控制工后沉降地基处理技术的发展.pptx

控制工后沉降地基处理技术的发展控制工后沉降地基处理技术的发展赵维炳赵维炳南京水利科学研究院南京水利科学研究院 水利部水利部交通部交通部电力工业部电力工业部报告内容报告内容l控制工后沉降新一代地基处理技术的发展l软土特性和竖井固结理论研究l超软路基排水预压固结法试验研究lCFG桩复合地基加固高速公路深厚软基技术研究l排水固结加固软基新型排水材料应用研究l预制预应力管桩复合地基加固深厚软基技术研究l砼芯砂石桩复合地基加固深厚软基技术研究lSMW工法的设计理论与计算方法研究NHRI第一部分第一部分 控制工后沉降控制工后沉降 新一代地基处理技术的发展新一代地基处理技术的发展 1.1 1.1 前前 言言 1.21.2 工后沉降的概念及分类 1.3 1.3 按控制工后沉降进行设计及带来的影响 1.4 1.4 排水固结加固按控制工后沉降设计 1.5 1.5 柔性桩复合地基加固按控制工后沉降设计存在的问题1.6 1.6 结 语 NHRI1.1 前言 工程实践中，人们认识到建筑工程仅仅保证稳定工程实践中，人们认识到建筑工程仅仅保证稳定性和安全还不够，对变形的要求不断提高；性和安全还不够，对变形的要求不断提高；按照稳定性要求进行工程设计时设计位移也远按照稳定性要求进行工程设计时设计位移也远小于地基达到极限平衡状态对应的极限位移，有时地小于地基达到极限平衡状态对应的极限位移，有时地基的允许承载力直接根据允许位移来确定；基的允许承载力直接根据允许位移来确定；因此，工程实践提出了设计以位移（多数情况因此，工程实践提出了设计以位移（多数情况下是工后位移）作为控制目标的新要求，它隐含了稳下是工后位移）作为控制目标的新要求，它隐含了稳定性的要求。定性的要求。虽然目前已有控制工后沉降和沉降速率的设计标虽然目前已有控制工后沉降和沉降速率的设计标准，但实际设计中执行不严且计算粗糙，误差较大，亟准，但实际设计中执行不严且计算粗糙，误差较大，亟待解决的问题很多。待解决的问题很多。NHRI1.2 工后沉降的概念及分类 工工后后沉沉降降指指建建筑筑物物竣竣工工至至大大修修或或报报废废止止一一段段时时间间内内发发生生的的沉沉降降。它它直直接接关关系系到到建建筑筑物物的的使使用用效效果果和和安安全全，而而再再以以后后和和施施工工期期的的沉沉降降并并不不对对上上部部结结构构产产生生危危害害，因因此此工工程程设设计计以以工工后后沉沉降降作作为为控控制制目目标标是合理的。是合理的。工后沉降工后沉降Sh按其产生的原因可划分为加固体工后主固结压缩量按其产生的原因可划分为加固体工后主固结压缩量Sgh，下卧层工后主固结压缩量，下卧层工后主固结压缩量Sxh、加固体和下卧层工后次固结压、加固体和下卧层工后次固结压缩量缩量Sch三部分，即：三部分，即：而而每每一一部部分分工工后后压压缩缩量量又又可可写写成成对对应应的的总总压压缩缩量量S*与与变变形形比比增增量量V*=V*x-V*j之之乘乘积积。*表表示示以以上上三三部部分分中中的的一一种种，x表表示示大大修修或报废时，或报废时，j表示竣工时。因此工后沉降又可表示为：表示竣工时。因此工后沉降又可表示为：NHRI1.3 按控制工后沉降进行设计 带来的影响 控制工后沉降进行设计将带来许多重要的变化，主要包括：F 设计方法的变化。F 变形和固结计算方法的进步。F 计算范围扩大。F 处理深度加大。F 加固新型施工机械和施工工艺的发展。F 测试技术和工程质量检验技术的发展。NHRI1.4 排水固结加固 按控制工后沉降设计 为便于对问题有清晰的认识，先讨论两个实例。为便于对问题有清晰的认识，先讨论两个实例。例1 京珠高速公路广珠东线堆载预压试验段软土厚度京珠高速公路广珠东线堆载预压试验段软土厚度40m以上，长以上，长 353.43m，地基分层见下表，设计路堤高度为，地基分层见下表，设计路堤高度为3.85m，实际填土高度，实际填土高度5.18m(超载超载1.33m)。袋装砂井梅花形布置，间距。袋装砂井梅花形布置，间距1.5m，直径，直径7.0cm，长度长度15.0m，砂垫层厚度，砂垫层厚度70cm，内铺两层土工布。，内铺两层土工布。层号土质名称厚度（m）含水率（%）孔隙比塑性指数（%）压缩系数（MPa-1）固结系数(103cm2/s）1耕植土0.71.22淤泥8.416.068.31.8020.41.860.873淤泥夹细砂3.46.430.80.768.70.444.234淤泥质粘土未穿透53.21.3716.61.0724.65堆载预压试验路段地基分层情况NHRI计算最终沉降量施工期18个月结束时竣工15年后推论：下卧层和次固结工后压缩量是造成工后沉降过大的主要原因；在软土地基深厚的情况下，地面下15m软土层的压缩量在地基最终总沉降中是主要的。NHRI 例2 北京北京珠海高速公路广珠东线软基真空联合堆载预压试验路珠海高速公路广珠东线软基真空联合堆载预压试验路 段长段长255m，地基分层见表，地基分层见表4-2，设计路堤填筑高度在，设计路堤填筑高度在4.8m。实际。实际真空压力真空压力80kPa，填土，填土5.0m。砂垫层厚。砂垫层厚70cm，袋装砂井梅花形布，袋装砂井梅花形布置，间距置，间距1.5m，直径，直径7.0cm，长度，长度20.0m。真空联合堆载预压试验路段地基分层情况NHRI施工期12个月结束时竣工15年后真空预压除可缩短工期外，还能有效减小下卧层工后主固结沉降和次固结沉降。NHRI控制工后沉降设计排水固结可按以下步骤进行：控制工后沉降设计排水固结可按以下步骤进行：用分层总和法计算各土层最终压缩量。用分层总和法计算各土层最终压缩量。初初定定加加固固深深度度和和间间距距等等，分分别别用用巴巴隆隆公公式式和和太太沙沙基基公公式式等等，计计算算施施工工期期和和大大修修期期加加固固深深度度内内和和下下卧卧层层固固结结度度；按次固结理论计算次固结变形比。按次固结理论计算次固结变形比。计算地基工后沉降。计算地基工后沉降。校校核核工工后后沉沉降降是是否否在在规规定定的的值值以以内内，超超出出时时加加大大加加固固深深度重新设计。度重新设计。验算地基的稳定性。验算地基的稳定性。NHRI1.5 柔性桩复合地基加固 按控制工后沉降设计存在的问题 对对于于柔柔性性桩桩复复合合地地基基，按按控控制制工工后后沉沉降降设设计计的的方方法法与与排排水水固固结结方方法法中类似，但以下问题亟待研究解决：中类似，但以下问题亟待研究解决：对加固体研究的重点应转移。对加固体研究的重点应转移。过去：过去：加固体（如水泥土）的力学等方面的性质及加固体压缩量的计加固体（如水泥土）的力学等方面的性质及加固体压缩量的计算；算；按控制工后沉降设计：按控制工后沉降设计：重点研究解决地面荷载随深度的应力扩散和加重点研究解决地面荷载随深度的应力扩散和加固体固体 底部的附加应力计算问题。只有解决了这个问题后，才能解决底部的附加应力计算问题。只有解决了这个问题后，才能解决下卧层压缩量的计算问题。下卧层压缩量的计算问题。加固体与下卧层的固结度计算理论和方法。加固体与下卧层的固结度计算理论和方法。必须开发和应用加固深度能达到必须开发和应用加固深度能达到25m左右的新的复合地基处理方法。左右的新的复合地基处理方法。NHRI1.6 结 论 通过以上讨论，我们可以得到以下结论：通过以上讨论，我们可以得到以下结论：(1)(1)地地基基处处理理以以控控制制工工后后沉沉降降为为目目标标是是发发展展的的必必然然，一一些些新新的的地地基基处处理理技技术术将将得得到到开开发发应应用用，真真空空联联合合堆堆载载法法和和CFGCFG桩桩复复合合地地基基法等现有方法也将因其在工后沉降小等特点而得到广泛应用。法等现有方法也将因其在工后沉降小等特点而得到广泛应用。（2 2）地地基基处处理理以以控控制制工工后后沉沉降降为为目目标标将将带带来来科科研研、设设计计、施施工及监测等方面许多重要变化。工及监测等方面许多重要变化。(3)(3)对对深深厚厚软软土土地地基基，下下卧卧层层主主固固结结和和整整个个地地基基次次固固结结工工后后压压缩缩量量在在地地基基工工后后沉沉降降中中占占很很大大比比例例。应应加加强强对对下下卧卧层层主主固固结结和和整整个个地地基基次次固固结结的的最最终终压压缩缩量量及及变变形形比比随随时时间间变变化化的的计计算算理理论论和和方法的研究。方法的研究。(4)(4)为为保保证证地地基基稳稳定定性性和和控控制制总总沉沉降降，目目前前对对软软土土地地基基进进行行处处理理时时加加固固深深度度一一般般定定为为101015m15m，在在软软土土较较厚厚情情况况下下加加固固深深度度不不够够，导导致致下下卧卧层层工工后后压压缩缩量量和和地地基基工工后后沉沉降降过过大大，因因此此加加固固深深度度必必须须加大。加大。NHRI第二部分第二部分软土特性和竖井固结理论研究软土特性和竖井固结理论研究真空压力卸载软土地基变形规律考虑软土卸载再加载特性、流变性等改进软土本构模型竖井未打穿、粘弹性、成层地基固结理论非线性流变结构性软粘土弹塑性固结理论NHRI2.1 2.1 真空压力卸载软土地基变形规律真空压力卸载软土地基变形规律研究目的：研究目的：软土在球应力卸载情况下变形的影响因素、变形规律和变形计算模式，改进软土本构关系模型和沉降计算理论。真空压力卸载的物理本质真空压力卸载的物理本质土体有效球应力卸载土体有效球应力卸载卸载变形计算的基本理论卸载变形计算的基本理论土体复杂性三相散粒体；剪胀性；压硬性；NHRI球应力卸载应力应变结结 论论NHRI现有真空卸载回弹模量的计算方法现有真空卸载回弹模量的计算方法NHRI结论NHRI软土真空卸载变形规律的试验研究软土真空卸载变形规律的试验研究试验类型常规单向压缩试验等向压缩试验不同应力路径、应力状态的压缩回弹试验NHRI常规单向压缩试验结果NHRI等向压缩试验结果NHRI典型试验曲线NHRI不同应力路径应力状态压缩回弹试验a.a.试验仪器试验仪器南京水科院土工所CKC三轴仪NHRIb.b.考虑土体不等向性的等向压缩和膨胀试验考虑土体不等向性的等向压缩和膨胀试验模拟天然地基的模拟天然地基的K K0 0应力状态应力状态NHRI 在球形压力卸除时有明显的体积回弹，但轴向应变减小却很小；如果只按线弹性理论来计算真空卸除的沉降回弹量是偏大的。NHRIc.c.考虑不等向性的等向压缩和不同剪应力水平条件下的考虑不等向性的等向压缩和不同剪应力水平条件下的 等向膨胀试验等向膨胀试验模拟真空和真空联合堆载预压加固软基时的真空卸载模拟真空和真空联合堆载预压加固软基时的真空卸载在球形压力卸载段，体积应变减小的同时轴向应变反而继续增大，验证工程现象，即在卸除真空压力时地面沉降继续发展。真空卸载过程中，随着卸载时剪应力水平的提高，地面沉降将继续增大，而这种现象只可能在真空联合堆载预压中出现。NHRINHRI试验研究综合结论NHRI2.2 考虑软土卸载再加载特性、流变性等改进考虑软土卸载再加载特性、流变性等改进软土本构模型软土本构模型1.建立卸载阶段的应力应变关系；2.建立再加载阶段的应力应变关系；3.考虑土体流变性；4.考虑土体损伤；建立改进的软土本构模型及有限元计算方法NHRI建立竖井未打穿软土地基下卧层的近似计算方法。将现有竖井地基固结理论推广到竖井打设区和下卧层均为多层的情况，给出固结解答，并编制应用程序，供工程应用。竖井打设区固结速度明显快于下卧层。考虑土体粘滞性影响时，下卧层平均固结度均比线弹性情况下有所降低，下卧层下降幅度则更大。下卧层尚未完成的主固结沉降和整个土体的次固结沉降是引起工后沉降的主要原因，设计时应引起足够重视。2.3 竖井未打穿、粘弹性、成层地基固结理论竖井未打穿、粘弹性、成层地基固结理论NHRI2.4 非线性流变结构性软粘土弹塑性固结理论非线性流变结构性软粘土弹塑性固结理论研究意义土结构性和流变性对固结有重要影响；土应力应变曲线、孔隙水压力应变曲线、固结压缩曲线和强度包线等都与土结构性有显著关系。对Yin&Graham时间线模型进行修正，用修正后的模型建立一维固结方程，并给出成层地基一维弹粘塑性固结问题半解析解，得出地基平均固结度计算表达式：研究成果NHRI 根据Yin&Graham时间线模型，建立非线性流变和结构性软土一维弹粘塑性固结模型，通过建立合理假设推导考虑土结构屈服应力的屈服准则，新建模型考虑结构屈服应力应变率效应、固结引起屈服压力增加和连续或多级加载条件有效应力、应变和应变速率变化等。根据Schertmann和Nagaraj等人实验成果，建立结构性软性土三段式压缩曲线。利用改模型选择合理结构屈服应力及压缩性指标，提出扰动及结构性影响软粘土及砂井地基固结度计算方法。NHRI第三部分第三部分超软路基排水预压固结法试验研究超软路基排水预压固结法试验研究 研究内容：深厚高含水量软基中有效减少真空压力沿深度传递损失和提高深层加固效果的竖向排水技术；真空联合堆载预压法减少工后沉降加固机理；真空联合堆载预压加固深厚软基的荷载传递和工后沉降变化规律；真空联合堆载预压加固深厚软基下卧层固结度计算方法和工后沉降设计计算方法。NHRI依托工程及设计方案：依托工程及设计方案：NHRI3.1 不同竖向排水体真空度传递规律、地基不同竖向排水体真空度传递规律、地基 变形规律和加固效果变形规律和加固效果不同竖向排水体真空度沿深度衰减实测曲线NHRINHRI不同竖向排水体地表沉降实测曲线NHRI不同竖向排水体地基深层沉降实测曲线NHRI不同竖向排水体地基侧向位移实测曲线NHRI真空度从膜下到竖向排水通道的传递过程中会逐渐衰减，其衰减程真空度从膜下到竖向排水通道的传递过程中会逐渐衰减，其衰减程度与竖向排水体类型和材质、竖向排水通道与上部砂垫层的联结方式以及度与竖向排水体类型和材质、竖向排水通道与上部砂垫层的联结方式以及打设质量有关。打设质量有关。袋装砂井中插设一定长度小直径软管可将真空度有效传递至地基深袋装砂井中插设一定长度小直径软管可将真空度有效传递至地基深处，这种方案对于减少真空度的传递损失，提高地基深层的真空压力具明处，这种方案对于减少真空度的传递损失，提高地基深层的真空压力具明显的功效。显的功效。C C型排水板和型排水板和150mm150mm宽塑料排水板本身的结构和材质优于普通宽塑料排水板本身的结构和材质优于普通B B型排水型排水板，通水性能较强，地基深层板内真空度衰减较小，宜在深厚软基加固中推板，通水性能较强，地基深层板内真空度衰减较小，宜在深厚软基加固中推广使用。广使用。竖向排水通道不同，真空压力的深层传递损失不同，从而地基深层竖向排水通道不同，真空压力的深层传递损失不同，从而地基深层竖向位移和侧向位移规律不同，软基的加固效果也就不同。竖向位移和侧向位移规律不同，软基的加固效果也就不同。150mm150mm宽塑料排宽塑料排水板在有效消除地基沉降，提高软基深层加固效果，减少地基工后沉降方水板在有效消除地基沉降，提高软基深层加固效果，减少地基工后沉降方面要明显优于其它竖向排水体。面要明显优于其它竖向排水体。研究结论NHRI3.2 真空联合堆载预压工后沉降规律研究真空联合堆载预压工后沉降规律研究京珠高速广珠东线的试验研究京珠高速广珠东线的试验研究NHRINHRI1.1.排水预压法减少工后沉降机理排水预压法减少工后沉降机理 从土体单元压缩方面进行解释；从土体单元压缩方面进行解释；从地基沉降方面的解释。从地基沉降方面的解释。2.2.原有设计计算方法：分成总和法原有设计计算方法：分成总和法 缺点缺点3.3 控制工后沉降实用设计计算方法研究控制工后沉降实用设计计算方法研究NHRI3.3.改进后考虑的因素改进后考虑的因素 考虑土体的非线性，采用双线性模型，考虑土体结构性损伤；考虑土体的非线性，采用双线性模型，考虑土体结构性损伤；考虑压缩特性及平均固结度沿深度变化的影响；考虑压缩特性及平均固结度沿深度变化的影响；考虑施工过程的影响；考虑施工过程的影响；考虑真空预压和堆载两种不同预压方式的影响考虑真空预压和堆载两种不同预压方式的影响 ；4.4.改进的工后沉降计算方法改进的工后沉降计算方法 选择计算剖面；选择计算剖面；地基土分层；地基土分层；确定荷载施加方式及预估补方高度；确定荷载施加方式及预估补方高度；计算预压作用下各土层的有效应力增量及最终荷载作用下的有效应力增量；计算预压作用下各土层的有效应力增量及最终荷载作用下的有效应力增量；各级荷载作用下各土层的平均固结度计算；各级荷载作用下各土层的平均固结度计算；计算计算t t时刻的沉降量和工后沉降量；时刻的沉降量和工后沉降量；NHRI5.5.根据实测沉降推求工后沉降的方法根据实测沉降推求工后沉降的方法 基于成层竖井地基固结理论的工后沉降预测方法NHRI简化工后沉降预测方法NHRINHRI第四部分第四部分CFGCFG桩复合地基桩复合地基加固高速公路深厚软基技术研究加固高速公路深厚软基技术研究 NHRI研究内容：研究内容：深厚高含水量软基中CFG桩成桩施工技术及加固效果验证；CFG桩复合地基减少工后沉降加固机理；CFG桩复合地基荷载传递规律和工后沉降变化规律；CFG桩复合地基固结理论和工后沉降设计实用计算方法。依托工程及设计参数：依托工程及设计参数：江苏省淮盐高速公路淮安段四标K28+983.8K29+044.04，紧邻永兴特大桥西桥头；CFG桩桩径0.50m，三角形布置，桩长17m，进入下卧层约1m；顶部铺设4050cm厚褥垫层。NHRI4.1 CFG桩加固深厚软基成桩技术与工艺桩加固深厚软基成桩技术与工艺控制参数控制参数水泥：砂子：碎石：粉煤灰：水1：2.566：4.799：0.176：0.76混合料搅拌时间：不小于1min拔管速度：1.21.5m/min打桩顺序：隔桩跳打成桩质量良好成桩质量良好NHRI4.2 CFG桩复合地基变形、孔压、桩土应力分布、桩复合地基变形、孔压、桩土应力分布、承载力特性研究以及加固效果承载力特性研究以及加固效果地表沉降实测曲线地基沉降稳定后沉降量在10.0cm左右。采用CFG桩复合地基法加固桥头软基能有效减少路基沉降，以达到避免桥头跳车现象的目的。NHRI地基深层沉降实测曲线在CFG桩长范围内地基土沉降变化较为平缓，说明CFG桩能充分发挥全桩长范围内的摩阻力，增大了荷载的传递深度，能有效减少、消除地基的深层沉降，地基深层加固效果较好。开始时加固区沉降量要明显大于下卧层的沉降量，随着荷载的增加和时间的延长，下卧层的沉降量在总沉降量中的比率越来越高，最终总的沉降量以下卧层的沉降量为主，说明采用CFG桩处理软基能有效减少、消除加固区软土沉降量。NHRI复合地基载荷试验曲线（有/无垫层情况下）复合地基承载力特征值在144kPa180kPa之间，满足上覆荷载对地基的要求。褥垫层在CFG桩复合地基中作用明显，对比两次静载试验结果，铺设褥垫层之后复合地基承载力分别提高了20%（1.8m间距）和38%（1.5m间距）。NHRI复合地基超静孔压消散曲线 地基土的孔隙水压力随荷载而变化，荷载施加过程中孔压的变化与荷载相关，停荷阶段孔压逐步消散 NHRI 通过改变桩长和间距进行CFG桩复合地基室内模型槽试验，研究荷载沿桩长传递规律、成桩过程中由于外因造成土性变化规律，进一步明确了CFG桩的工作机理与特性。4.3 室内模型试验研究室内模型试验研究研究目的：研究目的：NHRI室内模型平面布置NHRI测量装置NHRI试验结果图表NHRINHRI研究结论NHRI4.4 CFG桩复合地基数值计算方法桩复合地基数值计算方法NHRI4.5 深厚软基中深厚软基中CFG桩复合地基荷载传递和变形规律桩复合地基荷载传递和变形规律复合地基竖向附加应力分布NHRI桩身竖向附加应力分布桩间土竖向附加应力分布NHRI复合地基沉降规律加固区中心沉降最大，在加固区内侧沉降相对来说较小，离加固区10m处土体甚至出现了隆起；在有CFG桩的部位，其顶面沉降量小于同高度土体的沉降量，而桩底部沉降量则大于同高度土体的沉降量。反映了CFG桩的向上刺入和向下刺入作用；加固层的沉降很小。而在加固区中心区域，下卧层的沉降则较大，可见CFG桩复合地基的沉降主要是由于下卧层的沉降所引起。NHRI复合地基水平位移规律 总的水平位移较小，不超过2cm。加固区及其影响区域10m以上土层均产生向路基中心的水平位移，在10m以下则产生向加固区外侧的水平位移。深层土体受到较大的竖向压缩，产生向外层的挤出变形。其特征与天然地基有较大差异。未经处理的地基在堆载后往往会产生向外层的挤出变形，土层埋深越浅，水平位移越大，不利于整个地基的稳定。经过CFG桩加固的软土地基，其水平位移分布规律与真空堆载联合预压作用下的水平位移有点近似，有利于复合地基的稳定。NHRI 计算表明，CFG桩沉管产生的超静孔压随着径向距离的增大呈对数衰减，其影响范围约为3.5倍桩径。4.6 基于圆孔扩张理论的基于圆孔扩张理论的CFG桩成桩效应分析桩成桩效应分析沉桩引起的超静孔压分布规律NHRI 采用振动沉管法施工CFG桩（桩长17m/桩径0.5m/间距1.8m），桩间土挤密系数达0.49，说明沉桩过程挤密效应明显 沉桩挤密效应计算分析NHRI4.7 CFG桩桩体初凝前后桩间土固结分析桩桩体初凝前后桩间土固结分析定解方程NHRI求解条件求解方法及解析解NHRINHRI固结特性曲线NHRI4.8 CFG桩复合地基固结理论研究桩复合地基固结理论研究 目前，对CFG桩复合地基固结过程的理论及计算研究甚少，可以说几乎没有这方面的研究。用CFG桩复合地基加固高速公路软基，主要集中于桥头或构造物等行车重要路段，为达到有效消除桥头跳车现象，确保行车安全，对软基工后沉降的要求较高。开展CFG桩复合地基固结理论的研究，摸清路堤施工过程中复合地基内超静孔压的变化过程，对于准确计算其固结沉降，预测其工后沉降，具有重要的指导意义和理论价值。研究意义：NHRI计算模型：NHRI加荷阶段：式中：恒荷阶段：解析解：以路堤逐级加荷下打穿软土层为例NHRI竣工后：工后阶段：（超静孔压的消散）NHRI固结特性曲线：以路堤逐级加荷下打穿软土层为例NHRI4.9 控制工后沉降设计计算方法研究控制工后沉降设计计算方法研究减少工后沉降机理桩承担较多荷载，减小土体所承受的荷载，减小土体的压缩量；通过CFG桩对土体的挤密作用及对桩周附近土体的脱水作用等，改善周围土体的颗粒大小及其物理力学性质指标；上部荷载通过CFG桩体传递至相对承载力较高、压缩性较低的下卧层，在加固区土层压缩量减小的同时，下卧层的压缩量会相应有所增加。NHRI工后沉降计算方法NHRI第五部分第五部分排水固结加固软基排水固结加固软基新型排水材料应用研究新型排水材料应用研究 NHRI 在砂料紧缺昂贵的地区，探索性引进新型排水材料代替砂垫层，以减少砂石用量、降低工程成本、确保工程质量。对塑料盲沟、透水软管等新型排水材料工程性质进行试验研究；加固效果的现场对比试验研究；施工技术与工艺研究；加固机理及效果的数值仿真分析。研究目的和内容：研究目的和内容：NHRI将塑料盲沟、透水软管等新型排水材料首创性地应用于高速公路真空预压加固软基工程，其中的关键技术问题将得以研究解决，为该项技术的推广应用奠定了基础。针对砂石原料缺乏的地区，将塑料盲沟、透水软管等新型排水材料取代水平砂垫层，可降低工程成本，方便施工，具有较好的经济效益。研究采用不同水平、竖向排水材料情况下软基的变形规律及加固效果，完善排水加固的设计方法和计算理论。创新点：创新点：NHRI依托工程及设计方案依托工程及设计方案 江苏省连盐高速公路盐城响水二标真空预压路段江苏省连盐高速公路盐城响水二标真空预压路段NHRI(1)经济性对比研究对塑料盲沟和透水软管代替水平砂垫层技术进行了经济性对比分析，结果表明，采用塑料盲沟或透水软管代替普通砂垫层作为水平排水体，可节省工程造价520元/m2，经济效益十分明显，其中采用透水软管比塑料盲沟更能降低工程造价。膜下真空度上升情况对比研究 采用塑料盲沟或透水软管代替砂垫层作为水平排水体，能保证抽真空后膜下真空度达到设计要求，说明塑料盲沟和透水软管已具备了作为水平排水体的水平排水和传递真空度两大功能 NHRI消除地基沉降对比研究 对砂垫层、塑料盲沟及透水软管三种不同水平排水体路段地基沉降量消除情况进行了对比分析，表明三种水平排水体在消除地基沉降速率方面基本一致，采用透水软管或塑料盲沟代替砂垫层作为水平排水体具备及时消除地基沉降的能力，完全能满足在设计时间内消除地基沉降量的软基加固要求。NHRI透水软管竖向排水加固效果研究 透水软管作为竖向排水体能有效消除地基沉降，其地基加固效果要优于C型板，这主要是因为透水软管直径大，滤膜渗透性好，通水能力强，真空预压过程中在压力差作用下孔隙水很容易进入透水软管被吸出，同时具有钢丝弹簧骨架结构，抗侧压能力强，插入地基深处后不易被地基土体侧压力挤压变形甚至出现缩颈现象，从而保证了预压过程中真空度能顺利沿透水软管向地基传递和良好的过水性能。NHRI新型排水材料加固效果检验加固前后土性指标对比加固前后土性指标对比NHRI加固前后原位测试对比加固前后原位测试对比NHRI新型排水材料真空预压数值计算研究 a.新型排水材料替代砂垫层或塑料排水板，其加固机理是相同的，通过加速土体排水过程达到消除地基沉降和提高土体抗剪强度。b.新型排水材料替代砂垫层或塑料排水板，表现为排水边界条件的改变和排水体大小，渗透系数的改变，仍然可以通过比奥固结理论进行有限元数值模拟。软式透水管替代砂垫层，膜下真空度上升时间可考虑为10天，塑料盲沟可考虑为16天。软式透水管替代C型塑料排水板，在进行有限元计算时，可考虑井径为4cm，渗透系数为1.210-4m/s的透水材料。c.理论分析表明软式透水管或塑料盲沟替代砂垫层后，土体平均固结度会有所减慢，但若地基平均固结度达80%时，仅比砂垫层小2%，在工程上是可以接受的。利用软式透水管替代塑料排水板，固结速度有所提高。若地基平均固结度要求为80%，则可提高10%。NHRI第六部分第六部分预制预应力管桩复合地基预制预应力管桩复合地基加固深厚软基技术研究加固深厚软基技术研究NHRI研究内容：研究内容：深厚高含水量软基中预应力管桩加固效果验证；预应力管桩复合地基荷载传递规律和工后沉降变化规律；预应力管桩复合地基沉降设计实用计算方法。依托工程及设计参数：依托工程及设计参数：杭州湾跨海大桥南岸接线深厚软基处理试验段K118+556.5K118+623区段，属K118+544中桥桥头及锥坡路段；预应力管桩桩径0.50m，三角形布置，间距3m，桩长32m；每根桩顶部带有1m1m0.3m的独立承台；上面铺设0.5m厚的碎石褥垫层。NHRI6.1 预应力管桩复合地基加固效果研究预应力管桩复合地基加固效果研究地表沉降实测曲线地基沉降稳定后最大沉降量在4.0cm左右。采用预应力管桩复合地基法加固桥头软基能有效减少路基沉降。NHRI(2)孔隙水压力变化曲线NHRI6.2 数值计算方法数值计算方法计算模型将桩等效为墙体；由于荷载较小，桩体视为理想弹性体；土体采用Mohr-Coulomb模型 NHRI 用模型对路堤荷载下管桩复合地基的受荷特性和沉降规律进行了计算，得到的桩土应力比、沉降量等和实测结果一致。而后讨论了不同桩长、不同桩间距、不同褥垫层模量等因素的影响，结论如下：褥垫层模量的影响对管桩复合地基桩土应力比的影响最大，桩长 改变对应力比的影响较小。桩土应力比随垫层模量的增大而增大，且增加幅度较大；桩间距变大，桩土应力比变大；桩长增加，应力比值增加。在不同桩长、桩间距、荷载水平下，管桩都能通长的发挥桩身的侧摩阻力。在管桩复合地基沉降的影响因素中，桩长的改变对地基沉降的影响最大，桩长增加，沉降量减小，且减小幅度较大。垫层模量对沉降的影响较小，垫层模量增大，沉降量减小，但改变量很小。管桩对于减小地基沉降量作用明显，特别是对于加固区而言，相对天然地基，压缩量可以减小85以上。NHRI6.3 管桩复合地基沉降计算方法研究管桩复合地基沉降计算方法研究管桩复合地基变形协调示意图桩土应力比计算公式加固区复合模量沉降量计算：分层总和法NHRI第七部分第七部分砼芯砂石桩复合地基砼芯砂石桩复合地基加固深厚软基技术研究加固深厚软基技术研究NHRI砼芯砂石桩复合地基技术简介：砼芯砂石桩复合地基技术简介：综合排水固结法对软土本身加固效果显著和预制混凝土桩强度高、综合排水固结法对软土本身加固效果显著和预制混凝土桩强度高、质量容易控制两者优势，将两种处理方法的优势充分发挥、弱点相互克服，质量容易控制两者优势，将两种处理方法的优势充分发挥、弱点相互克服，提出国内外首创地基处理新技术提出国内外首创地基处理新技术-混凝土芯砂石桩复合地基。混凝土芯砂石桩复合地基。它是采用振动沉管（适用于地基无硬夹层、软土土质一般软弱）或它是采用振动沉管（适用于地基无硬夹层、软土土质一般软弱）或者长螺旋（适用于地基有硬夹层或软土土质非常软弱）方式成孔，孔中心者长螺旋（适用于地基有硬夹层或软土土质非常软弱）方式成孔，孔中心设立预制直径设立预制直径20cm20cm左右（或左右（或20cm20cm20cm20cm方形）的预制钢筋混凝土桩即复合方形）的预制钢筋混凝土桩即复合桩体的芯，四周灌砂或碎石屑形成桩的壳。为防止在上部荷载作用下混凝桩体的芯，四周灌砂或碎石屑形成桩的壳。为防止在上部荷载作用下混凝土桩产生向上的刺入破坏，成桩后可控制桩顶低于地面约土桩产生向上的刺入破坏，成桩后可控制桩顶低于地面约50cm50cm，用人工稍，用人工稍加修整后在桩头上部即可形成比混凝土芯砂石桩直径稍大的圆锥形凹槽，加修整后在桩头上部即可形成比混凝土芯砂石桩直径稍大的圆锥形凹槽，灌入碎石压实，随后铺设厚约灌入碎石压实，随后铺设厚约50cm 50cm 的砂石垫层和的砂石垫层和1212层的土工格栅，砂石层的土工格栅，砂石垫层、土工格栅和混凝土芯砂石桩一起构成复合地基。垫层、土工格栅和混凝土芯砂石桩一起构成复合地基。NHRI原理：原理：混凝土芯桩主要起承受竖向荷载的功能；混凝土芯桩主要起承受竖向荷载的功能；桩的砂石壳主要起加大芯桩侧壁摩阻力和竖向排水作用；桩的砂石壳主要起加大芯桩侧壁摩阻力和竖向排水作用；特点特点 芯桩是预制的，质量容易控制，质量检测简单；芯桩是预制的，质量容易控制，质量检测简单；混凝土芯桩承受主要竖向荷载，桩端进入下卧硬土层，全长质量均匀；混凝土芯桩承受主要竖向荷载，桩端进入下卧硬土层，全长质量均匀；混凝土混凝土芯桩无须养护，节省检测前的养护时间；芯桩无须养护，节省检测前的养护时间；加固深度深，振动沉管桩长最大可达加固深度深，振动沉管桩长最大可达2530米，长螺旋成孔桩长度最大可达米，长螺旋成孔桩长度最大可达3035米；米；混凝土芯砂石桩强度较高，直径混凝土芯砂石桩强度较高，直径50cm（混凝土芯桩直径（混凝土芯桩直径20cm或或20cm20cm方形）混凝土芯砂石桩桩身平均强度约为方形）混凝土芯砂石桩桩身平均强度约为34MPa，是水泥搅拌桩的，是水泥搅拌桩的38倍；倍；桩间土固结速度快，成桩施工扰动引起的强度下降能够迅速得到恢复，桩间桩间土固结速度快，成桩施工扰动引起的强度下降能够迅速得到恢复，桩间土挤密效果明显，施工中相邻桩之间相互影响小；土挤密效果明显，施工中相邻桩之间相互影响小；桩间土固结速度快，地面填土荷载由桩间土承受部分能够迅速转化成有效应桩间土固结速度快，地面填土荷载由桩间土承受部分能够迅速转化成有效应力，软土强度迅速提高；力，软土强度迅速提高；由于桩间土成桩时的挤压密实作用和承载后的固结密实作用而强度显著提高，由于桩间土成桩时的挤压密实作用和承载后的固结密实作用而强度显著提高，桩侧摩阻力增大，桩的承载力随填土高度增大而提高，单桩承载力预计是水泥桩侧摩阻力增大，桩的承载力随填土高度增大而提高，单桩承载力预计是水泥搅拌桩的搅拌桩的2.0倍左右；倍左右；成桩质量受周围软土性质（如有机质含量大小和强度高低）影响小，加固深成桩质量受周围软土性质（如有机质含量大小和强度高低）影响小，加固深度较深，适用范围广；度较深，适用范围广；在使用地质条件均许可条件下，如果要求加固后的复合地基承载力和沉降量在使用地质条件均许可条件下，如果要求加固后的复合地基承载力和沉降量相等，混凝土芯砂石桩与水泥土桩两种复合地基处理方法的工程投资相当。相等，混凝土芯砂石桩与水泥土桩两种复合地基处理方法的工程投资相当。NHRI应用前景分析：应用前景分析：1.1.适合于高含水量、高有机质含量的深厚软基处理适合于高含水量、高有机质含量的深厚软基处理;2.2.该项技术属国内外首创，填补了国内外地基处理技术的空白，是该项技术属国内外首创，填补了国内外地基处理技术的空白，是一项全新的地基处理新技术一项全新的地基处理新技术;3.3.具有施工简单、质量易控、检测方便、加固深度大的特点，在我具有施工简单、质量易控、检测方便、加固深度大的特点，在我国软基分布广泛的地区的公路、水利工程等建设领域中具有巨大国软基分布广泛的地区的公路、水利工程等建设领域中具有巨大的潜在市场。的潜在市场。NHRI软土特性试验成桩工艺技术与质量控制方法桩土应力比与荷载分布规律工后沉降设计计算方法复合地基固结度计算方法复合地基孔压与变形规律研究内容：研究内容：NHRI现场钻孔与室内试验现场观测与加固效果检验试验与观测资料分析理论分析与数值计算达到预期研究目标判断施工质量与加固效果；分析地基变形规律；相互验证研究方法与技术路线：研究方法与技术路线：NHRI2005.59调研；钻孔、室内试验；仪器埋设与观测；载荷试验；2005.1006.6现场观测；加固效果检验；理论分析；数值计算；计算方法；06.61207.14报告编写2007.5：验收进度计划：进度计划：NHRI依托工程与设计方案依托工程与设计方案镇溧高速镇溧高速ZL-LY2ZL-LY2标深厚软基处理标深厚软基处理NHRINHRI工艺流程：工艺流程：NHRI现现场场实实景景NHRI目前已取得成果：目前已取得成果：已完成加固前的钻孔取土、原位测试及仪器埋设工作；已完成加固前的钻孔取土、原位测试及仪器埋设工作；预压土已填筑结束，累计填土厚度约8.0m，取得较为丰富的现场观测资料（包括桩土应力、桩身应力、孔压、分成压缩等），累计地表沉降约0.5m，坡角侧向水平位移约1.0cm，地基处于稳定状态。打桩结束后填土前载荷试验表明，单桩承载力特征值为1528kPa，复合地基承载力特征值为150kPa。理论分析和数值计算正在进行,部分现场观测成果如下：NHRI地表沉降过程线NHRI深层沉降过程线NHRI加载过程水平位移曲线NHRI加载过程水平位移曲线NHRI加载过程桩身应力变化典型曲线NHRI加载过程桩土应力比、荷载分担比变化典型曲线NHRI第七部分第七部分SMWSMW工法的设计理论与计算方法工法的设计理论与计算方法NHRISMW工法：水泥土柱列式挡墙加强芯材（型钢）复合围护结构特点：对周围环境影响小；防渗性能好；适用土层范围广；工期短，投资省；NHRI存在的主要问题水泥土的反应机理、强度特征以及本构关系；水泥搅拌桩型钢受力变形机理；SMW工法的设计计算方法；NHRI主要研究工作NHRISMW工法应用实例南京地铁珠江路站及附属工程基坑支护南京地铁珠江路车站：基坑开挖深度17.31m；南京地铁控制中心：基坑开挖深度14.56m、15.86m17.96m三种；支护系统：水泥搅拌桩内插H型钢压梁围檩水平钢支撑型钢布置方式：满插/三插二/二插一三种水泥土刚度贡献开挖方式：南端头井明挖法控制中心半逆筑法NHRISMW工法施工技术：NHRISMW工法时空效应规律：NHRINHRINHRI