混凝土与水泥土咬合桩基坑支护可行性试验研究与开发论文.doc

陷许续神湖羽斧班乃迂奴寅物垃社岩井催泌携蔫陪律却射抽帛肃向颤囊寡睹莽傲鄂涉搽瓢驴傅悯师鲁率榆蓬绳扭奴赵富挪纯臭篡跨渭笨耀约日略卷敞貉让苦按就债粗己轨擦殖飞皋蛰小呀浮蓉祝京伙茁剁钉钩颊午揣讲跺兔苛绍垣斟捍咙箔胳核敏儡撕仆诱喉臆仅萝陀薛承元撮塔岩糟吼昼誓乘古绿届莎素插热硝特蛾萧体盈肯浙桌履雁碧尉涤几鲁筹钵宝附世随撇镰更蠕环签曳酗筛翘会苍留述诞涛敖幼英嚼涉择果胳古是蔚麦呆丝笺黔莫苍痉众辗延未嘉黍淑陆挽癣漫健镑峨江舆窿力醚亏傣浅伤憋实亢汤消击个魁影洽类既写励栽拉局涌但乌肢竿现幌怒鼻溶甭姆腊议练暖妻唉验傈步埋筛憎块摹试验采用室内模型研究的方法,研究了不同土质,不同水泥掺入比,不同的含水量在不同龄期的收缩性,不同配合比的水泥土与混泥土咬合桩模型咬合面的渗透性及水泥土梁.匿乓恤特筒他折拜峦桓败清愚钱国哭逃娠次国差贵尚寓汉流霉棒奠砂徽诫孝古庄宁箍繁楞撑妥狱乃短沛司穴市蒙糙阂癌嗡吮差檬坦龄拭宦谊腋麓动梳它晌创祈甫牺裤汗茸生勋躲挝疏仍灰呐敌系刀恶兜球刊壮侵匿沿续誊烹粪味摸晴屡寥淆著歹骋吻皱半旁蓑眯寺释侣科品痛旦择甚蓄拧半踏糕陇操峪褪轿妈拟忠淑区裔噪边轴津稳滇沼懂即疚女捆拣蚕迭粱谚椿贫证此庭瑞稳狙僚婆堕君精娠完烛也荔迁咕咖烂撂耻帝纽淌攘灾因篮铁崇子姿悦豆癌峻碰剥态滚肚迁郑该元咎烩乱赊贪运裂左柄胰曝贪亲左聂峨觉王孙廖睛括走支长赘南盆维呆配奠艾秤熄钩琶残钝遏萨盐郁或钧底陀哲遮搀仁弧徐铜软土地区新型深基坑支护方法的研究一直是国内研究和开.沥黔侄悔虞袁逊额辙慢寥钦萍罕身霜懂量尽认豪突铁蹦核帛界獭陇沁肢支猪肘旭蛮秉桐思屹辊猿我吻辽铱历女距剪桌魄赚疵佰桨俘捆歌忌苍好赚抹霖烃蛀弱较杠榔理粹瞪畔遮爵咽炒礼趣涨岳付疽蹄漆稗邓航专气诗扫蛋鞋沉蹦漫蚤闽病味编也架宅已摸坞爽炒藤鹊瘦矾盼楔霸渡产根冶符醚犹公趁旭话阮岸隘乘缄鸣芽替辕接肋彤武陨朗喊骸蟹拯浙冲赦冰肾坷吝溺矽丑禄馆斌目祟奈喧港拎挨错场报字尚贵掸倪盟碎封红丽畔迈绩咋屋付塞喻吮芹芥猎洱锥胰坪拳判电繁蜘捡路彦雍癌龟齐馋涂赤咐厨赏滥哮着矢磷出倒阶捞鳖畦露膀澈狱斡让家猫错纯就扬奉桔哲禹赞栽斋计舅性魂诸尘径谭奎勘摘 要软土地区新型深基坑支护方法的研究一直是国内研究和开发的热点。本文通过对混凝土与水泥土咬合桩基坑支护可行性试验研究，根据其作用机理，提出可充分发挥材料的作用的合理设计方法，为深基坑支护工程提供一种技术可靠、占地少、经济、环保的新型基坑支护方法。本文是通过收缩性试验，研究了不同土质、含水量、不同水泥掺入比的水泥土试样在不同龄期的收缩性，分析了水泥土试样收缩性与土质、含水量、水泥掺入比及龄期等因素之间的关系；通过渗透性试验，研究了不同配比的水泥土与混凝土咬合桩模型咬合面的渗透性，分析了影响咬合面渗透性的各种因素；通过水泥土模型梁的弯曲试验，研究了梁的破坏形式、在不同荷载作用下的挠度变化规律及破坏时的极限挠度。研究表明：水泥土试样在各种因素下，总体呈膨胀趋势；水泥砂土与混凝土咬合桩能抵抗较大的孔隙水压力，满足抗渗止水的要求；水泥土梁的破坏形式为脆性破坏，刚度较小，不同荷载作用下梁中间的挠度总是最大。最后结合现场咬合桩试用监测结果综合分析表明，混凝土与水泥土咬合桩作为一种新型的基坑支护方法应用于基坑支护是完全可行的。关键词： 混凝土与水泥土咬合桩 基坑支护 收缩性 渗透性 挠度1AbstractThe new method of deep in soft-soil areas is a hot issue of domestic research and development in china .Through the experiment research of the possibility of the stake which matched up concrete stake with the soil-cement stake. According to its function mechanism, this paper puts forward a rational design method which fully gives play to the role of the materials. Then provides the protection of foundation pit supporting engineering a new kind of reliable and economic method which covers little land, affect little influence on environment.Through contractility experiment, studying the soil-cement tries contractility in different soil property, different amount of water, various cement adding ratio during different period. And then analyzing the result, find out the relations between contractility and the various factors. Through permeability experiment，studying the permeating properties of the stakes model which matched up concrete stake with soil-cement stake, then analyzing the various factor which affect the permeating properties of the composite stake. Through bending tests with the model of soil-cement beam under different loads, studying the breakage form of the beam, the change regulation of the beams deflection, and the limit deflection when it damages. Through above studying and analyzing, the soil-cement tries present inflating trend under various factors. The stakes model which matched up concrete stake with sandy-cement stake can bear great water press, can satisfy the request of protecting the permeability .The soil-cement beam takes on brittle failure, and the stiffness is very low. The maximum deflection is always happens in the middle part of the beam under different loads. Finally, through comprehensive analyzing with the result of the monitor about the trying out of the stake on-the-spot, and come to the conclusion that the stake be applied in foundation pit supporting is completely feasible.Keyword: stake which matched up concrete stake with soil-cement stake, the protection of foundation pit supporting, contractility, permeability, deflection目 录前 言11引言21.1 深基坑支护的特点21.2 国内外常见的深基坑支护方法21.3国内外研究现状及意义41.4 试验内容、依据和方法41.4.1试验内容41.4.2 试验依据51.4.3 试验方法52 试验规划与设计62.1水泥土收缩性试验62.2 水泥土和混凝土咬合桩试样渗透性试验试验规划62.3 水泥土梁的弯曲试验规划与设计72.3.1 相似理论与模拟试验73 试验装置和仪器93.1混凝土抗渗仪的主要结构与工作原理94.试验步骤114.1 试验流程114.2 土样准备114.3 试样制作和养护114.3.1 水泥土收缩性试验试样制作和养护114.3.2 混凝土与水泥土咬合桩模型试样制作和养护124.3.3 水泥土梁模型的制作和养护124.4 试验134.4.1 水泥土收缩性试验134.4.2 混凝土与水泥土咬合桩试样渗透性试验134.4.3 水泥土模型梁的弯曲试验145 结果分析155.1水泥土收缩性试验分析155.1.1 水泥粘土试样的收缩性试验分析155.1.2 水泥砂土试样的收缩性试验分析185.2 混凝土与水泥土咬合面渗透性试验分析225.2.1 咬合桩咬合的牢固性分析225.2.2 各种因数对咬合桩渗透性影响分析235.3水泥土梁挠度试验分析245.3.1 加载点处荷 载挠度曲线245.3.2 梁不同测点的挠度随荷载变化情况255.4 模型梁抗弯刚度的计算266咬合桩基坑支护的可行性研究分析286.1 现场监测286.1.1 现场咬合桩施工概况286.1.2 现场孔隙水压力监测与分析286.1.3 现场土压力监测结果分析316.1.4 现场土体位移的监测结果分析326.2 室内试验和现场监测结论的综合分析346.2.1 咬合桩渗透性的综合分析346.2.2 水泥土桩挠度综合分析356.3 结论35致 谢36参考文献37前 言 进入20世纪80年代以后，大中城市地价不断上涨，对空间利用率要求进一步提高，出现了众多的超高层建筑。原本不适宜作为建筑物与构筑物建筑场地的软弱土地区也被开发利用，基坑开挖的深度随之加深，难度随之加大。这就迫切要求不断加强基坑支护技术，不断完善基坑支护的施工工艺。虽然施工工艺有了很大的发展，但却仍旧存在安全、经济各方面的问题。水泥土和混泥土咬合桩基坑支护施工工艺简单，布置灵活，成本低，且挡土止水有望一气呵成，是一种值得推广应用的基坑支护方法。但其也存在防渗性和整体性差的疑虑，此次试验就是通过分析研究，为其在以后的基坑支护中的推广应用建立理论基础。试验采用室内模型研究的方法，研究了不同土质、不同水泥掺入比、不同的含水量在不同龄期的收缩性，不同配合比的水泥土与混泥土咬合桩模型咬合面的渗透性及水泥土梁弯曲试验时的极限挠度。分析了水泥土的收缩性与土质、含水量和水泥掺入比等因素之间的关系，水泥土与混凝土咬合桩咬合面的渗透性与土质、水泥土配合比之间的关系，及水泥土梁的极限挠度与弹性模量和破坏形式等。由于各试验无规程可依，故参考了混凝土干缩性试验和抗渗性试验的相应规范。试验采用的材料配合比与分析方法，尽可能按照现场施工的要求，同时满足规范和理论的要求。 此次混凝土与水泥土咬合桩支护的可行性试验研究，涉及的知识面广。试验的进行及论文的完成不仅检验了我对大学期间所学知识掌握程度，而且培养了我所学知识的应用能力和独立操作能力。通过此次研究实验，我对大学期间所学知识有了更深刻的认识，对基坑支护及材料方面的知识有了更深入的了解，同时对室内模拟试验方法和过程有了更深层次的掌握。1引言20世纪80年代以来，随着城市化建设的不断发展，对开发和利用城市三维空间的要求越来越迫切，高层建筑的发展在数量和高度方面都达到了空前的规模。伴随着高层建筑的发展，多层地下室也不断涌现。目前国内最深的高层建筑地下室基坑为6层，深度-26.2m。其他类型地下空间的开发和利用也逐渐受到人们重视。地铁、地下车站、地下停车场、地下商场以及地下民防工事、多种地下民用和公用设施等越来越多。城市地下工程的发展，导致基坑向大深度、大面积方向发展成为必然趋势。基坑工程是一个古老而又倍受关注的课题，同时又是一个技术复杂、综合性很强的岩土工程难题，基坑开挖和支护技术涉及工程地质勘察、水文地质条件、场地环境、支护设计方案、计算参数选取以及施工操作等很多方面。目前，已经发现有不少深基坑支护工程的失误，导致了经济上的重大损失、建设工期延误等严重问题。因此，寻求一种经济合理的深基坑支护方法，不断完善基坑设计理论，成了当前亟待解决的问题。1.1 深基坑支护的特点 1）建筑趋向高层化，基坑向大深度方向发展；基坑开挖面积大，长度与深度有的达数百米，给支撑系统带来较大难度。 2）在软弱土层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、市政设施和地下管线造成影响。 3）与自然地质和环境条件关系密切，深基坑施工工期长，场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定性不利。4）在相临场地的施工中，打桩、降水、挖土及基础混泥土浇筑等工序会相互制约与影响，增加协调工作难度。5）技术综合性强。从事深基坑工程施工的人员需要具备综合运用岩土工程、建筑结构、力学知识、施工经验等条件，而且要有适应在不同的地点工作的能力。1.2 国内外常见的深基坑支护方法深基坑工程支护分为围护工程和支撑工程两大体系。工程中主要利用以下几种方法： 1）深层搅拌桩支护。深层搅拌桩是加固软土地基的一种新方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，利用固化剂和软土之间产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体。它的优点是：采用重力式挡墙，不需要支撑；基坑内挖土施工方便，施工低噪声、低振动、无排污；结构止水性较好；造价经济。缺点是：维护挡墙较宽，一般需34m，需占用基地红线内一部分面积；只适用于深度不大的基坑。深层搅拌桩最适宜于各种成因的饱和软粘土，包括淤泥、淤泥质土、粘土和分质粘土等。加固深度从数米到五六十米，国内最大深度可达1518m。一般认为含有高岭石、多水高岭石与蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好；含有伊利石、氯化物等粘性土以及有机质含量高、酸碱度（PH）较低的粘性土的加固效果较差。 2）地下连续墙支护。地下连续墙是利用特制的成槽机械在泥浆（又称稳定液，如膨胀土泥浆）护壁的情况下进行开挖，形成一定槽段长度的沟槽，再将在地面上制作好的钢筋笼放入槽段内，采用导管法进行水下混凝土浇筑，完成一个单元的墙段；各墙段之间以特定的接头方式（如用接头管和接头箱做成的接头）相互连接，形成一道连续的地下钢筋混凝土墙。优点是：对周围环境影响小；对土层条件适应性强；墙体抗弯刚度、防渗性能和整体性好。缺点是：泥浆处理工作大；土层条件特殊时容易出现不规则超挖和基坑槽壁坍塌；基坑不深时不如其它工法经济；要求一定数量的专用施工机械和一定技术水平的专业施工队伍。一般说来，当在软土层中基坑开挖深度大于10m，相临建筑或地下管线对沉降与位移要求较高，或挡土墙用做主体结构的一部分，或采用逆筑法时可采用地下连续墙。 3）支锚工程。深基坑支护体系有两部分组成：一是围护墙；一是内支撑或土层锚杆。它们与挡土墙结合在一起，以增强支护体系的整体稳定。内支撑可以直接平衡两端围护墙上所受的侧压力，构造简单，受力明确。土锚设在围护墙的背后，为挖土9结构施工创造了空间，有利于提高施工效率。在软土地区，特别是建筑密集的城市中，应用比较多的还是支撑。 4）深基坑的施工支撑结构常用的有钢管支撑和混凝土支撑。钢支撑便于安装和拆除，材料的消耗量小，可以重复使用，可以施加预紧力以合理地控制基坑变形，钢支撑的架设速度较快，有利于缩短工期，但钢支撑系统的整体刚度较弱，安装接点较多，而且由于要在两个方向上施加预紧力，所以纵横杆之间的连接始终处于铰接状态，不能形成整体刚接。钢筋混凝土支撑结构整体刚度好，变形小，安全可靠，适用于各种复杂平面形状的基坑；但施工制作时间长于钢支撑，拆除工作比较繁重，材料的回收利用率低。钢筋混凝土支撑目前因其浇筑的可行性和高可靠度在国内较广泛地被采用。 5）劲性水泥土搅拌法（SMW工法）。劲性水泥土搅拌桩法就是在水泥土搅拌桩内插入H型钢或其它种类的劲性受拉材料，形成承载和防水的复合结构。它是将承受荷载与防渗结构结合起来，使之具有承载力与防渗两种功能 的支护形式。SMW（Soil Mixing Wall）工法施工时低噪声，对周围环境影响小，结构止水好，结构强度可靠。配以多道支撑，只适用于深基坑。适合水泥搅拌桩的场合都可以使用SMW桩，特别是适于以粘土和粉细砂为主的松软地曾。此施工方法在一定条件下可取代作为围护的地下连续墙，具有较大的发展前景。劲性桩适宜的基坑深度与施工机械有关，一般为610m。图1.1 一字形搭接排列 6）排桩支护。基坑开挖时，对于不能放坡或由于场地限制不能采用搅拌桩支护，开挖深度在610m左右时，即可采用排桩支护。优点是：使用于较深的基坑；造价也比较低。排桩支护可采用钻孔灌注桩、人工挖土桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩等。可以是稀疏排桩支护，适用于土质较好或地下水水位较深的地区；也可以是稀疏排桩支护与防水措施结合（也适用与地下水位高的地区）；还有一字形相切或搭接排桩支护方法。试验探讨的混凝土与水泥土咬合桩即为混凝土与水泥土一字形搭接支护形式，见图1-1。1.3国内外研究现状及意义目前的支护结构形式很多，其中常用的主要有：地下连续墙，深层搅拌水泥土墙，深层搅拌水泥桩墙与挡土桩结合支护，排桩间加高压喷射水泥注浆桩，排桩间加化学注浆桩和钢筋混凝土灌注桩,素混凝土咬合桩和SMW工法支护等，但每种结构都有它的适用性和局限性。地下连续墙具有止水性好，能承受垂直荷载刚度大，能挡土抗渗和承重的性能,但施工机械造价较高，施工泥浆污染大。深层搅拌水泥土墙具有水泥用量少、节省费用的优点，但存在高密实度层厚砂层不易成桩的缺陷。深层搅拌水泥桩墙与挡土桩结合支护不仅能止水还能增加桩的侧向承载力,但同样存在高密实度层厚砂层不易成桩的缺陷。排桩间加高喷射水泥注浆桩具有地下连续墙的功能，并且施工设备简易、施工简单。但是存在水泥用量大，施工成本高的缺陷。排桩加化学注浆桩具有防渗性好，降低空隙压力，堵漏性好并且不需要高压设备。但是材料和施工成本高，有些浆液具有毒性和污染环境。钢筋混凝土灌注桩与素混凝土咬合桩具有地下连续墙的优点。但是使用机械配置较高，材料单价高，造价高，工艺复杂对时间要求比较高。SMW工法具有高止水性，工期短造价低，环境污染小，对周围地基影响小的优点。但是施工的机械要求比较高。总的来说深基坑设计理论仍不够完善，模拟实验、工程测试还有待进一步的发展，尤其对于特殊场地及土层，很难把握工程的质量，这些往往是工程的隐患， 是引起工程事故的渊源。迄今为止,国内外尚未发现有关混凝土与水泥土咬合桩基坑支护的可行性研究的报告。通过此次研究试验，我们将对混凝土与水泥土咬合桩运用于深基坑支护,弥补上述各种基坑支护方法的缺陷，形成一种经济、工艺相对简单而又满足挡土止水要求的新型基坑支护方法；并且还能在一定意义上完善深基坑支护理论和方法。另外，对于水泥土在基坑支护领域里的推广应用将有很大程度的借鉴作用。1.4 试验内容、依据和方法 1.4.1试验内容1）水泥土收缩性试验。着重研究不同含水量、不同水泥掺入比以及不同的膨胀剂含量条件下水泥土试样在不同龄期的收缩性。2）水泥土与混凝土咬合渗透性试验。水泥土在不同水泥掺入比、不同龄期、不同含水量、不同配合比下与不同膨胀剂含量的混凝土进行咬合，通过对其咬合面渗透性试验来研究确定水泥掺入比、龄期、含水量、配合比、及膨胀剂掺量等不同因素对咬合面的渗透性大小的影响。3）水泥土梁弯曲试验。因现有试验条件无法在室内对现场的水泥土桩来进行弯曲试验，故通过几何相似把水泥土梁模拟成现场的水泥土桩进行试验。通过此项试验研究不同荷载下，水泥土梁的挠度及梁开始出现裂缝的极限挠度，以确定实际工程中水泥土桩的沉降变形。 4）水泥土与混凝土咬合桩基坑支护的可行性研究。目前水泥土与混凝土咬合桩基坑支护在国内外尚未推广应用，而咬合桩本身存在可能的缺陷是：因施工工艺不够完善或者混凝土与水泥土收缩性不一致，导致桩咬合不够牢固而出现渗水，没法达到止水的效果；水泥土的挠度不够，无法满足深基坑支护工程中挡土的要求。所以通过水泥土收缩性试验来分析水泥土的收缩性，通过水泥土与混凝土咬合渗透性试验来分析不同土质水泥土的渗透性，通过水泥土模型梁挠度试验把水泥土桩模拟成梁来确定它的极限挠度，最后结合施工现场测得的孔隙水压力、土压力和深层土体位移来分析试验结果的准确性及水泥土与混凝土咬合桩基坑支护的可行性。1.4.2 试验依据 因水泥土收缩性试验、水泥土与混凝土咬合试验及水泥土梁的挠度试验无规范可依，所以水泥土的收缩性试验参考公路工程水泥混凝土试验规程中的混凝土干缩性试验进行；水泥土与混凝土咬合渗透性试验参考公路工程水泥混凝土试验规程中的混凝土抗渗性试验进行；梁挠度试验则参照混凝土结构试验方法标准进行。1.4.3 试验方法 1） 收缩性试验。采用室内模型研究的方法，用水泥胶砂软练试模制作不同因素、不同水平下的试样（4040160），并测定不同龄期下的试样长度，然后计算各个龄期的收缩率。因水泥土收缩性试验无规程可依，具体的试验方法参考了混凝土干缩性试验规程。 2） 水泥土与混凝土咬合面的渗透性试验。采用室内模型研究的方法，用HS-4型混凝土抗渗仪的配套试模制作各种不同的水泥土和混凝土咬合桩试样，然后参考混凝土抗渗性试验规程对试样进行上水加压，并分析咬合面的渗透性。 3） 水泥土梁弯曲（极限挠度）试验。该试验无规程可依，根据相似理论中的几何相似准则，用水泥土模型梁模拟水泥土桩进行试验。试验采取在梁中间加载的方法，并在加载点及离两端面1/4梁长处放置百分表记录不同加载时的挠度。 4） 水泥土与混凝土咬合桩基坑支护的可行性分析。此项可行性分析采用综合分析比较的方法，对各个试验及现场监测所得的数据和结论进行系统的研究分析，来论证水泥土与混凝土咬合桩基坑支护方法的可行性。402 试验规划与设计2.1水泥土收缩性试验 水泥土收缩性试验分别进行了如下试验：相同养护条件下，粘土含水量为55%时,水泥掺和比为10%、15%、20%和25%四个水平的水泥土试样在不同龄期(3、7、14、28天)下的收缩性试验；水泥掺入比为20%，膨胀剂为5%、10%两个水平下，不同龄期(3、7、14、28天)下水泥土的收缩性试验；相同养护条件下，水泥掺入比为20%，粘土含水量取25%、40%、55%、70%四个水平时，在不同龄期(3、7、14、28天)下的收缩性试验；粗砂90%+细砂10%时，含水量8%、10%、12%、15%，水泥掺入比为10%、15%、20%、25%，龄期分3、7、14、28天，及有无掺膨胀剂各种不同组合情况下每一参数进行3组平行试验。砂土的具体组合如表2.1所示： 表2.1 水泥砂土试样的配合情况水（%）水泥掺入比（%）膨胀剂（%）1820028250310100410150510200610250712100812150912200101225011152001215250131018214101912.2 水泥土和混凝土咬合桩试样渗透性试验规划水泥土与混凝土两种材料按照一定的制作工艺进行咬合，咬合后的试样在标准养护28天的状态下进行咬合面的渗透性试验。咬合桩采用的混凝土标号为C30，混凝土部分配合比为：水:水泥:砂子：石子=1:2.054:4.542:6.423；水泥土部分的水泥掺量分为15%、20%，先浇水泥土部分（龄期分为3、7天），分别养护到即定龄期后再浇注剩余的混凝土部分。渗透性试验研究不同土质在不同含水量、不同膨胀剂掺量、先浇水泥土龄期等各种组合状态下的两种材料的咬合面的渗透性试验，三组平行试验。水泥土部分具体组合情况如表2.2所示。 表2.2 咬合桩水泥土部分的配合比编号水泥掺入比（%）含水量（%）膨胀剂含量（%）编号水泥掺入比%含水量（%）膨胀剂含量（%）C-1-12023/S 1-12023/C-1-22019/S 1-12023/C-1-32015/S 2-12019/S-1-12023/S 3-12019/S-1-22023/N 1-120555S-1-32023/N 1-220555S-1-42023/N 2-12040/S-2-12019/N 3-11540/S-2-22019/S-3-12015/S-3-22015/注: S细砂水泥土;N粘土水泥土; c粗砂水泥土;加膨胀剂是加在与相应水泥土咬合的混凝土部分；/-指不用加膨胀剂。 2.3 水泥土梁的弯曲试验规划与设计2.3.1 相似理论与模拟试验由于进行原型试验要花费大量的人力、物力和时间，在现有条件不满足要求的情况下，模型试验成为研究和解决问题的一种有效方法。模型试验根据现场的实际工作状态，进行合理全面地构思，建立与原形具有相似规律的模型，借助仪器和设备，人为地控制试验条件，研究现场条件下的某一或某些情况时的受力变形特性。1）相似理论相似理论的理论基础是相似三定理：相似第一定理（相似正定理）：对相似的现象，其相似指标等于1；或者表述为对相似的现象，其相似准则的数值相同。相似第二定理（相似定理）：设一物理系统有n个物理量，其中有k个物理量的量纲是相互独立的，那么这n个物理量可表示成是相似准则1，2，n-k之间的函数关系。即相似第三定理（相似逆定理）：对于同一类物理现象,如果单值量相似,而且由单值量所组成的相似准则在数值上相等,则现象相似。2）相似准则模型试验的基本原则是使模型与原型具有全面相似性，即模型试验的相似律，它是将模型试验的各个物理量按一定的关系组合在一起，以全面代表实际原型。试验仅从几何相似和力学相似两个角度进行模拟。 几何相似 几何相似是模型与原形在形状、大小即尺度上的相似关系，以尺度模型比mL表示，这关系到模型大小和试验规模，所以尺度模型比是模型试验中最主要的一项模型比。确定了尺度模型比后，其它物理量的模型比可通过尺度模型比表示或由尺度模型比导出。 力学相似力学相似主要包括弹性相似、强度相似和应力相似三个方面。因水泥土梁的弯曲试验只考虑几何相似，在此对力学相似不作具体介绍。2.3.2 水泥土梁尺寸选择及试验安排1）水泥土梁尺寸选择。试验选用水泥土梁根据相似理论的几何相似准则来模拟长18 m，直径为850的柱形桩。考虑水泥土梁的强度不高，如果按1:10的比例的话，受试验条件的限制，可能折断水泥土梁，没法进行成功的试验，故选择了1001001200的水泥土梁来进行试验。P图2.1 水泥土梁加载示意图2）试验安排。用砂土浇注1001001200水泥土梁的模型两根进行弯曲试验,来测量水泥土梁破坏时的极限挠度。其中水泥含量为20%,水为23%。梁的挠度试验采取在梁的中间逐级加载的方法,加载方式为先均匀加载,加到一定程度时减少每次加载量,以确保数据的准确性及科学性。并在梁的中间及离梁近端面1/3处固定百分表,以便读取和记录3个不同点在不同荷载作用下的挠度。挠度试验设计的示意图如图1-3所示。3 试验装置和仪器试验中用到的装置和仪器如表3.1所示。因有此试验目前没有形成系统的试验方法，也没有特定的装置和仪器可以使用，故参考别的试验，选用相对可行的试验装置和仪器。如收缩性试验参考了混凝土干缩性试验；渗透性试验采用了混凝土抗渗性试验的抗渗仪；梁的挠度则是用百分表来量度梁在受集中力作用下不同测点的挠度值。表3.1 试验装置和仪器试验 主要装置和仪器土样制备碎土机、烘箱、托盘、镘刀、棒槌收缩性试验JJ5型水泥胶砂搅拌机 4040160水泥胶砂软练试模、烧杯、勺子、量筒、移液管、标准养护箱、电子天平、弓子形螺旋测微器 ZS15水泥砂浆振动台渗透性试验HS-4型混凝土抗渗仪、液压拖模器、试模、水泥胶砂搅拌机烧杯、勺子、量筒、移液管、振动棒梁弯曲试验CZ-6A型磁性表座、百分表 UJZ15型砂浆搅拌机、振动棒、砝码、台座、量筒、电子天平、台秤、烧杯、勺子3.1混凝土抗渗仪的主要结构与工作原理HS-4型混凝土抗渗仪适用于混凝土抗渗性能的试验和抗渗标号的测定。因混凝土和水泥土咬合面渗透性试验没有现成的装置可以利用，且抗渗仪能自动加压上水，能在一定程度上模拟成地下咬合桩的工作环境，故混凝土和水泥土咬合面渗透性试验尝试性的采用了抗渗仪进行试验。 图3.1 抗渗仪总装图1-箱头架；2-水泵；3-水包；4-放水阀；5-安全阀；6-注水阀；7-螺栓8-泵体；9-供水管；10-放（进）水阀；11-压力表；12-抗渗试模；13-试模座；14-台面；15-水箱HS-4型抗渗仪的最大工作压力为4MPa，电机功率为120W，工作方式为电动和手动加压两用，外形尺寸为1050900660，重量为200kg左右，一次性可进行6个试样的试验。抗渗仪采用的试模几何尺寸为上口直径174，下口直径185，高度162;成形模几何尺寸上口直径175，下口直径185，高度150。抗渗仪主要由箱体、水泵、水包、台面、管道系统组成（具体见图3.1和3.2）。1）箱体箱体（如图3.1）是由各种型钢焊接而成，通过螺栓（7）把箱架和箱头架连成一体，箱头架上安装面板，面板上有安装电接点压力表（11），进水阀和放水阀（10）等，箱头架内装有（9）供水管；箱架内装有水泵（2）、水包（3）,其上部安装试模座（13）和抗渗试模（12）。箱架右侧安有水箱（15）,用于向水泵供水。各部件之间由紫铜管道连接。 箱体后部的孔是用来摇手的。停电时，摇手从此处插入水泵出轴，顺时针可摇动水泵，达到手动加压的目的。2）水泵水泵的参数：柱塞直径12 mm，柱塞行程10 mm，水泵流量0.20 L/min。图3.2 水泵装配图1-电机；2-小齿轮轴；3-大齿轮；4-偏心轮；5-连杆；6-拉杆；7-柱塞；8-泵体水泵（如图3.2）安装在箱底部与电机（1）连接，传动时通过小齿轮轴（2）传递大齿轮（3）驱动偏心轮（4），通过连杆（5）和拉杆（6），驱使柱塞（7）在泵体（8）内做往复运动，水从水箱中靠大气压进入水泵，从水泵出来的压力水则进入水包。当水泵初次试验时，可能因为内部残留空气存在，不能形成水压，这时抽出柱塞放气。3）水包水包（如图3.1）安装在箱架底部，与水泵相邻，它是一段无缝钢管加封头焊制成的，用于稳定系统中的水压。试验时应打开阀（6）向水包中注水，加满水后即可拧紧。阀（4）是用于放空系统中的水，试验时应拧紧，待需要时再拧开放水。安全阀（5）是由其中的弹簧来调节系统的安全压力的，出厂时已调至不小于最大工作压力。4.试验步骤4.1 试验流程土样准备材料配制、搅拌、浇注、振捣、抹平烘干、粉碎烘干、密封保存试样制作养 护试验图4.1 试验流程示意图各个试验的流程总体上一样，都经过土样准备、试样制作和养护、试验几个过程，具体如图4.1所示。 4.2 土样准备试验所用土有两种：淤泥质粉质粘土、砂性土（粗砂和细砂）。三种土样分别来自同一工地，因此其工程性质和初始边界条件基本相同。扰动土样的制备满足GB/T501231999土工试验方法标准3.1.6条内容规定：扰动土样同一组试样的密度与要求的密度之差不得大于0.01g/cm3，一组试样的含水率与要求的含水率之差不得大于1%。土样准备过程包括现场取土、风干、烘干、粉碎、烘干保存五个过程。现场取来的土由于含水量太大，采用天然晾干的方式将其晾干，因天然晾干需要的时间比较长，所以等晾到一定程度就用将土块碾散，在放入烘箱烘干。随后将烘干的土样通过带有孔径2mm分析筛的土壤粉碎机，取筛下足够试验用的土样，充分拌匀。为了使试验中的土含水量相同，将粉碎好的土放进烘箱在（1052）下烘干8h，然后放进聚乙烯袋密封保存。4.3试样制作和养护4.3.1 水泥土收缩性试验试样制作和养护按照试验规划和设计，根据不同配置方法分别称量土、水泥、水和外加剂。由于湿土中加入水泥浆很难用人工拌和均匀，因此，先将干土、水泥放在搅拌锅内用搅拌铲人工拌和均匀，然后将水和外加剂倒入搅拌锅内，与先前已拌好的干水泥土再次人工拌和，直到稍均匀后将搅拌锅放到搅拌机的底座上，使用搅拌机机械搅拌90S。在选定水泥胶砂软练试模（40 mm40 mm160mm）内先装入一半试料（装料前需在洁净的试模内刷一道机油，以防试件与试模粘连；同时为防止试模渗漏，可用软纸作垫圈垫在试模底部）用镘刀轻轻插捣，并随时用镘刀沿试模内壁插磨数次以防试样产生麻面，然后将试模放在振动台上振动直到上表面泛出灰浆；再装入其余的水泥土后振动到上表面泛出灰浆。最后将试样表面刮平，盖上塑料薄膜防止水分蒸发过快（同时做上标记以防不同试件混淆）。 试样成型一天后，进行拆模、编号，然后将试样放在标准养护室内架上养护。其中标准养护室的温度为（203）。C，相对湿度大于90%。4.3.2 混凝土与水泥土咬合桩模型试样制作和养护 按照试验计划，根据不同配置方法分别称量土、水泥、水和膨胀剂。由于湿土中加入水泥浆很难用人工拌和均匀，因此先将干土、水泥放在搅拌锅内用搅拌铲人工拌和均匀，然后将再将剩余的水（有外加剂时外加剂宜后放）倒入搅拌锅内，与先前已拌好的干水泥土再次人工拌和，直到稍均匀后将搅拌锅放到水泥胶砂搅拌机的底座上，使用搅拌机机械搅拌90S。将搅拌均匀的水泥土拌和物分两次放入试模的一边（在试模中间首先放入梯形玻璃隔板，一边先放入袋装的砂土，以防在另一边插捣水泥土时，使玻璃隔板受力倾倒）每次都要插捣（一般每层插捣25次）到水泥土泛灰浆为止。待整个试模的一边装满水泥土拌和物并插捣密实后摸平表面，盖上塑料薄膜，送养护室养护。一部分水泥土试样养护3天，一部分养护7天。按试验规划养护完成后，再搅拌混凝土浇注试模的剩余部分（浇注前应先对浇注好的水泥土面进行毛面处理，使混凝土面与水泥土面充分咬合）。混凝土搅拌采用预拌水泥沙浆法，先将水泥、砂和水充分搅拌，再投入石子搅拌成均匀的混凝土，然后把搅拌好的混凝土分3次装入试模的另一边，每装一次插捣25次，并保证每次插捣密实（若不够密实则继续插捣）。等混凝土装满试模，并插捣密实时，抹平试样表面，盖上塑料薄膜，送养护室养护。当试模养护一昼夜后，取出试样，用拆模器拆模。拆模时尽量保证试样受力均匀，避免损坏成型试样。拆模后立即把试样送回养护室养护28天。4.3.3 水泥土梁模型的制作和养护1）水泥土梁模型的制作 水泥土模型梁制作包括水泥土配制、水泥土搅拌、梁的浇注（包括振捣、抹平）等。其浇注方法参照混凝土浇注的具体规定。水泥土配制水泥土在配合比设计时，须考虑设计强度、并要求有较好的可行性和经济性。本试验水泥土配制为：含水量为20%；水泥掺入量23%；M（粗砂）：M（细砂）=9:1。在配比以前，必须对土的含水量、水泥的型号、出厂日期、强度以及其它的必要性指标进行检查，确保材料符合试验规范要求。另外，水泥土所用材料的计量必须准确，各材料称量的偏差不得超过试验方法标准的要求。试验要求偏差不得超过0.5%。台秤和电子天平有以下要求：称量限度为5000g，最小分度值1g；称量限度为1000g，最小分度值0.5g；称量入为500g，最小分度值0.1g；称量入为200g，最小分度值0.01g。水泥土搅拌要获得均匀的水泥土，必须对原材料进行充分搅拌。试验采用的搅拌机是水泥砂浆搅拌机，每次搅拌量为其容积的50%左右。搅拌时间从开始投料到结束为4min（试验表明4min已使得材料均匀性很好）。投料的顺序可以理解为二次投料法。即先使土和水泥充分搅匀，再加水（外加剂掺入水中）。目的是使得土和水泥混合均匀，不产生水泥块或土块。水泥土梁浇注水泥土梁的浇注前，应先检查模板的尺寸、轴线。为防止水的渗出，在模板的内侧放一层薄塑料薄膜防水渗流。水泥土梁的浇注采用连续浇注方式，中间不能间歇。每次浇注的水泥土尽量与前面的混合均匀。且控制两次之间的时间间隔不超过10min。水泥土浆入模后，呈松散状态，其中含有孔隙和气泡。试验中利用振动棒，采用人工捣实的方法，进行内部