（岩土工程专业论文）深长钉形双向水泥土搅拌桩桩身质量与单桩承载特性研究.pdf

摘要 摘要 钉形双向水泥十搅拌桩作为一种新的地基处理的技术，其承载特性不同于常规水泥土搅拌桩， 关于其单桩荷载传递规律及承载特性已有初步研究成果。本文在前人基础上主要针对深长( 桩长 2 5 m ，扩火头高度1 0 m ) 钉形双向水泥土搅拌桩的桩身质量和单桩承载特性进行了比较系统的研究。 论文通过水泥土配比试验验证现场水泥用量的合理性，同时研究了掺砂对水泥土强度的影响 规律；通过现场水泥土芯样的无侧限抗压强度以及单桩静载试验研究了深长单桩的桩身质量和承载 特性；采用荷载传递法分析了深长钉形双向水泥十搅拌桩的单桩荷载传递规律：应用有限元软件 a b a q u s 研究了深长单桩的荷载传递规律与承载特性。本文主要内容及结论如下： ( 1 ) 通过室内常规及掺砂配比试验研究了现场水泥士无侧限抗压强度与各指标间的相互关 系。研究发现掺砂可以进一步提高水泥土的强度，但并非在所有配比下都能达到强度提高的效果， 需要通过室内试验确定最优配合比。通过对水泥土试块在不同龄期下的电阻率测试发现，9 0 天龄期 时常规水泥土试样无侧限抗压强度与其电阻率指标呈正相关关系，而掺砂水泥土试样的无侧限抗压 强度与其电阻率指标间呈负相关关系。 ( 2 ) 通过现场水泥土芯样的无侧限抗压强度试验研究了双向水泥土搅拌桩的桩身水泥士质 量，结果表明采用双向搅拌施工工艺更有利于保证深长水泥土搅拌桩的桩身质量。通过电阻率测试 探讨了水泥土芯样无侧限抗压强度与其电阻率指标间关系和现场水泥土搅拌的均匀性。现场z l 区 和z 2 区一共完成5 根单桩静载荷试验，单桩p - s 曲线均为陡降型，桩身轴力沿深度递减在扩火头处 轴力有突变。 ( 3 ) 采用荷载传递法分析了深长钉形双向水泥土搅拌桩的单桩荷载传递规律，桩侧与桩端处 荷载传递函数均采用理想弹塑性模型；分析了深长钉形双向水泥十搅拌桩桩周十完全弹性和部分塑 性两个状态下的桩身荷载传递规律；所得结果与现场试验结果基本保持一致，验证了分析结果的合 理性。 ( 4 ) 应用有限元软件a b a q u s 对深长钉形双向水泥土搅拌桩单桩荷载传递规律与承载特性 进行了数值模拟；在此基础上通过改变桩长、桩径、扩大头高度、桩土模量比以及桩土摩擦系数等 参数，分析了各参数对深长单桩荷载传递规律以及承载特性的影响规律。 关键词：深长桩；钉形水泥土搅拌桩：桩身质量：单桩承载特性；a b a q u s a b s t r a c t a san e wt y p eo fg r o u n dt r e a t m e n tm e t h o d ，t h el o a db e a r i n gp r o p e r t yo ft - s h a p e db i d i r e c t i o n a l c e m e n t - s o i ld e e pm i x i n gc o l u m n ( t - s h a p e dc o l u m n ) i sd i f f e r e n tw i t hn o r m a lc e m e n t s o i lm i 如n gc o l u m n t h e r eh a v eb e e ns o m er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so nl o a dt r a n s f e ra n db e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l et - s h a p e d c o l u m n c o m p a r e dw i t hp r e v i o u sr e s e a r c hw o r k , t h et - s h a p e dc o l u m nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e rh a sl o n g e r l e n g t h ( 2 5 m ) a n de n l a r g e dc o l u m np a r t ( 10 m ) t h er a t i o n a l i t yo ff i l e dc e m e n td o s a g ei sv e r i f i e db yi n d o o r c e m e n t - s o i lp r o p o r t i o nt t a n dt h ee f f e c to fa d d i t i o n a ls a n do ns t r e n g t ho fc e m e n ts o i li sa l s or e s e a r c h e d t h eq u a l i t yo fc o l u m nb o d ya n ds i n g l ec o l u m nb e a r i n g c a p a c i t ya mr e s e a r c h e dt h r o u g hu n c o n f i n e d c o m p r e s s i o nt e s to fc o r es a m p l e sa n di n s i t us t a t i cl o a dt e s t t h el o a dt r a n s f e rb e h a v i o ro fs i n g l ec o l u m ni s r e a e a r c h e dw i t hl o a dt r a n s f e rm e t h o da n df e ms o f t w a r ea b a q u s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： o ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fa d d i t i o n a ls a n da n dw i t h o u ts a n da r eb a s i c a l l yi d e n t i c a l a n dt h er e s u l t s h o w st h a tt h ec e m e n tp r o p o r t i o n , 15 ，i st h eo p t i m u mp r o p o r t i o n ，w h i c hi st h es a m ew i t hf i e l dp r a c t i c e s a n da d m i x t u r ei sn o ta l w a y sg o o df o ri m p r o v e m e n to fc e m e n t - s o i ls t r e n g t h , a n di th a sar e a s o n a b l e p r o p o r t i o nv a l u e f o rn o r m a lp r o p o t i o nt e s t , w h e nt h ec u r i n gp e r i o di s9 0d a y s ，t h e mh a sap o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc e m e n t - s o i la n di t se l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y h o w e v e r ，s a n da d m i x t u r ep r o p o r t i o nt e s te x h i b i t san e g a t i v ec o r r e l a t i o n ( 2 ) t h er e s u l t so ft h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n ds i n g l ec o l u m ns t a t i cl o a dt e s ts h o wt h a tt h e q u a l i t yo f t h i st y p eo f c o l u m ni sm o r eh o m o g e n e o u sa n dh a sh i g h e rs t r e n g t ht h a nt r a d i t i o n a lc o l u m n i n s i t u s i n g l ec o l u m ns t a t i cl o a dt e s th a sb e e nd o n e ，a n dt h es i n g l et - s h a p e dc e m e n t - s o i lc o l u m nb e a r i n gc a p a c i t y b e h a v i o ri ss t u d i e db yt h em e t h o d ( 3 ) t h es i n g l et - s h a p e dc o l u m nl o a dt r a n s f e rb e h a v i o ri sr e s e a r c h e db yl o a dt r a n s f e rm e t h o d i d e a l e l a s t i c - p l a s t i cm o d e li sp r o p o s e dt od e s c r i b et h eb e h a v i o ro ft h es o i la d j a c e n tt ot h ec o l u m na n dt h es o i la t t h ec o l u m nt o e a n dt h el o a dt r a n s f e rb e h a v i o rh a sb e e nd i s c u s s e da tc o m p l e t ee l a s t i cs t a g ea n dp a r t i a l l y p l a s t i cs t a g e t h er e s u l ti st h es a m ew i t l li n - s i t us t a t i cl o a dt e s l ( 4 ) t h es i n g l et - s h a p e dc o l u m n1 0 a dt r a n s f e rb e h a v i o ri ss t u d i e db yf e ms o f t w a r ea b a q u s t h e i n f l u e n c eo fv a r i a t i o no fc o l u m nl e n g t h , c o l u m nc a pd i a m e t e r , c o l u m nc a ph e i g h ta n ds oo ni sd i s c u s s e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na t t h es a m ew i t ht h o s eo fi n s i t ut e s t k e yw o r d s ：s u p e r - l o n gc o l u m n ；t - s h a p ec e m e n t - s o i lc o l u m n ；c o n s t r u c t i o nq u a l i t y ；s i n g l ec o l u m nb e a r i n g c a p a c i t yb e h a v i o r ；a b a q u s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构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。 研究生签名： 箍查主 e t期：缒耋堕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：j 缸垃导师签名：上缉日 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 我国幅员辽阔，广泛分布着各种成因的深厚软土层。这类土的特点是含水量高、孔隙比大、抗 剪强度低、压缩性高、渗透性差、受力后沉降稳定时间长。近年来，我国高速公路的建设高速发展， 到2 0 0 8 年底总里程已突破6 万公里。高速公路是线性的带状构筑物，跨越地区广泛，沿线地质条件 复杂，特别在沿海、沿江一带存在大量软土地基。对于软十地基有很多种处理方法，在实际工程中 应当能兼顾其经济和社会效益。特别是现在工程中，在保证质量的前提下，应当尽量减少投资、缩 短工期。 目前高速公路软土地基处理的主要方法有：置换法、排水同结法、固化法、振冲挤密法、加筋 法等。水泥土搅拌桩是上世纪二、三十年代发展起来的软弱地基处理和基坑支护中应用较为广泛的 一种方法。主要优点是：就地使用原士，节约资源：设计灵活；施工工艺无噪音、无污染、对邻近 建筑物影响小；土体加固后重度变化不大，不会产生较人附加应力。从最早的经验技术，到后来的 理论分析，水泥士搅拌桩不断发展，然而在广泛应用的同时面临很多问题。常规水泥土搅拌桩在处 理软士地基中常出现的一些问题有：由于施工中存在“溢浆”，水泥土搅拌桩桩体水泥掺入量达不 到设计要求；水泥浆沿桩体垂直分布不均匀；搅拌不够均匀；桩间距较小，破坏了土体的天 然结构，硬壳层自身强度没有充分发挥，造价较高。 在充分研究水泥土搅拌桩复合地基的加固机理和影响水泥十深层搅拌桩成桩质量因素的基础 上，东南大学交通学院刘松玉教授等成功研制出双向水泥土搅拌桩及其施： 工艺( 专利受理号： 2 0 0 4 1 0 0 6 5 8 6 2 9 ) ，同时研制了施t 机械( 专利受理号：2 0 0 4 1 0 0 6 5 8 6 1 4 ) 。该j 二艺已在南京市河西地 区滨江大道的某一施： 段、浙江杭徽高速留下至汪家埠段、杭浦高速8 标、苏嘉杭高速苏州段等工 程中进行了应用。现场试验以及室内试验研究的结果显示：双向水泥土搅拌桩施工中没有发生冒浆 现象；双向水泥十搅拌桩沿桩体垂直各深度标贯击数基本无变化；双向搅拌桩施工工艺能够保证水 泥浆在桩体中分布均匀，在处理深度达到1 6 5 m 以上仍然能够保证均匀强度的成桩质量。以上初步 应用表明，大规模推j “这种施工工艺具有很重要的应用价值。 钉形双向水泥土搅拌桩作为一种新的地基处理的技术，其承载特性不同于常规的水泥土搅拌桩。 这种新近提出来的水泥土搅拌桩桩技术从施工到设计上的研究进行的还不多，进行深入的桩身荷载 传递、单桩承载特性以及复合地基方面的研究对此新技术的推广与发展是很有意义的。 1 2 水泥土搅拌桩承载特性研究现状 1 2 1 水泥土搅拌桩桩身荷载传递规律试验研究现状 叶观宝等( 1 9 9 2 ) 在现场静载荷试验中用钢筋应力计分别测得了单桩和群桩的轴力及侧摩阻力 ( 桩长1 2 4 m ) 。对于单桩，桩身轴力在上部相对比较大，变化也比较缓慢，在深度大约3 m 处轴力 开始急剧下降，对于超过l o m 的部分轴力基本上为零。桩侧摩阻力在3 - 6 5 m 处最大。对于群桩，桩 身轴力在每一级荷载下比单桩的要小，形状差不多。桩侧摩阻力最大发生在o - 3 m 。叶观宝等( 1 9 9 5 ) 又得出，在水泥土搅拌桩单桩桩身受力段位于桩顶2 到3 倍桩直径范围内，桩体下部受力很小( 1 0 m 以下) 主要是起到减小地基沉降的作用。 东南人学硕士学位论文 段继伟、龚晓南、曾国熙( 1 9 9 4 ) 通过现场水泥十搅拌桩的静载荷试验，分析得出传到桩端的 荷载很小，桩体存在有效桩长。桩体变形、轴力以及侧摩阻力都集中在有效桩长以上。认为水泥土 搅拌桩破坏发生在浅层，一般为环向拉裂或桩身压碎。 马海龙、费勤发、洪毓康( 1 9 9 7 ) 通过对柔性桩的荷载传递机理研究( 运用弹性半空间无限体 的m i n d l i n 解答和浅基础中的分层综合法) ，认为柔性桩的荷载传递深度受桩土相对刚度( k ) 的控 制，k 越大，传递深度越大，同样得到存在有效桩长的结论。另外还得出在k 一定的情况下，增加 桩长对提高有效桩长作用不大。 袁文明，黄康理( 1 9 9 7 ) 通过垂直荷载作用下水泥土搅拌桩的现场试验，同样得到桩身应力以 及侧摩阻力沿深度有一定的传递范围。宋修广等( 1 9 9 9 ) 对水泥粉喷桩的荷载传递规律研究同样得 到荷载的传递是有一定的深度，破坏形式与湿喷桩的类似。 郑刚等( 1 9 9 9 ) 研究认为，水泥土搅拌桩为半刚性桩，通过模型试验以及有限元分析得出水泥 土搅拌桩桩士接触面的荷载传递规律与刚性桩的接触面传递规律的特点没有多大的差异，认为水泥 土搅拌桩单桩承载力的设计方法按照刚性桩的设计方法是可行的，但是认为以增加桩长的手段来增 加单桩承载力是不可行的，增加桩长只能达到控制沉降的目的，同样认为存在有效桩长。郑刚等 ( 2 0 0 2 ) 还研究了基础和垫层对水泥土搅拌桩荷载传递的影响，并认为提高桩身强度能火幅提高单 桩承载力。 1 2 2 水泥土搅拌桩桩身荷载传递规律理论研究现状 荷载传递规律的理论分析通常采用荷载传递法。荷载传递法基本思路是把桩离散为一系列等长 的桩单元，每一单元( 包括桩尖) 与土体之间的联系用非线性弹簧模拟，这些非线性弹簧表示桩侧 摩阻力( 或桩尖阻力) 与剪切位移( 或桩端位移) 之间的关系，通常统称为荷载传递函数或r - z 曲线。 桩土间的这种关系曲线获得以后，就可以求得在竖向荷载作用下桩侧摩阻力和桩身轴力分布以及桩 身各截面处的位移。荷载传递法关键是如何解决桩土相对位移和桩侧摩阻力与剪切位移之间的相互 关系。按照求解微分方程的不同途径，荷载传递法可以分为荷载传递解析法、位移协调法以及矩阵 位移法。 s e e d 和r e e s e 在1 9 5 5 年提出荷载传递法。他们根据旧金山淤泥的现场测试结果，提出了桩侧摩 阻力和位移之间的关系。在此基础上，c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 提出了软粘土中的荷载沉降曲线，然 后c o y l e 和s u l a i m a n ( 1 9 6 8 ) 确定了砂士中的桩侧剪应力与位移之间的关系，即 f - z 曲线。v i j a y v e r g i y a vn ( 1 9 7 7 ) 将这种方法应用于海洋工程中( 具有一定的经验性) 。荷载传递解析法由k e z d i ( 1 9 5 7 ) 和佐藤悟( 1 9 6 5 ) 等先后提出，在通过试验实测并按一定比例模型建立传递函数形式不太复杂的时 候，便可以直接求得解析解。c o y l e 和r e e s e ( 1 9 6 6 ) 首先提出了基于荷载传递原理的迭代求解的变 形协调法。随后很多人又运用数值方法和矩阵位移法对荷载传递法进行了，“泛的研究( v e s i e ，1 9 7 0 ； 费勤发，1 9 8 1 ；袁建新和钟晓雄等，1 9 9 1 ；张永谋和杨敏，1 9 9 9 ；l e l a n d ，2 0 0 0 ) 。目前常用的主要 有线弹性模型、理想弹塑性模型、双折线模氆、三折线软化模型、双曲线模型、抛物线模型和指数 模型，其中较为广泛的是双折线模型。罗晓辉( 1 9 9 9 ) 采用荷载传递函数法研究了桩的荷载传递规 律，针对桩一土共同作用过程中的桩周士体分别处于弹性和塑性状态的划分，以天然地基抗剪强度 随深度线性增长的规律，由荷载传递函数的基本微分方程解得荷载传递的解析表达式，计算结果满 足t 程要求。吴雄志( 2 0 0 4 ) 使用克拉夫邓肯模型作为传递函数，对水泥土桩荷载传递规律以及有 效桩长作了研究，结果认为此模型是可行的。 另外，在荷载传递规律的研究上还有剪切位移法，由c o o k e ( 1 9 7 3 ) 在试验和理论分析的基础 上建立起来的，用于分析均质弹性地基中刚性的纯摩擦桩的性状。r a n d o l p h 和w o r t h ( 1 9 7 8 ) 在c o o k e 的基础上作了进一步的研究，提出了荷载传递的近似解析法( 剪切位移法) ，实现了对桩周介质位移 场的计算。剪切位移法认为桩侧剪应力向外传播，引起土体的剪切变形，推导过程中采用了不少人 2 第一章绪论 为假设，属于近似解法。f r a n k ( 1 9 7 4 ，1 9 7 5 ) 和b a g u e l i n 等( 1 9 7 5 ) 用有限元法证实了剪切位移法 假设的合理性。 r a n d o l p h 和w o r t h ( 1 9 7 8 ，1 9 7 9 ) 推导了基于c o o k e 假设的可压缩桩的单桩解析解，并推广到 群桩情况。c o o k e ( 1 9 7 9 ，1 9 8 0 ) 运用此法分析了伦敦软粘土中单桩和群桩在工作荷载下的荷载传递 和沉降性状。k r a f 等( 1 9 8 1 ) 考虑了土体的非线性性状，将r a n d o l p h 单桩解推广到十体非线性情况。 n o g a m i ( 1 9 8 4 ) 、c h o w ( 1 9 8 6 ) 又将此推广到群桩分析。赵锡宏等( 1 9 8 5 ) 在r a n d o l p h 和w o r t h 的 成果的基础上，考虑桩周土的软化、强化等作用对桩基础的影响，提出了比较全面的分析方法。l e e ( 1 9 9 1 ，1 9 9 3 ) 进一步将c h o w 的方法用于桩端土层和桩侧土体不一致的非均质土中。 弹性理论法以弹性连续介质模拟桩周土体的响应，使用在半无限体内施加荷载的m i n d l i n 方程 求解。m i n d l i n 给出了在均匀、各向同性的弹性半空间内作用单位竖向荷载的情况下，半无限空间任 一点处的应力、位移的积分形式。弹性理论法把土体看作线弹性体，用弹性模量e 。和泊松比d 两个 变形指标表示土的性能。其中d 的大小对分析结果影响不大，历是关键指标。但是e s 很难从室内土 工试验取得精确的数值，在工程上人都需要从单桩试验结果反求其值，这使得弹性理论法的应用受 到限制。尽管这样，近儿年采用该法计算单桩沉降的可靠性已得到工程技术界的重视。 这一方法杰出代表是p o u l o s 。p o u l o s ( 1 9 8 9 ，1 9 6 8 ) 、p o u l o s 和d a v i s ( 1 9 8 0 ，1 9 6 8 ) 、p o u l o s 和 r a n d o l p h ( 1 9 8 3 ) 由m i n d l i n 基本解推导出积分形式的竖向位移影响系数，引入桩身微分方程，从而 得到桩周剪应力和桩端阻力的大小及分布形式。为了把均质土中的分析方法应用到成层土中，p o u l o s ( 1 9 8 8 ，1 9 7 9 ) 建议根据十层厚度加权平均来计算弹性参数，同时也考虑了桩土之间相对滑移的影 响。p o u l o s 通过采用近似位移影响系数及“镜像法”进行计算有限厚度土体、端承桩及扩底桩等情 况。b u t t e r f i e d 和b a n e r j e e ( 1 9 7 1 ) 等人在这方面也做了大量的工作，其理论比p o u l o s 法严格，对桩 底单元进行了细分，直接对桩单元进行计算。 g e d d e s ( 1 9 6 6 ，1 9 6 9 ) 从m i n d l i n 的应力基本解出发，并假设桩端阻力为均布、桩侧摩阻力为 梯形分布，考虑与桩间应力重叠效应，利用霍加原理求出群桩在荷载作用下地基中应力及变形。在 求解土中应力时，g e d d e s 将m i n d l i n 公式推广，导出了由于桩端阻力及侧摩阻力所产生的七中应力 计算公式。黄绍铭( 1 9 9 1 ) 应用上述g e d d e s 解，考虑桩与桩周接触土体沉降相等，确定桩侧摩阻力 的分布，再用分层总和法求得桩的沉降。 黄昱挺( 1 9 9 7 ) 从桩侧摩阻力的发挥性状入手，考虑桩士间的相对滑移，应用弹性理论法中g e d d e s 积分解计算土中的应力分布，考虑土体为弹性的d u n c a n c h a n g 非线性弹性模型，对桩、土、承台共 同作用性状进行了分析。 1 2 3 水泥土搅拌桩桩身荷载传递规律数值模拟研究现状 水泥土搅拌桩承载力受众多因素的影响，理论计算很不完善，现场试验也比较消耗资源。通过 有限元模拟对水泥土搅拌桩的研究则是一个很好的途径，并且有限元数值模拟能考虑较理论分析方 法更多的因素。许多学者在现场试验或者室内模型试验的同时都进行数值模拟。 段继伟等( 1 9 9 4 ) 根据对柔性单桩带台的有限元分析，得出柔性单桩带台也存在有效桩长的结 论，桩体变形、桩身轴力以及侧摩阻力均集中在有效桩长深度内。池跃君，韩庆华等( 2 0 0 1 ) 通过 数值拟合方法为工程中超长桩承载力难以确定的问题以及有限元分析超长桩荷载传递机理的问题中 土体参数难以选择的问题提出了较好的解决方法。其土体本构模型采用邓肯一张模型，桩土接触面采 用g o o d m a n 接触面模型。宋修广，郭宗杰等( 2 0 0 2 ) 在粉喷桩复合地基的数值计算分析中对单桩受 竖向荷载作用下进行了有限元模拟。其桩土采取不同的模型，把桩土间模糊区域采用由桩的模量逐 渐过渡到士的模量的方法进行处理。得剑的桩身轴力以及侧摩阻力的分布与实测值比较吻合。郑刚 等( 2 0 0 2 ) 通过轴对称有限元无穷元耦合分析认为水泥士土接触面类似刚性桩性质。席培胜( 2 0 0 6 ) 采用f l a c 3 d 计算软件，桩体材料选用弹塑性模型，在三维状态下对钉形双向水泥土搅拌桩作了单 3 东南大学硕士学位论文 桩和复合地基承载力的数值模拟。 1 3 超长水泥土搅拌桩的研究现状 刘和元、刘松玉( 1 9 9 8 ) 对超长水泥土搅拌桩( 桩径7 0 0 m m ，桩长2 7 m ) 复合地基性状进行了 研究。认为水泥土搅拌桩在桩身质量较好、上部荷载及其作用面积都较大时，桩端处的桩身附加应 力也会较大，有效桩长的理论应以修正。有限元计算结果表明，当桩顶荷载超过2 0 0 k p a 时，传到桩 端的荷载就比较火了。高荷载级别下桩端应力达到了桩顶荷载的3 8 。同时计算和实测得到的最大 桩身应力都是发生在桩顶向下8 9 m 处。 何开胜、袁文明等( 2 0 0 0 ) 通过对超长水泥十搅拌桩的承载能力和有效桩长的研究，认为桩体 刚度、桩身质量影响着有效桩长。有效作片j 深度在桩身强度好的前提下可以达到2 6 m 以上。另外， 有效桩长还与受荷面积和作用时间、单桩和群桩作用密切相关。同时认为在下部水泥土强度不足的 情况下，通过静载荷试验所得到的有效桩长是不可靠的。何开胜等( 2 0 0 0 ) 对超艮水泥土搅拌桩的 施t 工艺以及检测方法的研究在南京炼油厂软基处理工程中得到了成功的使用。通过取芯、标贯和 无侧限试验的检测方法对桩身质量进行检测。在一定程度上能反映深长桩体搅拌均匀性和强度的大 小。 徐刚毅( 2 0 0 2 ) 等对超跃水泥土搅拌桩作了研究，认为良好桩身质量的超长水泥土桩呈现接近于刚 性桩的荷载传递特性。在桩身质量能够保证的情况一f ，轴力有效深度是可以传递到2 5 米以上的。在 桩身质量检测上以现场标贯试验为主要手段，通过钻孔取芯观察判断水泥土的均匀性，这样观察只 是定性确定。 徐刚等( 2 0 0 2 ) 的研究认为超长水泥土搅拌单桩极限承载力首先由桩身材料强度控制。单桩承 载力根据静载试验不同的破坏模式来确定，他们的静载荷试验中都是桩身先破坏。 曾庆军等( 2 0 0 6 ) 应用有限元分析程序，分析了超长水泥十搅拌桩的荷载传递规律等问题。认 为超长水泥十搅拌桩在桩身强度能够保证或者人面积荷载作用f ，桩顶荷载可以传递剑桩体下部， 有效桩长概念宜进行调整。桩身强度较高的情况下，水泥土搅拌桩警现出刚性桩的性状。另外桩身 附加应力的大小和传递与桩体刚度大小、荷载作用面积、单桩和群桩作片j i 有关。 从许多学者对超长水泥土搅拌桩的研究中可以得到，桩身质最直接影响着荷载传递深度。桩顶 荷载是可以传递到较深桩体，有效桩长概念应该修正。另外在桩身质量的检测上火多采用取芯检测、 标贯试验以及无侧限抗压试验，这些方法在一定程度上能够反映桩身水泥土的强度指标，对于水泥 土搅拌均匀性只是定性判断，存在很多不足。 1 4 钉形双向水泥土搅拌桩研究现状 已有不少学者对钉形双向搅拌桩开展了研究，得出了很多有益的结论。根据现场试验研究了其 施t 工艺；通过芯样的无侧限抗压强度试验和电阻率特性研究了该施工工艺下桩身质量；根据现场 静载荷试验研究了其承载特性：根据数值模拟研究了钉形桩的承载特性以及变形特性，为钉形桩的 设计提供了依据。 席培胜主要研究了：通过现场试验确定了钉形双向水泥土搅拌桩的施工工艺，并对机械参数 以及工艺参数作了理论分析；通过现场标准贯入试验、室内无侧限抗压强度试验以及水泥土的电 阻率测试，分析评价了双向水泥土搅拌桩桩身宏观质量和微观结构的均匀性；从球孔扩张理论出 发建立了双向搅工艺和常规t 艺施上扰动动力模型，从理论上解释了双向搅工艺桩间土强度变化机 理，双向搅： 艺旌工扰动的范围和程度远小于常规工艺；探讨了该桩型的单桩和复合地基的承载 特性，提出了不同荷载作用下单桩和复合地基承载力计算公式以及地基设计参数的设计方法。在单 4 第一章绪论 桩荷载传递方面的研究，通过数值模拟( 拉格朗日三维差分法) 分析了在刚性基础下以及路堤荷载 下变截面水泥土双向搅拌桩桩身荷载传递规律。 张八芳( 2 0 0 7 ) 研究了路堤荷载下钉形双向水泥土搅拌桩的土拱效应。通过研究不同因素对土 拱效应系数的影响，结合现场试验以及土拱效应的理论分析，推荐钉形双向水泥土搅拌桩设计参数 的合理取值范围，指导钉形桩的施工设计。 朱芝华( 2 0 0 7 ) 研究了钉形水泥土搅拌桩的承载力特性。得出了钉形水泥十搅拌桩的承载力计 算公式，初步提出了钉形水泥十搅拌桩的单桩承载力计算方法。在单桩荷载传递方面的研究，采用 荷载传递法初步探讨了钉形水泥土搅拌桩荷载传递规律的解析解。 易耀林( 2 0 0 8 ) 研究了路堤荷载下钉形搅拌桩复合地基的变形特性。采用数值模拟以及现场试 验研究了钉桩在路堤荷载作用下的荷载传递规律和复合地基附加应力分布和变形特性；提出考虑桩 顶上刺、桩士相互作用和桩端下刺等模式下钉形桩复合地基沉降计算方法。 以上关于钉形水泥土搅拌桩处理深度为1 6 m ，扩大头高度为4 m ，处理深度较常规水泥土搅拌桩 有所提高。本文钉形水泥土搅拌桩的处理深度达到2 5 m ，扩人头高度为1 0 m ，由于桩体设计参数的 变化，单桩承载特性以及深长桩体桩身质量都有不同，本文以此进行深长钉形水泥土搅拌桩的研究。 1 5 本文的研究内容 本文结合申嘉湖( 杭) 高速公路课题，对钉形双向水泥十搅拌桩做迸一步研究。在水泥土配比 方面，本文除了做常规水泥土配比试验，还针对本课题场地软土特性，做掺砂水泥土配比试验，以 此试验结果验证现场钉形双向水泥土搅拌桩水泥添加量设计的合理性，控制水泥用量保证桩身质量： 在承载特性方面，课题现场软弱士层的深厚，该场地的钉形双向水泥土搅拌桩的特点是：大直径 ( 1 0 1 1 m ) 、超长桩身( 2 3 0 - 2 5 0 m ) 、扩大头高度高( 7 m 和1 0 m ) 。通过现场钉形水泥土搅拌桩静 载荷试验以及数值模拟对该特点的钉形水泥七搅拌桩的单桩承载特性进行研究；同时根据现场水泥 土芯样的无侧限抗压强度以及电阻率特性研究分析深长钉形双向水泥土搅拌桩的桩身质量。主要研 究有以下内容。 ， ( 1 ) 室内常规水泥土配比试验，分析研究该试验段搅拌桩处理软十的水泥的合理参量并与现场 设计值比较；室内掺砂水泥土配比试验，分析掺砂后水泥土强度的变化特征，对比常规水泥_ 十配比 试验分析掺砂对水泥土强度的效果。水泥掺入量影响现场桩身质量，通过配比试验为控制现场水泥 用量提供依据。 ( 2 ) 通过现场深长钉形双向水泥十搅拌桩桩身芯样的无侧限抗压强度以及水泥土芯样的电阻率 特性分析研究深长钉形双向水泥土搅拌桩不同深度的强度特性与搅拌均匀性。 ( 3 ) 通过现场深长钉形双向水泥土搅拌桩单桩静载荷试验，分析研究深长钉形双向水泥土搅拌 桩单桩承载特性。 ( 4 ) 应用荷载传递法，假设桩土及桩端荷载传递函数，对深长钉形双向水泥搅拌桩单桩荷载传 递规律进行研究。 ( 5 ) 使用有限元软件a b a q u s 对深长钉形双向水泥搅拌桩进行有限元数值模拟，通过参数分 析研究深长钉形双向水泥土搅拌桩的荷载传递规律和承载特性。 桩身质量是保证水泥士搅拌桩达到设计承载力的必要条件，通过室内配比试验验证现场采用水 泥用量的合理性，控制水泥用量保证桩身质量；现场成桩之后进行水泥士芯样的无侧限抗压强度试 验，进一步检验深长桩的桩身质量，同时通过静载荷试验确定单桩承载力；通过理论方法与数值模 拟研究钉形桩的单桩的荷载传递规律和承载特性。 - 5 第二章水泥土( 常规与掺砂) 配比试验 2 1 概述 第二章水泥土( 常规与掺砂) 配比试验 水泥土无侧限抗压强度一般为0 3 - - 4 m p a ，影响水泥土无侧限抗压强度的因素有很多。 主要有：被加固土类型、水泥掺入比、龄期、水泥标号、水泥浆水灰比、土的含水量、土中 有机质含量、外掺剂的影响、养护方法以及试验边界条件等。考虑剑本文研究的内容，主要 从水泥掺入比、龄期、水灰比以及外掺剂来研究本试验场地中软土的水泥- 十强度特性。并以 此为现场钉形水泥十搅拌桩的配比设计提供参考和依据，讨论合理配比下对提高钉形双向水 泥土搅拌桩的承载力的影响；并通过掺砂试验给出合理的掺砂量，从水泥土强度上讨论掺砂 的作用。另外，本文还通过测试水泥土试验的电阻率，探讨水泥土强度与电阻率之间的关系。 水泥土搅拌桩水泥土硬化机理主要是这样的( 龚晓南，2 0 0 2 ) ：当水泥浆与软枯土拌合 后，水泥颗粒表面的矿物质很快与粘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；有的则与周嗣具有一定活性的粘十颗粒发 生反应，通过离子交换和团粒化作用使较小的十颗粒形成较大的十团粒。通过硬凝反应，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。 研究表明，随着水泥掺入比的提高，水泥土无侧限抗压强度提高。一些研究者认为水泥 土的无侧限抗压强度与水泥掺入比呈线性相关( 杨崇明，王军，2 0 0 5 ) ，也有一些认为呈幂 函数相关( 许兰蓉，马莉等，2 0 0 1 ) 。不同的十类使埘水泥进行加同处理后强度也不一样， 经水泥处理后，砂土、粘性士、腐殖土、滨海相沉积淤泥质土、河川相沉积淤泥质土以及湖 沼相沉积泥炭土的强度依次减小。张家柱等( 1 9 9 9 ) 通过大量的试验得出在粘粒含量高的土 中加入骨架材料能增加水泥十的强度；姜鹏等( 2 0 0 6 ) 认为纯氯化钠能有效抵消有机质对强 度的影响。含水黄对水泥土强度的提高不利，富水区建议采用粉喷桩进行处理；同时酸性地 区，对水泥土强度的发挥不利。可以通过使用外掺剂提高水泥土搅拌桩的早期强度，兰凯等 ( 2 0 0 6 ) 研究认为的水泥掺入比和掺砂量能提高水泥土的无侧限抗压强度并能一定程度的降 低成本。 电阻率作为反映十体材料导电性能的一个基本物理参数，受多个因素的影响，包括十的 含水率、孔隙比、化学成分、颗粒组成、结构性以及温度等。而这些参数又与土体的强度特 密切相关，因此对土体电阻率的溯试可能对其工程性质进行描述。国内外学者对土体电阻率 进行了许多研究，对水泥土的电阻率的研究表明：水泥士的电阻率随龄期、水泥土掺入比的 增人而增大：随着水泥土含水率、饱和度以及似水灰比的增大而减小。本文采用由东南大学 刘松玉等研制的低频交流电阻测试仪进行测试。 本文试验所用软士取自浙江北部，属于嘉杭湖平原，多河塘分布，系典型的水网化平原， 区内地势平坦，软土层厚度较厚，： 程地质条件不良。本文通过室内水泥十配比试验讨论该 地区软土的水泥士强度特性，为钉形水泥土搅拌桩的水泥配比设计提供依据与参考。 6 东南大学硕士学位论文 2 2 水泥土常规配比试验研究 本文所依托课题标段地质属于湖沼相沉积软土，其物理力学指标参数如表2 1 。常规水 泥土配比试验用土取自现场软土并风干碾碎，然后按照现场软土层的天然平均含水量( 5 0 ) 配制成湿土。然后根据不同的水泥掺入比和水灰比拌和出不同配比的水泥土，试样采用 7 0 7 m m x 7 0 7 m m x 7 0 7 m m 的立方体，成模2 4 小时后拆模，在标准养护室内进行养护至不同 龄期，然后测试无侧限抗压强度。 表2 1 土样物理力学参数 天然密度( g ，c m 3 ) 1 7 8 液性指数 0 5 8 天然含水量( ) 4 4 6 l 渗透系数( c m s ) 1 4 3 e - 0 7 比重2 6 3 无侧限抗压强度( k p a ) 4 1 7 2 初始孔隙比1 1 2 粘聚力( k p a ) 9 5 8 塑性指数 2 5 1 内摩擦角( 度) 2 1 9 2 2 1 常规配比试验方案 常规水泥十配比试验采用全面试验的方法，即将所有水泥掺入比和水灰比进行组合设 计，水泥掺入比分别为：1 0 、1 5 、2 0 和2 2 1 水灰比分别为：0 4 、o 5 、0 6 和o 7 。 每种配比分别做7 天、2 8 天和9 0 天三个龄期的无侧限抗压强度试验，共计1 4 4 个试块。 试验中，水泥土掺入比定义为水泥质量与湿土质量之比；水灰比定义为外加水( 不包含 湿土中的水分) 的质量与水泥的质量之比。 2 2 2 常规配比试验结果 强度结果取3 个平行试样的算术平均值作为该组试样的无侧限抗压强度值，试样的测试 值与平均值之差超过平均值的士1 5 时，则试样的测值剔除，按余下试样的测值计算平均值， 如果l 组试样不足2 个，则该试样结果无效，须重做。 表2 2 常规配比试验水泥土试块的无侧限抗压强度( 1 v l p a ) 淤7 天2 8 天9 。天泌7 天2 8 天9 。天 l o a0 3 1o 5 50 7 02 0 ao 8 91 3 4l - 7 l 1 0 b0 2 60 4 50 7 5 2 0 b o 5 80 9 5 1 2 6 1 0 c0 2 70 5 70 6 32 0 c0 6 71 1 11 5 3 1 0 do 2 30 4 10 6 02 0 do 6 01 0 71 4 4 1 5 ao 4 3o 7 1o 8 82 2 a1 0 21 7 l2 2 1 1 5 b0 4 70 6 50 9 32 2 bo 8 61 2 52 2 2 1 5 c0 4 40 7 21 2 42 2 c0 7 21 0 81 5 7 1 5 d0 4 60 7 30 9 2 2 2 d 0 8 3 1 3 51 8 5 常规配比试验水泥土试块在7 天、2 8 天和9 0 天龄期时的无侧限抗压强度结果如表2 2 所示：( 表2 1 中：数字1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 2 表示水泥掺入比；a ，b ，c ，d 表示水灰比0 4 ， 7 第二章水泥土( 常规b - 掺砂) 配比试验 0 5 ，0 6 。0 7 ；如1 0 t 2 表示的意义为，水泥掺入比为1 0 ，水灰比0 6 ，其他编号代表意义 类推) 。从表2 2 可以看出，9 0 天龄期的水泥士无侧限抗压强度最高值为2 2 2 m p a ，对应的 配比方案为2 2 b ( 水泥掺入比2 2 ，水灰比0 5 ) ，这是使水泥土获得最高强度的方案。但是 在实际工程中除满足水泥土搅拌桩桩身水泥土强度要求外，还应当对其经济效益进行考虑， 即在满足复合地基承载要求的基础上选取比较经济的配比方案。从表中可以看出在9 0 天龄 期时1 5 c 方案( 水泥掺入比1 5 ，水灰比0 6 ) 的无侧限抗压强度为1 2 4 m p a 。从工程实际 出发此强度可以满足设计要求，同时比较经济。大多丁程均采用1 5 的水泥掺量，本实验 结果也说明这一水泥掺入比是合适的选择。另外课题试验段所采用的配比方案( 水泥掺入比 1 5 ，水灰比0 6 5 ) 与此配比方案基本一致，说明现场所选用的配比方案是可行正确的。 另外，还测量了常规配比试验7 天、2 8 天和9 0 天龄期的水泥土试块的含水量，在结果 分析中取三个平行样的平均值。 为研究水泥十电阻率特性，在做无侧限抗压强度试验之前对常规配比试验水泥土试块的 电阻率进行测试，最后取三个平行样的平均值进行分析。其中，7 天龄期时朱测水泥土试块 的电阻率值。在测鼍水泥土试块的电阻率的过程中为了减少接触电阻对测量结果的影响，在 水泥土试块的测量面上均匀涂抹一层石墨，同时要保证在：i i ：- n 量面不应有石墨，掺砂试验中 试块的电阻率也按照类似的方法进行测量。 2 2 3 常规配比试验水泥土无侧限抗压强度与各参数间关系 水泥十的强度受到多个参数的影