软土路基加固.docx

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软土路基加固

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1复合地基概论

当天然地基不能满足结构对地基的要求时，需要进行地基处理或采用桩基础。

地基处理的方法很多，尤其是近二十年来，随着土工工程建设持续、告诉发展，地基处理技术已经有了极大的发展。

复合地基是指天然地基处理过程中部分土体得到加强、或被加强、或被置换、或在天然地基中设置加筋材料。

加固区是由基体（天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基。

根据地基中增强体的方向可分为水平增强体和竖向增强体复合地基。

水平增强复合体地基主要包括各种加筋材料，如土工聚合物，金属材料格栅等形成的复合地基。

竖向增强体习惯上称为状体复合地基。

桩体复合地基根据竖向增强体的性质可分为三类：

散体材料复合地基，柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。

散体材料复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度，单独不能形成桩体，只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。

散体材料桩复合地基的承载力主要取决于散体材料的内摩擦角和周围地基土能够提供的桩侧侧阻力。

散体材料复合地基的桩体主要形式为碎石桩、砂桩等。

柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定的粘结强度。

柔性桩由部分强度高的土与其它掺合料构成，桩身强度较高。

为保证桩土共同作用，通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。

刚性桩复合地基较散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基具有更高的承载力和压缩模量，而且复合地基承载力具有较大的调整幅度。

散体材料桩复合地基，柔性桩复合地基和刚性桩复合地基，由于其作用机理不同，破坏模式不同，其承载特性及变形特性也不相同，三类复合地基有各自的承载力及沉降计算方法，其设计方法也有一些差异，因此应分别加以研究。

近年来，在砂石桩、水泥土类桩等柔性桩复合地基的理论和实践逐渐成熟的情况下，刚性桩复合地基技术也日益得到广泛推广。

其中水泥粉煤灰桩（简称CFG）就是刚性桩中的一种，由于这种桩刚度较大，不仅可以发挥桩的侧阻，桩端若落在好的土层，还可以比较好的发挥端阻作用。

刚性桩复合地基与其他类型的复合地基相比，地基的承载力提高幅度大，桩体质量和桩身完整性都比较好，目前已在全国23个省、市自治区推广应用，特别是近几年来，CFG桩复合地基技术在高速铁路路基中广泛应用，现在已成为地基处理最为普遍的地基处理技术之一。

刚性桩复合地基的设计思想是由中国建筑科学研究院黄熙龄院士提出，中国建筑科学研究院地基基础研究所于1991年开发成功的CFG桩复合地基。

为了提高复合地基承载力、减少沉降，将碎石中掺入水泥和粉煤灰，于是形成了粘结强度较高的CFG（CementFlyashGravel）桩，CFG桩具有刚性桩的形状。

为保证桩-土能共同作用，在桩顶铺设一定厚度的砂石褥垫层，以利于桩顶向下刺入，由桩体、桩间土和褥垫层一起构成了CFG桩复合地基。

阎明礼、吴春林、张东刚等对CFG桩复合地基进行了系统的研究。

阎明礼曾对CFG桩的作用机理，设计方法进行了全面的阐述。

吴春林采用CFG桩加固软黏土，也取得了较好的效果。

他还讨论了CFG桩复合地基承载力的简易计算方法。

张雁也对CFG复合地基形状进行过分析。

褥垫层技术是刚性桩复合地基的核心技术。

杨军对褥垫层的作用进行了讨论，阎明礼研究了CFG桩复合地基中褥垫层技术。

王长科考虑了基础-垫层-复合地基共同工作时褥垫层的调整均化作用。

娄国充考虑了带褥垫层的桩式复合地基各部分的工作特性及相互影响，分析研究了其受荷机理、影响桩土应力比和复合地基承载力的诸多因素。

李宁采用数值方法对复合地基中褥垫层的作用机理进行了研究，刘润分析了带褥垫层复合地基的作用机理，并进行了现场试验研究。

毛前、化建新也讨论了褥垫层的作用。

除了CFG桩复合地基外，研究者开发了很对其他种类的刚性桩复合地基，例如二灰混凝土桩复合地基。

粉煤灰混凝土桩复合地基及其他低标号混凝土桩复合地基等。

傅景辉推导出在荷载作用下，当桩端土层为温克尔地基时，桩土应力比的设计计算公式，并对影响应力比的因素进行了讨论。

郑刚讨论了刚性桩复合地基承载力的检验方法等。

国外应用较多的是碎石桩和砂桩。

Asaoka研究了挤密砂桩对深厚软土的固结作用。

Oikawa探讨了挤密砂桩设置后对软土产生的扰动。

Leung对五组不同直径的砂桩进行了荷载试验，研究砂桩在不同的置换率下（1%-16%）桩土荷载分担及应力集中系数。

Juran研究了挤密砂桩复合地基的沉降问题。

Bargardo对曼谷黏土进行了不同粒径及不同配比的砂石桩的大型静荷载试验。

日本除进行砂桩、碎石桩的研究外，也应用了石灰桩和水泥土桩。

日本是复合地基研究和应用较多的国家，也是石灰桩应用最广泛的国家，尤其是石灰桩施工机械自动化程度较高。

总而言之，由于复合地基中增强体材料种类较多，导致增强体刚度变化很大，渗透固结特性差别较大，而地基土性质也相差甚远，因此各类增强体复合地基作用机理各不相同，寻求统一的设计计算理论是不可能的。

工程建设需要使得各种新的地基处理方法应运而生，然而复合地基的理论远落后于实践，相信随着研究的深入，各类复合地基的作用机理及设计计算理论会日趋成熟。

2复合地基的作用机理和破坏形式

2.1复合地基的作用机理

组成复合地基中的增强体的材料不同，施工方法不同，则复合地基的作用也不同。

综合各类复合地基的作用，主要有下面5个方面：

（1）桩体作用

由于复合地基中桩体的刚度较周围土体大，在刚性基础下等量变形时，地基中应力按材料的模量进行分配。

因此，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载将由桩体承担，桩间土上应力相应减小，这就使得复合地基承载力较原地基有所提高，沉降量减少，随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更为明显。

（2）垫层作用

桩与桩间土复合形成的复合地基，在加固深度范围内形成复合层，起到类似垫层的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用，在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，垫层的作用尤其明显。

（3）排水固结作用

除砂（碎石）桩、碎石桩等桩本身具有良好的透水性能外，水泥土类桩和混凝土类桩在某种程度上也可加速地基固结。

地基的固结，不但与地基土的排水性能有关，而且还与地基上的变形特性有关。

（4）挤密作用

对砂桩、土桩、灰土桩等，在施工过程中由于振动、沉管挤密等原因，可使桩间土起到一定挤密作用。

（5）加筋作用

复合地基可提高地基的承载力外，还可以用来提高土体的抗剪强度，因此可提高土体的抗滑能力。

国外将砂桩和碎石桩用于高速公路的路基或路堤加固以提高地基土体的稳定性。

每种复合地基都具备其中一种或几种作用。

各种复合地基的作用都是为了达到提高地基承载力，改善地基的变形特性，减少在荷载作用下可能发生的沉降和不均匀沉降，有时还为了改善地基的变形特性，减少在荷载作用下可能发生的沉降和不均匀沉降，有时还为了改善地基的抗震性能。

由于复合地基技术较充分地发挥了桩间土的承载能力，有效地节省了工程造价。

选用合理的增强体材料，如二灰混凝土桩复合地基技术，它合理地利用工业废料，能解决环境污染问题。

合理地选用和使用复合地基技术，具有较好的社会效应和经济效益。

这些优点是的复合地基技术具有较大的生命力，日益受到重视，并得到愈来愈多的应用。

复合地基现较多应用于大面积堆场基础、机场建设、油罐基础、港口码头地基处理、路堤，多层建筑以及高层建筑的基础。

2.2复合地基破坏模式

复合地基有多种破坏模式，复合地基按照那一种模式破坏与与类型、增强体材料的性质、增强体的布置形式等因素有关。

竖向增强体复合地基的破坏模式首先可以分成下述两种情况：

一种是桩间土首先破坏进而复合地基全面破坏；另一种是桩体首先破坏进而发生复合地基全面破坏。

在实际工程中，桩间土和桩体同时达到破坏是很偶然。

大多数情况下，都是桩体先破坏，继而引起复合地基全面破坏。

在外部荷载的作用下，复合地基的承载力达到极限时，复合地基就可能发生破坏。

竖向增强体复合地基破坏模式可以分为几种型式：

刺入破坏、鼓胀破坏、整体剪切破坏和滑动破坏。

如图a、b、c、d所示。

桩体发生刺入破坏如图a所示。

桩间刚度较大，地基土强度较低的情况下较易发生桩体刺入破坏。

桩体发生刺入破坏，不能承担荷载，进而引起复合地基桩间土破坏，造成复合地基全面破坏。

刚性桩复合地基较易发生刺入破坏模式。

鼓胀破坏模式如图b所示。

在荷载作用下，桩间土不能提供桩体足够的围压，以防止桩体发生过大的变形，产生桩体鼓胀破坏。

散体材料桩复合地基较易发生鼓胀破坏模式。

在一定条件下，柔性桩复合地基也可能发生桩体鼓胀破坏。

整体剪切破坏模式如图c所示。

在荷载作用下，复合地基产生图中的塑性流动区域，在滑动面桩体和土体均发生剪切破坏。

散体材料材料复合地基也比较容易发生整体剪切破坏，柔性桩复合地基在一定条件下也可能产生整体剪切破坏。

滑动破坏模式如图d所示。

在水平和竖向荷载作用下，复合地基沿某一滑动面产生滑动破坏。

在滑动面上，桩体和桩间土均发生剪切破坏。

各种复合地基均可能发生滑动破坏模式。

复合地基有多种破坏模式。

在荷载作用下，一种复合地基的破坏究竟去什么模式，影响因素很多。

它不仅与复合地基本身的结构模式、增强体的材料性质有关，还与荷载形式、复合地基上部基础结构有关。

具体分析时还应考虑各种影响因素综合分析加以估计。

2.3复合地基的分析方法

目前，关于竖向增强体复合地基的分析方法，归结起来有以下几类：

1.简化成平面应变分析

将复合地基中的桩体简化成沿纵向排列的等效置换率的墙体，简化后按平面应变问题处理。

这种方法虽然使计算模型得以简化，但与实际情况差别较大。

这种方法的缺点主要是没有考虑材料的特性，桩体一般是线弹性材料（在受力过程中表现处理的），而土体是非线性弹性材料，当然计算出来的结果就相差较大。

2.按“双层地基”分析

在复合地基中，如果将加固区和未加固去视为两种模量不同的均匀体，加固区模量用复合模量E'来描述，未加固区视为一般的天然地基上，那么由加固区和未加固区组成了一个“双层地基”，这就是“双层地基”法的计算模型。

1990年刘一林曾按平面应变问题对水泥搅拌桩复合地基以“双层地基”进行有限元分析。

这种方法的关键是加固区复合模量E'的确定。

“双层地基”分析的另一种方法，是将加固去视为由桩和土二相组成的均质各向异性的复合材料，通过恰当的方式建立反映复合地基整体特性的本构方程，在此基础上采用数值方法求解，用有限元法求解时单元剖分不必考虑桩的存在，节点未知量大为减少。

Sbllwebo等根据桩土界面处法向离平衡条件，对Voigt假设加以修正，获得了碎石桩复合地基本定律：

Canetta等考虑桩土界面法向和切向力的平衡以及竖向变形协调条件，根据复合材料的功能原理，获得了碎石桩复合地基复合体本构定律。

3CFG桩加固软土地基的特性

CFG桩的主要骨料为碎石，石屑是为了填充碎石空隙，改善骨料级配的次骨架材料，粉煤灰具有细骨料和低标号水泥的作用，可以提高桩体的后期强度。

CFG桩体强度一般在C10—C25之间。

水泥渗量较少时，桩体强度较低，接近散体材料桩的变形形状；水泥掺量较高时，桩体具有刚性桩的性状。

CFG桩与桩间土和由砂石、粗砂、碎石等散体材料级配组成的褥垫层共同构成了CFG桩复合地基。

CFG桩复合地基的加固机理

CFG桩复合地基的加固机理可以概括为桩体的置换作用，褥垫层的调整均化作用。

对于砂土，粉土和塑性指数比较小的粉质粘土，采用排土成桩工艺施工，达到设计桩长后，加入CFG填料，夯实成桩。

采用这样的施工，对土有一定的挤密效果。

桩体的置换作用

CFG桩中的水泥经水解和水化反应以及与粉煤灰的凝硬反应，生成了主要成分为铝酸钙水化物、硅酸钙水化物以及钙铝黄长石等不溶于水的稳定的结晶化合物，这些物质以纤维状结晶，并不断生长延伸填充到碎石和石屑的空隙中，相互交织形成空间网状结构。

将原来由点—点接触和点—面接触的骨料紧紧粘结在一起，使桩体的抗剪强度和变形模量均大大的提高。

所以在荷载作用下，CFG桩的压缩性明显比桩间土小，因此基础传给复合地基的附加应力，随地层的变形逐渐集中到桩体上，于是复合地基承载力较原有地基承载力有所提高，沉降量亦有所减小，随着桩体刚度的增加，状体作用发挥更加明显。

这一点正是碎石桩与CFG桩受力情况不同的根本点。

因为碎石桩桩体，材料是松散碎石，自身无粘结强度，依靠桩周围土约束才能承受上部荷载。

而CFG桩桩身具有一定的粘结强度，在荷载的作用下，不会出现压胀变形，桩承受的荷载通过桩周摩擦阻力和桩端阻力传至深层地基中，其复合地基承载力提高幅度比碎石桩大。

大量工程实践证明，CFG桩的桩土应力比是2～20，远远高于水泥掺量在5%～30%之间的水泥搅拌桩的桩土应力比是3～12，石灰桩的桩土应力比2.5～5.0和碎石桩的桩土应力比1.25～4.5，显示出CFG桩的桩体效应大大优于石灰桩、水泥搅拌桩和碎石桩等散体材料桩。

褥垫层的作用

在竖向荷载作用下，CFG桩复合地基由于褥垫层的作用，桩体逐渐向褥垫层刺入，桩体上部垫层材料在受压缩的同时，向周围发生流动；垫层材料的流动补偿使得桩间土与基础底面始终保持接触并使得桩间土的压缩增大，从而使得桩间土的承载力得以充分发挥，桩土共同作用得到保证。

垫层材料的流动补偿，使桩间土的承载力得以充分发挥、桩体承担的荷载相对减少，地基中的接触压力得到均化和调整，地基中的竖向应力分布得到均化，地基的变形状况得到明显改善，复合地基的承载力得到大大的提高。

此外，作用在桩间土上的竖向荷载的增大，使得桩侧法向应力增大、桩身侧摩阻力增大，桩体的承载力得到提高，从而使复合地基的承载力得到进一步的提高。

CFG桩复合地基承载力示意图如下图所示。

挤密和加筋的作用

CFG在成桩的过程中，不再向地基中注入附加水，桩体中的粉煤灰及水泥粉在水化时，对周围软土具有吸水。

散热和膨胀的作用，使周围的土体达到挤密的效果，CFG桩除了可以提高地基承载力之外，还可以提高到土体的抗剪强度，增加软土路基填筑的稳定性。

桩体的排水作用

CFG桩在饱和粉土和砂土中施工时，由于沉管和拔管的振动，会使土体产生孔隙水压力。

较好透水层上面还有透水性较差的土层时，刚刚施工完的CFG桩将是一个良好的排水通道。

孔隙水将沿着桩体向上排出，直到CFG桩结硬为止，这样的排水过程可以延续几个小时。

4CFG桩复合地基承载力的计算

复合地基承载力的计算

从已有的计算公式来看，复合地基承载力的计算公式基本一致。

龚晓南（1992）关于复合地基承载力有两种思路：

其一是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力，根据一定的原则将这两部分叠加。

基于此提出了面积比公式和应力比公式。

1面积比公式