粉喷桩加固地基技术

粉喷桩加固地基技术一、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，因此通过设置一定结构型式和尺寸的基础才能解决这个矛盾。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。凡是基础直接建在未经加固的天然土层上时，这种地基称之为天然地基。若天然地基很软弱，则事先需要经过人工处理后再建造基础者，这种地基称之为人工地基。随着国民经济的高速发展，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可，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，又节约投资的设计、施工和验算方法，已经刻不容缓的呈现在广大的工程技术人员面前。软土是指近代沉积的软弱土层，由于它低强度，高压缩性和弱透水性，作为地基，常常成为棘手的工程地质问题。软土的成分包括饱含水分的软弱粘土和淤泥土，其工程性质主要取决与颗粒组成、有机质含量、土的结构、孔隙比及天然含水量。软土地基的共同特性是：天然含水量高，最小为30%~40%，最高可达200%；孔隙比大，最小为0.8~1.2，最大达5；压缩系数大；渗透系数小，一般小于1ⅹ106CM/S；灵敏度高，在2~10之间，灵敏度高的软土，经扰动后强度便降低很多。软弱地基就是指压缩层主要由淤泥、淤泥质土、充填土、杂填土或其它高压缩性土层构成的地基。它是指基本上未经受过地形及地质变动，未受过荷载及地震动力等物理作用或土颗粒间的化学作用的软粘土、有机质土、饱和松砂土和淤泥质土等地层构成的地基。软弱地基的特点决定了在这种地基上建造工程，必须进行地基处理。地基处理的目的就是采取适当的措施改善地基条件，主要包括：改善剪切特性：地基的剪切破坏以及在土压力作用下的稳定性，取决于地基土的抗剪强度。因此，为了防止剪切破坏以及减轻土压力，需要采取一定措施以增加地基土的抗剪强度。改善压缩特性：主要是采用一定措施以提高地基土的压缩模量，藉以减少地基土的沉降。另外，防止侧向流动（塑性流动）产生的剪切变形，也是改善剪切特性的目的之一。改善透水特性：由于地下水的运动会引起地基出现一些问题，为此，需要采取一定措施使地基土变成不透水层或减轻其水压力。改善动力特性：地震时饱和松散粉细砂（包括一部分轻亚粘土）将会产生液化。因此，需要采取一定措施防止地基土液化，并改善其振动特性以提高地基的抗震特性改善特殊土的不良地基特性：主要是指消除或减少黄土的湿陷性和膨胀性等特殊土的不良地基特性。第二节地基处理的分类和方法我国劳动人民在处理地基方面有着极其宝贵的丰富经验，据史料记载，早在两千年以前就已采用在软土中夯入碎石等压密土层的夯实法，灰土和三合土的换土垫层法也是我国的传统建筑技术之一。随着时代的发展，地基处理方法也有了长足进步，按时间分可分为临时处理和永久处理；按深度分可分为浅层处理和深层处理；按土性对象分可分为砂性土处理和粘性土处理，饱和土处理和非饱和土处理等。许多方法尚在不断发展中，基本方法是置换，夯实，挤密，排水，胶结，加筋和热学等处理方法。这些方法都是被实践证明的行之有效的方法。近三、四十年来，国外在地基处理技术方面发展十分迅速，老方法得到改进，新方法不断涌现。在60年代中期，从如何提高土的抗拉强度这一思路中，发展了土的“加筋法”；从如何有利于土的排水和加速固结这一基本观点出发，发展了土工织物、砂井预压和塑料排水板；从如何进行深层压密处理的方法考虑，发展了“强夯法”和“振动水冲法”等。另外，现代工业的发展，对地基工程提供了强大的生产手段，真空泵的问世，建立了“真空预压法”，在压缩空气机的基础上产生了“高压喷射注浆法”。随着地基处理工程实践经验的积累，人们在改造土的工程性质的同时，不断丰富了对土的特性的认识，从而又推动了地基处理技术和方法的更新，以前简单的分类方法已经不能符合时代的要求，按地基处理的作用机理对地基处理方法进行分类，能体现各种处理方法的主要特点，是一种比较妥当的分类方法。按地基处理的作用机理分类，各种处理方法的简介见表１—１表1—1．各种处理方法的比较分类处理方法原理及作用实用范围优点及局限性浅层密实法机械碾压法挖除浅层软弱土土或不良土土，分层碾碾压或夯实实土，按回回填的材料料可分为沙沙（石）垫垫层，碎石石垫层，粉粉煤灰垫层层，干渣垫垫层，土（灰灰土，二灰灰）垫层等等。它可提提高持力层层的承载力力，减小沉沉降量，消消除或部分分消除土的的湿陷性和和膨胀性，防防止土的冻冻胀及改善善土的抗液化性。常用于基坑面积积大和开挖挖土方量较较大的回填填土方工程程，适用于于处理浅层层非饱和软软弱土地基基，湿陷性性黄土地基基，膨胀性性地基，季季节性冻土土地基，素素填土和杂杂填土地基基。简易可行，但仅仅限于浅层层处理，一一般不大于于3米，对湿湿陷性黄土土地基不大大于5米。如遇地下水，对对于重要工工程需要附附加降低地地下水的措措施。重锤夯实法适用于地下水位位以上为潮潮湿的粘性性土，砂土土和湿陷性性黄土，杂杂填土和分分层填土地地基。续表1—1．分类处理方法原理及作用实用范围优点及局限性浅层密实法平板振动法挖除浅层软软弱土或不不良土，分分层碾压或或夯实土，按按回填的材材料可分为为沙（石）垫垫层，碎石石垫层，粉粉煤灰垫层层，干渣垫垫层，土（灰灰土，二灰灰）垫层等等。它可提提高持力层层的承载力力，减小沉沉降量，消消除或部分分消除土的的湿陷性和和膨胀性，防防止土的冻冻胀及改善善土的抗液化性。适用于处理理非饱和性性，无粘性性土或粘粒粒含量少而而透水性强强的杂填土土地基简易可行，但仅仅限于浅层层处理，一一般不大于于3米，对湿湿陷性黄土土地基不大大于5米。如遇地下水，对对于重要工工程需要附附加降低地地下水的措措施。强夯挤密法采用边强夯、边边填碎石、边边挤淤的方方法，在地地基中形成成碎石墩体体，从而提提高地基承承载力和减减小沉降。适用于厚度较小小的淤泥和和淤泥质土地基。应应通过试验验方法确定定其适用性性。爆破法由于振动使土体体产生液化化和变形，达达到较大的的密实度，用用以提高地地基承载力力和减小沉沉降。适用于饱和性砂砂或非饱和和性但经灌灌水后饱和和的砂，粉粉土和湿陷陷性黄土。深层密实法强夯法利用强大的夯击击能，迫使使深层土液液化和动力力固结，使使土体密实实，用以提提高地基承承载力和减减小沉降，消消除土的湿湿陷性、膨膨胀性和液液化性。强强夯置换是是指对厚度度小于6米的软弱弱土层边夯夯边填碎石石，形成深深度为3~6米，直径径为2米左右的的碎石柱体体，与周围围土体形成成复合地基基。适用于碎石土，砂砂土，素填填土，杂填填土，低饱饱和度的粉粉土与粘性性土，湿陷陷性黄土。强夯置换法适用用于软粘土土。施工速度快，施施工质量容容易得到保保证。经处处理后土体体性质较为为均匀，造造价经济，适适用于大面面积场地。施工时对周围有有很大的振振动和噪音音，不宜在在闹市区施施工，并且且需要整套套强夯设备备（重锤，起起重机）。续表1—1分类处理方法原理及作用实用范围优点及局限性深层密实法挤密法（碎石、砂石桩桩挤密法）（土，灰土，二二灰桩挤密密法）（石灰桩挤密法法）利用挤密或振动动使深层土密实，并在在振动或挤挤密过程中中回填以砂砂，砾石，碎碎石，土，灰灰土，二灰灰或石灰等等，形成砂砂桩，碎石石桩，土桩桩，灰土桩桩，二灰桩桩，或石灰灰桩，与桩桩间土一起起组成复合合地基，从从而提高地地基承载力力，减少沉沉降量，消消除或部分分消除土的的湿陷性或或液化性。砂（砂石）桩挤挤密法，振动水冲冲法，干振振碎石桩法法一般适用用于杂填土土和松散砂砂土，对软软土地基经经试验证明明加固有效效时方可使使用。土桩桩，灰土桩桩，二灰桩桩挤密性一一般适用于于地下水位位以上深度度为5~10米的湿陷陷性黄土和和人工填土土。石灰桩桩适应于软软弱的粘性性土和杂填填土。经振冲处理后地地基土性质较为均匀。排水固结法堆载预压法真空预压法降水预压法电渗排水法通过布置垂直排排水井，改改善地基排排水条件，并并采取加压压，抽水，抽抽气和电渗渗等措施，以以加速地基基土的固结结和强度的的增长，提提高地基土土的稳定性性，并使沉沉降提前完完成。适用于处理厚度度较大的饱饱和粘土和和冲填土地地基，但对对于厚的泥泥炭层要慎慎重对待。需要有预压时间间和荷载条条件及土石石方搬运机机械。对真空预压，预预压压力达达80kppa还不够时时，可同时时加土石方方堆载。真真空泵需长长时间抽气气，耗电量量大。降水预压法无须须堆载，效效果取决于于降水水位位的深度，需需长时间，耗耗电量大。加筋法加筋土，土锚，土土钉锚板在人工填土地路路堤或挡墙墙内铺设土土工合成材材料：钢带带，钢条，尼尼龙或玻璃璃纤维等作作为拉筋，或或在软弱土土层上设置置树根桩或或碎石桩等等，使这种种人工复合合土体可以以承受抗拉拉、抗压、抗抗剪和抗弯弯作用，用用以提高地地基的承载载力，减小小沉降量和和增加地基基稳定性。加筋土适用于人人工填土的的路堤和挡挡墙结构。土土锚，土钉钉，锚板运运用于土坡坡稳定。

第三节粉体喷射搅拌法的发展历史、工程特点及其应用一、粉体喷射搅拌法的发展历史、现状及工程特点粉体喷射搅拌法是在软土地基中输入粉体加固材料（水泥粉或石灰粉），通过搅拌机械与原位地基土强制性搅拌混合，使地基土和加固材料发生化学反应，在稳定地基土的同时提高其强度的方法。1967年瑞典KJELDPAUS提出使用石灰搅拌桩加固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10~15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年由运输部港湾研究所开始研制石灰搅拌施工机械，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采用粉体作为固化剂，不再向地基中注入附加水分，反而能充分吸收周围软土中的水分，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年初开始进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验研究，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颁布（《软土地基深层搅拌加固技术规程》YBJ225—91），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）可更多吸收软土地基的水分，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许多，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，可达到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，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，减少土方工程。施工无振动，无噪声，无排污，对周围环境无污染，对周边软土无扰动。加固费用不高，成桩快。一般日成桩300~400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。粉体喷射搅拌法（干法）由浆体深层搅拌法（湿法）改进而来。在原地基承载力高时，湿法施工比干法施工搅拌搅拌效果理想。若采用干法施工，搅拌后形成的水泥土均匀性相对较差。另外，当天然地基土的含水量较低时，干法搅拌满足不了水泥水化反应的水量要求，从而达不到理想的效果。二、粉体喷射搅拌法在路基设计中的应用粉体喷射搅拌法作为软土地基处理的一种方法，由于其加固工期短，见效快，就地处理，最大限度利用原土，无污染，加固后地基整体性、水稳定性及强度都有大幅度的提高，目前已得到越来越多的应用。在我国，粉喷桩加固软弱土层已经被广泛的用于铁路、高等级公路、市政工程、工业与民用建筑、港口码头等工程的地基加固，并取得了较好的技术经济效果和社会效果。尤其对高速公路的建设而言，路线所经区域的不良地质主要为软土地基，路堤的沉降，桥头的沉降和小型构造物的不均匀沉降，常常是工程设计人员面临的主要难题，这些问题解决的好坏与否，不仅直接关系到高速公路建设成败的关键，也是控制工期、关系工程造价的重要环节。为了确保路面的使用质量，在充分考虑各种软土路段路基的处理方案时，不少工程采用粉喷桩对软土路基的高填土部分和桥头部位进行处理。国内外工程实践表明，经过加固后的土体压缩性明显减小，抗侧向变形能力有所提高，明显防止软土对桥台桩基的侧向挤密作用。又因水泥土的固化时间较短，在争取时间的过程中不失为一种有效的软基处理方法。在施工期紧的情况下，遇到桥台施工与桥台后填土安排的矛盾时，不少中高填土部位采用粉喷桩加固方案。第四节问题的提出和本文主要研究内容一、问题的提出1、粉体喷射搅拌法常被应用于建筑物地基、高速公路路基等加固工程中，其机理是基于水泥对土的加固作用。然而这项技术的发展历史仅仅为几十年，对其加固机理的认识还不充分，设计理论和方法还不不成熟，有些还处于半理论半经验的状态。粉喷桩的一般设计原则为桩径50cm，粉剂为425#水泥干粉，掺量为天然土重的15%，桩间距约为1~2米左右，呈正三角或正方形布置，施工采取全程复搅复喷等措施。鉴于各类软基成因复杂，性质千差万别，含水量有多寡，软土成分、有机质、酸碱度各异；同一设计方案并不能满足普遍工程的特殊性，同时设计参数的确定，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安全系数的情况下，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。2、工程实践表明，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发展至今，加之工程管理的疏漏，操作人员素质的参差不齐，技术应用的某种失度，确实有加固失败，工程失事的情况发生，致使深层搅拌这一具有明显优势的加固技术在国内的发展受到了限制。对粉喷桩这种隐蔽工程而言，如何准确、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控制提供依据，另一方面便于及时的检查和发现施工过程中出现的问题，解决施工质量状况令人疑虑状况，有必要提供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。3、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，对软弱地基的判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、方法简单易行的实用计算方法，对工程技术人员而言，将具有直接的工程实践意义。鉴于以上原因，本文以在建的省“九五”重点工程—xx至xx高速公路的软基加固工程为依托，结合河海大学结构研究所与xx公路建设处合作的xx市重点建设工程—xx至xx高等级公路二期工程，对粉喷桩加固路基方案的设计、桩基现场质量控制及粉喷桩复合地基沉降的计算进行了初步研究，以期加深前期经验，积累资料成果，指导工程实践，达到修正和完善现有工程设计、现场检测和沉降计算方法的目的。二、本文主要研究内容水泥土抗压强度的影响因素分析为了经济合理地确定深层搅拌法加固地基土的技术方案，确定与地基土加固相适应的水泥品种、标号和水泥掺入比，同时也是为地基加固设计提供必不可少的试验资料，预先进行了各种不同方案的水泥土室内配比试验。目的在于探索用水泥土加固各种成因软土的适宜性，了解加固水泥的掺入比、含水量、龄期、外掺剂等对水泥土强度的影响，求得波速、掺入比、含水量、干密度、龄期和标贯击数与强度的关系，从而为设计、计算和施工提供可靠的参数。现场桩基质量检测本文首先根据波速、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，结果合理可靠的方法，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公路软土路基的处理而言，沉降量的估算是决定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对比分析和估价，决定采取数值和简化两种计算手段。数值计算采用非线性有限元方法，土体假定为邓肯—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—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，在填土作用下根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。简化计算主要采用等效模量当层法和Mindlin—Boussinesq联合求解法计算沉降，并根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。第二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土经过一系列物理化学反应，对软土结构进行改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决定性因素，然后结合具体工程软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，本文首先从对水泥土加固机理的研究出发，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应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表面积不大，活性很弱的介质中进行水解水化作用，所以凝结速度较快。而在水泥加固土中，由于水泥掺量很小，水泥的水化水解反应完全是在具有一定活性的介质—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，比表面积大，且多呈片状，性质活泼，有较强的吸附水能力，改善粘土矿物性质就可以改善软土的物理力学性质。一、水泥的水解水化反应普通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应，在软土中形成水泥石骨架。主要反应如下：2（3CaO·SiO2）6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O3Ca（OH）2；2（2CaO·SiO2）4H2O→3CaO·2SiO2·3H2OCa（OH）2；3CaO·Al2O36H2O→3CaO·Al2O3·6H2O；4CaO·Al2O3Fe2O32Ca（OH）210H2O→3CaO·Al2O3·6H2O3CaO·Fe2O3·6H2O；3CaSO43CaO·Al2O332H2O→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，含水硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽继续渗入颗粒内部，但新生成物不能再继续溶解，只能以胶体析出，悬浮在溶液中。根据电子显微镜的观察，水泥杆菌最初以杆状结晶形式在比较短的时间内析出，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，这种反应迅速，最后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，可使土中自由水的减少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，否则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。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，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与周围具有一定活性的粘土颗发生反应。1）离子交换和团粒化作用粘土和水结合时就表现一定的胶体特性，如土中二氧化碳遇水后，形成胶体微粒，其表面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，从而使土体的强度提高。水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒大1000倍，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，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，形成坚固的联结。从宏观上看也能使水泥土的强度大大提高。2）硬凝反应随着水泥水化反应的深入，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部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，增大水泥土强度。SiO2Ca（OH）2nH2O→3CaO·SiO2·(nH)H2O;Al2O3Ca（OH）2nH2O→CaO·Al2O3·(n1)H2O;从电子显微镜扫描的观察可见，拌入水泥7天时，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，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，并不断延伸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分辨。3）碳酸化作用水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收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，这种反应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，实际上不可避免会留下一些未被粉碎的大小团粒，在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象，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，而在大小土团内部则没有水泥。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，才逐渐改变性质。因此在水泥土中不可避免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，则水泥土结构的离散性越小，其宏观强度也越高。第二节水泥土的室内配比试验一、试验目的软弱土层的粉喷桩加固技术是基于水泥对软土的加固作用，而目前这项技术的发展仅仅经历了几十年，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经验状态，因此，应该特别重视水泥土的室内配比试验。通过对试验结果的分析，掌握一些规律性因果关系来指导粉喷桩加固方案的设计。本文根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土加固效果有影响的因素如：掺入比、含水量等因素进行了分析，希望对设计、计算和施工中重要参数的确定有指导意义，从而经济合理地确定深层搅拌法加固地基土的技术方案，也为类似工程提供参考数据。具体步骤如下：1、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。二、试验设计的基本原理1、重复性重复性是指基本试验的重复进行。重复有两个重要性质：第一，是可以得到试验误差的一个估计量；第二，如果样本均值用作为试验中一个因素的效应估计量，则重复允许试验者求得这一效应更为精确的估计量。例如：如果σ2是数据方差，而有n次重复的样本均值的方差则为σ2/n。这一点的实际意义是,如果只有一次试验，并观察到含水量为40%的试块抗压强度为y1=0.9Mpa，而含水量为30%的试块抗压强度为y2=1.0Mpa，我们也许不能作出抗压强度随含水量增加而降低的推断，也就是说观察差可能是试验误差的结果；另一方面，如果n合理的大，试验误差足够小，当观察到同样的结果时，我们就认为以下的结论是可靠的：在其他条件相同的条件下，含水量的增加确实使水泥土抗压强度降低。2、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，指试验材料的分配和各个试验的进行次序都是随机确定的。统计方法要求观察值（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”可能出现的外来因素的效应。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。3、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部分，相比于试验材料全体，它们本身的性质应该更为类似。例如：想知道掺入比对试块强度的影响，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决定的，因为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检验法来比较。这样就会显现出完全随机化设计的一个严重缺陷。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。区组化原则就是针对这一情况，假定一个模具可以制成掺入比不同的两个试块，这样试块之间的厚度、密实性等差异将缩小，从而降低其他因素引起的抗压强度的变异性，达到提高试验精确度的目的。以上设计实际是一般的随机化区组设计中特殊的设计类型。区组理解为一个相对均匀的试验单元，并且表示对完全随机化的一个约束，因为处理组合仅仅在区组内部是随机化的。但是，要注意以下几点：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n1-1n2-1=10-110-1=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（n2-1）个自由度。但我们希望，消除了附加的变异性源（样本之间的差别）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间小于独立分析所得到的置信区间，这一点反应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。如果区组内部的变异性和区组之间的变异性相同，则y1-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，因为区组化损失了（n2-1）个自由度并在实际上导致了一个关于（μ1-μ2）的较宽的置信区间。三、试验设备和规程本次试验用土取自xx公路（xx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提供桩间土参数。根据表2—1提供的地质资料情况，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，由于钻头的推进和旋转，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70mm×70mm×70mm的立方体，空气养护，搅拌方式为干搅，按照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×12个=144（个）表2—1.xx二期土工试验成果表xx大桥北（kk544400—465）土层种类深度（m）含水量（%）干密度（g/ccm3）孔隙比比重压缩系数（Mppa-1）压缩模量（Mppa）粉质粘土1.0-1.2228.31.430.8972.720.523.6淤泥质粉粘土3.1-3.3341.01.261.1672.720.842.5粉质粘土4.5-4.7727.61.510.8002.710.364.9粘土8.0-8.2227.11.520.7982.730.189.8xx大桥南（kk546625—670）土层种类深度（m）含水量（%）干密度（g/ccm3）孔隙比比重压缩系数（Mppa-1）压缩模量（Mpa）粉质粘土2.0-4.2229.31.470.8452.720.403.9粉土7.0-7.2226.01.540.7542.700.23

第三节多元线性回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质对水泥土强度都有强烈的影响，现排除设计、施工等诸多因素，在本章分析中，主要研究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，同时希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控制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，主要采取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，在本章的最后，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题，希望探索一条处理数据的新途径。分析根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x1、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x1,···x7的n次观测数据满足线性回归模型yj=β0β1x1j···β7x7jεjcj(j=1···n)用距阵符号表示为：Y=Xβε其中Y=（Y1，···YN）,为因变量的观测向量，β=（β1，···βm）,是未知参数向量，x=,为n×(71)阶距阵，是回归变量的观测数据阵，ε=（ε1，···εn）,是未知的误差向量，且E（ε）=0，E（εε）=σ2。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x1,···x7中所有可能的回归模型中选出拟合这组数据的最优回归子集，本文主要采用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抗压强度掺入比含水量孔隙度饱和度干密度波速龄期;Cards;1.490.080.2340.6200.9261.61141430························2.360.120.2220.5880.9451.69164530Procreg;Model抗压强度=掺入比含水量孔隙度饱和度干密度波速龄期/selection=nonercollintolvif;Run;输出结果为当前选择模型的方差分析表及参数估计等有关统计量（全回归变量分析）。具体结果如下：表2—2检验回归显著性的方差分析变差来源自由度平方和均方误差F0检验量显著性概率Prrob>FF0回归模型712.408001.7725779.7290.0221残差的误差40.7288110.182200偏差总和1113.136883表2—3参数估计自变量自由度回归系数标准差T检验Prob>|TT|常数11.318100219.3345520.0680.9489掺入比12.95731109.44560090.3130.7699龄期10.01537730.01014401.5160.2041含水量1-59.570009391.345660-0.6520.54999孔隙度116.134003532.6639970.4940.6472饱和度17.021655714.8583350.4730.6611干密度14.09487768.30356680.4930.6478波速10.00259960.00185561.3980.2346则抗压强度Y=1.3182.957x10.015x2-59.570x316.134x47.022x54.095x60.003x7表2—4模型显著性检验及偏相关分析标准差估计计量0.426855复相关系数数0.9445样本均值2.742500修正的平方方复相关系系数0.8474变异系数15.564337使用类型II平方和（SS）的平方方偏相关系系数，用SS/（SSSSSE）计算波速掺入比含水量龄期孔隙度饱和度干密度0.648700310.503033670.366311400.328333690.169788980.104300440.09679931我们常用判定系数R-square来衡量回归模型的适合性。显然0<R2<1，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部分所占的比例。也就是说，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，这也说明了采用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、龄期的敏感性是比较强的，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，此结论告诉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继续进行讨论。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改变软土的加固效果。从分析结果看，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：波速可以作为反应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，通过波速仅仅是达到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；根据本章第一节中水泥土的加固机理可知，提高软弱土强度的水解水化反应、硬凝反应和碳酸化作用，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控制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十分重要的实践意义。孔隙度、饱和度和干密度对土样强度的贡献在同一水平，这一结果可以从土力学知识得到验证。干密度和饱和度（其中Gs为土粒比重，e为孔隙度，w为含水量，为水的密度），表明它们是可以互相推导，互相表示的。回归分析结果表明干密度、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研究，认为回归分析并没有正确反应干密度对抗压强度的贡献情况。就模型本身反应的情况而言，对干密度的分析就存在一些问题：图2—1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，对这种情况，通过回归分析的手段很难正确描述其影响规律；由图2—2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，违背了残差的无定形分布规律，唯一的解释应该是对回归模型而言，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。根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3～5%，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。此过程反应很快，最后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度的提高有特殊意义，回归分析不能很好反应这种情况，要进行进一步的分析，只能采取其它分析方法。本文主要利用神经网络模型做了初步的探索，详细分析见下文。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，得到的参数估计往往是不准确的，而且估计量的方差很大，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。1、特征值法我们首先把变换为对角线是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0，则回归统计矩阵中有r个共线关系，且共线关系的系数向量就是近似为0的特征值对应的特征向量，根据以上计算结果，得到影响因素之间的相关数矩阵（见表2—5），相关数大的因素之间存在共线性问题。表2—5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1.00000.2668-0.302990.3479-0.57666-0.29077-0.73066-0.46777掺入比0.26681.0000-0.007330.4907-0.49300-0.463000.1294-0.70600龄期-0.30299-0.007331.00000.2877-0.21399-0.136000.29630.5315含水量0.34790.49070.28771.0000-0.96411-0.972990.3397-0.12833孔隙度-0.57666-0.49300-0.21399-0.964111.00000.9112-0.080440.2093饱和度-0.29077-0.46300-0.13600-0.972990.91121.0000-0.427220.1721干密度-0.730660.12940.29630.3397-0.08044-0.427221.00000.2063波速-0.46777-0.706000.5315-0.128330.20930.17210.20631.00002、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，认为有严重共线性。我们的分析过程输出有每个主分量解释的估计方差比例，当条件指数高的主分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17.6695221.0000000.00000.00020.00050.00000.00000.00000.00000.000020.2132005.9978550.00000.00000.12900.00000.00000.00000.00000.000130.0807779.7442660.00000.06730.01350.00010.00010.00000.00000.002040.03271115.3131100.00010.10320.00180.00010.00010.00040.00080.000450.00289951.5000040.00020.49230.04220.00010.00050.00950.00010.323060.00087793.8682210.00730.08640.62360.00090.00380.02640.02140.500870.000033479.918850.67110.00120.16060.05900.00040.09520.96580.118880.0000796.547790.32130.24920.02890.93990.99520.86850.01190.05503、方差膨胀因子法共线性严重程度的另一种度量是方差膨胀因子（Vif），记C=（Cij）=，Ri为变量xi对其余m-1个自变量的复相关系数，有cii=(1-R2(i))-1(i=1,2,,m),记b=(b0,b1,,bm),则Var(bi)=cii,即cii与参数最小二乘估计bi的方差仅差一个因子，或者说cii是Var(bi)的一个因子，而且是很重要的因子，文献上称cii是方差膨胀因子，并定义参数估计容许值的量Tol(i)=1-R2(i),称为变量xI的容许量，它和方差膨胀因子Vif=cii互为倒数，即Vif=1/Tol。R（i）度量xi与其余变量的线性相关程度，若自变量间共线性严重，R（i）就接近于1，这是Tol接近于0，而Vif非常大。反之，若R（i）接近于0，Tol和Vif都趋于1。表2—7各影响因素的膨胀因子表变量膨胀因子常数0.000000000掺入比4.831411296龄期6.094744784含水量1291.466380447孔隙度882.7655814886饱和度113.9333487003干密度62.5243323100波速5.712866559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，它们的相关数达到了0.9以上；由条件指数法可以看出，在条件数为796.5479时，这三者之间方差的贡献达到0.8~0.9；膨胀因子表也表明，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（相关数分别为0.5315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0.2左右。由相关数计算结果表2—5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中也可以得到反应。由抗压强度预测值与干密度的散点图图2—1（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，就要在收集数据时防止同类问题的发生。图2—1抗压强度预测值—干密度散点图二、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须的。如果模型正确并且满足假定条件，则残差应该是无定性的，它们应该与任一其他变量没有关系，自然也与用来预测响应的变量无关。根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2—2为残差—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，应排除之。图2—2残差—干密度散点图图2—3是除去干密度影响因素后土样抗压强度数据的残差对拟合值的图形，没有出现异常结构。这说明模型是适合的。图2—3抗压强度数据的残差对拟合值的图第四节常规方法对水泥土强度影响因素分析一、抗压强度的影响因素分析1、掺入比对强度的影响在室内配比实验中，水泥掺入比分别取8%、12%和15%，掺入比过大则不能体现粉喷桩经济实用的特点，实际工程一般不予采用。当掺入比小于7%时，对粘性软土而言，水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性较大，难以形成水泥石骨架，水泥水化物也不能与软土颗粒充分反应。因此，在实际施工中掺入比最少不低于8%，一般在12~15%。根据实验结果，做抗压强度与掺入比折线图如图2—4：图2—4抗压强度—掺入比曲线图由图可以看出，水泥土抗压强度随着掺入比的提高而增大，随着龄期的增长而增大。另外对实验数据分析后发现，在其他条件相同时，某水泥掺入比m的强度fm和水泥掺入比为12%的强度f12比值fm/f12与掺入比m有较好的归一化性质，两者呈幂指数关系，即：fm/f12=amb,当取龄期为30天，含水量为30%时，fm/f12=11.5m0.74789(相关系数R=0.993，剩余标准差SD=0.022，显著性水平p<0.07331)当取龄期为90天，含水量为30%时，fm/f12=11.4m0.84192(相关系数R=0.992，剩余标准差SD=0.027，显著性水平p<0.08925)当其他条件相同，两个不同掺入比的水泥土无侧限抗压强度之比fm1/fm2随掺入比的比值m1/m2的增大而增大，呈幂指数关系。方程式为fm1/fm2=(m1/m2)b经对数变换后可得结果，lg(fm1/fm2)=blg(m1/m2)，见图2—5：图2—5lg(fm1/fm2)与g(m1/m2)关系曲线图即fm1/fm2=(m1/m2)0.74798(R=0.993，SD=0.02，N=9，P<0.001)利用以上经验公式，我们就可以根据一种掺入比的抗压强度大小推求任意一种掺入比情况下土样的抗压强度或根据土样的抗压强度大小来估计其水泥掺入比的比例。2、龄期对抗压强度的影响水泥土的强度随龄期的增长而提高，在龄期超过28天后仍有明显增长，当龄期超过三个月后，强度的增长才减缓。根据电子显微镜的观察，水泥与土的硬凝反应需三个月才能充分完成。因此取三个月龄期的强度作为水泥土的标准强度较为适宜。取含水量为30%的实验资料，作掺入比分别为8%、12%和15%的强度f和龄期t的曲线如图2—6：图2—6抗压强度—龄期曲线记各掺入比土样90天龄期的抗压强度为f90，以其为标准强度单位，随着龄期变化，各强度增长率如图2—7：图2—7强度增长率—龄期图由图2—7可以看出，水泥土的强度增长率随掺入比的增加而减小，原因也许是因为掺入比低的试块早期强度低，水泥的加固稍有作用便明显表现，而掺入比高的试块早期强度也高，其强度增长率要想与掺入比低的试块强度增长率保持在同一水平，试块的强度增长幅度要相当大，因此导致了掺入比高的试块强度增长率相对较慢。水泥土强度增长速度大大缓于混凝土，且增长规律不同，这一现象对其强度评价和质量检测应予以注意。回归分析发现，其他条件相同时，某个龄期下的无侧限抗压强度ft和龄期为30天的无侧限抗压强度f30的比值ft/f30与龄期t有较好的归一性，且大致呈幂指数关系，其关系式为ft/f30=atb。对掺入比15%的土样，得：ft/f30=1.04065t0.35408（R=0.998，S=0.021，P<0.002）在其他条件相同的情况下，两个不同龄期的水泥土强度之比随龄期增大而增大，且呈幂指数趋势，经验方程式为：ft1/ft2=(t1/t2)0.3541（R=0.994，S=0.020，P<0.002）同时考虑掺入比和龄期对强度的影响，经回归分析，得到如下经验公式：fm1,t1/fm2,t2=a(m1/m2)b(t1/t2)c式中fm1,t1表示掺入比为m1，龄期为t1的无侧限抗压强度。经对数变换后，可得线性方程，经回归后可得：lg(fm1,t1/fm2,t2)=1.242lg(m1/m2)0.392lg(t1/t2)式中：R=0.986,S=0.068,N=36,P<0.0001。在实际工程应用中，人们已经习惯于把粉喷桩90天龄期的无侧限抗压强度作为标准单位，利用它来评判粉喷桩的质量状况。有了上述经验公式，我们可以非常方便的将掺入比不同，龄期不同的水泥土抗压强度转化到统一的掺入比、龄期的情况下，和规范规定的标准进行比较，根据比较的结果做出判断，然后采取相应的工程措施。3、含水量对抗压强度的影响水泥土的无侧限抗压强度随着土样含水量的降低而增大，当含水量由40%降到30%，无侧限抗压强度分别提高10%~70%，这种变化从图2—4中已经得到明显反应。另外，经分析知，含水量低的加固土其强度的提高，与掺入比和龄期的因素也有关联，在掺入比高、龄期短的情况下将引起强度的显著提高。较低的含水量和较高的掺入比将会形成较大的干密度和较强的密实度，从而提高强度。但在较大的含水量情况下，龄期的延长对强度的增长贡献甚微，其原因尚须进一步研究。综上所述，含水量不同时引起强度增长的程度与掺入比和龄期有相当关系。在回归分析中，将考虑选用以下经验公式：fm1,t1,w1/fm2,t2,w2=(m1/m2)a(t1/t2)b(w1/w2)(cm1dm2et1ft2ghm1t1im2t2jm1t2km2t1)其中，fm1,t1,w1表示掺入比为m1，龄期为t1，含水量为w1的水泥土抗压强度，对上式进行对数变换后多元线性回归结果如下：方程式为：：fm1,t1,ww1/fm2,,t2,ww2=(m1/m2)00.96003(t1/tt2)0..49622(w1/w22)(0..19755（m1mm2）-0.00146（t1tt2）3.221560.18818（m1t11m2tt2）)上式适用条件是是t=(330~900)天，m1=（8%~220%）。由残差图（图22—9）知，散散点分布在在整个区域域杂乱无章章，出现概概率均匀，没没出现明显显的聚集或或二次分布布等规律性性趋势，这这说明采用用上述模型型回归是合合理的。4、波速与抗压强强度的关系系取龄期为30天天的室内配配比试验土土样，做强强度与波速速的散点图图，根据散散点分布规规律，对其其选用生长长曲线函数数。式中，x表示波速速，x0、t1和t2为待定常常数：图2—8波速与抗抗压强度曲曲线图进行非线性性拟合的结结果图2—8所示：得：y0==1.111056，x0=0.9973199，A1=A2=0.0013688，t1=t2=0.1181422。其中，P<0..000001，R=0..95,nn=6。对本项项工程而言言，达到设设计抗压强强度的粉喷喷桩其桩体体波速速率率一般在11000m/s~~17000m/s之间，可可供检测软软土加固效效果时参考考。二、抗拉、抗剪剪强度的影影响因素分分析水泥土的抗拉强强度试验采采用8字模进行行拉断试验验，室内试试样的抗压压强度fcu=1..49~55.12Mpa时，其抗抗拉强度=0.1103~00.4322Mpa，即=（0.033~0.332）fcu。抗拉拉强度的影影响因素和和变化规律律与抗压强强度大体一一致，变化化趋势与抗抗压强度相相似，但在在变化幅度度上要小。根根据试验结结果的回归归分析，水水泥土抗拉拉强度随无无侧限抗压压强度fcu的增大大而提高，两两者之间有有以下关系系：=0.0332170.055258fcu(RR=0.9991,SS=0.0006,NN=12,,P<0..001))从抗剪参数的变变化过程可可以看出，粘粘聚力随着着掺入比的的增加而提提高，随抗抗压强度的的增加而增增加，当fcu=1..45～5.122Mpa时，其粘粘聚力c=0..4～1.11，内摩擦擦角变化幅幅度为17o～400。与原状状淤泥质粘粘土相比，粘粘聚力和内内摩擦角都都有不同程程度的提高高，说明水水泥土的抗抗剪强度远远大于原状状土。这是是因为水泥泥混入土体体后的硬凝凝作用产生生的水泥水水化硬凝物物质增加了了加固土的的糙度，从从而加大了了剪切面的的摩擦系数数，提高了了抗剪强度度。根本原原因在于抗抗压破坏与与抗剪破坏坏的方式不不同，抗压压、抗拉依依靠的是土土颗粒间的的联结力和和结构支撑撑力起主导导作用，而而抗剪时土土颗粒间粘粘聚力和土土颗粒间的的摩擦力起起主导作用用。另外，拉拉、压破坏坏面不是一一个规则平平面。如果果土体中土土颗粒不是是完全被水水泥石颗粒粒包围，破破坏可以沿沿颗粒间的的软弱面发发生，当剪剪切破坏则则是沿一相相对平整的的面，剪切切对土体的的破坏面不不能绕过水水泥土颗粒粒，这些颗颗粒起着抗抗剪切作用用，从而提提高了水泥泥石的抗剪剪强度。根据试验的数据据进行的回回归结果来来看，水泥泥土的粘聚聚力c与其无侧侧限抗压强强度fcu大致呈呈线性关系系，回归方方程式如下下：c=0.18884900.170043ffcu(RR=0.9937611,S=00.078862,NN=12,,P<0..001))拟合结果如如下图所示示：图2—100粘聚力—抗压强度度曲线图第五节BBP神经网络络模型对水水泥土抗压压强度影响响因素的分分析室内配比试验目目的是希望望通过对试试验资料的的分析，了了解各种影影响因素与与抗压强度度之间的内内在规律性性，来指导导粉喷桩的的设计及施施工。以往往的做法是是对样本值值进行多元元线性回归归建立经验验公式，然然而，这一一过程存在在诸多问题题。掺入比比、含水量量等因素与与抗压强度度的关系无无疑是非线线性的，用用线性模型型来拟合非非线性关系系，效果是是不能令人人满意的，这这一点可以以通过模型型的适合性性检验和残残差分析得得到反映；；就线性模模型本身而而言，其应应用范围的的狭小和局局限性，是是显而易见见的。鉴于于水泥土自自身结构的的复杂性和和对其加固固机理的研研究尚待进进一步深入入，用传统统的数学工工具模拟上上述非线性性过程，建建模相当困困难。由于于影响粉喷喷桩的因素素如掺入比比、含水量量、饱和度度、加固土土密度、龄龄期等较多多，且诸因因素相互作作用，交叉叉影响，使使的室内配配比试验成成果表象复复杂，数据据离乱，无无明显的关关系存在，给给成果分析析带来困难难。再又因因为试验成成本的缘故故，很难达达到满足常常规分析计计算需要的的样本量，亦亦不能保证证试验样本本有较好的的分布规律律，往往使使量化结果果与定性分分析产生矛矛盾。如何何明确系统统的非线性性关系，通通常有两种种办法来解解决：第一一种是采取取“分段线性”的处理方方法，如采采取多元线线性回归等等手段；另另一种方法法是利用混混沌论、奇奇异吸引子子、吸引凹凹陷和分形形等数学工工具来分析析非线性系系统。然而而这些数学学工具大多多只能给出出严格边界界条件下类类似解的存存在性这样样的证明而而不能给出出明确可行行的求解方方法，对回回归模型而而言，它主主要适用于于大容量样样本情况下下，对因变变量来说，自自变量的离离散程度在在一定范围围内，进行行回归分析析才能得到到较好的结结果。有没没有一种方方法，使得得我们离开开深奥的数数学工具也也能了解复复杂的非线线性系统？？神经网络络理论提供供了另外一一种解决此此类问题的的可能性。一、神经网络及及BP模型简介一般而言，神经经网络是一一个并行和和分布式的的信息处理理网络结构构，它由许许多个神经经元组成，每每个神经元元有一个输输出，它可可以连接到到很多其它它神经元，每每个神经元元输入有多多个连接通通路，每个个连接通路路对应于一一个连接权权系数，一一个简单的的人工神经经元结构如如图2—11所示，该该神经元是是一个多输输入、单输输出的非线线性系统，其其输入输出出关系可描描述为式中，为节点的的输出；是是从其他节节点传来的的输入信号号；为节点点j到节点i的连接权权值，反映映了输入的的影响大小小；为阀值值，表示当当前节点对对输入产生生的影响总总和进行判判断，若大大于，系统统认为此次次影响作用用明显，并并将其反映映在输出，否否则，此次次影响作用用将不被考考虑；为传传递函数，可可为线性函函数，或型型函数(如=，=)，或具有有任意阶导导数的非线线性函数，它它描述了多多输入值对对输出的综综合影响。神经网络是一个个非线性动动力系统，特特点在于信信息的分布布式存储(配比试验验的规律性性信息表示示为权值和和阀值的大大小)和并行协协同处理，它它具有集体体运算的能能力和自适适应的学习习能力，很很强的容错错性和鲁棒棒性，善于于联想，综综合和推广广。神经网络模型有有各种各样样，代表性性的模型有有感知器、多多层映射BP网络、RBF网络、双双向联想记记忆网络、Hopffieldd模型等。利利用这些网网络模型可可实现函数数逼近、数数据聚类、模模型分类、优优化计算等等功能。BP网络是一单向传传播的多层层前向神经经网络，结结构如图2—12所示，其其主要功能能是函数逼逼近。网络络通常有一一个或n个隐层，同同层节点间间无任何连连接和耦合合，故每层层节点的输输出只影响响下一层节节点的输出出。隐层中中神经元均均采用SIGMMOID型变换函函数，这种种函数变换换可实现从从输入到输输出的任意意非线性映映射；输出出层的神经经元采用纯纯线性变换换函数，这这可以避免免使网络输输出限制在在一个较小小范围内，达达到可以输输出任意值值的目的。信信息在模型型中的传递递和加工是是逐层进行行的，随着着层数的深深入，信息息中所蕴涵涵的规律逐逐渐被了解解、存储、综综合，最后后经输出结结果统一表表现出来。对对本次配比比试验而言言，层的具具体含义可可理解如下下：第一层层的神经元元接受各种种影响因素素的输入，对对同一配比比方案，第第一层的神神经元同时时进行运算算，利用传传递函数计计算结果的的过程就是是神经元存存储信息的的过程；第第二层神经经元接受上上层神经元元各自独立立、并行计计算处理的的结果后，对对获得的信信息判断、整整理、综合合后输出，从从而形成反反映整个系系统规律的的映射。图2—122Hecht-NNielssen的论文中中指出：1.给定任一一连续函数数f：n→Rm，f可以精确确地用一个个至多三层层的前向神神经网络实实现。它表表述了映射射网络的存存在性，保保证任一连连续函数可可由一个至至多三层BP网络来实实现。2.给定任意ε>0，对于任任意的L2型连续函函数f：n→Rm，存在一一个至多三三层神经网网络，它可可在任意ε平方误差差精度内逼逼近f。这就告告诉我们，对对任意连续续函数一定定可以构造造出这样的的BP网络模型型。二、BP模型应用分析BBP网络模型型应用于配配比试验分分析，就是是通过对简简单的非线线性函数进进行数次复复合，近似似任一复杂杂函数，从从而确定掺掺入比等影影响因素和和强度之间间的函数关关系。而且且，实现这这一功能的的过程仅仅仅是利用试试验样本值值对模型进进行训练和和学习的过过程（即通通过推理和和逼近的方方法对网络络的权值和和阀值调整整），其间间并不要求求对此结构构和过程有有较深认识识，使分析析的复杂性性得到极大大的简化，易易于理解并并提高了实实用性。在在配比试验验中应用BP神经网络络模型，具具有以下几几点优点：：并行处理性。网网络各神经经元可以同同时进行类类似的处理理过程，整整个网络的的信息处理理是大规模模并行的。虽虽然每个神神经元的功功能简单，但但大量简单单的处理神神经元进行行集体的、并并行的活动动能减少神神经网络完完成识别任任务所需步步数，从而而提高网络络模式识别别能力。与与传统数学学（如回归归分析）串串行处理相相比，并行行计算的效效率更高。规律的分布性描描述和样本本的容错性性。抗压强强度和各影影响因素之之间因果关关系的信息息，在网络络的存储是是按内容分分布于许多多神经元之之间的权中中，每个权权存储多种种信息的部部分内容，从从单个权中中看不出存存储信息的的内容。这这种映射关关系的产生生，部分来来自于非线线性是神经经网络中固固有性质这这一事实，部部分是因为为许多独立立单元的激激励，决定定系统的总总体响应。这这类似于全全息图的信信息存储性性质，局部部带有遗失失或错误信信息的数据据使得网络络重新调用用自己存储储的模式，同同时有误信信息被填充充或修改。网网络模式的的完善和容容错功能，在在配比试验验中的实际际意义在于于，对试验验结果中离离群点的处处理上，比比传统方法法采取摒弃弃的手段有有所改进，它它容忍这些些点的存在在并吸取其其合理内容容，通过泛泛化（Geneeraliizatiion）功能对对于不是样样本集合的的输入也能能给出合适适的输出。可塑性、自适应应性和自组组织性。神神经元之间间连接的多多样性和可可塑性，使使得网络可可以通过学学习与训练练进行自组组织，以适适应不同处处理信息的的要求。这这种学习功功能在配比比试验中的的实现，主主要是根据据不同配比比方案产生生不同强度度的样本模模式，逐渐渐调整权值值和阀值，使使网络输出出和希望输输出之差的的函数（如如差的平方方和）最小小，权值和和阀值的调调整过程就就是系统规规律性信息息的存储过过程，样本本量的增加加可以加强强信息的存存储，从而而更好的反反映系统的的非线性映映射关系。BP神经网络模型自自身结构的的特性也说说明了其应应用于室内内配比试验验的合理性性。在这种种网络中，输输入是正向向传播，逐逐层处理，每每一层神经经元的状态态只影响下下一层神经经元的输出出，其突出出特点是无无反馈性，即即输入值不不影响系统统初始状态态。对室内内配比试验验而言，试试验过程本本身是不可可逆的，抗抗压强度由由掺入比等等因素决定定，但同样样的强度也也可能是不不同配比方方案的结果果，仅仅由由抗压强度度不能反演演出影响参参数，这一一特征决定定了用反馈馈型神经网网络建模是是不合适的的。BP神经网络的传递递函数对隐隐层采用S型函数描描述单个神神经元对刺刺激的响应应，一方面面，它将神神经元的输输入范围（-∞，∞）映射到到某一确定定区间，如如（-1，1），使各各影响因素素对目标变变量抗压强强度的变异异性处于同同一水平；；另一方面面，S型函数的的曲线变化化趋势与单单因素对抗抗压强度的的影响趋势势雷同，经经过对配比比试验中各各影响因素素与水泥土土的抗压强强度关系分分析可知，波波速，掺入入比，龄期期等诸因素素与抗压强强度的相关关关系大致致呈指数曲曲线走向，以以波速—抗压强度度曲线为例例，具体影影响规律见见图2—13，S型函数的的曲线变化化见图2—14。图2—13抗压强度度—波速曲线线图图2—14S型函数曲曲线