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桩端后注浆浆液扩散机理及残余应力研究

作　者: 邹健
导　师: 张忠苗
学　校: 浙江大学
专　业: 岩土工程
关键词: 桩端后注浆扩散机理残余应力压滤效应渗透注浆压密注浆劈裂注浆扩散半径桩侧冒浆
分类号: TU473.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

通过室内模型试验、现场试验、电子显微镜扫描及理论分析相结合的方法,针对桩端后注浆过程中,浆液的扩散机理和桩侧桩端的残余应力开展了一系列有益的研究,主要的工作和成果如下：(1)利用自行设计开发的注浆模拟装置对粘土中浆液的扩散方式进行研究。结果表明：在粘土中注浆,随着浆液水灰比的增大,浆泡的直径减小,浆脉的数量及长度增加,浆脉的宽度减小,浆液的扩散方式逐渐由以压密为主向以劈裂为主过渡。粘土中劈裂注浆可分为三个阶段：鼓泡压密阶段、第一劈裂面阶段、后续劈裂面阶段。(2)在粘土中水泥浆压滤效应理论模型的基础上,推导出压滤效应的理论公式,并通过室内模拟试验对其进行验证。室内模拟试验表明：水泥浆无法通过渗透作用穿过粘土；滤出水的流量与压滤压力正相关,与粘土厚度负相关；最终水灰比不受初始水灰比、水泥浆高度、粘土厚度及压滤压力的影响,在试验中基本为一常量；最终压滤量与水泥浆高度及初始水灰比呈线性正相关；压滤结束时间与水泥浆高度、粘土厚度及初始水灰比呈线性正相关,与压滤压力呈反比。原子吸收试验表明,在压滤作用下,Ca2+离子随着滤出水扩散到粘土中,与吸附在土颗粒上的Na+和K+离子交换,从而降低了土颗粒表面双电层的厚度,进而使土体颗粒更加紧密。(3)利用扫描式电子显微镜,对注浆前后粘土、压滤效应前后粘土及注浆前后泥皮土进行对比分析,结果表明：原状粘土的断面形态为松散的絮状结构；经过清水压密固结,粘土颗粒间的孔隙明显减小,呈密实絮状结构；压滤作用使粘土颗粒团聚成粘土团,使土体强度提高；而压力注浆,使粘土团进一步粘聚成一个整体,土体强度大幅提高。原状泥皮土为絮状结构,经过压力注浆,桩侧泥皮转变为紧密团粒结构,泥皮土强度得到提高。(4)在水泥浆流变特性的研究基础上,推导出不同流型浆液渗透注浆扩散半径的表达式。并通过利用水泥浆流变特性对其进行简化,给出了不同水灰比水泥浆渗透注浆球面及柱状扩散半径的显式计算公式。(5)引入有效应力比的概念,建立了考虑压滤效应的粘土中压密注浆球(柱)孔扩张的控制方程,给出了径向应力和径向位移的表达式,并与传统孔扩张理论进行对比。结果表明,浆液越稀,传统的孔扩张理论的误差越大。(6)以幂律流体的平板窄缝流动为假定,得到了桩端后注浆劈裂注浆过程中,浆液在桩底的扩散半径和沿桩侧的上返高度的计算公式。结果表明,劈裂注浆时,浆液在桩底的扩散半径与浆液在桩侧的上返高度随着水灰比、裂隙高度(桩侧泥皮厚度)、注浆压力的增大而增大。(7)通过工程实例,对桩侧冒浆的处理措施及处理效果进行研究。桩侧冒浆的主要原因为桩侧泥皮厚、成桩龄期短、持力层可注性差、桩底沉渣厚等。桩侧冒浆可以通过提高持力层可注性,降低浆液水灰比,减小桩侧泥皮和桩底沉渣厚度并提高泥皮强度,间歇注浆四方面加以预防及处理。发生冒浆并通过复注达到设计注浆量的桩,其极限承载力略高于普通注浆桩。(8)分析了桩端后注浆残余应力的产生和消散,及其对后注浆桩极限承载力、侧摩阻力和端阻力的影响。注浆结束后,注浆压力的消散,使持力层进入超固结状态,使相同桩端位移下可发挥的端阻力提高。桩端后注浆桩的残余应力,通过对桩端土的预加载作用,提高端阻的发挥比例。若不考虑桩端后注浆对桩残余应力的影响,会造成对桩侧摩阻力的高估和桩端阻力的低估。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-14
第一章绪论  14-23
  1.1 引言  14
  1.2 桩端后注浆技术的研究现状  14-17
    1.2.1 国外桩端后注浆技术研究现状  14-15
    1.2.2 国内桩端后注浆技术研究现状  15-17
  1.3 桩端后注浆浆液扩散机理的研究现状  17-22
    1.3.1 渗透注浆理论的研究现状  17-18
    1.3.2 压密注浆理论的研究现状  18-20
    1.3.3 劈裂注浆理论的研究现状  20-22
  1.4 本文研究内容  22-23
第二章粘土中浆液扩散及压滤效应室内试验研究  23-45
  2.1 粘土中浆液扩散方式室内试验研究  23-30
    2.1.1 试验装置与材料  23-25
    2.1.2 试验步骤  25-26
    2.1.3 试验结果及分析  26-30
  2.2 粘土中水泥浆压滤效应室内试验研究  30-44
    2.2.1 粘土中水泥浆压滤效应的理论模型  30-31
    2.2.2 粘土中水泥浆压滤效应的基本假定  31
    2.2.3 粘土中水泥浆压滤效应的理论公式  31-33
    2.2.4 试验装置和材料  33-34
    2.2.5 试验步骤  34
    2.2.6 试验结果及分析  34-43
    2.2.7 压滤效应增强土体强度的机理分析  43-44
  2.3 本章小结  44-45
第三章不同种类土注浆前后扫描电镜分析  45-52
  3.1 扫描电镜的基本原理  45-46
  3.2 扫描电镜土样的制作  46-48
    3.2.1 样品大小及性能  46
    3.2.2 样品表面清洁  46-47
    3.2.3 样品干燥  47
    3.2.4 金属喷涂  47-48
  3.3 不同种类土注浆前后扫描电镜分析  48-51
    3.3.1 注浆前后粘土扫描电镜分析  48-49
    3.3.2 压滤效应对粘土的影响扫描电镜分析  49-50
    3.3.3 注浆前后泥皮土扫描电镜分析  50-51
  3.4 本章小结  51-52
第四章渗透注浆浆液扩散机理  52-68
  4.1 不同水灰比水泥浆的球面扩散理论  52-61
    4.1.1 基本假定及理论模型  52-53
    4.1.2 不同水灰比水泥浆流变方程  53-54
    4.1.3 牛顿流体的球面渗透注浆理论  54-56
    4.1.4 幂律流体的球面渗透注浆理论  56-57
    4.1.5 宾汉流体的球面渗透注浆理论  57-59
    4.1.6 不同水灰比水泥浆附加注浆压力与球面扩散半径的关系  59-61
  4.2 不同水灰比水泥浆的柱面扩散理论  61-67
    4.2.1 基本假定及理论模型  61-62
    4.2.2 牛顿流体的柱面渗透注浆理论  62
    4.2.3 幂律流体的柱面渗透注浆理论  62-63
    4.2.4 宾汉流体的柱面渗透注浆理论  63-64
    4.2.5 不同水灰比水泥浆附加注浆压力与柱状扩散半径的关系  64-67
  4.3 本章小结  67-68
第五章考虑压滤效应的粘土中压密注浆浆液扩散机理  68-85
  5.1 考虑压滤效应的粘土中压密注浆柱孔扩张理论  68-76
    5.1.1 理论模型  68-69
    5.1.2 基本假定  69
    5.1.3 考虑压滤效应下饱和粘土压密注浆柱孔扩张理论  69-72
    5.1.4 传统柱孔扩张理论  72-73
    5.1.5 算例  73-76
  5.2 考虑压滤效应的粘土中压密注浆球孔扩张理论  76-83
    5.2.1 理论模型  76
    5.2.2 基本假定  76-77
    5.2.3 考虑压滤效应下饱和粘土压密注浆球孔扩张理论  77-80
    5.2.4 传统球孔扩张理论  80
    5.2.5 算例  80-83
  5.3 本章小结  83-85
第六章劈裂注浆浆液扩散机理  85-104
  6.1 桩底劈裂注浆扩散半径和注浆压力研究  85-92
    6.1.1 基本假定  85-86
    6.1.2 理论推导  86-88
    6.1.3 计算分析  88-92
  6.2 桩端后注浆上返高度研究  92-102
    6.2.1 基本假定  93-94
    6.2.2 理论推导  94-98
    6.2.3 计算分析  98-101
    6.2.4 实例检验  101-102
  6.3 本章小结  102-104
第七章桩端后注浆桩侧冒浆原因分析及处理措施  104-112
  7.1 工程概况及试桩概况  104-105
  7.2 注浆设计参数及注浆过程中冒浆情况  105-107
  7.3 桩侧冒浆原因分析  107-109
  7.4 桩侧冒浆处理措施  109
  7.5 桩侧冒浆对桩承载性状的影响  109-111
    7.5.1 桩侧冒浆对桩极限承载力的影响  109-110
    7.5.2 桩侧冒浆对桩侧摩阻力的影响  110-111
  7.6 本章小结  111-112
第八章桩端后注浆注浆压力消散及桩的残余应力研究  112-123
  8.1 桩端后注浆残余应力分析  112-115
    8.1.1 桩端后注浆桩残余应力的产生和消散  112-114
    8.1.2 注浆压力的消散及桩的残余应力对单桩承载力的影响  114-115
  8.2 现场试验研究  115-121
    8.2.1 工程概况及工程地质条件  115-116
    8.2.2 试桩概况  116
    8.2.3 桩端后注浆桩残余应力的产生  116-118
    8.2.4 桩端后注浆桩残余应力的消散  118-119
    8.2.5 注浆压力的消散对单桩承载力的影响  119
    8.2.6 残余应力对单桩承载力的影响  119-121
  8.3 本章小结  121-123
第九章结论与建议  123-126
  9.1 本文完成的研究工作及主要结论  123-125
  9.2 进一步工作的展望  125-126
参考文献  126-132
作者简介及论文发表情况  132
攻读博士学位期间发表的论文  132-133

桩端后注浆浆液扩散机理及残余应力研究

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