长短桩复合地基

长短桩复合地基1、绪论2、水泥土搅拌桩复合地基的基本理论3、长短搅拌桩复合地基在深厚软土中的设计理论4、长短搅拌桩复合地基载荷试验及数据分析5、长短搅拌桩复合地基的有限元模拟及分析绪论1.1复合地基的概念复合地基具有两个基本特点：（1）加固区是由基体和增强体两部分组成的，是非均质的和各向异性的；（2）在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。复合地基已与浅基础、桩基础一道成为了工程中常见的三种地基基础形式。1.2复合地基的分类水平向增强体地基刚性桩复合地基柔性桩复合地基黏结材料桩复合地基散体材料桩复合地基竖向增强体地基复合地基根据复合地基的工作性状、增强体材料等不同，复合地基的分类标准也各异。分类简易示意图如下:1.3在南沙深厚软土地区应用长短桩复合地基问题的提出南沙地区河涌较多，河网密布，桥梁、涵洞较多，软基处理量很大。南沙大规模的市政道路建设中，广泛地使用水泥土搅拌桩处理桥头、涵洞等处。在南沙地区由于存在着深厚的软土层，全部搅拌桩都穿透软土层是不现实的，故设计搅拌桩复合地基大量存在着“悬浮桩”现象。南沙地区用搅拌桩复合地基处理软基时主要使用的都是同一桩长的复合地基。以南沙万环西路道路工程为例，桥头涵洞处设计的水泥土搅拌桩桩长主要控制标准如下：（1）软土层厚度H＜18m时，水泥土搅拌桩打穿软土层；（2）软土层厚度H≥18m时，水泥土搅拌桩桩长按18m控制。如此规定，显然不合理！道路工程的路基荷载相对而言较小，一般在100kPa～200kPa之间。对于深厚软土地基，由于其具有大孔隙比、高压缩性以及一定的结构性，因而承载力不再是主要控制因素，控制沉降成为地基处理的首要任务。根据勘察资料提供的土体的物理力学参数计算：从承载力方面来看，设计的搅拌桩复合地基的承载力超过设计值较多；从沉降方面来看，由于软土层深厚（大部分地区超过20m，甚至达到30～35m），搅拌桩桩体为“悬浮”状态，通过增大如此长的搅拌桩桩长来控制地基沉降明显是不经济的，若考虑到施工设备的性能、地质条件等情况，则在技术上也是不合理的。随着复合地基理论的不断发展和完善，基于对各种不同桩体的荷载传递机理和变形控制等方面的深入认识，工程实践中越来越重视对于多元复合地基的使用和研究。长短桩复合地基即为热点之一，已被越来越多的工程所采用，并显示出良好的技术和经济效益。本研究主要根据在广州南沙开发区的现场试验，研究了同一桩型（水泥土搅拌桩）的长短桩在处理深厚软土工程中的应用，如下图:复合地基附加应力曲线复合地基复合模量曲线模量/附加应力软弱下卧层桩间土体P长桩短桩垫层加固Ⅰ区深度加固Ⅱ区垫层区（1）设计水泥土搅拌桩桩身应力传感器；并通过现场试验，实测和分析水泥土搅拌桩桩身的应力传递规律、孔隙水压力、水泥土搅拌桩复合地基有效应力的传递规律以及长短搅拌桩复合地基表层附加应力分布和桩土应力比。（2）根据现场试验数据，分析研究单桩复合地基与多桩复合地基的相互关系；研究长短搅拌桩复合地基处理南沙深厚软土时的长短搅拌桩的承载力修正系数；（3）对复合地基进行现场试验和有限元数值模拟，研究用搅拌桩复合地基来处理深厚软土时的应力场分布、应变场分布和位移场分布；模拟对比研究四桩复合地基和长短桩复合地基的工作状况。主要内容2水泥土搅拌桩复合地基的基本理论2.1水泥土搅拌桩的定义水泥土深层搅拌法是通过特制机械——各种深层搅拌机，沿深度将固化剂（水泥浆、或水泥粉或石灰粉，外加一定的掺合剂）与地基土强制就地搅拌形成水泥土桩或水泥土块体（与地基土相比较，水泥土强度高、模量大、渗流系数小）加固地基的方法。目前深层搅拌法在可分为喷浆深层搅拌法和喷粉深层搅拌法两种。表2－1粉喷搅拌法和浆液搅拌法比较方法比较内容粉喷搅拌法（干法）浆液搅拌法（湿法）水份粉喷法在软土中能吸收较多的水分有利于地基土密度的提高，对含水量较高的粘土特别适用浆喷法从浆液中带进较多的水分对地基加固不利初期强度粉喷法初期强度较高，对加快填筑路堤较有利浆喷法初期强度较低搅拌均匀程度粉喷法以粉体直接在土中进行搅拌不易搅拌均匀浆喷法以浆液注入土中容易搅拌均匀计量粉喷法涉及气固两相流量，计量粉值不够精确喷浆法的液态计量容易控制外掺剂粉喷法在大量施工中难以加入添加剂、外加剂等浆喷法可较容易加入各种添加剂、外加剂成桩质量粉喷法成桩的上下部不易均匀，质量难以保持一致浆喷搅拌比较均匀，打到深部时挤压泵能自动调整压力，在一般情况下都能注浆液到软土中2.2水泥土的物理力学性质研究水泥土搅拌桩复合地基主要是通过将水泥灌入土中形成水泥土来处理各种不良地基的,水泥土的物理力学性质对水泥土搅拌桩复合地基有着重要意义。影响水泥土抗压强度指标的因素主要有：水泥掺入比、龄期、含水量、水泥种类、土质情况、养护条件、外掺剂、搅拌方式。2.3水泥土的室内外试验为了研究南沙水泥土的特性，从南沙万环西路第四标段取样进行了室内水泥土的配比试验。室内试验在中南大学土工实验室和力学馆完成，试验仪器包括无侧限压力仪器、三轴压缩仪、天平、量筒、刮刀、塑料膜、烘箱、铝盒、试模、搅拌容器等。试验中扰动土样制备根据《软土地基深层搅拌桩技术规范》（YBJ225-91）和《土工试验操作规程》(SD128-84)相关规定进行。表2-2水泥土室内配比试验(普通硅酸盐水泥+生石灰)试验序号普硅水泥掺入量(％)生石灰掺入量(％)完成试块数量7d14d28d90d1120333+132122333312433334140333+135142333+1361443337160333+1381623339164333+1310180333+1311182333312184333总计363642序号14d抗压强度（MPa)平均值（MPa)均方差变异系数第1组第2组第3组10.240.160.220.210.060.2820.230.240.240.240.010.0330.330.270.240.280.060.2340.240.160.350.250.130.5450.330.30.260.300.050.176*0.1790.1850.1760.180.010.0470.270.230.370.290.100.3580.320.340.320.330.020.0590.280.380.220.290.110.39100.380.480.430.430.070.16110.280.230.260.260.040.14120.280.270.280.280.010.03表2-314d无侧限抗压强度表2-428d无侧限抗压强度序号28d抗压强度（MPa)平均值（MPa)均方差变异系数第1组第2组第3组10.210.240.240.230.020.1120.270.250.390.300.110.3530.370.410.260.350.110.3240.350.260.290.300.060.2250.390.450.450.430.050.116*0.180.280.280.250.080.3370.410.350.380.380.040.1180.300.490.630.470.230.4990.500.250.320.360.180.51100.450.510.400.450.080.17110.290.360.340.330.050.15120.350.320.330.330.020.06表2-5万环西路1标段搅拌桩无侧限抗压强度统计表项目上值中值下值统计个数292929最大值（MPa）12.8015.6012.30最小值（MPa）0.230.230.23平均值（MPa）2.743.103.15标准差3.163.953.96变异系数1.151.281.26统计修正系数0.760.730.74标准值（MPa）2.092.272.33表2-7龄期处理后万环西路4标段搅拌桩无侧限抗压强度统计表项目上值中值下值统计个数797976最大值（MPa）3.492.883.15最小值（MPa）0.590.590.61平均值（MPa）1.301.271.22标准差0.630.480.55变异系数0.480.380.46统计修正系数0.940.950.94标准值（MPa）1.221.221.152.4室内试验和现场检测数据对比分析室内试验的变异系数比现场检测数据的变异系数小，即室内试验的影响因素比现场小，对分析数据有一定的优越性，但不能模拟现场的复杂情况。万环西路4标段现场检测试验数据大于室内试验数据较多，原因可能为现场检测试验在施工后约100～150天内进行，室内试验为14d，28d等测得的数据，说明龄期对搅拌桩强度的影响较大；建议以后选择统一的时间间隔（建议使用60d，工期紧张可选用28d），使之有可比性，或者建立南沙地区龄期与强度之间的关系公式。万环西路1标段部分检测试验数据整体较4标段检测数据大，可能与在施工现场存在“千层糕”状粉细砂层有关系，其遇水泥浆后凝结形成类水泥砂浆物，无侧限抗压强度比较高。现场试验数据整体比室内试验数据大，主要是现场与室内的养护条件及应力状态相差很大；另外，在长沙进行室内试验时，气温相对于广州南沙地区较低，对水泥土短期的强度增长有影响。根据1标段的检测数据，桩身强度值离散性较大。建议在工程实践中应通过试验确定搅拌桩在实际工程地点上的适用性。3、长短搅拌桩复合地基在深厚软土中的设计理论长短桩复合地基当中，长桩的设置不仅能够提高承载力，而且可将荷载通过桩身向地基深处传递，减小压缩层变形。而短桩的设置则主要是加固软土地基中附加应力更大的上部分。深厚软土地区的工程建设中，大量的软基处理并不是由于地基承载力不满足设计要求，而更多的是由于沉降或不均匀沉降不能较好的控制。因而，在深厚软土地区，复合地基沉降计算在复合地基中具有更重要的地位。3.1长短搅拌桩复合地基承载力控制理论单桩复合地基承载力设计特征值可由下式计算：/1spkapskfmRAmf（由桩和桩间土两部分提供）spkf——复合地基承载力特征值（kPa）；m——复合地基面积置换率，桩的截面积除以设计要求每一根桩所承担的处理面积；aR——单桩竖向承载力特征值（kPa）；pA——桩的截面积（m2）；skf——桩间土天然地基承载力特征值（kPa）；——桩间土承载力折减系数，当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩3.1长短搅拌桩复合地基承载力控制理论单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定；初步设计时可按下列二式确定，由水泥土强度确定的宜大于由地基土抗力所提供的：ppinisipaAqlquR1pcuaAfRpu——桩的周长（m）；n——桩长范围内的土层数；siq——桩周第i层土的侧阻力特征值；pq——桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）；il——第i层土层的厚度（m）；——桩端天然地基土的承载力折减系数；——桩身水泥土强度折减系数；cuf——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块。3.2复合地基下卧层强度验算1sfAA'fsA1GsAqsAspffspAsqAsG1Asf'AAfs1等长桩／长短桩复合地基（下卧层）受力分析图相对于等长桩复合地基，由于长短桩体的间隔布置，使得复合地基桩端受力由“面”变成“层”，增大了桩体与软弱下卧层的接触面积，分散了桩底应力的作用。充分发挥了土体的“拱形”效应；同时，在短桩以下加固区域的同一水平面上，桩体间距相对增大，有利于发挥土体的承载力。3.3水泥土搅拌桩复合地基的沉降计算理论复合地基的沉降计算较复杂，工程中适用的简化计算方法通常将复合地基的沉降量分为两部分，即复合地基加固区沉降和加固区下卧层沉降。21SSS3.3水泥土搅拌桩复合地基的沉降计算理论复合地基的沉降计算较复杂，工程中适用的简化计算方法通常将复合地基的沉降量分为两部分，即复合地基加固区沉降和加固区下卧层沉降。21SSSinicsiiHEPS11csiE——第i层复合地基的复合模量；ΔPi——第i层复合土上附加应力增量；Hi——第i层复合土层