1、168/168軟土地基處理:粉噴樁軟基加固技術的研究概 述第一節 地基處理的目的及意義任何建筑物的荷載最終將傳遞到地基上，由于上部結果材料強度專門高，而地基土強度專門低，壓縮性較大，因此通過設置一定結構型式和尺寸的基礎才能解決那個矛盾。基礎具有承上啟下的作用，它一方面處于上部結構的荷載及地基反力的共同作用下，承受由此產生的內力；基礎底面的反力反過來又作為地基土的荷載，使地基產生應力和變形。基礎設計時，除了需保證基礎結構本身具有足夠的剛度和強度外，同時還需選擇合理的基礎尺寸和布置方案，使地基的強度和沉降保持在規范同意的范圍內。因此，基礎設計又常被稱為地基基礎設計。凡是基礎直接建在未經加固的天然土

2、層上時，這種地基稱之為天然地基。若天然地基專門軟弱，則事先需要通過人工處理后再建筑基礎者，這種地基稱之為人工地基。隨著國民經濟的高速進展，不僅需要選擇在地基條件良好的場地從事建設，而且有時也不得不在地質條件不良的地基上進行修建。另外，科學技術的日新月異也使結構物的荷載日益增大，對變形要求越來越嚴，因而原來一般可被評價為良好的地基，也可能在某種特定條件下非進行地基處理不可，因此，地基處理的重要地位也日益明顯，已成為制約工程建設的要緊因素，如何選擇一種既滿足工程要求，又節約投資的設計、施工和驗算方法，差不多刻不容緩的呈現在寬敞的工程技術人員面前。軟土是指近代沉積的軟弱土層，由于它低強度，高壓縮性和

3、弱透水性，作為地基，常常成為棘手的工程地質問題。軟土的成分包括飽含水分的軟弱粘土和淤泥土，其工程性質要緊取決與顆粒組成、有機質含量、土的結構、孔隙比及天然含水量。軟土地基的共同特性是：天然含水量高，最小為30%40%，最高可達200%；孔隙比大，最小為0.81.2，最大達5；壓縮系數大；滲透系數小，一般小于1106軟弱地基的特點決定了在這種地基上建筑工程，必須進行地基處理。地基處理的目的確實是采取適當的措施改善地基條件，要緊包括：改善剪切特性地基的剪切破壞以及在土壓力作用下的穩定性，取決于地基土的抗剪強度。因此，為了防止剪切破壞以及減輕土壓力，需要采取一定措施以增加地基土的抗剪強度。改善壓縮特

4、性要緊是采納一定措施以提高地基土的壓縮模量，藉以減少地基土的沉降。另外，防止側向流淌（塑性流淌）產生的剪切變形，也是改善剪切特性的目的之一。改善透水特性由于地下水的運動會引起地基出現一些問題，為此，需要采取一定措施使地基土變成不透水層或減輕其水壓力。改善動力特性地震時飽和松散粉細砂（包括一部分輕亞粘土）將會產生液化。因此，需要采取一定措施防止地基土液化，并改善其振動特性以提高地基的抗震特性改善專門土的不良地基特性要緊是指消除或減少黃土的濕陷性和膨脹性等專門土的不良地基特性。第二節地基處理的分類和方法我國勞動人民在處理地基方面有著極其寶貴的豐富經驗，據史料記載，早在兩千年往常就已采納在軟土中夯入

5、碎石等壓密土層的夯實法，灰土和三合土的換土墊層法也是我國的傳統建筑技術之一。隨著時代的進展，地基處理方法也有了長足進步，按時刻分可分為臨時處理和永久處理；按深度分可分為淺層處理和深層處理；按土性對象分可分為砂性土處理和粘性土處理，飽和土處理和非飽和土處理等。許多方法尚在不斷進展中，差不多方法是置換，夯實，擠密，排水，膠結，加筋和熱學等處理方法。這些方法差不多上被實踐證明的行之有效的方法。近三、四十年來，國外在地基處理技術方面進展十分迅速，老方法得到改進，新方法不斷涌現。在60年代中期，從如何提高土的抗拉強度這一思路中，進展了土的“加筋法”；從如何有利于土的排水和加速固結這一差不多觀點動身，進展

6、了土工織物、砂井預壓和塑料排水板；從如何進行深層壓密處理的方法考慮，進展了“強夯法”和“振動水沖法”等。另外，現代工業的進展，對地基工程提供了強大的生產手段，真空泵的問世，建立了“真空預壓法”，在壓縮空氣機的基礎上產生了“高壓噴射注漿法”。隨著地基處理工程實踐經驗的積存，人們在改造土的工程性質的同時，不斷豐富了對土的特性的認識，從而又推動了地基處理技術和方法的更新，往常簡單的分類方法差不多不能符合時代的要求，按地基處理的作用機理對地基處理方法進行分類，能體現各種處理方法的要緊特點，是一種比較妥當的分類方法。按地基處理的作用機理分類，各種處理方法的簡介見表：表11各種處理方法的比較分類處理方法原

7、理及作用有用范圍優點及局限性淺層密實法機械碾壓法挖除淺層軟弱土或不良土，分層碾壓或夯實土，按回填的材料可分為沙（石）墊層，碎石墊層，粉煤灰墊層，干渣墊層，土（灰土，二灰）墊層等。它可提高持力層的承載力，減小沉降量，消除或部分消除土的濕陷性和膨脹性，防止土的凍脹及改善土的抗液化性。常用于基坑面積大和開挖土方量較大的回填土方工程，適用于處理淺層非飽和軟弱土地基，濕陷性黃土地基，膨脹性地基，季節性凍土地基，素填土和雜填土地基。簡易可行，但僅限于淺層處理，一般不大于3米，對濕陷性黃土地基不大于5米。如遇地下水，關于重要工程需要附加降低地下水的措施。重錘夯實法適用于地下水位以上為潮濕的粘性土，砂土和濕陷

8、性黃土，雜填土和分層填土地基。續表11處理方法原理及作用有用范圍優點及局限性淺層密實法平板振動法挖除淺層軟弱土或不良土，分層碾壓或夯實土，按回填的材料可分為沙（石）墊層，碎石墊層，粉煤灰墊層，干渣墊層，土（灰土，二灰）墊層等。它可提高持力層的承載力，減小沉降量，消除或部分消除土的濕陷性和膨脹性，防止土的凍脹及改善土的抗液化性。適用于處理非飽和性，無粘性土或粘粒含量少而透水性強的雜填土地基簡易可行，但僅限于淺層處理，一般不大于3米，對濕陷性黃土地基不大于5米。如遇地下水，關于重要工程需要附加降低地下水的措施。強夯擠密法采納邊強夯、邊填碎石、邊擠淤的方法，在地基中形成碎石墩體，從而提高地基承載力和

9、減小沉降。適用于厚度較小的淤泥和淤泥質 土地基。應通過試驗方法確定其適用性。爆破法由于振動使土體產生液化和變形，達到較大的密實度，用以提高地基承載力和減小沉降。適用于飽和性砂或非飽和性但經灌水后飽和的砂，粉土和濕陷性黃土。深層密實法強夯法利用強大的夯擊能，迫使深層土液化和動力固結，使土體密實，用以提高地基承載力和減小沉降，消除土的濕陷性、膨脹性和液化性。強夯置換是指對厚度小于6米的軟弱土層邊夯邊填碎石，形成深度為36米，直徑為2米左右的碎石柱體，與周圍土體形成復合地基。適用于碎石土，砂土，素填土，雜填土，低飽和度的粉土與粘性土，濕陷性黃土。強夯置換法適用于軟粘土。施工速度快，施工質量容易得到保

10、證。經處理后土體性質較為均勻，造價經濟，適用于大面積場地。施工時對周圍有專門大的振動和噪音，不宜在鬧市區施工，同時需要整套強夯設備（重錘，起重機）。續表11分類處理方法原理及作用有用范圍優點及局限性深層密實法擠密法（碎石、砂石樁擠密法）（土，灰土，二灰樁擠密法）（石灰樁擠密法）利用擠密或振動使深層土密實，并在振動或擠密過程中回填以砂，礫石，碎石，土，灰土，二灰或石灰等，形成砂樁，碎石樁，土樁，灰土樁，二灰樁，或石灰樁，與樁間土一起組成復合地基，從而提高地基承載力，減少沉降量，消除或部分消除土的濕陷性或液化性。砂（砂石）樁擠密法，振動水沖法，干振碎石樁法一般適用于雜填土和松散砂土，對軟土地基經試

11、驗證明加固有效時方可使用。土樁，灰土樁，二灰樁擠密性一般適用于地下水位以上深度為510米的濕陷性黃土和人工填土。石灰樁適應于軟弱的粘性土和雜填土。經振沖處理后地基土性質較為均勻。排水固結法堆載預壓法真空預壓法降水預壓法電滲排水法通過布置垂直排水井，改善地基排水條件，并采取加壓，抽水，抽氣和電滲等措施，以加速地基土的固結和強度的增長，提高地基土的穩定性，并使沉降提早完成。適用于處理厚度較大的飽和粘土和沖填土地基，但關于厚的泥炭層要慎重對待。需要有預壓時刻和荷載條件及土石方搬運機械。對真空預壓，預壓壓力達80kpa還不夠時，可同時加土石方堆載。真空泵需長時刻抽氣，耗電量大。降水預壓法無須堆載，效果

12、取決于降水水位的深度，需長時刻，耗電量大。加筋法加筋土，土錨，土釘錨板在人工填土地路堤或擋墻內鋪設土工合成材料：鋼帶，鋼條，尼龍或玻璃纖維等作為拉筋，或在軟弱土層上設置樹根樁或碎石樁等，使這種人工復合土體能夠承受抗拉、抗壓、抗剪和抗彎作用，用以提高地基的承載力，減小沉降量和增加地基穩定性。加筋土適用于人工填土的路堤和擋墻結構。土錨，土釘，錨板運用于土坡穩定。適用于處理淺層地基，簡便易行，施工速度較快。土工合成材料適用于砂土，粘性土和軟土。樹根樁適用于各類土，可用于穩定土坡支拉結構或用于對既有建筑物的托換結構。砂石樁、砂樁、碎石樁適用于粘性土，疏散砂性土和人工填土，關于軟土，經試驗證明有效時方可

13、使用。續表11分類處理方法原理及作用有用范圍優點及局限性熱學法熱加固法熱加固法是通過滲入熱空氣和燃燒物，并依靠熱傳導將細顆粒土加熱到適當溫度（100oC以上）則土的強度就會增加，而壓縮性隨之降低。適用于非飽和粘性粉土和濕陷性黃土。處理地基深度大，加固效果明顯，污染性小，但受地理因素和氣候條件的限制。凍結法采納液體氮或二氧化碳膨脹的方法，或采納一般的制冷設備與一個閉閥式液壓系統相連接，使冷卻液在內部流淌，造成軟而濕的土進行凍結，以提高土的強度和降低壓縮性。適用于各類土，特不在軟弱地質條件下，開挖深度大于78米，以及低于地下水位的情況下是一種普便而有效的施工措施。膠結法注漿法（灌漿法）通過注入水泥

14、漿液或化學漿液的措施使土粒膠結，用于提高地基承載力，減小沉降量，增加穩定性，防止滲漏。適用于處理巖基，砂土，粉土，淤泥質粘土，粉質粘土，粘土和一般人工填土，可加固暗濱和使用在托換工程中施工時水泥漿冒出地面，流失量大，對流失的水泥漿應設法予以利用。高壓噴射注漿法將有專門噴嘴的注漿管通過鉆孔置入到處理土層的預定深度，然后將漿液（通常是水泥漿）以高壓沖切土體，在噴射漿液的同時，以一定的速度旋轉提升，形成水泥柱圓柱體，若噴嘴提升而不旋轉，則形成墻狀固結體。加固后可提升地基承載力，減少沉降，防止砂土液化，管涌和基坑隆起，建成防滲帷幕。適用于處理淤泥，淤泥質粘土，粘性土，粉土，黃土，砂土和人工填土等地基。

15、當土中含有較大的大粒徑塊石，堅硬粘性土，大量植物根莖或過多有機質時，應依照現場試驗結果確定運用程度。對既有建筑物可進行托換工程。水泥攪拌法分濕法（深層攪拌法）和干法（粉體噴射攪拌法）兩種。濕法利用深層攪拌機將水泥漿和地基土原位拌和。干法利用粉噴機將水泥粉或石灰粉與地基土原位拌和。攪拌后形成柱狀水泥土體。提高承載力，用于處理淤泥，淤泥質土，粉土和含水量較高且地基承載力不大于120Kpa的粘性土等地基。當用于處理泥炭類土或地下水有侵蝕性宜通過試驗確定適用程度。經濟效果顯著，目前差不多成為我國軟土地基建筑67層建筑物、高等級公路路基、防滲墻等工程最為經濟合理的處理方法之一。不能用于含石塊的雜填土。以

16、上各種地基處理方法差不多上根椐不同軟弱土性質進展起來的。在選擇不同的地基處理方案時需要考慮以下因素：土的類不；處理后土的加固深度；上部結構要求；能提供的材料；具有地基處理的機械設備；周圍環境因素；施工工期要求；施工隊伍技術素養；施工技術條件和經濟指標比較等。各種地基處理方法的土質適用情況、加固效果和最大有效處理深度見表12：表12各種地基處理方法的土質適用情況、加固效果和最大有效處理深度分類序號處理方法土質適用情況加固效果常用有效處理深度(米)淤泥質土人工填土無粘性土濕陷性黃土粘性土降低壓縮性提高抗剪性增加不透水性改善動力特性飽和土非飽和土淺層加固法1換土墊層法*32機械碾壓法*33平板振動法

17、*1.54重錘夯實法*1.55土工合成材料法*1.5深層加固法6強夯法*107砂（砂石）樁擠密法*208振動水沖法*189干振碎石樁法*610土（灰土，二灰）樁擠密法*2011石灰樁擠密法*2012砂井（袋裝砂井，塑料排水板）預壓法*1513真空預壓法*1514降水預壓法*3015電滲排水法*2016注漿法*2017高壓噴射注漿法*2018深層攪拌法*1819粉體噴射攪拌法*12地質構造情況的復雜性要求在具體工程實踐中要注重各種處理方法的加固機理，有用范圍，優點及局限性。真正做到因“地”制宜，達到提高地基承載力，減小沉降，保證上部建筑物的正常使用的目的。第三節粉體噴射攪拌法的進展歷史、工程特點

18、及其應用一 粉體噴射攪拌法的進展歷史、現狀及工程特點粉體噴射攪拌法是在軟土地基中輸入粉體加固材料（水泥粉或石灰粉），通過攪拌機械與原位地基土強制性攪拌混合，使地基土和加固材料發生化學反應，在穩定地基土的同時提高其強度的方法。1967年瑞典KJELD PAUS提出使用石灰攪拌樁加固15米深度范圍內軟土地基的設想，并于1971年現場制成一根用生石灰和軟土攪拌制成的樁。次年在瑞典斯德哥爾摩以南約10公里的HUDDING用石灰粉體攪拌樁作為路堤和深基坑邊坡穩定措施。瑞典的LINDENALIMAT公司還生產出專用的成樁機械，柱徑可達500mm，最大加固深度1015米同一時期，日本于1967年由運輸部港灣

19、研究所開始研制石灰攪拌施工機械，1974年在軟土地基加固工程中應用，并研制出兩種石灰攪拌機械，形成兩種施工方法。一類為使用顆粒狀生石灰的深層攪拌法（DLM法），另一類為使用生石灰粉末的粉體噴射攪拌法（DJM法）。由于粉體噴射攪拌法采納粉體作為固化劑，不再向地基中注入附加水分，反而能充分汲取周圍軟土中的水分，因此加固后地基的初期強度高，對含水量高的軟土，加固效果尤為明顯，該技術得到了廣泛的應用。國內由鐵道部第四勘測設計院于1983年初開始進行粉體噴射攪拌法加固軟土的試驗研究，并于1984年在廣東省云浮硫鐵礦鐵路專用線上單孔4.5米蓋板箱涵軟土地基加固工程中使用，后來相繼在武昌和連云港用于下水道河

20、槽擋土墻和鐵路涵洞軟土地基加固，均獲得良好效果。它為軟土地基加固技術開拓了一種新的方法，并在鐵路，工路，市政工程，港口碼頭，工業和民用建筑等軟土地基加固方面推廣使用。粉體噴射攪拌法自1986年經國家鑒定（獲科技進步獎）正式應用于工程，同時專項技術規程的頒布（軟土地基深層攪拌加固技術規程YBJ22591），標志著該技術在設計和施工上趨于成熟。粉體噴射攪拌法加固地基有如下特點：使用的固化材料（干燥狀態）可更多汲取軟土地基的水分，對加固含水量高的軟土地基，效果更為顯著。固化材料全面的被噴射到靠攪拌葉片旋轉過程中產生的孔隙中，同時又靠土的水分把它粘附到孔隙內部，隨著攪拌葉片的攪拌，使固化劑均勻的分布在

21、土中，可不能產生不均勻的散亂現象，有利于提高地基土加固強度，被加固土的無側限抗壓強度能夠提高許多，達幾十倍以上，一般為5004000Kpa，而且強度增長快，工期短，有利于快速施工。適量的選擇固化劑，摻入比，攪拌方式，置換率等，可達到良好的軟基加固效果。與高壓噴射注漿法和水泥漿深層攪拌法相比，輸入地基土中固化材料要少得多，無漿液排出，無地面隆起現象。粉體噴射攪拌法施工能夠加固成群樁，也能夠交替搭接成壁狀，格柵狀或塊狀，使的固化材料為干燥狀態的直徑為0.5mm就地加固，無棄土，減少土方工程。施工無振動，無噪聲，無排污，對周圍環境無污染，對周邊軟土無擾動。加固費用不高，成樁快。一般日成樁300400

22、米，成樁10天左右即可進行下一道工序施工，大大縮短施工周期。粉體噴射攪拌法（干法）由漿體深層攪拌法（濕法）改進而來。在原地基承載力高時，濕法施工比干法施工攪拌攪拌效果理想。若采納干法施工，攪拌后形成的水泥土均勻性相對較差。另外，當天然地基土的含水量較低時，干法攪拌滿足不了水泥水化反應的水量要求，從而達不到理想的效果。二 粉體噴射攪拌法在路基設計中的應用粉體噴射攪拌法作為軟土地基處理的一種方法，由于其加固工期短，見效快，就地處理，最大限度利用原土，無污染，加固后地基整體性、水穩定性及強度都有大幅度的提高，目前已得到越來越多的應用。在我國，粉噴樁加固軟弱土層差不多被廣泛的用于鐵路、高等級公路、市政

23、工程、工業與民用建筑、港口碼頭等工程的地基加固，并取得了較好的技術經濟效果和社會效果。尤其對高速公路的建設而言，路線所經區域的不良地質要緊為軟土地基，路堤的沉降，橋頭的沉降和小型構造物的不均勻沉降，常常是工程設計人員面臨的要緊難題，這些問題解決的好壞與否，不僅直接關系到高速公路建設成敗的關鍵，也是操縱工期、關系工程造價的重要環節。為了確保路面的使用質量，在充分考慮各種軟土路段路基的處理方案時，許多工程采納粉噴樁對軟土路基的高填土部分和橋頭部位進行處理。國內外工程實踐表明，通過加固后的土體壓縮性明顯減小，抗側向變形能力有所提高，明顯防止軟土對橋臺樁基的側向擠密作用。又因水泥土的固化時刻較短，在爭

24、取時刻的過程中不失為一種有效的軟基處理方法。在施工期緊的情況下，遇到橋臺施工與橋臺后填土安排的矛盾時，許多中高填土部位采納粉噴樁加固方案。第四節問題的提出和本文要緊研究內容一問題的提出1粉體噴射攪拌法常被應用于建筑物地基、高速公路路基等加固工程中，其機理是基于水泥對土的加固作用。然而這項技術的進展歷史僅僅為幾十年，對其加固機理的認識還不充分，設計理論和方法還不不成熟，有些還處于半理論半經驗的狀態。粉噴樁的一般設計原則為樁徑50cm，粉劑為425#水泥干粉，摻量為天然土重的15%，樁間距約為12米2工程實踐表明，粉體噴射深層攪拌法的施工工藝、施工機械尚待進一步完善；攪拌樁的檢測方法及手段長期懸而

25、未解；目前尚無統一的粉噴樁質量檢測方法和驗收標準。粉體噴射深層攪拌加固技術進展至今，加之工程治理的疏漏，操作人員素養的參差不齊，技術應用的某種失度，確實有加固失敗，工程失事的情況發生，致使深層攪拌這一個有明顯優勢的加固技術在國內的進展受到了限制。對粉噴樁這種隱蔽工程而言，如何準確、有效、快速的檢測其施工質量，一方面為建設單位的現場質量的操縱提供依據，另一方面便于及時的檢查和發覺施工過程中出現的問題，解決施工質量狀況令人疑慮狀況，有必要提供一種行之有效的檢測方法，來充分發揮粉噴樁加固地基經濟、有效、節約工時等多種優點。3提高地基承載力和減小壓縮層的沉降量是地基處理的要緊目的。由于工程結構物對地基

26、的要求，隨型式、規模及重要性而異，對軟弱地基的推斷標準也難有一個統一的正確的定義。因此，沉降量的合理估算，是地基加固方案設計的一個重要依據。沉降量估算的小，將會阻礙上部建筑物的正常使用乃至破壞，造成不必要的損失；沉降量估算過大，將直接導致工程造價提高，投資增加，經濟效益低下。如何在種類繁多的各種沉降計算方法中選擇一種適合工程應用、原理易于理解、計算結果合理、方法簡單易行的有用計算方法，對工程技術人員而言，將具有直接的工程實踐意義。鑒于以上緣故，本文以在建的省“九五”重點工程南京至馬鞍山高速公路的軟基加固工程為依托，結合河海大學結構研究所與南京公路建設處合作的南京市重點建設工程南京至高淳高等級公

27、路二期工程，對粉噴樁加固路基方案的設計、樁基現場質量操縱及粉噴樁復合地基沉降的計算進行了初步研究，以期加深前期經驗，積存資料成果，指導工程實踐，達到修正和完善現有工程設計、現場檢測和沉降計算方法的目的。二本文要緊研究內容水泥土抗壓強度的阻礙因素分析為了經濟合理地確定深層攪拌法加固地基土的技術方案，確定與地基土加固相適應的水泥品種、標號和水泥摻入比，同時也是為地基加固設計提供必不可少的試驗資料，預先進行了各種不同方案的水泥土室內配比試驗。目的在于探究用水泥土加固各種成因軟土的適宜性，了解加固水泥的摻入比、含水量、齡期、外摻劑等對水泥土強度的阻礙，求得波速、摻入比、含水量、干密度、齡期和標貫擊數與

28、強度的關系，從而為設計、計算和施工提供可靠的參數。現場樁基質量檢測本文首先依照波速、標貫與抗壓強度的相關性分析揭示的彼此之間的客觀關系，對反射波動測法、鉆孔取芯和標準貫入試驗的方法應用于現場樁基檢測的可行性進行了論證，并結合本次工程實踐，對反射波動測法、鉆孔取芯和標準貫入試驗的方法應用于現場樁基檢測的合理性進行評價。目的在于尋求一種與工程實際相適應，操作簡便易行，結果合理可靠的方法，從而更好的對現場施工進行質量監控。地基沉降計算方法分析對高速公路軟土路基的處理而言，沉降量的估確實是決定軟基是否需要處理及處理效果如何的重要步驟，合理的計算沉降量將具有非比平常的重要意義。本文結合試驗和原觀分析，對

29、復合地基沉降的各種計算方法進行了對比分析和估價，決定采取數值和簡化兩種計算手段。數值計算采納非線性有限元方法，土體假定為鄧肯張模型，以比奧固結理論為基礎，考慮側向變形和滲流對沉降的阻礙，將樁土作為整體劃分網格，取網格節點上孔隙壓力和豎向、水平向位移為差不多未知量，在填土作用下依照土體勁度和滲透性建立方程，解得孔壓和位移隨時刻的變化。簡化計算要緊采納等效模量當層法和MindlinBoussinesq聯合求解法計算沉降，并依照有限元計算或現場實測結果進行修正。本文目的在于通過以上嘗試，選擇一種適宜本地區簡易而又較合理、易于為工程技術人員同意的的沉降計算方法。第二章 室內配比試驗中水泥土強度阻礙因素

30、分析粉體噴射深層攪拌法處理軟土地基要緊是通過水泥與軟土通過一系列物理化學反應，對軟土結構進行改變來提高地基承載力和減小沉降量來實現加固目的。粉噴樁加固軟土地基的效果，要緊取決于加固土的性質、水泥摻入量的多寡、樁長和樁間距的大小等因素。就目前的粉噴樁工程設計而言，其加固方案差不多上是千篇一律，專門難做到與工程實際相結合，使得粉噴樁加固地基經濟效益明顯的作用未能充分發揮。因此，我們進行室內配比試驗的目的，確實是模擬粉噴樁的現場加固過程，反映出加固過程中的決定性因素，然后結合具體工程軟弱土層的物理力學特性，尋求最優加固方案。在室內配比方案中，如何確定阻礙水泥土的因素和阻礙因素中的要緊因素，第一步要搞

31、清晰水泥土的加固機理。因此，本文首先從對水泥土加固機理的研究動身，試圖揭示軟土改性的機理。第一節 水泥土加固機理分析水泥加固土的物理化學反應過程和混凝土硬化機理不同。混凝土的硬化要緊是在粗填充料的比表面積不大，活性專門弱的介質中進行水解水化作用，因此凝聚速度較快。而在水泥加固土中，由于水泥摻量專門小，水泥的水化水解反應完全是在具有一定活性的介質土的圍繞下進行的，因此水泥加固土的強度增長過程比混凝土較為緩慢。軟土工程性狀差的物質多為粘性礦物成分（如蒙脫石，伊利石，高嶺石等），這類次生礦物構成的土粒極細，比表面積大，且多呈片狀，性質爽朗，有較強的吸附水能力，改善粘土礦物性質就能夠改善軟土的物理力學

32、性質。一水泥的水解水化反應一般的硅酸鹽水泥要緊是氧化鈣，二氧化硅，三氧化二鋁，三氧化二鐵，三氧化硫等組成，摻入的水泥與軟土中的水發生水解和水化反應，在軟土中形成水泥石骨架。要緊反應如下：2（3CaOSiO2）+6H2O3CaO2SiO23H2O+3Ca（OH）2；2（2CaOSiO2）+4H2O3CaO2SiO23H2O+Ca（OH）2；3CaOAl2O3+6H2O3CaOAl2O36H2O；4CaOAl2O3 Fe2O3+ 2Ca（OH）2+10H2O3CaOAl2O36H2O+3CaOFe2O36H2O；3CaSO4+3CaOAl2O3+32H2OCaOAl2O33CaSO432H2O;生

33、成物要緊為氫氧化鈣，含水硅酸鈣，含水鋁酸鈣，含水鐵酸鈣和水泥桿菌等化合物。所生成的氫氧化鈣，含水硅酸鈣能迅速溶于水中，使水泥顆粒表面重新暴露出來，再與水發生反應，如此周圍的水溶液就逐漸達到飽和。當溶液達到飽和后，水分子雖接著滲入顆粒內部，但新生成物不能再接著溶解，只能以膠體析出，懸浮在溶液中。依照電子顯微鏡的觀看，水泥桿菌最初以桿狀結晶形式在比較短的時刻內析出，其生成量隨水泥摻入量的多寡和齡期的長短而異。由X射線衍射分析，這種反應迅速，最后把大量自由水以結晶水的形式固定下來。這關于含水量高的軟土強度增長有專門意義，可使土中自由水的減少量約為水泥桿菌生成重量的46%。因此，硫酸鈣的摻量不能太多，

34、否則這種水泥桿菌針狀結晶會使水泥發生膨脹而遭到破壞。因此，使用合適，在某種特定的條件下，可利用這種膨脹勢來使加固土發生膨脹、擠密作用來增加地基加固效果。二粘土顆粒與水泥水化物的作用當水泥的各種水化物生成后，有的自身接著硬化，形成水泥石骨架，有的則與周圍具有一定活性的粘土顆發生反應。1）離子交換和團粒化作用粘土和水結合時就表現一定的膠體特性，如土中二氧化碳遇水后，形成膠體微粒，其表面帶有鈉離子或鉀離子，它們能和水泥水化生成的氫氧化鈣中鈣離子Ca+進行當量吸附交換，使較小的土顆粒形成較大的土團粒，從而使土體的強度提高。水泥水化生成的凝膠粒子的比表面積約比原水泥顆粒大1000倍，因而產生專門大的表面

35、能，有強烈的吸附活性，能使較大的土團粒進一步結合，形成水泥土的團粒結構，并封閉各團粒的孔隙，形成牢固的聯結。從宏觀上看也能使水泥土的強度大大提高。2）硬凝反應隨著水泥水化反應的深入，溶液中析出大量的鈣離子，當其數量超過離子交換需要量后，在堿性環境中，能使組成粘土礦物的二氧化硅及三氧化二鋁的一部分或大部分與鈣離子進行化學反應，逐漸生成不溶于水的結晶化合物，增大水泥土強度。SiO2+ Ca（OH）2+nH2O3CaOSiO2(nH)H2O;Al2O3+ Ca（OH）2+nH2OCaOAl2O3(n+1)H2O;從電子顯微鏡掃描的觀看可見，拌入水泥7天時，土顆粒周圍充滿了水泥凝膠體，并有少量水泥水化

36、物結晶萌芽；一個月后，水泥土生成大量纖維狀結晶，并不斷延伸充填到顆粒間的孔隙中，形成網狀構造；到五個月后，纖維狀結晶輻射向外伸展，產生分叉，相互結合形成網狀結構，土顆粒的性狀差不多不能分辨。3）碳酸化作用水泥水化物中游離的氫氧化鈣能汲取水中和空氣中的二氧化碳，發生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸鈣，這種反應也能使水泥土增加強度，但增長強度較慢，幅度較小。從水泥土加固機理分析，由于攪拌機械的切削作用，實際上不可幸免會留下一些未被粉碎的大小團粒，在拌入水泥后將出現水泥漿包裹土團的現象，而土團間的大孔隙差不多上已被水泥顆粒填滿。因此，加固的水泥土中形成一些水泥較多的微區，而在大小土團內部則沒有水泥。只

37、有在較長的時刻，土團內的土顆粒在水泥水解產生的滲透作用下，才逐漸改變性質。因此在水泥土中不可幸免的會產生強度較大和水穩定性較好的水泥石和強度較低的土團粒區。兩者在空間相互交替，從而形成一種獨特的水泥土結構。可見，攪拌越充分，土塊被粉碎得越小，水泥分布到土中越均勻，則水泥土結構的離散性越小，其宏觀強度也越高。第二節 水泥土的室內配比試驗一試驗目的軟弱土層的粉噴樁加固技術是基于水泥對軟土的加固作用，而目前這項技術的進展僅僅經歷了幾十年，不管從加固機理依舊設計計算方法依舊施工工藝均有不完善的地點，有些還處于半理論半經驗狀態，因此，應該特不重視水泥土的室內配比試驗。通過對試驗結果的分析，掌握一些規律性

38、因果關系來指導粉噴樁加固方案的設計。本文依照各種不同方案的水泥土室內配比試驗結果，利用多元線性回歸和BP神經網絡兩種數學方法對地基土加固效果有阻礙的因素如：摻入比、含水量等因素進行了分析，希望對設計、計算和施工中重要參數的確定有指導意義，從而經濟合理地確定深層攪拌法加固地基土的技術方案，也為類似工程提供參考數據。具體步驟如下：1確定哪些變量xi（如水泥品種，標號，摻入比，含水量，攪拌方式，養護條件等）對響應Y（如無側限抗壓強度，抗剪，抗拉強度等）最有阻礙。2確定最有阻礙的xi設置在何處（如含水量、摻入比最優）使得Y幾乎接近于所希望的額定值。3確定有阻礙的xi設置在何處使得Y的變異性較大。4確定

39、有阻礙的xi設置在何處使得不可操縱的變量z1,z2 zn,(如攪拌機械，施工工藝，治理水平)的效果最小。二試驗設計的差不多原理重復性重復性是指差不多試驗的重復進行。重復有兩個重要性質：第一，是能夠得到試驗誤差的一個可能量；第二，假如樣本均值用作為試驗中一個因素的效應可能量，則重復同意試驗者求得這一效應更為精確的可能量。例如：假如2是數據方差，而有n次重復的樣本均值的方差則為2/n。這一點的實際意義是,假如只有一次試驗，并觀看到含水量為40%的試塊抗壓強度為y1=0.9Mpa，而含水量為30%的試塊抗壓強度為y2=1.0Mpa，我們也許不能作出抗壓強度隨含水量增加而降低的推斷，也確實是講觀看差可

40、能是試驗誤差的結果；另一方面，假如n合理的大，試驗誤差足夠小，當觀看到同樣的結果時，我們就認為以下的結論是可靠的：在其他條件相同的條件下，含水量的增加確實使水泥土抗壓強度降低。隨機化它是在試驗設計中使用統計方法的基石。所謂隨機化，指試驗材料的分配和各個試驗的進行次序差不多上隨機確定的。統計方法要求觀看值（或誤差）是獨立分布的隨機變量，而隨機化通常使這一假定有效，把試驗進行適量的隨機化有助于“平均出”可能出現的外來因素的效應。例如在抗拉試驗中隨機對齡期相同的試塊進行拉斷試驗，而非按摻入比等因素分組進行拉斷試驗，如此就會緩解試驗設備的摩阻力或因接觸位置的差異引起的強度變化。）區組化它是用來提高試驗

41、精確度的一種方法。一個區組確實是試驗材料的一部分，相比于試驗材料全體，它們本身的性質應該更為類似。例如：想明白摻入比對試塊強度的阻礙，能夠用下述方法進行。隨機制一批試塊，樣品的一半摻入比為10%，另一半為15%，進行抗壓試驗時試塊的選取是隨機決定的，因為這是一種完全隨機化設計，兩個樣本的平均抗壓強度可用t檢驗法來比較。如此就會顯現出完全隨機化設計的一個嚴峻缺陷。設摻入比相同的試塊由一個模具壓制而成，而在制模過程中可能使試塊的厚度、密實性等不同，不同摻入比的樣本之間將缺乏均勻性導致抗壓強度的變異性，并會增大試驗的誤差，使摻入比的真實阻礙難以鑒不。區組化原則確實是針對這一情況，假定一個模具能夠制成

42、摻入比不同的兩個試塊，如此試塊之間的厚度、密實性等差異將縮小，從而降低其他因素引起的抗壓強度的變異性，達到提高試驗精確度的目的。以上設計實際是一般的隨機化區組設計中專門的設計類型。區組理解為一個相對均勻的試驗單元，同時表示對完全隨機化的一個約束，因為處理組合僅僅在區組內部是隨機化的。然而，要注意以下幾點：例如對一個20個樣本的試驗，用完全隨機化設計方法，對t統計量而言，用了n1-1+n2-1=10-1+10-1=18個自由度，而隨機化區組設計卻使t統計量只用了10-1=9個自由度，區組化使我們失去了（n2-1）個自由度。但我們希望，消除了附加的變異性源（樣本之間的差不）能得到更好的信息，對以上

43、兩種方法進行置信區間分析可知：區組化分析所得到的置信區間小于獨立分析所得到的置信區間，這一點反應了區組化的噪音減小性質。區組化并不常是最好的設計策略。假如區組內部的變異性和區組之間的變異性相同，則y1-y2的方差不管用什么設計方法差不多上相同的，實際上區組化將不是一個好的選擇，因為區組化損失了（n2-1）個自由度并在實際上導致了一個關于（1-2）的較寬的置信區間。三試驗設備和規程本次試驗用土取自寧高公路（洪藍至雙牌石段）工地現場，場地原為河道，屬于江、河漫灘沉積，加固區土層土樣由鉆機在現場進行補充勘探時取得，常規土工試驗測得其物理力學性質指標見表21，這些參數要緊是在粉噴樁地基加固設計和沉降計

44、算中提供樁間土參數。依照表21提供的地質資料情況，知加固區以粘性土和淤泥質土為主，分布呈層狀，且同種土土層較薄，由于鉆頭的推進和旋轉，可能會使相鄰土層土混雜，與摻入水泥共同膠結形成成樁材料；另一方面，試驗經費有限，回歸分析所需樣本量又較大，難以對每種土都進行配比試驗。因此室內土樣要緊取粘土和淤泥質土，在室內使土樣完全擾動，并攪拌均勻后，利用現有的土工試驗儀器，制得試塊為70mm70mm70mm的立方體，空氣養護，攪拌方式為干攪，按照土工試驗規程進行試驗。配比方案如下：水泥摻入比分不為8%、12%、15%；含水量分不為30%和40%；齡期分為30天和90天。試樣共分12組，每組12個，共12組1

45、2個=144（個）表21.寧高二期土工試驗成果表馮村大橋北（k54+400+465）土層種類深度（m）含水量（%）干密度（g/cm3）孔隙比比重壓縮系數（Mpa-1）壓縮模量（Mpa）粉質粘土1.0-1.228.31.430.8972.720.523.6淤泥質粉粘土3.1-3.341.01.261.1672.720.842.5粉質粘土4.5-4.727.61.510.8002.710.364.9粘土8.0-8.227.11.520.7982.730.189.8馮村大橋南（k54+625+670）土層種類深度（m）含水量（%）干密度（g/cm3）孔隙比比重壓縮系數（Mpa-1）壓縮模量（Mpa）

46、粉質粘土2.0-4.229.31.470.8452.720.403.9粉土7.0-7.226.01.540.7542.700.237.5殘積土8.9-10.323.51.550.7362.700.453.8楊村小橋北（57+582+632）土層種類深度（m）含水量（%）干密度（g/cm3）孔隙比比重壓縮系數（Mpa-1）壓縮模量（Mpa）粘土1.0-1.331.31.390.9652.740.523.7淤泥質3.1-3.341.51.221.2532.740.297.4細砂土4.6-4.834.61.360.9850.209.6淤泥質細砂土8.1-8.336.11.241.1740.249.1

47、粉質粘土10.8-11.228.11.510.7952.720.266.8楊村小橋南（57+632+693）土層種類深度（m）含水量（%）干密度（g/cm3）孔隙比比重壓縮系數（Mpa-1）壓縮模量（Mpa）粉質粘土1.3-1.526.91.530.7792.720.345.1淤泥質粉砂土2.3-2.543.61.191.2672.700.872.5淤泥質2.8-3.050.31.131.4262.741.101.9淤泥質粉砂土3.5-3.749.01.121.4092.700.762.9第三節 多元線性回歸分析阻礙粉噴樁的物理力學性能指標的因素甚多：軟土性質、工程設計、施工機械、施工工藝、養

48、護條件及施工者素養對水泥土強度都有強烈的阻礙，現排除設計、施工等諸多因素，在本章分析中，要緊研究水泥土抗壓強度這一要緊指標，考察水泥摻入比、含水量、孔隙率、干容重、聲波傳播速度等因素的作用。通過回歸分析，試圖將各阻礙因素對目標的阻礙量化，同時希望進行各因素之間的共線性診斷以及模型的適合性檢驗，從而建立只包含要緊阻礙因素與抗壓強度的新模型，在工程中以更少的參數來較好的操縱粉噴樁水泥土的抗壓強度。將波速這一物理量放入分析，并不是講它對室內配比試驗的試樣強度的形成有直接阻礙，目的是試圖通過建立波速與強度之間的關系，從而為反射波法應用于粉噴樁質量檢測的可行性進行論證。對本此試驗結果，要緊采取了多元線性

49、回歸的分析方法，然而由于模型本身存在一些自身不能解決的問題，因此，在本章的最后，文章引入了BP神經網絡的新方法，試圖解決非線性回歸中不能或難以解決的問題，希望探究一條處理數據的新途徑。分析依照數理統計中的回歸理論，以水泥土的抗壓強度為因變量y，考慮的自變量為摻入比x1、齡期x2、含水量x3、孔隙率x4、飽和度x5、干密度x6、和波速x7，此模型是多維回歸變量xi空間中的一張超平面。設y和x1,x7的n次觀測數據滿足線性回歸模型yj=0+1x1j+7x7j+jcj(j=1n)用距陣符號表示為： Y=X+其中Y=（Y1，YN）,為因變量的觀測向量，=（1，m）,是未知參數向量，x=,為n(7+1)

50、階距陣，是回歸變量的觀測數據陣，=（1，n）,是未知的誤差向量，且E（）=0，E（）=2。因考察n個自變量對抗壓強度y的作用有大有小，且自變量之間一般存在相關性，為了從y和x1,x7中所有可能的回歸模型中選出擬合這組數據的最優回歸子集，本文要緊采納了全回歸模型的分析方法，并利用大型系統統計分析軟件SYS進行數據擬合。全回歸模型是指沒有對回歸變量進行篩選，建立全回歸變量的全回歸模型。這是專門多回歸分析常用的方法。附：SYS 軟件數據輸入文件Input抗壓強度 摻入比 含水量 孔隙度 飽和度 干密度 波速 齡期;Cards; 1.49 0.08 0.234 0.620 0.926 1.61 141

51、4 30 2.36 0.12 0.222 0.588 0.945 1.69 1645 30Proc reg; Model 抗壓強度=摻入比 含水量 孔隙度 飽和度 干密度 波速 齡期 / selection=none r collin tol vif;Run;輸出結果為當前選擇模型的方差分析表及參數可能等有關統計量（全回歸變量分析）。具體結果如下：表22檢驗回歸顯著性的方差分析變差來源自由度平方和均方誤差F0檢驗量顯著性概率ProbF0回歸模型712.40801.772579.7290.0221殘差的誤差40.728810.18220偏差總和1113.13683表23參數可能自變量自由度回歸系

52、數標準差T檢驗Prob|T|常數11.31810219.334520.0680.9489摻入比12.9573109.4456090.3130.7699齡期10.0153730.0101401.5160.2041含水量1-59.57009391.34560-0.6520.5499孔隙度116.13403532.663970.4940.6472飽和度17.02165714.858350.4730.6611干密度14.0948768.3035680.4930.6478波速10.0025960.0018561.3980.2346則抗壓強度Y=1.318+2.957x1+0.015x2-59.570 x

53、3+16.134x4+7.022x5+4.095x6+0.003x7 表24 模型顯著性檢驗及偏相關分析標準差可能量0.42685復相關系數0.9445樣本均值2.74250修正的平方復相關系數0.8474變異系數15.56437使用類型 = 1 * ROMAN I平方和（SS）的平方偏相關系數，用SS/（SS+SSE）計算波速摻入比含水量齡期孔隙度飽和度干密度0.64870310.50303670.36631400.32833690.16978980.10430440.0967931我們常用判定系數R-square來衡量回歸模型的適合性。顯然0R2摻入比含水量齡期孔隙度飽和度干密度水泥摻入比

54、的大小，對樁的質量至關重要，水泥摻入量的多寡將大大改變軟土的加固效果。從分析結果看，摻入比與抗壓強度的相關性僅次于波速，摻入比與抗壓強度的關系和波速與抗壓強度的關系相比，兩者的性質是不同的：波速能夠作為反應抗壓強度大小的一個指標，對抗壓強度的形成并沒有直接的阻礙作用，通過波速僅僅是達到檢測水泥土抗壓強度的目的，它與強度之間不存在直接的因果關系；依照本章第一節中水泥土的加固機理可知，提高軟弱土強度的水解水化反應、硬凝反應和碳酸化作用，都離不開水泥的參與，同時水泥的多寡對強度而言至關重要，它將直接阻礙水泥土的抗壓強度，分析結果揭示了能夠通過操縱摻入比這一因素來經濟而且有效的提高水泥土的抗壓強度，這

55、一點在工程應用中具有十分重要的實踐意義。孔隙度、飽和度和干密度對土樣強度的貢獻在同一水平，這一結果能夠從土力學知識得到驗證。干密度和飽和度（其中Gs為土粒比重，e為孔隙度，w為含水量，為水的密度），表明它們是能夠互相推導，互相表示的。回歸分析結果表明干密度、孔隙度和飽和度對抗壓強度的阻礙作用較小，筆者對此進行了認真研究，認為回歸分析并沒有正確反應干密度對抗壓強度的貢獻情況。就模型本身反應的情況而言，對干密度的分析就存在一些問題：圖21充分表現出干密度的變異性較大，離群現象突出，回歸趨勢相當不明顯，對這種情況，通過回歸分析的手段專門難正確描述其阻礙規律；由圖22的干密度殘差圖能夠看出，干密度殘差

56、的散點分布集中于坐標軸兩端，違背了殘差的無定形分布規律，唯一的解釋應該是對回歸模型而言，干密度的引入是不恰當的，也確實是講，對此次試驗結果，用回歸分析并沒有專門好的回歸出干密度的阻礙趨勢。依照水泥土加固機理的分析可知，盡管硫酸鈣在水泥中的含量僅占35%，但它能和約占水泥50%的鋁酸三鈣生成一種被稱為“水泥桿菌”的化合物的同時，結合32倍于自己的水分子。此過程反應專門快，最后把大量自由水以結晶水的形式固定下來，這種水泥桿菌針狀結晶在深層攪拌的特定條件下，完全能夠利用這種膨脹勢通過膨脹、擠密作用增加地基加固效果。加固效果的提高，從另外一個角度來看，就表現為干密度的增大。對本次含水量高的軟粘土而言，

57、硫酸鈣的結晶過程對強度的提高有專門意義，回歸分析不能專門好反應這種情況，要進行進一步的分析，只能采取其它分析方法。本文要緊利用神經網絡模型做了初步的探究，詳細分析見下文。一. 共線性分析：當模型被表示為線性模型結構時，假設檢驗就表示為各參數的線性函數。而當某個回歸變量近似是其余變量的線性組合時，得到的參數可能往往是不準確的，而且可能量的方差專門大，這就產生了共線性或復共線性。本文試圖通過以下途徑對全回歸模型的共線性進行診斷。1.特征值法我們首先把變換為對角線是1的矩陣，然后求解特征向量和特征值，如有r個特征值近似為0，則回歸統計矩陣中有r個共線關系，且共線關系的系數向量確實是近似為0的特征值對

58、應的特征向量，依照以上計算結果，得到阻礙因素之間的相關數矩陣（見表25），相關數大的因素之間存在共線性問題。表25相關數計算結果表特征值常數摻入比齡期含水量孔隙度飽和度干密度波速常數1.00000.2668-0.30290.3479-0.5766-0.2907-0.7306-0.4677摻入比0.26681.0000-0.00730.4907-0.4930-0.46300.1294-0.7060齡期-0.3029-0.00731.00000.2877-0.2139-0.13600.29630.5315含水量0.34790.49070.28771.0000-0.9641-0.97290.3397

59、-0.1283孔隙度-0.5766-0.4930-0.2139-0.96411.00000.9112-0.08040.2093飽和度-0.2907-0.4630-0.1360-0.97290.91121.0000-0.42720.1721干密度-0.73060.12940.29630.3397-0.0804-0.42721.00000.2063波速-0.4677-0.70600.5315-0.12830.20930.17210.20631.00002條件指數法條件指數定義為最大特征值和每個特征值之比的平方根。最大條件指數稱為矩陣x的條件數，當條件數較大時，這組數據被認為是病態數據，當條件數專門

60、大時，認為有嚴峻共線性。我們的分析過程輸出有每個主重量解釋的可能方差比例，當條件指數高的主重量對兩個或幾個變量的方差有專門大貢獻時，共線性問題就發生了。計算結果見表26：表26 條件指數計算結果表個數特征值條件數常數摻入比齡期含水量孔隙度飽和度干密度波速17.669521.000000.00000.00020.00050.00000.00000.00000.00000.000020.213205.997850.00000.00000.12900.00000.00000.00000.00000.000130.080779.744260.00000.06730.01350.00010.00010.