水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究

ＩＴＵ４７２．３＋６公开Ｉ中图分类号：密级：ＵＤＣ：：本校编号讀Ｗ《遷乂聲硕±学位论文ｆ论文题目：水泥上挽拌枝加固铁路路堤下饱和黄上承载特性影响因素研究２１４９研究生延名．０２１：吴鸿飞学号学校指导教师姓名：杨有海职称：教授工学硕壬专业：岩上工程申请学位等级：２０１５．０４论文答辩日期２０１５．０６论文提交日期：； 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加Ｗ标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得兰逊窒亟去尝或其他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、〇，邑学位论文作者签名签字日期：方化年＾月／Ｉ日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解兰州交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权差州交通大学可将学位论文的全部或部分、内容编入有关数据库进行检索，并采用影巧缩印或扫描等复制手段保存、汇编Ｗ供查阅和借阅。同意学校向国家有关部口或化构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）％＾学位论文作者签名：１５导师签名；朵姨／签字日期：年月日签宇日月乙＾＾ 硕士学位论文水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究ResearchontheBearingCharacteristicsandInfluenceFactorsoftheSaturatedLoessundertheRailwayEmbankmentReinforcedbytheCement-soilMixingPile作者姓名：吴鸿飞学科、专业：岩土工程学号：0212149指导教师：杨有海完成日期：2015.4兰州交通大学LanzhouJiaotongUniversity 兰州交通大学硕士学位论文摘要饱和黄土是黄土演变的一种区域性特殊土。我国近几十年来的研究主要集中在湿陷性黄土地基处理方面，也取得了很多研究成果，而对铁路等工程建设中所遇到的饱和黄土地基的研究则较少。对于饱和黄土，由于饱和度较大，黄土的湿陷性已消失，土体处于软塑至流塑状态，承载力很低，压缩量较大，建在其上的线路、路基会发生较大的沉降和不均匀沉降，因而需要研究适合饱和黄土地基的加固处理技术。水泥土搅拌桩复合地基的施工工艺较为便捷，有较为显著的经济社会效益，对环境污染影响较低，故而在各类地基的处理加固实践中应用较广，但其加固机理以及计算方法方面都不完善，地区经验缺乏，故仍需进一步探究。结合中川铁路（DK48+430—DK49+030）段的水泥土搅拌桩，进行了现场天然土基本物理特性试验、浅层平板载荷试验、单桩静载荷试验和单桩复合地基载荷试验，并对现场实测得到的数据进行分析，得到以下研究结果：（1）二灰掺量是影响水泥土搅拌桩复合地基承载特性的一个重要影响因素。在试验的16%~20%范围内，随着二灰掺量的增加，水泥土搅拌桩复合地基的承载力逐渐增大，二灰掺量为20%的水泥土搅拌桩的单桩承载力要优于二灰掺量为16%的水泥土搅拌桩。（2）试验段饱和黄土地基经过二灰掺量为16%的水泥土搅拌法处理加固后，地基承载力从91.3kPa提升到了164kPa，地基的力学性能得到明显改善，地基承载力的提升系数达到1.7。（3）刚性加载板下二灰掺量为16%水泥土搅拌桩加固后的复合地基的桩土应力比的变化范围为4.0-6.0。（4）通过FLAC3D，对桩侧摩阻力及桩身轴力进行分析：随着深度的增加，桩侧摩阻力发挥的越来越明显；当桩顶荷载较小时，桩身轴应力较小，沿深度衰减不明显，随着荷载的增大，桩身轴应力增加，沿深度的衰减越显著。（5）在通过FLAC3D模拟的二灰掺量为12%~20%范围内，随着二灰掺量的增加，水泥土搅拌桩复合地基的承载力逐渐增大，与实测得到的结论一致。（6）基于桩土共同工作机理，建立了桩土共同作用模型。使用FLAC3D数值模拟软件，结合实际工程情况，对单桩及单桩复合地基的承载力进行了计算模拟，得出的结果与现场试验结果基本的吻合，对工程实践有一定的指导意义。关键词：饱和黄土；水泥土搅拌桩；复合地基；承载力特性；桩土应力比；数值模拟论文类型：应用研究-I- 水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究AbstractSaturatedloessisaregionalspecialsoilevolvedbytheloess.Inrecentyears,scholarsinourcountryaremainlyconcentratedinreformingcollapsibleloessfoundation,whichhasalsomadealotofresearchresults,butlessconcernedwithsaturatedloessfoundationencounteredintheconstructionoftherailwayandotherprojects.thesaturationofsaturatedloessissolargethatthecollapsibilityofloesshasdisappeared,thestateofsoilismolliplastorplasticflow,thebearingcapacityofsoilislow,thecompressionamountislarger,lineandsubgradeofrailwaybuiltonitwillhavegreatsettlementandunevensettlement,therefore,itisessentialtostudyfoundationreinforcementtechnologyspecialforsaturatedloess.Soil-cementmixingpilecompositegroundiswidelyusedtoreinforceinallkindsofsoftfoundation,foritsconvenience,noenvironmentalpollutionandremarkableeconomicbenefitintheprocessofconstruction.Whilenomatterthereinforcementmechanismorthemethodofdesignandcalculationofthecement-soilmixingpilehavesomedrawbacks,whichisneedtobefurtherstudyanddiscussed.Thispaperusedthecuttingringmethod,theshallowplateloadtest,thesinglepilestaticloadtestandtheloadtestofsinglepilecompositionfoundation,basedonsoil-cementmixingpilessitedinzhongchuanrailway,(DK48+430—DK49+030)segment,andanalyzedthedataobtainedfromfieldmeasurement,tostudythefollowingissues:(1)Two-ashcontentisanimportantfactortotheload-bearingcharacteristicsofcement-soilmixingpilecompositefoundation.Intherangeof16%~20%,astheincreaseoftwo-ashcontent,thebearingcapacityofcement-soilmixingpilecompositefoundationincreasesgradually,thebearingcapacityofcement-soilmixingpilewhosetwo-ashcontentis20%isbetterthanthatwhosetwo-ashcontentis16%.(2)Reinforcedbythemethodofcement-soilmixing,thebearingcapacityimprovedfrom91.3kPato164kPa,thesaturatedloessfoundationintestsectionhasdramaticallyimprovedmechanicalpropertiesofthefoundation,higherstrengthofsoilandincreasecoefficientof1.7ofthebearingcapacityoffoundation;(3)Thepile-soilstressratioscopereinforcedbythecement-soilmixingpilewhosetwo-ashcontentis16%inrigidityloadingplateisfrom4.0to6.0.(4)ByFLAC3D，pilelateralfrictionandaxialforcehavebeenanalyzed:Withtheincreaseofthedepth,thedegreeofpilelateralfrictionplayismoreandmoreobvious;Whenthetoploadissmall,axialforceissmallandnotattenuatingobviouslywiththeincreaseofdepth.Asloadincreasing,axialforceincreasesandattenuatesobviouslywiththeincreaseofdepth.-II- 兰州交通大学硕士学位论文(5)ByFLAC3D，whenthetwo-ashcontentisintherangeof12%~20%,astheincreaseoftwo-ashcontent,thebearingcapacityofcement-soilmixingpilecompositefoundationincreases,whichisconsistentwiththemeasuredconclusion(6)Basedontheworkmechanismofpilesandsoil,thepilesoilinteractionmodelisestablished.ThenusingFLAC3Dasnumericalsimulationsoftware,combiningwiththeactualengineeringsituation,tosimulatethesinglepileandsinglepilecompositefoundation,theresultsisinagreementwiththefieldtestresults,whichfurtherverifiestheaccuracyoffieldloadingtest,andhascertainguidingsignificanceforengineeringpractice.KeyWords：Saturatedloess；Cement-soilmixingpile；Compositionfoundation；Bearingcharacteristics；Pile-soilratio;Simulation-III- 水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究目录摘要...............................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................................II1绪论...................................................................................................................................11.1研究的背景及意义................................................................................................11.1.1黄土及黄土地基概况..................................................................................11.1.2水泥土搅拌桩复合地基国内、外研究现状...............................................21.2影响水泥土搅拌桩复合地基承载力的因素..........................................................61.2.1自然因素......................................................................................................61.2.2人为因素......................................................................................................71.3水泥土搅拌桩复合地基的特性与适用范围..........................................................81.3.1工程特性......................................................................................................81.3.2适用范围......................................................................................................81.4该领域目前存在的问题........................................................................................91.5主要研究目标和研究内容.....................................................................................92水泥土搅拌桩复合地基承载特性的理论研究.................................................................102.1复合地基的概念及分类......................................................................................102.2水泥土搅拌桩复合地基的承载力特性...............................................................122.2.1水泥土搅拌桩加固机理.............................................................................122.2.2水泥土搅拌桩复合地基承载力特性..........................................................132.2.3水泥土搅拌桩复合地基的破坏形式..........................................................142.3水泥土搅拌桩复合地基的承载力计算方法........................................................142.4本章小结.............................................................................................................163天然地基及水泥土搅拌桩复合地基现场载荷试验.........................................................183.1试验段概况..........................................................................................................183.2地基土基本物理特性试验...................................................................................203.2.1试验目的....................................................................................................203.2.2试验方法....................................................................................................203.2.3试验结果分析............................................................................................213.3天然饱和黄土地基浅层平板载荷试验...............................................................223.3.1试验仪器....................................................................................................223.3.2试验方案的制定........................................................................................23-IV- 兰州交通大学硕士学位论文3.3.3试验结果分析............................................................................................253.4单桩及单桩复合地基载荷试验...........................................................................263.4.1试验目的....................................................................................................263.4.2静载试验的基本原理.................................................................................263.4.3仪器设备....................................................................................................263.4.4试验准备工作............................................................................................273.4.5现场试验....................................................................................................283.4.6试验结果分析............................................................................................303.5本章小结.............................................................................................................374FLAC3D数值模拟分析水泥土搅拌桩复合地基承载特性............................................384.1FLAC3D软件简介.............................................................................................384.1.1软件简介....................................................................................................384.1.2FLAC3D系统计算....................................................................................384.2单桩载荷试验数值模拟......................................................................................394.2.1计算模型的建立........................................................................................394.2.2沉降分析....................................................................................................414.2.3桩身轴力分析............................................................................................424.2.4桩侧摩阻力分析........................................................................................434.2.5桩侧摩阻力与桩端阻力的分担比.............................................................444.3单桩复合地基载荷试验数值模拟.......................................................................454.3.1模型的建立................................................................................................454.3.2沉降分析....................................................................................................464.3.3二灰掺量对水泥土搅拌桩复合地基承载力影响的模拟分析..................474.4本章小结.............................................................................................................485结论及展望.....................................................................................................................505.1结论.....................................................................................................................505.2需要进一步研究的内容.......................................................................................51致谢.............................................................................................................................52参考文献.............................................................................................................................53攻读学位期间的研究成果..................................................................................................56-V- 兰州交通大学硕士学位论文1绪论1.1研究的背景及意义1.1.1黄土及黄土地基概况黄土古称“黄壤”，本源于土地之色，是一种第四纪沉积物，具有一系列的内部物质成分和外部形态特征，不同于同期的其他沉积物，在地理分布上也有一定的规律性。[1]全世界大约有1300万平方公里的黄土和黄土状土，占陆地面积的9.3%，在世界上很多国家均有分布，如澳大利亚、俄罗斯南部、美国中西部及欧洲中东部等。随着西部大开发的推进，广大黄土地区的铁路、公路密度显著提高，高速铁路、高速公路的建设速度加快，黄土已经成为了在黄土地区修建铁路、公路的主要材料。黄土主要由粉土粒组组成，具有孔隙比较大、密度小、遇水易产生湿陷变形的特点，容易产[2]生病害，如地基沉降、路堤塌陷等。黄土遇水浸湿后，颗粒之间的胶结作用会因可溶盐的溶解反应破坏，导致颗粒之间的黏聚力减弱，在自重应力或自重应力及附加应力作用下，黄土的土结构迅速破坏，发生湿陷性沉陷，使黄土地基产生较大的下沉变形。黄土强度随其含水率升高而降低。当含水率处于较高水平时，黄土的结构会因为其中部分易溶盐的溶解反应而被破坏，黄土强度降低当黄土的含水率增加到超过一定水平时，黄土的土体结构会发生破坏，基本丢失其结构强度，最终严重影响路基的正常使用。针对黄土地区铁路建设的技术难题，我国科技人员就在黄土地区如何提高地基的承载力、减小沉降等方面开展了长期研究实践，取得了许多研究成果，尤其是在地质灾害防治、软弱地基处理方面。早期在黄土地区修建铁路时，其建设标准较低，不太完善，容易在施工过程中和运营时出现问题。在湿陷性黄土地区修建客运专线对工程技术的要求更为严格，面对湿陷性黄土的特殊工程性质，如何采取有针对性的工程措施来保证基础建设工程的安全稳定，是在湿陷性黄土地区修建客运专线必须要解决的一个技术难题。[3]饱和黄土饱和度大于80%，是黄土演变的一种区域性特殊土。我国几十年来的研究主要集中在湿陷性黄土地基处理方面，也取得了很多研究成果，而对铁路等工程建设中所遇到的饱和黄土地基的研究则较少。对于土体处于软塑至流塑状态的饱和黄土，其湿陷性已消失，承载力较低，压缩量较大，建在其上的线路、路基会发生较大的沉降和不均匀沉降，因而需要研究适合不同等级铁路要求的地基加固处理技术。我国的黄土分布面积十分广泛、地层层序较为完整、黄土厚度深浅不一、成因多种[4]多样，十分复杂。我国陆地总面积的6.6%为黄土分布面积，约64万平方公里，其中3/4为湿陷性黄土，占世界黄土分布面积的4.9%。在欧洲和美洲分布的黄土，其厚度较-1- 水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究薄，通常只有几米，很少超过10m；在前苏联境内分布的黄土，其厚度也仅在局部地区能达到40~50m；世界上黄土厚度最大的剖面就是我国的甘肃靖远曹岘黄土剖面，其厚度[5]达到了505m；而分布在甘肃省兰州黄河北岸六级阶地九州台地区的黄土，其实测厚[6]度也达到了280m。在我国，黄土的厚度由西北向东南逐渐变薄，湿陷性也随之减弱，这是因为我国不同地区的的地理、地质和气候条件差异明显，湿陷性黄土的组成成分、分布地带、沉积厚度、湿陷特征和物理力学性质也因地而异。1.1.2水泥土搅拌桩复合地基国内、外研究现状水泥土搅拌桩的施工有粉体喷射法和浆液喷射法两种方法。粉喷桩（使用粉体喷射法搅拌形成的加固土体）和深层搅拌桩（用浆液喷射法搅拌形成的加固土体）都称为水[4]泥土搅拌桩。其加固原理为：使用深层搅拌装置，在地基较深处使水泥固化剂和软土发生强制搅拌，固化剂水泥与软土由于强制搅拌而发生的的物理反应和化学反应能转化软土的物理化学性质，使之固结成为具有一定的强度的、整体性较好和有良好水稳定性的地基。这样，上部的结构荷载就由桩间土和搅拌形成的加固体共同承担，从而达到了提高了地基承载力，减小了沉降变形的目的。在我国，水泥土搅拌桩的搅拌深度最深达[7]到了30m，水泥土搅拌桩的搅拌加固体直径通常为500~850mm。水泥土搅拌桩最早是在美国研制成功，称为Mixed-in-Place-Pile（简称MIP法）；在日本，称此为CementDeepMixingMethod（CDM工作法），1973～1974年日本进行了CDM工作法的研究工作，1975年起就投入了实际的应用中。目前，日本有陆上和海上两种施工机械；陆上的施工机械为双轴，成孔直径为φ1000mm，最大钻深可以达到40m；而海上施工机械的种类有多种，最多的轴有8根，成孔的最大直径可以达到φ2000mmm，[8]最大的钻孔深度为70m。在我国，水泥土的研究工作是从20世纪70年代初开始的，并相继开展了推广应用工作。很多单位参与到了水泥土的研究工作中，对水泥土的基本物理力学性质进行了系统深入的研究。使用水泥浆作为加固材料，深层搅拌后使搅拌形成的加固地基具有良好的整体性、水稳定性以及足够的强度，水泥土搅拌桩已被广泛应用于加固处理软土地基的[9]工程实践中。水泥土搅拌桩加固处理软土地基的效果受水泥搅拌土性能的影响，影响水泥搅拌土性能的因素有水泥强度等级、二灰掺量、养护龄期、温度、养护条件等。就复合地基加固处理而言，使地基的承载力得以提高、水稳定性得以增强，适量的减少地基沉降，使之达到一个合理水平，是地基处理中追求的目标，地基处理技术已经[10]得到广泛的应用。复合地基的内涵随着复合地基技术的发展和完善得到了发展延伸，复合地基的概念最早是20世纪60年代初提出的，现在，复合地基的概念已经从原来的-2- 兰州交通大学硕士学位论文一种用于处理砂井计算的数学模型发展到现在的用人工方法加强或置换部分或全部的[11]不良天然地基，使外部荷载由原有天然地基与人工加强体共同承担的人工地基。我国在秦汉以前就已经使用灰土垫层，现代地基处理技术发展日新月异，随着社会进步和土木工程建设的发展，地基处理也得到了飞速的发展。我国已经发展了多种多样的地基处理技术，并基本和国际学科发展同步，我国地基处理技术的发展还体现在理论上的进步，探讨加固机理，改进施工机械和工艺，提高处理效果，改进设计方法。复合地基理论已经形成广义的复合地基理论，常用的方法有：换土垫层法、深层密实法、排水固结法、[12]加筋法、胶结法等，其中每种方法又可以分成很多具体方法，如深层密实法可分为强夯法和挤密法。近年来虽然针对湿陷性黄土地基处理方法较多，工程实例也较多，但多数是针对工业与民用建筑，针对道路和铁道工程，尤其是高速铁路地基处理假设的研究较少，可借鉴参考的经验有限。[13]马向军，刘义东，张央提出应用水泥土搅拌桩加固处理饱和黄土，通过单桩与单桩复合地基静载荷试验检测地基整体承载力，结果发现其承载力不能达到设计要求，从而得出结论：水泥土搅拌桩能够加固黄土体，提高地基承载力，减小加固区沉降变形，但是不能消除湿陷性。[14]简文彬，黄春香，吴维青等采用非对称正弦波动荷载变化方式对研究了疲劳荷载对水泥搅拌土的影响。试验结果表明：水泥搅拌土在循环荷载下，变形会累进，当达到一定程度时，水泥搅拌土会发生低应力性破裂；同时，水泥搅拌土的疲劳寿命还受荷载频率与荷载振幅的影响。[15]张伟丽、蔡健等通过数值分析和载荷试验，结果表明：垫层的设置能够减小沉降，但不宜过厚，否则不但不能减小沉降，反而会使沉降增大；在选取垫层厚度时，除了综合考虑沉降和承载力外，还应考虑地质条件。[16]王道华基于某软土路基水泥土搅拌桩加固工程，测量了桩周土体位移和土体中孔隙水压力在施工过程中的变化情况。结果表明：水泥土搅拌桩周围土体的扰动情况与离桩距离、桩到达深度有关；大面积水泥土搅拌桩施工时，孔隙水压力和土体位移都会不断累积增加；水泥土搅拌桩由近及远施工对周围土体的扰动比由远及近施工小。[17]王新苗结合某一城市道路工程，对水泥土搅拌桩加固地基进行了设计与分析，得出以下结论：在使用水泥土搅拌法加固处理地基时，应明确其适用范围，不得超出范围；另加固重要建筑物地基时，要注意观测计算地基的变形量。为类似工程提供了参考。[18]张谦分析了水泥加固软土的原理，阐述了水泥土搅拌桩在软土地基处理中的技术要求，并就预搅下沉钻杆、水泥浆拌制、喷浆搅拌等环节的注意事项作了研究，总结了一些水泥土搅拌桩常见质量问题的解决方法，为软基处理的技术的提升提供了参考。-3- 水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究[19]汤梅芳通过工程实例分析及现场沉降监测得出：相比普通水泥搅拌桩，双向水泥土搅拌桩的桩身质量更均匀、深部桩体质量较好、桩体强度较高；在地铁车辆段碎石道床区使用双向水泥搅拌桩加固软基的效果较为显著。[20]袁满，丁继辉等对同一场地上的CFG桩、碎石桩、CFG芯水泥土桩、CFG长桩和水泥土短桩组合桩复合地基进行了现场载荷试验和变形试验。试验结果表明：桩径和桩间距相同条件下，两种组合桩的荷载沉降曲线接近线性关系，碎石桩复合地基荷载沉降呈明显的非线性关系；组合桩复合地基的承载力相对于单桩复合地基略低；4种形式复合地基的应力分布以CFG芯水泥土组合桩复合地基最为均匀；复合地基的深层变形受布桩形式的影响较大。[21]张文学，杨有海结合郑（郑州）西（西安）客运专线，通过现场载荷试验和室内-1实验，并结合理论分析，得出：水泥改良黄土属低压缩性土，其压缩系数小于0.1MPa，且在龄期相同的条件下，水泥改良黄土的压缩系数随水泥掺合比的增加而逐渐减小，改善了其抗变形的能力；掺合比为12%的水泥土挤密桩单桩复合地基能满足设计要求，即其承载力特征值最小值为357kPa³245kPa，水泥土挤密桩在处理湿陷性黄土地基方面有很好的加固效果。[22]席培胜等对双向水泥土搅拌桩施工工艺进行研究，发现双向水泥土搅拌桩相比于常规的水泥土搅拌桩在施工过程中，基本没有溢浆现象，较少发生地面隆起，双向水泥土搅拌桩的施工质量较好。对比分析后发现，双向水泥土搅拌施工时的上下两组叶片，可以使其中的土体受到方向相反的剪切力，从而使土体处于平衡状态。[23]吴鸿飞，张亚宾，杨有海结合中川铁路项目，通过室内配比试验，研究不同掺量的尼龙纤维对水泥粉煤灰搅拌饱和黄土力学性能的影响，试验结果表明：二灰(水泥、粉煤灰)掺量和龄期是影响水泥搅拌饱和黄土抗压强度的主要因素，掺入尼龙纤维能有效增强水泥粉煤灰搅拌饱和黄土的抗压强度；在二灰掺量相对较低时(a=12%～w15%)，尼龙纤维的加筋作用对水泥粉煤灰搅拌饱和黄土的强度贡献较大；而在二灰掺量较高时(a=20%)，主要是二灰对水泥粉煤灰搅拌饱和黄土的强度做贡献。w[24]ShenbagaR.Kharaj,VasantG.etc分析了水泥加固土体与龄期、水泥掺量及粉煤灰掺量之间的关系，并列出了其函数表达式。[25]EkstromJC由现场试验得出，在上部荷载相同的情况下，桩体与桩间土的变形量并不相等，桩顶的变形量明显小于桩间土的变形量，摩阻力在桩体的上部表现为负摩阻力。[26]Yu-zhenIsmail.etc通过三轴压缩试验研究了水泥土固化的力学性质。试验结果表明，水泥土的应力峰值所对应的应变值随围压的增大有显著增加，但对水泥土的初始模-4- 兰州交通大学硕士学位论文量影响不大，基本没有变化。[27]D.T.Erktius.etc研究了淤泥质土和水泥固化试验，得出结论：土体的无侧限抗压强度随水泥掺量的增加有明显提高，且掺入水泥能使液塑限值下降。[28]Kawasaki.etc研究了温度对水泥土强度的影响，分别研究了在10℃～50℃变化区间下，水泥掺量为20%和30%的水泥土的强度变化情况。[29]Uddin等通过室内试验得出，水泥土的强度随着龄期、水泥掺量的增大而增大。[30]Fook-HouLee.etc通过分析水泥土强度的影响因素，提出了土灰比及水灰比两个概念，它们能够反映水泥固化土的强度。[31]SunksunHorpibulsuk,NorihikoMiur.etc通过室内试验，得出了28d养护龄期下，某水灰比与无侧限抗压强度的关系，并在此关系的基础上，进一步对其它水灰比和水泥土无侧限抗压强度的关系进行了预测。[32]JamesWangPittaya.ect对加芯水泥土搅拌桩的受力机理进行了研究，认为其在受力上，具有较高强度与刚度的混凝土芯桩承担了大量的荷载，并通过接触面传递给水泥土外芯再传递给桩周土。[33]吴慧明、龚晓南通过设计在刚性基础和柔性基础下水泥搅拌桩复合地基模型，并进行对比实验，实验结果表明：刚性基础和柔性基础下水泥搅拌桩复合地基在桩土应力比、桩体荷载集中系数、破坏机理等方面存在显著差异，但二者基础下的土的承载力均较原状土有所提升。[34,35]周承刚、兰凯通过室内试验和工业性试验提出，水泥土强度随土体中含水量的增加而降低，水泥掺入比与水泥土强度并不是简单的单调关系；土中的有机质不利于水泥土的形成，有机质含量升高会降低水泥土的强度；地基土的类型会对水泥土强度产生较大影响。[36]黄春霞，张鸿儒，桂国庆探讨复合地基桩间土承载力折减系数β的各种影响因素，并根据桩土共同作用原理，对比研究了许多实验资料后，提出了折减系数β的取值与桩长、褥垫层的设置及桩间土的受力历史有关，并提出了取值建议。[37]李志斌，叶观宝，徐超通过某高速公路试验段上水泥土搅拌桩载荷试验和路堤荷载下桩土应力比的测读，分析了荷载特性对水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比的影响。[38]易耀林，刘松玉通过现场试验对比分析了双向水泥土搅拌桩和常规水泥土搅拌桩桩身强度、承载力以及路堤荷载下的沉降特性，表明双向水泥土搅拌桩的承载力与常规搅拌桩相近，但路基中心的地表沉降小于常规桩。[39]张伟丽，蔡健，林奕禧等采用水泥土搅拌桩对珠海地区淤泥质土进行加固，进行现场载荷试验，并用FLAC3D软件数值模拟，现场实测结果和数值模拟结果基本吻合，-5- 水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究研究了桩长、桩距改变对水泥土搅拌桩承载力的影响[40]邓永锋，刘松玉，洪振舜用弹性层状体系和Mindlin附加应力联合求解的方法，模拟了水泥土搅拌桩复合地基载荷试验，进一步探究了桩土应力比的变化规律，研究了水泥土搅拌桩深层桩土变形协调问题。[41]K.Yamamoto,J.Otani采用有限元法对复合地基数值模拟，分析计算结果与模型试验相当一致。[42]张伟丽，蔡健，林奕禧等为了研究垫层对沉降的影响，进行了静载荷试验，并结合数值模拟，得出以下结论：过后的垫层会增大复合基地的沉降，在选择垫层厚度时，不应只考虑承载力和沉降，还应考虑现场的实际场地条件；垫层的设置能调节桩土应力分担，使桩身所承担的荷载比例减小，减小沉降。[43]徐林荣等研究桩-网复合地基加固方法，这种方法集复合地基中水平向增强体与竖向增强体两个方向的单一型复合地基之优点，桩-加筋垫层-桩间土三者协同作用，共同承担上部荷载，相互作用机理比较复杂；其次，由面积置换率算出复合地基的弹性参数，利用相关的有限元软件，模拟计算不同桩距下路基的沉降关系曲线；最后，通过分析土体在桩间距不同的情况下的沉降变化规律，得到了选择最优桩间距的方法。[44]陈晋中，刘松玉等在充分分析了双向水泥土搅拌桩的施工工艺和在施工过程中的常见问题，并在此基础上有针对性的研发出了双向水泥土搅拌桩机。经大量工程实践证明，双向水泥土搅拌桩施工技术的成桩质量更好，应用范围更加广泛。1.2影响水泥土搅拌桩复合地基承载力的因素1.2.1自然因素水泥土搅拌桩复合地基承载力的影响因素有很多，主要分为自然因素和人为因素。其中自然因素主要有天然地基土的有机质含量、组成成分、液塑限等物理性能指标、pH值以及施工场地的温度变化、有无流动地下水等。(1)地层1)桩间土：水泥土搅拌桩复合地基的上部荷载由水泥土搅拌桩桩身和桩间土共同承担，故增强桩间土的承载力能有效增加复合地基承载力。2)物理性能指标：复合地基承载力受地层的物理性能指标的影响，因由水泥与土体搅拌形成的复合土体的强度与地层的物理性能指标密切相关。地层的物理性能指标有天然地基土的组成成分、液塑限、有机质含量、含水量等。其中，天然地基土的组成成分对复合地基承载力的影响为：当天然地基土主要由粘土矿物（如蒙脱石、高岭石等）组成时，水泥土搅拌桩对软土的加固效果较好，有利于复合地基承载力的增强；而当-6- 兰州交通大学硕士学位论文组成天然地基的粘性土有机质含量较高、pH值较低或者含有水铝石英等矿物时，水泥土搅拌桩的加固效果就会比较差；这是因为土层中的有机质量会阻碍水泥的水化反应，故较高的有机质含量会降低水泥土的强度；当粘粒含量较高（塑性指数Ip>25）时，土体与水泥搅拌时容易形成泥团，承载力较低，加固处理效果较差；土层中存在的大块物质将会严重影响施工进度和均匀性，降低水泥土搅拌桩的加固效果；当土层中含有大量2--的SO、Cl等酸性离子时，将会损环水泥等加固材料，降低水泥土的强度；水泥土无4侧限抗压强度f会随土的液、塑限的增加而降低，因为粘粒的反粒子层厚度会随液、cu塑限差值的增大而变厚，导致破坏反粒子层所需阳离子增多,降低了水泥土的强度；水泥土的强度会随当体中含水量（w）降低而增加；在地基土含水率w<30%时，采用干法施工会使水泥土的水化反应不能充分进行，不建议采用。（2）地下水地下水的存在会对复合地基承载力产生双面影响：当地下水有明显流动,且含有对水泥土有膨胀侵蚀等有害成分时，会破坏水泥土的凝结硬化反应，降低复合地基的承载力；而当地下水不含或只含有少量有害成分且流动不明显时有助于增强复合地基的承载力。（3）温度负温条件下，水泥与土的各种反应会因冰冻而减弱，减缓了水泥土强度的增长速度,甚至完全停滞；升为正温后，水泥土的强度会随水泥与土物理化学反应的加强而增加；故施工或养护期间将温度保持在适当范围内，可以提高复合地基的承载力。（4）pH值主要体现在对水泥土的侵蚀破坏方面。1.2.2人为因素影响水泥土搅拌桩复合地基承载力的人为因素主要有：（1）设计指标：包括桩长、桩径、间距分布、计算参数、置换率等前期设计参数；（2）材料：包括充当固化剂的水泥的强度等级、外加剂类型、水灰比、掺合比等；（3）施工工艺：包括常规水泥土搅拌桩与双向水泥土搅拌桩施工工艺等；（4）检测方法：如在进行载荷试验时使用的承载板直径与垫层的厚度；（5）人员素质：如施工人员是否参加过相关培训等。-7- 水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究1.3水泥土搅拌桩复合地基的特性与适用范围1.3.1工程特性水泥土搅拌桩加固软土地基有其独特的优点：（1）造价低：与钢筋混凝土桩基相比，水泥土搅拌桩的造价要低得多。（2）施工对周边环境影响小：水泥土搅拌桩在施工时有噪声小、振动小、污染小的优点，对周边建筑物影响较小，可以在建筑物密集的地方施工。（3）形式灵活多样：根据不同的需要，水泥土搅拌桩的加固形式可以灵活的采用柱状、壁状、块状和格栅状等平面布置形式。（4）利用率高：能够最大限度地利用原土。1.3.2适用范围水泥土搅拌桩法是一种常见的适合用于加固各种原因形成的饱和软粘土地基加固方法。其固化剂使用的是水泥，适用范围较广，如用于正常固结的淤泥质土与淤泥、粉土、粉砂、中粗砂、砂砾、粘性土、饱和黄土、素填土等地基加固。但应注意，在用于淤泥地基加固时，应避免避免产生负桩侧摩阻力；在用于加固粗粒土地基时，为了防止未固化硬结的水泥被地下水冲走，要特别注意是否有明显流动的地下水，同时还要考虑到在搅拌施工时可能出现的问题，如钻头钻进困难等。根据室内试验研究，一般认为当天然地基土主要由粘土矿物（如蒙脱石、高岭石等）组成时，水泥土搅拌桩的加固效果较好，有利于复合地基承载力的增强；而当组成天然地基的粘性土的有机质含量较高、pH值较低或者含有水铝石英等矿物时，水泥土搅拌桩的加固效果就会比较差。在软土地基中时，可以适当的添加粉煤灰来处理粘粒含量不足的情况。当I＞25p时，在搅拌过程中，水泥土容易在搅拌头叶片上形成泥团，使拌合过程难以充分完成。当pH＜4时，掺入少量的石灰，pH值通常会大于12。当地基土的天然含水率w＜30%时，若采用干法施工，应在喷射水泥干粉的同时掺入一定量的水，以保证水泥水化反应的充分进行。在有些地区，地下水因海水入渗而含有大量的硫酸盐，搅拌时，水泥与地下水中硫酸盐会发生化学反应，反应会生成侵蚀水泥搅拌土的结晶膨胀物质，水泥土会因侵蚀而逐渐丧失强度。因此，为了提高水泥土抗侵蚀能力，应该选用可以将结晶膨胀物质控制在适当范围内的抗硫酸盐水泥。此外，水泥土的强度也会受温度的影响，在负温条件下，负温条件下，水泥与土的各种反应会因冰冻而减弱，减缓了水泥土强度的增长速度，甚-8- 兰州交通大学硕士学位论文至完全停滞；升为正温后，水泥土的强度会随水泥与土物理化学反应的深入而增加，最终能够接近标准养护强度。1.4该领域目前存在的问题水泥搅拌桩复合地基是一种新型的软弱地基加固处理技术，具有污染小、经济效益好、施工相对简捷的特点，在地基处理中得到了十分广泛的应用。随着水泥搅拌桩加固处理软弱地基应用的增多，国内外学者对水泥搅拌桩复合地基给与了极大关注。尽管水泥搅拌桩已经在地基处理中应用相十分广泛，但是在计算理论方面还存在许多不完善的地方；在质量检测、施工工艺等方面仍有许多不足；在施工过程中发生了许多事故；地区经验积累的不够。1.5主要研究目标和研究内容兰州西站至兰州中川机场的铁路（简称“中川铁路”），线路全长63公里，始发于兰州西客站，终至兰州市中川镇中川机场站，途中穿行兰新铁路第二双线，其中部分路段地基土为饱和黄土，采用水泥土搅拌桩对黄土地基进行加固处理。在兰州地区的部分地带，也有较多的非湿陷性饱和黄土分布，其中少量为饱和黄土。中川铁路部分路段位于饱和黄土地带。依托兰州至中川铁路项目，在现场进行了大量的实测，并结合室内试验得到水泥搅拌土的基本性质，研究水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土地基的承载特性，并进一步研究铁路饱和黄土路基不同情况、不同条件下的承载力特性及地基处理效果，为该线建设和在其它黄土地区建造高标准铁路提供经验和参考。主要的研究内容有：（1）研究了水泥搅拌饱和黄土的基本物理性质、力学性质；（2）通过现场载荷试验，研究不同设计参数条件下的单桩承载力及单桩复合地基承载力的变化规律；（3）通过FLAC3D对水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土地基的承载特性进行数值分析，建立水泥土搅拌桩复合地基承载力的数值分析模型，研究水泥土搅拌桩复合地基在各种影响因素（不同设计参数）条件下的承载力及其变化规律。-9- 水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究2水泥土搅拌桩复合地基承载特性的理论研究2.1复合地基的概念及分类复合地基的内涵随着复合地基技术的发展和完善得到了发展延伸，复合地基的概念最早是20世纪60年代初提出的，到现在，复合地基的概念已经从原来的一种用于处理砂井计算的数学模型发展到现在的用人工方法加强或置换部分或全部的不良天然地基，使外部荷载由原有天然地基与人工加强体共同承担的人工地基。国际上1962年开始使用“compositefoundation”一词以来，复合地基得到了十分广泛的应用。龚晓南院士对复合地基作了定义，即运用人工、机械等手段，采用加筋、托换、挤密等处理方法将不能满足设计要求的天然地基中的不良土体增强或者挖除，从而增强地基承载力，使加固处理后的地基能够满足设计要求。复合地基理论广泛应用于碎石桩、CFG桩、石灰桩、旋喷桩、水泥土搅拌桩等加固地基中。采用复合地基的技术手段处理加固不良地基，经济效益高且能够有效控制地基的沉降，保障了工程建设的质量，在我国近年来的重大铁路、公路等建设中得到了广泛应用。采用复合地基的技术手段处理加固不良地基已经成为我国工程建设中的一种常用手段。复合地基的种类形式多种多样，根据复合地基基础刚度以及增强体的长度、设置方向、[7]材料的的不同，常用的复合地基分类如图2.1所示。-10- 兰州交通大学硕士学位论文（1）竖向增强体复合地基；按增强体设置方向（2）水平增强体复合地基；分类（3）竖向和斜向相结合的复合地基，如树根复合地基；（1）土工合成材料，如土工格栅，土工布等形式的加筋土地基；（2）砂石桩复合地基，碎石桩复合地基；（3）水泥土搅拌桩复合地基；（4）土桩复合地基，灰土桩复合地基，渣土桩复合地基；复合（5）低强度混凝土桩复合地基，如粉煤灰碎石桩按增强体的材料分类地复合地基，石灰粉煤灰混凝桩复合地基；基（6）各类钢筋混凝土桩复合地基，如管桩复合地形基，薄壁筒桩复合地基，钢筋混凝土桩复合式地基等；第(1)类主要用于形成水平向增强体复合地基，第（2)类主要形成散体材料桩复合地基，第(3)类和第（4）类主要形成柔性桩复合地基，第（5）类和第(6)类主要形成刚性桩复合地基；（1）刚性基础下设有垫层的复合地基；（2）刚性基础下不设垫层的复合地基；按基础刚度和垫层设置情况分类（3）柔性基础下设有垫层的复合地基；（4）柔性基础下不设垫层的复合地基；（1）等长度桩复合地基按设置的增强体长度长短桩相间布置（2）长短桩复合地基外长中短布置外短中长布置[7]图2.1复合地基的分类-11- 水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究2.2水泥土搅拌桩复合地基的承载力特性2.2.1水泥土搅拌桩加固机理水泥土搅拌桩加固地基是通过机械将固化剂和外加剂输送到软土中，使软土与固化剂接触并充分拌合，发生物理化学反应的过程，其中固化剂为水泥浆（或水泥粉），外加剂有石膏、木质素磺酸钙等。原状土会因拌合过程中的物理化学反应而发生结构改变，形成水泥土固化材料，在水稳定性、强度、结构整体性上较原状土均有较大提升，如图2.2所示。在用于粘性土时，水泥的掺入量仅占水泥加固土的7%~20%，水泥被粘土颗粒包围，这些粘土颗粒具有一定活性物质且比表面积较大，这种情况下的水泥水解和水化反应速率较慢且作用机理十分复杂，故水泥的硬结固化和强度增长较为缓慢。普通硅酸盐水泥水泥固化剂矿渣硅酸盐水泥火山灰掺料（粉煤灰、高炉矿渣等）固化材料减水剂：木质素磺酸钙外加剂速凝（早强）剂：三乙醇胺、氯化钠图2.2固化材料水泥的水化反应会生成多种水化物，如Ca(OH)2、3CaO·SiO2等，这些水化物能够与围绕他们的具有一定活性物质的粘土颗粒反应，如土中存在SiO2遇水能够硅酸胶体，++在硅酸胶体的表面带有正一价的Na或K，水化反应生成的的生成的Ca(OH)2中的正二2+价Ca就会与其吸附交换，使小土颗粒成相互聚集成为大土团粒，土体强度得以提升，且新生成凝胶粒子的比表面积很大，吸附活性十分强烈，能使大土团粒之间进一步相互结合，进一步压缩土团粒之间的空隙，最后形成极大提升水泥土强度的水泥土团粒结构。粘土矿物组成成分中的部分SiO2及Al2O3在碱性环境中可以与超过离子交换所需数量的2+Ca发生化学反应，反应会生成结构十分致密的结晶化合物，这种结晶化合物十分稳定且不溶于水，在空气和水中会进一步固结硬化，是水泥土的强度和水稳定性得到了极大增强。同时，Ca(OH)2的碳化反应形成CaCO3，不溶于水，也能增加水泥土的强度，只[45]是增加幅度较小、增长速度较慢；或者水化物自身持续续硬化，最终形成水泥骨架。-12- 兰州交通大学硕士学位论文水泥土搅拌桩的加固过程中一个十分重要的环节就是充分搅拌，着水泥与土体之间的搅拌越充分，土体中的土块会粉碎成为较小的土块，越便于水泥对土的均匀渗透，使水泥土具有离散性较小的结构强度，从而使水泥土搅拌桩桩身强度得到增强。基于这点，[46]在现场施工中要求必须确保全桩上下至少复搅一次。2.2.2水泥土搅拌桩复合地基承载力特性不同形式复合地基的承载机理各不相同，在荷载下，不同的复合地基形式、施工工艺、材料均会对承载机理产生影响。影响水泥土搅拌桩复合地基承载特性因素主要有：桩身的长度、桩身的直径、桩身与桩身之间的间距、水泥的强度等级、水泥土搅拌桩施工工艺及二灰掺入量等。水泥土搅拌桩复合地基由桩及桩间土共同承担上部结构荷载，属于柔性桩复合基地，当上部结构荷载过大或桩体刚度不足，桩体不能承担时，会发生鼓胀变形，调整了桩及桩间土承担荷载的比例，通过桩侧摩阻力将荷载传递给桩间土，增加桩间土承担的荷载，减小桩身负担，避免桩体破坏。故水泥土搅拌桩复合地基的承载力同时受到桩身强度与桩间土承载力影响。对基础刚度较大的复合地基，在荷载作用下，桩身的顶端与底端会产生同步沉降，主要由桩身来承担上部结构荷载，桩身会随着上部结构荷载的增加达到极限承载力，当荷载超过桩身极限承载力后，桩身会发生膨胀变形，桩侧摩阻力增大，通过桩侧摩阻力将荷载传递给桩间土，桩间土达到极限状态，故桩间土所能提供的承载力将直接影响到水泥土搅拌桩复合地基的承载力。但天然地基土的强度较低，随着深度的增加，桩身与桩间土的沉降量的差值会越来越小，产生的桩侧摩阻力也越来越低，直至桩身与桩间土的沉降相等，不再产生桩侧摩阻力。所以存在一个桩身体有效长度存在，当超过这个长度后，桩身长度的增长将不能提高复合地基的承载力。其次，随着上部结构荷载的逐渐增加，并超过桩身极限承载力后，桩身与桩间土所承担荷载的比例会发生改变，桩土应力比会有一个先增大后减小的过程。对于水泥土搅拌桩复合地基而言，桩间土的强度相对于桩身强度要低的多，桩间土在荷载作用初期的沉降量较桩身沉降量较大，桩间土对于桩身相对下滑，桩身产生桩侧摩阻力。荷载会随荷载作用时间增加而逐渐转移到桩身上，桩间土与桩身的沉降量差值会逐渐减小，由桩间土与桩身相对位移产生的桩侧摩阻力也随之减小，桩身逐渐发挥作用。当荷载沿桩身向下传递某一深度时，桩身应力达到最大值，这个深度点称为中性点。桩间土与桩身的相对沉降在中性点处为零，不产生桩侧摩阻力。而在中性点以下，桩身的沉降大于桩间土的沉降，产生正的桩侧摩阻力。桩侧摩阻力和端承力在中性点及以下得到发挥。所以，水泥土搅拌桩承载力的发挥的过程先是桩身被逐段压密，继而桩侧摩-13- 水泥土搅拌桩加固铁路路堤下饱和黄土承载特性影响因素研究阻力逐渐发挥，最后端承力得到发挥。柔性桩的承载力由桩侧摩阻力决定，因此，柔性桩大多数属于摩擦型桩。荷载在水泥土搅拌桩传递规律会因桩身强度的变化而改变，桩身与桩间土所承担的荷载比例也随之变化。在桩身强度较小时，桩身对荷载的分担能力较差，桩间土所分担的荷载随着荷载的增加而增加，桩土应力比n逐渐减小。当荷载超出桩间土体所能提供的极限承载力后，逐渐由桩身来承担荷载，桩土应力比n逐渐增大的。由以上分析可知：由于的桩身材料、桩身强度的不同，水泥土搅拌桩复合地基的承载能力与荷载传递机理与其它类型的复合地基不同；水泥土搅拌桩复合地基的桩土应力比n随着荷载的变化也有独特的规律。所以，设计参数的选择是水泥土搅拌桩复合地基设计过程中的一个十分重要的环节，应结合实际情况，在满足要求的基础上，兼顾经济和环境等方面的因素，不能盲目地照搬和套用其它类型复合地基的设计参数。2.2.3水泥土搅拌桩复合地基的破坏形式水泥土搅拌桩复合地基的破坏主要有压曲破坏和刺入破坏两种破坏形式，水泥土搅拌桩复合地基在用于处理加固软土地基时，桩身发生刺入破坏的可能性较大，不太可能发生桩身的整体剪切破坏：（1）压曲破坏：通常在桩下有硬土层时，因桩身强度不足或桩侧摩阻力太大，桩身压缩量太大或所受剪压过大而发生的破坏；（2）刺入破坏：在端承力和桩侧摩阻力得到充分发挥的情况下，桩尖向下刺入下卧层，使沉降变形加大而发生的破坏。2.3水泥土搅拌桩复合地基的承载力计算方法目前水泥土搅拌桩复合地基承载力的计算方法主要分为：面积比公式、应力比公式和稳定分析方法。(1)面积比公式复合地基的极限承载力p普遍表达式如下：cfp=Kllmp+-K(1)mp（2.1）cf11pf22sf式（2.1）中，K、K是反映实际极限承载力与理论极限承载力不同差别的系数，12K为复合地基中的桩身，K为复合地基中的桩间土；p桩表示的是桩身的极限承载力，12pf单位为千帕(kPa)；p表示的是桩间土的极限承载力，单位为千帕(kPa)；l、l分sf12-14- 兰州交通大学硕士学位论文别表示桩身和桩间土在复合地基破坏时，各自发挥的强度与极限强度的比值；m表示的是面积置换率。(2)应力比公式若通过一定手段能够得到荷载作用下水泥土搅拌桩复合地基的准确的桩土应力比n，就可以用桩土应力比n来计算得到复合地基的极限承载力p，表达式如下：cfp=Kp[1+m(n-1)]（2.2）cf2sfppfpK=[1+m(n-1)]（2.3）cf1n式（2.2）、（2.3）用于不同条件下的极限承载力计算：（1）式（2.2）可用于计算在桩间土先发生破坏情况下的复合地基极限承载力，这种情况下，桩间土竖向应力ss等于桩间土的极限承载力psf，桩顶竖向应力sp与桩间土竖向应力s及桩身极限承载力p的关系式可表示为ss=n=