粉噴樁加固地基技術(shù)（15）

1、粉噴樁加固地基技術(shù)（15） 第二節(jié) 工程實(shí)例 為了能夠比較準(zhǔn)確的計(jì)算出本項(xiàng)工程的地基沉降量，從而更好的評(píng)判路面鋪筑、高速行駛條件和道路服務(wù)水平?；趯?duì)以上數(shù)種方法的分析和研究，我們決定采用工程應(yīng)用較為廣泛、計(jì)算結(jié)果相對(duì)合理的等效模量當(dāng)層法、MindlinBoussinesq聯(lián)合求解法和有限單元法對(duì)幾個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)測(cè)資料對(duì)上述方法的可靠性和準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，來(lái)尋求一種能夠計(jì)算全線路基的沉降的方法。 一、工程概況 南京至高淳公路洪藍(lán)至雙石牌段工程起于洪藍(lán)鎮(zhèn)沙板村西，起點(diǎn)標(biāo)號(hào)K53+424.354，路線自起點(diǎn)向南穿省道102線，跨馮村撇洪溝，經(jīng)薛家村西，馮村西，在漁歌西跨蒲塘河，至中心河北岸K

2、58+400處到達(dá)標(biāo)段終點(diǎn)。 本標(biāo)段路線全長(zhǎng)4.976公里，軟土路基長(zhǎng)3160米，間斷分布在k54+350K58+400間；估計(jì)土石方740715CM3，設(shè)兩座大橋（馮村大橋820米，蒲塘河大橋920米），兩座小橋，八道涵洞，一處分離式立交（沙板立交），八座通道。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)車速100KM/H，橋涵設(shè)計(jì)荷載汽超-20級(jí)，掛車-120，路基寬24.5米。 路線所經(jīng)地區(qū)地貌特征，以低山丘陵為主，湖濱和河谷平原為次，海拔高5.032.0米,沿線居民點(diǎn)較為集中,村莊附近樹(shù)木稠密,機(jī)耕道縱橫交錯(cuò)。沿線植被較發(fā)育，平地主要種植水稻，嶺部和地勢(shì)起伏地帶部分為旱地，部分為樹(shù)木覆蓋。本標(biāo)段大部分

3、從地勢(shì)低洼區(qū)通過(guò)，有大片軟土分布。OC，年平均降雨量1036.9MM，年平均無(wú)霜期237天。 路線所經(jīng)地區(qū)為低山丘陵區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造上具有斷裂發(fā)育和被斷裂帶分割的斷塊差異沉降明顯的特點(diǎn)。該地區(qū)褶皺隆起帶背斜一翼，發(fā)育有北東及北西的斷裂和新構(gòu)造斷陷盆地。裂隙構(gòu)造多為橫斷層和逆斷層，斷裂帶以壓性，壓扭性為主。 本區(qū)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)沖積而成的粘性土以及上更新統(tǒng)沖湖積相的粘性土，局部有粉砂層存在，地勢(shì)低洼處有軟土分布。 下伏巖基埋深隨地勢(shì)差異變化較大，局部有巖基出露，主要為白堊系葛村組和姚家邊組等紅色、灰白色砂巖。 沿線土層自上而下主要是： 第11層為表層填土，主要分布于河流兩岸，公路附近。 第1

4、2層為灰黃色，灰色亞粘土，粘土。呈中密、中濕、硬塑狀態(tài)，層厚0.51.5米，主要分布于平原河網(wǎng)地帶表層。 第2層為灰黑色，灰色淤泥，淤泥質(zhì)亞粘土夾淤泥質(zhì)亞砂土，層內(nèi)含樹(shù)木等腐殖植物，呈飽和、軟塑狀態(tài)，屬中高壓縮性土，層厚310米不等，主要分布在平原河網(wǎng)地帶硬殼層下。 第3層為灰黃色，紅色粘性土，呈中密、中濕、硬塑狀態(tài)，為第四系殘積層，層厚112米，主要分布第2層下部。 第4層為紫紅色，灰白色碎石，局部夾沖積性填充物，主要分布在第3層下部。 第5層為紫紅色，灰白色砂石，有不同程度的風(fēng)化，為下伏基巖。 根據(jù)中國(guó)地震裂度區(qū)劃圖（江蘇部分），本地區(qū)地震基本裂度為八度。 路線所經(jīng)區(qū)域的不良地質(zhì)主要為軟土

5、地基，構(gòu)成路堤的沉降，橋頭的沉降，小型構(gòu)造物的不均勻沉降等問(wèn)題，并影響路基和構(gòu)造物的穩(wěn)定。 二、設(shè)計(jì)原則 由于本工程全線地質(zhì)變化情況較為復(fù)雜，軟土地基中以中、高壓縮性淤泥質(zhì)亞粘土為主，物理力學(xué)性質(zhì)較差，不能直接用來(lái)作為擬建公路的地基，為了提高軟土地基承載力，減小沉降量，對(duì)橋頭和過(guò)渡段均采用粉體噴射攪拌法加固地基。同時(shí)，由于本工程的施工期有特殊要求，路基的施工期較短，路面的施工期相對(duì)較長(zhǎng)，基層分兩次鋪筑，且間隔時(shí)間較長(zhǎng)；控制的工后剩余沉降橋頭部分原則上小于10CM,路基部分小于25CM；并且要求在滿足路基穩(wěn)定及工后剩余沉降的前提下，優(yōu)先采用經(jīng)濟(jì)合理的方案。綜合考慮本工程的自身特點(diǎn)并結(jié)合粉體噴射攪

6、拌法的優(yōu)越性，論證結(jié)果認(rèn)為該法處理地基加固效果顯著，切實(shí)可行。設(shè)計(jì)粉噴樁徑50CM，粉劑為425#水泥干粉，摻入量為天然土重的15%，即每延米噴攪50公斤水泥干粉，樁間距約為1.5米左右，呈正三角布置。施工采取全程復(fù)攪復(fù)噴，成樁后90天齡期的樁土復(fù)合地基承載力應(yīng)較天然地基提高11.5倍，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于1.5MPA。 三、斷面選取和實(shí)測(cè)結(jié)果 寧高公路沿線土層屬成層地基，軟弱土層分布在不同深度，在馮村橋南G1標(biāo)段處路中選擇了四個(gè)斷面進(jìn)行沉降觀測(cè)，其中斷面1#、2#的粉噴樁樁長(zhǎng)為10米，位置在馮村大橋南K54+645、K54+655處；3#斷面的粉噴樁樁長(zhǎng)為7米，位置在楊村小橋北通道北側(cè)

7、K55+063處；4#斷面未經(jīng)處理，在楊村小橋北箱涵北側(cè)K55+218處。各斷面填土高度為6米（102.11kpa），至于壓縮層厚度，鑒于本標(biāo)段沿線土層軟土分布在不同深度，為安全計(jì)，按地基附加應(yīng)力小于0.2倍自重應(yīng)力確定，若計(jì)算深度以下還有軟土層，應(yīng)繼續(xù)計(jì)算至地基附加應(yīng)力小于0.1倍自重應(yīng)力為止。有關(guān)土性參數(shù)、地層概況如表43所示：表43.地基土層概況表1#、2#斷面土層種類層厚（m）重度（KN/m3）孔隙比壓縮系數(shù)（Mpa-1）壓縮模量（Mpa）粉質(zhì)粘土5.519.10.8550.384.6粉土2.519.40.7540.237.5殘積土10.019.30.7320.38續(xù)表433#、4#斷

8、面土層種類層厚（m）重度（KN/m3）孔隙比壓縮系數(shù)（Mpa-1）壓縮模量（Mpa）粘土2.218.30.9650.523.7淤泥質(zhì)粘土1.717.21.2530.297.4細(xì)砂土2.318.30.9850.209.6淤泥質(zhì)細(xì)砂土3.316.91.1740.249.1粉質(zhì)粘土919.40.7950.26各斷面沉降環(huán)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖42、43、44和45所示： 四、沉降計(jì)算 1、等效模量當(dāng)層法計(jì)算要點(diǎn)和結(jié)果斷面四位于路中，在楊村小橋北箱涵北側(cè)K55+218處，填土高度為6米（102.11kpa），此處設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)7.0米，樁徑0.5米，樁間距1.5米，置換率15%。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，取壓縮層厚度為17米，為

9、便于計(jì)算，將加固區(qū)及下臥層簡(jiǎn)化為上下兩層均質(zhì)土，其壓縮模量按各自土層模量的加權(quán)平均值求得如下： 加固區(qū)： =（3.72.27.41.7+9.62.3+9.10.8）/7=7.15Mpa 樁體：120Mpa 等效模量：=mEp+(1-m)Es=1200.15+7.15(1-0.15)=24.08Mpa 下臥層：=（9.12.56.87.5）/10=7.37Mpa和=+71.81=+12.65計(jì)算復(fù)合土層與下臥層土層中各計(jì)算點(diǎn)相應(yīng)深度，查附加應(yīng)力系數(shù)表來(lái)求得求應(yīng)力分布，最后按分層總和法求得加固區(qū)的壓縮量S1=51.3，S2=71.2，復(fù)合地基沉降S=122.5。 2、MindlinBoussine

10、sq求解法的計(jì)算要點(diǎn)和結(jié)果 在采用Mindlin方法計(jì)算粉噴樁產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力時(shí)，計(jì)算模型考慮了復(fù)合地基中樁側(cè)摩阻力，軸力及樁端阻力的影響。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料知，在路基條形荷載作用下，樁頂側(cè)摩阻力一般較小，甚至出現(xiàn)負(fù)值，最大側(cè)摩阻力產(chǎn)生在35米范圍內(nèi)，樁端阻力一般情況下很小，可忽略不計(jì)。根據(jù)這一特征，本次計(jì)算假定樁側(cè)摩阻力沿樁長(zhǎng)呈三角形分布，最大值在1/3樁長(zhǎng)處，為計(jì)算方便，假定樁頂和樁端側(cè)摩阻力為零，并根據(jù)有關(guān)工程實(shí)測(cè)資料，取樁土應(yīng)力比為n=3.5。 根據(jù)以上參數(shù)，計(jì)算樁端下臥層的附加應(yīng)力，加固區(qū)的應(yīng)力根據(jù)樁側(cè)摩阻力進(jìn)行推算，對(duì)Mindlin解的附加應(yīng)力計(jì)算系數(shù)查閱附加應(yīng)力計(jì)算系數(shù)表（見(jiàn)表）

11、和地基附加應(yīng)力圖（見(jiàn)圖），其結(jié)果與Boussinesq解求得的附加應(yīng)力疊加，即可求得總的附加應(yīng)力，其中，地基附加應(yīng)力圖是針對(duì)樁間距1.5米而定的，計(jì)算表明樁間距對(duì)附加應(yīng)力系數(shù)影響不大（見(jiàn)圖）。將此法應(yīng)用與斷面二，解得復(fù)合地基附加應(yīng)力曲線如圖：圖 斷面二地基附加應(yīng)力曲線圖編（填土高米，粉噴樁樁長(zhǎng)米） 由圖可以知道加固區(qū)和下臥層的應(yīng)力分布，采用分層總和法即可計(jì)算地基沉降，各斷面的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖0至圖3。 3、有限單元法求解的計(jì)算要點(diǎn)和結(jié)果 為了估計(jì)側(cè)向變形對(duì)垂直沉降的影響，根據(jù)對(duì)各個(gè)斷面土層和樁體土樣進(jìn)行的室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)所得得結(jié)果，編制有限元計(jì)算程序?？紤]路基填土是條形荷載，而且寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度，

12、故通過(guò)降低粉噴樁彈性模量將其簡(jiǎn)化成沿縱向排列的板樁，來(lái)代替在長(zhǎng)度方向上每隔一定距離布置的樁，從而進(jìn)行二維計(jì)算。簡(jiǎn)化后的板樁與原樁徑相等，假定它們的軸向剛度相等，對(duì)群樁來(lái)說(shuō)，總剛度為： S=mnAE/H 式中，m為橫向樁的排數(shù)，n為縱向樁的根數(shù)，A為樁的斷面面積，E為樁的彈性模量，H為樁長(zhǎng)；而板樁的總剛度為 S=mDLE/H 式中，D為板樁厚，L即原樁直徑，E為板樁彈性模量，H為板樁長(zhǎng)，即為原樁長(zhǎng)。根據(jù)總剛度等效，可推得板樁等效彈性模量E為 E=EnA/DL 然后，即可按平面變形問(wèn)題進(jìn)行二維有限元計(jì)算，僅僅是樁的彈性模量用E。這種簡(jiǎn)化方法抓住了樁基變形的主要方面，算得的等效板樁應(yīng)力應(yīng)再換算成實(shí)際

13、樁內(nèi)應(yīng)力。 本程序解平面應(yīng)變問(wèn)題，可直接應(yīng)用于路基。土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系包括了鄧肯雙曲線Et和Vt模型，雙曲線的Et和Bt模型，橢圓拋物雙屈服面模型和修正劍橋模型四種選擇；可以考慮土體的滲透系數(shù)在水平和豎向不同的工況；可模擬施工逐級(jí)加荷過(guò)程，土體隨荷載和時(shí)間而加高，荷載是土體自重、水荷載或其他已知荷載；網(wǎng)格按四邊形劃分，計(jì)算結(jié)果可以輸出結(jié)點(diǎn)位移和孔壓；在樁、土界面處可設(shè)置接觸面單元，可選擇Goodman接觸面單元或有厚度的接觸面單元；可以考慮地下水位變化引起的變形，在計(jì)算中通過(guò)干、濕兩種狀態(tài)的非線性的不同反映。 將程序應(yīng)用于G1標(biāo)段的四個(gè)斷面，根據(jù)對(duì)稱性取計(jì)算區(qū)域?yàn)槁返痰囊话爰討?yīng)力擴(kuò)散區(qū)，即22

14、.5m20m（寬深），荷載為填土自重，填土高6米（重度17KN/m3），除陰雨天外，認(rèn)為填筑高度隨時(shí)間線性變化，根據(jù)地質(zhì)情況將地基分層計(jì)算，樁、土本構(gòu)模型取鄧肯張非線性模型，地下水位距地表0.8米，邊界條件為：上邊界自由，下邊界和右邊界固定支承的透水邊界，左邊界（即對(duì)稱軸處）橫向支承的不透水邊界。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取芯和室內(nèi)制樣的三軸試驗(yàn)中樁、土的鄧肯張參數(shù)和滲透系數(shù)見(jiàn)表：表.樁、土鄧肯參數(shù)表分類（o）CKpaRfKNGFDkxcms-1(10-6)kycms-1(10-6)RKNcm-3粘土32.50.00.78115.70.550.210.04.31.133.1518.3粉質(zhì)粘土27.28.00.7

15、9121.80.590.240.03.72.2520.5918.8淤泥質(zhì)粘土29.012.00.82145.90.560.230.04.06.3118.4117.2細(xì)砂土35.00.00.72232.40.610.260.05.412.3546.0718.3淤泥質(zhì)細(xì)砂土31.54.20.78213.50.600.280.05.18.2440.1416.9粉土22.58.00.79164.70.590.240.04.73.5121.6219.4殘積土36.537.00.66256.40.630.180.05.92.465.3219.1水泥土39.558.40.59331.60.130.121.9

16、6.51.122.3 注：1粘土，2粉質(zhì)粘土，3淤泥質(zhì)粘土，4細(xì)砂土，5淤泥質(zhì)細(xì)砂土，6粉土，7殘積土，8水泥土。 有限元網(wǎng)格剖分圖和沉降計(jì)算結(jié)果如下所示：圖為有限元網(wǎng)格剖分圖 五、幾種計(jì)算方法適用性的比較 由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，地表測(cè)環(huán)的沉降量均遠(yuǎn)大于下部各環(huán)的沉降量，這意味著地表米范圍內(nèi)地基土的壓縮量較大，原因可能是原先地基表層土很松軟。斷面一、二處施工前是池塘，后雖經(jīng)填土回填，但地基條件甚差。由地質(zhì)鉆探資料可知，本工程地表各土層土的力學(xué)性質(zhì)較差，是導(dǎo)致地基淺層沉降量大的主要原因。另一方面，由于粉噴樁的成樁作用，使其向下嵌入持力層，減小了土層下部壓縮層的應(yīng)力分布，從而減小了其沉降量。 斷

17、面三和斷面四相比，二者所處的地質(zhì)條件幾乎一致，但斷面三處地基經(jīng)粉噴樁加固處理，其沉降量為mm，而斷面四未經(jīng)處理,其沉降量達(dá)到mm。由計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)資料可以看處，粉噴樁處理后的地基沉降量有比較明顯的減小，沉降減小量為mm，其加固地基的作用是無(wú)庸置疑的。 等效模量當(dāng)層法計(jì)算簡(jiǎn)便，方法簡(jiǎn)單。它不僅考慮到復(fù)合土層和下臥土層的變形特性，還計(jì)及下臥層引起的整個(gè)地基內(nèi)應(yīng)力分布的分散性，與其他近似計(jì)算相比，計(jì)算結(jié)果有相當(dāng)改進(jìn)，但由于計(jì)算本身的假設(shè)條件過(guò)多，使沉降估算量與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，精確度尚須提高。通過(guò)與有限元和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，可以求出相應(yīng)的修正系數(shù)來(lái)減小計(jì)算誤差，從而利用此方法對(duì)全線路基的沉降進(jìn)行評(píng)估。 MindlinBoussinesq聯(lián)合求解法求地基沉降時(shí)，充分考慮了樁在復(fù)合地基中的作用和刺入變形，同時(shí)對(duì)應(yīng)力分布的不均勻性進(jìn)行了比較合理的假設(shè)，其計(jì)算結(jié)果較能符合工程實(shí)際，不失為一種有效、準(zhǔn)確、合理、便于工程運(yùn)用的方法。但應(yīng)用此法要首先得到符合實(shí)際的樁身側(cè)摩阻力的分布和準(zhǔn)確判斷樁土應(yīng)力比，否則，其計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大偏離。 側(cè)向變形是引起沉降的重要因素之一，上述方法不能反映側(cè)向變形對(duì)沉降的影響。有限元法不僅能反映側(cè)向變形的影響，而且將地基作為二維甚至是