深厚海陸交互相軟土剛性樁復(fù)合地基承載機(jī)理與變形特性研究.pdf

1、由于獨(dú)特的地質(zhì)和水動(dòng)力條件，在江河入?？谔幊Ｐ纬蓮?fù)雜的海陸交互相沉積層，其軟土不僅埋藏深、厚度大，且具有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度、非均質(zhì)、欠固結(jié)等特點(diǎn)，使其成為該類(lèi)地區(qū)高速公路建設(shè)面臨的工程與科學(xué)難題。傳統(tǒng)的地基處理方式難以滿足高速公路工程沉降變形控制要求，剛性樁復(fù)合地基因具有工后沉降及不均勻沉降小、處理深度大、復(fù)合地基承載力高等優(yōu)點(diǎn)，在高速公路軟基處理中得到應(yīng)用，但在深厚海陸交互相軟土中尚無(wú)成功經(jīng)驗(yàn)，缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論。本文以江

2、蘇省交通科學(xué)研究項(xiàng)目(09Y33)和澳大利亞研究理事會(huì)研究項(xiàng)目(DP120102142)為依托，結(jié)合崇明-啟東長(zhǎng)江公路大橋接線工程，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)剛性樁復(fù)合地基加固深厚海陸交互相軟土地基技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。論文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)與孔壓靜力觸探(CPTU)測(cè)試，對(duì)深厚海陸交互相軟土物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了考慮固結(jié)狀態(tài)的欠固結(jié)軟土OCR計(jì)算方法。結(jié)果

3、表明，崇啟大橋北接線工程沿線深厚海陸交互相軟土工程性質(zhì)極其復(fù)雜，各土層顆粒組成以粉粒為主，其含量超過(guò)50％;粉土-粉砂層(②2)中粉質(zhì)粘土與粉、細(xì)砂互層，類(lèi)似于“千層餅”特征，且為可液化土層;淤泥質(zhì)粘土(③1)層頂埋深超過(guò)15m，厚度大于20m，局部粘土與粉細(xì)砂互層，該軟土為低液限粘土，且具有高壓縮性;基于CPTU的孔壓消散試驗(yàn)，引入“似固結(jié)度”參數(shù)，可作為軟土欠固結(jié)狀態(tài)判斷的依據(jù)，分析表明深厚淤泥質(zhì)粘土(③1)處于欠固結(jié)狀態(tài)。

4、　　(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)沉樁試驗(yàn)、樁間土CPTU測(cè)試、路堤荷載下剛性樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，論證了剛性樁處理深厚海陸交互相軟土地基的有效性，分析了剛性樁加固此類(lèi)軟土地基的機(jī)理和效果。結(jié)果表明，管樁可以克服粉土-粉砂層的擠密效應(yīng)，打入淤泥質(zhì)粘土層，從而實(shí)現(xiàn)處理深厚海陸交互相軟土的目的;沉樁后粉土-粉砂的內(nèi)摩擦角和相對(duì)密實(shí)度均增大，其抗液化能力得到有效提高;深厚淤泥質(zhì)粘土的不排水抗剪強(qiáng)度得到提高，而固結(jié)系數(shù)則降低;剛性樁復(fù)合地基靜壓場(chǎng)地樁頂和樁間土累

5、計(jì)沉降、樁土差異沉降均低于錘擊場(chǎng)地，說(shuō)明此類(lèi)軟土中剛性樁靜壓施工后沉降控制效果優(yōu)于錘擊沉樁工藝。
　　(3)采用非線性大變形有限元方法，考慮相應(yīng)的邊界條件，建立了深厚海陸交互相軟土中剛性樁貫入機(jī)理分析模型，研究了此類(lèi)軟土中剛性樁貫入機(jī)理及其規(guī)律。結(jié)果表明，樁側(cè)擠土效應(yīng)沿貫入深度逐漸增強(qiáng)，樁端處最強(qiáng)，樁端以下迅速衰減;樁端以下影響深度為8倍樁徑，樁側(cè)土徑向位移臨界深度為10倍樁徑;貫入阻力和土中水平向應(yīng)力分別隨著土體內(nèi)摩擦角、剪脹角

6、、粘聚力和靜止土壓力系數(shù)的增加而增大;貫入阻力約在土層界面以上l倍樁徑處達(dá)到峰值，土層界面對(duì)貫入阻力、樁側(cè)土水平向應(yīng)力和位移的影響范圍為界面上5倍樁徑至界面下6倍樁徑。
　　(4)考慮樁體不排水和相應(yīng)邊界條件，建立了深厚海陸交互相軟土中未打穿剛性樁復(fù)合地基固結(jié)計(jì)算模型，分析了剛性樁復(fù)合地基固結(jié)規(guī)律。結(jié)果表明，剛性樁復(fù)合地基固結(jié)速率隨樁長(zhǎng)、樁體模量和面積置換率的增加而大幅度提高;樁未打穿情況下，隨著淤泥質(zhì)粘土滲透系數(shù)的增加，復(fù)合地基

7、固結(jié)速率加快;粉質(zhì)粘土與粉砂互層的埋深、厚度、滲透系數(shù)和壓縮模量對(duì)剛性樁復(fù)合地基固結(jié)性狀影響較小。樁打穿粉質(zhì)粘土與粉砂互層時(shí)，提高淤泥質(zhì)粘土的壓縮模量，下臥層中超孔壓消散速率顯著提高，加固區(qū)超孔壓消散速率則無(wú)明顯變化。
　　(5)總結(jié)分析世界范圍內(nèi)不同土質(zhì)條件下單樁豎向承載力試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，將基于CPTU的軟土不排水強(qiáng)度公式引入Ruiter和Beringen提出的剛性樁承載力估算方法（簡(jiǎn)稱(chēng)歐洲法）中，建立了考慮超固結(jié)比(OCR)、

8、水平應(yīng)力(σh)和長(zhǎng)徑比(L/D)的深厚海陸交互相軟土中剛性樁豎向承載力非線性計(jì)算方法。分析表明，圓錐系數(shù)隨OCR的增加非線性增大，兩者成指數(shù)函數(shù)關(guān)系;樁側(cè)阻力修正系數(shù)隨σh和L/D的增大均非線性降低;深厚軟土中樁端阻力修正系數(shù)取值為9.36。
　　(6)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)離心機(jī)試驗(yàn)，研究了深厚軟土中不同樁端開(kāi)口形式、樁體截面形狀和樁側(cè)土排水條件下剛性樁水平承載特性及樁土相互作用機(jī)理。結(jié)果表明，單樁水平承載力隨樁側(cè)土錐尖阻力的增大

9、而增大;閉口樁的水平承載力大于開(kāi)口樁;樁土響應(yīng)處于線彈性階段時(shí)，荷載，位移曲線與樁端類(lèi)型及截面形狀無(wú)關(guān);沉樁引起的超孔壓完全消散后，剛性樁水平承載力得到提高;樁身材料、樁端開(kāi)口形式和樁入土深度相同時(shí)，H型樁的水平承載力最大，而圓截面樁最小。
　　(7)在試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，提出了路堤荷載下深厚海陸交互相軟土中按變形控制的剛性樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定了詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)流程，給出了樁長(zhǎng)、樁間距、樁帽尺寸、加筋墊層