1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
人类社会经历了快速的发展，但在过去几年中，这反而使人类和地球资源之间的相互依赖关系走向了崩溃的边缘。土地资源为人类提供了主要生产和生活材料，然而土地往往是稀缺的，尤其是在沿海地区。在沿海地区的发展往往依赖于对海洋的填海造陆。吹填土是一种特殊的土壤，其工程性质受到由许多因素的影响，并且吹填土蠕变性会对在上部结构的施工安全构成威胁。所以吹填区的地基处理研究和对吹填土上工程结构的安全研究具有十分重要的意义，见示意图1-1。目前，在滨海地区吹填土软弱场地的桩基选择问题日益得到重视。压挤土石桩就是对施工要求和发展形势，结合施工经验和桩基发展现状，创新提出的一种新型变截面桩。其创新点在于：
（1）压挤土石桩通过挤压土体在桩身形成多个支盘和分支，横向上增大了桩身的横截面面积，同时增大了桩土接触面积，在很大程度上增强了桩基的端阻力和侧摩阻力，大大提高了桩基的承载性能和稳定性能，见示意图 1-2。
（2）压挤土石桩可以充分改善桩身周围土体的承载性能。压挤土石桩的注浆管为带孔钢管，施工时通过施加适当的注浆压力将浆液压入土体中达到挤密土体的目的。在桩体成型过程中，距离注浆管一定范围内的土体受到有效的压密，成桩后之较成桩前，周围土体的孔隙比明显减小，弹性模量和密度提高。在承受上部荷载前，由于土体已经被压密，土体的极限侧摩阻力标准值随之提高，从而使桩的承载力大幅度增加。
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1.2 桩基础的现状及发展趋势
以桩的直径尺寸和发展趋势可以将灌注桩的分为：大直径灌注桩和小直径灌注桩。直径 d≥800mm 的为大直径灌注桩；直径 300≤d<800mm 为中等直径桩，直径 d<300mm 的为小直径桩。与静压桩和预制桩比较，灌注桩有下面几个特点：
(1)按挤土量的大小可以将灌注桩分为非挤土桩或少量挤土桩，灌注桩的施工形式为现场灌浆，注浆泵噪音污染小，并且不排出浓烟，因而对环境的污染较小。大直径的灌注桩的直径较大，埋深和刚度大，单桩承载力较高，抗震性能和稳定性能良好。
(2)单桩承载力高。可根据上部结构传递荷载大小、地勘报告中的地质情况等情况，可将灌注桩的承载力值设计为几乎所有大小，且抗震性能较好。
(3)工程造价较低。灌注桩的配筋根据具体的工程条件进行配制，配筋率一般低于传统的静压桩和预制桩，约为这两种桩的百分之六十。
(4)质量不稳定。由于现场工程勘测中，很难准确测定土层的性质和分布，现有的设计方法的理论也是不够完善的，因此在施工中灌注桩很难达到与设计中一样的单桩承载力和成桩半径。灌注桩时常会发生缩颈、桩身局部夹杂泥、断桩、桩身混凝土离析、混凝土不均匀、桩顶段混凝土疏松、混凝土强度较难保证质量等事故[1]。总之，在各种条件的作用下，灌注桩的成型和承载机理均难以得到准确解释，国内的相关研究还比较少。
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2 压挤土石桩桩型研究
2.1 压力注浆概述
压挤土石桩的施工方法是由传统的钢管压力注浆改善而来。钢管注浆即在带有出浆孔的导管上施加合理的注浆压力，将浆液压入土体中。随着我国经济的快速发展，大量的基础建设的进行，注浆技术在土木工程领域的各个方面都得到了广泛的应用，例如现有建筑物地基加固、填充岩体孔隙、基坑防渗处理、灌注桩施工等，注浆技术的理论亦逐渐成熟。压密注浆分为土内压密和表面压密。压密注浆的注浆压力一般是大于渗透注浆的压力，但是有一定限度，否则就会发展成为劈裂注浆。土内压密即通过注浆压力将浆液压入土体中，浆液将缓慢发展成漏斗状，对周围土体产生辐射状的挤压，同时也会使上部土体产生上抬作用，上文提到的钢管压力注浆就属于土内压密。表面压密则是在地表上覆盖一定厚度的混凝土盖板，通过盖板上的注浆孔向土体表面注入浆液，这样盖板下表面和土体表层就受到较大压力。如果盖板给予的荷载足够大，那么土体将受压下沉，从而改善表层土体的性质，使之更加坚固，表面压密一般用防止建筑物的不均匀沉降。
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2.2 注浆机理的基本理论
从现有的工程运用来看，压密注浆在较软弱的土体中效果较好，常用来进行中砂地基的地基加固，在有良好排水条件的粘土地基也有良好的应用。但将压密注浆技术应用于桩基的设计却是比较少的，国内的研究一般用来研究确定压密注浆极限注浆压力和沉桩时的挤土效应，而将压密注浆理论应用于对成桩半径的预测还很少。压挤土石桩施工采用的是钢管注浆，相对于传统的灌注桩容易发生劈裂造成桩体不均匀的缺点，由于注浆管外硅胶模的约束作用，使得压挤土石桩的桩体要发展均匀许多，因此能够更好的改善土体的承载性能，并提高其极限侧摩阻力。压挤土石桩的成型过程是在合理的注浆压力下，将浆液灌入土中，浆液在土中形成浆泡并且逐渐增大，同时挤密周围土体，总的来说就是注浆液的置换和土体的被压密。在成桩的压密阶段中，因为桩体比较均匀，不会产生较长的纵向劈裂裂缝，因此可将桩体周围的土体分为三个区域：（1）填充区。即在出浆孔附近，浆液凝聚成浆泡，并靠着注浆压力挤压周围土体，在经过一段时间的养护后，这个区域成为桩体。（2）塑性变形区。在距离桩体较近的区域，注浆压力大于土体的压密注浆极限注浆压力，土体会发生塑性变形，并且产生较大的径向位移，可以认为该区域为压挤土石桩的有效挤密区域。（3）弹性变形区。在距离注浆孔较远的区域，由于土体变形的能量消耗和注浆压力的损失，这一区域的注浆压力小于压密注浆极限注浆压力，因此这一区域的土体的变形和位移均较小，仍然处于弹性阶段。压挤土石桩初始阶段的注浆压力应当合适，不应大于土体的启劈压力即压密阶段的极限注浆压力。在初始的注浆压力的作用下，浆液渐渐聚集，逐渐变大，形成漏斗状，对周围土体产生均匀的径向挤压，随着注浆压力达到极限注浆压力，压挤土石桩的成型将由压密阶段迅速过渡到劈裂阶段，土体将因过大压力而产生劈裂裂缝。因此如何能够较为准确的确定土体的启劈压力值和如何研究劈裂阶段的裂缝将是本文的重点。
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3 压挤土石桩单桩承载性能研究 ....36
3.1 本章概述 .........36
3.2 有限元概述 .......36
3.3 压挤土石桩有限元分析 ....37
3.4 压挤土石桩挤密作用研究 .........56
3.5 压挤土石桩的单桩竖向承载力计算公式研究 .......58
3.6 压挤土石桩单桩承载力试验 .......61
3.7 本节小结 .........63
4 压挤土石桩设计方法及工程应用研究 ....64
4.1 临界深度和最小厚度的确定 .......64
4.2 压挤土石桩设计方法 ......65
4.3 压挤土石桩的施工过程 ....67
4.4 压挤土石桩桩基设计的工程实例 ..........70
4.5 本节小结 .........77
5 结论与展望 .........78
5.1 本文主要结论 .....78
5.2 对课题的认识与展望 ......80
4 压挤土石桩设计方法及工程应用研究
4.1 临界深度和最小厚度的确定
在岩土工程中，实际地层中由于打桩、灌浆引起土体的应力和位移受到许多学者的关注，这些研究在静力触探、桩基承载力、桩基施工、土体锚杆锚固端阻力等方面都具有重要意义。在工程实际中，地基的土层往往不是单一的。此当灌注桩的桩头部穿过土层分界面时，注浆压力会迅速变化。若桩尖由承载性能较弱的土层穿入承载性能较好的土层时，注浆压力会迅速在一段距离内增加，超过这段距离后注浆压力基本稳定或者缓慢增大，而这段距离被称为“临界深度”，如图 4-1 中的 hc；而在桩尖由承载性能较好的土层穿入承载性能较弱的土层前，注浆压力会在穿入下部土层的前一段距离快速减小，超过这段距离后注浆压力基本稳定或者缓慢增大，这种情况下，这段距离被称作“最小厚度”，如图 4-2 中的 hk。《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中相关条文为：应选择较硬土层作为桩端持力层。桩端全断面进入持力层的深度，对于黏性土、粉土不宜小于 2d，砂土不宜小于 1.5d，碎石类土，不宜小于 1d。当存在软弱下卧层时，桩端以下硬持力层厚度不宜小于 3d。对于嵌岩桩，嵌岩深度应综合荷载、上覆土层、基岩、桩径、桩长诸因素确定；对和较硬岩的深度不宜小于 0.2d，且不应小于 0.2m。于嵌入倾斜的完整和较完整岩的全断面深度不宜小于 0.4d 且不小于 0.5m，倾斜度大于 30%的中风化岩，宜根据倾斜度及岩石完整性适当加大嵌岩深度；对于嵌入平整、完整的坚硬岩和较硬岩的深度不宜小于 0.2d，且不应小于 0.2m[13]。
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结论
压挤土石桩是一种新型桩体，它由传统的后注浆灌注桩改进而来。由于桩体外覆盖着一层具有一定厚度、弹性的硅胶膜，因此在将浆液由注浆管压入土体后，土体劈裂产生的纵向裂缝将会被约束，裂缝转为横向发展，这将使得桩体较传统的后注浆灌注桩更加均匀，承载性能更为稳定，将在滨海软弱吹填区得到广泛的应用。本文结合压挤土石桩的这一特点，从成桩机理和承载性能这两方面进行了较为深入的研究，主要成果为：首先根据压挤土石桩本身的特点，将成桩过程分为：压密阶段、劈裂阶段和压密约束阶段。在劈裂阶段和压密约束阶段，考虑到工程中常用的水灰比为 0.5~0.7的水泥浆可以认为是幂律流体，借鉴了文献[10]中劈裂阶段浆液最大扩散距离的计算方法，即式（2-30）。随后假设在同一平面上，注浆量一定，即浆液扩散的面积与没有硅胶膜的情况下相等，得出了最终半径的计算方法，即式（2-31）。随后总结出了压挤土石桩的半径预测方法，详见 2.5 节。
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参考文献（略）