（岩土工程专业论文）路堤式道路水泥搅拌桩复合地基沉降分析.pdf

摘要 摘要 水泥搅拌桩加固地基是软土地基处理中一种常用的有效方法，其具有无振动、无 噪音、无污染、投资省、见效快等优点。随着我国公路建设的不断发展，水泥搅拌 桩得到越来越广泛的应用。但就目前研究现状来说，水泥搅拌桩复合地基理论的研 究远落后于实践应用，特别是，对其沉降变形规律的认识还远远不够。 本文以实际工程为基础，通过现场试验，对水泥搅拌桩的受力性状和沉降变形 规律进行研究分析，具体的工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 以广州大学城中环一标软基处理段为工程背景，在现场进行了各种测试，包 括变形观测与荷载板试验，获得大量的第一手资料。 ( 2 ) 用规范的指数法、双曲线法、a s a o k a 法以及b p 神经网络法对测试断面的沉 降进行拟合与预测，将拟合预测结果与实测结果进行比较，对这四种方法的预测精 度作出评价。双曲线法和b p 神经网络法对水泥搅拌桩复合地基的沉降拟合的效果较 好，但b p 神经网络法的泛化能力较差，用其进行工后预测时，预测结果的精度较差， 由此可知，在传统的预测方法中，双曲线法较适宜用来预测本课题条件下的水泥搅 拌桩复合地基的沉降。通过比较分析获知，用传统的指数法、双曲线法、a s a o k a 法 预测公路软基的沉降时，存在着两点不足：只能适用于一级加载的沉降预测，对 于采用分级加载施工的软基路堤，显然路堤荷载的施加不是一级加载的情况，而是 分级施加的；传统的预测模型均未能计入软土的流变效应。 ( 3 ) 本文提出了一种可以考虑多级线性荷载下耦合流变效应的预测沉降模型，浚 模型能在一定程度克服上述两点不足，提高软基公路的沉降预测精度，通过工程实例 验证了该模型的合理性，具有实际参考价值。 ( 4 ) 对水泥搅拌桩复合地基进行弹塑性有限元分析，将计算结果与实测结果进行 比较，从而对水泥搅拌桩复合地基的受力性状和沉降特性作了深入的探讨。 ( 5 ) 用有限特征比理论对现场水泥搅拌桩复合地基荷载试验进行分析，对有限特 征比理论在水泥搅拌桩复合地基沉降计算中的应用作了初步研究，并与传统弹塑性 分析结果进行了比较，结果表明该理论能更合理的描述复合地基的本构关系，为复 广东丁业大学t 学硕十学位论文 合地基的沉降计算提供了新方法。 ( 6 ) 在本课题条件下，将各种方法计算所得的沉降结果与实测结果进行比较分 析，对各种方法的拟合效果和预测精度进行比较。 关键词：路堤式道路，水泥搅拌桩复合地基，原位测试，沉降，预测模型与分析计 算，有限特征比法，对比分析 i i a b s t r a c t c e m e n tm i x i n gp i l ei sae f f e c t i v et e c h n i q u eo ft h es o f t t r e a t m e n t ， w h i c h h a sv i r t u e so fn on o i s e ，n op o 儿u t i o n ，s a v i 几gi n v e s t m e n ta 几d t a k i n gg o o de f f e c t w ic ht h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a yi nc h i n a ，c e m e n tm i x i n gp i l ei sw i d e l yu s e d a sf a ra st h er e s e a r c ho fc o m p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n tm i x i n gp jl ei sc o n c e r n e d ， t h er e s e a r c ho fc o m p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n tm i x i n gp il eo n t h e o r yc a n ck e e p u pw i t ht h ea p p li c a t i o no fc o m p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n tm i x i n gp i l e e s p e c i a 儿y ， t h es e t t l e m e n tl a o fc o 鞠p o s it eg r o u n dw it hc e m e n tm i x i n gp i1 eh a s n tb e e nw e ! l a c a u a i n t e d b a s e do nt h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g ， c h ea r t i c l ed i s c u s s e d m e c h a n i c s c a d a t h r o c l t y a n d b i l i t ya n ds e t t l e m e n tl a w so fc o n l p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n tm i x n gp il e u g ht h et e s t si ns i t e t h ee l a b o r a t ew o r ki n v o l v e ss e v e r a la s d e c t sa sf 1 1 0 w s ： ( 1 ) b a s eo nt h ep r o j e c to fs o f tg r o u n di m p r o v e m e n ti ng u a n g z h o uu n i v e r s i t y ， a1 0 to fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e i n c l u d i n gd i s p l a c e m e n to b s e r v a t i o n l o a d i 八gt e s t ， s oa 盯i a s so ff i r s t h a n dd a t ah a v eb e e ng a i n e d ( 2 )t h ee x p o n e n ti a lc u r v e sm e t h o d ， h y p e r b o cc u r v e sm e t h o d ， a s a o k a s c u r v e s 【l e t h o da n db pa r t i f i c i a l 九e u r a ln e t w o r kh a v eb e e 兀u s e dt of i to r 口r e d i c t t h es e t t l e m e n t c o 册p a r i n gw n ht h er e s u l to f t h e p r e d i c t i o n a n dt h eo b s e r v a t i o n a l s e t t l e m e n t ， t h ep r e c i s i o no ff o u rp r e d i c t i o nm e t h o dc a nb e e na p p r a i s e d a sf a r a st h ep r e c is i o no ff i t t i n gr e s u l ti sc o n c e r n e d ， t h eh y p e r b 0 1 i cc u r v e sm e t h o d a n db pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kh a v eb e c t e rf i t t i n ge f f e c t h o w e v e r ， w h e nb p a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki su s e dt op r e d i c ts e t t l e m e n to fc o m p o s i t eg r o u n dw i t h c e 【n e n tm i x i n gp i l e ，t h ep r e c i s i o no fp r e d i c t i o ni sn o tg o o d 【nc o n c l u s i o n ，t h e h y p e r b o l i cc u r v e sm e t h o di st h eb e s tc o m p a t i b l ef o rp r e d i c t i n gs e t t l e 玎1 e n lo f c o m p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n tm ix in gp i l ei nt h i sc o n d i t i o n w h e nt h ee x p o 兀e n l i a l c u r v e sm e l h o d ， h y p e r b o l i cc u r v e sm e t h o da n da s a o k a sc u r v e sm e t h o da r eu s e d h i 厂东亡业丈学工学硕士学位论文 t op r e d i c tt h es e t t l e m e n to ft h eh i g h w a yg r o u n d ，t h e r ea r et o wd e f i c i e n c i e s f i r s t ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa r eo n l yc o m p a t i b l ef o rt h ei n s t a n c et ol o l do n c e ， b u tn o tf o rt h ej n s t a n c et o1 0 a dm u l t i l e v e l s e c o n d ， t h et r a d i t i o n a lm e t h o d s d o n tt a k et h ee f f e c to fc r e e pi n t oa c c o u n t ( 3 ) t h ea r t i c l eg i v e sae x p e r i e n t i a lm o d e lo fp r e d i c t i o n ，w h i c hc a n t a k e t h em u l t i l e v e l1 0 a da n d t h ee f f e c to fc r e e di n t oa c c o u n t t h en e wm o d e lc a n m o d i f yt h et o wd e f i c i e n c i e sa n di m p r o v et h ep r e c i s j o no fs e t t l e m e n tp r e d i c t i o n ， t h er a t i o n a l i t yo ft h em o d e lc a nb ev a l i d a t e db yt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g ( 4 ) t h em e c h a n i c sc a p 曲i l i t ya n ds e t t l e i n e n tl a w so fc o m p o s i t eg r o u n dw i t h c e m e n tt n i x i n gp i l eh a sb e e na n a l y z e db yf 跳c o m p a r i n gw i t ht h er e s u l to ff e m a n do b s e r v a t i o n a lr e s u l t ，t h em e c h a n i c sc a p a b i l i t ya n ds e t t l e m e n t l a w so f c o p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n tm i x i n gp i l ec a nb e f u r t h e ra c q u a i n t e d ( 5 ) f c r ti su s e dt oa n a l y z et h e1 0 a d i n gt e s to fc o m p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n t m i x i n gp i1 e t h ea r t i c l ed i s c u s sh o wt oa p p l yf c r tt os e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n i nt h ec o m p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n tm i x i n gp i l e c o l p a r i n gt h er e s u l to ff c r t w i t ht h er e s u l to fe l a s t o p l a s t i ct h e o r y ，w ec a ns e et h a tf c r ti sw e l lc o m p a t i b je t od e s c r i b et h ec o n s t r u c t i v eo ft h ec o m p o s i t eg r o u n da n dg i v e san e w 田e t h o dt o c a l c u l a t et h es e t t l e m e n to fc o m p o s i t eg r o u n dw i t hc e m e n tm i x i n gp i l e ( 6 ) i nt h ec o n d i t i o n so ft h i st a s k ，c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l to ft h e d if f e r e n tm e t h o d sw i t ht h eo b s e r v a t i o n a ls e t t l e m e n t ，t h ef i t t i n ge f f e c ta n dt h e p r e d i c t i o np r e c i s i o n 。fd if f e r e n tm e t h o d sc a nb e e na p p r a i s e d i 沁yw o r d s ：r o a d w a yw i t he m b a n k m e n t ， c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i t hc e m e n tm i x i n g p i l e s ，i n s i t ut e s t ，s e t t l e m e n t ，p r e d i c t i o nm o d e l8 n dc a l c u l a t i o n ， f c r t ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i s 第一章绪论 第一章绪论 1 ，1 概述 随着经济的快速发展，为满足经济日益增长的需求，我国高等级公路建设的 迅速发展，在建设过程中出现了一系列亟待解决的问题，其中软基加固处理问题 就是工程界所关心的难题之一。对于高等级公路的软基处理，可用的处理方法有 换土法、排水固结法、静动力排水固结法、深层搅拌法、高压喷射注浆法、振冲 碎石桩法等许多方法，其中水泥土搅拌桩法应用广泛的方法之一。它已广泛应用 于软土地区高等级公路建设当中，因此有必要更深入地对搅拌桩复合地基的性状、 特别是其沉降规律进行研究。 水泥搅拌桩通常指是以水泥( 水泥浆和水泥粉) 为固化剂，通过特定机械，沿 深度将固化剂( 水泥浆或水泥粉外加一定的掺合剂) 与地基士强制就地搅拌而成水 泥土桩或水泥土块体，其独特的优点有：将固化剂和原地基软土就地充分搅拌 混合，最大限度地利用了原土：搅拌时不会使地基土侧出挤出，所以对周围原有 建筑物的影响很小：设计时桩长可以灵活调整，长短桩布置，以控制不同部位的 沉降差：土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降：与钢筋 混凝土桩基相比，节约了大量的钢材，并降低了造价：可根据上部结构的需要， 可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式。 由于存在着上述诸多优点，近2 0 年来，水泥搅拌桩在我国软土地区，如广东、 浙江、江苏、上海、天津、福建以及台湾等地得到广泛应用，在国外，如美国、 日本、西欧以及东南亚等地区也应用广泛，水泥搅拌桩加固技术具有很好的的经 济效益和社会效益。 1 2 搅拌桩复合地基沉降计算研究现状 搅拌桩复合地基沉降计算问题是复合地基性状研究中最主要的问题，特别是 在高等级公路建设等工程中尤为突出。复合地基的沉降计算分为两种：复合地基 沉降理论计算和复合地基沉降预测模型计算。耳前搅拌桩复合地基沉降理论计算 仍以复合地基理论为主，即将沉降分两部分计算( 龚晓南，1 9 9 2 ) ，即： s = s 。+ s ， ( 1 1 ) 其中s 是加固区沉降，s ，是下卧层沉降。 1 2 1 加固区沉降计算 加固区沉降计算主要有以下一些方法： 1 2 1 1 复合模量法( e c 法) 复合模量法是将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采 用复合压缩模量e 来评价复合土体的压缩性。然后用分层总和法计算加固区压缩 量s ，即： 驴兰铷。 ( i2 ) 式中卸为第i 层复合土层上的附加应力增量：h ：为第i 层复合土层的厚度；。为 复合土层的复合压缩模量，通过面积加权法计算，即： t = 砸。+ ( 1 一所) e ( 】3 ) 式中m 为复合地基面积置换率；e 。为桩体压缩模量；层。为土体压缩模量。 复合压缩模量也可按弹性理论来计算( 张土乔，1 9 9 2 ) 【2 1 ，即： 弘咿”毗+ 最篇篇 n ， 其中 置。= 2 ( 1 十v p ) ( 1 2 v p ) e ， e 2 丽币；两6 s2 i 高 式中v 。、v 。分别为桩和土的泊松比。 复合模量法仍基于经典的分层总和法沉降计算理论，只是考虑到搅拌桩的改 良作用，用加固土层的桩土复合变形模量来代替天然地基土变形模量。这种方法 可以算出加固区各土层的分层沉降以及中心和边缘处沉降，且不存在通过假设来 推求下卧层项面应力的难题。但是，该法在计算中存在着以下问题：所采用的 模量是压缩模量，而加固后的复合地基在外力作用下并不是发生无侧限的变形， 故在计算中应对压缩模量进行修芷；它在加固区的附加应力仍取天然地基中的 值，这点与事实有点不符。虽然水泥土桩复合地基符合半空间无限体，但不符合 均质条件，故搅拌桩复合地基中的附加应力已不同于天然均质地基。 1 2 1 2 应力修正法( e s 法) 该法是根据桩问土承担的荷载口。和桩间土的压缩模量e 。，忽略增强体的存在， 采用分层总和法计算加固区土层的压缩量作为加固区的压缩量，即： 耻嘻争。a ， ( i s ) 式中“；为应力修正系数，“，= _ 丢；”为桩土应力比；脚为置换率；卸。为未。” l m ( ，l j ) 加固地基在荷载作用下第i 层复合地基上的附加应力增量；卸。为复合地基中第i 层桩问土中的附加应力增量，相当于未加固时第i 层桩间土在荷载p ，作用下的附加 应力增量；s ，。为未加固地基在荷载作用下与加固区相应厚度土层内的压缩量。 该法在计算中存在着以下问题：l 、应力修正系数“。的确定与桩土应力比有关， 而影响桩土应力比的值的因素较多，很难选用合理的值，故应力修正系数“，是较 难合理的确定；2 、计算中忽略增强体的存在将使计算值大于实际压缩量。 1 2 1 3 桩身压缩法( e p 法) 该法规定在荷载作用下，桩身的压缩量s 。可表示为： 驴警z ( 1 - 6 ) 式中“，为应力集中系数，比，= 去：f 为桩身长度，即等于加固区的厚 度：e 。为桩身变形材料变形模量；p 为桩顶面的荷载；巩。为桩端端承力密度。则 加固区压缩量s 可按下式计算： 5 1 = s 。+ ( 1 7 ) 式中为桩端刺入下卧层土体中的刺入量，如果剩入量为零，则桩身压缩量 就是加固区压缩量。 该法在计算中存在着以下问题：l 、在计算复合地基桩体的桩身压缩量时，用 到了应力集中系数，该系数的确定与桩土应力比有关，而影响桩土应力比的值的 因素较多，很难选用合理的值；2 、桩刺入下卧层的沉降变形量也很难计算。 1 2 2 下卧层沉降计算 复合地基加固区下卧层沉降量s ，通常采用分层总和法计算。在下卧层沉降计 算中，关键在于计算作用在下卧层土体上的荷载，即下卧层土体中附加应力的计 算。 目前常采用下述三种方法来计算下卧层士体中的附加应力。 广东工业犬掌工学填t 学位论文 1 2 2 1 应力扩散法 该法假定复合地基上荷载为p ，作用宽度为曰，长度为d ，加固区厚度为 ， 压力扩散角为，则作用在下卧层上的荷载以为： 舻两面 ( 1 8 ) 巩2 话忑丽面万西i ；丽 u 川 用该法计算的难点在于扩散角口的选取。 1 ，2 2 2 等效实体法 该法假定复合地基上荷载为p ，作用宽度为曰，长度为d ，加固区厚度为矗， ，为等效实体侧摩阻力，则作用在下卧层上的附加应力儿为： p 。：艘匕坐塑) 笪 ( 1 9 ) 儿2 1 万一 0 1 _ 应用等效实体法计算困难在于侧摩阻力，值的合理选用。事实上将加固体 作为一分离体，两侧面上剪力分布是很复杂的。采用侧摩阻力的概念是一种近似， 对该法适用性应加强研究。 1 2 2 3 改进g e d d o s 法 黄绍铭等3 1 ( 1 9 9 2 ) 建议采用下述方法计算下卧层土层中应力。复合地基上荷载 为p ，桩体承担p 。，桩间土承担的荷载儿= p p 。桩间土承担的荷载以在地基中 所产生的竖向应力嘎。其计算方法和天然地基中应力计算方法相同。桩体承担的 荷载p ，在地基中所产生的竖向应力呸。采用g e d d e s 法计算。下卧层中附加应力为 两部分竖向应力之和。 采用改进g e d d e s 法计算时，存在以下问题：l 、确定荷载分担比，会给计算带 来误差；2 、需假定桩侧摩阻力分布，同样会给计算带来误差。 1 。2 3 有限元法沉降计算 随着计算机的发展，有限单元法正越来越多的应用在岩土e 程中。我们知道 对一般岩土工程问题采用解析法求解是相当困难的，因此常常要采用数值解法来 求得近似解，有限单元法就是一种广为采用的数值解法。但由于计算参数的复杂 性，有限元中计算参数的选取很大程度上决定了计算结果的准确性，故时至今h ， 沉降计算课题仍是岩土工程中无法完美解决的问题之一。 周建民、丰定祥等4 1 ( 1 9 9 7 ) 介绍了适用于群桩地基基础应力、变形分析的二 维非线性程序对一种有代表性的群桩进行分析的情况。讨论了深层搅拌桩复合地 4 第一章绪论 基的工作机制和应力、变形分布的特点，并通过多种方案的比较就不同的荷载水 平、桩长、桩士置换率、士层分布、桩身变形模量等诸因素对地基沉降、桩端应 力、桩的承载力的影响和规律进行了研究。杨涛、殷宗泽【5 1 ( 1 9 9 8 ) 提出了平面应 变条件下复合地基沉降计算的复合本构有限元法、根据桩土界面处力的平衡条件 和竖向变形协调条件，由桩、土材料各自的本构方程，桩和桩周土可以采用任意 非线性本构模型。宋修广、刘金章【6 1 ( 2 0 0 0 ) 结合粉喷桩复合地基的特点，提出采 用过渡层模拟接触面的思路，进行了轴对称b i o t 固结有限元计算分析，与实测资 料对比表明，可较好地揭示粉喷桩复合地基的荷载传递规律和沉降变形特性。通 过对加固区和下卧层的计算分析，揭示了粉喷桩复合地基的附加应力场的分布特 性。黄文峰、李广信等 7 1 ( 1 9 9 9 ) 通过柔性桩复合地基的复合单元体载荷试验及有 限元计算得到，在小变形范围内复合土体的沉降与按弹性或d u n c a n 双曲线模型的 计算结果一致，桩侧摩阻力在桩身中部靠上最大，桩端力近乎为零。因此沿桩身 的分布可简化为三角形。曾远、周瑞忠坤7 ( 2 0 0 3 ) 利用b i o t 固结理论，采用有限元 法分析了复合地基桩长、置换率、桩土刚度比、施工进度对地基变形的影响，并 从减少差异沉降出发，提出合理的布桩方式，减少高速公路的差异沉降。 1 3 复合地基沉降预测研究现状 除采用理论计算外，根据实测沉降来推算后期沉降在实际工程中同样具有重 要的意义。l a m b e ( 1 9 7 3 ) 【9 1 在第十三次r a n k i n e 讲座中指出“预测几乎在人类生活的 各个方面一直扮演着重要的角色”，“预测是土木工程实践中关键的一环”。预 测可分为事前、事中和事后预测三类( l a m b e ，1 9 7 3 ) 9 1 。事前预测具有最大的应用 价值，但由于事前信息量少，预测精度往往不高；事中预测可利用早期观测结果， 信息量较大，预测精度一般较事前预测高；事后预测虽然对所预测的工程本身没 有多大的指导意义，但可用于检验预测方法的准确性，为下一次1 程建设服务。 目前在沉降预测当中主要预测方法可分为：a 、曲线拟合方法；b 、系统理论方法。 1 3 1 曲线拟合方法 将沉降看成时间的函数，并采用某一简单函数来表示，这类方法可归为曲线 拟合方法，主要有： 1 3 1 1 双曲线法 双曲线法认为沉降量s 是时间f 的双曲线函数，可表示成下式： s 镀+ 热 ( 1 1 ( ) ) 式中f 。为某一观测时刻：晶对应了二气时沉降量：d 、6 为待定参数。此外，有不少学 者对传统双曲线法进行了改进，提出了一些新的双曲线形式，如泊松比双曲线 法( 宰金珉等，2 0 0 1 ) 【l0 1 、修正双曲线法( 许永明等，2 0 0 0 ) “1 、复合双曲线法( 邵 光辉，2 0 0 1 ) 【1 2 1 。 1 3 1 2 指数曲线法 指数曲线法认为沉降量s 是时间 的指数函数可表示为： s ( f ) = s 。一( s 。一s o ) p 1 。” ( 1 1 1 ) 式中f 0 为某一观测时刻：s 。对应于f 0 时沉降量；s 。为最终沉降量，卵为参数。 1 3 1 3 三点法 从沉降一时间关系曲线上，取最大恒载时段内的三点( f 。，s 。) 、( ，s 2 ) 、( b ， s 3 ) ，且满足f 3 一f 2 = f 2 一f l 。根据t e r z a g h i 维固结理论可得： s ：型兰兰兰! ! 二兰2 堕二坠( 1 12 ) 。”一( s 2 一s i ) 一( s 3 一s 2 ) ” 用此法推测“时刻的沉降，要求在实测沉降曲线基本处于收敛阶段。 1 3 1 4a s a o k a 法 a s a o k a 【1 3 1 ( 1 9 7 8 ) 根据m i k a s a ( 1 9 6 3 ) 一维固结方程推导出沉降预测的一阶微 分方程： s + c 拿：d( 1 1 3 )s + c _ _ = d( 1 1 3j 式中s 为沉降，由于方程只取一阶，沉降中不宣包括次固结沉降，当数据取自加 荷结束以后，瞬时沉降已完成，所以沉降s 中可以包括瞬时沉降；，为时间；f 、d 为常系数。将式( 1 1 4 ) 写成差分形式，时间步长取单位l ，得： s ，= 成+ 屈。s ，l ( 1 1 4 ) 或者写成： 式中s j 表示s ( f ，) ，反、 n d o2 鬲 5 卜1 = 屁+ 屈s ， ( 1 15 ) i 、尻、屈为常系数，与式( 1 1 4 ) 中的系数c 、d 有关： 爿= 击，成= 等，a = 半 6 ( 1 1 6 ) 第一章鳍论 1 3 2 系统理论方法 系统理论方法主要有时间序列法、灰色理论方法、神经网络方法等。 1 3 2 1时间序列法 时间序列分析是对动态数据处理的一种方法，它不考虑观测值的各种力学因 素，只对分析观测数据的统计模型，通过对时间序列数据的统计规律的分析，构 造这些规律的最佳数学模型，并给出预报时间序列的未来可能值，最后给出预报 结果的精度分析。这种方法在许多领域有着广泛的应用在沉降预测中也有应用， 如吕培印( 1 9 9 6 ) 4 1 利用时间序列中的逆函数法对建筑物地基的沉降进行了预测， 取得了较理想的效果。 1 3 2 2 灰色理论方法 自灰色理论提出以来二十年左右的时间内，灰色理论在各个领域中得到了广 泛的应用。在沉降预测中，近年发表的有关文章也急剧增加。据不完全统计，目 前国内关于灰色沉降预测的论文以在6 0 篇以上。在沉降预测中，应用最多的灰色 模型是灰色g m ( 1 ，1 ) 模型，其原理如下( 张仪萍等，1 9 9 9 ) ”l ： 设有等时间间隔的沉降观测数据序列( 氏，s l ，”，s 。) ，相应的沉降增量数据 序列为( s 。，出1 i - 一，笛。) 。根据灰色建模理论，可建立沉降灰色g m ( 1 ，1 ) 模型 的一阶微分方程为： 孚+ 胡：易( 1 。1 7 ) d 式中口和6 为常系数，根据灰色建模理论确定，灰色g m ( 1 ，1 ) 模型在形式上与a s a o k a 法相同。 此外，其它灰色模型也在沉降预测得到了应用，如g m ( 2 ，1 ) 模型( 徐竹青等， 1 9 9 8 ) 16 1 、灰色v e r h u l s t 模型( 左其亭等，1 9 9 8 ) 1 ”、多变量灰色m g m ( 1 ，n ) 模型( 石 世云，1 9 9 8 ) 18 等等。 1 3 2 3 神经网络方法 人工神经网络建模是人工智能的一个研究分支，它具有在复杂的非线性系统 中较高的建模能力和数据拟含能力，具有联想推理和自适用识别能力，具有自组 织性、自学习、非线性动态处理及容错性强等特征。目前，神经网络原理在许多 领域得到了应用，在沉降预侧中主要应用b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络模型( 刘 勇健，2 0 0 0 1 1 伽；李素艳，2 0 0 2 【2 0 】：张慧梅等，2 0 0 2 1 2 1 】；手志亮等，2 0 0 3 f 2 2 1 ) ，也 广东工业人学工学硕士学位论文 有基于小波分析的小波神经网络模型( 李凡等，2 0 0 1 ) 2 3 1 。 1 4 存在的问题 从上节水泥搅拌桩研究现状的介绍看出，水泥搅拌桩作为一种地基加固技术， 理论与实践还不成熟，相关的沉降理论需要深入研究与完善。 ( 1 ) 在工后沉降预测方面，目前使用的曲线预测方法大多数只能适用于一级加 载的沉降预测，对于公路中采用“薄层轮加”【8o j 技术施工下的软基路堤沉降问题， 显然目前的曲线预测方法不能合理的作出预测；同时，现有的大多数曲线预测模 型均未能计入软土的流变效应，这就使得沉降预测的结果与实际沉降的误差随着 时间而增大。 ( 2 ) 从现有的文献来看，以往对水泥搅拌桩复合地基的研究，是对承载力以及 应力、变形特性( 不考虑固结) 的研究多，而对水泥搅拌桩复合地基的固结特性 研究较少，如张士乔2 3 ( 1 9 9 2 ) 、陈善明2 4 1 ( 1 9 9 8 ) 等，均以各种方式对水泥搅 拌桩的固结特性进行探讨，基本上集中在加固层本身。 ( 3 ) 对水泥搅拌桩的理论研究应当包含水泥土块体的性状研究，由目前的研 究成果可知，对水泥土块体的实验室研究较多，并且大多数把其看作是弹性体。而 对原位试验桩体的研究多偏重于对某一具体工程桩体实测荷载传递以及桩土应力 分配的研究，对较系统的原位试验中变形特性的研究较少。 1 5 本文的主要工作 本文以广州大学城中环一标软基处理段的沉降、水平位移监测及水泥搅拌桩 单桩载荷试验为依据，研究复合地基的沉降特性与受力性状。 ( 1 ) 在广州大学城中环一标软基处理段进行了各种测试，包括变形观测与荷载 板试验，获得大量的第一手资料。 ( 2 ) 用规范中的各种曲线法和神经网络法对实测曲线进行分析与预测，并用关 联度对各种方法的拟台和预测效果作了评价。 ( 3 ) 提出了多级荷载下耦合流变的双曲线沉降预测模型，该模型属于半经验模 型，模型中的系数可用优化方法由实测结果通过反分析得到。 ( 4 ) 应用有限元法分析分级加载条件下公路水泥搅拌桩复合地基的力学性状， 得到不同时刻的地基沉降、水平位移，以对公路搅拌桩复合地基的受力特性和沉降 第一章绪论 规律有进一步认识。 ( 5 ) 用有限特征比理论对现场水泥搅拌桩复合地基荷载试验进行分析，对有限 特征比理论在水泥搅拌桩复合地基沉降计算中的应用作了初步研究，说明该理论能 合理的描述复合地基的本构关系，为复合地基的沉降计算提供了新方法。 ( 6 ) 将各种方法计算所得的沉降结果与实测结果进行比较分析，对各种方法的 预测精度进行比较，得到在本课题条件下，本文提出的多级荷载作用下耦合流变的 双曲线模型能较好地预测水泥搅拌桩的沉降，在一定程度上提高了沉降预测的精 度，具有工程参考价值。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章水泥搅拌桩复合地基的现场试验研究 2 1 概述 水泥搅拌桩加固后的公路软基，其本身受力性状、加固效果等是人们一直研 究的课题。由于软土地基工程地质条件的复杂性及目前理论公式或经验公式的不 完善，通过这些公式计算出来的结果与现场实际测量结果通常存在定差异。为 保证软基路堤的施工质量，软土工程技术已从强度控制提高到变形控制。因此有 必要通过现场观测资料来弥补理论上的不足，以积累经验。为此，我们在广州大 学城中环一标软基处理段进行了现场变形观测及荷载板试验，以期对这些问题有 更深一步的认识。 2 2 试验概况及现场地质条件 广州大学城规划区位于广州东南部番禺区的小谷围岛，该岛四面环水，岛周 围地势低平，属河漫滩地貌，岛中部、北部地势较高，为剥蚀残丘地貌，岛内自 然环境保存较好，残丘植被发育好。 为了解决中环一标关键性技术问题及工程项目实施的重点、难点问题软七 地基处理，在实践中及时总结经验，形成有效、及时的解决方案，在工期紧的条 件下确保工程质量一流，刨样板工程，并为大学城后续建设提供经验与依据，开展 了相关测试及研究分析。 广州大学城一期工程中环一标段公路全长2 2 0 0 米，沿路经过水田、鱼塘，全 路段基本上是软土地基，淤泥层深度在o 5 8 0 m 之间，厚度为1 1 7 1 m 之间， 平均厚度为4 5 m ，土层含水量高、压缩性大、易流变。为了指导全线施工，了解与 掌握软土路基的变形特性、强度和稳定性，对软土地基施工进行了监测。全路段 根据处理方法的不同划分为1 3 个区，5 个搅拌桩区、3 个填方区、3 个清淤填浜区、 1 个碎石桩区和一个清淤换填区。共设置了1 0 个监测断面。监测断面的设置根据 规范的要求并结合现场情况，在软基处理区监测断面的设置根据规范的要求并结 合现场情况，在软基处理区监测断面的设置根据规范的要求并结合现场情况，在 软基处理区域( 搅拌桩区和碎石桩区) 每小区设置一个监测断面，超过2 0 0 米的小 区增设一个断面，并在典型的原填方区域设置一个监测断面，以便观测结果的比 第一章水泥搅拌桩复合地摹的现场试验研究 较、研究分析与指导施工，断面设置见附图1 。( 分别为k o + 1 5 0 、k o + 2 5 0 、k 0 + 3 3 0 、 k 0 + 4 3 0 、k o + 6 8 0 、k l + 3 8 5 、k 1 + 5 1 0 、k 1 + 6 2 0 、k l 十7 4 0 、k 1 + 9 4 5 ) 十个断面的地质情况分别为： 断面叭( 里程k 0 + 1 5 0 ) 第一层为亚粘土( 厚度为1 1 0 m ) ，第二层为淤泥( 厚度为7 1 0 m ) ，第三层 为混合岩； 断面d 2 ( 里程k 0 + 2 5 0 ) 第一层为亚粘土( 厚度为0 9 0 m ) ，第二层为淤泥( 厚度为6 7 0 m ) ，第三层 为砂质粘性士( 厚度为2 4 0 m ) ，第四层为混合岩； 断面d 3 ( 里程k o + 3 2 8 ) 第一层为亚粘土( 厚度为2 2 0 m ) ，第二：层为淤泥( 厚度为1 ，9 0 m ) ，第三层 为砂质粘性土( 厚度为7 1 0 m ) ，第四层为混合岩； 断面d 4 ( 里程k o + 4 3 0 ) 第一层为细砂( 厚度为2 3 0 m ) ，第二层为淤泥( 厚度为1 4 0 m ) ，第三层为 亚砂土( 厚度为3 7 0 m ) ，第四层为砂质粘性土( 厚度为6 1 0 m ) ，第五层为混合岩； 断面d 5 ( 里程k 0 + 6 8 0 ) 第一层为耕土( 厚度为0 6 0 m ) ，第二层为亚粘土( 厚度为1 7 0 m ) ，第三层 为淤泥亚粘土( 厚度为5 6 0 m ) ，第四层为亚粘土( 厚度为1 4 m ) ，第五层为砂质 粘性土( 厚度为4 9 0 m ) ，第六层为混合岩； 断面d 6 ( 里程k l + 3 8 5 ) 第一层为耕土( 厚度为o 5 0 m ) ，第二层为淤泥质土( 厚度为7 0 0 m ) ，第三 层为砂质粘性土； 断面d 7 ( 里程k 1 + 5 1 0 ) 第一层为杂填土( 厚度为1 o o m ) ，第二层为中砂( 厚度为6 o o m ) ，第i 层 为淤泥( 厚度为1 1 0 m ) ，第四层为细砂( 厚度为2 2 0 m ) ，第五层为砂质粘性士( 厚 度为l ，5 0 m ) ，第六层为混合岩； 断面d 8 ( 里程k l + 6 2 0 ) 第一层为杂填土( 厚度为0 4 0 m ) ，第二层为亚粘土( 厚度为1 15 m ) ，第三 层为淤泥( 厚度为2 5 5 m ) ，第四层为粉砂( 厚度为5 9 0 m ) ，第五层为细砂； 断面d 9 ( 里程k l + 7 4 0 ) 广东工业人学工学坝士学位论文 第一层为耕土( 厚度为1 4 0 m ) ，第二层为砂质粘性土( 厚度为6 6 0 m ) ，第 三层为混合岩； 断面d l o ( 里程k 1 + 9 4 5 ) 第一层为耕土( 厚度为1 o o m ) ，第二层为细砂( 厚度为7 8 m ) ，第三层为砂质 粘性土( 厚度为2 5 0 m ) ，第四层为混合岩。 2 3 试验内容和观测仪器布置 为了对路堤荷载下水泥搅拌桩的受力及加固效果有进步的认识，本次现场 试验主要包括：沉降观测、水平位移观测、荷载板试验。 2 3 1 测点的设置 各种测点宜集中布设在垂直于路堤中线的横轴线上j ，为便于施工和各观测数 据的相互验证分析，同个监测路段中所有测点尽可能集中布置同一双测断面上； 当路基设中央分隔带时，路中的测点布设在中央分隔带中，布设在路中、路肩及路 基以外部位的外露测点则采取妥善的措施，以免碰撞损坏。 2 3 2 基准点的设置 基准分为工作基准点和校核基准点。采用已有的市政控制基点作为校核基准 点，工作基准点设置在路堤两端、两侧边桩的纵排或横排延长轴线上，且在地基 变形的影响区之外( 离开路堤大于5 0 米) ，用于控制边桩。边桩与工作基点构成 三角网，并且通视2 5 1 。 监测基准点的布置及其坐标见附图l 。 2 3 3 沉降板、浅层桩、水平位移边桩埋设 沉降板在每个断面的路中心点位及以路的两边( 边坡顶以内) 埋设，每个断 面设三个沉降观测点。 浅层桩埋设在每个断面的沉降板附近，用于观测回填土层的沉降量。 每个断面每边埋设2 个水平位移边桩( 距路堤边坡脚以外2 m 处设一个边桩， 然后隔8 m 埋设一个) ，每个断面共4 个边桩，对路基的稳定进行监测，若因场地 地形与施工条件限制的断面，则一边设一边桩，边桩距离堤边坡脚4 m ，用于控制 地基稳定。 各断面的沉降板、浅层桩、水平位移边桩的埋设位置见平面布置附图2 、附图 3 。 第一二章水泥搅拌桩复合地基的现场试验研究 2 4 试验结果分析 限于篇幅，在此，只是从十个断面中取测试数据较为完整的k 0 + 6 8 0 、k 1 + 3 8 5 、 k l + 5 1 0 三个断面为代表对路堤荷载下水泥搅拌桩加固软基的特性进行分析。 2 4 1 沉降分析 用沉降板测出的地表沉降与填士荷载、时间的关系 l 广j 一 一。一一。一= 一 广一 l 一 丝 刍- 譬窜器：一= 竿犁高：_ r 整= 蜀斗7 宝。器。：! ：旱；2 葛- ! 。驾i 4 宝烂! = = ! = 一塑翌型型 删一一hh 土牛掣剞鼬h 吐譬卫j j 簧 1 兽罟 厶占南簧暑山 占 。苫苫葛葛暑。暑葛苫苫。g 墨苫 。譬。9 。 1 一 、 s(mm)卜一累计沉降()l 1 一荷载( k p a ) 荷载p ( k p 8 图2 一ld 5 断面时间一荷载一沉降量关系曲线图 f i g 2 一l t h et i m e l o a d s e t t l e m e n tc u r v eo ff i f t hs e c t i o n - j 。 广j - = 二二卜时州 徽赞赞；：旱旱牵翠玉害三黧搬翌竿旱粹举鞭嚣曼：i 塑 霜鹣口一1 一 藕掣圭裂窘oo o e o j _ ? _ i 一_ b ? 。苦一一；当1 。_ 。二一二 沉降s ( m ) i 一累计沉降f 珊) l 一荷载( k p a ) 【 剀2 2d 6 断而时间一荷载一沉