（交通运输工程专业论文）粉喷桩在常澄高速公路软基处理中的应用研究.pdf

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 其他人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。 关于学位论文使用授权的说明 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。 一毕名：精 摘要 粉喷桩作为一种地基加固新技术，近年来在高速公路软土地 基处理中得到广泛应用。本文在总结粉喷桩处理软基研究成果的 基础上，进一步探索了粉喷桩处理软基的机理、承载力的力学原 理及桩土共同作用的效应， 采用m i n d li n 解和b o u s si n e s q 解联合求解方法分析了复合 地基中附加应力沿深度的分布规律，并用分层总和法计算了加固 区和下卧层的沉降量。计算表明由于桩的作用，加固区的附加应 力大大减小，而下卧层的附加应力有所增加，从而导致了下卧层 的沉降增大。 长期以来，软基段桥头跳车问题是一项难以很好解决的课 题，解决桥头跳车问题的关键是软基处理。本文提出了变桩长的 桥头过渡段设计方法。试验段的各项测试结果表明，采用喷粉搅 拌桩加固后，工后沉降差和工后沉降差坡度满足设计要求，复合 地基承载力也满足要求，说明本文的软基处理方法是成功的。 关键词：粉喷桩，软基处理，高速公路，应用研究 粉i 】髓艟d 州 澄i 伯蚀2 ；路软坫处删r jo c j ) ；, i f t 究 a b s t r a c t a san e wt e c h n i q u eo f t h es o f tg r o u n dt r e a t m e n t ，d r yj e tm i x i n g ( d j m ) p i l ei s w i d e l yu s e d t o i m p r o v e m e n to f s o f t c l a y o n e x p r e s s w a y o nt h e b a s e o f a c h i e v e m e n t so nd j mp i l e ，af u r t h e rs t u d yi sc o n d u c t e do nt h em e c h a n i s mo fd j m p i l et r e a t e ds o f tc l a yf 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 f e ra n dl o a ds h a r i n ga s w e l la st h ed e f o r m a t i o ni sa l s oe x p l o r e d i no r d e rt oc a l c u l a t es e t t l e m e n to ft h et r e a t e da r e aa n dt h es u b l a y e r , t h e d i s t r i b u t i o no fa d d i t i o n a ls t r e s sa l o n gd e p t hi nc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sa n a l y z e db y u s i n gm i n d l i nm e t h o dc o m b i n e dw i t hb o u s s i n e s qm e t h o d i ti si n d i c a t e dt h a tt h e a d d i t i o n a ls t r e s si sl a r g e l yd e c r e a s e di nt r e a t e da r e aa n di n c r e a s e di nt h es u b l a y e r b e c a u s eo ft h ep i l ea c t i o n ，w h i c hr e s u l t si nt h ei n c r e a s eo ft h es e t t l e m e n ti nt h e s u b l a y e r t h ep r o b l e mo f b u m p i n ga tb r i 电e h e a do ns o f tc l a yh a sn o tb e e ns o l v e dw e l l f o ral o n gt i m e s o f tc l a yt r e a t m e n ti st h ek e yp r o b l e mt od e a lw i t hb u m p i n ga t b r i d g e h e a d t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ed e s i g nm e t h o do fb r i d g ea p p r o a c hw i t h v a r i a n tp i l el e n g t h t h er e s u l t so ft e s t si n d i c a t et h a tp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n ta n d g r a d eo fs e t t l e m e n td i s p a t c hm e e tw i t hd e s i g nd e m a n da n dc a p a c i t yo fc o m p o s i t e g r o u n dm e e t 惭t i lt h ec o d ea f t e rs o f tc l a yt r e a t m e n tb yd j mp i l e t h e ni tc a l lb e c o n c l u d e dt h a tt h em e t h o do f s o rc l a yt r e a t m e n ti nt h i sp a p e ri ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：d j mp i le ，s o f tg r o u n dt r e a t m e n t e x p r e s s w a y ，r e s e a r c h 粉喷| | j ! n 嘣r 攒。：b 速公路收牡处删。m 川+ 亢 第一章序言 1 1 课题背景 自3 0 年代美国及德国开始兴建高速公路以来，高速公路在世界 各国的发展异常迅速，对各国经济的发展起了巨大的推动作用。目前， 全世界有6 0 多个国家共修建高速公路近1 6 万k m ，其中美国有8 8 万k m 。高速公路的发展和公路运输现代化水平的不断提高，使公路 客货运输比例大大增加，甚至超过了铁路。我国在8 0 年代中期，确 立了发展高速公路的方针以及将汽车工业作为支柱产业而重点发展。 1 9 8 4 年开工建设了大陆第一条高速公路一沪嘉高速公路，并于1 9 8 8 年建成通车。此后，在短短的十多年时问里，高速公路建设快速发展， 成为我国交通运输综合体系中最耀眼的部分。进入“九五”以后，我 国高速公路由“八五”期间的年平均建成3 2 4 k m ，发展到“九五”年 平均建成1 5 0 0 多k m 。尤其是1 9 9 9 年以来，在国家加大基础设施投 资力度政策下，当年l o 月底，我国高速公路通车总里程突破1 0 0 0 0 k m ， 从第八位跃居世界第四位。到2 0 0 2 年底，我国高速公路通车里程达 到2 5 13 0 k m ，位居世界第二位。 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。现阶段我国高速公路多建于沿海诸省，大部分为淤泥质土海岸， 多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土及淤泥混砂层，属于饱和的正 常压密软粘土，因此软基处理是高速公路建设的主要岩士工程问题。 表1 - 1 是我国部分高速公路软土分布情况一览表，由表卜l 可见，我 国高速公路沿线广泛分布软土，一般软土段占全长的1 3 左右，杭甬 高速公路更高达63 2 。因此，软基处理质量的好坏，是高速公路建 设成败的关键。 由于粉喷桩复合地基能够有效地减少和控制沉降量和工后沉降 量，并能适应快速加荷要求，缩短建设周期，与其它软基处理方法相 比，具有不可替代的优越性，在高速公路软基处理中得到广泛的应用。 据不完全统计，江苏省近年来在高速公路建设中采用喷粉搅拌桩处理 软基的工程量已超过1 5 0 0 万延米。由于软基处理的复杂性，粉喷搅 拌桩复合地基设计理论、施工工艺及检测手段等方面有待于进一步研 究和完善。 我国部分高速公路软土分布情况一览表表卜1 路名沪宁高京津塘高杭甬高泉厦高速佛开高广。佛高广深高 分布情况、速公路速公路速公路 公路速公路速公路速公路 全长( k i n )2 7 4 11 4 2 51 4 5 08 1 18 0 o1 5 11 2 2 0 软土& ( k m )9 2 34 8 09 1 61 7 5 1 3 o7 0 3 4 0 软士厚一般6 1 583 0 4 0 2 咱4 64 6 ( m ) 最厚3 0 1 3 6 01 71 58 软土占全长比“) 3 3 63 3 76 3 22 2 o1 6 34 6 42 8 o 1 2 常澄高速公路工程概况 常澄高速公路( 常州江阴) 是江苏省规划的“四纵四横四联” 十二条骨架高速公路中“联三高速”的重要组成部分，起于武进湖塘 镇新常漕一级公路( s 23 2 ) ，经湖塘、南夏墅、礼嘉、遥观、横林、 芙蓉等乡镇，终于江阴月城镇，与江阴赶仓高速公路相接，全长 3 1 9 75 公里。设计采用全封闭、全立交的四车道高速公路标准，路 一 粉愤缸 m 澄南造公路软牡处理中帕川圮 基宽2 8 米，桥梁设计荷载汽- - 2 0 级、挂车一12 0 。常州境内2 7 ，4 8 4 公里，划分为五个施工标段，路基土石方总量3 9 53 4 3 0 立方米，互通 式立交3 处，分离式立交13 处，大中桥梁27 座，通道57 处，涵洞 5 8 道( 表1 - 2 ) ，工程总投资1 2 9 5 9 4 万元。工程自2 0 0 1 年10 月开工 建设，计划2 0 0 5 年6 月建成通车。 常澄高速公路常州段主要工程数量 表卜2 长 度 土石方 互通式分离式 大中 标段 通道 涵洞 ( k m )数( m 3 )立交 立交桥梁 一标 4 9 0 09 0 5 8 5 61331 07 二标7 3 0 0 9 8 2 0 3 303 31 4 1 7 三标 5 3 8 05 5 1 3 3 514991 6 四标 5 6 4 29 4 4 1 5 8o11 01 110 五标 4 2 6 25 7 0 0 4 8 1 221 38 合计 2 7 4 8 43 9 5 3 4 3 031 32 75 75 8 常澄高速公路常州段全部为填方路基，填料来源于沿线集中取土 坑。工程所处地区地势低洼，沟河纵横，沿线地下水位较高，土的含 水量较大。地质勘察资料揭示，本工程主要不良地质为软土地基。 l ，3 本论文的主要研究内容 本文根据常澄高速公路各标段不同的地质条件和构造物设置情 况，结合路基施工工期，对采用粉喷桩加固软土地基的方法，进行了 较深入的研究。通过回顾总结过去粉喷桩加固软基方面的研究成果， 进一步分析了粉喷桩加固软基的机理及其受力和变形性状，通过理论 分析、现场试验以及理论计算- 9 试验结果的比较，对粉喷桩单桩承载 力的确定复合地基沉降计算t t , 及桥头过渡段设计等方面进行了系统 的研究， 1 4 本论文研究的主要结沦 ( 1 ) 在总结分析已有研究成果的基础上，进一步研究粉喷桩在路 堤荷载下的受力、变形特征，桩土体系的荷载传递规律，桩土共同承 担荷载的原理等，以进一步探索粉喷桩加固软基的机理。 ( 2 ) 采用m i n d li n 解和b o u ss i n e s 解联合求解法以及有限元法等 计算复合地基沉降量，对各种方法的合理性进行分析，将计算结果与 实测沉降观测资料进行比较，确定合理、有效的粉喷桩复合地基沉降 量计算方法。 ( 3 ) 对试验资料进行整理分析，利用联合求解法对不同桩长、不 同桩间距的粉喷桩复合地基进行分析计算，研究其对加固效果的影 响，为粉喷桩复合地基设计提供借鉴。 ( 4 ) 长期以来，软基段桥头跳车问题是一项难以很好解决的课题。 桥头跳车严重影响了行车的安全、舒适和人们对高等级公路的总体评 价，严重影响了高速公路的经济效益和社会效益。以前地基处理只注 意处理工后沉降，没有对工后沉降差坡度提出要求，以致桥、路之间 出现纵坡突变点，这是桥头跳车发生的直接原因，本文拟以工后沉降 和工后沉降差坡度作为双重控制指标，提出合理有效的桥头过渡段设 计方法。 粉l 峨捌 常澄l ：b 述公蹄软牡址删中，1 _ i 】l r 川i 【j | 吒 第二章常澄高速公路软土路基处治 2 1 软士类型简介 常澄高速公路项目位于江苏东南部沿江地带，属长江三角洲苏南 水网平原地，地势平坦，地表水系十分发育，大小湖荡、河滨纵横交 织，平均海拔2 7 米。由于地势平坦，坡降极小，地表径流滞缓， 每到丰水期，河湖水位同时高涨，造成排水不畅，对公路路基将会产 生十分不利的影响。地质勘察资料揭示，本工程主要不良地质为软土 地基，各标段软土分布如表2 - 1 所列。 常澄高速公路软土地基一览表表2 - 1 标软基长度 软土类型 层厚天然含孔隙比 压缩液性 段( m ) ( m )水量 系数指数 ( ) 灰色淤泥质亚牯土。流塑状o 6 2 6 4 07 6 7 0 2 归0 。2 4 - 2 6 8 7 态，中一高压缩性 2 72 8 30 8 5 60 5 40 5 6 灰色淤泥或淤泥质亚粘土，1 3 3 5 7 1 0 9 9 0 4 l 1 0 4 - - - 2 9 3 1 流塑状态，中高压缩性 9 25 l ，31 4 2 41 6 l1 4 7 灰色淤泥质亚牯土或软亚1 4 3 38 09 0 0 - - 一0 3 7 0 9 3 4 8 6 2 ， 牯土，较塑漉塑状态中 1 4 5 69i 2 0 00 ，5 41 2 7 高压缩性 四灰色淤泥质亚粘土或软亚i 8 3 2 2 o 9 1 0 o 2 6 0 8 2 1 0 7 0 6 粘士，软望流塑状态，中一一1 434 79l3 6 01 0 44 l ( 舍匝道)高压缩性 五 淤泥或淤泥质亚桔圭，局部02 3 5 8 0 0 3 0 4 5 0 9 9 3 7 1 6 混粉砂，流塑状态高压缩2 7 55 856 4 11 5 9 q 性 2 2 常澄高速公路软捷处理疗法 粉峨 i i _ 常潦舳速公路软j 击处删；p 鹏晦川1 l j | 吒 常规软土地基工程处治方案主要有 插塑料排水板：铺碎石垫层；铺土工格栅：换填碎石土： 碎石垫层+ 土工格栅：砂垫层+ 土工布堆载预压： 粉喷桩+ 填土预压：湿喷桩+ 填土预压； 常澄高速公路工程设计针对各标段不同的地基条件和构造物设 置情况，结合路基施工工期，对不良地质的软土地基处理分别采用复 合地基、排水固结等方法进行处理，在跨沟塘及低填路段采取换填或 增设土工织物的方法予以加强，以满足地基承载力和路基稳定性的要 求，减小路基不均匀沉降。 为满足路基整体强度和压实度要求，路基填筑用土须经过晾晒， 以降低路基填土的含水量。路床及原地面以上0 4 0 c m 掺石灰进行处 治，以确保路床填料c b r 值的要求，并方便路基施工。结合路基的施 工季节和工期要求，路基中部填料总体积的7 0 掺石灰进行处治，等 ( 超) 载预压部分不掺灰。各施工标段清淤及石灰土处治工程数量见 表2 2 。 表2 2 施工路段 淤泥平均厚清淤总量 石灰土处治备注 ( m )( 彬) 总量( 彬) 一标 0 8 02 4 8 1 01 0 7 9 7 8 二标o 75 3 2 9 3 9 7 1 0 4 6 三标 0 9 545 1 4 56 7 8 5 8 四标 1 0 59 9 3 8 21 0 2 3 5 1 五标t 0 03 6 93 59 6 3 3 5 合计 23 9 2 1 1 4 4 5 5 6 8 根据不同的地质情况，常澄高速公路常州段软基处理方案育：插 塑料排水板；铺碎石垫层；铺土工格栅：换填碎石土：碎百垫层+ 土 粉峨挪 一片潦，： 琏公路轼坫处理中的圳，l 工格栅；砂垫层+ 土工布堆载预压；粉喷桩+ 填土预压；湿喷桩+ 填土 预压等。 常澄高速公路常州段软土路基处理工程数量见表2 3 。 特殊路基设计工程数量表表2 - 3 粉喷桩湿喷桩塑料排等超载土工布土工砂垫层碎石沉降 标备 水扳预压格栅垫层补偿 段 f 根，跫米i 根，琏米il 幔，延米1 ( m 3 )( m 2 ) ( m ! )( m 3 )( m 3 ) ( m 3 ) 注 1 0 3 9 5 0 5 9 61 5 4 7 l1 9 3 0 2 96 0 5 81 2 3 4 54 6 3 6 1 3 8 5 2 3 1 4 8 5 8 2 4 7 0 94 6 7 3 91 3 2 0 6 51 8 3 2 l1 3 2 1 46 4 0 7 1 1 2 5 8 1 1 5 8 8 7 8 1 0 4 1 0 8 5 25 8 6 67 4 9 7 32 2 9 41 3 1 8 36 1 5 i 】8 0 9 4 28 6 4 t 4 3 0 8 7 6 2 0 2 8 5 2 2 5 5 03 1 0 4 57 7 6 5 11 2 1 9 91 5 2 8 51 3 8 2 3 四 3 6 4 6 0 02 8 8 0 7 2 1 6 2 l6 ，3 2 8 1s i2 1 0 0 l5 4 4 8 21 2 8 8 3 02 1 3 9 22 5 3 5 l1 1 2 8 l 五 1 0 6 5 0 2 6 0 9 2 3 6 合计3 1 0 7 4 9 0 0 3 3 2 8 3 8 9 8 9 7 0 8 1 5 3 6 0 3 6 0 6 5 4 8 6 0 2 6 47 9 3 7 84 2 2 9 8 2 1 9 0 8 31 2 9 3 3 0 13 7 4 4 8 6 2 3 软土地基路堤设计 软土地基路堤设计按沉降和稳定两部分进行控制。在路面设计使 用年限内，一般路堤工后沉降3 0 c m ，桥梁两侧( 5 7 ) h ( h 为台后路 堤边坡高度) 路堤范围工后沉降1 0 c m ，两侧分别设置不少于5 0 m 的 过渡段，其工后沉降2 0 c m ，涵洞和箱形通道处工后沉降2 0 c r a 。应 用有效固结应力法进行稳定计算，路基稳定系数不低于1 2 5 。 粉 负拥n 常淹拍述蛩路软堆处耻吖t i y j ”j fj l 托 第三章喷粉深层搅拌桩 3 1 粉喷桩的发展历史及现状 深层搅拌桩加固软土地基技术，是利用水泥等作为固化剂，通过 特制的深层搅拌机械，在地基中将软粘土和水泥( 或其它固化剂) 强制 拌和，使软粘土硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的地基土。 二次大战后，美国首先研制成功水泥深层搅拌法，制成水泥土桩 称为就地搅拌桩( m i x e di n p l a c ep il e ) 。1 9 5 3 年，日本从美国引 进水泥深层搅拌法，1 9 6 7 年日本和瑞典开始研制喷石灰粉深层搅拌 施工方法，并获得成功。进入7 0 年代后，水泥粉深层搅拌法( c e m e n t d e e pm i x i n g ，简称c d m 工法) 在软基处理中得到了广泛应用，施 工机械和施工技术亦日臻完善。在日本水泥粉深层搅拌法又称为粉体 喷射搅拌桩( d r yj e tm i x i n g ) ，简称d j m 工法。 我国于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、开发水泥深层搅拌法，研制成功双搅拌轴中心管输浆深层搅拌 机，于19 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开发成功单搅拌轴、叶片输浆型深层搅拌机。 1 9 83 年铁道部第四勘察设计院开始进行喷石灰粉深层搅拌法研究， 并获得成功，不久应用于喷水泥粉深层搅拌法。19 9 2 年交通部一航 局引进、开发海上深层搅拌技术，并于1 9 9 4 年通过交通部鉴定；目 前深层搅拌法可分勾喷浆深层搅拌法和喷粉深层搅拌法两种，其一 喷 粉喷1 = | ji i ；提- ： 速量路轼牲( i ：! l ! r m 0 川川、 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。深层搅拌机械种类很多，一直在不断完善之中， 1 9 9 7 年杭州森宇电控机械有限公司研制成功f z 一1 粉体记录器及铁道 部第四勘测设计院软土地基研究所杭州半山计量仪表厂研制成功s x l 双相称重喷粉计量仪，较好地解决了粉体计量问题。加固机具见图 3 - 1 ，其粉体发送器见图3 2 ，深层搅拌法施工过程见图3 - 3 。 一 一飞 蒲已：乡磁辅 图3 1 喷粉搅拌桩加固机具图 1 粉喷桩机：2 贮灰罐；3 灰罐架；4 - 水泥罐： 5 空气压缩帆；6 进气管：7 进灰管；8 喷粉管：9 桩体 压缩 空气 图3 2 粉体发送器的工作原理 1 节流阀：2 - 流量表：3 汽水分离器；4 安全阀； 5 管道琢力表；6 狄罐压力表；7 发送 葶 转鼓；8 灰罐 3 2 粉喷桩加固土的硬化机理 目前，国内喷粉搅拌法主要以水泥作为固化剂。软土与水泥采用 机械搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程。加 固土的强度主要由图3 - 4 、图3 - 5 所示的几种反应产生如下： 物理改良：固化剂与粘土拌和后，水泥水化产生c a ( o h ) 2 及水化 硅酸钙( c s h ) 等水化物。c a ( o h ) 2 中的c a 2 + 离子与粘土所吸附的n a + ， k + 等离子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从 而使土体强度略有提高。这一一过程一一般在数叶、时内完成。 粉喷 _ | i n 矗j 澄- 速公鼯轼堰处j ”p 的j 吐j f ：d h 图3 3 深层搅拌法施工过程示意图 钆 图3 4 有机质含量与水泥强度的关系图3 - 5 加固土强度构成 固化剂硬化：随着固化剂水化的深入，c s h 、钙矾石等水化物不 断发育，填充孔隙，粘结土颗粒，使松散土体形成坚固的整体，这一 反应是产生加固土的主要强度。 硬凝反应：软土中的活性矿物可以与c a ( o h ) 2 发生硬凝反应生成 与水泥水化物类似的水化物，也增进加固土的强度。这一过程发展缓 慢，所产生的强度增量、取决于加固土中c a ( o i l ) 2 的浓度和粘矿物 生一nb 粉喷 _ nn 一 澄，矗睦公蹄软l 处j i ! l ! j l 的盹j _ | 1 1 j l 琏 种类等因素。 用x 一衍射仪对加固土进行分析，1 4 天时已可以发现非晶形的 水化硅酸钙类水化物和钙矾石的衍射峰，5 个月时，还发现新物质的 特征峰。用扫描电子显微镜在不同龄期对加固土进行观察，可见，7 天龄期时，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水化物结晶的萌 芽；1 4 天时已产生大量纤维状结晶，并延伸填充土颗粒问的孔隙， 当固化剂中有石膏成分时，在水化物中还出现大量的针柱状钙矾石晶 体，它们相互交叉形成空间网架填充在主体孔隙之中；1 个月后，土 颗粒被水化物所包络、胶结；5 个月时，水化物仍然有所发展。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。 3 3 粉喷桩承载力的力学原理 粉喷桩处理软土地基后，形成的结构是各不相同的。有的支撑于 坚硬土层，也有的“悬浮”在软土中，同时作用在加固后地基上的荷 载类型也是多种多样的。这些条件不同，环境各异的结构有着不同的 承载机理，也就有着不同的破坏形式。在下面的分析计算过程中，对 每一种条件的桩或群桩，都提出了特定的破坏标准，这些标准是从实 际经验或试验中确定的，是这种条件下的桩或群桩( 特别是计算群桩 时) 最可能发生的破坏形式。这种破坏发生在其它形式的破坏之前， 它所对应的极限荷载是最小的。 以上的叙述是下面分析过程的基础，因为各种条件下的极限荷载 粉帧 j j n 常滞矗述j j ；f ； 软l 处唑c ”i i l ：j ：1 i j 究 都是先确定破坏形式，所以下面的分析可以说是基于破坏形式的分析 计算方法，后面有关章节的设计方法也是基于这一点的。 3 3 1 荷载分类及作用特点 为了详细分析粉喷桩的作用机理，由必要将作用于粉喷桩加固后 软土地基上的荷载加以分类。因为在不同的荷载类型之下的桩与土的 承载作用特点不同，在设计时采用不同的方法才是合理的。 一般的荷载可以分为两种基本类型和一种组合类型。这两种基本 类型与施加荷载的基底刚度有关，当桩与土的复合体上作用柔性基础 时，荷载在加固后复合体表面的作用是均匀的，荷载大小是均布的， 称这种荷载为柔性荷载。当复合体表面作用了剐性的基础时，加固后 地基表面上的沉降是均匀的。称这种荷载是刚性荷载。具有一定刚度 的基底产生的是处于则性荷载和柔性荷载之间的荷载分布。是一种组 合类型。本文重点讨论刚性荷载和柔性荷载作用下的承载机理，对组 合类型，不作分析。 刚性荷载在实际工程中的代表是粉喷桩加固后地基上小桥涵基 础。柔性荷载的代表是粉喷桩加固后地基上的路堤。 在这两种荷载的作用下，桩与土的复合体表面的应力分布显然是 不同的，因此复合体内部的应力分布也是不同的，各自有不同的作用 特点，需要分别加以考虑。 3 3 2 单桩承载力的原理与模型 粉喷桩在其成型三个月以后，强度的增长趋于稳定，此后强度增 长的幅度及速度都变得较小，一般认勾此日寸的强度为桩的进计强度 柑疃扫i _ nm 心一：0 j 也釜路软址处删；m 0j , vj i j t o l l 此时的粉喷桩是本文分析的对象。 在实际工程中，经常由于软土层的厚度太大，而使粉喷桩无法到 达下卧的坚硬土层，这时的粉喷桩处于一种“悬浮”状态，这种状态 的桩在承受荷载时，起主要作用的部分( 相对于支撑于坚硬土层的粉 喷桩来说) 是桩侧的摩擦作用。从桩基理论的角度来看，是摩擦桩。 为了方便叙述，对这种状态的粉喷桩参照桩基理论称为摩擦桩，相应 地称支撑于坚硬土层的粉喷桩为端承桩。 在考虑单桩的承载时，荷载的形式对承载计算方法并无影响，我 们关心的主要是粉喷桩的桩顶作用多大的荷载时，导致粉喷桩的破 坏。但是在考虑这一问题时，必须考虑粉喷桩作用状态是摩擦桩还是 端承桩。 在分析粉喷桩的机理时，要用到一些基本的假定和一些基本参 数。假定一般在分析过程中显式地给出，而参数中的很大一部分是由 试验来确定的。在讨论粉喷桩的设计方法时，将会对参数的取值和来 源作更具体的表述。 端承桩的破坏： 对于端承桩来说，因为粉喷桩支撑于坚硬的下卧层上，从实用的 角度出发，可以认为桩底没有沉降，且桩的破坏不可能发生在桩底以 下的土层中。在考虑单桩的破坏时，可能发生的破坏是桩身的强度破 坏，即抗压强度不足引起的破坏，或抗剪强度不足引起的破坏。在分 析这两种破坏形式的过程中，都要用到的是均匀性假定，即桩或土在 水平切面上，具有物理性质的均匀性。具体地说，就是桩或土在某一 水平切面处的强度分布是均匀的。基于这一假定，对这两类破坏的分 析如下： 因桩身上，距离桩顶深度为h 处的应力超过抗压强度引起的破 坏： 因为假定的均匀性，在考虑桩的抗压强度破坏时，在桩的某个水 平切面上同时达到抗压强度极限。计算简图如下： 幽 蚝芸 图3 - 6 抗压强度计算圈式 设深度方向上有n 层地质土层，每 一层用其粘聚力和内摩擦角来表 征。粉喷桩的桩底支撑于第n 层 坚硬土上。在桩顶均布荷载p 的 作用下，桩体在深度为h ，第k 层的地方产生破坏，在这一破坏 面上，荷载是均布的，其大小等于桩体 在此处的抗压强度。 考虑桩在z 轴上的平衡，可以得到如下的公式： z = 2 ( p g ) 一2 f , h ，= o ( 4 2 1 ) 其中r 是桩的半径，h i 是每一地质土层的厚度，但破坏深度的 第k 层的h k 是破坏面至k - 1 层底面的距离： 。= 一h ( 4 2 2 ) ，l f i 是第i 层的摩擦系数，量纲为牛顿平方米。建议采用原状土 的直剪试验的结果来计算。上覆压力取这一一层土的平均深度处的侧向 士压勾，窿得出水平推力后，将其除以试阵的截面积j 妻一一指标综合 粉喷斛n 常趱一：0 谴公路较挂处j ! ! 【呻的j m 川i l j j 咒 反映了土的抗摩擦力。并反映了土的压力环境。桩体与土之间的摩擦 系数应该与这一值成正比例。 公式中的q h 是深度h 处桩身的抗压强度。这一参数需要通过室 内的土的不同掺灰量条件下的抗压强度试验来确定。 因桩身上，距离桩顶深度为h 处的应力超过抗剪强度引起的破 坏： 因桩身抗剪强度不足引起的破坏与抗压强度不足引起的破坏有 些不同。但是为了简化问题，可以对这一问题作出一些假定。 假定因剪切引起的破坏面与水平面呈4 5 度的夹角。用剪切面上 深度方向的中点处的抗剪强度作为剪切面上抗剪强度的代表值，认为 剪切面上的抗剪强度同时达到，这样，剪切面上的剪应力是均布的。 其大小等于代表抗剪强度值。 仿照前述计算因抗压强度不足引起破坏的极限荷载的计算过程。 这时，剪切面上作用的竖向荷载是由该面上剪应力( 大小等于代 4 q 幽3 7 抗剪妊度计算图， 表抗剪强度) 与正应力卺加得到。 柑峨n 常澄l ：4 遵公路软蚺娃删中的川i l f 圮 考虑z 轴上的平衡。可以得到与抗压强度不足引起破坏相似的公 式： i i p = 【彤。+ ， ( 一h ) 】+ 2 ( 4 21 1 j 式中的q 为桩身在深度h 处的代表抗剪强度。可以通过与桩身某 处抗压强度相似的计算与试验方法得到。所以： p = 7 2 毛k - , 一 。+ ( 一善k - ih i ) 】+ 厄( 女。c 。2 + 一c 一卜删_ 1 2 ) 上式中的k o 和k 1 是二次曲线假定中的待定系数，q 1 是扰动 土不掺灰时的重黏结抗剪强度。 上式中，只有h 是未知数，为了求出p 的最小值，对等式两边求 导，可得到： 上式是关于t 的三次方程，求得h 值后验证是否在计算参数所在 层。若是，则带入上面p 的表达式就可以得到因桩身某处达到抗剪强 度时的极限荷载。 以上计算了桩身发生可能的破坏时的极限荷载。取这两个值中的 小值，就是实际发生的破坏条件下的极限荷载。并且，从这种比较也 可以判断出粉喷桩破坏的类型。 摩擦桩的破坏： 对于未支撑于坚硬土层的粉喷桩来说，可能的破坏形式除了前面 列出的两种以外，还可能粉喷桩的桩底发生刺入破坏。在 寸算摩擦桩 的极限荷载时，除了按端承桩中方法计算可能的桩身破坏时极限荷裁 m 竽霉 以外，还要计算桩底发生刺入破坏时的极限荷载，比较以确定最小值， 即实际的极限荷载。 下面分析粉喷桩发生刺入破坏时的极限荷载计算方法。 ez =zr2 ( p q ) 一2 口，h ，= 0 ( 4 21 4 ) i = i 式中的桩侧摩擦力计算范围是整个桩长。 为可求出p 值，必需求出产生桩底软土产生刺入破坏的最小应力 ( 大小与q 相等) 。设桩底刺入破坏的软土锥体的顶角为0 ，根据平 图3 - 8 桩底软士刺入破坏计算图式 衡条件可以得到：g 2r 。s e c 手( 4 2 1 5 ) 翻3 - 9 刺入破坏计算图式 其中的t 。是第1 1 层软士 即桩底软层) 的抗剪强度，其大小 通过啄扶土相应主压力条件下的直剪试验求傅将水乎推) | 了除以试件 粉喷艟 ：书潍：h 迎公路轼j 一让删小的晦川驯冗 截面积。通过以上的计算，可以得到摩擦桩在刺入破坏的条件下的极 限荷载，将这一极限荷载与前面求出的可能的桩身破坏的极限荷载相 比较，取最小值，就是摩擦桩破坏时的极限荷载。同样，通过比较还 能够知道破坏的类型。 3 3 3 群桩承载力的原理与模型 粉喷桩的单桩承载力计算，从实用的角度来看，是不能完成所有 设计内容的。群桩的承载力才是我们最为关心的问题。但分析群桩的 承载力时，分析单桩承载力的过程会提供较好的分析基础。 分析群柱承载力同样需要对荷载分类，分类方法在前面已经叙述 过。即所谓的刚性荷载和柔性荷载。这两种不同的荷载类型下的承载 力是研究的主要内容，而且以柔性荷载作用下的加固基础为主。在分 析群桩承载时，一般都指出相应的破坏类型，一般地，这种破坏类型 是实际发生的，但也不排除发生其它的破坏形式的可能。需要指出的 是，分析计算中的很多参数来自现场试验。在分析的过程中，遇到这 些参数，将尽量详细而准确地叙述建议的试验方法和取值方法。在设 计方法内容部分将提出试验要求。 刚性荷载作用下，群桩破坏的分析与计算： 刚性荷载作用下的加固后软土地基的承载能力，不是简单的单桩 承载力的倍乘关系，还涉及到桩间土的承载能力。在不同的实际条件 下，群桩承载力既可能大于也可能小于单桩的倍乘结果。 刚性荷载作用下，地基表面上，基础作用范围内，沉降是均匀的。 ( t ) 端承桩的破坏极限荷载： 刚性荷载下的端承桩，在地基的表面上，有着同样的沉降。而土 体的变形模量比粉喷桩桩体的水泥土变形模量为小，具有较大的变形 能力，这必然导致荷载在桩顶平面上集中。在土体的含水量较大时， 荷载更为集中。荷载越大，这种集中现象越明显。所以这种条件下的 群桩破坏必然是因桩体强度不足而产生。 为了得到简单的计算方法，可以将这种体检下的群桩问题简化为 单桩问题。用单桩的端承桩的计算方法计算群桩中的单桩在桩身某处 应力达到其强度时的极限荷载。 与单桩问题稍有不同的是，在柱周围的土体上作用着一定的荷 载。 在计算出群桩中的单桩的极限荷载以后，将其乘以桩的截面积及 桩的数量，再加上土体上作用的荷载，就是这种条件下的群桩承载力。 这一计算过程是以现场试验为基础的。需要打设试桩。试桩的中 心距可以采用假定的，与设计桩间距接近的值，如1 5 米。测试位置 取桩间土的型心及桩顶中心处，应力测点应有一定数量，且分布具有 代表性，要保证应力在乘上作用面积并叠加后与实际荷载的大小一 致。在试桩达到三个月的龄期以后，做刚性承载板试验。确定荷载作 用下，应力在桩顶及桩间土表面的分布特性。 在荷载( 荷载按承载板尺寸及基础实际尺寸成比例取) 作用下， 在试验确定的应力比条件下，可以得出桩问土的平均分布荷载p ，及 桩顶上的平均分布荷载p 。 具体来说这里讨沦的计算方法与单桩计算方法中不同点在于确 定桩与土的摩擦系数大小时，试验所采用的上覆压力要加上土体上的 平均分布荷载p ，这时的摩擦系数应该比单桩计算时为大。 计算的大致过程：第一，根据现场试验的结果，确定设计荷载作 用下，桩顶与桩间土上分别作用的平均分布应力的大小。第二，根据 单桩端承桩的计算方法计算群桩中的单桩的极限荷载。在取桩间土与 桩之间的摩擦系数时，要做室内直剪试验，直剪试验的上覆压力取这 一层土的平均深度处的竖向土压力加上均布的桩间土上的荷载乘以 土压力的侧向系数。第三，用求得的极限荷载乘以桩的数量，再加上 桩间土表面分布的荷载，就是总的承载力。因为实际的应力分布与假 定的桩顶上的均布形式不同，有必要为承载力引入安全系数可以将 安全系数与建筑物的重要性联系起来。 ( 2 ) 摩擦桩的破坏极限荷载： 刚性荷载作用下的摩擦桩达到极限时，破坏类型有不止一种的可 能形式。在不能确定破坏类型时，需要计算各种可能的破坏形式下的 极限荷载，取小值。 a 当破坏发生在粉喷桩分布范围内时，可能是桩身的破坏。 这种破坏的计算方法与前面计算刚性荷载作用下桩身破坏的方 法完全相同。也要求同样的现场试验。 b 当破坏发生在粉喷桩分布范围外时，可能是桩底平面以下的软 弱土层产生破坏。 在考虑这种可能的破坏形式时，将粉喷桩平面分布及桩长范围内 的桩与土的复合陬看作一舍整体。认为在桩底平面上的i 墨向贬匀均匀 粉峨鲥i l 研糟。：b 速公踹软辅处删一 f f l m l j l - j i 咤 分布，在这种假定条件下，这一桩与土的复合体可以被当作一深基础， 运用土力学中的确定承载力的相应方法就可以得到极限荷载。因为这 一极限荷载没有考虑复合体四周与土体的接触面上的摩擦，所以是偏 小。可以不作安全系数的要求。 柔性荷载作用下，群桩破坏的分析与计算： 因为柔性荷载作用下，地基表面的荷载是均布的，而粉喷桩的喉 度比土的强度大得多，特别是桩体的上部。在这种条件下，地基的破 坏主要发生在土体内。 ( 1 ) 柔性荷载作用下，摩擦群桩的破坏： 柔性荷载下摩擦群桩的破坏一般是桩底的软土发生破坏，产生连 续滑动面，导致地基的急剧沉降，而使其上的建筑产生破坏。 柔性荷载对应的一般实际工程问题是路堤问题。针对这一实际问 题，可以根据对称性，取特殊的脱离体。如图3 - 1 0 所示。 在示意图上标出了六个面的编号。其中，1 和2 两个面分别是通 过路堤中心线和路堤边缘的竖向截面。3 和4 两个面分别是通过路堤 纵向相邻两排桩中心连线的竖向截面。5 和6 两个面分别是地基表面 和桩底水平面。 在选取的脱离体内，因为路堤纵向可以看成是无限的，所以，面 1 ，3 ，4 上没有剪应力只有正应力。 假定在桩底水平面上，荷载应力是均布的正应力，可以得到下面 的计算图式： 参照上面的示意图、考虑深度方i 甸上的乎衔有： 份峨拼 沾淤- ： 述公路软j 1 ：赴耻- 0 , p l h l 如， p = f + q 其中的p 是荷载合力，q 是桩底平面上的合力，f 是剪应力的合 矩形右侧的剪应力极限值的合力可以引用摩擦的计算方法。即 f ：窆拿弧( 4 3 2 ) 三二习凸凸 脱离体的俯视图 图3 1 0 脱离体示意图 图3 1 1 纵向看脱离体时的计算图式 桩底平面上的均布荷载极限值的计算方法，可以简化为平面问 题，计算图式如下： 求这种条件下的，粉喷桩桩底的承载力只要按照平面问题求承载 力问题的方法。在土力学中，这种方法是很常用的。在具体求得粉喷 桩桩底软土i 歧坏的极限荷载以后，加上侧向肇撩墨到最赶时的值，就 ， 粉喷辨“- 一；钟a 建公龉软堆处删中们ui l 允 能求得柔性荷载作用下，摩擦群桩的承载力大小。 ( 2 ) 柔性荷载作用下，端承群桩的破坏： 柔性荷载作用下端承群桩的破坏，最可能的破坏形式是桩间土的 挤出。导致地基表面的过量下沉或不均匀沉降，超过了建筑物的沉降 要求。这时，粉喷桩的承载力可能还有富余，而软土在实际工程中常 处于流塑状态，也很难确定其破坏标准。所以确定极限荷载时，不能 以桩或软土的强度破坏作为标准，而应以一定的沉降作为前提来确定 极限荷载。 对这种条件下的地基，要用经典力学的方法求得极限荷载值是较 困难的，必须采用一些假定。 仍然采用计算摩擦桩时的计算图式。在这一脱离体中，假定只有 荷载纵向( 如路堤长度方向上) 两排桩之间的净距范围内的土体产生 横向挤出的现象，而桩径范围内的桩与土组成的立方体只产生竖向的 压缩。取挤出土体的脱离体图3 - 1 2 。 图中的所谓桩墙，指的是每排桩沿纵向直径范围内的桩与土的复 合体。桩墙对挤出土体有竖向和横向的摩擦力。左侧应力是用平面问 题的等量均布荷载作用下，荷载中心线上的侧向正应力分布来代替。 右侧的正应力是土的被动土压力。土体挤出时的横向位移曲线假定为 通过零点的直线，最大值在硬壳层底面上。桩底的均布荷载沿用前述 摩擦桩中的计算方法。 要求得极限荷裁，可以果用能量的观点来看脱离沐。忽略次要因 素，最后，应该有荷载因沉降作的功，等干被动士f 力在横向位移上 作的功加上桩墙摩擦力所作的功。 要知道土在右边缘的位移曲线，必须考虑挤出土体的体积因素。 假设桩墙是不可压缩的，那么，荷载在土体上部引起的体积变化，应 该等于右侧土体体积的增加值加上土体本身因荷载产生的压缩变形。 柿雇均布荷裁 图3 1 2 挤出土体的受力示意图 3 3 4 有效桩长原理 考虑有效桩长问题的原因是粉喷桩桩身强度随着深度的增加逐 渐减小。下部桩体的结构性及强度都比上部桩体差。当桩的长度很长 时，下部桩体对桩的承载的贡献变得很小，在达到一定深度以后，桩 身因为喷灰量的减少其强度甚至已比不上原状土的强度。所以粉喷桩 在设计计算时，有必要限制桩的长度不超过一定的范围。考虑到桩身 的破坏一般是以抗剪强度破坏为主，所以可以用抗剪强度来决定有效 桩长。下面给出有效桩长的定义：有效桩长是指桩身因喷灰量随深度 递减，在达到一定深度以后，桩身抗剪强度等于原扶土在该深度的应 力环境下的抗剪强度，称这一桩长、勾有效桩长。 粉喷靠 髓，jb 琏公路软驰处wj 的腑”ln , l l 坨 产生有效桩长的主要原因有以下几点： 施工机具方面的因素：现有施工机械的施工有效深度有限，一一定 深度后，机械的施工效果不理想。不具有成型能力。 上覆压力方面的因素：当桩长较大时，其下部的喷粉量因土体的 上覆压力很大而骤减，而且搅拌困难，最后形成的桩体在结构性和强 度方面已经没有什么价值。 桩体受力特性方面的因素：桩体在承受荷载时，其上部所作的贡 献比下部要大。在一定深度以下，因为荷载应力的扩散，桩体所承受 的应力已经很小，与该深度水平面上土体所受力相差不大。 有限桩长的确定