控制工后沉降地基處理技術(shù)的發(fā)展(趙維炳)

1、控制工后沉降地基處理技術(shù)的發(fā)展,趙維炳,南京水利科學(xué)研究院,水　利　部交　通　部電力工業(yè)部,NHRI,報(bào)告內(nèi)容,控制工后沉降新一代地基處理技術(shù)的發(fā)展軟土特性和豎井固結(jié)理論研究超軟路基排水預(yù)壓固結(jié)法試驗(yàn)研究CFG樁復(fù)合地基加固高速公路深厚軟基技術(shù)研究排水固結(jié)加固軟基新型排水材料應(yīng)用研究預(yù)制預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基加固深厚軟基技術(shù)研究砼芯砂石樁復(fù)合地基加固深厚軟基技術(shù)研究SMW工法的設(shè)計(jì)理論與計(jì)算方法研究,NHRI,第一部分

2、 控制工后沉降 新一代地基處理技術(shù)的發(fā)展,1.1 前 言 1.2 工后沉降的概念及分類 1.3 按控制工后沉降進(jìn)行設(shè)計(jì)及帶來的影響 1.4 排水固結(jié)加固按控制工后沉降設(shè)計(jì) 1.5 柔性樁復(fù)合地基加固按控制工后沉降設(shè)計(jì)存在的問題1.6 結(jié) 語,NHRI,1.1 前言,工程實(shí)踐中，人們認(rèn)識(shí)到建筑工程僅僅保證穩(wěn)定性和安全還不夠，對(duì)變形的要求不斷提高； 按照穩(wěn)定性要求進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)

3、設(shè)計(jì)位移也遠(yuǎn)小于地基達(dá)到極限平衡狀態(tài)對(duì)應(yīng)的極限位移，有時(shí)地基的允許承載力直接根據(jù)允許位移來確定； 因此，工程實(shí)踐提出了設(shè)計(jì)以位移（多數(shù)情況下是工后位移）作為控制目標(biāo)的新要求，它隱含了穩(wěn)定性的要求。 雖然目前已有控制工后沉降和沉降速率的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際設(shè)計(jì)中執(zhí)行不嚴(yán)且計(jì)算粗糙，誤差較大，亟待解決的問題很多。,NHRI,1.2 工后沉降的概念及分類,工后沉降指建筑物竣工至大修或報(bào)廢止一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的沉降。它直接關(guān)

4、系到建筑物的使用效果和安全，而再以后和施工期的沉降并不對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，因此工程設(shè)計(jì)以工后沉降作為控制目標(biāo)是合理的。 工后沉降Sh按其產(chǎn)生的原因可劃分為加固體工后主固結(jié)壓縮量Sgh，下臥層工后主固結(jié)壓縮量Sxh、加固體和下臥層工后次固結(jié)壓縮量Sch三部分，即：,而每一部分工后壓縮量又可寫成對(duì)應(yīng)的總壓縮量S*與變形比增量V*=V*x-V*j之乘積。*表示以上三部分中的一種，x表示大修或報(bào)廢時(shí)，j表示竣工時(shí)。因此

5、工后沉降又可表示為：,NHRI,1.3 按控制工后沉降進(jìn)行設(shè)計(jì) 帶來的影響,控制工后沉降進(jìn)行設(shè)計(jì)將帶來許多重要的變化，主要包括： 設(shè)計(jì)方法的變化。 變形和固結(jié)計(jì)算方法的進(jìn)步。 計(jì)算范圍擴(kuò)大。 處理深度加大。 加固新型施工機(jī)械和施工工藝的發(fā)展。 測(cè)試技術(shù)和工程質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。,NHRI,1.4 排水固結(jié)加固 按控制工后沉降設(shè)計(jì),為便于對(duì)問題有清晰的認(rèn)識(shí)，先討論兩個(gè)實(shí)例。 例1 京珠高速公

6、路廣珠東線堆載預(yù)壓試驗(yàn)段軟土厚度40m以上，長(zhǎng) 353.43m，地基分層見下表，設(shè)計(jì)路堤高度為3.85m，實(shí)際填土高度5.18m(超載1.33m)。袋裝砂井梅花形布置，間距1.5m，直徑7.0cm，長(zhǎng)度15.0m，砂墊層厚度70cm，內(nèi)鋪兩層土工布。,堆載預(yù)壓試驗(yàn)路段地基分層情況,NHRI,計(jì)算最終沉降量,施工期18個(gè)月結(jié)束時(shí),竣工15年后,推論：①下臥層和次固結(jié)工后壓縮量是造成工后沉降過大的主要原因；②在軟土地基深厚的情況下

7、，地面下15m軟土層的壓縮量在地基最終總沉降中是主要的。,NHRI,例2 北京~珠海高速公路廣珠東線軟基真空聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)路 段長(zhǎng)255m，地基分層見表4-2，設(shè)計(jì)路堤填筑高度在4.8m。實(shí)際真空壓力80kPa，填土5.0m。砂墊層厚70cm，袋裝砂井梅花形布置，間距1.5m，直徑7.0cm，長(zhǎng)度20.0m。,真空聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)路段地基分層情況,NHRI,施工期12個(gè)月結(jié)束時(shí),竣工15年后,,真空預(yù)壓除可縮短工期外，還能有

8、效減小下臥層工后主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。,NHRI,控制工后沉降設(shè)計(jì)排水固結(jié)可按以下步驟進(jìn)行：①用分層總和法計(jì)算各土層最終壓縮量。②初定加固深度和間距等，分別用巴隆公式和太沙基公式等，計(jì)算施工期和大修期加固深度內(nèi)和下臥層固結(jié)度；按次固結(jié)理論計(jì)算次固結(jié)變形比。③計(jì)算地基工后沉降。④校核工后沉降是否在規(guī)定的值以內(nèi)，超出時(shí)加大加固深度重新設(shè)計(jì)。⑤驗(yàn)算地基的穩(wěn)定性。,NHRI,1.5 柔性樁復(fù)合地基加固 按控制工后沉降設(shè)計(jì)存

9、在的問題,對(duì)于柔性樁復(fù)合地基，按控制工后沉降設(shè)計(jì)的方法與排水固結(jié)方法中類似，但以下問題亟待研究解決： ①對(duì)加固體研究的重點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)移。 過去：加固體（如水泥土）的力學(xué)等方面的性質(zhì)及加固體壓縮量的計(jì)算； 按控制工后沉降設(shè)計(jì)：重點(diǎn)研究解決地面荷載隨深度的應(yīng)力擴(kuò)散和加固體 底部的附加應(yīng)力計(jì)算問題。只有解決了這個(gè)問題后，才能解決下臥層壓縮量的計(jì)算問題。,②加固體與下臥層的固結(jié)度計(jì)算理論和方法。③必須開發(fā)和應(yīng)用加固深度

10、能達(dá)到25m左右的新的復(fù)合地基處理方法。,NHRI,1.6 結(jié) 論,通過以上討論，我們可以得到以下結(jié)論： (1)地基處理以控制工后沉降為目標(biāo)是發(fā)展的必然，一些新的地基處理技術(shù)將得到開發(fā)應(yīng)用，真空聯(lián)合堆載法和CFG樁復(fù)合地基法等現(xiàn)有方法也將因其在工后沉降小等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。 （2）地基處理以控制工后沉降為目標(biāo)將帶來科研、設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)等方面許多重要變化。 (3))對(duì)深厚軟土地基，下臥層主固結(jié)和整個(gè)地基次

11、固結(jié)工后壓縮量在地基工后沉降中占很大比例。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)下臥層主固結(jié)和整個(gè)地基次固結(jié)的最終壓縮量及變形比隨時(shí)間變化的計(jì)算理論和方法的研究。 (4)為保證地基穩(wěn)定性和控制總沉降，目前對(duì)軟土地基進(jìn)行處理時(shí)加固深度一般定為10~15m，在軟土較厚情況下加固深度不夠，導(dǎo)致下臥層工后壓縮量和地基工后沉降過大，因此加固深度必須加大。,NHRI,第二部分軟土特性和豎井固結(jié)理論研究,真空壓力卸載軟土地基變形規(guī)律考慮軟土卸載再加載特性、流變性等

12、改進(jìn)軟土本構(gòu)模型豎井未打穿、粘彈性、成層地基固結(jié)理論非線性流變結(jié)構(gòu)性軟粘土彈塑性固結(jié)理論,NHRI,2.1 真空壓力卸載軟土地基變形規(guī)律,研究目的：軟土在球應(yīng)力卸載情況下變形的影響因素、變形規(guī)律和變形計(jì)算模式，改進(jìn)軟土本構(gòu)關(guān)系模型和沉降計(jì)算理論。,⑴真空壓力卸載的物理本質(zhì)－土體有效球應(yīng)力卸載,⑵卸載變形計(jì)算的基本理論,土體復(fù)雜性,三相散粒體；剪脹性；壓硬性；,NHRI,球應(yīng)力卸載應(yīng)力－應(yīng)變,,結(jié)　 論,NHRI,⑶現(xiàn)有真空卸載回彈

13、模量的計(jì)算方法,NHRI,結(jié)　論,NHRI,⑷軟土真空卸載變形規(guī)律的試驗(yàn)研究,試驗(yàn)類型,,常規(guī)單向壓縮試驗(yàn),等向壓縮試驗(yàn),不同應(yīng)力路徑、應(yīng)力狀態(tài)的壓縮回彈試驗(yàn),NHRI,常規(guī)單向壓縮試驗(yàn)結(jié)果,,NHRI,等向壓縮試驗(yàn)結(jié)果,,NHRI,典型試驗(yàn)曲線,NHRI,不同應(yīng)力路徑應(yīng)力狀態(tài)壓縮回彈試驗(yàn),a. 試驗(yàn)儀器南京水科院土工所　CKC三軸儀,NHRI,b. 考慮土體不等向性的等向壓縮和膨脹試驗(yàn)　　　　　－－模擬天然地基的K0應(yīng)力狀態(tài),

14、NHRI,在球形壓力卸除時(shí)有明顯的體積回彈，但軸向應(yīng)變減小卻很小；　　如果只按線彈性理論來計(jì)算真空卸除的沉降回彈量是偏大的。,,NHRI,c. 考慮不等向性的等向壓縮和不同剪應(yīng)力水平條件下的 等向膨脹試驗(yàn)　　　－－模擬真空和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟基時(shí)的真空卸載,在球形壓力卸載段，體積應(yīng)變減小的同時(shí)軸向應(yīng)變反而繼續(xù)增大，驗(yàn)證工程現(xiàn)象，即在卸除真空壓力時(shí)地面沉降繼續(xù)發(fā)展?！　≌婵招遁d過程中，隨著卸載時(shí)剪應(yīng)力水平的提高，地面沉降將

15、繼續(xù)增大，而這種現(xiàn)象只可能在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓中出現(xiàn)。,NHRI,NHRI,試驗(yàn)研究綜合結(jié)論,NHRI,2.2 考慮軟土卸載再加載特性、流變性等改進(jìn)　　　　軟土本構(gòu)模型,1.建立卸載階段的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系；2.建立再加載階段的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系；3.考慮土體流變性；4.考慮土體損傷；,,建立改進(jìn)的軟土本構(gòu)模型及有限元計(jì)算方法,NHRI,⑴建立豎井未打穿軟土地基下臥層的近似計(jì)算方法?！、茖F(xiàn)有豎井地基固結(jié)理論推廣到豎井打設(shè)區(qū)和下臥層均為

16、多層的情況，給出固結(jié)解答，并編制應(yīng)用程序，供工程應(yīng)用?！、秦Q井打設(shè)區(qū)固結(jié)速度明顯快于下臥層。?、瓤紤]土體粘滯性影響時(shí)，下臥層平均固結(jié)度均比線彈性情況下有所降低，下臥層下降幅度則更大?！、上屡P層尚未完成的主固結(jié)沉降和整個(gè)土體的次固結(jié)沉降是引起工后沉降的主要原因，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起足夠重視。,2.3 豎井未打穿、粘彈性、成層地基固結(jié)理論,NHRI,2.4 非線性流變結(jié)構(gòu)性軟粘土彈塑性固結(jié)理論,研究意義－－土結(jié)構(gòu)性和流變性對(duì)固結(jié)有重要

17、影響；土應(yīng)力－應(yīng)變曲線、孔隙水壓力－應(yīng)變曲線、固結(jié)壓縮曲線和強(qiáng)度包線等都與土結(jié)構(gòu)性有顯著關(guān)系。,對(duì)Yin&Graham時(shí)間線模型進(jìn)行修正，用修正后的模型建立一維固結(jié)方程，并給出成層地基一維彈粘塑性固結(jié)問題半解析解，得出地基平均固結(jié)度計(jì)算表達(dá)式：,研究成果,NHRI,根據(jù)Yin&Graham時(shí)間線模型，建立非線性流變和結(jié)構(gòu)性軟土一維彈粘塑性固結(jié)模型，通過建立合理假設(shè)推導(dǎo)考慮土結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的屈服準(zhǔn)則，新建模型考慮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力

18、應(yīng)變率效應(yīng)、固結(jié)引起屈服壓力增加和連續(xù)或多級(jí)加載條件有效應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率變化等。根據(jù)Schertmann和Nagaraj等人實(shí)驗(yàn)成果，建立結(jié)構(gòu)性軟性土三段式壓縮曲線。利用改模型選擇合理結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力及壓縮性指標(biāo)，提出擾動(dòng)及結(jié)構(gòu)性影響軟粘土及砂井地基固結(jié)度計(jì)算方法。,NHRI,第三部分超軟路基排水預(yù)壓固結(jié)法試驗(yàn)研究,研究?jī)?nèi)容：,①深厚高含水量軟基中有效減少真空壓力沿深度傳遞損失和提高深層加固效果的豎向排水技術(shù)；②真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法

19、減少工后沉降加固機(jī)理；③真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固深厚軟基的荷載傳遞和工后沉降變化規(guī)律；④真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固深厚軟基下臥層固結(jié)度計(jì)算方法和工后沉降設(shè)計(jì)計(jì)算方法。,NHRI,依托工程及設(shè)計(jì)方案：,NHRI,3.1 不同豎向排水體真空度傳遞規(guī)律、地基 變形規(guī)律和加固效果,⑴不同豎向排水體真空度沿深度衰減實(shí)測(cè)曲線,NHRI,NHRI,⑵不同豎向排水體地表沉降實(shí)測(cè)曲線,NHRI,⑶不同豎向排水體地基深層沉降實(shí)測(cè)曲線,NHRI

20、,⑷不同豎向排水體地基側(cè)向位移實(shí)測(cè)曲線,NHRI,真空度從膜下到豎向排水通道的傳遞過程中會(huì)逐漸衰減，其衰減程度與豎向排水體類型和材質(zhì)、豎向排水通道與上部砂墊層的聯(lián)結(jié)方式以及打設(shè)質(zhì)量有關(guān)。袋裝砂井中插設(shè)一定長(zhǎng)度小直徑軟管可將真空度有效傳遞至地基深處，這種方案對(duì)于減少真空度的傳遞損失，提高地基深層的真空壓力具明顯的功效。C型排水板和150mm寬塑料排水板本身的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)優(yōu)于普通B型排水板，通水性能較強(qiáng)，地基深層板內(nèi)真空度衰減較

21、小，宜在深厚軟基加固中推廣使用。豎向排水通道不同，真空壓力的深層傳遞損失不同，從而地基深層豎向位移和側(cè)向位移規(guī)律不同，軟基的加固效果也就不同。150mm寬塑料排水板在有效消除地基沉降，提高軟基深層加固效果，減少地基工后沉降方面要明顯優(yōu)于其它豎向排水體。,⑸研究結(jié)論,NHRI,3.2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓工后沉降規(guī)律研究　　　　　　?。┲楦咚購V珠東線的試驗(yàn)研究,,NHRI,,,,NHRI,1. 排水預(yù)壓法減少工后沉降機(jī)理,⑴從

22、土體單元壓縮方面進(jìn)行解釋；⑵從地基沉降方面的解釋。,2. 原有設(shè)計(jì)計(jì)算方法：分成總和法,,缺　點(diǎn),3.3 控制工后沉降實(shí)用設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究,NHRI,3. 改進(jìn)后考慮的因素,⑴考慮土體的非線性，采用雙線性模型，考慮土體結(jié)構(gòu)性損傷；⑵考慮壓縮特性及平均固結(jié)度沿深度變化的影響；⑶考慮施工過程的影響；⑷考慮真空預(yù)壓和堆載兩種不同預(yù)壓方式的影響 ；,4. 改進(jìn)的工后沉降計(jì)算方法,①選擇計(jì)算剖面；②地基土分層；③確定荷載施加方式及預(yù)估補(bǔ)方

23、高度；④計(jì)算預(yù)壓作用下各土層的有效應(yīng)力增量及最終荷載作用下的有效應(yīng)力增量；⑤各級(jí)荷載作用下各土層的平均固結(jié)度計(jì)算；⑥計(jì)算t時(shí)刻的沉降量和工后沉降量；,NHRI,5. 根據(jù)實(shí)測(cè)沉降推求工后沉降的方法,基于成層豎井地基固結(jié)理論的工后沉降預(yù)測(cè)方法,NHRI,簡(jiǎn)化工后沉降預(yù)測(cè)方法,NHRI,NHRI,第四部分CFG樁復(fù)合地基加固高速公路深厚軟基技術(shù)研究,NHRI,研究?jī)?nèi)容：,①深厚高含水量軟基中CFG樁成樁施工技術(shù)及加固效果驗(yàn)證；

24、②CFG樁復(fù)合地基減少工后沉降加固機(jī)理；③CFG樁復(fù)合地基荷載傳遞規(guī)律和工后沉降變化規(guī)律；④CFG樁復(fù)合地基固結(jié)理論和工后沉降設(shè)計(jì)實(shí)用計(jì)算方法。,依托工程及設(shè)計(jì)參數(shù)：,江蘇省淮鹽高速公路淮安段四標(biāo)K28+983.8～K29+044.04，緊鄰永興特大橋西橋頭； CFG樁樁徑0.50m，三角形布置，樁長(zhǎng)17m，進(jìn)入下臥層約1m；頂部鋪設(shè)40～50cm厚褥墊層。,NHRI,4.1 CFG樁加固深厚軟基成樁技術(shù)與工藝,控制參數(shù),水

25、泥：砂子：碎石：粉煤灰：水＝1：2.566：4.799：0.176：0.76,混合料攪拌時(shí)間：不小于1min,拔管速度：1.2~1.5m/min,打樁順序：隔樁跳打,,成樁質(zhì)量良好,NHRI,4.2 CFG樁復(fù)合地基變形、孔壓、樁土應(yīng)力分布、 承載力特性研究以及加固效果,⑴地表沉降實(shí)測(cè)曲線,地基沉降穩(wěn)定后沉降量在10.0cm左右。采用CFG樁復(fù)合地基法加固橋頭軟基能有效減少路基沉降，以達(dá)到避免橋頭跳車現(xiàn)象的目的。,NH

26、RI,⑵地基深層沉降實(shí)測(cè)曲線,在CFG樁長(zhǎng)范圍內(nèi)地基土沉降變化較為平緩，說明CFG樁能充分發(fā)揮全樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的摩阻力，增大了荷載的傳遞深度，能有效減少、消除地基的深層沉降，地基深層加固效果較好?！　￠_始時(shí)加固區(qū)沉降量要明顯大于下臥層的沉降量，隨著荷載的增加和時(shí)間的延長(zhǎng)，下臥層的沉降量在總沉降量中的比率越來越高，最終總的沉降量以下臥層的沉降量為主，說明采用CFG樁處理軟基能有效減少、消除加固區(qū)軟土沉降量。,NHRI,⑶復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線

27、（有/無墊層情況下）,復(fù)合地基承載力特征值在144kPa?180kPa之間，滿足上覆荷載對(duì)地基的要求。　　褥墊層在CFG樁復(fù)合地基中作用明顯，對(duì)比兩次靜載試驗(yàn)結(jié)果，鋪設(shè)褥墊層之后復(fù)合地基承載力分別提高了20%（1.8m間距）和38%（1.5m間距）。,NHRI,⑷復(fù)合地基超靜孔壓消散曲線,地基土的孔隙水壓力隨荷載而變化，荷載施加過程中孔壓的變化與荷載相關(guān)，停荷階段孔壓逐步消散,NHRI,通過改變樁長(zhǎng)和間距進(jìn)行CFG樁復(fù)合地基室內(nèi)模型槽

28、試驗(yàn)，研究荷載沿樁長(zhǎng)傳遞規(guī)律、成樁過程中由于外因造成土性變化規(guī)律，進(jìn)一步明確了CFG樁的工作機(jī)理與特性。,4.3 室內(nèi)模型試驗(yàn)研究,研究目的：,NHRI,⑴室內(nèi)模型平面布置,NHRI,⑵測(cè)量裝置,NHRI,⑶試驗(yàn)結(jié)果圖表,NHRI,NHRI,⑷研究結(jié)論,NHRI,4.4 CFG樁復(fù)合地基數(shù)值計(jì)算方法,NHRI,4.5 深厚軟基中CFG樁復(fù)合地基荷載傳遞和變形規(guī)律,⑴復(fù)合地基豎向附加應(yīng)力分布,NHRI,⑵樁身豎向附加應(yīng)力分布,⑶樁間土豎向

29、附加應(yīng)力分布,NHRI,⑷復(fù)合地基沉降規(guī)律,加固區(qū)中心沉降最大，在加固區(qū)內(nèi)側(cè)沉降相對(duì)來說較小，離加固區(qū)10m處土體甚至出現(xiàn)了隆起；在有CFG樁的部位，其頂面沉降量小于同高度土體的沉降量，而樁底部沉降量則大于同高度土體的沉降量。反映了CFG樁的向上刺入和向下刺入作用；加固層的沉降很小。而在加固區(qū)中心區(qū)域，下臥層的沉降則較大，可見CFG樁復(fù)合地基的沉降主要是由于下臥層的沉降所引起。,NHRI,⑸復(fù)合地基水平位移規(guī)律,總的水平位移較小，不超過

30、2cm。加固區(qū)及其影響區(qū)域10m以上土層均產(chǎn)生向路基中心的水平位移，在10m以下則產(chǎn)生向加固區(qū)外側(cè)的水平位移。深層土體受到較大的豎向壓縮，產(chǎn)生向外層的擠出變形。其特征與天然地基有較大差異。未經(jīng)處理的地基在堆載后往往會(huì)產(chǎn)生向外層的擠出變形，土層埋深越淺，水平位移越大，不利于整個(gè)地基的穩(wěn)定。經(jīng)過CFG樁加固的軟土地基，其水平位移分布規(guī)律與真空堆載聯(lián)合預(yù)壓作用下的水平位移有點(diǎn)近似，有利于復(fù)合地基的穩(wěn)定。,NHRI,計(jì)算表明，CFG樁沉管產(chǎn)生的

31、超靜孔壓隨著徑向距離的增大呈對(duì)數(shù)衰減，其影響范圍約為3.5倍樁徑。,4.6 基于圓孔擴(kuò)張理論的CFG樁成樁效應(yīng)分析,⑴沉樁引起的超靜孔壓分布規(guī)律,NHRI,采用振動(dòng)沉管法施工CFG樁（樁長(zhǎng)17m/樁徑0.5m/間距1.8m），樁間土擠密系數(shù)達(dá)0.49，說明沉樁過程擠密效應(yīng)明顯,⑵沉樁擠密效應(yīng)計(jì)算分析,NHRI,4.7 CFG樁樁體初凝前后樁間土固結(jié)分析,⑴定解方程,NHRI,⑵求解條件,⑶求解方法及解析解,NHRI,NHRI,⑷固結(jié)特性

32、曲線,NHRI,4.8 CFG樁復(fù)合地基固結(jié)理論研究,目前，對(duì)CFG樁復(fù)合地基固結(jié)過程的理論及計(jì)算研究甚少，可以說幾乎沒有這方面的研究。 用CFG樁復(fù)合地基加固高速公路軟基，主要集中于橋頭或構(gòu)造物等行車重要路段，為達(dá)到有效消除橋頭跳車現(xiàn)象，確保行車安全，對(duì)軟基工后沉降的要求較高。 開展CFG樁復(fù)合地基固結(jié)理論的研究，摸清路堤施工過程中復(fù)合地基內(nèi)超靜孔壓的變化過程，對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算其固結(jié)沉降，預(yù)測(cè)其工后沉降，具有重要的指導(dǎo)意義

33、和理論價(jià)值。,研究意義：,NHRI,計(jì)算模型：,NHRI,加荷階段：,,,式中：,,,,恒荷階段：,,,解析解：－－以路堤逐級(jí)加荷下打穿軟土層為例,NHRI,竣工后：,,工后階段：（超靜孔壓的消散）,,,,,,NHRI,固結(jié)特性曲線：－－以路堤逐級(jí)加荷下打穿軟土層為例,NHRI,4.9 控制工后沉降設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究,⑴減少工后沉降機(jī)理,①樁承擔(dān)較多荷載，減小土體所承受的荷載，減小土體的壓縮量；②通過CFG樁對(duì)土體的擠密作用及對(duì)樁周附近土

34、體的脫水作用等，改善周圍土體的顆粒大小及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)；③上部荷載通過CFG樁體傳遞至相對(duì)承載力較高、壓縮性較低的下臥層，在加固區(qū)土層壓縮量減小的同時(shí)，下臥層的壓縮量會(huì)相應(yīng)有所增加。,NHRI,⑵工后沉降計(jì)算方法,NHRI,第五部分排水固結(jié)加固軟基新型排水材料應(yīng)用研究,NHRI,在砂料緊缺昂貴的地區(qū)，探索性引進(jìn)新型排水材料代替砂墊層，以減少砂石用量、降低工程成本、確保工程質(zhì)量。,對(duì)塑料盲溝、透水軟管等新型排水材料工程性質(zhì)進(jìn)行

35、試驗(yàn)研究；加固效果的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)研究；施工技術(shù)與工藝研究；加固機(jī)理及效果的數(shù)值仿真分析。,研究目的和內(nèi)容：,NHRI,⑴將塑料盲溝、透水軟管等新型排水材料首創(chuàng)性地應(yīng)用于高速公路真空預(yù)壓加固軟基工程，其中的關(guān)鍵技術(shù)問題將得以研究解決，為該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。,⑵針對(duì)砂石原料缺乏的地區(qū)，將塑料盲溝、透水軟管等新型排水材料取代水平砂墊層，可降低工程成本，方便施工，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。,⑶研究采用不同水平、豎向排水材料情況下軟基的變形規(guī)

36、律及加固效果，完善排水加固的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算理論。,創(chuàng)新點(diǎn)：,NHRI,依托工程及設(shè)計(jì)方案　　　 －－江蘇省連鹽高速公路鹽城響水二標(biāo)真空預(yù)壓路段,NHRI,(1)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比研究,對(duì)塑料盲溝和透水軟管代替水平砂墊層技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，結(jié)果表明，采用塑料盲溝或透水軟管代替普通砂墊層作為水平排水體，可節(jié)省工程造價(jià)5～20元/m2，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，其中采用透水軟管比塑料盲溝更能降低工程造價(jià)。,⑵膜下真空度上升情況對(duì)比研究,采用塑料盲溝

37、或透水軟管代替砂墊層作為水平排水體，能保證抽真空后膜下真空度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，說明塑料盲溝和透水軟管已具備了作為水平排水體的水平排水和傳遞真空度兩大功能,NHRI,⑶消除地基沉降對(duì)比研究,對(duì)砂墊層、塑料盲溝及透水軟管三種不同水平排水體路段地基沉降量消除情況進(jìn)行了對(duì)比分析，表明三種水平排水體在消除地基沉降速率方面基本一致，采用透水軟管或塑料盲溝代替砂墊層作為水平排水體具備及時(shí)消除地基沉降的能力，完全能滿足在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)消除地基沉降量的軟基加固要

38、求。,NHRI,⑷透水軟管豎向排水加固效果研究,透水軟管作為豎向排水體能有效消除地基沉降，其地基加固效果要優(yōu)于C型板，這主要是因?yàn)橥杆浌苤睆酱?，濾膜滲透性好，通水能力強(qiáng)，真空預(yù)壓過程中在壓力差作用下孔隙水很容易進(jìn)入透水軟管被吸出，同時(shí)具有鋼絲彈簧骨架結(jié)構(gòu)，抗側(cè)壓能力強(qiáng)，插入地基深處后不易被地基土體側(cè)壓力擠壓變形甚至出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，從而保證了預(yù)壓過程中真空度能順利沿透水軟管向地基傳遞和良好的過水性能。,NHRI,⑸新型排水材料加固效果檢驗(yàn)

39、,加固前后土性指標(biāo)對(duì)比,NHRI,加固前后原位測(cè)試對(duì)比,NHRI,⑹新型排水材料真空預(yù)壓數(shù)值計(jì)算研究,a.新型排水材料替代砂墊層或塑料排水板，其加固機(jī)理是相同的，通過加速土體排水過程達(dá)到消除地基沉降和提高土體抗剪強(qiáng)度。 b.新型排水材料替代砂墊層或塑料排水板，表現(xiàn)為排水邊界條件的改變和排水體大小，滲透系數(shù)的改變，仍然可以通過比奧固結(jié)理論進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。軟式透水管替代砂墊層，膜下真空度上升時(shí)間可考慮為10天，塑料盲溝可考慮為

40、16天。軟式透水管替代C型塑料排水板，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，可考慮井徑為4cm，滲透系數(shù)為1.2×10-4m/s的透水材料。 c.理論分析表明軟式透水管或塑料盲溝替代砂墊層后，土體平均固結(jié)度會(huì)有所減慢，但若地基平均固結(jié)度達(dá)80%時(shí)，僅比砂墊層小2%，在工程上是可以接受的。利用軟式透水管替代塑料排水板，固結(jié)速度有所提高。若地基平均固結(jié)度要求為80%，則可提高10%。,NHRI,第六部分預(yù)制預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基加固深厚

41、軟基技術(shù)研究,NHRI,研究?jī)?nèi)容：,①深厚高含水量軟基中預(yù)應(yīng)力管樁加固效果驗(yàn)證；②預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基荷載傳遞規(guī)律和工后沉降變化規(guī)律；③預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基沉降設(shè)計(jì)實(shí)用計(jì)算方法。,依托工程及設(shè)計(jì)參數(shù)：,杭州灣跨海大橋南岸接線深厚軟基處理試驗(yàn)段K118+556.5～K118+623區(qū)段，屬K118+544中橋橋頭及錐坡路段； 預(yù)應(yīng)力管樁樁徑0.50m，三角形布置，間距3m，樁長(zhǎng)32m；每根樁頂部帶有1m×1m×

42、0.3m的獨(dú)立承臺(tái)；上面鋪設(shè)0.5m厚的碎石褥墊層。,NHRI,6.1 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基加固效果研究,⑴地表沉降實(shí)測(cè)曲線,地基沉降穩(wěn)定后最大沉降量在4.0cm左右。采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基法加固橋頭軟基能有效減少路基沉降。,NHRI,(2)孔隙水壓力變化曲線,NHRI,6.2 數(shù)值計(jì)算方法,計(jì)算模型,將樁等效為墻體；由于荷載較小，樁體視為理想彈性體；土體采用Mohr-Coulomb模型,NHRI,用模型對(duì)路堤荷載下管樁復(fù)合地基的受荷

43、特性和沉降規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算，得到的樁土應(yīng)力比、沉降量等和實(shí)測(cè)結(jié)果一致。而后討論了不同樁長(zhǎng)、不同樁間距、不同褥墊層模量等因素的影響，結(jié)論如下：,褥墊層模量的影響對(duì)管樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響最大，樁長(zhǎng) 改變對(duì)應(yīng)力比的影響較小。樁土應(yīng)力比隨墊層模量的增大而增大，且增加幅度較大；樁間距變大，樁土應(yīng)力比變大；樁長(zhǎng)增加，應(yīng)力比值增加。 在不同樁長(zhǎng)、樁間距、荷載水平下，管樁都能通長(zhǎng)的發(fā)揮樁身的側(cè)摩阻力。 在管樁復(fù)合地基沉降的影響因素中，樁

44、長(zhǎng)的改變對(duì)地基沉降的影響最大，樁長(zhǎng)增加，沉降量減小，且減小幅度較大。墊層模量對(duì)沉降的影響較小，墊層模量增大，沉降量減小，但改變量很小。 管樁對(duì)于減小地基沉降量作用明顯，特別是對(duì)于加固區(qū)而言，相對(duì)天然地基，壓縮量可以減小85％以上。,NHRI,6.3 管樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法研究,,管樁復(fù)合地基變形協(xié)調(diào)示意圖,,樁土應(yīng)力比計(jì)算公式,,加固區(qū)復(fù)合模量,,沉降量計(jì)算：分層總和法,NHRI,第七部分砼芯砂石樁復(fù)合地基加固深厚軟基技術(shù)研

45、究,NHRI,砼芯砂石樁復(fù)合地基技術(shù)簡(jiǎn)介：,綜合排水固結(jié)法對(duì)軟土本身加固效果顯著和預(yù)制混凝土樁強(qiáng)度高、質(zhì)量容易控制兩者優(yōu)勢(shì)，將兩種處理方法的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮、弱點(diǎn)相互克服，提出國內(nèi)外首創(chuàng)地基處理新技術(shù)-混凝土芯砂石樁復(fù)合地基。它是采用振動(dòng)沉管（適用于地基無硬夾層、軟土土質(zhì)一般軟弱）或者長(zhǎng)螺旋（適用于地基有硬夾層或軟土土質(zhì)非常軟弱）方式成孔，孔中心設(shè)立預(yù)制直徑20cm左右（或20cm×20cm方形）的預(yù)制鋼筋混凝土樁即復(fù)合樁體的

46、芯，四周灌砂或碎石屑形成樁的殼。為防止在上部荷載作用下混凝土樁產(chǎn)生向上的刺入破壞，成樁后可控制樁頂?shù)陀诘孛婕s50cm，用人工稍加修整后在樁頭上部即可形成比混凝土芯砂石樁直徑稍大的圓錐形凹槽，灌入碎石壓實(shí)，隨后鋪設(shè)厚約50cm 的砂石墊層和1~2層的土工格柵，砂石墊層、土工格柵和混凝土芯砂石樁一起構(gòu)成復(fù)合地基。,NHRI,原理：,混凝土芯樁主要起承受豎向荷載的功能；樁的砂石殼主要起加大芯樁側(cè)壁摩阻力和豎向排水作用；,特點(diǎn),① 芯樁是預(yù)制

47、的，質(zhì)量容易控制，質(zhì)量檢測(cè)簡(jiǎn)單；② 混凝土芯樁承受主要豎向荷載，樁端進(jìn)入下臥硬土層，全長(zhǎng)質(zhì)量均勻； ③混凝土芯樁無須養(yǎng)護(hù)，節(jié)省檢測(cè)前的養(yǎng)護(hù)時(shí)間；④ 加固深度深，振動(dòng)沉管樁長(zhǎng)最大可達(dá)25～30米，長(zhǎng)螺旋成孔樁長(zhǎng)度最大可達(dá)30～35米；⑤ 混凝土芯砂石樁強(qiáng)度較高，直徑50cm（混凝土芯樁直徑20cm或20cm×20cm方形）混凝土芯砂石樁樁身平均強(qiáng)度約為3~4MPa，是水泥攪拌樁的3～8倍；⑥ 樁間土固結(jié)速度快，成樁施工

48、擾動(dòng)引起的強(qiáng)度下降能夠迅速得到恢復(fù)，樁間土擠密效果明顯，施工中相鄰樁之間相互影響??；⑦ 樁間土固結(jié)速度快，地面填土荷載由樁間土承受部分能夠迅速轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力，軟土強(qiáng)度迅速提高；⑧ 由于樁間土成樁時(shí)的擠壓密實(shí)作用和承載后的固結(jié)密實(shí)作用而強(qiáng)度顯著提高，樁側(cè)摩阻力增大，樁的承載力隨填土高度增大而提高，單樁承載力預(yù)計(jì)是水泥攪拌樁的2.0倍左右；⑨ 成樁質(zhì)量受周圍軟土性質(zhì)（如有機(jī)質(zhì)含量大小和強(qiáng)度高低）影響小，加固深度較深，適用范圍廣；⑩

49、在使用地質(zhì)條件均許可條件下，如果要求加固后的復(fù)合地基承載力和沉降量相等，混凝土芯砂石樁與水泥土樁兩種復(fù)合地基處理方法的工程投資相當(dāng)。,NHRI,應(yīng)用前景分析：,適合于高含水量、高有機(jī)質(zhì)含量的深厚軟基處理;該項(xiàng)技術(shù)屬國內(nèi)外首創(chuàng)，填補(bǔ)了國內(nèi)外地基處理技術(shù)的空白，是一項(xiàng)全新的地基處理新技術(shù);具有施工簡(jiǎn)單、質(zhì)量易控、檢測(cè)方便、加固深度大的特點(diǎn)，在我國軟基分布廣泛的地區(qū)的公路、水利工程等建設(shè)領(lǐng)域中具有巨大的潛在市場(chǎng)。,NHRI,軟土特性試驗(yàn),

50、成樁工藝技術(shù)與質(zhì)量控制方法,樁土應(yīng)力比與荷載分布規(guī)律,工后沉降設(shè)計(jì)計(jì)算方法,復(fù)合地基固結(jié)度計(jì)算方法,復(fù)合地基孔壓與變形規(guī)律,,研究?jī)?nèi)容：,NHRI,現(xiàn)場(chǎng)鉆孔與室內(nèi)試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與加固效果檢驗(yàn),,試驗(yàn)與觀測(cè)資料分析,,理論分析與數(shù)值計(jì)算,,,達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo),判斷施工質(zhì)量與加固效果；分析地基變形規(guī)律；,相互驗(yàn)證,研究方法與技術(shù)路線：,NHRI,2005.5~9,調(diào)研；鉆孔、室內(nèi)試驗(yàn)；儀器埋設(shè)與觀測(cè)；載荷試驗(yàn)；,2005.10~

51、06.6,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)；加固效果檢驗(yàn)；,理論分析；數(shù)值計(jì)算；計(jì)算方法；,06.6~12,07.1~4,報(bào)告編寫,,2007.5：驗(yàn)收,進(jìn)度計(jì)劃：,NHRI,依托工程與設(shè)計(jì)方案　　　　　　?。?zhèn)溧高速ZL-LY2標(biāo)深厚軟基處理,NHRI,NHRI,工藝流程：,NHRI,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景,NHRI,目前已取得成果：　　⑴已完成加固前的鉆孔取土、原位測(cè)試及儀器埋設(shè)工作；　?、祁A(yù)壓土已填筑結(jié)束，累計(jì)填土厚度約8.0m，取得較為豐富的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

52、資料（包括樁土應(yīng)力、樁身應(yīng)力、孔壓、分成壓縮等），累計(jì)地表沉降約0.5m，坡角側(cè)向水平位移約1.0cm，地基處于穩(wěn)定狀態(tài)?！　、谴驑督Y(jié)束后填土前載荷試驗(yàn)表明，單樁承載力特征值為1528kPa，復(fù)合地基承載力特征值為150kPa?！　±碚摲治龊蛿?shù)值計(jì)算正在進(jìn)行,部分現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)成果如下：,NHRI,,,地表沉降過程線,NHRI,,,深層沉降過程線,NHRI,,加載過程水平位移曲線,NHRI,加載過程水平位移曲線,NHRI,加載過程樁身應(yīng)

53、力變化典型曲線,NHRI,加載過程樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比變化典型曲線,NHRI,第七部分SMW工法的設(shè)計(jì)理論與計(jì)算方法,NHRI,SMW工法：水泥土柱列式擋墻＋加強(qiáng)芯材（型鋼）　　　　　　　?。綇?fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：⑴對(duì)周圍環(huán)境影響小；　　?、品罎B性能好；　　?、沁m用土層范圍廣；　　?、裙て诙?，投資??；,NHRI,存在的主要問題,⑴水泥土的反應(yīng)機(jī)理、強(qiáng)度特征以及本構(gòu)關(guān)系；⑵水泥攪拌樁＋型鋼　受力變形機(jī)理；⑶SMW工法的設(shè)

54、計(jì)計(jì)算方法；,NHRI,主要研究工作,NHRI,SMW工法應(yīng)用實(shí)例,南京地鐵珠江路站及附屬工程基坑支護(hù),南京地鐵珠江路車站：基坑開挖深度17.31m；南京地鐵控制中心：基坑開挖深度14.56m、15.86m17.96m三種；,支護(hù)系統(tǒng)：水泥攪拌樁內(nèi)插H型鋼＋壓梁＋圍檁＋水平鋼支撐,型鋼布置方式：滿插/三插二/二插一　三種　水泥土剛度貢獻(xiàn),開挖方式：南端頭井－明挖法　控制中心－半逆筑法,NHRI,SMW工法施工技術(shù)：,NHRI,S