（森林工程专业论文）混凝土灌注桩与深搅桩咬合基坑支护方法可行性研究.pdf

摘要 本文通过室内试验和工程试用段实地监测对混凝土灌注桩与深搅咬合桩基坑支护工 艺进行了可行性研究。试验选择粘土，粉砂土和粗砂土三种土质，采用室内试块试验的研究 方法，选择水泥掺入比、龄期、含水量三种因素，分别进行了四种不同水平的单因素试验， 研究水泥土在不同养护条件下的收缩性，通过水泥土和混凝土咬合面渗透试验来检验两者 咬合面的抗渗性根据相似理论，采用模型方法，通过水泥土梁弯曲挠度试验，获得水泥 土梁的开裂极限相对挠度，最后对咬合桩工程试用段进行土压力、孔隙水压力、深层土体 水平位移实地监测。根据水泥土收缩试验得出( 1 ) 粘土水泥土在自然养护条件下，试样 随龄期增长，收缩率越来越大；试样含水量越大，收缩率越小；水泥掺入比越大，收缩率 越小，水泥掺入比大于1 5 ，收缩率明显减小，掺入膨胀剂试样膨胀效果不明显。( 2 ) 粉 砂水泥土在自然养护条件下，试样随龄期增长1 4 天前呈膨胀状态，1 4 天后呈收缩趋势， 但总体表现为膨胀；水泥掺入比越大，收缩率越小，水泥掺入比控制在2 0 9 6 - - 2 5 ，能有 效减小水泥土的收缩率；含水量越大，收缩率越小；掺入膨胀剂能增大试样膨胀性，随龄 期增长膨胀量增大。( 3 ) 粉砂水泥土试样在标准养护条件下，养护龄期1 4 天前呈膨胀状 态，1 4 天后开始呈收缩趋势，含水量大的土质中水泥掺入比应选用1 5 ，含水量小的土 质中水泥掺入比应选用2 0 ，能够有效的提高水泥土的膨胀性；试样掺入膨胀剂能提高 试样膨胀性，随龄期增长，膨胀量增大。( 4 ) 砂土水泥土试样在标准养护条件下，养护龄 期1 4 天前呈膨胀状态，1 4 天后呈收缩趋势，总体表现为膨胀；水泥掺入比越大，膨胀量 越小，控制水泥掺入比在2 0 左右，能提高试样膨胀性：含水量越大，膨胀量越小；掺入 膨胀剂能一定程度上增加试样的膨胀，掺入量越大膨胀效果越好，但掺膨胀剂仅能有效提 高水泥土早期膨胀性。通过渗透试验得出水泥土和混凝土咬合面的抗渗性达到0 1 8 0 2 4 m p a ，满足咬合桩的抗渗性要求。根据试用段的实地监测数据分析研究，得出咬合桩支 护能够满足基坑支护的要求，并提出了混凝土灌注桩与水泥土咬合桩作基坑围护结构的工 艺要求，试验和玄武湖隧道试用证明该工法是可行的，今后可进一步推广使用。 关键词：咬合桩：基坑支护；水泥土 收缩性；咬合面渗透性 f e a s i b i l i t ys t u d y o nf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gb yl o c k i n gw i t h r e i n f o r e e dc o n c r e t ec a s t i n - s i t up i l ea n dc e m e n tt r e a t e dc o l u m n a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，i n t r o d u c e st h ef e a s i b i l i t ys t u d yo nan e ws u p p o r t i n gs y s t e mw i t h r e i n f o r c e sc o n c r e t ec a s t - - i ns i t up i l ea n dc e m e n t - s o i ls e c a n tr e t a i n i n gw a l lt h r o u g h l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dp r o j e c ti n s p e c t i o n i ta l s o c a r r i e so nf o u rl e v e l so f s i n g l e - f a c t o rl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sw i t ht h r e es a m p l es o i l s ：c l a y ，c o h e s i o n l e s ss o i l a n ds a n d ys o i l ，c o n c e r n i n gt h r e ee l e m e n t s ：c e m e n tm i x t u r er a t i o ，a g e ，w a t e rc o n t e n t i no r d e rt of i n do u tt h ec o n t r a c t i b i l i t yu n d e rd i f f e r e n tt e s tc o n d i t i o n s ，a n da l s ot h e p e r m e a b i l i t yo fl o c k i n gs u r f a c eb e t w e e nc e m e n ts o i l a n dc o n c r e t e b a s e do n s i m i l a r i t yt h e o r y a n dm o d e lm e t h o da n dc e m e n t s o i lb e a mb e n d i n gt e s t ，t h e c o m p a r a t i v eb e n d i n go fc e m e n t s o i lb e a mc r a c k a b i l i t yl i m i ti so b t a i n e d ，a n df i n a l l y t a k e st h ep r o j e c ti n s p e c t i o no ns o i lp r e s s u r e ，p o r ew a t e rp r e s s u r ea n dd e e ps o i l h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t a tt h e t e s t i n gs e c t i o n a c c o r d i n g t oc e m e n t - s o i l c o n t r a c t i b i l i t ye x p e r i m e n t ，i tc a nb eo b s e r v e dt h a t1 u n d e rn a t u r a lt e s tc o n d i t i o nt h e c e m e n t c l a y s o i l s c o n t r a c t i b i l i t yi n c r e a s e si na c c o r d a n c ew i t ht h ea g eg r o w t h ， d e c r e a s e si na c c o r d a n c ew i t ht h er i s eo fw a t e rc o n t e n ta sw e l la sc e m e n tm i x t u r e r a t i o ，a n dt h ec o n t r a c t i b i l i t yc a nb ee f f e c t i v e l yd e c r e a s e db yc o n t r o l l i n gc e m e n t m i x t u r er a t i oa to v e r15 ，2 u n d e rn a t u r a lt e s tc o n d i t i o nc o h e s i o n l e s ss o i le x p a n d s i nt h ef i r s t1 4d a y sa n dc o n t r a c t sl a t e r ，t h em o r ec e m e n tm i x t u r ec o n t e n t so rw a t e r c o n t e n t ，t h el e s si tc o n t r a c t s ，a n dt h ec o n t r a c t i b i l i t yc a nb ee f f e c t i v e l yd e c r e a s e db y c o n t r o l l i n gc e m e n tm i x t u r er a t i oa t2 0 一2 5 ，e x p a n s i o nr a t ei n c r e a s e sm i x e dw i t h e x p a n d e ra n dw i t ha g eg r o w t h ，3 u n d e rs t a n d a r dc o n d i t i o nc o h e s i o n l e s ss o i le x p a n d s i nf i r s t1 4d a y sa n dc o n t r a c t sl a t e r , t h ec e m e n tm i x t u r er a t i os h o u l db et 5 2 0 a c c o r d i n gt od i f f e r e n tw a t e r c o n t a i n i n gs o i lt oi m p r o v et h ec e m e n ts o i le x p a n s i o n 4 u n d e rs t a n d a r dt e s tc o n d i t i o ns a n d ys o i le x p a n d si nt h ef i r s t1 4d a y sa n dc o n t r a c t s l a t e r ，i te x p a n d sw i t h r i s ei nc e m e n tm i x t u r er a t i oa n dw a t e rc o n t e n t ，m i x i n g e x p a n d e rh e l p se x p a n s i o n b u tj u s ti nt h e e a r l ys t a g e ，e x p e r i m e n t s t e l lt h e a n t i p e r m e a b i l i t y o fl o c k i n gs u r f a c eb e t w e e nc e m e n ts o i la n dc o n c r e t er e a c h e s 0 i8 - 0 2 4m p a ，m e e t i n gt h e o r e t i c a ld e m a n d s b ya n a l y s i so nt h ei n s p e c t i o nd a t at h e t h e s i sc o n c l u d e st h er e q u i r e m e n t sa n dt e c h n i q u e so nf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gb y l o c k i n gw i t hr e i n f o r c e dc o n c r e t ec a s t i n s i t up i l ea n dc e m e n tt r e a t e dc o l u m n t h e m e t h o dw a sp r o v e df e a s i b l ea n ds h o u l db es p r e a di np r a c t i c e k e yw o r d s ：l o c kp i l ed e e p - p i ts u p p o r t ；c e m e n t s o i l ；c o n t r a c t i b i l i t y ：p e r m e a b i l i t y o fl o c k i n gs u r f a c e 致谢 y9 0 8 4 8 8 本文是在导师杨平教授悉心指导下完成的。两年多来恩师渊博的 学识、严谨的治学态度使本人受益匪浅，导师谦逊朴实、宽厚待人、 豁达大度的学者风范对学生影响至深。感谢恩师在本人研究生阶段给 予的在学习和生活上无微不至的关怀与帮助。 特别感谢邵光辉老师、张婷老师、尹鹏同学、朱逢宾同学在我做 课题试验期间给予的大力帮助和支持。 感谢土木院全体老师给予的关心和帮助。 感谢所有关心和帮助过我的老师、朋友和同学。 在搁笔之际，还要感谢我的父母和夫人，正是他们的理解与支持， 才使我的硕士研究生任务得以顺利完成。 作者：鲎堡宣 二o o 六年六月 1 引言 1 1 课题研究意义 2 0 世纪8 0 年代以来，随着城市化建设的不断发展，对开发和利用城市三维 空间的要求越来越迫切，高层建筑的发展在数量和高度方面都达到了空前的规 模。伴随着高层建筑的发展，多层地下室也不断涌现。目前国内最深的高层建筑 地下室基坑为6 层，深度- 2 6 2 米。其他类型地下空间的开发和利用也逐渐受到 人们重视。地铁、地下车站、地下停车场、地下商场以及地下民防工事、多种地 下民用和公用设施等越来越多。城市地下工程的发展，导致基坑向大深度、大面 积方向发展成为必然趋势。基坑工程是一个古老而又倍受关注的课题，同时又是 一个技术复杂、综合性很强的岩土工程难题，基坑开挖和支护技术涉及工程地质 勘察、水文地质条件、场地环境、支护设计方案、计算参数选取以及施工操作等 很多方面。目前，已经发现有不少深基坑支护工程的失误，导致了经济上的重大 损失、建设工期延误等严重问题。因此，寻求一种即经济又合理的深基坑支护方 法，不断完善基坑设计理论，成了当前迫切亟待解决的问题。 本文旨在通过室内试验和现场工程监测来研究混凝土与深搅咬合桩作为一 种新型的基坑支护方式的工作性能机理和应用可行性。根据其作用机理，提出合 理的工艺方法，为深基坑支护工程提供一种技术可靠，占地少、环保、经济的新 型支护方法，同时为这种新型的支护方法的应用推广提供科学依据。 1 2 国内外深基坑支护的研究现状 1 2 1 目前深基坑支护的主要方法 1 ) 柱列式灌注桩排桩支护 柱列式间隔布置包括：桩与桩之间有一定的净距的疏排布置形式和桩与桩相 切的密排布置形式。柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚度，但各桩之间 的连系差，必须在桩项浇筑较大截面的钢筋混凝土帽梁加以可靠连结。为防止地 下水并夹带土体颗粒从桩间空隙流入坑内，应同时在桩间或桩背采用高压注浆、 设置深层搅拌桩、旋喷桩等措施，或在桩后专门构筑防水帷幕。灌注桩施工时无 振动，对周围邻近建筑物、道路和地下管线影响危害比较少。具有一定的优越性， 但缺点是桩的施工速度较慢，且场地泥浆处理较困难，工期长。 2 ) 地下连续墙支护 地下连续墙是为了防止坑壁坍塌，在使用某种安定液作为护壁的情况下开挖 沟槽，在沟槽内插入钢筋，浇筑混凝土形成土中墙体，然后再把它们连接起来，形 成一个较为长大的连续墙体的一种特殊施工技术。地下连续墙既可以作为建筑物 的主体结构基础，也可以作为山体、河岸的护坡挡土墙，以及各种地下工程的保护 和防水等设施。地下连续墙的主要特点包括：与周围土体连接紧密，强度大： 挡水性强：形成了闭合断面，刚度大：适合于任意断面形状以及大壁厚、大深 度施工：对周围地基的影响较小，使相邻施工成为可能：低噪声，低振动：施 工用地小，工期短，效益高：应用范围广泛，适合于从软弱地基到岩基的各种土 质条件下的施工。地下连续墙是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的钢筋混凝土墙 体，现在全国各地已用得比较普遍，如地下连续墙的施工深度国内已有超过8 0 m ， 厚度达1 ，4 m 。由于地下连续墙具有整体刚度大和防渗性好，适用于地下水以下 的软粘土和砂土多种地层条件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有深层软 土需将墙体插入很深的情况。因此，在国内外的地下工程中得到广泛应用，并且 随着技术的发展和施工方法及机械的改进，地下连续墙发展到既是基坑施工时的 挡墙围护结构，又能作为拟建主体结构的侧墙。也可采用逆作法施工减少对环境 和地面交通的影响。日本地下连续墙施工技术的发展比较迅速，特别是1 9 8 6 年 以后，针对东京湾横断道路工程，研究开发了壁厚达3 2 m ，深度达1 7 0 m 的超大型 地下连续墙施工技术。施工实例有东京湾横断道路川崎人工岛地下连续墙工程， 壁厚达2 8 r r l ，而日本建设省关东地方建设局外郭放水路立坑，深度达1 4 0 m 。随着 城市的日益密集化以及地下工程不断开发，相邻工程日益增多，地下利用也不断 大深度化，因此大深度、太壁厚的地下连续墙施工技术在日本城市大规模土木工 程建设中得到非常广泛的应用。目前在日本与开挖深度无关、垂直精度可以保证 在5 0 m m 以内的旋工机械与技术在1 0 0 m 以上的大深度地下连续墙工程中已经 得到广泛的应用“1 。随着我国城市土地日趋紧张，高层和超高层建筑的出现，它 从作为地下室外墙发展到成为高层建筑承重基础，大大加强了建筑物的整体承载 能力，相对降低了成本，尤其随着施工工艺的不断完善和改进，不断向超薄、超 厚、超深方向发展，广泛应用于江河湖泊防渗，港口、船坞和污水处理厂的建设 以及广泛应用于高层建筑的地下室、地下停车场、地铁甚至于大桥建设，使其应 用前景、市场前景相当广阔。 3 ) 劲性水泥土搅拌法( s m w 工法) 劲性水泥土搅拌桩法就是在水泥土搅拌桩内插入h 型钢或其它种类的劲性 受拉材料，形成承载和防水的复合结构，它是将承受荷载与防渗结构结合起来， 使之具有承载力与防渗两种功能的支护形式。s m w ( s o i lm i x i n gw a l l ) 工法施 工时低噪声、对周围环境影响小、结构止水好、结构强度可靠，配以多道支撑， 只适用于深基坑。适合水泥搅拌桩的场合都可以使用s m w 桩，特别是适于以粘土 和粉细砂为主的松软地层。此施工方法在一定条件下可取代作为围护的地下连续 墙，具有较大的发展前景。目前，国际上开展地下坝工程的国家除我国外，还有美 国、日本、东南亚的一些国家，特别是非洲撒哈拉大沙漠的大规模绿化构想也准 备采用sm w 地下坝建造。美国杰克逊坝工程中，附近存在t e t o n 断层，为防止震 级7 7 5 以上的地震使砂土液化，在二十世纪初建造的阿斯坝堤体基础部位用 sm w 工法做了蜂窝状的地层加固和防渗墙施工。为了不使垃圾物排出的污水通 过地下垃圾场的护墙和基底渗入地层污染水源，通常要求地下垃圾场的护墙和基 2 底具有良好的抗渗性能。为此，在日本垃圾处理场的护墙和基底常采用sm w 工 法施工，以确保护墙和基底的不透水性。1 9 9 7 年上海地区也从日本引进sm w 机 械设备，由第九设计院和上海市基础公司应用于东方明珠二期工程一一一上海国 际会议中心的基坑围护施工。上海隧道股份有限公司非常重视sm w 技术的研究 经过四年多的科技攻关和工程试验，通过对原搅拌桩施工机构的配套改进，探索 出一套有特色的h 型钢水泥土搅拌桩组合围护结构的施工方法，先后在航头矩形 隧道试验工程机头接收井基地、滨江大道排水总管9 # i 作井基坑围护、申海大 厦等工程中应用，并成功实现h 型钢( 表面涂有特制减摩剂) 的完整回收，技术经 济效益可观。现该项技术已在上海地铁二号线的基坑工程中推广应用“。 4 ) 土钉墙支护 土钉墙是一种利用经加固后的原位土体来维护基坑边坡土体稳定的支护方 法。它是由土钉、钢筋网喷射混凝土面板和加固后的原位土体三部份结合起来。 基坑坡面可以竖直9 0 。，土钉的长度按计算确定。土钉墙支护技术具有以下特点。 土钉与土体形成复合体，提高了边坡的整体稳定和承受坡顶承载能力，增强土体 破坏延性，安全性基本满足基坑稳定性及变形要求，有利于安全施工：土钉墙体位 移小，对相临建筑物影响小：施工设备简单、施工工艺不复杂，操作难度不大：能与 土方开挖配合好，实行平行流水作业，可缩短工期，同时施工嗓音小：造价较其他 基坑围护体系低：该支护结构轻型，是一种较有前途的深基坑边坡支护方法，开挖 深度一般不大于1 8 m 。在边坡工程、基坑工程中得到广泛的应用。现基坑工程 中采用较多的是复合型土钉墙支护。主要是水泥土搅拌桩与土钉墙的结合应用。 其原理主要是：通过水泥土搅拌桩对边坡土体进行土体加固，解决土体自立性、隔 水性以及喷射面层与土体的粘结问题：以水平向压密注浆及二次压力灌注解决土 体加固及土钉抗拔问题：以相对较深的搅拌桩插入深度解决坑底的抗隆起、管涌 和渗流问题，形成防渗帷幕、超前支护及土钉等组成的复合型土钉墙支护。因此， 复合型土钉墙适用于砂性土、粉土、粘性土、淤泥土及淤泥质土，分层压密注浆 与土钉墙的结合应用，形成为一种新型的复合型土钉墙支护。 1 2 2 咬合桩支护研究现状 咬合桩围护结构是一种桩身密排且相邻桩桩身相割形成的具有防渗作用的 连续挡土支护结构，既可全部采用钢筋混凝土桩也可以采用素混凝土桩与钢筋混 凝土桩相间布置。根据施工工艺的不同，目前常用的咬合桩主要有钻孔咬合桩和 人工挖孔咬合桩，与常用的桩+ 桩间止水结构的围护结构形式相比，咬合桩一次 完成，施工工艺单一，便于施工组织和管理，基坑土方开挖时围护结构变形协调性 大为增强，抗渗效果好，可较靠近既有建筑物藏工，无泥浆处理问题，较适合大城 市的基础工程3 。咬合灌注桩采用全套管桩机( 又称磨桩机) 施工，成孔深，振动小， 噪声低，无需泥浆护壁，成桩质量稳定。混凝土桩咬合时排桩间部分圆周相嵌，并 于相问施工的桩内置入不同形状的钢筋笼，使之形成具有良好防渗作用的整体连 续挡土支护结构。其特点是：桩分为一序桩和二序桩，相隔咬合布置，咬含厚度一 般为2 0 0 m m ，一序桩施放矩形钢筋笼，二序桩施放圆形钢筋笼。上海新肇嘉浜泵 站的排水构筑物工程因为埋深较深，基坑开挖深度1 4 m ，围护结构设计采用咬合 灌注桩0 1 。深圳地铁金田一益田区间明挖段基坑工程开挖深度1 4 7 m ，采用钢筋混 凝土桩与素混凝土桩相间支护”1 。南京地铁某车站基坑工程采用钢筋混凝土桩与 素混凝土桩咬合作为施工期间的基坑支护，同时也是永久结构的一部分，围护结 构工程施工完毕后，开挖效果较好，没有明显漏水点。这是目前基坑支护中咬合 桩的应用现状，目前咬合桩的施工技术也比较成熟，而本文要研究的是目前还没 有工程应用过的钢筋混凝土桩与水泥土搅拌桩咬合即混凝土与水泥土一字形搭 接支护形式，作为基坑围护结构，见图1 1 。 图1 1 一字形搭接排 这种咬合桩不同于上面实际工程中的咬合桩，它采用是混凝土桩与水泥土桩 相咬合，这比上面讲的混凝土桩相咬合更加经济，另外，水泥土搅拌桩相对混凝 土桩而言，由于水泥土强度相对较小且强度随时间增长较慢，咬合切割要更加容 易，两种桩型的施工受时间问隔限制较小，但遇到的问题是两种不同的介质相咬 合，它们收缩性不一样，水泥土收缩比混凝土大，可能在两桩咬合间产生缝隙， 从而达不到止水的作用也就失去基坑支护的意义，所以本试验就要研究这种咬合 桩的一些具体特性，为该工艺的可行性提供依据。 1 3 研究内容 1 3 1 水泥土收缩性试验研究 着重研究自然养护条件和标准养护条件下不同含水量、不同水泥掺入比以及 不同的膨胀剂含量条件下不同土质水泥土试样在各龄期的收缩性。此试验为本课 题的重点。 1 3 2 水泥土与混凝土咬合渗透性试验研究 水泥土在不同水泥掺入比、不同龄期、不同含水量条件下与不同膨胀剂含量 的混凝土进行咬合，通过咬合面渗透性试验来研究确定水泥掺入比、龄期、含水 量及膨胀剂掺量等不同因素对咬合面的渗透性大小的影响。此试验为本课题的重 4 点。 1 3 3 水泥土梁弯曲试验研究 因现有试验条件无法在室内对现场的水泥土桩进行弯曲试验，根据几何相似 条件把水泥土梁模拟现场水泥土搅拌桩来进行试验。通过此项试验来研究不同荷 载下，水泥土梁的挠度及梁开始出现裂缝的极限挠度，以确定实际工程中水泥土 桩的允许相对挠度。 1 3 4 水泥土与混凝土咬合桩基坑支护的可行性研究 目前水泥土与混凝土咬合桩基坑支护在国内外尚未推广应用，而咬合桩本身 存在可能的缺陷就是：( 1 ) 因施工工艺不够完善或者混凝土与水泥土收缩性不一 致，导致桩咬合不够牢固而出现渗水，失去抗渗止水的效果；( 2 ) 水泥土的开裂 极限相对挠度不够，无法满足深基坑支护工程中挡土的要求。因此通过水泥土收 缩性试验来分析水泥土的收缩性，通过水泥土与混凝土咬合面渗透性试验来分析 不同土质水泥土与混凝土咬合面的渗透性，通过水泥土梁挠度试验来确定水泥土 梁极限挠度，最后结合施工现场测得的孔隙水压力、土压力和深层土体水平位移 来分析试验结果的准确性及水泥土与混凝土咬合桩基坑支护的可行性。 1 3 5 水泥土与混凝土咬合桩基坑支护方法试用研究 水泥土与混凝土咬合桩在玄武湖湖底隧道基坑支护工程中进行试用，监测基 坑开挖过程中咬合桩周围土体孔隙水压力、土压力以及深层土体水平位移的变 化，研究其试用效果和推广应用工艺要求。 1 4 研究方法 1 4 1 收缩性试验研究 水泥土收缩性试验采用室内模型研究的方法，用水泥胶砂试模制作不同因 素、不同水平下的试样( 4 0 x 4 0 x1 6 0 衄) ，并测定不同龄期下的试样长度，然 后计算各个龄期的收缩率。因水泥土收缩性试验无规程可依，具体的试验方法参 考了混凝土干缩性试验规程。 1 4 2 水泥土与混凝土咬合面的渗透性试验研究 试验同样采用室内模型研究的方法，因室内试验不能模拟成现实情况，用 h s 一4 型混凝土抗渗仪的配套试模的一半浇筑水泥土，另一半浇筑混凝土，制作 成水泥土和混凝土咬合圆柱试样，试模做出的试件咬合面相对现实情况渗透性更 为不利，如果试验的试件咬合面能满足渗透要求，实际工程将更偏于安全。参考 混凝土抗渗性试验规程，对试样进行水头加压，并分析咬合面的渗透性。 1 4 3 水泥土梁弯曲( 极限挠度) 试验研究 该试验无规程可依，根据相似理论中的几何相似准则，用水泥土模型梁模拟 水泥土桩进行试验。试验采取在梁中间加载的方法，并在加载点及离两端面1 4 梁长处放置百分表记录不同加载时的挠度。具体的试验方法参考了混凝土结构 试验方法标准。 1 4 4 水泥土与混凝土咬合桩基坑支护的可行性分析 采用综合分析比较，对各个试验及现场监测所得数据和结论进行系统研究分 析，论证水泥土与混凝土咬合桩基坑支护方法的可行性和推广应用工艺要求。 6 2 试验规划与设计 2 1 水泥土收缩性试验规划 自然养护条件下，粘土含水量为5 5 时，水泥掺入比为1 0 、1 5 、2 0 和2 5 四个水平的水泥土试样在不同龄期( 3 、7 、1 4 、2 8 天) 下的收缩性试验；水泥掺 入比为2 0 ，膨胀剂为5 、1 0 两个水平下，不同龄期( 3 、7 、1 4 、2 8 天) 下水泥 土的收缩性试验。水泥掺入比为2 0 s ，粘土含水量取2 5 、4 0 、5 5 、7 0 四个水 平时，在不同龄期( 3 、7 、1 4 、2 8 天) 下的收缩性试验。每一参数进行三组平行 试验，具体组合如表2 1 。 表2 1 粘土水泥土试样的配合情况 含水水泥掺入比膨胀含水水泥掺入比膨胀 编号编号 量( )( ) 剂( ) 量( )( )剂( ) 1 5 5 1 0065 52 01 0 25 51 50 7 2 52 0o 35 52 0084 02 00 45 52 5095 52 0o 5 5 52 051 07 02 0 o 标准养护条件下，粗砂9 0 + 细砂1 0 时，含水量8 、1 0 、1 2 、1 5 ，水泥 掺入比为1 0 、1 5 、2 0 、2 5 ，龄期分3 、7 、1 4 、2 8 天，及有无掺膨胀剂各种 不同组合情况下每一参数进行三组平行试验，砂土的具体组合如表2 2 所示。 表2 2 砂土水泥土试样的配合情况 含水量水泥掺入比膨胀含水量水泥掺入比膨胀 编号编号 ( )( )剂( )( ) ( ) 剂( ) 181 0o1 01 21 5o 281 501 11 21 00 382 0o1 21 21 50 482 5o1 31 52 00 51 01 0o1 41 52 5o 61 01 501 5 1 52 0 o 7 1 0 2 0 o1 61 52 5 0 81 02 5o1 71 01 82 91 21 0o1 81 01 91 分别在标准养护条件下和自然养护条件下，粉砂含水量1 5 、1 9 、2 3 、2 7 ， 7 水泥掺入比为1 0 、1 5 、2 0 、2 5 ，龄期分3 、7 、1 4 、2 8 天，及有无掺膨胀剂 各种不同组合情况下每一参数进行三组平行试验，粉砂土的具体组合如表2 3 所示。 表2 3 粉砂水泥土试样的配合情况 含水量 水泥掺入膨胀含水量 水泥掺入膨胀剂 编号 编号 ( ) 比( ) 剂( ) ( ) 比( )( ) l1 51 0 0l o2 31 50 21 5 1 501 12 32 0o 31 5 2 0o1 22 32 5 0 4 1 52 501 32 71 0o 51 91 0o1 42 71 5o 61 91 5o1 52 72 0o 71 92 0o1 62 72 50 81 9 2 5o1 72 31 82 91 5 1 001 82 31 91 2 2 水泥土和混凝土咬合试样渗透性试验规划 水泥土与混凝土两种材料按照一定的制作工艺进行咬合，咬合后的试样在标 准养护2 8 天的状态下进行咬合面的渗透性试验。咬合桩采用标号为c 3 0 的混凝 土，混凝土部分配合比为：水：水泥：砂子：石子= 1 ：2 0 5 4 ：4 5 4 2 ：6 4 2 3 ；水泥土部 分的水泥掺量分为1 5 、2 0 ，先将试模中的一半浇注水泥土，等分别养护3 天、 7 天后浇注另一半混凝土部分。渗透性试验研究不同土质在不同含水量、不同膨 胀剂掺量、不同养护龄期等各种组合状态下的两种材料的咬合面的渗透性试验， 三组平行试验。水泥土部分具体组合情况如表2 4 所示： 表2 4 咬合试样水泥土部分的配合比情况 水泥掺含水膨胀剂含水泥掺含水量膨胀剂含 编号编号 入比( )量( )量( )入比( )量( ) c 一1 12 02 3，n 一1 一l2 05 5， c l 一22 01 9，n l 1 12 04 0 c 一1 32 01 5，n - 2 - 21 54 0， c - 1 1 1 2 02 35 n 2 2 11 54 05 s 一1 12 02 3， s - 1 3 2 01 5 ， s 1 22 01 9，s 一1 1 12 01 95 的混凝土部分：一指不用加膨胀剂。c - 1 - 1 1c 后面第一个数字代表不同水泥掺入比，第 二个数字代表不同含水量，有上标的代表混凝土中掺入膨胀剂 8 2 3 水泥土粱的弯曲试验规划与设计 2 3 1 相似理论与模拟试验 进行原型试验需要花费大量的人力、物力和时间，在现有条件不满足要求的 情况下，模型试验成为研究和解决问题的一种有效方法。模型试验根据现场的 实际工作状态，进行合理全面地构思，建立与原形具有相似规律的模型，借助 科学仪器和设备，人为地控制试验条件，研究现场条件下的某一或某些情况时 的受力变形特性的试验。 1 ) 相似理论 相似理论的理论基础是相似三定理： ( 1 ) 相似第一定理( 相似正定理) ：对相似的现象，其相似指标等于1 ；或者 表述为对相似的现象，其相似准则的数值相同。 ( 2 ) 相似第二定理( 相似定理) ：设一物理系统有刀个物理量，其中有k 个物理量的量纲是相互独立的，那么这力个物理量可表示成是相似准则n 。， 。，n ，。之间的函数关系。即 ，1 阮，死，石。) = 0 ( 3 ) 相似第三定理( 相似逆定理) ：对于同一类物理现象，如果单值量相似， 而且由单值量所组成的相似准则在数值上相等，则现象相似。 2 ) 相似准则 模型试验的基本原则是使模型与原型具有全面相似性，即模型试验的相似 律，它是将模型试验的各个物理量按一定的关系组合在一起，以全面代表实际原 型。本试验因采用的原型材料仅从几何相似进行模拟。 ( 1 ) 几何相似 几何相似是模型与原形在形状、大小即尺度上的相似关系，以尺度模型比 m 。表示，这关系到模型大小和试验规模，所以尺度模型比是模型试验中最主要 的一项模型比。确定了尺度模型比后，其它物理量的模型比可通过尺度模型比 表示或由尺度模型比导出。在本试验中，尺度模型比m 。= 8 5 。 ( 2 ) 力学相似 力学相似主要包括弹性相似、强度相似和应力相似三个方面。因主要是研 究梁的极限挠度值，因此弯曲试验主要考虑几何相似，其力学相似不作具体介 绍。 2 3 2 水泥土梁尺寸选择 本试验选用水泥土梁根据相似理论的几何相似准则来模拟长1 8 m ，直径为 8 5 0 衄的水泥土柱形桩。考虑水泥土梁的强度不高，如果按1 ：1 0 的比例，受试 验条件的限制，可能因梁尺寸较小而自重作用下易折断水泥土梁，没法进行成功 的试验，确定按1 ：8 5 的比例，故选择了1 0 0 1 0 0 1 2 0 0 衄的水泥土梁来进行 试验。 9 3 试验装置和仪器 混凝土与水泥土咬合桩基坑支护可行性研究中的几种试验使用装置和仪器 如表3 1 所示。因这些试验目前尚无成熟系统的试验方法，也没有特定的装置和 仪器可以使用，故参考其他试验，选用相对可行的试验装置和仪器。如收缩性试 验参考了混凝土干缩性试验；渗透性试验采用了混凝土抗渗性试验的抗渗仪：梁 的挠度则是用百分表来量度梁在受集中力作用下不同测点的挠度值。 表3 1 试验装置和仪器 淤 主要装置和仪器 土样制各碎土机烘箱托盘镘刀棒槌 收缩性试验j j 一5 型水泥腔砂搅拌机4 0 x 4 0 1 6 0 水泥胶砂试模烧杯勺子量筒移液 管标准养护箱电子天平弓形螺旋测微器z s - - 15 水泥砂浆振动台 渗透性试验 h s 4 型混凝土抗渗仪液压脱模器试模水泥胶砂搅拌机烧杯勺子量筒 移液管振动棒 粱弯曲试验c z 一6 a 型磁性表座百分表u j z 一1 5 型砂浆搅拌机振动棒砝码台座量筒 电子天平台秤烧杯勺子配重块 3 1 混凝土抗渗仪的主要结构与工作原理 h s 一4 型混凝土抗渗仪适用于混凝土抗渗性能的试验和抗渗标号的测定。因 混凝土和水泥土咬合面渗透 性试验没有现成的装置可以 利用，且抗渗仪能自动加压 注水，能在一定程度上模拟 成地下咬合桩的工作环境， 故混凝土和水泥土咬合面渗 透性试验尝试性的采用抗渗 仪来进行试验研究。 h s 一4 型抗渗仪的最大工 作压力为4 m p a ，电机功率为 1 2 0 w ，工作方式为电动和手 动加压两用，外形尺寸为 1 0 5 0 9 0 0 6 6 0 皿，重量为 2 0 0 k g 左右，一次性可进行六 个试样的试验。抗渗仪采用 的试模几何尺寸为上口直径 1 7 4 衄，下1 2 1 直径1 8 5 皿，高 度1 6 2 衄；成形模几何尺寸 图3 1 抗渗仪总装图 卜箱头架；2 一水泵；3 一水包：4 - 放水拥：5 - 安全阀；6 - 注水 阀；7 一螺栓；8 一泵体；9 一供水管；1 0 - 放( 进) 水阀；1 卜压 力表；12 - 抗渗试模；1 3 - 试模座；1 4 一台面：15 一水箱 1 0 上口直径1 7 5 衄，下口直径1 8 5 衄，高度1 5 0 衄。 抗渗仪主要由箱体、水泵、水包、台面、管道系统组成( 具体见图3 1 和3 2 ) 。 1 ) 箱体 箱体( 如图3 1 ) 是由各种型钢焊接而成，通过螺栓( 7 ) 把箱架和箱头架连 成一体，箱头架上安装面板，面板上有安装电接点压力表( 1 1 ) ，进水阀和放水 阀( 1 0 ) 等，箱头架内装有( 9 ) 供水管；箱架内装有水泵( 2 ) 、水包( 3 ) 。其 上部安装试模座( 1 3 ) 和抗渗试模( 1 2 ) 箱架右侧安有水箱( 1 5 ) 用于向水泵供 水。 图3 2 水泵装配图 1 _ 电机；2 一小齿轮轴；3 一大齿轮；4 一偏 心轮；5 一连秆；6 - 拉杆；7 一柱塞；8 一泵 2 ) 水泵 水泵( 如图3 2 ) 安装在箱底 部与电机( 1 ) 连接，传动时通过 小齿轮轴( 2 ) 传递大齿轮( 3 ) 驱动偏心轮( 4 ) ，通过连杆( 5 ) 和拉杆( 6 ) ，驱使柱塞( 7 ) 在泵 体( 8 ) 内做往复运动，水从水箱 中靠大气压进入水泵，从水泵出 来的压力水则进入水包。 3 ) 水包 水包( 如图3 1 ) 安装在箱架 底部，与水泵相邻，它是一段无 缝钢管加封头焊制成的，用于稳 定系统中的水压。试验时应打开 阀( 6 ) 向水包中注水，加满水后即可拧紧。阀( 4 ) 是用于放空系统中的水，试 验时应拧紧，待需要时再拧开放水。安全阀( 5 ) 是由其中的弹簧来调节系统的 安全压力的，出厂时己调至最大工作压力。 4 试验步骤 4 1 试验流程 各个试验的流程总体上一样，都经过土样准备、试样制作和养护、试验几个 过程，具体如图4 1 所示。 图4 1 试验流程示意 4 2 土样准备 试验所用土有三种：淤泥质粉质粘土、砂性土( 粗砂和细砂) 、粉砂土。其 中淤泥质粉质粘土土样和粉砂土土样来自于同一工地( 南京玄武湖湖底隧道工 地) 。扰动土样的制备满足g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 土工试验方法标准3 1 6 条内容 规定：扰动土样同一组试样的密度与要求的密度之差不得大于o 0 l g c m 3 ，一 组试样的含水率与要求的含水率之差不得大于1 。 土样准备过程包括现场取土、风干、烘干、粉碎、过筛、烘干保存几个过程。 现场取来的土由于含水量太大，采用天然晾干的方式将其晾干，因天然晾干需要 的时间比较长，所以等晾到一定程度就用将土块碾散，再放入烘箱烘干。随后将 烘干的土样通过带有孔径2 m m 分析筛的土壤粉碎机，取筛下足够试验用的土样， 充分拌匀。为了使试验中的土含水量相同，将粉碎好的土放进烘箱在1 0 5 2 下烘干8 h ，然后放进聚乙烯袋密封保存。 4 3 试验试样制作和养护 4 3 1 水泥土收缩性试样制作和养护 按照试验规划和设计，根据不同配置方法分别称量土、水泥、水和外加剂。 由于湿土中加入水泥浆很难用人工拌和均匀，因此，先将干土、水泥放在搅拌锅 内用搅拌铲人工拌和均匀，然后将水和外加剂倒入搅拌锅内，与先前已拌好的干 水泥土再次人工拌和，直到稍均匀后将搅拌锅放到搅拌机的底座上，使用搅拌机 机械搅拌9 0 秒。 在选定水泥胶砂试模( 4 0 4 0 1 6 0 m m ) 内先装入一半试料( 装料前需在洁 净的试模内刷一道机油，以防试件与试模粘连；同时为防止试模渗漏，可用软纸 作垫圈垫在试模底部) 用土工刀轻轻插捣，并随时用土工刀沿试模内壁插磨数次 以防试样产生麻面，然后将试模放在振动台上振动直到上表面泛出灰浆；再装入 其余的水泥土后再振动到上表面泛出灰浆。最后将试样表面刮平，盖上塑料薄膜 防止水分蒸发过快，同时做上标记。 试样成型一天后，进行拆模、编号，然后将试样放在标准养护室内( 温度为 2 0 3 。c ，相对湿度大于9 0 ) 养护。 4 3 2 混凝土与水泥土咬合桩模型试样制作和养护 遵循模拟现场的原则，根据现场咬和桩的配合比分别称量土、水泥、水和膨 胀剂。由于湿土中加入水泥浆很难用人工拌和均匀，因此先将干土、水泥放在搅 拌锅内用搅拌铲人工拌和均匀，然后再将剩余的水( 有外加剂时外加剂宜后放) 倒入搅拌锅内，与先前已拌好的干水泥土再次人工拌和，直到稍均匀后将搅拌锅 放到水泥胶砂搅拌机的底座上，使用搅拌机机械搅拌9 0 秒。将搅拌均匀的水泥 土拌和物分两次放入试模的一边( 在试模中间首先放入梯形玻璃隔板，一边先放 入袋装的砂土，以防在另一边插捣水泥土时，使玻璃隔板受力倾倒) 每次都要插 捣( 一般每层插捣2 5 次) 到水泥土泛灰浆为止。待整个试模的一边装满水泥土 拌和物并插捣密实后摸平表面，盖上塑料薄膜，送养护室养护。模拟现场旌工水 泥土搅拌桩与混凝土灌注桩施工时间间隔为3 天到7 天，所以试验中选取水泥土 和混凝土浇筑的间隔时间为3 天和7 天，先将一部分水泥土试样养护三天，一部 分试样养护七天后，再搅拌混凝土浇注试模的剩余部分( 浇注前应先对浇注好的 水泥土内侧面进行拉毛处理，使混凝土面与水泥土面充分咬合) 。 混凝土搅拌采用预拌水泥砂浆法，先将水泥、砂和水充分搅拌，再投入石子 搅拌成均匀的混凝土，然后把搅拌好的混凝土分三次装入试模的另一边，每装一 次插捣2 5 次，并保证每次插捣密实( 若不够密实则继续插捣) 。等混凝土装满试 模，并插捣密实时，抹平试样表面，盖上塑料薄膜，送养护室养护。当试模养护 一昼夜后，取出试样，用拆模器拆模。拆模时尽量保证试样受力均匀，避免损坏 成型试样。拆模后将试样送养护室标准养护2 8 天。 4 3 3 水泥土梁模型的制作和养护 1 ) 水泥土梁模型的制作 水泥土模型梁制作包括水泥土配制、水泥土搅拌、梁的浇注( 包括振捣、 抹平) 等。其浇注方法参照混凝土浇注的具体规定。 ( 1 ) 水泥土配制 素水泥土在配合比设计时，须考虑设计强度、并要求有较好的可行性和经济 性。本试验水泥土配制为：含水量2 3 ；水泥掺入量2 0 。在配比以前，必须对 土的含水量，水泥的型号、出厂日期、强度以及其它的必要性指标进行检查，确 保材料符合试验规范要求。另外，水泥土所用材料的计量必须准确，各材料称量 的偏差不得超过试验方法标准的要求。本试验要求偏差不得超过0 5 。 ( 2 ) 水泥土搅拌 要获得均匀的水泥土，必须对原材料进行充分搅拌。试验采用的搅拌机是水 泥砂浆搅拌机，每次搅拌量为其容积的5 0 左右。搅拌时间从开始投料到结束为 4 分钟( 试验表明4 分钟可确保材料均匀性) 。投料的顺序可以理解为二次投料 法。即先使土和水泥充分搅匀，再加水( 外加剂掺入水中) 。目的是使得土和水 泥混合均匀，不产生水泥块或土块。 ( 3 ) 水泥土梁浇注 水泥