（土木工程专业论文）新型复合材料水泥土桩的试验研究与数值分析.pdf

， ，、7jr j 、 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕瘟王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) j 的较高强度的桩体。新型复合材料水泥土桩由水泥土材料承担竖向荷载，围箍材 料起到约束水泥土桩水平方向变形的作用，从而提高水泥土桩抗压强度。其桩体 和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。新型复合材料水泥土桩还处于概念阶段， 本文通过以下手段，对其进行进一步研究。 ( 1 ) 通过对复合材料水泥土试样工作原理的理论研究，指导下一步实验的研 究。 ( 2 ) 对复合材料进行了试验研究，得到了原土为粘性土、中砂、碎石三种复 合材料水泥土试块的弹性模量和无侧限抗压强度。为水泥土桩的理论计算提供依 据。 ( 3 ) 利用f l a c 3 d 有限差分程序，建立新型复合材料水泥土桩复合地基数值 分析模型，并研究了垫层厚度、垫层弹性模量、桩间土弹性模量、置换率对此桩 复合地基沉降、桩身轴力及桩土应力比的影响。对今后的工程实践具有指导意义。 关键词：复合地基水泥土桩复合材料f l a c 3 d 褥垫层 北京f ：、j p 大学t 学硕十学位论文 t h i se s s a ym e n t i o n san e wt y p eo fc o m p o s i t em a t 谢a l ss o i l c 锄e n t p i l e t h e s o i l 。c e i n e n tp i l ei sm a d e 舶m g r o u ta n ds o i lb yc 0 m p l e t e l yc h u r n j n gu pt 1 1 r o u 曲e i t h e r c h u md a s h e ro rs p i na 1 1 ds p r a ye q u i p m e n t nw i l lc o m ei n t oa h i 曲l ys t r o n gp i l ea r e r i n s e r t e di n t om ee n c l o s eh o 叩m a t 鲥a le g p e p i p e ，p v cp i p ee t c a st on l en e w c o m p o s i t em a t 甜a ls o i l - c e m e i l tp i l e ，i no r d e rt oe i l h a n c et l l ec o m p r e s s i v es t 嗽l 垂h ，t h e v e n i c a ll o a di st a l ( e l l0 nm ec e i l l e l l tm a t e r i a l ，a l l dm eh o r i z o n t a ln 觚s f i g u r a t i o ni s r e s 砸c 锄b yt h e 肋c l o s eh 0 0 pm a t 研a 1 p i l e ， t h es o i lb e 研e e i lp i l ea n dc u s h i o n t o g e t h e rf 0 咖m ec o m p o s i t ef o l l l l d a t i o n t 1 1 i sn e wc o m p o s i t em a t 嘶a ls o i l c e l i l e n tp i l e i ss t i l li nac o n c 印t u a lp h a s e f u r 也e rr e s e a r c hw i l lb ec 删e do u t b yt h e s em e t h o d s b e l o w ( 1 ) t i l e o r e t i c a l l yr e s e 姚gm ew o r k j n g 研n e i p l e so nc o n 驴s i t em a t 甜a l s o i l - c e i l l e n tt e s tp i e c ei n s t m c t st l l er e s e 鲫c hf o rm en e x te x p e r i m e i l t s ( 2 ) w h e nd o i n gr e s e a r c ho nc o m p o s i t em a t e r i a l s ，w i l lg e tt l l ee l a s t i cm o d u l u s a i l dm eu i l c o n f i n e dc o m p r e s s i v es 嘶l g 吐lf o rt h e 耐沓n a ls o i l ，w h i c hi st l l ec o m p o s i t e m a t 甜a ls o i l - c e m e i l tt e s tb l o c kw m c hi sm i ) 【e dw i t l lc l a y ，m e d i 啪s a l l da l l d 罩a v e l t h i sp r o d e st l l eb 撕so n 也et l l e o 鼻e t i c a lc a l c u l a t i o no fm es o i l c 锄e n tp i l e ( 3 ) b y 销t a b l i s h i n gt h ec o m p o s i t ef o u i l d a t i o nn u m 甜c a l 锄a l y s i sm o d e lo ft l l e n e wc o m p o s i t cm a t e d a ls o i l - c e m e n tp i l eu s i n gf i i l i t ed i 商潲l c ep r o c e d u i e sf l a c 3 d ， s t u d yt 1 1 ee 仃e c to ft h et h i c k n e s so fm ec u s l l i o n ，c u s l l i o ne l a s t i cm o d u l u s e l a s t i c m o d u l l l so fs o i lb e t 、) l r e e n p i l e s粕d1 e p l a c 锄e n tr a t eo nc o m p o s i t ef o l l l l d a t i o n s e t t l e m e n to ft h ep i l e ，p i l eb o d ya ) 【i sf o i i c ea n dp i l e s o i ls t r e s sr a t i o ，w h i c hh a s i n s t m c t i v es i 印i f i c a n c eo nf h t u r e 酉n e 嘶n gp r a c t i c e k e yw o r d s ： c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，s o i l c e m e i l tp i l e ，c o m p o s i t em a t 甜a l ， f l a c 3 d c u s h i o n i i i 北京1 ：、l k 大学t 学硕十学位论文 一i v 1 1 复合地基的产生与发展l 1 1 1 复合地基概述1 1 1 2 复合地基国内外研究现状2 1 2 水泥土桩的产生与发展3 1 2 1 水泥土搅拌桩复合地基国内外应用及研究现状3 1 2 2 水泥土的硬化机理4 1 2 3 水泥土的试验研究6 1 3 新型复合材料水泥土搅拌桩6 1 3 1 新型复合材料水泥土桩的产生6 1 3 2p e 管材概述7 1 4 本文的研究方法和内容9 第2 章复合材料水泥土桩的理论研究11 2 1 模型的建立l l 2 2 线弹性阶段理论计算1 2 2 3 本章小结1 5 第3 章新型复合材料水泥土桩的试验研究1 7 3 1 试验内容17 3 1 1 试验目的17 3 1 2 试验依据17 3 1 3 试验设备l7 3 1 4 试验步骤18 3 2 实验结果及分析2 2 3 2 1 无p e 管材试块的无侧限抗压强度试验2 2 3 2 2 复合材料试块的无侧限抗压强度试验一2 3 3 3 本章小结2 5 第4 章新型复合材料水泥土桩复合地基承载特性数值分析2 7 4 1f l a c 3 d 的基本原理2 7 北京t 业人学1 ：学硕十学侮论文 4 1 1f l a c 3 d 增量形式及摩尔库伦本构模型数学表达2 8 4 1 2f l a c 3 d 程序优缺点2 9 4 2 规范对水泥土桩参数选取的要求3 0 4 3 复合材料水泥土桩与水泥土桩单桩静载荷实验的比较分析3 l 4 3 1 模型的建立31 4 3 2 沉降分析3 2 4 3 3 复合材料水泥土桩内力分析3 3 4 4 复合材料水泥土桩复合地基承载因素分析模型的建立3 4 4 4 1 单桩复合地基模型的建立3 4 4 4 2 群桩复合地基模型的建立3 6 4 5 复合材料水泥土桩单桩复合地基影响因素数值分析3 7 4 5 1 不同荷载作用下对桩的轴力、桩土应力比的影响3 7 4 5 2 不同荷载条件下对沉降的影响3 8 4 5 3 褥垫层模量和厚度的影响3 9 4 5 4 土体模量的影响4 3 4 5 5 置换率的影响4 4 4 6 复合材料水泥土桩群桩复合地基承载特性数值分析4 6 4 7 本章小结4 7 结论与展望4 9 4 9 4 9 z 1 9 前景的展望5 0 ! ；1 5 1 ； 5 7 1 1 1 复合地基概述 我国地域辽阔，自然地理环境各异。从内陆到沿海，从山区到平原，分布着 多种多样的地基土层，其抗剪强度、压缩性、透水性等因土的种类不同而可能有 较大差别。在各种地基土层中，不少为软弱土和不良土层，如淤泥和淤泥质土、 软黏土、杂填土、冲填土、松散饱和粉细沙及粉土、膨胀土、湿陷性黄土、泥炭 土、红黏土、多年冻土、岩溶土洞等。在这些土层上进行工程建设时，往往需要 对地基进行加固处理。地基处理主要包括【l - 2 】械夯压法( 重锤夯实、小能量强夯 法、振动压密法、振冲加密法、强夯法) 、预压法、复合地基加固法( 振冲桩法、 砂石桩法、柱锤冲扩桩法、石灰桩法、灰土挤密桩法、水泥土搅拌桩法、高压喷 射注浆法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法) 等。 复合地基【3 巧】是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换， 或在天然地基中设置加筋材料。加固区是由基体( 天然地基土体或被改良的天然 地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同 承担荷载的作用。复合地基的加固区整体看是非均质和各向异性的，根据地基中 增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基，如图 1 1 ( a ) 和( b ) 所示。 荷载 。鼙。、一y i 、一+ j ，童j _ 事一 图1 1 增强体方向 f i g 1 1n e d i r e c t i o no fr e i n f o r c 锄e n t 荷载 竖 向 蜡 强 体 ，丫- 一一一一 一 基。散体材料桩复合地基如碎石桩复合地基，砂桩复合地基等，其桩体是由散体 材料组成的，没有内聚力，单独不能成桩，只有依靠周围土体的围箍作用才能形 成桩体。柔性桩复合地基如深层搅拌桩复合地基，旋喷桩复合地基等，桩体具有 较强的粘结强度，但模量和刚度远比混凝土小，在大荷载作用下会变形过量甚至 断桩。柔性桩复合地基的桩体主要形式有灰土桩、石灰桩、水泥土桩等。刚性桩 复合地基的桩体通常以水泥为主的胶结材料，有时由混凝土、或由混凝土和其他 掺合料构成，桩身强度较高。为保证桩土共同作用，通常在桩顶设置一定厚度的 褥垫层。刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基具有更高的承 载力和压缩模量。 随着东北老工业基地和西部大开发的建设，遇到的地质情况更加复杂。这也 促使了复合地基技术的飞速发展。水泥土桩凭借其工期短，污染少，施工简便， 经济效果显著等特点，已经成为国内外进行地基处理的主流技术之一。 1 1 2 复合地基国内外研究现状 复合地基技术起测“7 】于1 9 世纪3 0 年代的欧洲。法国人1 8 3 5 年就提出了碎 石桩，但直至百年后的1 9 3 0 年，才由德国人s s t e u e 肌a n 提出振冲碎石桩加密砂 性土的原理，于1 9 3 5 年用振动水冲法挤密纽伦堡砂土地基。2 0 世纪5 0 年代末， 振冲法开始用于加固粘性土地基。自1 9 6 2 年在国际上首次提出“复合地基”的概 念以来，复合地基技术研究得到国际工程技术人员的高度重视，同时也迎来了快 速发展的时期。1 9 7 4 年h u 曲e s 和w i t h e r s 提出了单桩极限承载力的计算公式； 1 9 7 7 年英国b u l l a n d 教授等学者根据桩一土相互作用理论研究指出，对于天然地 基的强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况，可以采用少量的桩来减少沉 降；1 9 8 0 年澳大利亚著名学者h g p o u l o s 教授根据筏一桩一土相互作用的分析提 出了仅用于减少沉降的桩基础的沉降公式；b a l a a m 和p o u l o s ，b a y u k 根据单元 体法得到了不同条件下复合地基承载力的计算公式，h u 曲e s 提出了基于横压试 验应力应变曲线计算沉降的方法，n a v a k 提出采用载荷试验所获得的沉降量折算 复合地基沉降的经验公式。随着水泥土桩、素混凝土桩等粘结强度桩在复合地基 中的应用，复合地基的概念有了质的飞跃。 我国于2 0 世纪5 0 年代引进砂桩，至7 0 年代中期引进振冲法加围技术，后 第1 章绪论 来砂桩在交通、水利、建筑中获得了广泛的应用，如青藏铁路路基加固、官厅水 库大坝基础加固及上海宝钢公司原材料堆场地基加固。为克服振冲施工排污泥缺 点，各国都致力于研究干法振冲，后来又相继开发出锤击碎石桩、振挤碎石桩和 干振碎石桩等。上世纪5 0 年代以前，石灰桩主要用于处理浅层地基，但随着建 设规模的扩大，开始将其用于深层地基处理。天津市自1 9 5 3 年开始用石狄桩加 固软土地基，并对石灰桩的应用范围、承载力估算、施工机具及操作步骤进行了 初步的总结。至7 0 年代，浙江、江苏、湖北、陕西等省先后采用此法成功地对 软弱地基进行了处理。 1 2 水泥土桩的产生与发展 1 2 1 水泥土搅拌桩复合地基国内外应用及研究现状 水泥土搅拌法最早在美国研制成功，称为m i x e d i n p i l e ( 简称m i p 法) 【引。 1 9 5 3 年日本引进该方法，6 0 年代末开始致力于此项研究，1 9 7 4 年研制成水泥搅 拌固化法。国内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进行了 室内试验和机械研制工作。于1 9 7 8 年底制造出国内第一台s j b 1 型双搅拌轴中 心管输浆的搅拌机械。并由江阴市江阴振冲器厂生产。1 9 8 0 年初在上海宝钢三 座卷管设备基础的软土地基加固工程中获得成功。1 9 8 0 年初天津市机械施工公 司与交通部一航局科研所利用日本进口螺旋钻孔机械进行改装，制成单搅拌轴和 叶片输浆型搅拌机，1 9 8 1 年在天津造纸厂蒸煮锅改扩建中获得成功。粉体喷射 搅拌法最早由瑞典人k j e l dp a u s 于1 9 6 7 年提出了使用石灰搅拌桩加固1 5 m 深度 范围内软土地基的设想，并于1 9 7 1 年瑞典l i n d e l l a l i m a t 公司在现场制成第一根 用石灰粉和软土搅拌成的桩，1 9 7 4 年获得粉喷技术专利，生产出的专业机械， 其桩径5 0 0 i 】姗、加固深度1 5 m 。我国由铁道部第四勘测设计院于1 9 8 3 年用 d p p 1 0 0 型汽车钻改装成国内第一台粉体喷射搅拌机，并使用石灰作为固化剂， 应用于铁路涵洞加固。1 9 8 6 年开始使用水泥作为固化剂，应用于房屋建筑的软 土地基加固。1 9 8 7 年铁四院和上海探矿机械厂制成g p p 5 型步履式粉喷机，成 桩直径5 0 0 m m ，加固深度1 2 5 m 。当前国内粉喷机的成桩直径一般在5 0 0 7 0 0 m m 范围，深度一般可达1 5 m 。 日本在上世纪7 0 年代形成了一套以相互搭接的水泥土搅拌桩墙内插入芯材 的基坑围护体系，即s m w ( s o i lm i x i n gw a l l ) 工法0 1 ，如今同本在深基坑工 程及土体加固和防渗截水等工程中广泛应用s m w 工法地下连续墙【1 1 1 钔。2 0 余年 来，除日本外，该法已在英、美、法、新加坡、泰国等国家，以及我斟香港、台 湾地区广泛应用。我国对s m w 工法的研究和应用始于2 0 世纪8 0 年代后期，1 9 8 8 北京t 业大学t 学硕十学何论文 年冶金工业部建筑研究总院立题研究，并于1 9 9 4 年通过建设部技术鉴定。其所 用的加劲材料，除国外常用的h 型钢外还根据国情研制了钢筋笼和轻型角钢组 合骨架。同济大学与建设计所等于1 9 9 3 年成功应用此法于上海环球世界大厦基 坑工程。 2 0 世纪9 0 年代，日本近多家大公司和研究机构共同丌发了一种叫做“肋型 钢管水泥土桩”的新桩型【l5 1 。这种桩首先用大型搅拌杆将水泥乳浆从其喷口以高 压喷入地基并强行与原土搅拌，形成浆状水泥土柱。然后将一表面有肋的钢管插 入水泥土，待水泥土结硬而成桩。经过大量室内外试验，取得了预期效果。通过 拉拔试验表明，单面有肋钢管与水泥土之间的粘结力比之光面钢管有较大提高， 双面有肋钢管可提高更多。因此，这种钢管可与水泥土形成整体而协同工作。根 据测试，桩顶荷载可由钢管的肋有效地传递给水泥土，水泥土又将荷载有效的传 递给桩周和桩底土。这种新桩型把深层搅拌技术和钢管桩二者融合，扬长避短。 在1 9 7 7 年，r 本混凝土工业也研究处一种组合桩，其方法是在水泥土搅拌桩内 插入混凝土芯桩，并对薄弱土层或桩端部分进行扩径和注浆搅拌。在国内一些科 研、设计、施工部门陆续研究探讨了各种组合搅拌桩，如加筋水泥土搅拌桩，竹 筋水泥土搅拌桩等。1 9 9 2 年上海市首次采用了水泥土搅拌桩中插入型钢形成复 合桩技术，应用在高层建筑基坑围护工程中。1 9 9 4 年沧州机械旅工公司将一根 圆锥形空心钢筋混凝土电线杆插入水泥土搅拌桩内作为劲性桩芯，大大提高了其 承载力。1 9 9 5 年上海市隧道公司施工技术研究所和江阴建筑安装总公司机械施 工公司也共同成功开发了型钢水泥土复合桩，并于1 9 9 9 年被国家建设部、上海 市建委列为重点推广应用项目。 1 2 2 水泥土的硬化机理 水泥土硬化机型1 6 彩】与混凝土硬化机理不同，混凝土的硬化主要是水泥在粗 填料中进行水解和水化反应，硬化速度快；而水泥土由于水泥掺量少且水泥的水 解和水化反应是在具有一定活性细粒土中进行，所以水泥加固土强度增长比混凝 土慢，其硬化机理为：当水泥浆与软黏土搅拌后，水泥颗粒表面的矿物很快与黏 土中的水发生水解和水化反应，在颗粒间生成各种水化物。这些水化物有的继续 硬化，形成水泥石骨料；有的则与周围具有一定活性的黏土颗粒发生反应，通过 离子交换和团粒化作用使较小的土颗粒形成较大的土团粒。通过凝硬反应，逐渐 生成不溶于水的稳定的结晶化合物。从而使水泥土的强度提高。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，发生碳酸化反应，生成不溶于水 的碳酸钙，这种碳酸化反应也能使水泥土增加强度。其固化过程有以下物理化学 反应【2 4 】： 一4 一 第1 章绪论 ( 1 ) 水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥含有水硬性交结材料最主要的基础物质，为氧化钙( c a 0 ) 、 二氧化硅( s i 0 2 ) 、三氧化二铝( a 1 2 0 3 ) 、三氧化二铁( f e 2 0 3 ) 及三氧化硫( s 0 3 ) 等。他们分别组成为不同的水泥矿物。当用水泥浆或水泥粉直接与饱和软土搅拌 时，水泥颗粒表面的矿物立即与水发生水解和水化反应，生成一系列水化物。这 些水化物迅速溶于水，使水泥颗粒表面继续暴露，继续与水反应，生成水化物溶 于水。这样，直至溶液达到饱和，生成物不能再溶解，成为凝胶微粒悬浮于溶液。 此后，这种凝胶微粒的一部分与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应，另一 部分逐渐自身凝结硬化而形成水泥石骨架。同时，上述水泥矿物中的硫酸钙又和 铝酸钙与水反应，生成一种化合物“水泥杆菌”( 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ) ， 以针状结晶形式很快析出。这一反应使土中大量自由水以结晶的形式固定下来， 对于土的固结有重要意义。自由水的减少量大约为“水泥杆菌”生成重量的4 6 。 ( 2 ) 离子交换和团粒化作用 由于土为多相散粒体，它与水结合时一般具有胶体的特征。土中的二氧化硅 遇水即形成硅酸胶体微粒。经化学反应，较小的土颗粒逐渐形成较大的土团粒。 经化学反应，较小的土颗粒逐渐形成较大的土团粒。而且由于水泥水化生成的 c a ( o h ) 2 等凝胶粒子，其比表面积约比原水泥颗粒的比表面积大l o o o 倍，其表 面能较大，吸附活性十分强烈，于是土团粒迸一步互相结合，并且封闭了团里之 间的孔隙，从而形成较坚固的水泥土的大团粒结构，使土的强度提高。 ( 3 ) 凝硬作用 随着水泥水化反应的深入，当溶液中析出的钙离子的数量超过离子交换所需 数量时，其多余部分便与粘土矿物中的一部分或大部分胶态s i 0 2 或胶态a 1 2 0 3 进行反应，生成不溶于水的、稳定的硅或铝酸钙结晶化合物，即微晶凝胶，它在 水中逐渐硬化，且强度增长。由于其结构较致密，水不易侵入，它赋予水泥土一 定的水稳定性。 ( 4 ) 碳酸化作用 水泥土水化物中游离的c a ( o h ) 2 能吸收水和空气中的c 0 2 ，还原为不溶于水 的碳酸钙，它能增加土的强度。但其反应速度较慢，故有助于增加后其强度。水 化反应较少了软土中的含水量，增加颗粒之f b j 的黏结力；离子交换与团粒化作用 可以形成坚固的联合体；硬凝反应又能增加水泥土的强度和足够的水稳定性；碳 酸化反应还能进一步提高水泥土的强度。水泥和土经搅拌后。正是通过上述一系 列物理化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体。 ( 5 ) 在砂层中，由于砂层透水性强、水泥浆液比重大于水的比重、喷入的水 泥浆液将砂层那个的部分水挤出，砂砾问部分空隙被水泥浆填满。因此砂层中 吃浆量较大。加固一段时问后孔口有一定的陷落。 ( 6 ) 在粘性土中，由于粘土透水性差，水泥浆喷入后，原土中水体不易被挤 北京一i ：、火学r 学硕十学何论文 出或挤出甚少，被搅拌的水泥土体积大十原土体积，施_ 时，出现浆液溢出现 象。 1 2 3 水泥土的试验研究 对于水泥土，已有大量室内试验研究。徐至例2 5 】通过现场实验和r 本大量工 程资料指出了水泥土物理、力学指标的经验取值： ( 1 ) 与天然原状土相比，水泥土重度的增加值很小，因此，在计算复合地基 变形时，可不考虑水泥土本身所增加的这部分附加重量； ( 2 ) 水泥土的内聚力c = ( o 2 0 3 ) 厶，而内摩擦角在2 0 。3 0 。之间变化； ( 3 ) 当水泥掺入比口。= 1 2 1 5 时，9 0 天龄期水泥土无侧限抗压强度，厶舯 值可取1 o 2 o m p a ； ( 4 ) 水泥土的抗压强度随养护龄期的变化，大体上厶，：厶2 8 ：厶，= l ：詈：； ( 5 ) 水泥土抗拉强度q 2 ( 亩壶) 厶，这与混凝土的试验结果相似； ( 6 ) 水泥土的变形模量e 5 0 = ( 1 0 0 1 2 0 ) 厶；水泥土破坏时的轴向应变 s ，= 1 2 ，呈脆性破坏。 1 3 新型复合材料水泥土搅拌桩 1 3 1 新型复合材料水泥土桩的产生 水泥土桩由于本身强度较低，在荷载较大，桩长较短的情况下会出现劈裂破 坏和弯曲破坏。因此就出现了上文提到的“肋型钢管水泥土桩”和“砼芯水泥土桩” 等带有芯材( 如钢管和混凝土) 的复合材料水泥土桩，而大多数复合材料水泥土 搅拌桩其受力特点都是芯材与水泥土桩共同承受竖向荷载。因此就要求芯材要具 有比较强的竖向承载力，而且要与水泥土有较好的粘结作用。芯材要具有以上两 种特性而且要价格合理，这就限制了材料的选择，也限制了复合材料水泥土桩的 发展。碎( 砂) 石桩属于散体材料桩，本身没有粘聚力，它能承受竖向荷载主要 是因为桩体周围土对碎( 砂) 石桩体具有围筘作用。围箍作用力越大，砂石桩的 承载力越大。这启发我们可以人为的在水泥土桩外添加一种材料，对水泥土桩起 到围箍的作用，在提高水泥土桩承载力的同时使其不受到竖向承载力作用。由于 这种材料不需要承担竖向荷载，我们只需要选择具有抗拉强度较大的材料即可。 可选择的材料例如p e 管材，p v c 管材【2 6 1 ，土工格栅，碳纤维布等。这些材料最 一6 一 第1 章绪论 大的特点是可提供较大的抗拉强度，且随着科技的发展，材料最大抗拉强度逐渐 增大，而材料价格却在不断下降。因此，如果这些材料可应用于水泥土搅拌桩， 那么将会展现出巨大的市场潜力。本文选择h d p e 管材作为水泥土桩的围箍材 料。水泥土本身容易受到如海水，工厂污水，垃圾等化学腐蚀。使用h d p e 管材 可以防止化学腐蚀破坏桩体。本文研究这种组合桩的受力特点及变形特征。 1 3 2p e 管材概述 聚乙烯合成树脂，英文名称“p o l y e m y l e i l e ”，简称为“p e ”。p e 树脂，是由单 体乙烯聚合而成，由于在聚合时因压力、温度等聚合反应条件不同，可得出不同 密度的树脂，因而又有高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯之分。在加 工不同类型p e 管材时，根据其应用条件的不同，选用树脂牌号的不同，同时对 挤出机和模具的要求也有所不同。国际上把聚乙烯管的材料分为p e 3 2 、p e 4 0 、 p e 6 3 、p e 8 0 、p e l 0 0 五个等级。2 0 世纪9 0 年代以来我国的合成树脂工业蓬勃发 展，产量和消费一直保持着良好的增长势头【2 7 之9 】。目前，我国合成树脂生产能力 达到1 0 0 0 万吨，列美国、日本、德国、韩国之后，居世界前五位。我国塑料管 道发展很快，质量在不断提高。目前，已初步形成以聚氯乙烯( p v c u ) 管、聚 乙烯( p e ) 管和聚丙烯( p p r ) 管为主的塑料管产业。其中聚乙烯( p e ) 管由 于其自身独特的优点被广泛的应用于建筑给水，建筑排水，埋地排水管，建筑采 暖、输气管，电工与电讯保护套管、工业用管、农业用管等。主要应用于城市供 水、城市燃气供应及农田灌溉。 聚乙烯管材材料发展，公认分为三代，即三个发展阶段：第一代，低密度聚 乙烯和“一型”高密度聚乙烯，其性能较差，相当于现在的p e 6 3 以下等级的聚乙 烯管材材料。第二代，2 0 世纪6 0 年代出现，具有较高的长期静液压强度和抗开 裂能力的中密度聚乙烯管材材料。第三代，2 0 世纪8 0 年代出现的高密度聚乙烯 ( 英文名称为“h i 曲d e n s i t yp o l y e t h y l e i l e ”，简称为“h d p e ”，如图1 2 ) 被称为第 三代聚乙烯管材专用料p e l o o 。p e l o o 是指在2 0 条件下，聚乙烯管材在5 0 年 后仍能保持1 0 m p a 最小必须强度( 环向) ，其优点主要有： 图1 2h d p e 管材 f i g 1 2h d p ep i p e 境。 ( 2 ) 聚乙烯p e l o o 管具有独特的柔韧性，优良的耐刮痕的能力和抗应力开裂 能力。 聚乙烯管道p e 给水管系统的挠性有着巨大的技术经济价值。聚乙烯的挠性 是一个重要的性质，它极大的提高了该材料对于管线工程的价值。良好的挠性使 聚乙烯管可以盘卷，以较长的长度进行供应，避免了大量的接头和管件。同时， 挠性和重量轻及具有优良的耐刮痕能力，使之可采用多种可减轻对环境和社会生 活的影响且费用经济的安装方法。p e 给水管独特的柔韧性还使其能够有效的抵 抗地下运动和端载荷。从表面上看，在强度和刚性方面，塑料埋地管不及水泥管 及金属管道，但从实际应用看，塑料埋地管是属于“柔性管”，在正确设计和铺设 施工下塑料埋地管是和周围土壤共同承受负载的。所以塑料埋地管不需要达到 “钢性管”一样的强度和刚性就可以满足埋地使用中的力学性能的要求。h d p e 具 有低的缺口敏感性、高的剪切强度和优异的抗刮痕能力，耐环境应力开裂性能也 非常突出。h d p e 管道与钢管的耐磨性对比试验表明，h d p e 管道的耐磨性为钢 管的4 倍。在泥浆输送领域，同钢管相比，h d p e 管道具有更好的耐磨性，这意 昧着h d p e 管道具有更长的使用寿命和更好的经济性。 ( 3 ) 聚乙烯具有非常突出的耐低温性能 聚乙烯的低温脆化温度极低，可在6 0 6 0 温度范围内安全使用。冬季施工 时，因材料抗冲击性好，不会发生管子脆裂。在冬季野外施工时聚氯乙烯( p v c u ) 管容易脆裂，我国北京地区铺设聚氯乙烯( p v c u ) 埋地给水管试点工程中总结 的一条经验是温度在零度以下就不适宜进行聚氯乙烯( p v c u ) 管施工了。 ( 4 ) 聚乙烯管道p e l o o 给水管安装，连接和搬运方便可靠。 h d p e 管道比混凝土管道、镀锌管和钢管更轻，它容易搬运和安装，更低的 人力和设备需求，意味着工程的安装费用的大大降低。聚乙烯管可以用比较方便 的热熔对接、承插方法得到可靠的、内表面与原管材接近的牢固连接，或采用专 门的电熔管件连接聚乙烯管。聚乙烯管的熔接接头可以承受轴向负荷而不发生泄 露和脱丌。 h d p e 双臂波纹管( 如图1 3 ) 是高密度聚乙烯( h d p e ) 双壁波纹管是一种具 有环状结构外壁和平滑内壁的新型管材，8 0 年代初在德国首先研制成功。经过 一8 一 第l 章绪论 十多年的发展和完善，已经由单一的品种发展到完整的产品系列。目f j 在生产工 艺和使用技术上已经十分成熟。由于其优异的性能和相对经济的造价，在欧美等 发达国家已经得到了极大的推广和应用。在我国，h d p e 双壁波纹管的推广和应 用正处在上升势态阶段。其优点除普通p e 管的优点外，还具有以下三点优点： ( 1 ) 其外壁呈环形波纹状结构，大大增强了管材的环刚度，从而增强了管道 对土壤负荷的抵抗力，在这个性能方面，h d p e 双壁波纹管与其他管材相比较具 有明显的优势。 ( 2 ) 在等负荷的条件下，h d p e 双壁波纹管只需要较薄的管壁就可以满足要 求。因此，与同材质规格的实壁相管比，能节约一半左右的原材料，所以h d p e 双壁波纹管造价也较低。这是该管材的又一个很突出的特点。 ( 3 ) 如用于地基处理，其双臂波纹能与土有效咬合。 图1 3h d p e 舣臂波纹管 f i g 1 - 3h d p ei ) u a l 一锄b e l l o w s 1 4 本文的研究方法和内容 对于这种新型复合材料水泥土搅拌桩，应通过理论分析，实验与数值模拟三 种方法对其进行分析。 本文的研究内容主要有以下几部分： 1 对新型复合材料水泥土搅拌桩的工作机理进行理论分析； 2 通过实验确定出这种桩体的力学参数； 3 运用f l a c 3 d 数值分析软件，比较分析复合材料水泥土桩与水泥土桩力 学性能上的差异；分析复合材料水泥土桩单桩复合地基褥挚层模量，褥挚层厚度， 桩间土模量以及置换率对桩身轴力、沉降及桩土应力比的影响；分析复合材料水 北京i ：、l k 人学t 学硕十学位论文 泥土桩群桩复合地基的力学性能。 4 总结本文研究尚未解决的问题，并对未来有关研究提出构想。 一1 0 一 2 1 模型的建立 新型复合材料水泥土桩是在水泥土搅拌桩中插入抗拉强度较高的材料，围箍 水泥土桩。本文采用h d p e 管材作为围箍材料，其结构示意图见图2 1 。 q r + + + + + 1 。x 鋈 ：i ，- 二 鬣 ：j 一 鬻 r 0 7 围箍材料 誊 瀚 i ? ： 鬻 1 7 藜：黪0 水泥土 小 ，一 蘩 ! ， 鬻 一 ， j - 蒸 、 ， ： ： ： 鬻 。，廿誓二 、 黧 r ，十h 阜 l l 剖面1 1 图2 1 复合材料水泥十桩结构示意图 f 迢2 1c o m p o s i t em a t e r i a ls o i l c e m e n tp i l es t n l c t i l m ld i a g r a m 取桩的一部分进行研究，p e 管内外水平方向土压力平衡，因此不需要考虑 由于体力而产生的径向应力。体力远远小于桩体上的荷载，因此可以不考虑体力 北京。州k 人学i ：学硕十学何论文 对桩体的破坏作用。由于水泥土为脆性材料，而且抗拉强度较低，外箍材料p e 1 管虽然弹性模量( 2 g p a ) 较大，但与钢管弹性模量( 2 0 0 g p a ) 相比较仅是其。 l o o 因此，p e 管一旦出现较大径向变形，水泥土材料很快出现屈服。水泥土屈服后， p e 管材仍处在弹性阶段，之后逐渐进入到弹塑性阶段，组合结构径向变形逐渐 增大，直到最后p e 管屈服。由以上分析可以把应力应变曲线分为三个阶段： ( 1 ) 线弹性阶段：水泥土和p e 管材都处于弹性阶段，此时复合材料弹性模 第2 章复合材料水泥十桩的理论研究 o to t 图2 3p e 管受力图 f i g 2 3p ep i p ef o r c ed i a g 锄 由材料力掣3 1 】应力应变关系可以得到： 。 仃，6 仃= l 2 f 式中 盯。一e 管环向应力； 仃p e 管径向应力； t p e 管壁厚； b 叫e 内径长度。 对水泥土试块进行力学分析，如图2 4 图2 4 水泥土单元体受力状态 f i g 2 _ 4s o i l - c 锄tu n i tb o d yf o l 优s t a t e 由广义胡克定律可知： s y = 去( q 一吒) q = 吉( 吒一叫 a x = e t sx ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 北京t 业大学t 学硕十学何论文 式中e 、e 分别为水泥土材料变形模量和p e 管材变形模量； 水泥土材料泊松比。 式( 2 - 4 ) 带入( 2 - 3 ) ，得 吒：鍪 ( 2 - 5 ) 吒2 百j 【小5 ) 式( 2 - 5 ) 带入( 2 - 2 ) ，得 肚詈= 辩 p 6 ， 占，( 卜2 ) 巨一e 、 式中f 应力应变第一阶段复合材料变形模量 假定复合材料破坏时y 方向应变与无p e 管的水泥土材料应变相等，可以得 到 旷赫厶 ( 2 - 7 ) 盯p2 正新厶 【2 。7 ) 式中 仃。复合材料应力应变曲线第一阶段承受的极限荷载； 厶水泥土材料无侧限抗压强度设计值。 同理可以得到仃， 咿瓦舞i 厶 ( 2 8 )q 2 正南厶 ( 2 8 ) 式( 2 - 8 ) 带入式( 2 1 ) ，得 f 、莎， 一，l = 6 2 q( 1 一2 ) 巨一e2 盯， ( 2 - 9 ) 算例： 我们以原土为粘性土的水泥土试块进行计算： 厶2 1 5 m p a ；e = 1 0 0 m p a ；骂2 2 g p a ；q 2 1 0 m p a ；2 0 1 带入公式得到 ， 仃l 口= 1 0 1 厶：盯，= o 1 l 厶；e t _ 1 o l e ；壬o 0 0 8 2 5 c ， 从算例中可以看到，复合材料水泥土试块在应力应变曲线的第一阶段，其极 限荷载和弹性模量与水泥土试块比较并没有提高。其原因主要在于水泥土属于脆 性材料泊松比较低，在弹性阶段其可提供的径向位移十分有限，因此p e 管材径 向变形很小，不能发挥材料的优点。因此无需对复合材料处于第一阶段进行细致 的研究。试验研究时不用细致考虑弹性阶段应力应变的变化。 第2 章复合材料水泥卜桩的理论研究 2 3 本章小结 通过对复合材料水泥土桩的理论分析，了解了复合材料的作用机理。对水泥 土材料不断地加载，水泥土材料在荷载较低的情况下为弹性变形，荷载主要由水 泥土本身承担，p e 管材受力很小，可认为在这一阶段p e 管材没有参与承载作用。 不能让p e 管发挥作用的主要原因是水泥土为脆性材料，泊松比太小。 荷载不断加大，水泥土出现弹塑性直到塑性变形，而这时p e 管材处于弹性 阶段，这一阶段应该主要进行研究。 因此在试验设计时不需要对线弹性阶段进行研究，这样对实验设备精度要求 相对减小，实验可更有针对性。 北京r = 、i k 大学t 学硕十学何论文 3 1 试验内容 3 1 1 试验目的 试验采用对比试验，对复合材料水泥土圆柱体试块和圆柱体水泥土试块分别 进行无侧限抗压强度试验。试验目的有以下两点： ( 1 ) 分析复合材料水泥土试块和水泥土试块的破坏机理； ( 2 ) 分析符合材料试块应力应变曲线，计算出复合材料的弹性模量和极限 承载力。 3 1 2 试验依据 根据土工试验方法标准( g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 【3 3 】中无侧限抗压强度试验要求 进行试验。 3 1 3 试验设备 采用无锡建筑材料仪器机械厂生产的n y l 6 0 0 型压力试验机进行无侧限抗 压强度试验，n y l _ 6 0 0 型压力试验机如图3 1 。压力试验机由测力计、加压框架、 升降设备组成。测力计分为三个量程o 1 5 0 l ( n ，最小格刻度o 5k n ；o 3 0 0 k n ， 最小格刻度1k n ；o 6 0 0 k n ，最小格刻度2 k n 。设备如图3 1 所示。由于试块 高度1 5 c m ，应变较大，因此轴向位移较大，采用人工利用游标卡尺测量底部托 盘的提升高度的方法测量轴向位移。采用电子称、天平称量所需材料质量。由于 需要搅拌的水泥土的量比较少，使用普通塑料桶人工搅拌水泥土。 北京t 业大学一i ：学硕十学何论文 3 1 4 试验步骤 图3 1 压力试验机 f i g 3 - 1c 伽1 p i 镪s i o nt e s t i i l gm a c h i n e 3 1 4 1 试块尺寸的选择 水泥土试块的形状和尺寸多种多样。如何选择对试验影响【3 4 】较大。有的学者 根据土工试验采用圆柱体试块【3 5 1 ，有的根据砂浆试验或混凝土试验采用不同尺寸 的立方体【3 6 】试块。陈建研究了试件尺寸对水泥土强度的影响，指出在使用同种 原材料的情况下，圆柱体强度高于立方体强度，试块尺寸越大强度越低。建议采 用高径比为1 2 的圆柱体试件。考虑到p e 管材为圆筒形，因此采用圆柱体试 块。p e 管材采用外径为1 1 0 l t n ，内径为1 0 0 n u n ，壁厚5 咖的管件。试块高径 比取1 5 ，因此试块高度为1