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海相软土地区水泥土搅拌桩复合地基沉降特性分析.pdf

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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。研究生签名 之晶 It期尘丕Z至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 王塾 导师签名 日期Z Z二第一章绪论1.1研究背景第一章绪论自1988年我国第一条开工建设的沪嘉商速公路建成通车以来,高速公路建设进入了一个飞快发展时期,沈大、京津塘、沪宁、沪杭、宁杭、连徐,汾灌等高速公路相继建成并通车。沿海地区是我国高速公路分布密集地区。到2004年底,上海高速公路总里程突破540公里,广东、江苏两省均超过2000公里,浙江省突破1000公里。其中,上海,广州等地区以三角洲相沉积软土为主,而连云港、宁波、天津等地以海相沉积软土为主。以江苏沿海的高速公路为例,连徐、汾灌,连盐、沿江、通启等高速公路均有大部分软土地基需要处理,占全线的50%以上。在软土地区,往往通过地基处理的办法来减小地基的工后沉降。对于高等级公路的软基处理,可用的处理方法有换土法、排水固结法、深层搅拌法、高压喷射注浆法、振冲碎石桩法等许多方法。对于桥头软基多采用打设路堤桩Embankment Piles,这种方法能较好的控制总体工后沉降和差异沉降,并且适合快速填土。路堤桩可采用碎石桩、挤密砂桩、石灰桩、二灰桩、水泥土搅拌桩、木桩、混凝土灌注桩和预制混凝土桩等。在发达国家,木桩、混凝土灌注桩和预制混凝土桩应用较多。在国内,由于其造价较高,不适合我国国情,因此很少使用。国内应用较普遍的是碎石桩、挤密砂桩、石灰桩,二灰桩和水泥土搅拌桩等,其中在江苏省,尤以水泥土搅拌桩应用最广。目前,水泥搅拌桩已广泛应用于江苏省软土地区高等级公路建设当中。为使搅拌桩更好地服务于不同成因的软土地区高等级公路的建设,有必要更深入地研究搅拌桩复合地基的性状,特别是其沉降规律的研究。本文着重研究粉喷桩在海相软土地区的沉降特性,1.2研究现状深层搅拌法根据采用的固化剂的不同可分为水泥系搅拌法和石灰系搅拌法。本文主要研究水泥搅拌桩软基处理方法在沉降方面的特性。以下从国内外发展概况开始介绍1,2.1国内外发展概况根据施工方法的不同,水泥土搅拌法可分为粉体喷射搅拌法和水泥浆搅拌法两种方法。1国外的搅拌桩法发展①水泥浆搅拌法水泥浆搅拌法,又称为“湿法”搅拌法,CDM法Ⅲ。二战后,水泥系深层搅拌法始于美国。被称为Mixed.in-place Piles简称为MIP。1953年,该法被引入日本,1974年由日本港湾技术研究所、川崎钢铁厂等厂家合作开发研制成水泥搅拌固化法CMC法,用于加周钢铁厂矿石堆场地基,加固深度达32m。接着日本各大施工企业接连开发研制出加固原理、固化剂相近,但机械规格.施工效率各异的深层搅拌机械。这些搅拌机械一般具有偶数个搅拌轴二根,四根或八根,每个搅拌叶片直径可达1.25m,一次加固的最大面积达9.5平方米。因此,常在建筑中的防波堤、码头岸壁及高速公路商填方下的深层软土地基加固工程中应用该法。到1995年为止,日本采用深层搅拌法加固海底软土的工程量已达1640万n,。加固陆上软土800万m’。一跃成为日本软土地基加固方法中应用最多的一种方法。②粉体喷射搅拌法通过专用的粉体搅拌机械,用压缩空气将粉体固化剂石灰粉或水泥粉均匀地喷入所需加固的地基中,东南大学硕士学位论文凭借钻头翼片的旋转使粉体和软土充分搅拌混合,形成搅拌桩。1953年日本清水建设株市会社从美国引入就地搅拌桩MIP施工方法。后开发出以螺旋钻机为基本施工机械的CSL法、MR.D法以开发公司名称的首字母命名。1967年日本港湾技术研究所参照MIP工法的特点,研制成两类石灰搅拌机械,形成两种施工方法一类为使用颗粒状生石灰的深层石灰搅拌法DLM法;另一类为使用生石灰粉末的粉体喷射搅拌法删法的前身。日本在1974年对软土地基加固工程中,开发了使用生石灰粉末的粉体喷射搅拌法DJM法。从1974到1984年间,日本采用DJ M工法的工程有8处,加固土量约12万mj。加固深度可达10m-30m。水泥搅拌固化法CMC法是在石灰搅拌法的基础上,于1974年由日本港湾技术研究所、川崎钢铁厂和不动建设株式会社等单位对石灰搅拌机械进行改造并开发成功,用于加固钢铁厂矿石堆场软土地基,加固深度达32m。2我国的水泥搅拌桩法研究与发展①水泥浆搅拌法国内冶金工业部建筑研究总院地基所和交通部水运规划设计院子1977年10月开始联合研制水泥浆深层搅拌法及机械设备,1978年末制造出国内第一台SJB.1型双搅拌轴、中心管输浆、陆上型的深层搅拌机具及配套设各,于1980年在上海首次应用并获成功。同年11月由冶金部基建局主持,透过了“饱和软粘士深层搅拌加固技术”鉴定。1980年初天津市机械施工公司与交通部一航局科研所等单位合作,对日本螺旋钻机进行改装,研制成单搅拌轴、叶片输浆型深层搅拌机。1992年12月国内第一台深层搅拌桩组在烟台港西港池二期工程中进行工程试点获得成功,从而结束了我国没有海上深层搅拌施工的历史。②粉体喷射搅拌法我国铁道部第四勘测设计院于1985年开发成功石灰粉喷射搅拌法后,在1988年与上海探矿机械厂联合研制成功GPP-5型粉体喷射搅拌机。后来铁道部武汉工程机械研究所与上海华杰科技开发公司也先后制造出既能喷粉、又能喷浆,全液压步履式的PH-5和GPY 16型单轴粉喷桩机,使国内粉喷桩的施工长度可达到25m。1992年由铁四院和武汉空军雷达学院研制成功GS一1气固两相粉体流量计,从而使粉体搅拌技术的计量更趋完善。杭州市温州路27号住宅楼改建工程和上海探矿机械厂车间厂房地基加固工程是国内采用水泥喷粉技术进行软基搅拌加固晟早的2个实例。另外,铁四院在1981年至1983年研究开发软土粉喷桩加固技术和设备121。并且,铁道部于1984年首次成功运用于广东省云浮硫铁矿铁路专用线软基加固。随着江苏省高速公路建设的发展,粉喷桩复合地基在高速公路地基处理工程中锝到了大量应用和发展。1.2.2粉喷桩复合地基优势分析现状郭庆海、周顺华等2006p憾结苏嘉杭高速浙江段的沉降规律得出塑料排水板非超载预压的软士处理厚度比塑料排水板超载预压的小稍大于搅拌桩的软土处理厚度,但在路面层旅工期间的沉降在25cm以上。对控制工后沉降很不利。而水泥搅拌桩处理段路堤填筑期末,沉降速率收敛快;在路面层施工期间,沉降速率很小;营运后,沉降增加不到lcm。该作者认为采用水泥搅拌桩处理14m以内的软土地基,可以较好地满足高速公路工后沉降的要求,见表1.1和图l·l。表1.1典型监测断面概况2第一章绪论暑。如世褰州一I∞图1-1典型断面载荷沉降历时曲线类似工程实例也说明粉喷桩复合地基处理14m以内软土地基,实测沉降量相对较小,其总沉降得到明显控制。在路堤填筑完成后,沉降速率收敛很快.在路面结构层施工期同,沉降速率很小,沉降基本没有明显的增加。与其他软基处理方法相比,水泥土搅拌桩复合地基的加固后土体重度基本不变,不会因此增加下卧层的附加沉降;再者,其施工较为简单,振动小,噪音低,对周围环境影响也小;另外,由于桩身早期强度提高较快,施工效率高,因此,特别适用于工期紧的市政、交通和水利等工程。此外,对粉喷桩的革新研究也方兴未艾,值得关注张留俊等2003[4j将粉喷桩与抗滑桩普通钻孔灌注桩结合起来,成功应用到连徐高速公路中,为软土地基的路基稳定开辟了新途径。刘松玉等2005151在分析常规粉喷桩加固软土地基存在问题的基础上,提出了排水粉喷桩复合地基加固软土地基的技术2D工法.该工法充分利用粉喷桩和排水板的优点,将二者有机结合,达到经济,有效加固软土地基的目的。通过排水板的排水排气作用,粉喷桩旃工质量得到了显著改善,桩身强度明显提高;排水粉喷桩复合地基能经济有效的加固软土地基,特别是高含水量软土地基。本试验段的经济对比分析表明,与常规粉喷桩相比,2D工法能节省工程造价约35%,是一种值得推广的地基处理新技术。刘俊新等2007[61为了同时发挥粉喷桩和士工格栅在处理软土地基的作用和增加桩体所承受的荷载及桩土应力比,在柔性基础下的桩体复合地基上常在桩顼铺设一层或多层土工网,形成桩.两复合地基。桩.网复合地基使地基的加固在水平向和竖直向对抵抗变形的能力得到了增强。本文基于将传统的水泥搅拌桩具体应用到海相软土地区的高速公路工程实例,结合实测数据,深入分析水泥土搅拌桩复合地基沉降特性。1.2.3沉降影响因素研究现状软土的主要特征表现为天然含水量高接近或大于液限,天然孔隙比大一般大于1.o,强度低,灵敏度高;透水性弱渗透系数K107cm/s~10%m/s,压缩性大。因此软土地基具有承载力低,沉降量大,固结完成时间长等不利的工程特性,在软土地基上修筑高速公路,多年来一直是公路建设的一个重大技术课题。软土在我国沿海一带分布很广,长江三角洲、珠江三角洲、渤海湾以及浙江省和福建省的沿海地区等都有大面积的软土。这些地区的土层以海相沉积为主,其固体成分多为有机质和矿物质的综合物,厚度由数米至数十米不等,并呈带状分布。我国内陆地区的软土属湖相沉积,主要分稚在洞庭湖、洪泽湖、太湖及滇池等湖泊的周围,厚度较小,一般约10m左右,晟深不超过25m。位于各大河流中下游地区的软土属河滩沉积,如东北的三江平原等。此外,内蒙,东北的大小兴安岭及南方和西南的森林地区还存在属于沼泽沉积的软土。3雏∞Ⅺo薹簪簟东南大学硕士学位论文我国交通部行业标准‘公路软土地基路堤设计与旌工技术规范JTJ017-96以下简称软基规范将软土定义为“滨海,湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量商、孔隙比大、压缩比大、抗剪强度低的细粒土”.其鉴定标准如表1.2|【71表1.2软土鉴别表JTJ017-96软土除具有相似的物理力学特性外,按成因类型可分为两大类别第一类属海洋沿岸的淤积;第二类属内陆,山区及河、湖盆地和山前谷地的淤积。大体上,后者常呈零星分布,沉积厚度较小。前者分布较稳定,厚度较大。通过软土地基地段的高速公路,主要存在两个问题地基稳定性与不均匀沉降。但从近几年已建成的通过软土地基地段的高速公路观察结果看,地基稳定情况基本较好,而不均匀沉降依然存在,特别是通过构造物的地段沉降问题较大.水泥土搅拌桩复合地基沉降的影响因素包括1水泥掺入量徐超、董天林等2006f8】在江苏省连盐高速公路连云港试验段,根据场地的地基条件,在室内配比试验的基础上。进行了多种配比和不同施工工艺的水泥土搅拌桩成桩质量研究。结果表明;除了水泥掺入量对成桩质量有决定性影响外。地基土含水量也有较大的影响,在一定的范围内搅拌次数影响不大。2地基土含水量粉喷桩质量的优劣主要反映在粉喷桩的强度指标上,这不仅与掺入粉体的质量,施工工艺、地基土的性质有关,而且与含水量的关系密切。规范规定,地基土的天然含水量在小于30%或大于70%时。不宜采用粉喷桩。因为当土的含水量小于30%时,土中的水份不足以使粉体进行水化作用;当含水量大于70%时。含水量过高的土壤往往孔隙比大,若按常规掺入粉体数量,由于水分过多形成不了足够强度的水泥土桩体,将严重影响粉喷桩的强度,在这种情况下必须增加粉体的掺入量和采用复搅的施工工艺。高含水量、大孔隙比和粘粒含量多时,土周边的束缚力极低,当钻头反转提升喷灰时,产生一个垂直向下挤压力和一个径向水平推力,由于士呈流塑状,束缚力极低。桩体在成形过程中向下及向四周水平向排水。影响形成竖向桩体,通常形成所谓“掉桩”或“下沉”,常为地表下1~2mI,J。3桩底空气压力刘亚楼等1999ito]从粉喷桩加固软土地基的机理及施工实践出发,对直接影响加固效果的物料气力输送系统的压力损失加以再研究,包括现场管道压力实测、理论分析、质量检测等,并得出适用于施工控制的管道压力损失、施工管道长度等参数。粉喷桩管道压力损失随输灰管道长度而增加,且与垂直和水平管段的长度相关,由于旖工过程中垂直管段长度和水平管段长度是不断变化的,计算分析和实测结果会有不同,其管长100m以内时,管道压力损失一般为0.10~O.22MPa.粉喷桩最大加固深度与送灰器最大压力及地层地质情况有关,输灰管及储料罐最大压力为0.5MPa,桩底最深处至少要维持与土压力相当的空气压力才能保证高压空气携带水泥粉顺利到达桩直径处。由此推算粉喷桩一般施工桩长不宜大于15m验证了有关规范规定值,否则应采取保证喷粉量的措施。4有效桩长有效桩长是指当桩的形状,截面积、桩身材料等和地基土的特性一定时,在桩顶沉降一定的情况下,随着桩长的增大,桩承载力的增加渐趋缓慢,当桩长达到某一数值、桩承载力的增加几乎为零时,取桩承载力增加非常缓慢的某一点所对应的桩长,也称临界桩长.有效桩长对水泥土搅拌桩复合地基沉降的影响是显而易见的。沪宁高速昆山段试验表明,在桩长llm范围内的沉降量与桩尖以下沉降的比值达11.5,下卧层沉降明显较大。查阅其他资料也证明,当粉喷桩打穿软土层进入较硬的持力层沉降很少;若未打穿软土层,成为悬浮式时沉降就大。地基的过大沉降,说明桩尖下卧软土层的沉降还相当大,而且持续时间较长,将不得不重新进行处理甚至报废。目前高速公路不断向沿海近海地区延伸,遇到的深厚软土越来越多,而且是现有粉唼桩机所达深度远远不及的。如何来解决这个问题,除了进一步提高机械设备的性能外,在设计理论上也需要有一个突破。4篁二皇堡望经绯、刘松玉等2006【111对某高速公路粉喷桩未穿透软土层的桩号点见表1.3沉降进行分析得出这些点的固结度明显偏小,后期沉降不容忽视。表1.3桩长未穿透软土层的桩号表1.2.4沉降预测与计算研究现状1.2.4.1沉降预测方法沉降预测方法中,以曲线拟合法应用最广,而双曲线法、指数曲线法、对数曲线法、Asaoka法等是常见的曲线拟合法。另外利用实测沉降和孔压资料对地基土的固结参数进行反演,然后预测沉降。也有不少成功例子。下面着重介绍应用较多的双曲线法和Asaoka法1双曲线法对于高压缩性软粘土来说,其应力.应变关系明显呈非线性,见图1-2。当把S一曲线的起点改在to处时,则沉降曲线将接近于双曲线,可近似地用双曲线方程表示,即S,-毛;CS.吲未% “。1’则生±,- .二§ 1.2s.一so S。一So s。一so即矗刊堋训 “3’曼_t时刻路堤沉降量瓦对应fo时刻的实测沉降量;&地基的最终沉降量;口综合反映地基固结性能的待定系数;A、卜作图二垒一O一如所得直线趋势线的截距和斜率,s|一So东南大学硕士学位论文≯、弋 ; t\沉降暑s圈1-2双曲线圈2Asaoka法Asaoka法是另一种推求计算方法,依据一定时间过程所得的沉降观测资料推算最终沉降量和沉降速率。其基本原理是Mikasa于1963年提出单向固结微分方程也可用竖直f句体积应变形式表示,即丝;c丝 1.4百“,i ”17而上式可近似地用一个级数形式的普通微分方程来表示m警%窘.--aa争a 化,,式中s.-表示固结沉降量;口I,吒,%和b一是取决于固结系数和土层边界条件的常数。Asaoka观测法就是利用已有的沉降观测资料求出这些未知数,然后根据这些已确定的参数预估出未来的沉降量。Magnan和Mieusseus1980对于单面排水均质土层的~维固结情况,把式1.5转成s西5虿hZidS..‘2_’勺‘ 1.6式中F。表示为厚度刁,土层顶部z0的最终垂直应变·同时。沉降历时关系曲线st可分离成铲j△t, j1,23..,且△t为常数;岛s妈 1.7则式1.5可用n阶递推关系表示如下一2磊丢岛% 1.8对大多数实际情况,通常取第一阶近似n1就已足够,因此式1.5和1.8就可简化如下争6 1.9。、三。芝其中,1 12 Es|2氐簿Ia 1.10设土层的初始与最终沉降量分别为So和S。,则式1.9的解为6第一章绪论s订最一& 踟一一三1\oi,仁ao时,很显然S“2Si 2Sm·代入式1.10得s。氏/I一∞这样,递推关系式1.10变为驴南一南一弘r比较式1.11和式L13,可知系数由下式决定ln属一尝一旦5 x导h出~ 口。 2f1.121.131.14且上式仅当IAtla·峰1时才成立。Asaoka根据公式1.10表示的递椎关系,提出了一种图解法。其步骤如下将绘在算术比例图上的沉降历时曲线分成相等的时间间隔△t。从图中读出相应时间t1,t2,...时的沉降量Sl,S2,,如图1.3所示。以sjl为x轴,以sj为Y轴,将各沉降值S1,s2,...的点sj-l,sj在图中画出,同时作出肆1碴的45。直线,如图1-4所示。量且j5品毛圈1-3将沉降历时曲线分为相等的时问段圈 图14 沉降值及其直线调整图作直线1与这些点吻合。直线1与450直线相交的点所对应的沉降量Sj即为最终固结沉降量。直线1的倾斜角B则表示沉降的速率。倾斜角13的大小取决于所选的时间间隔At,亦即随At的增加而减少。可根据公式1.14求出固结系数。当观测时间较长时,有时会出现两条直线I和II与数据相吻合的情况,如图l一5所示,直线II位于沉降曲线的尾部,因而表示次固结沉降阶段的沉降。在多级加荷的情况中,对应于每级荷载都有直线与数据相吻合,如图1-6所示。sj-/ 盯--/圈1.5一级加荀时AsaoI‘I法及次固结 图l石多级加荷时AIaol‘量法及次固结3预测方法的讨论潘杯有、谢新宇等2004㈣采用指数曲线法,双曲线法和Asaoka法对两个实际工程进行后期预测得到双曲线的曲线拟合关联度最高,即双曲线法的预测效果好,如表1.4。7东南大学硕士学位论文表1.4各预测图的关联度分析辜清华、何良德200603]在多级荷载下双曲线预测模型的基础上,结合相对时间坐标系的引入,推广双曲线模型。认为双曲线模型为纯数学模型,不受物理指标制约,参数的反演值依赖于实测沉降值,且预测精度不受相邻级荷载沉降的影响。绝对时间坐标系为第k级荷载下任一时刻的沉降量sm. 。 ft吐 1.156‘23”ijj;而式中,h为第k级荷载下拟合曲线时间零点,S0k为该级荷载下相应于饥时刻的沉降,Ak和Bk为第k级荷载下的待定系数。相对时间坐标系为若令t-tok--t,St-Sok_s。, 即以tobs∞为第k级荷载下相对时间坐标系的零点,则第k级荷载下,相对时间坐标系中改进的双曲线模型为最赤 “‘16’式中,t为相对时间,Ak和Bk为第k级荷载下的待定系数,s‘为t时刻的相对沉降量。最后,该作者认为在同级荷载下,两时间坐标系下的参数A和B是一样的,只是代入反演计算时,前者用绝对沉降量和绝对时间,后者用相对沉降量和相对时间。所以,两种方法预测的精度是一样的。文章得出苏嘉杭高速公路观测数据预测表1.5。表1.5改进的双曲线沉降预测表杨涛,李国维等f2004【”】在传统双曲线法预测的基础上,提出一种软土地基上路堤分级施工情况下沉降预测的模型。该模型将沉降拟合方程中的待定参数在2个不同荷载级中分别确定,利用较长预压期的前一级实测沉降,预测最终沉降。郑永胜等099s[tsI提出预测地基沉降的变速率指数迭代预测模型。并对该模型的原理进行了讨论。首先根据沉降量变化速率数据序列提出常速率指数迭代预测模型。即sm 2 s-”.在此基础上考虑到地基沉b1一J一宇生降系统的变化速率8i值是变量,构造出变速率迭代预测模型sm 2s,一,其中, o一篇4,。该变速率迭代预测模型的建模是受灰色理论GM1,1预测模型的启发建立起来的。实际预测结果,无论是拟合精度,还是预测精度,都优于灰色理论OM1,1预测模型的精度。何薪基等0995[16l指出线形化后的曲线拟合参数不是无偏估计量,并采用Newton法和Marquardt法对曲线回归方程系数进行优化,提高了拟合精度。曲线回归模型的系数经过优化改正后,其残差平方和及剩8第一章绪论余标准差依次减少,相关系数R随之增大,拟合精度大大提高。梁增1量1995‘”1分析了四种拟合曲线的预测性能,如图1-7。根据土坝沉陷的时序规律性强的特点,提出沉陷全过程应分段拟合建立回归方程,并在不同时间段选配不同的数学模型。图1.7标点60-5的沉陷过程线袁田民等1995删建立均时粗模型,再用程序建立均时精模型拟合模型,预测近期、长期沉降量和沉速。由粗模xt建立拟合模型GMtk,步骤如图1-8。最后采用后验差比值c及小误差概率P评出拟合模型的可信度、残差中误差。累计沉降数列xlm★景计预测沉降数列“tk★拟台沉降值耶★沉降速率“i图1.8均时精模型魏迎奇等1998【l 9l假定不同的固结系数进行循环计算,选取与部分实测沉降资料拟合精度最高的基础沉降过程作为沉降预测过程线,并认为该固结过程对应的固结系数即地基的实际平均同结系数。潘林有,谢新宇2004印l提出根据实际的沉降一时间曲线形状来决定曲线类型,仍滩以确定哪种曲线拟合效果最佳,并且认为一般来说,拟合效果在进行时间修正后更好。祝鸿等2005t21】运用灰色理论预测粉喷桩复合地基最终沉降。该法取填土放置期达3个月时所有沉降数据,对未来3个月内的沉降进行预测,误差基本小于5%。此外,该文还比较了灰色方法与双曲线法、三点法的预测效果,得出该法有更高的精度。考虑到双曲线法应用的广泛,本文将在前人对双曲线法预测沉降的研究和计算的基础上结合工程实测数据进行计算与分析。1.2.4.2水泥土搅拌桩复合地基的沉降计算方法姜燕玲等20051221现场实测了路基的沉降变形,并用有限差分方法计算分析了粉喷桩复合地基的沉降变形。通过比较分析,指出粉喷桩复合地基,能减少加固区的沉降量,但对于下卧层的沉降量影响不大。如果存在较厚的软弱下卧层。沉降量主要来自于下卧层。建议粉喷桩穿过软土层更为可靠。9
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