尹中高速公路粉喷桩复合地基桩土应力比 现场试验研究

1、第24卷第22期岩石力学与工程学报V ol.24 No.22 2005年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.,2005尹中高速公路粉喷桩复合地基桩土应力比现场试验研究冯瑞玲1,2,谢永利2,杨晓华2(1. 交通部公路科学研究所,北京 100088;2. 长安大学公路学院,陕西西安 710064摘要:结合甘肃尹中高速公路粉喷桩处理饱和黄土地基的实体工程,选择了2个典型断面,其中一个断面为悬浮式复合地基,另一个断面为支承式复合地基,实测了桩顶及桩间土的压力,计算出了相应的桩土应力比n及复合地基承载力发挥值。结果表明:(1

2、 在相同荷载水平下,支承式复合地基中桩体与桩间土体所承受的压力均大于悬浮式复合地基中的相应值;(2 在加荷初期,n值增长较快,但随着桩土变形的协调,n值趋于稳定,且2个断面在路堤主要受荷范围内的n值大部分集中在38;(3 无论柔性基础下粉喷桩复合地基的形式如何,按土体先破坏计算的复合地基承载力发挥值更接近于工程的实际荷载水平;(4 柔性基础下复合地基的破坏模式应为桩间土体先破坏,继而引起整个复合地基的破坏。关键词:土力学;粉喷桩;复合地基;桩土应力比中图分类号:TU 473.1 文献标识码:A 文章编号:10006915(200522419007FIELD TESTING STUDY ON S

3、TRESS RATIO OF PILE TO SOIL IN COMPOSITE GROUND OF DRY JET MIXING PILES ATYINJIAZHUANGZHONGCHUAN EXPRESSWAYFENG Rui-ling1,2,XIE Yong-li2,YANG Xiao-hua2(1. Research Institute of Highway,Ministry of Communications,Beijing100088,China;2. College of Highway,Changan University,Xian710064,ChinaAbstract:Co

4、mbined with the practical project by using dry jet mixing(DJM piles to treat the saturated loess under the YinjiazhuangZhongchuan expressway in Gansu Province,two typical sections were selected to test the stress of the pile and the soil with the pressure gauge in the composite ground. In the two se

5、ctions,one is the floating pile composite ground,the other is the end-bearing pile composite ground. On the basis of the test data,calculated the stress ratio of the pile to soil and the bearing capacity is calculated. The results show that:(1 the stress of the pile and the soil in the end-bearing p

6、ile composite ground is larger than that in the floating pile composite ground when the upper load is the same;(2 the stress ratio of the pile to the soil is focused on 38 in this case;(3 in the two kinds of composite ground,the calculated bearing capacity being brought into play is more closer to t

7、he real load if the soil is supposed to fail first;(4 the failure mode of the composite ground under flexible foundation is the initial soil failure,then the failure of the whole composite ground is induced.Key words:soil mechanics;dry jet mixing(DJM pile;composite ground;stress ratio of pile to soi

8、l收稿日期:20040601;修回日期:20041125作者简介:冯瑞玲(1976,女,博士,1997年毕业于西安公路交通大学公路与城市道路工程专业,现为交通部公路科学研究所与长安大学联合招收第24卷 第22期 冯瑞玲等. 尹中高速公路粉喷桩复合地基桩土应力比现场试验研究 4191 1 引 言随着我国高速公路的迅猛发展,在公路修建过程中,遇到的软弱地基越来越多,粉喷桩复合地基作为一种地基处理方式,也得到愈来愈多的应用。这样就形成了路堤、堤坝等构筑物下的复合地基13,将其定义为柔性基础下的复合地基4,5,这类复合地基在受力后的变形和强度性状与刚性基础下复合地基相比有较大的差异410。虽然通过室内

9、模型试验5,6和计算机仿真分析研究7已经知道这类复合地基与刚性基础下复合地基相比还有潜力可挖,但由于缺少相关的现场试验研究,故还不能直接应用于实际工程。而本试验研究的目的正是想依托此项工程,通过现场测试分析,研究这类复合地基的受力与变形特性,评估其地基处理效果,最重要的是能修证设计理论和计算方法,获取相应的参数,有效地指导这类复合地基的工程应用。甘肃省尹中高速公路是甘肃省“九五”重点工程,全长22.05 km ,其中饱和黄土软基路段约2 km ,共有10处。根据不同的地质情况,采用的地基处理方法有粉喷桩法、旋喷桩法和抛石回填等。本次粉喷桩试验段选在K25+665和K25+706这2个断面处,其

10、中K25+665断面为悬浮式复合地基,K25+706断面为支承式复合地基。试验测试项目主要有桩顶与桩间土的土压力观测,试验测试元件均布置在右半幅路基下的粉喷桩桩顶和桩间土上。2 工程地质概况本试验段出露地层以第四系全新统(plal 4Q +为主,主要分布在沿线山间盆地及冲沟、洼地,上部为新近堆积黄土,大孔隙发育,具有强烈湿陷性,属级自重湿陷性黄土。由于地势低洼,地下水位高,地形呈半封闭状态,排洪条件差,地下水位以下新近堆积黄土经长期浸泡,已饱和软化,多呈软塑流塑状,形成较厚的软弱层,其承载力为7090 kPa 。测试断面路堤填土高6.96 m ,路面宽24.5 m ,边坡坡度11.5。复合地基

11、设计资料如下:采用梅花形布桩,桩间距1.2 m ,排距1.1 m ,置换率m = 桩长13 m ,K25+706断面桩长则不等,具体如图1所示。3 试验方案测点布置在K25+665和K25+706这2个断面的右半幅地基。布点时,粉喷桩施工已结束且有28 d 龄期。经过清场,选择道路横断面3排桩范围,在桩顶和桩间土上布设压力盒。2个断面共布设40个压力盒,测试元件布置如图1所示。测试元件布完并经过初值量测后即开始填土施工。量测工作从测试元件全部就位后开始,即从2001年5月16日开始,每天连续观测,直到2001年10月30日为止,共计166 d 。在这次土压力量测过程中,主要考虑了以下技术问题1

12、012:(1 土压力盒和荷载传递介质之间的刚度匹配问题。为了避免由于应力集中引起的土压力偏大和由于卸载拱引起的土压力偏小的现象,在埋设之前,先在桩顶及桩间土上凿出深度约为土压力盒厚度3/4、直径略大于土压力盒直径的圆孔。埋设时,先在孔底铺一薄层极细砂,土压力盒就位、找平、完成初读数测试后,再在盒顶填一层细砂,最后回填路基正常填土。(2 土压力盒的标定。土压力盒到现场后,进行现场标定,以取得比较符合现场实际的率定系数。4 测试成果分析4.1 根据现场记录,对施工过程进行分期(1 第1施工期,即第121 d(5月16日6月6日,实际填土从5月22日开始,均匀填土压实,平均每天填土高度约为20 cm

13、 ,总填土高度为3 m 。(2 第1施工间息期,即第2228 d(6月7日13日,由于6月7日填土厚度过大(压实后填土高度达到4 m,压实度不能满足要求,故在此期间未继续填土而只进行压实。(3 第2施工期,即第2932 d(6月14日17日,均匀填土、压实,每天填土高度为25 cm ,总填土高度达到5 m 。(4 第2施工间息期,即第3337 d(6月18 4192 岩石力学与工程学报 2005年图1 测试元件布置图(单位:cmFig.1 Sketch of instrument distribution(unit:cm(5 第3施工期,即第3841 d(6月23日26日,均匀填土、压实,每天

14、填土高度为25 cm,总填土高度达到6 m。(6 第3施工间息期,即第4247 d(6月27日 7月2日,停荷。(7 第4施工期,即第4851 d(7月3日6日,总填土高度达到6.3 m,路基施工结束。(8 第4施工间息期,即第5269 d(7月7日 25日,停荷。(9 第5施工期,即第7090 d(7月26日8月15日,施工路面结构层,总厚度为66 cm。(10 第5施工间息期,即第91166 d(8月16日10月30日,路基路面工程全部竣工。4.2 实测压力分析实测桩顶土压力、桩间土压力如图25所示4,图中竖向虚线将整个测试过程的加荷与停荷期区分开来,并且从左向右依次为加荷停荷加荷停荷。L

15、L从图2,3看出:在K25+665断面,第1施工期内,桩顶土压力pp和桩间土压力sp快速连续上升,而在停止填土后的第1施工间息期内,实测桩间土压力sp随时间缓慢下降,但同期内桩顶土压力pp则随时间缓慢上升。同样,在第24施工期和施工间息期内重复了这一现象。根据分析,施工间息期桩顶土压力增加而桩间土压力减小的主要原因是随着土体固结的发生,土体和桩体因为刚度不同,土的下沉量大于桩的下沉量,则土会将加荷初期共同分担的上部荷载通过变形协调逐步给桩转移一部分。第5施工期及其间息期对桩顶土压力pp和桩间土压力sp的影响已经很微弱,可以将其看成第4施工间息期的延续,即在此期间内,桩顶土压力pp继续随时间缓慢

16、上升,而桩间土压力sp则随时间缓慢下降。从图4,5看出:在K25+706断面,第1施工期内,桩顶土压力pp和桩间土压力sp快速连续上升,而在停止填土后的第1施工间息期内,部分测(aK25+706断面地基及路基横断面图(bK25+665断面测试元件布置平面图(cK25+706断面测试元件布置平面图第24卷 第22期 冯瑞玲等. 尹中高速公路粉喷桩复合地基桩土应力比现场试验研究 4193 图2 K25+665断面桩顶土压力时间关系曲线Fig.2 Relation between pile pressure and time at section K25+665图3 K25+665断面桩间土压力时间

17、关系曲线Fig.3 Relation between soil pressure and time at section K25+665图4 K25+706断面桩顶土压力时间关系曲线Fig.4 Relation between pile pressure and time at section K25+706桩顶土压力p p /k P a桩间土压力p s /k P a桩顶土压力p p /k P a 4194 岩石力学与工程学报 2005年图5 K25+706断面桩间土压力时间关系曲线Fig.5 Relation between soil pressure and time at section

18、 K25+706点的实测桩间土压力s p 随时间缓慢下降,而其他所测桩间土压力均随时间缓慢上升,同期内桩顶土压力p p 随时间缓慢上升。第2施工期内,桩顶土压力p p 和桩间土压力s p 快速连续上升,而在停止填土后的第2施工间息期内,桩顶土压力p p 和桩间土压力s p 均随时间缓慢上升。第35施工期及其间息期内,桩顶土压力p p 和桩间土压力s p 的变化规律与K25+665断面同期的变化规律相同。不同之处是,第4施工期以后,K25+706断面桩顶土压力p p 的增长量和桩间土压力s p 的减少量均小于K25+665断面的相应值。另外,从图25还可以看出,支承式复合地基中桩体与桩间土体所受

19、的压力均大于悬浮式复合地基中的相应值(图2和4,图3和5进行比较。这主要是由于K25+706断面的粉喷桩穿透了软弱土层,桩端支撑在较坚硬的泥岩上形成了支承式复合地基,在上部荷载的作用下,地基的沉降主要是由加固区桩体和桩间土体的压缩变形引起。在第4施工期后(路基施工结束,地基的沉降已基本完成,因此相应的应力调整量也就较小;而在K25+665处,由于粉喷桩桩端下仍存在较厚的软弱土层,形成的地基为悬浮式复合地基,在上部荷载作用下,地基的沉降除了包括加固区桩体和桩间土体的压缩变形外,软弱下卧层也会引起地基的沉降。因此,在路基竣工后,地基的沉降量仍较大,相应的应力调整量也较大。4.3 桩土应力比分析定义

20、=n p p /s p 为桩土应力比,则可将实测资料图6 K25+665断面桩土应力比时间关系曲线 Fig.6 Stress ratio of pile to soil at section K25+665图7 K25+706断面桩土应力比时间关系曲线 Fig.7 Stress ratio of pile to soil at section K25+706从图6,7可以看出,加荷初期,桩体所分担荷载的增长速率较大,但很快随着桩土变形的协调,其n 值趋于稳定,且2个断面在路堤主要受荷范围桩间土压力p s /k P a桩土应力比桩土应力比第 24 卷 第 22 期 冯瑞玲等. 尹中高速公路粉喷桩

21、复合地基桩土应力比现场试验研究 4195 近路堤坡脚处的几个异常值后， 经过计算， K25+ 在 665 断面，桩土应力比 n 的平均值约为 4.66；在 K25+706 断面，桩土应力比 n 的平均值约为 5.11。 4.4 复合地基承载力发挥值分析 若定义 m = Ap /A 为置换率，其中 Ap 为桩体横 截面面积，A 为复合地基面积。本试验段粉喷桩按 照三角形布置，桩间距 1.2 m，排距 1.1 m，经计算 的直线，而按桩体先破坏计算的承载力最终接近于 Pc = 100 kPa 的直线；按土体先破坏计算的承载力发 挥值大于按桩体先破坏计算的承载力发挥值，且更 接近于本工程的荷载水平。

22、 从图 8，9 可以看出：2 个测试断面加荷期间， 按土体先破坏计算的承载力发挥值均大于按桩体先 破坏计算的承载力发挥值；2 个测试断面停荷期间， 按土体先破坏计算的承载力发挥值随时间缓慢下 降，而按桩体先破坏计算的承载力发挥值随时间缓 慢上升。由此也说明在柔性基础复合地基中，在加 荷期间，荷载首先由桩间土体承担；而在停荷期间， 随着桩土变形的协调，桩间土体承担的部分荷载会 m = 0.157。现已实测出 pp 和 ps 值并计算出 n 值， 则可按下式计算复合地基的承载力发挥值 Pc ： 4 Pc = 1 + m(n 1 ps 或 Pc = 1 + m(n 1 pp / n (1 (2 转移

23、给桩体。因此，柔性基础复合地基的破坏模式 应为桩间土体先破坏，继而引起整个复合地基的破 坏。 其中，式 (1 为按土体先破坏估算的承载力发 挥值，式(2为按桩体先破坏估算的承载力发挥值。 试验段的承载力发挥值归一化曲线如图 8，9 所示。 5 结 语 本文结合尹中高速公路软基处理试验段，通过 Pc /kPa 现场实测得出了路堤荷载作用下粉喷桩复合地基中 桩顶及桩间土压力，实测结果表明： (1 在路堤荷载作用下，复合地基中的桩体和 土体因为刚度不同，土的下沉量大于桩的下沉量， 在停荷期间，土体会将加荷初期共同分担的上部荷 载通过变形协调逐步向桩转移一部分。 图8 Fig.8 K25+665 断面

24、承载力发挥值归一化曲线 (2 根据实测结果计算出相应的桩土应力比 n 值，结果表明在加荷初期，桩体所分担荷载的增长 速率较大，但很快随着桩土变形的协调，其 n 值趋 于稳定，且 2 个断面在路堤主要受荷范围内的 n 值 大部分集中在 38。 Bearing capacity being brought into play at section K25+665 Pc /kPa (3 在相同荷载水平下，支承式复合地基中桩 体与桩间土体所受的压力均大于悬浮式复合地基中 的相应值。 (4 无论柔性基础下粉喷桩复合地基的形式如 何，按土体先破坏计算的复合地基承载力发挥值均 大于按桩体先破坏计算的承载力发

25、挥值，且更接近 图9 Fig.9 K25+706 断面承载力发挥值归一化曲线 于工程的实际荷载水平。 Bearing capacity being brought into play at section K25+706 (5 柔性基础下复合地基的破坏模式应为桩间 土体先破坏，继而引起整个复合地基的破坏，这也 是柔性基础下复合地基与刚性基础下复合地基的不 同之处。 从图 8 可以看出：在 K25+665 断面，按土体先 破坏计算的承载力发挥值最终趋近于 Pc = 120 kPa 4196 岩石力学与工程学报 2005 年 参考文献(References： 1 Broms B B ， Wong

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