔压与填筑高度的关系 现场监测 大坝稳定性监测沉降 水平位移 孔压 2006 10 24 软土地基处理新技术 填筑过程中土体强度指标变化 10年 十字板试验 地基承载力 350kPa 1980年 cu 70kPa 2006 10 24 软土地基处理新技术 排水固结法实例 温州机场 温州机场跑道超载预压 1988 控制工后沉降 工后沉降要求 总沉降 60mm 差异沉降 30mm 2006 10 24 软土地基处理新技术 场地典型地质剖面 软土厚度 约30m 2006 10 24 软土地基处理新技术 存在问题场地填高2m如果不处理 地基沉降完成需要40年实际工期 2年解决方法袋装砂井处理深度 20m 部分打穿超载预压超载高度 32kPa 2006 10 24 软土地基处理新技术 部分打穿砂井地基 砂井 下卧层 2006 10 24 软土地基处理新技术 超载预压 超载横断面 加载过程 超载 永久填土 砂垫层 加载过程 月 2006 10 24 软土地基处理新技术 现场监测 S 表明沉降监测点Z 深层沉降监测点U 孔压监测点 2006 10 24 软土地基处理新技术 实测沉降曲线 加载过程 月 2006 10 24 软土地基处理新技术 填筑完成后预压半年超载卸荷后 孔压变化情况 孔压 kPa 2006 10 24 软土地基处理新技术 工后沉降建成3年后总沉降149mm建成4年后总沉降166mm远大于控制标准 60mm 2006 10 24 软土地基处理新技术 排水固结法实例 温州发电厂煤场 堆煤高度12m 平面100 200m周边环境复杂 管线多 典型温州软土特点 软土层深厚H 40m高含水量w 40 80 低强度Cu 8 15kPa高压缩性Cc 0 3 0 7低渗透性K 1 10 8 5 10 7cm s 2006 10 24 软土地基处理新技术 堆煤自预压法 堆煤自预压法先施工塑料排水板和砂垫层 然后利用已建好的输煤栈桥与煤系统 直接堆煤自预压 通过控制堆煤的空间位置及时间速率 使堆煤过程中地基稳定 产生的侧向变形和竖向变形不影响已建成的周边构筑物 如输煤栈桥 斗轮机轨道等 关键问题煤场地基预抬高应和其最终沉降基本相同煤场加载过程地基应稳定严格控制侧向变形 以免对周围环境造成过大影响干煤棚等工后沉降满足要求优点节约预压 堆载或真空 缩短工期 2006 10 24 软土地基处理新技术 塑料排水板施工扰动及其对沉降的影响 塑料排水板施工后十字板强度平均值减少11 8kPa 接近50 的原始强度 加固层 扰动 下卧层 未扰动 2006 10 24 软土地基处理新技术 堆煤自预压进度计划 确保电厂试运行的用煤量 确保煤堆及地基自身稳定 确保煤场软基产生的沉降和侧向变形不影响周围已建成的建 构 筑物 2006 10 24 软土地基处理新技术 考虑软土结构性后计算和实测的孔压 9m深度 扰动 30m深度 未扰动 2006 10 24 软土地基处理新技术 实测值计算值 煤场地表横断面沉降曲线 离开斗轮机的水平距离 m 考虑软土结构性及其扰动后 计算沉降和实测沉降接近 2006 10 24 软土地基处理新技术 加固区和下卧层沉降 预压期间 排水板区固结沉降逐渐减小 下卧层沉降持续发展 工后沉降中下卧层沉降将占较大比例 准确预测下卧层的沉降发展规律 对以变形控制的深厚软基处理 尤其未打穿处理情况 具有重要的意义 离地表1m 离地表20m 2006 10 24 软土地基处理新技术 下卧层沉降及工后沉降 工后初期 由于处理区的排水条件较好 残余孔压消散较快 所以处理区沉降占工后总沉降的比重较大 随着时间推移 处理区变形很快趋于稳定 下卧层沉降逐渐成为工后沉降的主要组成部分 约占70 左右 2006 10 24 软土地基处理新技术 加载过程中的侧向变形 坡趾区域侧向变形随深度变化图 实测数据来自L8测斜管 侧向变形速率与沉降速率的比值 u v 反应了地基的稳定性 u v的临界控制值应取为0 2左右 水平位移和煤场中心地表沉降之间的实测关系 2006 10 24 软土地基处理新技术 工程措施 2006 10 24 软土地基处理新技术 工程措施 减小扰动尽量采用静压式施工塑料排水板铺设土工织物均化地基沉降 限制侧向变形坡趾打设水泥搅拌桩减小土体的侧向变形 增加煤堆的整体稳定性考虑时空效应根据煤场周边构筑物的容许变形 确定加载计划 2006 10 24 软土地基处理新技术 2 2深层水泥搅拌桩法 岩石层 2006 10 24 软土地基处理新技术 深层水泥搅拌法 原理 通过搅拌机械就地将水泥浆液与软土强制拌和 使软土硬凝成具有整体性 水稳定性和一定强度的水泥加固土 提高地基土的模量和强度 达到加固软土地基的目的 关键问题 1 确定复合地基的承载力 2 控制沉降量 2006 10 24 软土地基处理新技术 温州地区多层建筑深层水泥搅拌桩地基处理 1980s 控制总沉降 2006 10 24 软土地基处理新技术 设计参数 处理深度 12 5m桩径 500mm水泥含量 0 15置换率 0 2 2006 10 24 软土地基处理新技术 长期沉降观测 8年 2006 10 24 软土地基处理新技术 12栋房屋的沉降量计算值与观测值 计算值总是远大于观测值 2006 10 24 软土地基处理新技术 沉降计算模式 Stotal S1 S2S1 20 30mm 根据现场监测S2依赖于土体压缩性 加固区压缩量下卧土层压缩量 2006 10 24 软土地基处理新技术 结构性软土压缩特性曲线 y 1 2 1 6 v 根据土单元体试验结果 2006 10 24 软土地基处理新技术 改进压缩曲线计算得到的沉降量 实测沉降量改进压缩曲线计算沉降量传统压缩曲线计算沉降量 2006 10 24 软土地基处理新技术 通过控制下卧层应力来控制工后沉降 设计参数 加固深度 13m桩径 0 5m间距 1 4m水泥含量 0 13应力控制 v0 v v0 1 35工后沉降小于60mm 水泥搅拌桩地基处理 温州机场跑道扩建工程 2006 10 24 软土地基处理新技术 2 3托板桩法 关键问题 桩土荷载分担比单桩承载力的确定沉降控制优点荷载可以瞬时施加 不需要堆载预压总沉降和不均匀沉降较小地基侧向变形很小 2006 10 24 软土地基处理新技术 托板桩受荷机理 土拱 桩帽 桩 路堤顶面 负摩擦 正摩擦 荷载 端阻 中性点 2006 10 24 软土地基处理新技术 托板桩法地基加固工程实例 台缙高速公路 路基宽度26米 软基路段长约23公里 软基路段分布约5 15米厚的海积淤泥 淤泥质亚粘土层路堤填筑高度在4 9 7米之间 桩的设计参数 40cm桩径的管桩桩长20m桩间距2 5m桩帽宽1 1 3m 2006 10 24 软土地基处理新技术 填筑高度8m 托板桩 2006 10 24 软土地基处理新技术 桩帽位置开挖 托板布置 2006 10 24 软土地基处理新技术 路堤边缘实测侧向变形 侧向变形小于2 0cm 2006 10 24 软土地基处理新技术 地基沉降实测结果 最大沉降约 5 7cm 2006 10 24 软土地基处理新技术 桩土应力实测结果 桩体荷载分担比 60 70 2006 10 24 软土地基处理新技术 杭甬高速公路托板桩法和排水固结法的比较 排水固结法加载托板桩法加载 时间 月 托板桩处理沉降 排水固结法处理沉降 2006 10 24 软土地基处理新技术 托板桩的工程应用 大型堆场大型油罐地基处理大型煤罐地基处理 堆煤 2006 10 24 软土地基处理新技术 3 桩筏基础工作性状及分析方法 持力层 刚性桩 基础 集中竖向荷载和水平荷载 对承载力要求高结构对沉降和不均匀沉降敏感关键问题 控制中心桩和角桩的桩反力基础沉降和不均匀沉降基础内力 弯矩 剪力等 应用范围 主厂房 烟囱 冷却塔 其他重要结构物 2006 10 24 软土地基处理新技术 筏板分析模型 持力层 刚性桩 基础 Qi 筏板模型 关键问题 筏板的有限元模型群桩中单桩刚度 2006 10 24 软土地基处理新技术 实体退化板壳单元 实体等参元 8 20节点实体单元的单元刚度阵 优点 考虑同一单元中不同材料适用于厚板和变厚度筏板 2006 10 24 软土地基处理新技术 群桩中单桩非线性刚度 Pj j桩桩顶荷载Sj j桩桩顶沉降 j桩桩身压缩 j桩桩底沉降 筏板下桩的平均荷载 2006 10 24 软土地基处理新技术 群桩地基中的应力及沉降计算 aQ集中力 bQ沿桩身均匀分布 1 a b Q沿桩身线性增长 采用Mindlin解计算下卧层附加应力分布 2006 10 24 软土地基处理新技术 群桩下卧层沉降 下卧层沉降曲面图 下卧层沉降等值线图 2006 10 24 软土地基处理新技术 单桩沉降规律 2006 10 24 软土地基处理新技术 群桩中单桩P S曲线 2006 10 24 软土地基处理新技术 土体的压缩性指标 粘性土Es1 2和Es之间的关系 2006 10 24 软土地基处理新技术 根据标贯和比贯入阻力确定无粘土压缩模量 2006 10 24 软土地基处理新技术 桩筏基础分析软件 Pogap 适用于各类变厚度筏板 厚板 考虑相邻基础的相互作用考虑地基和桩的非线性变形计及地基和桩的水平刚度考虑地基的非均质性 不等厚 缺失等计算参数为常用的土工参数 容易确定 2006 10 24 软土地基处理新技术 单柱最大竖向荷载1 28万吨单柱最大水平荷载1800吨沉降控制标准整体倾斜小于1 500柱出平面沉降小于1 5cm 工程实例 上海外高桥电厂二期工程锅炉基础 2006 10 24 软土地基处理新技术 桩位的布置分析 优化原则 中心桩和角桩反力分布均匀桩数合理筏板变形和内力小 2006 10 24 软土地基处理新技术 筏板厚度的设计分析 原则 桩反力分布均匀 内力和变形较小筏板厚度4 0 5 0m满足要求 2006 10 24 软土地基处理新技术 筏板挠度图 最大沉降7 9cm 最小沉降4 8cm 最大不均匀沉降3 1cm柱下最大不均匀沉降为1 3cm 柱最大出平面沉降为0 22cm 2006 10 24 软土地基处理新技术 非地震荷载作用下板中正弯距Mx包络图 地震和非地震共26种荷载组合 最大 Mx 为34915kN m 最大 My 为21359kN m最大 Qx 为14857kN 最大 Qy 为14996kN 2006 10 24 软土地基处理新技术 4 桩基施工质量控制和检测 钻孔灌注桩施工质量控制和检测预制桩施工质量控制和检测 2006 10 24 软土地基处理新技术 钻孔灌注桩施工质量控制和监测 钻孔灌注桩施工质量问题 桩身质量问题 缩径 夹泥 蜂窝等 桩端沉渣厚度大 钻孔灌注桩施工质量检测 单桩静载荷试验 2006 10 24 软土地基处理新技术 典型的静载荷试验曲线 桩顶 桩端和桩身荷载压缩曲线 2006 10 24 软土地基处理新技术 2006 10 24 软土地基处理新技术 2006 10 24 软土地基处理新技术 2006 10 24 软土地基处理新技术 2006 10 24 软土地基处理新技术 2006 10 24 软土地基处理新技术 桩底后注浆提高单桩承载力 2006 10 24 软土地基处理新技术 桩底注浆实例 1500 桩长40 42m 桩入持力层深度8m 总灌入水泥量6T 提高承载力约30 2006 10 24 软土地基处理新技术 预制桩施工质量控制和检测 预制桩施工质量问题 进入持力层深度不够桩头打碎 桩身开裂 预制桩施工质量检测 打桩监测 PDA 2006 10 24 软土地基处理新技术 实测打桩过程中的信号 加速度信号 速度信号 位移信号 2006 10 24 软土地基处理新技术 动力打桩分析模型 2006 10 24 软土地基处理新技术 利用加速度信号计算桩端土的静阻力 运动方程 桩端静阻力 Rebound 桩顶回弹Z 桩身阻抗t0 冲击力持续时间Cs 常数 Cs 1 3 2006 10 24 软土地基处理新技术 计算桩端助阻力和静力触探比较 判断进入持力层深度 2006 10 24 软土地基处理新技术 实测桩身最大打击应力 PHC管桩 直径600 壁厚110 砼C8032 34m处锤击应力超过砼强度 桩头打碎 桩身完整 2006 10 24 软土地基处理新技术 5 结论 软土压缩性高 渗透性差 承载力低 具有显著的结构性 电厂基础工程需要充分考虑软土的工程特性 并根据稳定 沉降和承载力等控制标准选择相