软土地基处理-粉喷桩软基加固技术

1、软土地基处理:粉喷桩软基加固技术的争辩概述第一节地基处理的目的及意义任何建筑物的荷载最终将传递到地基上，由于上部结果材料强度很高，而地基土 强度很低，压缩性较大，因此通过设置肯定结构型式和尺寸的基础才能解决这个冲突。 基础具有承上启下的作用，它一方面处于上部结构的荷载及地基反力的共同作用下，承 受由此产生的内力；基础底面的反力反过来又作为地基土的荷载，使地基产生应力和变 形。基础设计时，除了需保证基础结构本身具有足够的刚度和强度外，同时还需选择合 理的基础尺寸和布置方案，使地基的强度和沉降保持在规范允许的范围内。因此，基础 设计又常被称为地基基础设计。但凡基础直接建在未经加固的自然 土层上时，

2、这种地 基称之为自然 地基。假设自然 地基很脆弱，那么事先需要经过人工处理后再建筑基础者, 这种地基称之为人工地基。随着国民经济的高速进展，不仅需要选择在地基条件良好的场地从事建设，而且 有时也不得不在地质条件不良的地基上进行修建。另外，科学技术的日新月异也使结构 物的荷载日益增大，对变形要求越来越严，因而原来一般可被评价为良好的地基，也可 能在某种特定条件下非进行地基处理不行，因此，地基处理的重要地位也日益明显，已 成为制约工程建设的主要因素，如何选择一种既满足工程要求，又节省投资的设计、施 工和验算方法，已经刻不容缓的呈现在宽敞的工程技术人员面前。领土星丰昌近彳弋沃积白勺目危盛西士壹，由于

3、它氐弓虽屋 高氏缩小生禾口用房溺水小生作为他辜，号帝成为麻烦的 T 程 tt乜质巨是页。领土 白勺成分包范ta含水分 白勺目危寻寻米占 土禾口冰才已土. 自工不呈小生 蝎 由蕈取沃与果页始组成、,近蝎、 土白勺结木勾、孑L隐匕匕及自然 含水工。轨土岫室白勺冬去用特小生乒;自然 含水泥搅拌法分湿法（深层搅拌法） 和干法（粉体喷射搅 拌法）两种。湿法利 用深层搅拌机将水泥 浆和地基土原位拌 和。干法利用粉喷机 将水泥粉或石灰粉与 地基土原位拌和。搅 拌后形成柱状水泥土 体。提高承载力，用于处理淤泥，淤 泥质土，粉土和含 水量较高且地基 承载力不大于 120Kpa的粘性土 等地基。当用于处 理泥炭类

4、土或地 下水有侵蚀性宜 通过试验确定适 用程度。经济效果显著，目前 已经成为我国软土地 基建筑67层建筑 物、高等级大路路基、 防渗墙等工程最为经 济合理的处理方法之 -o不能用于含石块 的杂填土。以上各种地基处理方法都是根据不同脆弱土性质进展起来的。在选择不同的地基 处理方案时需要考虑以下因素：土的类别；处理后土的加固深度；上部结构要求；能供 应的材料；具有地基处理的机械设备；四周环境因素；施工工期要求；施工队伍技术素 养；施工技术条件和经济指标比拟等。各种地基处理方法的土质适用状况、加固效果和 最大有效处理深度见表12：表12.各种地基处理方法的土质适用状况、加固效果和最大有效处理深度分类

5、序 号处理方法土质适用状况加固效果常用有 效处理 深度 （米）淤 泥 质 十人 工 填 无 粘 性 十湿 陷 性 黄 土粘性土降 低 压 缩 性提 高 抗 男 性增 加 不 透 水 性改 善 动 力 特 性饱和 非饱 和土浅 层 加 固 法1换土垫层法*k*32机械碾压法*33平板振动法*k*1.54重锤夯实法*,k*1.55土工合成材料法*1.5深 层 加 固 法6强夯法*k*107砂（砂石）桩挤密 法*k*208振动水冲法*k*189干振碎石桩法*610 （灰土，二灰） 桩挤密法*2011石灰桩挤密法*2012砂井（袋装砂井， 塑料排水板）预压 法*1513真空预压法*1514降水预压法*

6、3015电渗排水法*2016注浆法*2017高压喷射注浆法*2018深层搅拌法*1819粉体喷射搅拌法*12:bfe屈才勾造 犬况的衙单小生聚术在具体工不早安钱中蕈国怠钙禾中处理方法白勺2101机理.是地目bi 小之 0艮小生o 比:TEd故至LI K小生o 比:TEd故至LI K他“带U肯.沃至U提背地基承亵力.提背地基承亵力. 5m 口彳： tEE匕有B强流物白勺1H用（g巨用 白勺目 白勺。第三节.粉体喷射搅拌法的进展历史、工程特点及其应用A） 一粉体喷射搅拌法的进展历史、现状及工程特点的住口贲身寸搅拌法早苕E轨土tfe基中辐F人的体力口由1本才米斗（ 水牙吕的或有灰米分）， 潮3st琢

7、抨本厂L杉戎与原代Z上由辜十弓虽带皿生搅拌3品带皿生搅拌3品隹地基土不口力口宣1本才米斗维生夫匕* 反屈,苕E无急本土由奉土白勺同）的舜高箕弓虽度白勺力法。1967年瑞典KJELD PAUS提出访用石灰搅拌桩加固15米深度范围内软土地基的设想，并于 1971年现场制成一根用生石灰和软土搅拌制成的桩。次年在瑞典斯德哥尔摩以南约10公里的 HUDDING用石灰粉体搅拌桩作为路堤和深基坑边坡稳定措施。瑞典的LINDENALIMAT公司还生 产出专用的成桩机械，柱径可达500mm,最大加固深度1015米。目前瑞典所用的石灰搅拌桩已逾 数百万延米。同一时期，日本于1967年由运输部港湾争辩所开头研制石灰

8、搅拌施工机械，1974年在软土地 基加固工程中应用，并研制出两种石灰搅拌机械，形成两种施工方法。一类为使用颗粒状生石灰的 深层搅拌法（DLM法），另一类为使用生石灰粉末的粉体喷射搅拌法（DJM法）。由于粉体喷射搅 拌法接受粉体作为固化剂，不再向地基中注入附加水分，反而能充分吸取四周软土中的水分，因此 加固后地基的初期强度高，对含水量高的软土，加固效果尤为明显，该技术得到了广泛的应用。国内由铁道部第四勘测设计院于1983年初开头进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验争辩，并 于1984年在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上单孔4.5米盖板箱涵软土地基加固工程中使用，后来相 继在武昌和连云港用于下水道河槽挡土

9、墙和铁路涵洞软土地基加固，均获得良好效果。它为软土地 基加固技术开拓了一种新的方法，并在铁路，工路，市政工程，港口码头，工业和民用建筑等软土 地基加固方面推广使用。粉体喷射搅拌法自1986年经国家鉴定（获科技进步奖）正式应用于工程，并且专项技术规程 的公布（软土地基深层搅拌加固技术规程YBJ22591）,标志着该技术在设计和施工上趋于成熟。粉体喷射搅拌法加固地基有如下特点：.使用的固化材料（干燥状态）可更多吸取软土地基的水分，对加固含水量高的软土地基，效果 更为显著。.固化材料全面的被喷射到靠搅拌叶片旋转过程中产生的孔隙中，同时又靠土的水分把它粘附到 孔隙内部，随着搅拌叶片的搅拌，使固化剂均匀

10、的分布在土中，不会产生不均匀的散乱现象， 有利于提高地基土加固强度，被加固土的无侧限抗压强度可以提高很多，达几十倍以上，一般 为500-4000Kpa,而且强度增长快，工期短，有利于快速施工。适量的选择固化剂，掺入比， 搅拌方式，置换率等，可到达良好的软基加固效果。.与高压喷射注浆法和水泥浆深层搅拌法相比，输入地基土中固化材料要少得多，无浆液排出， 无地面隆起现象。.粉体喷射搅拌法施工可以加固成群桩，也可以交替搭接成壁状，格栅状或块状，使的固化材料 为干燥状态的直径为0.5mm以下的粉状体，如水泥，生石灰，也可以掺入矿石渣，干燥砂和粉 煤灰等，材料来源广泛，并可以使用两种以上的混合材料。因此，

11、对地基土加固适应性强，不 同的土质要求都可以找出与之相适应的固化材料。.就地加固，无弃土，削减土方工程。.施工无振动，无噪声，无排污，对四周环境无污染，对周边软土无扰动。.加固费用不高，成桩快。一般日成桩300400米，成桩10天左右即可进行下一道工序施工，大 大缩短施工周期。的住口责身寸搅拌法（干法）由裁住滓唐搅拌法海法）改谢而来地基春叁力有时.海法方帝T匕匕干法方T琳抨球拌交攵果也伪些接享干法方依二TL. 搅拌后形欣白勺水渭士均W小生才目又寸牧宴。三夕卜，当自然地奉土白勺含水W较彳氐时,尸法琢抨5靖居刁二丁 nK 才已刁彳七反INz白勺牙W, 人人而运不至I也仇白勺交攵弟。B）二粉体喷射搅

12、拌法在路基设计中的应用的体口责身寸琢抨法作为领土岫奉处理白勺一不中力法.由于算力口1匚其月矢豆.见效快,京尤上也处王里.zK:这工口艮不十,无汽举.力口国后岫基整体小生、水足小生及弓虽屋者B育大巾昌屋白勺掰喜，目前已得至U簸来越早的由尼。在芭的口贲桩力口臣1月危号西士注口号全皮L泛白勺用于铁足各、商rio 15515TZ 不呈、rio 15515TZ 不呈、匚114与电用途黄、涉口石马头芸手工程白勺地基力 I并取得了牧女子白勺技术号济交攵隼:禾口社交攵隼：。尢算又寸有涉大啥白勺建傻而: 型榷造物白勺干均匀讯降， 绛吊呈工 程t殳廿人品面II伉白勺*拿难是更，没住 可是页角尾没白勺女子坏与苦.

13、不血直悟关 系至U高谢大路降傻成败白勺关铤.七口 星寺巴卑H其月、关系工不呈造侨白勺聿蕈所号所号二埠5白勺刁二 良士由质口室为 领土上由基.珞淀白勺抗降.上午头白勺抗降禾刀1tfoN SL曰J 白勺彳.在壬分聿虑钙禾中领土存性踪室白勺处理均辜理均辜不少工不呈悟雯的口贲为主又寸领土路装白勺i士W土局部禾口桁头有Sf立进行处王里内夕卜工不早安钱,鼻明.绛过力口后白勺土 住区缩小生明显减力, 拧力贝U向整形力装肯所瑾高，明 显gj I-领土又寸析台桩基白勺仅11向济取工 因 水才已土 白勺匿I不匕 时 I司胶矢豆汴争耳又时司 白勺讣I不呈中 不失为一禾中肯 交攵白勺轨室夕卜王里右法。 在方帝T 其月

14、 僵白勺X太兄下.濠至I析台加T与析台JS1M己白勺中案时不少中有位接曼的口贵槎力口 I第四节.问题的提出和本文主要争辩内容.问题的提出.粉体喷射搅拌法常被应用于建筑物地基、高速大路路基等加固工程中，其机理是基于水泥 对土的加固作用。然而这项技术的进展历史仅仅为几十年，对其加固机理的生疏还不充分，设计理 论和方法还不不成熟，有些还处于半理论半阅历的状态。粉喷桩的一般设计原那么为桩径50cm,粉 剂为425#水泥干粉，掺量为自然 土重的15%,桩间距约为12米左右，呈正三角或正方形布置， 施工实行全程复搅复喷等措施。鉴于各类软基成因简单，性质千差万别，含水量有多寡，软土成分、 有机质、酸碱度各异

15、；同一设计方案并不能满足普遍工程的特殊性，同时设计参数确实定，对具体 工程而言并不是最优的。如何在了解工程地质构造和各类土的物理力学特性的基础上，设计出在符 合规范规定的平安系数的状况下，又满足上部结构物对强度和沉降的要求的最优设计方案，将具有 重大的工程意义和显著的经济效益。.工程实践说明，粉体喷射深层搅拌法的施工工艺、施工机械尚待进一步完善；搅拌桩的检 测方法及手段长期悬而未解；目前尚无统一的粉喷桩质量检测方法和验收标准。粉体喷射深层搅拌加固技术进展至今，加之工程管理的疏漏，操作人员素养的参差不齐，技术应用的某种失度，确实 有加固失败，工程失事的状况发生，致使深层搅拌这一具有明显优势的加固

16、技术在国内的进展受到 了限制。对粉喷桩这种隐蔽工程而言，如何精确、有效、快速的检测其施工质量，一方面为建设单位的现场质量的把握供应依据，另一方面便于准时的检查和觉察施工过程中消灭的问 题，解决施工质量状况令人疑虑状况，有必要供应一种行之有效的检测方法，来充分发挥粉喷桩加 固地基经济、有效、节省工时等多种优点。.提高地基承载力和减小压缩层的沉降量是地基处理的主要目的。由于工程结构物对地基的 要求，随型式、规模及重要性而异，对脆弱地基的推断标准也难有一个统一的正确的定义。因此， 沉降量的合理估算，是地基加固方案设计的一个重要依据。沉降量估算的小，将会影响上部建筑物 的正常使用乃至破坏，造成不必要的

17、损失；沉降量估算过大，将直接导致工程造价提高，投资增加, 经济效益低下。如何在种类繁多的各种沉降计算方法中选择一种适合工程应用、原理易于理解、计 算结果合理、方法简洁易行的有用计算方法，对工程技术人员而言，将具有直接的工程实践意义。鉴于以上缘由，本文以在建的省“九五”重点工程一南京至马鞍山高速大路的软基加固工程 为依托，结合河海高校结构争辩所与南京大路建设处合作的南京市重点建设工程一南京至高淳高等 级大路二期工程，对粉喷桩加固路基方案的设计、桩基现场质量把握及粉喷桩复合地基沉降的计算 进行了初步争辩，以期加深前期阅历，积累资料成果，指导工程实践，到达修正和完善现有工程设 计、现场检测和沉降计算

18、方法的目的。.本文主要争辩内容.水泥土抗压强度的影响因素分析为 了号济令理岫确定深售携立法力口上由基土白勺技术为塞， 族走与他基二力口匕H王目白勺NbC才运（5吕玉中、水力已擅入匕匕,水力已擅入匕匕,母时七口是为 上由基力口傻计供由必定彳亍少白勺送马佥逐米斗，预先用彳亍了三禾中不同力聚白勺水才己士幸目白勺汴丁琛稣:用水牙m匕力臣iw不中欣软土白勺t舌肯小生.丁解力口水源白勺擅入匕匕其月、夕卜接齐U等又寸水才U 士弓虽厘白勺景巳口向，求彳导装涉、 擦入匕匕、 含 NK，、 干率屋、齿今其月禾口标寅备我与弓虽屋的关系.从而为近廿、廿答禾口方抵7T二供应串分白勺畲数Q.现场桩基质量检测本文首先依据波

19、速、标贯与抗压强度的相关性分析揭示的彼此之间的客观关系，对反射波动 测法、钻孔取芯和标准贯入试验的方法应用于现场桩基检测的可行性进行了论证，并结合本次工 程实践，对反射波动测法、钻孔取芯和标准贯入试验的方法应用于现场桩基检测的合理性进行评 价。目的在于寻求一种与工程实际相适应，操作简便易行，结果合理牢靠的方法，从而更好的对 现场施工进行质量监控。.地基沉降计算方法分析对高速大路软土路基的处理而言，沉降量的估算是打算软基是否需要处理及处理效果如何的 重要步骤，合理的计算沉降量将具有非比寻常的重要意义。本文结合试验和原观分析，对复合地基 沉降的各种计算方法进行了比照分析和估价，打算实行数值和简化两

20、种计算手段。数值计算接受非 线性有限元方法，土体假定为邓肯一张模型，以比奥固结理论为基础，考虑侧向变形和渗流对沉降 的影响，将桩一土作为整体划分网格，取网格节点上孔隙压力和竖向、水平向位移为基本未知量， 在填土作用下依据土体劲度和渗透性建立方程，解得孔压和位移随时间的变化。简化计算主要接受 等效模量当层法和Mindlin-Boussinesq联合求解法计算沉降，并依据有限元计算或现场实测结果进 行修正。本文目的在于通过以上尝试，选择一种适宜本地区简易而又较合理、易于为工程技术人员 接受的的沉降计算方法。其次章 室内配比试验中水泥土强度影响因素分析粉体喷射深层搅拌法处理软土地基主要是通过水泥与软

21、土经过一系列物理化学反 应，对软土结构进行转变来提高地基承载力和减小沉降量来实现加固目的。粉喷桩加固 软土地基的效果，主要取决于加固土的性质、水泥掺入量的多寡、桩长和桩间距的大小 等因素。就目前的粉喷桩工程设计而言，其加固方案基本上是千篇一律，很难做到与工 程实际相结合，使得粉喷桩加固地基经济效益明显的作用未能充分发挥。因此，我们进 行室内配比试验的目的，就是模拟粉喷桩的现场加固过程，反映出加固过程中的打算性 因素，然后结合具体工程脆弱土层的物理力学特性，寻求最优加固方案。在室内配比方 案中，如何确定影响水泥土的因素和影响因素中的主要因素，第一步要搞清楚水泥土的 加固机理。因此，本文首先从对水

22、泥土加固机理的争辩动身，试图揭示软土改性的机理。第一节水泥土加固机理分析水泥加固土的物理化学反响过程和混凝土硬化机理不同。混凝土的硬化主要是在 粗填充料的比外表积不大，活性很弱的介质中进行水解水化作用，所以分散速度较快。 而在水泥加固土中，由于水泥掺量很小，水泥的水化水解反响完全是在具有肯定活性的 介质一土的围绕下进行的，因此水泥加固土的强度增长过程比混凝土较为缓慢。软土工程性状差的物质多为粘性矿物成分(如蒙脱石，伊利石，高岭石等)，这类 次生矿物构成的土粒极细，比外表积大，且多呈片状，性质活泼，有较强的吸附水力量, 改善粘土矿物性质就可以改善软土的物理力学性质。C) 一.水泥的水解水化反响一

23、般的硅酸盐水泥主要是氧化钙，二氧化硅，三氧化二铝，三氧化二铁，三氧化 硫等组成，掺入的水泥与软土中的水发生水解和水化反响，在软土中形成水泥石骨架。 主要反响如下：2 (3CaO SiO2) +6H2O-3CaO - 2SiO2 - 3H2O+3Ca (OH) 2:2 (2CaO - SiO2) +4H2O-3CaO 2SiO2 - 3H2O+Ca (OH) 2;3CaO AbO3+6H2C)f 3CaO AI2O3 6H2O；4CaO AI2O3 Fe2O3+ 2Ca (OH) 2+lOH20f 3CaO ALO3 6H2O+3CaO Fe2O3 6H2O；3CaSO4+3CaO Al2O3+

24、32H2O-CaO Al2O33CaSO4 32H2O;生成物主要为氢氧化钙，含水硅酸钙，含水铝酸钙，含水铁酸钙和水泥杆菌等化 合物。所生成的氢氧化钙，含水硅酸钙能快速溶于水中，使水泥颗粒外表重新暴露出来, 再与水发生反响，这样四周的水溶液就渐渐到达饱和。当溶液到达饱和后，水分子虽连 续渗入颗粒内部，但新生成物不能再连续溶解，只能以胶体析出，悬浮在溶液中。依据 电子显微镜的观看，水泥杆菌最初以杆状结晶形式在比拟短的时间内析出，其生成量随 水泥掺入量的多寡和龄期的长短而异。由 X射线衍射分析，这种反响快速，最终把 大量自由水以结晶水的形式固定下来。这对于含水量高的软土强度增长有特殊意义，可 使土

25、中自由水的削减量约为水泥杆菌生成重量的46%。当然，硫酸钙的掺量不能太多, 否那么这种水泥杆菌针状结晶会使水泥发生膨胀而遭到破坏。所以，使用合适，在某种特 定的条件下，可利用这种膨胀势来使加固土发生膨胀、挤密作用来增加地基加固效果。D)二.粘土颗粒与水泥水化物的作用当水泥的各种水化物生成后，有的自身连续硬化，形成水泥石骨架，有的那么与四 周具有肯定活性的粘土颗发生反响。.离子交换和团粒化作用粘土和水结合时就表现肯定的胶体特性，如土中二氧化碳遇水后，形成胶体微粒, 其外表带有钠离子或钾离子，它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子Ca+进行当量 吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体

26、的强度提高。水泥水化生成 的凝胶粒子的比外表积约比原水泥颗粒大1000倍，因而产生很大的外表能，有猛烈的 吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合，形成水泥土的团粒结构，并封闭各团粒的孔 隙，形成牢固的联结。从宏观上看也能使水泥土的强度大大提高。.硬凝反响随着水泥水化反响的深化，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换需 要量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一局部或大局部 与钙离子进行化学反响，渐渐生成不溶于水的结晶化合物，增大水泥土强度。SiO2+ Ca (OH) 2+nH20f 3CaO SiO2 (nH)H2O;AI2O3+ Ca (OH) 2+nH2O-CaO

27、 AI2O3 (n+l)H2O;从电子显微镜扫描的观看可见，拌入水泥7天时，土颗粒四周布满了水泥凝胶体, 并有少量水泥水化物结晶萌芽；一个月后，水泥土生成大量纤维状结晶，并不断延长充 填到颗粒间的孔隙中，形成网状构造；到五个月后，纤维状结晶辐射向外伸展，产生分 叉，相互结合形成网状结构，土颗粒的性状已经不能区分。.碳酸化作用水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸取水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化作用, 生成不溶于水的碳酸钙，这种反响也能使水泥土增加强度，但增长强度较慢，幅度较小。 从水泥土加固机理分析，由于搅拌机械的切削作用，实际上不行避开会留下一些未被粉 碎的大小团粒，在拌入水泥后将消灭水泥浆包裹

28、土团的现象，而土团间的大孔隙基本上 已被水泥颗粒填满。所以，加固的水泥土中形成一些水泥较多的微区，而在大小土团内 部那么没有水泥。只有在较长的时间，土团内的土颗粒在水泥水解产生的渗透作用下，才 渐渐转变性质。因此在水泥土中不行避开的会产生强度较大和水稳定性较好的水泥石和 强度较低的土团粒区。两者在空间相互交替，从而形成一种独特的水泥土结构。可见, 搅拌越充分，土块被粉碎得越小，水泥分布到土中越均匀，那么水泥土结构的离散性越小, 其宏观强度也越高。水盘高， 最小为 30%40%, 最育WTK200% :200% :孑L除匕匕大.最力为O. 81. 2.最大法 5 : 田维系数大：谬溺系娄攵小.舟

29、殳/J 习1 x IOFm/S :灵轨度高.石E 21O 之旬. 灵殿屋高白勺领土. 经抚云力后弓虽度便降彳氐彳艮冬o且危房寻tfe辜京尤旱丰言氏维彦主要由於湄、汾今湄崖土、 充JM土、 东筠土 或聂汴高氏缮小生土售不勾欣白勺tfe室O卡号受过地形及他蝎密动，美曼谊荷藜及 tt也蹲小京力安物理作用或米立旬白勺*字作用白勺轨米占土、，班届十、饰禾口松石少土禾口淤渭厮土W地售 本勾成白勺地基。目危号西岫室白勺特点打育了 NE 双禾中岫室 I-途葩H不呈.必,嚣迸彳亍岫室处理。他拿处理白勺目白勺京尤是安彳亍运当白勺措 痴改得岫草条件, 丰卓舛苗;1 .改声第切特小生岫室白勺电切石皮坯 以及汴士 压力

30、作用下白勺榜定小生.耳又沃于 tfe 室十白勺抗氨弓虽度。氨弓虽度。止匕.为了防J I-史切石皮坏以下之痴用土 氏力，而蕈实行胃走措其次节水泥土的室内配比试验E） 一.试验目的脆弱土层的粉喷桩加固技术是基于水泥对软土的加固作用，而目前这项技术的进 展仅仅经受了几十年，无论从加固机理还是设计计算方法还是施工工艺均有不完善的地 方，有些还处于半理论半阅历状态，因此，应当特殊重视水泥土的室内配比试验。通过 对试验结果的分析，把握一些规律性因果关系来指导粉喷桩加固方案的设计。本文依据各种不同方案的水泥土室内配比试验结果,利用多元线性回归和BP神经 网络两种数学方法对地基上加固效果有影响的因素如：掺入比

31、、含水量等因素进行了分 析，期望对设计、计算和施工中重要参数确实定有指导意义，从而经济合理地确定深层 搅拌法加固地基土的技术方案，也为类似工程供应参考数据。具体步骤如下：.确定哪些变量Xi （如水泥品种，标号，掺入比，含水量，搅拌方式，养护条件 等）对响应Y （如无侧限抗压强度，抗剪，抗拉强度等）最有影响。.确定最有影响的我设置在何处（如含水量、掺入比最优）使得Y几乎接近于 所期望的额定值。.确定有影响的xi设置在何处使得Y的变异性较大。.确定有影响的Xi设置在何处使得不行把握的变量21/22必（如搅拌机械，施 工工艺，管理水平）的效果最小。F）二.试验设计的基本原理.重复性重复性是指基本试验

32、的重复进行。重复有两个重要性质：第一，是可以得到试验 误差的一个估量量；其次，假如样本均值用作为试验中一个因素的效应估量量，那么重复 允许试验者求得这一效应更为精确的估量量。例如：假如。2是数据方差，而有n次重 复的样本均值的方差那么为。这一点的实际意义是，假如只有一次试验，并观看到含 水量为40%的试块抗压强度为yi=0.9Mpa,而含水量为30%的试块抗压强度为 y2=1.0Mpa,我们或许不能作出抗压强度随含水量增加而降低的推断，也就是说观看差 可能是试验误差的结果；另一方面，假如n合理的大，试验误差足够小，当观看到同样 的结果时，我们就认为以下的结论是牢靠的：在其他条件相同的条件下，含

33、水量的增加 确实使水泥土抗压强度降低。.随机化它是在试验设计中使用统计方法的基石。所谓随机化，指试验材料的安排和各个 试验的进行次序都是随机确定的。统计方法要求观看值（或误差）是独立分布的随机变 量，而随机化通常使这一假定有效，把试验进行适量的随机化有助于“平均出”可能消 灭的外来因素的效应。例如在抗拉试验中随机对龄期相同的试块进行拉断试验，而非按 掺入比等因素分组进行拉断试验，这样就会缓解试验设备的摩阻力或因接触位置的差异 引起的强度变化。）.区组化它是用来提高试验精确度的一种方法。一个区组就是试验材料的一局部，相比于 试验材料全体，它们本身的性质应当更为类似。例如：想知道掺入比对试块强度的

34、影响, 可以用下述方法进行。随机制一批试块，样品的一半掺入比为10%,另一半为15%, 进行抗压试验时试块的选取是随机打算的，由于这是一种完全随机化设计，两个样本的 平均抗压强度可用t检验法来比拟。这样就会显现出完全随机化设计的一个严峻缺陷。 设掺入比相同的试块由一个模具压制而成，而在制模过程中可能使试块的厚度、密实性 等不同，不同掺入比的样本之间将缺乏均匀性导致抗压强度的变异性，并会增大试验的 误差，使掺入比的真实影响难以鉴别。贝U京尤是至十又寸泛定模宾豆T以缶U欣擅入 匕匕不 同白勺两个试块,泛样试块直白勺脖度、率安小生多宴募、名乡音力从而降彳氐京他氏I素弓I走己白勺拧E任弓虽屋白勺会畀小

35、生.运至I提育过马佥）IW五角屋白勺 目白勺。殳廿实P示早舟殳白勺藤机z（七区绡傻廿中牛寺殊白勺傻计类型。区组理解为T-木目又寸玲W白勺过马佥单元,并且表示又寸李季瞳机X七白勺公约束，由于处理辨令军区绡内部彳七白勺。但是，要留意以下几点：例如对一个20个样本的试验，用完全随机化设计方法， 对t统计量而言，用了 ni-l+n2-l=10-l + 10-l=18个自由度，而随机化区组设计却使t统 计量只用了 10-1=9个自由度，区组化使我们失去了（H2-D个自由度。但我们期望， 消退了附加的变异性源（样本之间的差异）能得到更好的信息，对以上两种方法进行置 信区间分析可知：区组化分析所得到的置信区

36、间小于独立分析所得到的置信区间，这一 点反响了区组化的噪音减小性质。区组化并不常是最好的设计策略。假如区组内部的变异性和区组之间的变异性相 同，那么yi-y2的方差不管用什么设计方法都是相同的，实际上区组化将不是一个好的选 择，由于区组化损失了（112-1）个自由度并在实际上导致了一个关于（U1-U2）的较宽 的置信区间。G）三.试验设备和规程本次试验用土取自宁高大路（洪蓝至双牌石段）工地现场，场地原为河道，属于 江、河漫滩沉积，加固区土层土样由钻机在现场进行补充勘探时取得，常规土工试验测 得其物理力学性质指标见表2-1,这些参数主要是在粉喷桩地基加固设计和沉降计算 中供应桩间土参数。依据表2

37、1供应的地质资料状况，知加固区以粘性土和淤泥质土为主，分布呈层 状，且同种土土层较薄，由于钻头的推动和旋转，可能会使相邻土层土混杂，与掺入水 泥共同胶结形成成桩材料；另一方面，试验经费有限，回归分析所需样本量又较大，难 以对每种土都进行配比试验。因此室内土样主要取粘土和淤泥质土，在室内使土样完全 扰动，并搅拌均匀后，利用现有的土工试验仪器，制得试块为70mmX70mmX70mm 的立方体，空气养护，搅拌方式为干搅，依据土工试验规程进行试验。配比方案如下: 水泥掺入比分别为8%、12%、15%；含水量分别为30%和40%；龄期分为30天和90 天。试样共分12组，每组12个，共12组X 12个=

38、144 （个）表21.宁高二期土工试验成果表冯村大桥北(k54+400+465)土层种类深度(m)含水量 (%)干密度 (g/cm3)孔隙比比重压缩系数 (Mpa-1)压缩模量 (Mpa)粉质粘土28.31.430.8972.720.523.6淤泥质粉粘土41.01.261.1672.720.842.5粉质粘土27.61.510.8002.710.364.9粘土27.11.520.7982.730.189.8冯村大桥南(k54+625+670)土层种类深度(m)含水量 (%)干密度 (g/cn?)孔隙比比重压缩系数 (Mpa-1)压缩模量 (Mpa)粉质粘土29.31.470.8452.720

39、.403.9粉土26.01.540.7542.700.237.5残积土23.51.550.7362.700.453.8杨村小桥北(k 57+582+632)土层种类深度(m)含水量 (%)干密度 (g/crrP)孔隙比比重压缩系数 (Mpa-1)压缩模量 (Mpa)粘土31.31.390.9652.740.523.7淤泥质41.51.221.2532.740.297.4细砂土34.61.360.9850.209.6淤泥质细砂土36.11.241.1740.249.1粉质粘土10.8-11.228.11.510.7952.720.266.8杨村小桥南(k 57+632+693)土层种类深度(m)

40、含水量 (%)干密度 (g/cm3)孔隙比比重压缩系数 (Mpa-1)压缩模量 (Mpa)粉质粘土26.91.530.7792.720.345.1淤泥质粉砂土43.61.191.2672.700.872.5淤泥质50.31.131.4262.741.101.9淤泥质粉砂土49.01.121.4092.700.762.9第三节多元线性叵1归分析影响粉喷桩的物理力学性能指标的因素甚多：软土性质、工程设计、施工机械、施 工工艺、养护条件及施工者素养对水泥土强度都有猛烈的影响，现排解设计、施工等诸 多因素，在本章分析中，主要争辩水泥土抗压强度这一主要指标，考察水泥掺入比、含 水量、孔隙率、干容重、声波

41、传播速度等因素的作用。通过回归分析，试图将各影响因 素对目标的影响量化，同时期望进行各因素之间的共线性诊断以及模型的适合性检验, 从而建立只包含主要影响因素与抗压强度的新模型,在工程中以更少的参数来较好的把 握粉喷桩水泥土的抗压强度。将波速这一物理量放入分析，并不是说它对室内配比试验 的试样强度的形成有直接影响，目的是试图通过建立波速与强度之间的关系，从而为反 射波法应用于粉喷桩质量检测的可行性进行论证。对本此试验结果，主要实行了多元线 性回归的分析方法，但是由于模型本身存在一些自身不能解决的问题，因此，在本章的 最终，文章引入了 BP神经网络的新方法，试图解决非线性回归中不能或难以解决的问

42、题，期望探究一条处理数据的新途径。(j=l n)分析依据数理统计中的回归理论，以水泥土的抗压强度为因变量y,考虑的自变量 为掺入比XI、龄期X2、含水量X3、孔隙率X4、饱和度X5、干密度X6、和波速X7,此模 型是多维回归变量Xi空间中的一张超平面。设y和XI,X7的n次观测数据满足线 性回归模型yj= B o+ B iXu+ + B 7x7j+ e jCj用距阵符号表示为：Y=XB + 其中Y二(Y1, Yn)，为因变量的观测向量，3 = ( P 1, Bm)，是未知参数向量，x= ，为nX (7+1)阶距阵，是回归变量的观测数据阵，二( 1, 乙/8n)，是未知的误差向量，且E()=0,

43、 E ( e )二。2。因考察n个自变量对抗压强度y的作用有大有小，且自变量之间一般存在相关性, 为了从y和xi, X7中全部可能的回归模型中选出拟合这组数据的最优回归子集，本 文主要接受了全回归模型的分析方法，并利用大型系统统计分析软件SYS进行数据拟 合。全回归模型是指没有对回归变量进行筛选，建立全回归变量的全回归模型。这是很 多回归分析常用的方法。附：SYS软件数据输入文件Input抗压强度掺入比 Cards;1.490.08Input抗压强度掺入比 Cards;1.490.082.360.12Proc reg;Model抗压强度=掺入比含水量 / selection=none含水量孔隙

44、度饱和度干密度波速龄期;0.2340.6200.9261.611414300.2220.5880.9451.69164530孔隙度饱和度干密度波速龄期r collin tol vif;Run;输出结果为当前选择模型的方差分析表及参数估量等有关统计量(全回归变量分 析)。具体结果如下：表22检验回归显著性的方差分析变差来源自由度平方和+ 勺石产毛P2豆显著性概率平力和均方1天差F()检验里c 1 LProbF0回归模型7残差的误差4偏差总和1112.40801.772570.728810.182209.7290.022113.13683表23参数估量自变量自由度回归系数标准差T检验Prob|T|

45、常数11.31810219.334520.0680.9489掺入比12.9573109.4456090.3130.7699龄期10.0153730.0101401.5160.2041含水量1-59.57009391.34560-0.6520.5499孔隙度116.13403532.663970.4940.6472饱和度17.02165714.858350.4730.6611干密度14.0948768.3035680.4930.6478波速10.0025960.0018561.3980.2346那么抗压强度Y= L318+2.957x i+O.015x2-59.570 x3+16.134x4+7

46、.022x5+4.095x6+0.003x7表2-4模型显著性检验及偏相关分析标准差估量量0.42685复相关系数0.9445样本均值2.74250修正的平方复相关系数0.8474变异系数15.56437使用类型I平方和(SS)的平方偏相关系数，用SS/ (SS+SSE)计算波速掺入比含水量龄期孔隙度饱和度干密度0.64870310.50303670.36631400.32833690.16978980.10430440.0967931我们常用判定系数R-square来衡量回归模型的适合性。明显0R2l,常粗略将 R2看成作为数据的变异性中被该回归模型说明的或涉及的局部所占的比例。也就是说,

47、本次水泥土抗压强度的变异性中94.45%是由全回归模型引起的，这也说明白接受全回 归模型的分析过程能在很大程度上反映出各因数的作用，模型的合理性得到了检验。由偏相关分析得知，抗压强度对波速、掺入比、含水量、龄期的敏感性是比拟强 的，其中波速的平方偏相关系数最大，说明声波与水泥土抗压强度之间有很强的相关性, 此结论告知我们以波速揭示和评价粉喷桩加固效果，不仅切实可行而且有较高精度。强 度和波速的单因素分析将在后面连续进行争辩。各因素对抗压强度的影响大小次序为：波速,掺入比 含水量龄期孔隙度饱和度干密度水泥掺入比的大小，对桩的质量至关重要，水泥掺入量的多寡将大大转变软土的 加固效果。从分析结果看，

48、掺入比与抗压强度的相关性仅次于波速，掺入比与抗压强度 的关系和波速与抗压强度的关系相比，两者的性质是不同的：波速可以作为反响抗压强 度大小的一个指标，对抗压强度的形成并没有直接的影响作用，通过波速仅仅是到达检 测水泥土抗压强度的目的，它与强度之间不存在直接的因果关系；依据本章第一节中水 泥土的加固机理可知，提高脆弱土强度的水解水化反响、硬凝反响和碳酸化作用，都离 不开水泥的参与，并且水泥的多寡对强度而言至关重要，它将直接影响水泥土的抗压强 度,分析结果揭示了能够通过把握掺入比这一因素来经济而且有效的提高水泥土的抗压 强度，这一点在工程应用中具有格外重要的实践意义。孔隙度、饱和度和干密度对土样强

49、度的贡献在同一水平，这一结果可以从土力学 学问得到验证。干密度P”=反正和饱和度冬=氾(其中Gs为土粒比重，e为孔隙 1 + ee度，W为含水量，4为水的密度），说明它们是可以相互推导，相互表示的。回归分析结果说明干密度、孔隙度和饱和度对抗压强度的影响作用较小，笔者对此进行了认真争 辩，认为回归分析并没有正确反响干密度对抗压强度的贡献状况。就模型本身反响的状 况而言，对干密度的分析就存在一些问题：图21充分表现出干密度的变异性较大， 离群现象突出，回归趋势相当不明显，对这种状况，通过回归分析的手段很难正确描述 其影响规律；由图22的干密度残差图可以看出，干密度残差的散点分布集中于坐标 轴两端，

50、违反了残差的无定形分布规律，唯一的解释应当是对回归模型而言，干密度的 引入是不恰当的，也就是说，对此次试验结果，用回归分析并没有很好的回归出干密度 的影响趋势。依据水泥土加固机理的分析可知，虽然硫酸钙在水泥中的含量仅占35%, 但它能和约占水泥50%的铝酸三钙生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物的同时，结 合32倍于自己的水分子。此过程反响很快，最终把大量自由水以结晶水的形式固定下 来，这种水泥杆菌针状结晶在深层搅拌的特定条件下，完全可以利用这种膨胀势通过膨 胀、挤密作用增加地基加固效果。加固效果的提高，从另外一个角度来看，就表现为干 密度的增大。对本次含水量高的软粘土而言，硫酸钙的结晶过程对强

51、度的提高有特殊意 义，回归分析不能很好反响这种状况，要进行进一步的分析，只能实行其它分析方法。 本文主要利用神经网络模型做了初步的探究，具体分析见下文。H） 一.共线性分析：当模型被表示为线性模型结构时，假设检验就表示为各参数的线性函数。而当某 个回归变量近似是其余变量的线性组合时，得到的参数估量往往是不精确 的，而且估量量的方差很大，这就产生了共线性或复共线性。本文试图通过以下途径对 全回归模型的共线性进行诊断。.特征值法我们首先把光变换为对角线是1的矩阵，然后求解特征向量和特征值，如有r个 特征值近似为。，那么回归统计矩阵中有r个共线关系，且共线关系的系数向量就是近似 为。的特征值对应的特

52、征向量，依据以上计算结果，得到影响因素之间的相关数矩阵（见 表25）,相关数大的因素之间存在共线性问题。表25相关数计算结果表特征值常数掺入比龄期含水量孔隙度饱和度干密度波速常数1.00000.2668-0.30290.3479-0.5766-0.2907-0.7306-0.4677掺入比0.26681.0000-0.00730.4907-0.4930-0.46300.1294-0.7060龄期-0.3029-0.00731.00000.2877-0.2139-0.13600.29630.5315含水量0.34790.49070.28771.0000-0.9641-0.97290.3397-0

53、.1283孔隙度-0.5766-0.4930-0.2139-0.96411.00000.9112-0.08040.2093饱和度-0.2907-0.4630-0.1360-0.97290.91121.0000-0.42720.1721干密度-0.73060.12940.29630.3397-0.0804-0.42721.00000.2063波速-0.4677-0.70600.5315-0.12830.20930.17210.20631.0000.条件指数法条件指数定义为最大特征值和每个特征值之比的平方根。最大条件指数称为矩阵x 的条件数，当条件数较大时，这组数据被认为是病态数据，当条件数很大时

54、，认为有严峻共线性。我们的分析过程输出有每个主重量解释的估量方差比例，当条件指数高的主 重量对两个或几个变量的方差有很大贡献时，共线性问题就发生了。计算结果见表2-6：表2-6条件指数计算结果表个 数特征值条件数常数掺入 比龄期含水 量孔隙 度饱和 度干密 度波速17.669521.000000.00000.00020.00050.00000.00000.00000.00000.000020.213205.997850.00000.00000.12900.00000.00000.00000.00000.000130.080779.744260.00000.06730.01350.00010.0

55、0010.00000.00000.002040.0327115.313100.00010.10320.00180.00010.00010.00040.00080.000450.0028951.500040.00020.49230.04220.00010.00050.00950.00010.323060.0008793.868210.00730.08640.62360.00090.00380.02640.02140.500870.00003479.91850.67110.00120.16060.05900.00040.09520.96580.118880.0000796.54790.32130.

56、24920.02890.93990.99520.86850.01190.0550.方差膨胀因子法共线性严峻程度的另一种度量是方差膨胀因子(Vif),记C= (Cij) =(xx)T, Ri 为变量Xi对其余m-1个自变量的复相关系数，有Cii=(l-R2尸(i=l,2,，m),记 b= (b0, bi, , bni),那么即g与参数最小二乘估量b的方差仅差一个因子, 或者说C”是Var(bJ的一个因子，而且是很重要的因子，文献上称是方差膨胀因子, 并定义参数估量容许值的量Tol(i)=l-R2(i),称为变量X1的容许量，它和方差膨胀因子 Vif=的互为倒数,即Vif=1/Tol。R (i)度

57、量4与其余变量的线性相关程度,假设自变量 间共线性严峻，R(i)就接近于1,这是Tol接近于0,而Vif格外大。反之，假设R(i) 接近于0, Tol和Vif都趋于lo27各影响因素的膨胀因子表变量膨胀因子常数0.00000000掺入比4.83141296龄期6.09474784含水量1291.4638047孔隙度882.76581486饱和度113.93348703干密度62.52432310波速5.71286559从以上三种方法都可以看出，含水量、孔隙度和饱和度三者之间由相当强的共线 性。由特征值法可知，它们的相关数到达了 0.9以上；由条件指数法可以看出，在条件数为796.5479时，这

58、三者之间方差的贡献到达0.80.9；膨胀因子表也说明，它们的膨 胀因子与其他的因素相比也有相当大的数量级。由相关数矩阵还可知，波速除与龄期和 掺入比的相关性较强之外（相关数分另U为。.5315和0.7010）,与其他因素也有相当的相 关性，且偏相关程度大致相同，相关数大约为。.2左右。由相关数计算结果表25知, 干密度与含水量、饱和度的相关程度较强，而掺入比与龄期和干密度基本上不相关。以 上结论从表2-6和表2-7中也可以得到反响。由抗压强度猜想值与干密度的散点图图 21 （一组数据）可以看出，干密度离散程度相当大，离群现象突出，回归趋势不明。 这是一个潜在的和难以矫正的问题，只要有可能，就要

59、在收集数据时防止同类问题的发 生。N 12Rsq 0.9445AdjRsq 0.8474Rt MSE 0.42691.451 .50DRY图21抗压强度猜想值一干密度散点图D二.残差分析:回归模型的残差分析对于确定最小二乘拟合的适合性是必需的。假如模型正确并 且满足假定条件，那么残差应当是无定性的，它们应当与任一其他变量没有关系，自然也 与用来猜想响应的变量无关。依据本次残差分析的结果，笔者人为，回归模型对干密度 的描述是不恰当的。图22为残差一干密度散点图，散点主要分布在图形两端，位置 集中，而非无定形的平均分布，由此可知，对本模型而言，干密度这一因素的引入是不 合适的，应排解之。STRES

60、S = 1.3181 +2.9573 MIX +0.0154 DAY -59.57 RATE +16.134 HOLE +7.0217 FULL -4.0949 DRY0.002G SOUND12Rsq 0.9445AdjRsq 0.8474Rt USE 0.42691 .351 .401 .451.501.551.601.651.70DRY图2-2残差一干密度散点图方但以谓力口岫室土 白勺拧L度U弓虽度。己攵岳氏缝相小牛士白勺式绕模金. 籍 GZ肖11减土fe基土白勺 沃降。冗夕卜.防I匕（贝U向流5画期小生 流5尚）产生白勺萼女切至形.七口也改存 氮切牛寺小生白勺日白勺二。己攵声争溺才 相