粉喷桩及塑料排水板加固软土路基试验研究及计算分析_图文

1、四川大学硕士学位论文粉喷桩及塑料排水板加固软土路基试验研究及计算分析姓名:林小军申请学位级别:硕士专业:岩土工程指导教师:何昌荣20040501Y654234叫JI人学坝lj学位论文粉喷桩及塑料排水板加固软土路基试验研究及计算分析岩土工程专业硕士研究生:林小军指导教师:何昌荣教授捅要本文结合广州南部地区仑头龙穴岛快速路试验路段中粉喷桩和塑料排水板加固软土路基的工程项目,研究软地基处理中沉降、固结及稳定等问题。通过粉喷桩水泥土室内试验研究,了解粉喷桩处理软土地基中水泥加固土的性质、掺入量对水泥土强度的影响和水泥土的力学性质与龄期的关系,以确定最佳水泥掺入量。通过常规方法计算方法,研究软卜路基的沉

2、降量、平均固结度及稳定性。通过线弹性有限元分析,研究粉喷桩复合地基存沉降、侧向位移和孔隙水压力的增长与消散的规律,以及地基中的附加应力分布状况,了解粉喷桩复合地基在加固软土路基中的作用及对地基固结的影响:研究塑料排水板加固软地基在沉降、侧向位移和孔隙水压力的增长与消散的规律,以及地基中的附加应力分布状况,了解塑料排水板对地基沉降、固结速度等方而的影响。软土路基处理及计算分析是一个复杂的问题,本文所作工作对今后软土路基处理中的路堤稳定、沉降及固结等问题提供了一定思路和方法,具有一定的参考价值和现实意义。关键词:软土地基处理,粉喷桩,塑料排水板,水泥土室内试验,计算分析,有限元¨J11人

3、学颂I。学位论义Study on Soft Clay Treatment by Dry Jet Mixing Pileand Plastic Drainage PlateMojor:Geotechnical EngineeringPostgraduate:Lin Xiaojun Supervisor:He ChangrongAbsractThe paper incorporates the project of saturated soft clay treatment1at was in the selected road of Luntou to Longxuedao highway in

4、 south rea of Guangzhou city in order to study the problem of stability, ettlement and consolidafion in soft foundation treatment.The test of ementsoil was done in order that the property of dry jet mixing pile DJMPin soft foundation treatment was discovered.At the same time, tOW the cement content

5、influences the strength of cement.soil and what elation was between the cementsoil mechanics property and its age was 2rlown.By the test the best cement content was confirmed.The normal ,aleulation studies the stability,settlement and average degree of ',onsolidation of the soft foundation.With

6、the analysis of linear-elastic inite element method,something about the DJMP composite foundation:uch as the settlement,the horizontal displacement,theincreasing and lisappearing of pore pressure were studied and the distribution of tdditional stress were studied,SO that the action of DJMP in the so

7、ft bundation treatment and its influence to the consolidation Were to be叫川大学碳L学位论文known about.With the anMysis ofnonlinear elastic finite element method, the theory ofusing the plastic drainage plate to treat soft clay was studied During the soft clay WSS Weated,the development ofthe settlement and

8、the horizontal displacement,the increasing and disappearing of pore pressure develop and the distributions of additional stress were cleared up.Such, the action of the plastic drainage pLate in the soft cLay treatment and its influence to the consolidation were to he known about.The treatment of soR

9、 fbundafion and its calculation Were very complicated,the work in this paper provides some way ofthinking and method about the pmNem in the calculation of foundation stability,settlement and consolidation.It had some reference value and practical meaning.Key words:soft clay treatment,dry jet mixing

10、pile,plastic drainage plate, test ofcementsoil,finite elemem method绪论第一一章绪论1.1公路软土地基及处理在公路工程名词术语(JTJ002-87中,软土定义为“由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土,主要有淤泥、淤泥质土及泥炭”。软土按环境分为下列四类:滨海沉积、湖泊沉积、河滩沉积及沼泽沉积。软土的主要特点是:(1具有高含水量、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度的特点软土天然含水量m>4550%,大于液限,孔隙比e>大于1.0,塑性指数Ip为20以上,强度为lO30kPa

11、,压缩系数为口,>O.5MPa-1,固结系数G 为0.11.OX10cmVs,灵敏度st为48。因此,该类土的压缩沉降量大,排水固结慢,地基稳定性差。(2具有一定的结构性除了南方湛江一带有高结构性土外,软土均具有一定的结构性。结构性的形成随土的矿物成分、沉积环境、孔隙水的成分及沉积年代而具不同。(3表层土呈硬壳层这是由于地表部分风化、淋洗作用形成的,该硬壳层具有中等或低的压缩I生、较高的强度、较强的结构性。路基工程,软土处理的主要方法有:(1垫层与浅层处理垫层处理即在路堤与软基之间铺设一层透水性好的垫层,垫层起到排出孔隙水的作用。浅层处理处治主要是用生石灰材料浅层拌和、换填、抛石(堆土等

12、方法对软基进行加固。浅层处理适用于表层软土厚度小于3【l的软土路段的处理。(2轻质路堤1绪论即采用轻质材料作路堤,以减少路堤自重、减少沉降并增大稳定安全系数。常用的轻质材料为粉煤灰。(3反压护道即在路堤的两侧或一侧设置反压护道.适用于用地不受限制的地区。(4预压及超载预压通过临时堆载等方法对地基加载预压,达到预先完成部分或大部分地基沉降,并通过地基的固结提高地基承载力的方法。(5竖向排水体预压在预压之间,在软基中设置竖向排水体,大大缩短了排水距离。加速了地基的固结过程,能明显的提高预压的效果。常用的竖向排水体有袋装砂井、塑料排水板及其它种类的土工合成材料复合排水体。(6粒料桩采用碎石、砂砾、废

13、渣、砂等散粒料作桩料,采用一定的机械在软土地基中形成粒料桩。粒料桩对地基土起置换、竖向排水及应力几种作用。(7加固土桩用专门的机械将软土地基的局部范围(某一深度、某一直径内的软土柱体用加固料改良、加固形成,与桩间软土形成复合地基。加固土桩有拌和桩法、粉喷桩法等。1.2本文的研究课题m随着广州市“南拓”计划的实施,将修建扩建许多高等级的公路,这些公路全部经过珠江三角洲地区。主要地层岩性为第四系洪冲积及洲海相沉积层,地层中大多分布软塑流塑状的软粘土、淤泥质粘土、淤泥等软土。近20年来,珠江三角洲地区处理类似软土地基的主要方法有:(1排水固结法砂井或塑料排水板排水、堆载或真空预压。造价低,设计理论与

14、经验、施工技术等均较成熟,但工期较长,深度没超过20m。(2碎石桩复合地基由于该地区软土地基承载力1030kPa,碎石桩置换率达3449%,置换后复合地基承载力120160kPa。因此,造价较高,碎石桩压缩变形及复合地基沉降量均较大。(3粉喷桩复合地基该方法近10年在珠江三角洲地区应用较多,其原理与实际效果均较好。但同碎石桩类似,不能形成排水固结,工后沉降较大,完成沉降的时间没有改变,下卧层沉降量亦大。以上几种方法在珠江三角地区大量使用,设计施工技术均成熟,经济效益社会效益显著。但是,一般处理深度大多数在1512m之问,没有超过20m,对超深软土地基、超宽路堤的公路工程方面的研究还比较少。本文

15、依附广州南部地区仑头龙穴岛快速路试验路段(K62+470 K63+775的软基处理项目进行研究工作。该路段全长1035m,软土厚33.5 42。Om。试验段分别采用粉喷桩和塑料排水板两种方案对软土地基进行加固。对于粉喷桩处理软土地基,如何确定粉喷桩水泥土的最佳水泥掺入量,以及水泥土到底有些什么物理力学性质,需要进行室内试验研究。粉喷桩复合地基对减少路堤沉降、工后沉降等方面的影响,特别是由于粉喷桩不能形成排水固结,桩间土的固结如何完成等问题需要进一步的研究。对于塑料排水板处理软土地基,堆载、真空联合预压对土体固结速度的影响,预压期及路堤筑期的应力应变及孔隙水压力状况如何;合理的施工填筑速率是多少

16、等等,这些问题虽然以前己做了不少研究,但由于该工程的超深软土、超宽路基的特殊性,必须试验研究这种深厚软土的这些问题,推动软土地基处理技术的近一步发展,为深厚软土层的处理技术积累经验。1.3课题的研究现状对于粉喷桩水泥土特性的研究工作很多,除了大量的现场检测试验外,叶观宝叫m、周国均嘲等进行了大量的水泥土配比试验及工程性能试验,详细分析了影响水泥土工程性质的因素,建立了相应的相关关系。上海市地基处理技术规范中,首次列入室内水泥土无侧限抗压强度试验方法o”1。软±地基固结沉降主要计算方法有;分层总和法、太沙基一维固结理论、实测沉降过程曲线推算沉降量。tE奥固结理论(Biot Consol

17、idation Theory结合各种土体本构模型的有限元分析也获得了很大的发展。分层总和法3由于具有计算概念明确、方法简便易用的特点,成为各种规范推荐的使用方法。采用分层总和法计算地基沉降时,把沉降计算深度范围内的土体分成若干层,分别计算各土层的压缩量,然后再求其总和。分层总和法主要有两种,一种时传统的分层总和法,另一种时规范01推荐的分层总和法,都采用侧限条件的压缩指标,应用平均附加应力系数计算。采用分层总和法计算粉喷桩加固软土地基沉降时,其复合地基土层的压缩量主要有以下三种方法“4:复合模量法,应力修正法,桩身压缩法:复合地基下卧层的压缩量主要有以下四种方法1:应力扩散法,等效实体法,Hi

18、ndlinGeddes法,当层法。太沙基一维固结理论“”建立了饱和土体的单向固结基本微分方程,通过求解微分方程,获得一定初始条件和边界条件下地基固结沉降的解析解。单向固结只有在荷载面积较大、压缩土层较薄时误差较小,但因为其计算简便而被近似地用来解决许多实际工程的固结问题,这一方程至今仍被广泛应用。实测沉降过程曲线推算沉降量法“”“”是根据实测的沉降值与时间的关系绘出S、一t曲线,然后选择适当的S。一t曲线进行拟舍。主要有双曲线法、指数曲线法、对数曲线法、沉降和时问倒数法等。实测沉降过程眭甘线推算沉降量法是基于实测数据通过数值模拟来预测地基沉降的,因此具有较强的实用性。比奥固结理论作为反映饱和土

19、体固结问题的真三维固结理论能较为准确的表达土体的变形一时间关系,对于该理论的研究和应用,国内外学者做了大量的工作。R.E.Gibson”,J.Booher”73等用复变函数给出了地基表面沉降的解;黄传志、肖原“等给出了二维固结问题的解析解;胡亚元、黄立中、陈云敏、吴世明等“”得到了多层地基Biot固结问题的理论解答;张吉园、张志勇等1建立了多种模型下的有限元的比奥固结理论,并编制了相应的有限元分析程序;陈光镜赵锡宏等”“求解了横观各向同性非均质地基的比奥轴对称固结问题;张吉园、安危等04研究了软土固结中孔隙水压力消散的有限元方法。近年来,比奥固结理论结合线弹性模型、邓肯一张非线性弹性模型、弹塑

20、性模型和粘弹性模型等的有限元分析方法也得到了很大的发展。有限元分析方法在不同工程地质环境中对土体的应力应变及孔隙水压力的变化规律也具有较好的模拟性。对粉喷桩复合地基的有限元分析,在几何模型的处理上可以分为两类“,一类是在单元划分上把单元分为两种:增强体单元和土体单元,并根据需要在增强体单元和土体单元之间设置或不设置界面单元。另一类是在单元划分上把单元分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元,复合土体采用复合材料参数。对塑料排水板处理软土地基的有限元分析,一般主要考虑塑料排水板的排水作用,较少考虑其本身材料特性对软土强度的影响。塑料排水板加固软土地基几个有待研究的问题是“:排水板的加筋作用对地基

21、稳定性的影响,地面砂石透水层的合理设置,工后沉降分析。1.4本文的主要工作与研究方法本文的主要工作:粉喷桩水泥土室内试验研究;粉喷桩复合地基常规稳定验算、沉降计算和固结度计算;粉喷桩复合地基有限元分析;塑料排水板加固软地基常规稳定验算、沉降计算和固结度计算;塑料排水板加固软地基有限元分析。粉喷桩水泥土室内试验研究,主要是按不同水泥掺入量制作试样,然后把制备好的每组水泥土试样按龄期为7、14、28、60、90、180天进行无侧限抗压强度试验,测定各个水泥掺入量的水泥土不同龄期的无侧限抗压强度,并测定水泥土的密度和含水量,把所得数据与淤泥的数据进行对比,由此了解粉喷桩处理软土地基中水泥在加固中的性

22、质、掺入量对水泥土强度的影响和水泥土的力学性质与龄期的关系,以确定粉喷桩加固软地基时的最佳水泥掺入量。对于粉喷桩复合地基,在常规计算中,主要是根据规范方法进行稳定验算、沉降计算和固结度计算。在进行有限元分析时,材料的应力应变关系采用线弹性模型,应用比奥(Biot固结有限元方法来模拟软地基加固后的沉降和固结等方面的问题。对于塑料排水板加固软地基,在常规计算中,主要是根据规范方法进行稳定验算、沉降计算和固结度计算。在进行有限元分柝时,材料的应力应变关系采用邓肯张非线性弹性模型,应用比奥(Blot固结有限元方法来模拟软地基在堆载、真空联合预压过程中沉降、固结和孔隙水压力的增长及消散等方面的问题。1.

23、5本文主要成果粉喷桩水泥土室内试验研究主要成果是:粉喷桩水泥土强度随水泥掺入量的增加而增大的;水泥土强度随龄期的变化;水泥土含水量与密度较原状土的增建情况。粉喷桩复合地基常规计算的主要成果是:路堤填筑过程中的稳定性:路堤沉降量;软土路基固结的过程;沉降与时问的关系曲线。粉喷桩复合地基有限元分析的主要成果是:路堤沉降分布;侧向位移与深度的关系:路堤沉降、侧向位移随时间的发展规律;地基中孔隙水压力的分布状况;孑L隙水压力的增长与消散的规律;地基应力分布状况;地基应力分布、沉降及侧向位移与孔隙水压力增长与消散的关系。塑料排水板加固软土路基常规计算的主要成果是:路堤填筑过程中的稳定性:路堤沉降量;软土

24、路基固结的过程;沉降与时间的关系曲线。塑料排水板6绪论加固软土路基有限元分析的主要成果是:路堤沉降分布;侧向位移与深度的关系:路堤沉降、侧向位移随时间的发展规律:地基中孔隙水压力的分布状况;孔隙水压力的增长与消散的规律;地基应力分布状况;地基应力分布、沉降及侧向位移与孑L隙水压力增长与消散的关;系塑料排水板对地基沉降、侧向位移、固结速度及地基应力分布的影响。第二章工程概况¨m12.1试验地点及目的广州南部地区(仑头龙穴岛快速路新龙特大桥北侧K62+475.5 K63+770.007试验路段。解决在软土地基上较短时间内修建快速路的一系列难题,确定合理的软基处理方案、填土速率控制标准和工

25、后沉降预测方法等。2.2试验地段地质概况试验段内覆盖层为第四系三角洲海陆交互相沉积层,下伏基岩为震旦系花岗岩。从地表到深部分述如下:(1耕植土(Q7。:灰黄色,松散,杂有植物根系。段内分布普遍,厚度0.711.20m。为I类松士。(2淤泥(高液限粘土(CH(Qr:灰黑黑色,流塑状,饱和,无砂感,滑腻感强,断面有光泽,干强度高,可搓成细土条,韧性高,摇震无反应。上部岩芯不成形,下部稍完整。段内普遍分布,厚6.6517.70m。天然密度p.=1.511.729/cm3,天然含水量(=47.981%,孔隙比e=1.332.09,液限含水量。=39.576.5%,液性指数I。=1.032.86,压缩系

26、数a。= 0.852.43MPa,压缩模量Es.一:=0.982.44MPa,固结系数C,=0.192.7×10。7群/s,CH_1.2310.45×104m2/s,直剪凝聚力c=l_O11.0kPa,内摩擦角舻=9.120.1。;在该层位进行标贯50段(次,修正后标贯试验锤击数最大值为1.6,最小值为0.8,平均值为O.9。为I类松土。(3低液限粘土(CL(Qy:黑色,黄色,软塑状,湿润饱和,有砂感,稍有滑腻感,表面稍有光泽,干强度中高,可搓成细土条,韧性中,摇震反应慢,岩芯完整。厚2.006.70m。天然密度p。=l_582.709/cm”,天然含水量u=2154%,孑

27、L隙比e=0.551.56,液限含水量。=21.556.8 %,液性指数I。=O.682.86,压缩系数al-2=O.21.51dPa-1,压缩模量B。E=1.477.63MPa,固结系数C。=0.174.5×10。m2/s,C一2.1l19.75×10m2/s,直剪凝聚力c=3.O43.OkPa,内摩擦角舻=6.420.7。;在该层位进行标贯7段(次,修正后标贯试验锤击数最大值为9.8,最小值为0.8,平均值为4.6:经计算承载力标准值最大值为252.6kPa,最小值小于105kPa。为II类普通土。(4粘土质砂(SC(Q舻:黄色,湿润,中密密实,粘粒含量普遍大于23.2

28、%以上。砂粒以细粒为主,主要成分为石英。干时较硬,岩芯大部较松散,局部完整,呈柱状。段内普遍分布,厚0.8020.40m。天然密度p。= 1.872.19/c一,天然含水量=16.7834.1%,孔隙比e=O.470.89,液限含水量。=19.327.2%,压缩系数a。=0.170.53Mpa-1,压缩模量E。=3.42.8.32MPa,直剪凝聚力c=3.O57.0kPa,内摩擦角妒-3.919.8”;在该层位进行标贯23段(次,修正后标贯试验锤击数最大值为12.6,最小值为2.8,平均值为5.7:经计算承载力标准值最大值161.OkPa,最小值小于140kPa。为I类松土。(5低液限粘土(C

29、L(Qr:灰黑色,软塑可塑,湿润稍湿,有砂感,稍有滑腻感,表面稍有光泽,干强度中高,可搓土条,韧性中,摇震反应慢,岩芯大部完整。段内多有分布,厚2.2017.10m。天然密度P。=1.74 2.04/am3,天然含水量(_=21.947%,孔隙比e=O.61.23,液限含水量u L=24.857.4%,液性指数IL=O.352.43,压缩系数at-2=0.22O.68MPa-,压缩模量E。-2.2610.2MPa,固结系数C,=1.572.34×10-m2/s,CH_3.31 12.4×10m2/s,直剪凝聚力c=6.O39.OkPa,内摩擦角口=8.O16.8”:在该层位

30、进行标贯2l段(次,修正后标贯试验锤击数最大值为10.9,最小值为2.1,平均值为3.9;经计算承载力标准值最大值为237.5kPa,最小值90.5kPa。为II类普通士。9工程概况(6粉土质砂(SM(Q;”:浅灰黑色,稍湿潮湿,中密密实,粉粒含量约16.846.2%。砂粒以细粒为主,主要成分为石英。干时较硬,岩芯完整,呈柱状。段内普遍分布,厚1.1012.95m。天然密度p.=1.72 1.919/cmz,天然含水量-30,243.O%,孔隙比e=O.791.2,液限含水量。=20.932.3%,压缩系数a。=O.15O.55MPa-,压缩模量&。=3.9111.35MPa,固结系数

31、C,=4.55x10。mVs,C,=17.8×lo-+m,/s,直剪凝聚力c=12.018.0kPa,内摩擦角p-20.428.3“;在该层位进行标贯13段(次,修正后标贯试验锤击数最大值为12.4,最小值为5.4,平均值为6.9;经计算承载力标准值最大值212.9kPa,最小值小于180kPa,为I类松土。(7低液限粘土(CL(Q芦:浅灰黑色,浅灰白色,软塑可塑,湿润,有砂感,稍有滑腻感,表面稍有光泽,干强度中高,可搓成细土条,韧性中,摇震反应很慢,岩芯完整。段内透镜状分布,厚3.0516.60m。在该层位进行标贯13段(次,修正后标贯试验锤击数最大值为10.5,最小值为2.1,平

32、均值为5.1;经计算承载力标准值最大值268.8kPa,最小值小于11.67kPa,为TI类普通土。(8级配不良砂(SP(Q尹:浅灰白色,主要成分为石英砂粒,湿润,中密状,下部粒径渐粗,岩芯呈松散状。段内普遍分布,后1.9717.OOm。在该层位进行标贯17段(次,修正后标贯试验锤击数最大值为17.5,最小值为5,7,平均值为8.5:经计算承载力标准值最大值264.9kPa,最小值小于180kPa,为I类松土。(9花岗岩(Z:灰绿色灰黑色,中粗粒、片麻状结构,块状构造,岩:毒大部分松散状,底部岩芯基本较完整,呈块状或短柱状。属全风化带(W.。为II类普通土。岩土的物理力学性质见表2一l和表2-

33、2。10工程概况表1-1岩土的物理力学性质表物理力学天然含水原状重塑容许承桩周土极孔隙指标液限塑限容重量土载力限摩阻力比、Po(L c1Pqu q。【o。1ie。岩土层名称kN/m。%kPakPakPakPa1.8淤泥16665128125.5402511低液限粘土1838311913035O.7粘土质砂19252214120401.2低液限粘土18443923140401.0粉土质砂1837272615045含砂低液限粘土193515045级配不良砂1818045基岩全风化1925055表卜2岩土的物理力学性质表物理力学压缩压缩直接快剪固结快剪指标固结系数粘聚内摩粘聚内摩渗透系数系数模量力擦

34、角力擦角、a1-2E￥1-2CvCHCoC妒KvKH岩±层名称MPa-IMPa10-3cm2/skPa kPa cm/s 5.2x6,3×淤泥1.51.6O.65.O3.O505.016.010810。79.7×2.5×低液限粘土0.83.51.56.08,010.09.018.OlO一810。7粘土质砂O_36.03014.O16.O 12.016.028.O 9.0x3.3×低液限粘土O.63.21.35.615.O 9.025.028.O10810。7粉土质砂0.47.64.618.015.024.020.O30.0含砂低液限8,5

35、15;5.8×15.010.0粘土lO_8107级配不良砂5.O30.0基岩全风化18.030.O2.3软基试验方案及设计目的2.3.1试验方案试验路段结台涵洞、通道及桥位设置情况,地基加固划分十五个区段,其中一区、六区、十二区为试验区,每个试验区设一个观测断面。具体设计方案如下:(1一区采用粉喷桩加固,桩径o.5m,桩间距1.2m,正三角形布置,基底铺设O.5m后的褥垫层,其间设两层双向土工格栅,最底层格栅距桩顶O.2m。该区的测试断面为置62+500,路基横断面设计图及粉喷桩布置样见图21所示。(2六区采用B型塑料排水板加固,间距1.3m,正三角形布置,基底铺设O.5m后的褥垫层

36、,其间设两层双向土工格栅。为使试验具有代表性和指导意义,试验填土高度均大于设计填高。试验填土高程8.16m,四周设1.2m的围堰,在填土顶面和围堰内侧铺设一层无纺士工布和聚氯乙烯土工膜后抽水预压。该区的测试断面为K63+080,路基横断面及塑料排水板布置见图2-2所示。(3十二区采用丑型塑料排水板加固,间距1.Sin,正三角形布置,基底铺设0.5m后的褥垫层,其间设一层单向土工格栅,试验填土至路床顶面。该区测试断面为K63+520。2.3.2试验目的(1一区为粉喷桩复合地基处理方案,以解决桥头路堤沉降和结构物基础承载力问题,研究复合地基沉降、桩间土孔隙水压力形成及消散过程、桩土应力的变化规律。

37、(2六区为超宽路堤塑料排水板处理方案,研究超宽路堤的受力特点、沉降发展规律。通过边桩及沉降观测,确定地基施工期填土速率。(3十二区为一般路堤塑料排水板初恋方案,解决一般地段路堤软基处理,研究路堤的受力特点、沉降发展规律。通过边桩及沉降观测,确定软土施工填2土速率。2.4本文研究对象(1一区粉喷桩复合地基处理方案,计算断面K62+500。研究水泥土不同掺灰量的不同龄期的物理力学性质及复合地基沉降、桩间土孔隙水压力的形成与消散、桩土应力的变化规律。(2六区超宽路堤塑料排水板处理方案,计算断面K63十080。研究超宽路堤的受力特点、沉降发展规律及塑料排水板处理软土地基的孔隙水压力形成与消散的变化规律

38、。7,-!蚋墨璺型型II I I 粉疃桩复合地基、:、#_蒜釜5“、&、±而、三lZg一坠堕一、:要:3LIl2c未!坠皿,-_。目女.图21K62+500横断面及耪喷桩布置样图粉喷桩布置样图口,堡蜢ii醒蛆±i丝 ;塑料捧木板扣嗣*塑科捧木板加固-。.1;芝#±mHI三警!nEfR群×_j羔整科祥水板布置样田图22K63+080横断面及塑料排水板布置样图4水泥十室内试验研究第三章粉喷桩水泥土室内试验研究3.1概述m粉喷桩是指采用特制的设备和机具,将加固剂粉体材料(水泥或石灰粉等通过压缩空气的传送,与地基土强行拌和,使之产生充分的物理化学反应后,

39、形成连续、水稳定的剐塑性桩体,与周围天然土体(桩间土一起构成粉喷桩复合地基。它是一种改善地基土质,提高地基强度的软土地基加固方法,具有施工方便、造价低廉、适用性广等特点。由于粉喷桩采用粉体作为固化剂,不再向地基中注入附加水份,反而能充分吸收周围软土中的水份,因此加固后地基的初期强度较高,对含水量高的软土加固效果尤为显著。近年来,粉喷桩加固软土地基的方技术来越多的使用在铁路、公路、市政工程、港口码头、工业和民用建筑软地基加固及基坑工程中。粉喷桩加固软土地基技术具有以下特点“1:(1粉喷桩由于是将固化剂和原地基软土就地拌和,因而最大限度的利用了原土;(2搅拌时不会使地基侧向挤出,对周围原有建筑物影

40、响很小:(3按照不同地基土和工程的设计要求,合理选择固化剂及其配方,设计比较灵活;(4施工时无振动、无噪音、无污染,可在市区和密集建筑群进行施工;(5土体加固后密度基本不变,对软弱下卧层不会产生附加沉降:(6与钢筋混凝土桩相比,造价大大降低;(7根据上部结构的需要,可以灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式。水泥加固土的室内试验研究表明,有些软土的加固效果比较好,而有些软土的加固效果则不够理想。一般认为含有高岭石、多水高蛉石、蒙脱石等粘土矿物质的软土加固效果比较好,而含有伊利石、氯化物和水铝英石等矿物质的水泥土室内试验研究粘土以及有机质含量高、酸碱度(PH值较低的粘性土加固效果比较差。3

41、.2加固机理水泥加固土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同,混凝土的硬化主要是在粗填充料(比表面不大、活性很弱的介质中进行水解和水化作用,所以凝结速度比较快。而在水泥加固土中,由于水泥掺入量很小,水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质土的围绕下进行的,所以水泥加固土的强度增长过程比混凝土缓慢。水泥加固土的硬化过程主要有以下几个方面:(1-水泥土的水解和水化反应普通硅酸盐水泥主要是氧化钙、二氧化钙、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成,有这些不同的氧化物分别组成不同的水泥矿物:硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。用水泥加固软土时,水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发

42、生水解和水化反应,生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。所形成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶解于水中,使水泥颗粒表面重新暴露出来,再与水发生反应,这样周围的水溶解液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后,水分子虽然继续深入颗粒内部,但新生产的物质己不能溶解,只能以细分散状的胶体析出,悬浮于溶液中,形成胶体。(2土颗粒和水泥化合物的作用当水泥的各种水化物生成后,有的自身继续硬化,形成水泥石骨架,有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。一方面是离子交换和团粒化作用。粘土和水结合时就表现出一种胶体特征,如土中含量最多的二氧化硅遇水后,形成硅酸胶体微粒,其表面带有钠离子Na+或钾离子

43、K+,均能和水泥水化生成的氢氧化钙中的钙离子Ca”进行当量吸附交换。使较小的土颗粒形成较大的土团粒,从而使土体强度提高。水泥水16水泥士室内试验研究化生成的凝较粒子的比表面积约比原水泥颗粒大1000倍,因而产生很大的表面能,有强烈的吸附活性,能使较大的土团粒进一步结合起来,形成水泥土的团粒结构,并封闭各土团的空隙,形成坚固的联结,从宏观上看也就使水泥土强度大大提高。另一方面是硬凝反应。随着水泥水化反应的深入,溶液中析出大量的钙离子,当其数量超过离子交换的需要后,在碱性环境中,能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应,逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物,增大了水泥

44、土的强度。(3碳酸化作用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,生成不溶子水的碳酸钙,这种反应也能使水泥土增加强度,但增长的速度较慢,幅度也较小。从水泥土的加固机理分析,由于搅拌机械的切削搅拌作用,实际上不可避免地会留下一些未被粉碎的大小土团。在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象,而土团间的大孔隙基本上已经被水泥颗粒填满。加固后的水泥土中形成一些水泥较多的微笑区域,而在大小土团内部则没有水泥。只有经过较长的时间,土团内的土颗粒在水泥水解产物的渗透作用下,才逐渐改变其性质。因此在水泥中不可避免地会产生强度较大和水稳定性较好的水泥石区和强度较低的土块区。两者在空间

45、相互交替,从而形成一种独特的水泥土结构。因此,搅拌越充分,土块被粉碎得越小,水泥分布到土中越均匀,则水泥土结构强度的离散性越小,其宏观的总体强度也越高。3.3水泥土室内试验研究3.3.1试验目的了解粉喷桩加固中水泥在加固中的性质、掺入量对水泥土强度的影响和水泥土的力学性质与龄期的关系,以确定最佳水泥掺入量。水泥土室内试验研究3.3.2试验设备及试样制备(1试验设备采用cBR一1型承载比试验仪,将水泥土视为土样对待,按照土工试验规程SL2370201999进行试验“。, (2固化剂本次试验采用的水泥是普通硅酸盐水泥,标号是425。初步确定水泥的掺入量为17%,再取前后两级,即做水泥掺入量为13、

46、15、17、19、21%共五组进行室内的水泥土配合比试验。(3水泥土试样的制各及养护、试验土样取自试验路段现场,先把取出土样后装密封的塑料袋中,然后再装入蛇皮袋内,装箱后运送至实验室备用,保证了所取土样的质量。制作试样前先测定土样的含水量及密度。由于实际工程中淤泥的含水量u=47.981%,取样淤泥的含水量在52.2664.34%之间,为了使试验更具有代表性和各组试样的试验结果具有可比性,首先把淤泥的含水量调到6570%之间。具体操作是:取出适量土样,按照测定的含水量和土样重量计算所需掺入的水量,加水后采用手工方式进行反复搅拌揉捏,使土样均匀含水,搅拌均匀后从中取样测定其实际含水量。然后把备制

47、好的土样按不同的水泥掺入量制作试样,试样尺寸HXD= 115×50.5mm,每个水泥掺入量制作20个试样备用。具体操作是:取出一定重量的土样,按照水泥掺入量计算所需加入的水泥,称取水泥均匀撤入±样,采用手工方式进行反复搅拌均匀,把水泥土装入试样筒进行密实(注意确保试样芯部的密实和外表的乎整以保证试样质量,保留试样筒两端土体超出筒口3 5mm,装样完毕后放置在潮湿密闭容器中,超过12小时后取出,把超出筒口的土体平整刮掉,从试样筒中取出水泥土试样。在实际工程中,粉喷桩埋没地下,水泥土周围充满饱和状态的淤泥。若按水泥土室内试验研究照一般混凝土试样的保养方法,把试样放置在密闭潮湿常

48、温的环境下保养,水泥土试样中的水分仍然会蒸发,强度增加,这样不符合实际工程情况。所以,取出成型的水泥土试样分组标签后,用土样淤泥将其紧密包裹,放置在密闭潮湿的容器里面,常温下保养。由于成型试样已有一定的强度,因此直接用淤泥包裹,不会对其形状产生影响,水泥土试样包裹在淤泥中进行保养,可以使试验条件更加接近实际工程情况。(4试验方法把制各好的每组水泥土试样按龄期为7、14、28、60、90、180天进行无侧限抗压强度试验,每个龄期每个水泥掺入量的试样做三个,试验结果取平均值。进行水泥土试样的无侧限抗压强度试验时,先把水泥土试样从保养容器中取出,清洗干净后擦干进行称重,再测量试样的实际高度和直径,以

49、求得试样的密度。然后把试样放到CBR-I型承载比试验仪上压断,测定其无侧限抗压强度。试样压断后测定水泥土的含水量。3.3.3试验结果及其分析(1淤泥的含水量及密度从现场取来的土样中抽取六组试样进行测定含水量及密度,如表31所示,淤泥的含水量在52.2664.34%之间,平均含水量为59.18%,原状土的密度在1.621.689/cm3之间,平均密度为1.65g/cm3。表31淤泥的含水量及密度编号123456平均含水量64.362.961.656.552.357.559.2(%密度1.621.641.661.65l-651.681.65(g/cm3(2水泥土的含水量及密度在制备水泥土试样的时候

50、,先把淤泥的含水量调到6570%之间,实际上加水泥搅拌前原状土的含水量均控制在68.6069.02%之问。如表32所示,由于水泥的吸水水化反应.试验后测定水泥土的平均含水量在43.547.1%之间,比淤泥的含水量下降了2025%。随着水泥掺入量的增大,水泥土的含水量略有降低。水泥土的密度在l_67l,73g/cml之间,与原状土的密度相近。随着水泥掺入量的增大,容重略有增大,最多不超过6.8%。表3-2水泥土的含水量及密度水泥掺入量加水调配后淤泥水泥土的平均含水泥土的平均密(%平均含水量(%水量(%度(g/cm"1368.747.11,671569.O45.81.671768.943

51、.61.701968.743.91.722168.643.51.73(3水泥土试样的无侧限抗压强度测定水泥土试样的强度如表33所示,相应的关系啦线见图3一l图33,从图中可以看出:1强度随龄期的增长而增大,见图31。7天龄期的水泥土的无侧限抗压强度在0.2-=0.6MPa之间:28天龄期的水泥土的无侧限抗压强度在0.61,2MPa之间:90天龄期的水泥土的无侧限抗压强度在1.11.9MPa之间。2强度随水泥掺入量增加而增加,见图32。28天龄期的时候,水泥掺入量为13%的水泥土的无侧限抗压强度为0.637MPa,而水泥掺入为15%o的水泥土的无侧限抗压强度为0.805MPa。其它情况类似。3从

52、图3一l、图3-3中的曲线变化可以看出,水泥掺入最为13%,15%,17%时,水泥土的无侧限抗压强度从7天到90天快速增长。90天以后强度增长缓慢:但是水泥掺入量为19%,21%的水泥土90天以后无侧限抗压强度仍20有较大增长,说明水泥掺入量对水泥土的吸水水化反应所需时间有一定的影响。4对照其它水泥土室内试验成果,本试验所得结果,符合一般规律。例重彘鼎出蝠鞋蘑限2.521.5l0.5图3一l强度随龄期增长而增大的变化规律龄期(d1012141618202224水泥掺入量(%图32水泥掺入量与强度的关系曲线l975319753色LLLLLmmm仉(它垒n口避想础擦嗟暮限水泥土室内试验研究0240

53、斟200姒磬越160瞪1208040O时间(d图3强度增长率与时间的关系曲线如:京珠高速路广珠段部分桥台、涵洞的地基采用了粉喷桩进行处理,就其所做的水泥土室内试验资料来看“”,水泥土的容重与天然软土的容重相近,水泥掺入量17%时,水泥土的容重仅增加5%左右,水泥土的含水量比天然含水量降低约2040%,水泥掺入量17%的水泥土7天至90天龄期的强度在0.6 1.7MPa之间。3.3.4小结通过水泥土室内试验分析,可以得出以下结论:(1原状土的密度p=1.621.689/cm:,天然含水率=52.364.3%,试验软土含水率(1j-68.669.O%,水泥土试样的密度p=1.671.739/cm3

54、,含水率(_=43.645.1%。随着水泥掺入量的增大,水泥土的容重略有增大,最多不超过6.8%。由于水泥的吸水水化热反应,水泥土的含水率比原状软土的含水率降低2025%。(2原状土的无侧限抗压强度趋于零(既自重作用下也要下垂变成鼓形,水泥土室内试验研究本次试验中,水泥土90天龄期的强度在1.21.8MPa之间。水泥土的强度随着龄期的增加而增大。(3对于不同的水泥掺入量,水泥土强度的快速增长期有所不同。例如水泥掺入量17%,龄期90天的水泥土强度1.517MPa。若以各种水泥掺入量水泥土28天的强度为基准,第90天时强度增加5982%,第180天时强度增加64118%。(4水泥土强度随水泥掺入

55、量的增加而增大。水泥掺入量2l%的强度较17 %的强度提高22%以上,较13%的提高6287%。o蛊卜6时d H v谜隈幽辐盛暮献g爿熙篙_摧萋s砍f林嚣捌牛霎趔诛露趔睁露捌/嗨辩、椿嚣培阱_露测林嚣捌牛露趔林嚣趔睁霜测H路堤稳定验算第四章软土路基处理常规计算分析4.1路堤稳定验算4,1.1路堤稳定计算的基本理论“1根据公路软土地基路堤设计与施工技术规范,地基、路堤整体抗剪稳定验算应采用圆弧条分法,如图4一l所示。采用总应力法,有条件时可用有效应力法(准毕肖普法计算安全系数F。(1总应力法当采用总应力法计算安全系数F,可按公式(41计算:F:坠坚!±型(41只j瓜j /杪路堤么NL1

56、1l e Z图4-1F的计算图式式中地基的抗剪强度采用总强度力(天然十字板抗剪强度,或采用直剪快剪指标c。、妒。值。但路堤填料的抗剪强度则用直剪快剪指标c。、p。值。26路堤稳定验算式中:i、J分土条编号;只一一各土条在滑弧切线方向的下滑力的总和,B=(彬sina,+(%sinorJ+M/Rs,地基土内(AB弧抗剪力,S,=r,上j(不考虑固结作用时,或sI-形COSGltan,q,+c厶;s路堤内(BC弧抗剪力,Si=%cosa卢%-I-c“Lj;P,当第J土条的滑裂面处于路堤填料内时,若该土条滑裂面与设置的土工织物相交,则_P为该土层土工织物每延米宽(顺路线方向的设计拉力;(2有效固结应力法当采用有效固结应力法时,按公式(4,2计算。式中地基及路堤的抗剪指标均由直接快剪试验获得。F:坠竺!±曼±型(4_2绵j式中:S,=%,cosaJall%+c