透水混凝土桩加固软土地基初步试验研究

论文总字数：23785字

摘 要

散体桩可以加快地基的固结速度，也可减小砂土或粉土地基的液化势，但由于其刚度和强度低，且其成桩和承载力受桩周软土强度限制，这大大限制了散体材料桩的其应用范围。素混凝土桩等刚性桩复合地基，虽然可以满足强度和变形的要求，但由于其透水性差，地基固结速率慢，且工程造价较高，透水混凝土桩的刚度和强度高于散体桩，而且它较普通混凝土桩有更高的渗透性，此外其成桩基本不受桩周软土强度的限制。

本研究通过大量文献资料总结出透水混凝土材料的配合比设计方法及材料性能测试方法，在此基础上，经反复试验调整确定水灰比范围，并研究振动时间对试样成型的影响。设计出透水混凝土渗透试验装置并改良此装置以解决其侧壁渗透的问题，改进完后的装置比之前渗透性减少25%左右。最后，通过室内试验研究在同一孔隙率下，不同水灰比对透水混凝土的强度特性、渗透性及孔隙率的影响规律。

关键词: 透水混凝土、配合比设计、无侧限抗压强度、渗透性、孔隙率

characteristics of PRELIMINARY EXPERIMENTAL STUDY ON PERVIOUS CONCRETE PILE REINFORCING SOFT SOIL FOUNDATION

Abstract

Permeable granular columns are used to increase the time rate of consolidation, reduce liquefaction potential, improve bearing capacity, and reduce settlement. However, their behavior depends on the confinement provided by surrounding soil, which limits their use in very soft clays and silts, and organic and peat soils. In contrast, the rigid pile composite foundation, such as CFG pile, can meet the requirements of strength and deformation, but cannot effectively drain off water and the consolidation speed is slow due to the poor permeability, leading to little resistance to liquefaction. This paper intends to apply the pervious concrete to the design of composite foundation , and pervious concrete pile composite foundation with both quick drainage and high load performance is put forward., moreover, pervious concrete piles is not restricted by the surrounding soil conditions. but at this stage.

This paper mainly do preliminary research of pervious concrete piles reinforcing soft soil, Based on the design theory of pervious concrete, the specific mix design method and Material performance test methods is put forward by A large number of literature. On this basis, through repeated trials determined the scope of the water cement ratio and studied the effect of vibration time of sample moulding. Designed a permeable concrete penetration test device and improved the device to solve the problem of the side wall penetration.Meanwhile, the effects of different water-cement ratio on the mechanical properties and water permeability of pervious concrete are studied.

Key words：previous concrete; mix proportion design; unconfined compressive strength; permeability； porosity；

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 透水混凝土研究现状 2

1.2.2 透水混凝土桩研究现状 5

1.2.3 复合地基技术研究现状 5

1.2.4复合地基抗液化机理研究现状 5

1.3 研究内容与技术路线 6

1.3.1 研究内容 6

1.3.2 技术路线 7

第二章 透水混凝土材料制备方法 8

2.1试验原材料 8

2.1.1粗集料 8

2.1.2水泥 9

2.1.3减水剂 10

2.1.4水 10

2.2试样的制备与养护 10

2.2.1投料及拌合方式 10

2.2.2试件成型方式 11

2.2.3试样养护方式 13

2.3 透水混凝土配合比设计 14

2.3.1 确定配合比参数 14

2.3.2 配合比设计方法 15

2.3.3 试验采用的配合比 16

2.4性能测试方法 16

2.4.1孔隙率 16

2.4.2抗压强度 16

2.4.3渗透性 17

第三章 透水混凝土材料强度与渗透特性 19

3.1 振动时间对透水混凝土试件的影响 19

3.2 透水混凝土强度特性 22

3.2.1透水混凝土破坏形态 22

3.2.2 投料方式对透水混凝土强度影响规律 22

3.2.3水灰比对透水混凝土强度影响规律 22

3.2.4 透水混凝土7d和28天抗压强度关系 24

3.3透水混凝土渗透特性 25

3.3.1 改进后的装置对渗透系数的影响 25

3.3.2 水灰比对试样透水性的影响 26

3.3.3 透水混凝土材料目标孔隙率和实际孔隙率的关系 27

第四章 结论与展望 29

4.1 结论 29

4.2 展望 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1研究背景

近20多年来，复合地基技术在地基处理上的应用越来越广。复合地基是指在天然地基上进行桩加固或者通过加筋材料使其部分土体得到增强、置换，是由天然地基土体或被改良的天然地基土体和加固土体两部分组成的人工地基。用于加固天然地基的桩型一般有散体桩、柔性桩（或称半刚性桩）和刚性桩三类，如常见的散体桩有碎石桩、砂桩和矿渣桩等，柔性桩主要有水泥土桩，刚性桩包括素混凝土桩和CFG桩。砂桩和碎石桩等散体桩是渗透系数较大，透水速度较快，地基的固结速度也较快，当散体桩作用于砂土或粉土地基时可以很显著的减小其液化势，但是，散体桩由于其强度和刚度较低，而且散体桩周围土的围压对其强度和刚度有很大影响，在竖向荷载作用下，位于表层的桩体容易发生膨胀破坏，即散体桩材料不适用于类似有机质土、泥炭质土及软粘土等土质条件特别差的地基，对于这类土质，散体桩不仅不能够有效提高其地基承载力，而且会产生较大的工后沉降。和散体材料桩相比，刚性柱虽然可以地基满足强度和变形的要求，显著提高地基承载力，但因为渗透性差，地基固结速度较慢，导致工期延长，而且对于一些可液化地基，由于其排水效果较差，液化层的可液化性不能被有效消除。因此，对于一些土质条件，人们提出用两种和两种以上桩体同时加固地基，但同时这样的施工方法会增加施工程序，使得施工工期变长，随之成本也会提高。

2009年，国外学者Muhannad T. Suleiman在由美国国家自然科学基金委员会资助的“National Earthquake Hazards Reduction Program(美国国家地震减灾计划)”重大项目中了提出了集高承载特性和高渗透性为一体的透水混凝土桩，旨在将透水混凝土的设计方法理论应用到复合地基桩体设计中，从而提出一种新的地基处理技术，并且于2014年发表了一篇文章，主要围绕在竖向荷载作用下砂土中的透水混凝土桩的极限承载力及位移的变化，并与散体桩进行了对比试验，但模型试验中，没有考虑桩土应力比的变化，也没有对透水混凝土桩在软土中的排水效应及淤堵效应进行研究。

本文是为后续研究透水混凝土桩在软土中淤堵情况做初步研究，主要通过查阅文献和室内试验对透水混凝土材料的配合比设计方法、设计参数、成型方式总结，提出透水混凝土制备方法，并且研究在保证一定孔隙率的前提下，水灰比对透水混凝土强度和渗透性的影响规律。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 透水混凝土研究现状
透水混凝土是采用单一级配的骨料作为骨架、通过加入一定量的水泥浆作为粗骨料之间的胶结材料，通过改变透水混凝土水灰比和集灰比来控制其目标孔隙率，从而形成骨架-孔隙结构的多孔混凝土，由于采用单一级配骨料，使得透水混凝土骨架间成马蜂窝状结构且孔隙多为贯通性孔隙，其孔隙直径大多超过1mm，大的贯通性孔隙是透水混凝土具备良好透水功能的前提，但同时又是限制其强度增长的原因，由于透水混凝土只采用单一粒径的粗骨料，其表面较普通混凝土而言更加粗糙，透水混凝土结构如图1.1。

图1.1 透水混凝土结构（张娜等^[28]）

根据透水混凝土实际使用功能将其分为透水混凝土路面和透水性铺装两类，第一类是指在路面上直接经过拌合、成型、养护等制作工艺而形成的（见图1.2），第二类是指在室内加工成型的试件，然后摊铺在路面上（见图1.3）。

图1.2透水混凝土路面(霍亮等^[16]) 图1.3透水混凝土铺装(霍亮等^[16])

透水混凝土主要用于缓解城市地表径流问题、补充城市地下水资源、改善城市热环境等问题，目前国外主要是将其应用于人行道、停车场、公园、广场等地方，对解决因暴雨造成路面积水问题及调节城市的微气候都有一定的效果（见如图1.4及图1.5）。

图1.4 透水性混凝土应用于人行道(霍亮等^[16])

图1.5 透水混凝土应用于停车场(霍亮等^[16])

不同孔隙率和水灰比其渗透系数和抗压强度不同，在满足一定抗压强度情况下，透水混凝土的渗透系数一般在1.0mm/s~4.8mm/s，有的甚至达到1.2cm/s了，在保证一定渗透系数条件下其无侧限抗压强度可以达到3.5~28MPa^[1]。

日本在早期因长期使用地下水，导致城市地基出现沉降等问题，为解决城市下水问题，日本学者在80年代就开始研究透水混凝土路面铺装，并且研究透水混凝土的透水系数与抗压强度及孔隙率之间的关系，并且在后来通过在胶结材料中加入高分子树脂和细骨料来制备高强度透水混凝土^[2]，之后由于泥沙和粉尘对透水混凝土路面的堵塞，致使路面渗透性降低，为解决透水混凝土路面堵塞问题，日本采用小型高压清洗机和真空吸附复合的方法将透水混凝土路面的渗透性恢复到之前的80%^[3]。

美国佛罗里达州容易出现暴雨导致路面积水不易及时排出，造成交通和出行不便，普通混凝土路面无法缓解暴雨引起的地表大的径流问题，因此，美国将无细骨料的透水混凝土作为路面材料应用于人行道和停车场，其采用粗骨料粒径范围在6~12.5mm，为了增大实际孔隙率，还在拌合物中加入引气剂，同时为了提高强度，在拌合物中加入水基环氧聚乙烯基丙烯酸乳液来增强粗骨料之间的粘结作用，试验结果表明透水混凝土路面28天的渗透系数为1.57mm/s，28天抗压强度达到26.2MPa^[4]。美国爱荷华州立大学研究了透水混凝土的配合比设计和养护成型方式对透水混凝土强度和渗透性的影响以及骨料对透水混凝土的抗冻融性的影响 ^[5-8]。

英国阿伯泰邓迪大学的Wolfram Schluter^[9]通过在苏格兰中心广场铺筑透水性混凝土来研究透水混凝土的在下雨天的路面排水性能，试验结果表明，透水混凝土能够有效缓解下雨天路面积水现象 ^[8]。Haselbach和J D, Workman^[10]等人研究了透水性混凝土应用于人行道时的排水性能，随后，他们又提出了有效测试透水混凝土孔隙的方法，Kayhanian M, Anderson D^[11]等人通过试验测得铺在停车场的透水混凝土的孔隙率，通过对路面取样扫描成像观察透水混凝土路面的淤堵情况，同样，Valavala S , Haselbach LM, Montes F.^[12]也研究透水混凝土作用于人行通道时其实际孔隙率及渗透性随时间变化情况。

比较而言，国内目前对透水混凝土研究明显滞后，实际应用范围也相对较小，目前，我国还没有制定关于透水性混凝土的设计规范和施工技术规程。中国建筑材料科学研究院王武详对透水混凝土的种类、强度、透水机理及透水性进行了深入研究，结果表明透水混凝土的实际孔隙率可以控制在5%~30%，其透水系数介于1.0~15.0mm/s，同时在满足渗透性的条件下，其抗压强度最高达到20MPa。清华大学杨静^[13]在制备透水混凝土的过程中采用小粒径的单一骨料，同时在拌合物中掺入硅灰和有机增强剂，并采用高效减水剂使透水混凝土试件的抗压强度提高到35.5MPa，同时其渗透系数达到2.9mm/s，对于掺入有机增强材料的透水混凝土强度甚至可以达到40MPa以上。东南大学霍亮等^[14]通过静压成型方法制备透水混凝土试件，成型压力为3MPa，加压时间为90s，同时在拌合物中掺入不同比例的硅灰，试验结果表明其28天抗压强度在30MPa左右，28天渗透系数达到4.0mm/s，同时，还通过模拟自然环境下的光热和风速对透水混凝土蒸发降温性能及吸声降噪性能做了初步的研究。程晓天^[15]等运用正交设计方法对透水混凝土进行了渗透性能和强度性能试验,总结出透水混凝土骨料级配、水灰比和单位体积水泥用量等因素对其透水性能和力学性能的影响规律，结果表明，影响透水性混凝土渗透性能和强度特性的主要因素是单位体积的水泥用量和水灰比，随着水灰比和单位体积水泥用量的增加，渗透性能下降，强度增加。吴冬，刘霞等^[16]通过研究透水混凝土试件不同的成型方式对其渗透系数、抗压强度及实际孔隙率的影响，结果表明，试件成型时采用机械振动法相对于手工倒插法而言，透水混凝土试件更加密实，但是其均匀性不如手工倒插法，且试件下部容易发生浆液沉底，堵塞试件下部孔隙，使透水混凝土的渗透系数降低，影响其排水效果，而当采用机械振动和手工倒插相结合时，制作出来的透水混凝土试件既能够满足强度要求，又能够满足渗透系数要求。

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