软土路基处理论文(摘要+方法+施工技术+参考文献) 第3页
①桩间可液化土层受到挤密和振密作用。土层的密实度增加，结构强度提高，表现在土层标贯击数的增加，从而提高土层本身的抗液化能力。
②砂石桩的排水通道作用。砂石桩为良好的排水通道，可以加速挤压和振动作用产生的超孔隙水压力的消散，降低孔隙水压力上升的幅度，因而提高桩间土的抗液化能力。加固后桩间土的超孔隙水压力较加固区外天然土的孔隙水压力要小得多，因此砂石桩体能有效地消散振动引起的超孔隙水压力，提高桩间土的抗液化能力。室内和现场试验都表明，当地基土层中有排水体时，相应于某一振动加速度的抗液化临界相对密度有很大降低，有研究认为：当均质砂基同样在250gal的振动加速度作用下，如果没有排水桩，相对密度必须超过0.66才不发生液化；如果有排水桩，此值可降为0.46。
砂土的液化特性不仅与相对密度和排水体有关，还与砂土的振动应变史有关。国内外大量的不排水循环应力试验结果表明，预先受过适度水羡的循环应力即预振的试样，将具有较大的抗液化强度。例如，历史上经过多次地震的天然原状土样，比同样密度的湿击法制备的重塑砂样的抗液化强度高45%，比干击法制备的重塑砂样高65%～112%。通过实验室大型振动台对相对密度为54%的砂样进行试验得知，经过5次模拟小地震影响后，其相对密度仅增至54.7%；但引起初始液化所需的应力循环周数却分别增加到8～10倍，抗液化强度提高到相当于相对密度为80%时的值，即增大了近50%。
由于振动成桩过程中，桩间土受到了多次预振作用，因此使地基土的抗液化能力得到提高。
1．1．2 在粘性土地基中作用
粘性土结构为峰窝状或絮状结构，颗粒之间的分子吸引力较强，孔隙很大，渗透系数很小，一般小于10-4cm/s。对于非饱和粘性土地基，由于沉管成桩过程中的挤压和振动等强烈的扰动，粘粒之间的结全力以及粘粒、离子、水分子所组成的平衡体系受到破坏，孔隙水压力急剧升高，土的强度降低，压缩性增大。在砂石桩施工结束以后，在上覆土压力作用下，通过砂石桩的良好的排水作用，桩间粘性土发生排水固结，同时由于粘性、水分子、离子之间重新形成新的稳定平衡体系，使土的结构强度得以恢复。因此，从砂石桩和土组成复合地基角度来看，砂石桩外饱和软弱粘性土地基，主要有两个作用：
1）置换作用
砂石桩在软弱粘性土中成桩以后，就形成了一定桩径、桩长和间距的桩与桩间土共同组成复合地基，由密实的砂石桩桩体取代了与桩体体积相同的软弱土，因为砂石本地的强度和抗变形性能等均优于其周围的土，所以形成的复合地基的承载力比原来天然地基的承载力大，沉降量也比天然地基小，从而提高了地基的整体稳定性和抗破坏的能力。在外来荷载作用下，由于复合地基中桩体的变形模量和强度较大，基础传给地基的附加应力会随着桩和桩间土发生等量的变形而逐渐集中到桩体上，使桩承担较大部分的应力，而土所负担的应力则相对减少。其结果，与天然地基相比，复合地基的承载力得到了提高沉降量也有所减少。由于砂石桩桩体材料较松散，要依赖桩间土的侧向约束力使桩传递垂直荷载，桩体的模量较低，当桩长超过一定限度如1.5～2.0倍基础宽度时，即使桩下端接触相对硬层，应力向桩集中程度并不比桩下端不接触相对硬层时大，桩的端承作用也很小，承载力提高不大。复合地基与天然地基相比，地基承载力增大率与沉降量的减小率均和置换率成正比关系。置换率很大时，复合地基的作用主要起垫层的应力扩散和均布作用。从而提高地基承载力，减小沉降量。
成桩过程中，由于振动和侧向挤压力作用，对饱和的软粘土，特别是灵敏度高的淤泥或淤泥质粘土产生剧烈的扰动，发生触变。如上覆硬土层较薄，侧形成砂石桩后，会使地面隆起。而且由于桩间土的侧限作用较小，使桩体砂石不易密实。对此种地基应在施工工艺和施工设备上做些调整，例如采用较大直径的桩管，不宜用扩大直径的桩头，以减小扰动。采用隔行跳打施工顺序，在先打过的桩间插打，从而增大桩间土的约束力，以利于成桩和孔隙水压力消散；砂石料用含水量较小的干料等等，仍然可以取得较好的效果。有的研究者认为，当粘性土的不排水抗剪强度cu＜15kpa时，由于桩间土的强度不能平衡砂石料的挤人力，砂石料较松散的状态挤入并散布在周围的土中，从而不能开成桩和土共同发挥作用的复合地基，这时开成的地基为类似砂石垫层的人工地基。因此，建议cu值不小于20kpa作为粘性土形成复合地基的控制条件。
2）排水作用
水是影响粘性土性质的主要因素之一，粘性土地基性质的改善很大程度上取决于含水量的减小。因此，在饱和粘性土地基中，砂石桩体的排水通道作用是砂石桩法处理饱和软弱粘性土地基的确良主要作用之一，比之在砂土地基中的排水作用显著。由于砂石桩缩短了排水距离，从而可以加快地基的固结沉降速率。
1．2 水泥粉喷桩作用原理
水泥粉喷桩是深层搅拌法的一种方法，通过专用的粉体搅拌机械，用压缩空气将水泥粉均匀地喷入所需加固的软土地基中，凭借钻头翼片的旋转使水泥粉和软土充分混合，产生一系列物理化学反应，形成水泥土搅拌桩。
水泥加固土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同，混凝土的硬化主要是在粗填充料（比表面不大、活性很弱的介质）中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快。而在水泥加固土中，由于水泥掺量很小（仅占被加固土的7%～20%），水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质土的围绕下进行，所以水泥加固土的强度增长过程比混凝土较为缓慢。
1．2．1 水泥的水解和水化反应
普通硅酸盐水泥主要是氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。各自的作用如下：
1）硅酸三钙（3CaO•SiO2）：在水泥中含量最高（约占全重的50%左右），是决定强度的主要因素。
2）硅酸二钙（2CaO•SiO2）：在水泥中含量较高（占25%左右），它主要产生后期强度。
3）铝酸三钙（3CaO•Al2O3）：占水泥重量的10%，水化速度最快，促进早凝。
4）铁铝酸四钙（4CaO•Al2O3•Fe2O3）：占水泥重量的10%左右，能促进早期强度。
5）硫酸钙（CaSO4）：虽然在水泥中的含量仅占3%，但它与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物。
所生成的氢氧化钙、水化硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽继续深入颗粒内部，但新生成物已不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。
根据电子显微镜观察，水泥杆菌最初以针状结晶的形式在比较短的时间里析出，其生成量随着水泥掺入量的多寡和龄期的长短而异。由X射线衍射分析可知，这种反应迅速，反应结果把大量的自由水以结晶水的形式固定下来，这对于高含水量的软粘土的强度增长有特殊意义，使土中自由水的减少量约为水泥杆菌生成重量的46%。当然，硫酸钙的掺量不能过多，否则这种由32个水分子固化形成的水泥杆菌针状结晶会使水泥土发生膨胀而遭致破坏。所以使用得合适，在深层搅拌法这样一种特定的条件下可利用这种膨胀势来增
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