（固体力学专业论文）粉喷桩加固高速公路软土路基的机理与设计.pdf

摘要 y 5 3 1 5 3 2 本文在认真总结粉喷桩处理高速公路软土路基过去研究成果的基础上，进一 步探索了粉喷桩处治软基的化学和力学机理。利用统一强度理论和塑性力学相关 原理分析桩端承载力问题，深入剖析临界桩长问题。就粉喷桩加固路基的特点 根据力学原理分析桩土应力比问题，获得一些有益的结论。 根据粉喷桩加固软土的特点和桩土共同承担载荷地原理分析了过去粉喷桩 地基承载力和路基沉降计算方法的不足之处。归纳了适合用于粉喷桩路基稳定性 核算的计算方法结合具体工程实际，验证粉喷桩的加固效果和本文计算方法的 科学性。就粉喷桩复合地基的孔隙水压力提出一些看法，总结桥头“跳车”问题 并提出相应解决方案。在继承原有的粉喷桩设计理论的基础上，根据新的设计思 路提出新的设计方案。 本文的空间轴对称塑性问题是同河海大学博士生张海波共同研究的，其相关 理论已整理成文将发表于固体力学学报。 关键词：粉喷桩( 粉体喷射搅拌桩) ，高速公路，软基处理，i 临界桩长，桩l 应 力比，承载力，沉降计算，稳定性分析，设计方法。 a b s t r a c t o nt h eb a s eo fp a s ta c h i e v e m e n t so nd j mp i l et r e a t e ds o f tc l a yf o u n d a t i o n ，a f u r t h e r s t u d y i sc o n d u c t e do nt h em e c h a n i s mo fd j mp i l e t r e a t e ds o f t c l a y f o u n d a t i o n , t h ec h a r a c t e r i s t i co fl o a dt r a n s m i s s i o na n dl o a ds h a r i n ga sw e l ta st h e d e f o r m a t i o ni sa l s oe x p l o r e d an e wm e t h o dw i t h a s s u m p t i o n i s p r o p o s e d t o s t u d y a s p e c i a ls p a c e a x - s y m m e t f i c a lp l a s t i c i t yp r o b l e m ，w h i c ha i m sa td e t e r m i n i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t yo f a x s y m m e t r i c a ls i n g l ep i l eb o r o m i nc o m p o s i t ef o u n d a t i o n am e t h o do f c a l c u l a t i n gt h e p i l e - s o i ls t r e s sr a t i oi sc o n d u c t e da n dt h ee f f e c to nm a i ni n f l u e n c ef a c t o r si sa n a l y z e d s y s t e m i c a l l y t h ec a l c u l a t em e t h o d so fa d d i t i o n a ls t r e s s 、s e t t l e m e n ta n d s t a b i l i t yo fd j m p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na r es u m m a r i z e d ，t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a td j mp i l ei s e f f e c t i v ei ni m p r o v i n gs o f tc l a yf o u n d a t i o n t h ev e h i c l ej o u n c ep h e n o m e n o na t b r i d g eh e a d i sd i s c u s s e da n ds o l u t i o ni s p r e s e n t e d b a s e do nt h es t u d i e sc o n d u c t e di n t h i s p a p e r a ei m p r o v i n gd e s i g n i n g m e t h o di sp r o p o s e df o rd j mp i l e k e y w o r d s ：d j mp i l e ( d r y j e t m i x i n gp i l e ) , e x p r e s s w a y , s o f td a yt r e a t m e n t ， c r i t i c a l p i l el e n g t h ，p i l e - s o i ls t r e s sr a t i o ，b e a r i n gc a p a c i t y ，s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ， s t a b i l i t ya n a l y s e s d e s i g n i n gm e t h o d 坝l 龟史 粉喷艟妇i 州商速公妊较十龉接的帆理- 璇计 1 绪论 1 1 粉喷桩发展的历史与现状 粉喷桩即粉体喷射搅拌桩。喷粉搅拌桩是通过特制的机械一深层搅拌机，沿深度 将固化剂( 水泥粉或石狄粉等) 与软土地基强制就地搅拌形成的水泥土桩。由于使用 的固化剂为干粉，能充分吸收软土中的水分对含水量相对较高的软土来说，效果比 别的方法更好：相对其它加外掺削的地基加固方法。粉喷桩所使用的固化剂较少，也 不会出现地表隆起现象。另外，这种地基处理方法在施工中无振动、无污染，对周围 环境影响少，近2 0 年来。这种技术在世界各地得到了广泛的应用。 早在二次世界大战后，美国裁成功研制水泥深层搅拌法，割成水泥土桩称为就地 搅拌桩( m i x i n gi n p l a c ep i l e ) 。1 9 5 3 年f 1 本从美国引进水泥深层搅拌法。1 9 6 7 年， 瑞典b p a 公司的k j e l dp a u s 先生提出粉体喷射搅拌法( d r yj e tm i x i n g ) 加固软土地 基，即将生石灰与粘土原位搅拌以形成具有较高强度的石灰柱体这标志着粉体喷搅 技术的诞生。1 9 7 1 年瑞典的l i n d e n a l i a m t 公司根据n j e l dp a u s 的研究成果，进行了 第一次石灰桩的试验。1 9 7 4 年该技术币式取得专利，并进入工程实践。而同在1 9 6 7 年，r 本运输部港湾技术研究所也在刀：始研究用于石灰搅拌的相关机械，使得这一工 法在1 9 7 4 年歼始应用于软土掘圉。在施工技术上r 本人逐渐地超过瑞典人，形成两 套施工方法，并研制了相应的施工机械。一类是使用颗粒状生石灰的深层石狄搅拌法。 即d e e pl i m em i x i n g ；n - - 类是粉体喷射搅拌法，其形成的柱状体从外观上看类似于 桩，故而简称粉喷桩。 粉喷桩的历史并不长，它是在搅拌桩的基础上发展起来的。这两种工法合在一起， 有时被成为深层搅拌法。这两种方法的原理都是通过机械的原位搅拌，将原粘土的原 状结构破坏再用石狄、水泥等粘结材料，以粉状或浆状喷入深层软土，形成新的复 合体，最终提高了基础结构的整体强度。 粉喷桩主要应用于软土地基的处理，粉喷桩施工时常用的粘结材料有石灰、水泥 等。随着现代大型工程的增多，对地基要求的不断提高，粉喷桩大部分采用水泥作为 粘结材料。本文研究的粉喷桩也都是以水泥为粘结材料的。 深层搅拌法对于处理有机质土、粉质土和粘质土都有较好的处理效果，出于深层 搅拌法施工速度快、无振动、无噪音、无地面隆起、不排污、不排土、不污染环境及 对相邻建筑物无不利影响等，所以粉喷桩在地基加固、基坑支挡结构及形成止水帷幕 等多方面得到广泛的应用。近年来，随着高速公路的大量修建，在我国各省特剐是沿 l 嗖堂业粉喷桩n l i 州商速公路软十路暴的机理。j 设| 十 海地区粉喷桩已被广泛地应用于高速公路的软基处理中。实践证明喷粉搅拌桩加 固软土地基能够有效她减少和控制沉降量及工后沉降量，与其它软基处理方法相比， 具有无法替代的优越性，能够较有效的解决桥头跳车现象。然而，喷粉桩处理软基在 设计理论、施工技术及检测方法等方面尚不完善，因此在定程度上又限制了它的发 展。 我国的粉喷桩发展是从7 0 年代开始的。一些科研工作者从f 1 本引进了这一工法， 并在个别工程中进行实践应用取得了较为满意的效果。此后我国对粉喷桩的施工 机械也进行了开发和研制，形成了一定的生产规模。1 9 7 7 年由冶金部建筑研究总院 和交通部水运规划设计院引进、丌发水泥深层搅拌法，研制成双搅轴中心管输浆深层 搅拌机于1 9 8 0 年正式用于工程实践：1 9 8 0 年，天津市机械化施工公司与交通部一 航局引进丌发成功单搅拌轴、叶片输浆型深层搅拌机。1 9 8 3 年铁道部第四勘察设计 院丌始进行喷石灰粉搅拌法研究，并获得成功，不久应用于喷水泥粉深层搅拌。目前 深层搅拌法可分为喷浆深层搅拌法和喷粉深层搅拌法两种，其中喷浆深层搅拌法在建 筑地基处理中应用较广，而喷粉深层搅拌法则在公路工程中广泛应用。 目d 0 ，国内已有粉喷桩加固软弱地基的设计与施工规范。铁道部于1 9 9 6 年2 月 2 6h 发柿，1 9 9 6 年4 月lf i 实施的“四化建设全喷搅法加固软弱土层技术规范” ( t b l 0 1 1 3 9 6 ) ，为铁道部行业规范i l l 。上海市建设委员会于1 9 9 4 年1 2 月颂布，1 9 9 5 年4h 、h 实施的“上海市标准地基处理技术规范”中关于水泥土搅拌法章节j ，将 搅拌桩分为“干法”和“湿法”除施工不同外，其设计和质量检测不予区别，这为 上海地方规范。两年后即1 9 9 7 年4 月2 8 同，由上海市建设委员会发出“关于粉喷 桩及探层搅拌桩在建筑工程地基处理中应用问题的通知”( 沪建( 9 7 ) 第0 3 7 2 号) ，规定 于1 9 9 7 年5 月l 同起报监的工程，一律暂停在地基处理中使用粉喷桩【3 】，主要原因 是粉喷桩的喷粉控制及施工质量有较多缺陷。后经过多方科研机关与厂家联合，粉喷 控制问题已基本得到解决，如杭州森宇电控机械有限公司研制的f z i 型喷粉记录 器，从现场实际情况来看已基本趋于成熟【4 l 。至于施工质量，加强管理和采取有效措 施应该说也能够得以解决。然而通过现场钻取芯和静载菏试验及大量的工程实践，对 深部淤泥或淤泥质粘土，其粉喷桩加固的效果并不理想。尽管采取了有效的粉喷记录 和严格的施工管理，深部桩体的质量保证仍有待进步提高，表现的效果是核桩体尽 管有水泥固化剂，但强度很低，桩体呈明显的软塑体。 粉喷桩在实际工程中的应用越来越广泛，已经成为我国一种重要的软土地基处理 方法。但是在大量的工程实践中粉喷桩的设计理论仍采用粗略的复合地基设计方法： 在粉喷桩的施工过程中，缺乏经济有效的检测方法，导致了粉喷桩的施工质量难以控 制，目前较为常用的控制方法是用流量计，由施工人员记录施工过程中的气压及电流。 现场监理人员主要关心的只是计量及桩的平面位置是否正确，这是远远不够的。有很 顺1 1 论文 扮喷 i l _ 抽l 州高速公路较t 路基的茸l 理醴计 多影响粉喷桩施工质量的因素未被注意，如桩体的复搅深度，在喷灰过程中是否出现 停灰等，无法被管理人员了解。在验收阶段一般采用压桩头的方法这种方法只是一 种事后的检测方法，而且所检测的只是桩体上部的强度，对桩体下部强度分伟及强度 大小，无法作出估计。同时在时问上也无法对粉喷桩的施工质量进行实时控制。这样 粉喷桩的施工质量势必会由施工人员的质量意识及施工经验决定。这在涉及到某方面 刹益时，旌工质量更是难以保证。 要保证施工质量，必须注意工程的科学管理，严把质量监督关，在质量控制上可 以从以下两个方面入手：一是施工过程中的质量控制，即找到能控制施工期刚的进尺 速度与喷扶量的仪器，动态地监控这些参数，保证喷灰均匀而连续使喷灰量符合设 计要求。二是成桩后的质量检测，一旦发现问题马上进行处理，对施工过程中的控制 结果及时反馈，确保施工质量满足设计要求。 这方面的问题本文不予探讨。 1 2 粉喷桩处理高速公路软土地基的特点和常见问题 在高速公路的软基处理中，地基土的强度和变形对地基土上的路堤及路面结构的 安全和稳定性、行车安全有相当重要的影响。粉喷桩作为加固软土地基的一种方法近 年来在高速公路的软基处理中得到了广泛的应用。粉喷桩最适合于加固各种成因的饱 和软粘土淤泥、淤泥质土、粉质粘土、粉土和含水量较高且地基承载标准值不大于 1 2 0 k p a 的牯土等地基，加匿深度一骰可达1 5 m 2 0 m 。 我幽大部分高速公路修建在沿海地区，例如珠江三角州地区，是高速公路建设最 多的地区，每年投资需1 0 0 亿元。而珠江三角州地区处于高含水量( w 6 0 ) 、高压 缩性( a 。) m p a 。) 、低强度( c u 1 5 k p a ) 、低渗透性( k l o ”c m s e c ) 、中高灵敏度( s t = 2 8 ) 的深厚软土地基上。由于其强度低。灵敏度较高。在地基处理后，填土旌工中地 基承载力和稳定性往往不能满足工程要求造成失稳。另外，由于压缩性高透水性 差，在路堤荷载作用下会产生很大的沉降量和沉降差，且沉降延续时间很长，无法满 足公路的使用要求用。因此，必须进行地基处理，但出于对地基性质及加固机理认 识不够即使花费大量的资会也不能根本解决问题。工程事故时有出现。尽管粉喷桩 有很多优点，但在实际工程中，粉喷桩处理地基的工程事故时有发生，虽然有些是施 工方面的原因，但更不应忽视相关理论的不成熟。 路基失稳事例6 j ：2 0 0 0 年1 1 月2 lr 下午，广东西部沿海高速公路台山镇海湾路 段，在k 7 8 + 2 0 7 k 7 8 + 2 3 7 范围内于庄侧路基发生滑塌事故，滑塌段纵向长3 0 m ，在 k 7 8 + 2 3 7 断面，横向宽9 m ，在k 7 8 + 2 0 7 断面，横向宽3 m ，周边伴有宽2 0 c m 左右的 张开性裂隙。出于路基滑塌。造成镇海湾大桥左铡耳墙跟部丌裂。所砌锥坡破坏e 该 f l ! ；! i 论_ ；【= 粉喷桃加l 刊高速公路软十路草的机理j 设| 十 软基段采用便是超载预压加粉喷桩处理，即：粉喷桩( 要求打入持力层) 、砂挚层、土 工格栅。 “跳车”事例【7 l ：2 0 0 0 年9 月份广东新台高速公路某超载预压处理段，在粉喷 桩处理区和袋装砂井处理区交界处，由于较大差异沉降而引起路堤多处发生横向裂 缝，而其差异沉降约有2 4 c m ，若不采取行之有效的处理将会影响路面质量，导致 服役阶段发生“跳车”现象。我们知道，解决行车“跳车”问题的好坏是衡量高速公 路质量高低一个重要标准。 1 3 本文探讨的几个问题 根据分析，粉喷桩处理软土路基时，在加固机理、受力变形、沉降与稳定性问题 以及复合路基设计等方面均有其独特的一面不能简单地套用其它刚性桩和柔性桩的 计算分析方法，也不能照办粉喷桩处理一般建筑地基的设计思路，为此，本文主要讨 论以下几个问题： 1 本文总结粉喷桩的水泥水解化学反应，利用溶解一析出理论，进一步剖析粉喷 桩的成桩本质。讨论粉喷桩地基承载力应采用的承载力计算方法，及承载力计算中a 和口的取值问题。 2 本文将讨论很具粉喷桩特色的两个问题，临界( 有效) 桩长和桩土应力比。 水文从塑性力学角度出发深入理解桩端承载力问题和临界桩长，o 结合粉喷桩加固 高速公路软土地基的特点，就粉喷桩与土工合成材料联合处理这种常用的地基处理方 式，分析其桩土应力比的变化规律。 4 本文将结合工程实例，说明粉喷桩加固高速公路软土地基效果和弊端，分析 粉喷桩复合路基失稳前的不良征兆如不f 常沉降、路面裂缝等并采用考虑粉喷桩 和土工合成材料抗滑效应的稳定性计算方法核算路基安全系数。 5 根据全文对粉喷桩加固高速公路软士路基的特点的总结与探讨，本文将提出 新的设计思路，这种设计思路考虑了工程设计中关键的三个因素：一、考虑粉喷桩和 软土路基特点的方案可行性；二、工程费用的经济性：三、工程施工的可行性。 坝l ：论殳 粉喷桃加i 匍- 岛速公路软十路龋的机理j 设计 2 粉喷桩复合地基加固机理与力学模型 2 1 粉喷桩的加固机理 粉喷桩处治软基属于深层搅拌法中的一种，它是利用压缩空气向软弱土层中输送 石灰、水泥等粉状加固料，使其与原位软弱土混合、压密，通过加固料与软弱土之间 的离子交换作用、凝聚作用、化学结合作用等一系列物理化学作用使软弱土硬结成 具有整体性、水稳性和一定强度的柱状加固土，它与原位软弱土层组成复合地基，提 高软土地基承载力，减少地基沉降量。 2 1 1 软土与水泥的化学组成 土的化学成分因其成因的不同而有较大的区别。在我国沿海地区，特别是在河海、 黄河、长江、珠江、闽江、钱塘江的入海口附近土层大多属于近代沉积土层，在这 些河流的下游流域，分布着含水量很高的软粘土1 8 】。习惯上，将淤泥、淤泥质土以及 天然强度低、压缩性高的一般粘性土等软弱土层统称为软土( s o f ts o i l ) ，它是在静 水或非常缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成，天然含水量大于液限、天然 孔隙比大于1 0 的粘性土。当天然孔隙比大于或等于1 0 而小于1 5 时为淤泥质土 ( m u c k ys o l l ) ；当天然孔隙比大于或等于1 5 时为淤泥( m u c k ) 。软土广泛分布在我 国东南沿海、内陆平原和山区，如广东、上海、杭州、宁波、温州、福州、厦门以及 昆明和武汉地区。 软土的一般特性是其有机含量较一般粘土高，以化学风化形成的次生矿物组成， 并以蒙脱石为主要成分，颗粒粒径非常微小，在电子显微镜下呈片状或磷片状；表面 带有负电荷与水有很强的相互作用：表面能大，对于海相沉积的软土，所含的水分 中有大量的硫酸盐。 粉喷桩施工中用到的水泥一般为普通硅酸盐水泥，它是由硅酸赫水泥熟料、石膏 及混合材料等组成。其中硅酸盐水泥熟料对水泥的性能起决定性作用。硅酸盐水泥熟 料由多种矿物组成其实际矿物组成是相当复杂的，是由多种矿物及中白j 物组成的聚 合体。 硅酸盐水泥熟料有代表性的组成矿物有下列四种：硅酸三钙、卢型硅酸二钙、铝 酸i 钙、及铁铝酸四钙。此外还含有少量的钙矾石、玻璃相和游离的氧化钙及氧化 镁。 坝1 论义 粉喷桩加i 州高速公路软t 路幕的机删1j 址| 十 硅酸三钙是硅酸盐水泥熟料的主要成分其含量一般在1 5 6 5 左右。硅酸三钙 是硅酸二钙在1 2 5 0 c 以上时吸收游离的氧化钙而形成的高温化合物。当水泥熟料急 冷时，硅酸三钙来不及分解而以一种亚稳定态存在下来。因此，从热力学角度来看， 常温下硅酸三钙处于高能状态，具有较高的化学活性。硅酸三钙的水化速度较快，水 化产物的强度较高，是水泥早、中期强度的主要组成成分对总强度的贡献也较大。 另外，硅酸三钙对水泥其它性质的影响也很大。 口型硅酸二钙也是硅酸赫水泥熟料的重要组成成分，其含量一般在1 0 4 0 左 右。硅酸二钙晶格结构随环境温度的变化而不同，由于水泥熟料的急冷，常温下，口 型硅酸二钙处于亚稳定状态，具有较高的水化活性。但口型硅酸二钙的水化速度较慢， 对水泥的早期强度贡献较小，其主要贡献在水泥的中后期强度，水泥的最终强度在很 大程度上取决于口型硅酸二钙的含量和水化程度。 铝酸三钙在水泥熟料中含量一般在1 5 以下，但是铝酸三钙的水化速度非常快， 水化热高，是水泥早期强度的主要贡献者。但水化铝酸三钙的耐腐蚀性较差，在环境 中若存在硫酸盐时，铝酸三钙可与硫酸盐形成钙矾石，产生非常大的体积膨胀。因此， 当水泥中铝酸三钙的含量较大时，水泥强度受硫酸赫的影响极大抗硫酸盐腐蚀的能 力相当差。 铁铝酸四钙的水化也是水泥早期强度的来源之一，它的水化速度非常快，水化热 高，是水泥抗折强度的主要贡献者。 2 1 2 水泥与软土的化学反应 实际工程中，常采用水泥固结理论中的溶解一析出理论来解释水泥和软土的反 应。溶解一析出理论是水泥固结理论中较为经典的理论之一，该理论认为水泥的固结 过程就是水泥熟料在水中溶解成离子形式，并以水作为介质进行化学反应，形成了各 种晶体从水溶液中析出最终形成具有一定强度的接体。 在粉喷桩的施工过程中，水泥粉被喷入拌和搅动的软土中，从溶解一析出理论来 看粉喷桩产生强度的第一步，就是水泥与土体反应的第一步，是水泥熟料在水中的 溶解过程1 。 溶解后的水泥熟料在水中与水分子的反应如下i l o 】： 1 硅酸三钙的水化： 2 ( 3 c a 0 , 0 2 ) + 6 h 2 0 _ 3 c a 0 0 2 s i q , 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 2 口型硅酸二钙的水化： 2 ( 2 c a 0 s i 0 2 ) + 4 日! o 。3 c a o * 2 s i o ! 3 h 2 d + c a ( o h ) ! ： 铝酸三钙的水化： 竺j 堡兰 塑堕壁! ! 型塑望竺些竺塑苎塑! ! 些! ! 壁! 3 c a 0 a i ，0 3 + 6 h ，0 _ 3 c a 0 a i ，o ，6 h ，0 4 铁铝酸四钙的水化： 4 c a d a 1 2 q f e 2 q + 7 h2 0 3 c a o a 1 2 0 3 * 6 h 2 0 + c a o o f e 2 q h 1 0 另外，在水化过程中，形成了能吸收大量自由水的钙矾石： 3 c a s 0 4 + 3 c a o a i ：q + 3 2 h ! o c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 在海相沉积形成的软粘士中，硫酸盐的含量较大：由于海洋生物遗骸的堆积，软 土的有机含量较高而软粘土的含水量是较大的。在这样的条件下，水泥与软土接触 后，其反应与硬化具有独特的规律，在此类软土中的水泥一软土反应特点如下： 1 有机质对水泥熟科中的快速水化成分的影响。软粘土中的有机质能很大程度上 延缓钙矾石晶体的形成，使钙矾石的吸收水分的过程减缓。 2 硫酸赫与水泥熟料水化产物的反应。对于海相沉积土来说硫酸盐的含量较高， 硫酸盐与氢氧化钙及水化铝酸钙会发生反应。例如，硫酸钙与氢氧化钙的反应如下： c a ( o h ) 3 + n a 2 s 0 4 i o h 3 0 寸c a s o , 2 h 2 0 + 2 n a o h + 8 h 2 0 3 地下水对水泥熟料结晶形成的影响。粉喷桩在成桩初期，由于施工机械的振动， 地下排水孔道的形成导致地下水渗流加快，这会使水泥熟料水化时所需的碱性环境 迅速减弱高碱性晶体转化为低碱性物质，如硅酸钙和硫铝酸钙等。在成桩后期，当 软土结构重新形成后地下水渗流速度变慢时才有可能产生要求高碱性环境的铝酸钙 等物质。 4 地下水酸碱度的影响。碱性环境对水泥熟料的水化结晶更为有利。在酸性环境 下水泥熟料水化过程中生成的氢氧化钙被中和，使反应的碱性环境受到破坏，所生 成的反应产物具有较低的联结性能，从而使水泥土的强度下降。 因腐殖土中有机质含量高、结构松散，天然含水量很高，p h 值偏低( s 4 ) ，呈弱 酸性，这使水泥与粘土矿物颗粒的水化和水解反应削弱，降低了凝结形成的能力，使 水泥土的强度较大降低。因此有机质含量高的软粘士，单纯用水泥作为主加固剂效果 不好，在设计中必须引起重视。值得一提韵是，此时可利用石灰吸水、发热、嘭胀作 用，石狄体积膨胀l 2 倍，能促进周围土的固结。软土中掺加一定数量的生石灰后， 所产生的高温和高p h 值( 可超过1 2 ) 。促进了土中的化学反应( 固结反应) 。 总之，软土中水泥熟料的反应过程是：水泥熟料溶解于地下水，由于有机质及水 的大量存在使得水泥熟料的水化反应速度变得相当缓慢，其水化产物倾向于硫铝酸 钙。因有机质的存在，铝酸三钙吸收水分形成钙矾石的过程被延缓，从而难以形成大 的晶体结构。 一般情况下，因水泥与土的搅拌不能绝对均匀使水泥熟料包裹在软土团粒表面， 这种坎包土的结构出于电化学作用，水泥熟料的水化产物易渗透入土匝粒的内部。这 样，最后在粉喷桩桩体范围内形成了外层是水泥水化产物相联结，内层是被包裹的软 塑! ：堡兰粉喷壮劫f 州高速公路软十路捧的机理，i 5 计 士团粒的空问结构，这种结构是粉喷桩强度的基础。 由于粉喷桩强度的形成受到各种化学因素的影响，相对于水泥混凝土来说异常缓 慢。在粉喷桩成桩三个月后，其强度仍然有缓慢的增长但在工程实践中，我们取三 个月的强度为设计计算的标准。 2 1 3 桩体强度及其影响因素 由于土和水泥水化物之间的物理化学反应过程进行缓慢，因此水泥土柱体的强度 随时间增加不断增长。与普通混凝土相比，粉喷桩的桩体强度较低，一般设计桩体强 度在1 o 4 0 m p a 之间，是普通混凝土的约1 1 0 1 ”j 。 影响桩体强度的因素很多，但主要因素有：水泥掺合比、水泥标号、龄期、土的 含水量、土中有机质含量、外掺剂及其土体围压等，其中以龄期、水泥掺合比、土的 含水量影响最为显著。 水泥土的强度随掺合比和龄期的增长而增长，其强度增长规律既不同于水泥砼， 也不同于石灰土。水泥土的龄期超过2 8 天后强度仍有较大增长，但增长速度己明显 减缓，9 0 天龄期后强度增长的长幅很小，因此，建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 9 1 ) 建议以9 0 天龄期的无限侧抗压强度作为水泥土的强度设计标准值i l “。 水泥掺合比对水泥土的强度影响较大，当水泥掺合t e 小于5 时，水泥土固化反 应很弱，水泥土比原状土强度增长甚弱因此加固效果不明显，当掺合比超过2 0 时， 水泥土强度增长随掺合比增加幅度减缓，费用一效果比不合理，导致成本加大，或产 生浪费。因此，公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 9 6 ) 规定的掺合比 范围为7 a 。1 5 1 2 l 。实际工程中掺合比的选用还应根据土质和加固土的含水量， 通过室内试验确定。 另外，加固土含水量对水泥土的强度有明显影响，含水量愈小，无侧限抗压强度 愈大，反之，就愈小。当含水量达到一定值后，按规范推荐的最大掺合比已经不能保 证达到设计强度要求，因此，从经济、合理、有效的角度在保证水泥土桩强度满足 规范要求的前提下对于含水量较小的软土可适当降低掺合比，而对软土含水量过大 的软土宜增加掺合比，最大掺合比可大于2 0 ，具体掺合比的选用应根据试验确定。 喷粉桩单桩的设计主要是确定桩长和选择水泥掺入比。例如，某次室内模型试验 得知1 1 3 1 ：当桩体水泥掺入量较小口。= 1 0 时，桩体的承载力基本上与桩长无关： 而当水泥掺入比较大口。= 2 0 时，桩体的承载力随桩长的增加而提高。 坝i 论殳 粉喷桩扭i 硝，托速公路软十龉雉的机理j 皱计 2 1 4 粉喷桩的半刚性 粉喷桩桩体本身具有一定的强度和刚度，虽然相比刚性的水泥砼桩而苦，喷粉搅 拌桩只是一种低强度桩( 其强度只有水泥混凝土的l l o 1 1 2 0 ) ，但粉喷桩的强度却 是所加固软土的几十倍甚至几百倍故目前的加固机理分析认为粉喷桩是介于刚性桩 和柔性桩之间的一种半刚性桩；对于粉喷桩复合地基( 路基) 来说在载荷作用下， 粉喷桩与桩间土共同承受载荷由于桩、土刚度和强度及其变形特征差别很大。粉喷 桩既非刚性桩又非柔性桩。因此，我们定义粉喷桩为半刚性半柔性桩。 由于粉喷桩的这种特殊的受力和变形特征，所以其分析和计算方法不能完全套用 基本成熟的钻孔灌注桩和打入桩的设计方法也不能完全按碎石桩等柔性桩来考虑。 我国对于粉喷桩的研究虽然不很成熟，但是已经取得相当的成果。下文先简要总结一 下在粉喷桩复合地基承载力计算分析方面的工作。 2 2 承载力问题 粉喷桩承载能力分析主要有单桩承载力和复合地基承载力。关于粉喷桩的承载 力，我国已经完成大量的试验研究，结果发现，由于软基本身的性质及桩身强度、桩 长、施工质量等因素的影响，粉喷桩的承载能力相差较大，所以对于特定的工程和设 计通常要求对粉喷桩的承载力进行实地的测定。然而，对于特定的公路路堤条形载 荷，地基承载力到底采用何种承载力计算方法来计算；在进行粉喷桩承载力计算时应 考虑哪些因素；粉喷桩加固软基后在条形载荷的作用下其受力模型如何建立等，这 些都是值得进步研究的问题。解决好这些问题对工程的可靠性和经济性均具有重要 的理论价值和实践意义。 2 2 1 单桩承载力计算 单桩的承载力不仅与桩长、桩周土和桩端土的性质有关，而且还与桩身强度有关， 单桩竖向承载力标准值可按下列二式计算。取其中较小值1 8 】1 1 4 1 。 r ：= r _ 女4 p ( 2 2 1 ) r ：= 玑u p + 晓4 p g p ( 2 2 2 ) 式中兀。与粉喷桩桩身加固土配比相同的室内加固土试块( 边长为7 0 7 c m 或5 0 c m 的立方体) 的9 0 天龄期无侧限抗压强度平均值： ，7 强度折减系数，一般取0 3 5 0 5 ，施工质量好取高值，反之耿低值： 坝l 。论文 粉喷桩趣i 州高速公路软t 龉攮的机理，改汁 u ，桩周边长： 桩长，粉喷桩出于存在临界桩长问题，一般小于2 0 m 桩端天然地基土的承载力标准值，参照相关文献： 虿。桩周土平均容许摩阻力如下表。 表2 2 1 粉喷桩桩周十平均容许摩阻力 十的名称十的状态 瓦( k p a ) 淤泥、泥炭十流塑5 8 淤泥质十流塑一软塑 8 1 2 粘性十软塑 1 2 1 5 粘性十可塑1 5 1 8 a 桩端天然地基土承载力折减系数，可取0 4 o 6 ，口的取值与粉喷桩桩 底部质量有关，特别是当桩端为较硬土层时，取高值。例如文献f 1 s l o e 建议，对于持 力层为硬质土层( 如硬塑粘性土、密实砂、砾卵石和基岩) ，在应用( 2 2 2 ) 式计算粉 喷桩单桩承载力时，建议将6 t 值取为1 0 1 ”】；相反，如果桩底施工质量不好，粉喷桩 没能真正支撑在硬土层上，桩端承载力不能充分发挥，取低值【m 】。在设计单桩承载力 时，要考虑桩身强度与承载力的关系，即： ，7 厶a p 瓦u p l + a 4 p q p 单桩承载力应通过现场载荷实验加以验证，或先施工 试桩，据以确定单桩承载力。特别是当桩体强度小于5 0 0 k p a 时，单桩承载力应通过 现场载荷实验确定。 但是需要说明的是，由于粉喷桩的载荷变形传递和破坏特性不能以粗略照用现 行的单桩承载力计算方法。理论和实验研究均标明，虽然粉喷桩在桩长范围内 桩和的位移基本上是协调的，但是存在临界桩长问题，且在桩长范围内侧阻力和桩身 压缩量沿桩身分布是不均匀的，根据文献粉喷桩的最大侧阻力和大部分的桩身压缩 量在桩顶5 米范围内粉喷桩单桩承载力的发挥主要是桩身上部的摩阻力，当桩受竖 向载荷力时，首先是桩上部的摩阻力达到极限值，无论是桩身轴向应力应变还是桩侧 摩阻力大部分都发生在临界桩长f 。范围内，而在临界桩长f 。以下，桩体的轴力、变形 和摩阻力都很小；另一方面。由于桩顶下桩体某一部位的轴向应变大幅增加，使得桩 体产生大的侧向变形，桩闻土对桩的周围压力明显增大，加上在上部载荷作用下桩间 土在该部位的应力本来就大。因而导致了桩顶下桩体该部位桩周土的极限摩阻力增 大超过了原有天然地基的极限摩阻力。 由于粉喷桩属于低强度桩，桩身压缩量较大，承载能力的提高主要是依靠桩顶以 下某一深度范围内桩的轴向应变增大而导致的桩侧摩阻力提高产生的当承载力达到 极限承载力时桩体某一部位的轴向应变达到了极限应变，从而使桩体产生压碎破坏 或整体剪切破坏。鉴于粉喷桩受力破坏特性。文献一j 提出单桩承载力计算方法。 o 坝i 。论文 粉喷桩加州高速公路软十路基的机型一，改汁 当桩长， f 。时，根据文献 1 8 有限元计算结果，摩阻力在f 常桩土刚度比2 0 8 0 范围内分布基本上是均匀的，其破坏形式主要是贯入破坏，粉喷桩承载力的计算可 按摩擦端承桩来考虑，并且桩长越短，摩擦端承桩的特征越明显，可按式( 2 2 2 ) 计 算；当桩长，。时，实验研究表明粉喷搅拌桩主要呈压碎或塑性整体剪切破坏，桩 长对承载力的影响不大，承载力的计算应按式( 2 2 1 ) 计算。 2 2 2 原位测试法确定单桩承载力 原位测试法确定单桩承载力，在国内外已较普遍采用，主要是以下两种方法： 一、静力触探实验( c p t ) 确定单桩承载力 静力触探实验( c p t ) 简称静探，静力触探试验作为一种岩土工程的勘察手段， 特别对软弱地基具有试验精度较高、试验数据连续的优点，对确定地基承载力和其它 岩土工程设计所需参数，是一有效的原位试验方法【憎】。早在二十世纪三十年代，荷兰 就已经采用简单的圆锥探头来评价单位端阻力，后来的几十年罩，无论在静探的探头 和加压还是记录设备上都有很大的改善。许多国家的学者都提出了用静探评价单桩承 载力的方法，并被正式纳入该国家技术规程，例如法国l p c 法等。我国从七十年代开 始也丌始这方面的实验研究工作，在一些规程中也俨式纳入。例如铁路系统的“综合 修币法”、建筑桩基技术规范等。 a ) 综合修正法 1 4 1o 该方法所用的探头为双桥探头。能同时测定土层的静探端阻 和局部侧摩阻力，其圆锥底面积为2 0 c m ! ，锥角为6 0 ”，摩擦套筒为1 0 9 c m ，侧面积 为3 0 0c m ! 。用静探估算单桩的极限承载力时用下式计算： q ，= 口瓦爿+ u l 。屈疋 ( 2 2 3 ) 式中q 1 桩的极限承载力k n a 端阻综合修正系数； 瓦桩底平面的平均静探端阻k p a ； a 桩底的面积m ：； 。第s 层土的厚度m ： 展侧阻综合修正系数： f 第s 层土的平均静探局部侧阻力k p a ； 【，桩的周边长m ： 关于玩、的计算程序和综合系数口，、展的取值参照铁路桥涵设计规范。 另外。采用上式计算得到的粉喷桩单桩极限承载力时，建议采用安全系数用2 。 b ) 建筑桩基技术规范法1 2 0 i 。在计算粉喷桩单桩承载力时，亦可以参考建筑桩 坝i 论艾 粉喷艟加硎- 矗速公路软十路捧的机理tj 、啦计 基技术规范( j g 1 9 4 9 4 ) ，该方法所使用的是单桥探头，其圆锥底面积为1 5 c m ! a 还有7 c m 高的滑套，锥角为6 0 ”。 二、标准贯入实验( s p t ) 确定单桩承载力 标准贯入实验法简称标贯法较适估算砂或砂砾地层的桩端承载力，而且我国用 它来评价桩特别是粉喷桩的承载力经验尚不够丰富，所以还需要进一步作好这方面的 工作。 事实上，现有的各种工程手册对原位测试法估算单桩承载力的说明已经相当详 细，本文就不多赘述，关于粉喷桩的资料也可参考近年的一些相关文献。 2 2 3 复合地基承载力 笔者认为影响粉喷桩复合地基的主要因素有以下几点： 1 桩长范围内的土层性质。当粉喷桩桩体长度为定值时，单桩承载力与桩长范 围内土层的物理力学性质指标成正比。土层物理力学性质指标高，土质较好，土层对 桩的侧向摩阻力就越大，则单桩承载力随之增大。 2 桩土置换率。桩土置换率是指软土地基桩位于平面范围内，粉喷桩面积所占 的比率。如果桩土置换率大，路堤填土外荷载引起的应力更多地分稚于桩体上，减少 了桩问土的受力面积，进一步减少桩长范围内加固土体的主固结沉降，提高了粉喷桩 复合地基的承载力。 3 桩体强度。粉喷桩可能在桩问土摩阻力与端承载力未充分发挥作用之前，因 桩体强度低而产生桩体本身破坏，此时桩的极限承载力往往不是由桩间土摩阻力和桩 端承载力所控制，丽是由桩体本身强度所控制。因此，桩体强度和承载力的匹配是保 证工程加固质量的关键。单桩设计时，承受垂直荷载的喷粉桩一般应使土对桩的支承 力与桩体强度所确定的承载力相近，并使后者大于前者最为经济。关于桩体强度的影 响因素，2 1 3 节已经探讨过。 4 桩端持力层的土层性质。地基上路堤填土外荷载引起的应力，出粉喷桩的应 力集中效应传递给桩端持力层，持力层容许承载力的大小与单桩承载力和复合地基承 载力的大小成正比。 加固后粉喷桩复合地基承载力标准应该通过现场试验来确定，但是高速公路的工 程特性决定了不可能每个路基加固区均作现场试验。为此我们可以采用下式来计算： d d f 坩= 朋- 等+ p 0 一卅) f t ( 2 2 4 ) ， 式中，f 。一复合地基承载力标准值： 塑l 堡墨粉喷桃加嘲矗速公路软十路摧的机理t ，设汁 一面积置换率： 卢一桩间土承载力折剪系数： f 。一桩间土天然地基承载力标准值： 这旱a 。也是桩横截面积，尺? 是单桩承载力标准值，可根据上节的方法计算。 桩间土承载力折剪系数声是反映桩土共同作用的一个参数。考虑到粉喷桩的半刚 性和粉喷桩复合地基的变形协调，的取值与桩间土和桩端土的性质、桩身强度和承 载力、养护龄期等因素有关。柔性桩桩土共同承受载荷，则口= l ：理想的刚性桩桩间 土不承受载荷则口= o 。 对于粉喷桩复合地基，当桩端土为软土时，口可取o 5 1 0 ；当桩端土为硬土 时，可取0 1 0 4 吼实际上，粉喷桩处理高速公路软基时常在复合路基和路堤填土 中间铺设砂垫层等，这一点也正是复合地基和复合桩基的根本区别之一。而铺设 砂石挚层的目的就是更好的利用桩问土所以此时的卢应该取大值。为此文献【2 2 根据试验结果建议，当在桩顶( 即基础底) 铺2 0 c m 的加厚碎石挚层时建议将式( 2 2 4 ) 中的口值取为1 0 。 2 3 关于孔隙水压力 复合地基桩基设计的关键是确定桩的承载力。但大量工程资料都表明，桩的承载 力并不是一个定值，而是同超孔隙水压力及其消散有着密切关系，即桩基承载力随孔 隙水压力等与时问因素变化而变化， 而不是固定不变的。图2 3 1 是上海x 某工程桩承载力增长与超孔隙水压 墨 力消散的对比【2 3 1 。可以看出，两者之萄 问有极其相似的规律超孔隙水压力嗣 的消散( 土的再固结) 是桩承载力增 卅 坝i 。论_ ! ：l ： 粉喷姚加州一前速公路软 龉雉的静l 理，驶 在无限t 体中一个圆柱形孔的平面应变轴对称扩张问题，即, j , - l 扩张理论从而计算 沉桩引起的土中应力增量及超孔隙水压力i “l 。 但是粉喷桩的成桩过程，不是钢桩、预制桩的“打桩”过程，也不是沉管桩的“沉 桩”过程：一、粉喷桩的制桩过程是在软土地基中将加固材料( 水泥粉或石狄粉等) 通过搅拌机械和原位地基土搅拌混合成桩，不会有较大的挤土效应；二、粉喷桩使用 的的固化材料是水泥粉或石灰粉，在干燥状态下它们能吸收桩体附近软土中的水分： 三、粉喷桩加固的往往是软土地基而天然软粘土具有显著的结构特性，颗粒之间胶 结作用抑制了超孔隙水压的产生。 总之不能将粉喷桩的成桩过程看成“沉桩”过程，有些工程人员忽略粉喷桩的 工程特点，把粉喷桩施工过程简单地模仿看成其它工程桩的沉桩过程，并采用相应的 计算方法估算粉喷桩地基的空隙水压力，笔者认为这样的做法在理论上是错误的，工 程上是有害的。 当然，粉喷桩在打桩施工过程中对桩周地基土也会有较大扰动的，此时若地基土 体结构破损，颗粒之间的胶结作用受到破坏对超孔隙水压力的抑制作用减弱，也会 造成地基土的超孔隙水压力，使得粉喷桩在施工后一定时期内其承载力较小，工程技 术人员在设计时如果没有虑这一点，将会高估此时复合地基的承载力，特别是在由于 过高估计地基的承载力而决定在路基上快速填筑路堤或修建结构物的情况下，路基很 可能会出现裂缝、大的沉降和水平位移甚至滑塌事故。 另外地震和路面载荷等也会引起超孔隙水压力的上升，地震作用时，桩侧土的 孔压比沿深度方向先急尉增大，再逐渐减小，振动孔隙水压力随时间累积增长。导致 桩竖向承载力不断降低。实际上，对于高速公路的工程建设，路堤填土加载或者雨水 及其它水源也会造成孔隙水压力的上升，在工程设计中这些因素都是需要考虑的。 坝卜沦史粉喷机枷l i 州- 岛速公路软十路肇的机理ij 改汁 3 粉喷桩复合地基特性研究 本章将讨论很具粉喷桩特色的两个问题：临界( 有效) 桩长和桩土应力比。笔者 从塑性力学角度出发，深入剖析桩端承载力问题和临界桩长，。的力学本质；结合粉喷 桩加固高速公路软土地基的特点，就粉喷桩与土工合成材料联合处理这种常用的地基 处理方式，分析其桩土应力比的变化规律。 3 1 临界桩长问题 在粉喷桩的研究与设计过程中，当软土层的厚度较小时，如小于l o 米，或因粉 喷桩支撑于坚硬土层时，我们没有必要考虑临界桩长问题，这时就作端承桩处理，其 设计原理与计算方法较为简单：但是在实际工程中，我们也常常会遇到软土地基或路 基，甚至软土层较为深厚这时在设计粉喷桩时一定要考虑粉喷桩的临界桩长问题， 也有人称之为有效桩长问题。设计超过临界桩长长度的粉喷桩只会浪费水泥在粉喷桩 的上部，同时对粉喷桩的强度及承载力作出过高的估计，这在技术上是很危险的。 考虑临界桩长问题的主要原因是：粉喷桩桩身强度随深度逐渐减小，桩体下部的 结构性及强度都比上部差，当达到一定深度以后，桩身因为喷灰量的减少其强度甚至 比不上原状士的强度i o j 。所以在设计粉喷桩时有必要限制桩的长度不超过一定范围。 有人这样给临界桩长( 有效桩长) 定义：临界桩长是指桩身因喷灰量随深度递减，在 达到一定深度以后，桩身抗剪强度等于桩端原状土在其应力环境下的抗剪强度，这 长度称为临界长度，用，表示。 根据上述原理，临界桩长可按以下步骤确定i l o j ： ( 1 ) 确定桩身水泥土抗剪强度在各深度处的大小靠。桩身抗剪强度可以参照单 桩