轻质水泥土桩复合地基承载变形特性与计算文献综述

 2023-08-16 04:08

文献综述(或调研报告):

复合地基[1]是指通过对天然地基的处理,使用添加加筋材料、混合固化剂、部分或全部置换天然土等手段达成的满足工程需求的改善后土体,复合地基加固区是处理过的天然土体,由天然土体和增强体两部分组成。根复合地基中增强体的设置可以是水平或竖直向的,水平地基增强体的代表是土工格栅。

桩基复合地基[2][3]的核心思想是桩、土协调共同承担上部荷载; 为了协调桩-土荷载分担,桩基复合地基中往往会设置褥垫层;具有竖向沉降变形小、变形稳定、时间短的突出优点,且施工质量易控。路堤竣工后不需要放置较长时间,适应工期短的情况。

土固化剂[4]是指在常温下能够直接胶结土体中土体颗粒表面或能够与黏土矿物反应生成胶凝物质,从而改善和提高土体力学性能的材料。其适用范围广,适用于各类地基土的加固,能满足不同工程要求;加固土早期强度高,有利于加速施工进度。近30年来土壤固化剂在国内外应用被广泛应用:一方面通过搅拌混合对江河、湖泊、海湾等疏浚淤泥进行固化处理,将其固化后转化为土工材料;另一方面通过深层搅拌法对房基与路基进行加固处理,提高地基承载力。常见的土壤固化剂主要分为无机化合物类、离子交换类、生物酶类三种。

水泥因其来源广泛、成本低廉、固化效果好、适用范围广的特点得到了广泛应用。水泥是一种粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌后成浆体,能在空气中硬化或者在水中硬化,并能把砂、土、石等材料牢固地胶结在一起[5]。但是采用单一水泥作为固化剂来固化土体存在一定的缺陷:(1)水泥土强度可调节范围不大,抗拉强度较低;(2)对于塑性指数小的图和部分特殊土,很难达到较好的稳定效果;(3)收缩系数大,易产生收缩裂缝[6];(4)遇水易软化;(5)水泥水化、硬化反应速度快,因此施工期短;(6)水稳性和抗冻性较差。因此大量学者着手以水泥作为基础成分,开发性能更加优异的水泥基固化剂。

自20世纪70年代末、80年代初水泥土桩[7]施工机械研制成功并应用于工程以来,由于水泥土桩加固软土技术具有如下独特优点:可最大限度地利用地基土,并且施工时没有地基土的侧向挤出,对原有建筑物的影响较小,可在建筑物密集的地方进行施工;可根据地基土性质的不同,合理选择固化剂及其配合比,设计比较灵活;施工时无振动、噪音和污染;可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等形式加固地基;土体加固前后重度相差不大,基本不会由于水泥土桩的设置而对软弱下卧层产生附加应力(沉降)[8];与其他方法相比,造价低廉,工期较短等。因而在公路、铁路、水利、市政以及建筑等工程建设中得到了迅速而广泛的应用。

国外[9]对水泥土性质、水泥土桩复合地基强度增长机理与应力分布以及水泥土桩处理液化地基等问题都进行了较为深入的分析研究。对水泥土的力学性质进行的直剪试验研究指出水泥土抗剪强度随水泥掺入比的增加而增大; 研究表明,用于路堤及边坡加固的水泥土群桩加固体的破坏模式不仅会产生圆弧滑动剪切破坏, 在倾斜荷载作用下且桩体强度较高时,群桩加固体可能还会出现倾覆破坏,因此,对群桩加固体稳定性验算时需考虑这两种可能出现的破坏模式。在进行了大尺寸模型试验研究后认为,对桩体强度较高的复合地基,桩体在工作荷载下处于弹性状态,并且在桩土等应变受力过程中,桩间土荷载不断向材料模量大的桩体转移,利用桩承担更多的土所不能承担的荷载,起到了较好的加固效果; 1995 年日本Kobe大地震中一座正在建设中的旅馆,因在其桩基础上部范围内采用了格栅形水泥土桩,使得桩间土和桩群外围土得以加固,大大提高了群桩的抗水平荷载能力,虽然其附近的海塘因地基液化而完全破坏 ,而旅馆却未遭破坏保存了下来。在工程应用中,水泥土桩处理、加固地基的数量日益增多。在陆地上应用的工程中有近60 %~85 %是用于路堤及边坡加固的,并认为水泥土桩可作为竖向排水体,在复合地基中具有一定的排水作用。

在澳大利亚太平洋高速公路升级工程巴利纳旁路路堤工程实例[10]中,路基施工期间和施工后的实测沉降量明显大于预测沉降量,说明DCM桩已经屈服。利用基于非线性多孔介质耦合理论的有限元模型分析了该模型的历史。分析了两种情况:有和没有DCM桩由于水泥土结构破坏而引起的应变软化行为,使用Mohr-Coulomb模型的扩展版本对DCM色谱桩行为进行了建模,该模型考虑了屈服之后的应变软化行为,并比较计算的沉降、孔隙水压力和侧向变形与现场测量结果。在路堤底部计算的粘土表面上的沉降与现场测量结果非常吻合,证实观察到的过量沉降是由桩屈服和随后的软化(水泥稳定的土壤的特征)引起的。垂直应力随时间的变化表明,在DCM桩软化期间,桩内的竖向应力减小,而在软粘土中屈服的竖向应力增加,部分原因是以前由桩支撑的载荷已转移到软粘土层上。这些结果表明,如果该色谱桩在施工期间或施工后屈服且未在水泥稳定土中进行应变软化(或渐进破坏),则数值分析不能代表DCM色谱桩的实际性能。如果从数值分析中排除软化行为,则可能会导致桩和软黏土上沉降的估计值过低,过高的孔隙水压力和侧向变形,以及过高估计了改良地面的承载力。

近年来我国高速公路在快速建设的过程中暴露出了许多问题,各建设单位与科研单位都在极力寻求新的解决方案,轻质材料在高速公路的扩建、改建等工程中得到了广泛的运用。目前,许多国内外学者已经对轻质材料的物理力学性能做了大量的研究,针对不同轻质材料的适用领域、多种轻质材料的复合应用、特定材料的施工工艺的方面均做了专项研究。

轻质材料[11] 涉及范围广泛,其主要特点是在密度低的同时能够在单独运用或与其他岩土工程常用材料结合时有一定的强度。轻质材料的分类方式多种多样,最常见的是按照轻质材料密度的分类:以粉煤灰和矿渣等材料为代表的准轻质材料、以常用作路堤和挡土墙填料的泡沫轻质土为代表的轻质材料以及以聚苯乙烯泡沫塑料块 EPS 为代表的超轻质材料。

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