水泥攪拌樁加固軟黏土地基模型試驗和有限元分析

孫發(fā)平

(長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

路基沉降變形主要是由軟弱地基變形引起的。水泥攪拌樁利用固化劑與地基土攪拌形成的水泥土硬化機(jī)理，使加固體和樁間土共同分擔(dān)路基上部荷載，提高地基承載力，減小地基沉降變形，同時減小路基沉降變形。在修建膠濟(jì)客運(yùn)專線時，王村施工段地質(zhì)情況復(fù)雜，主要分布著黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土，粉土、粉質(zhì)黏土，且分布不均，差異較大，對控制沉降非常不利。所在區(qū)域內(nèi)地下水位埋深旱季17 ～33 m，雨季8 ～15 m，地基土主要處于非飽和狀態(tài)。用離心機(jī)模型試驗［1］和有限元計算分析研究了軟黏土(黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土和粉質(zhì)黏土)地基用水泥攪拌樁加固的沉降變形特性和基底應(yīng)力。希望較好地反映水泥攪拌樁加固地基［2］原型的沉降特性，預(yù)測地基沉降，更好地指導(dǎo)路基施工。

1 模型試驗

1．1 試驗材料及物理參數(shù)

試驗材料按《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ89—92)，在施工現(xiàn)場用鉆孔法取4 ～20 m 原狀軟黏土(黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土和粉質(zhì)黏土)。按《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10101—2004)和《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)測定了原狀土的天然密度、含水率、飽和度等物理指標(biāo)。原狀軟黏土帶回試驗室后再曬干，碾碎，過篩，按原土層密度和含水率配置地基重塑土，具體物理參數(shù)見表1。

表1 試驗地基土物理參數(shù)

1．2 模型尺寸及制作

本次模型試驗為水泥攪拌樁加固軟黏土(黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土和粉質(zhì)黏土)地基試驗，在西南交通大學(xué)土工試驗室進(jìn)行。試驗分2 組完成:(1)模擬路基在施工期及靜置期沉降特性;(2)模擬路基在使用期沉降特性。根據(jù)下述模型制作選擇采用大型模型箱800 mm ×600 mm ×600 mm(長×寬×高)進(jìn)行離心模型試驗。模型相似比采用N = 80 。模型路堤一次填筑完成，采用加速度逐級增加的方式模擬現(xiàn)場路堤填筑過程，離心模型最終的幾何形狀與現(xiàn)場原型相同。試驗如下。

模型制作時，取配好的地基重塑土，在模型箱內(nèi)分層壓實(shí)填筑:首先填筑厚18 cm 的粉質(zhì)黏土，再填筑厚15 cm 的粉土，最后填筑厚5．8 cm 的黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土。地基鋪好后，在地基中打孔，灌入水泥，待其變硬后成為水泥攪拌樁。水泥攪拌樁采用C25 水泥、水、細(xì)砂及速凝劑制成，加固地基樁長6．5 cm，樁徑0．68 cm，樁間距1．25 cm，加固寬度為40 cm。待水泥攪拌樁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的80%開始進(jìn)行路堤填筑。路堤采用現(xiàn)場所取黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土制作，高9 cm，邊坡比1 ∶m = 1 ∶1．5。路堤上部荷載在模型中用折算的鋼板等效替代。鋼板寬3．25 cm，厚1．1 cm。模型尺寸和儀器埋設(shè)圖如圖1 所示。

1．3 路基放置期間模擬

設(shè)定路基施工期為80 d，按照a = 80g 的加速度換算，模型在離心機(jī)中的運(yùn)行時間為20．25 min。

1．4 路堤的長期運(yùn)營模擬

按3 a 使用期測試路堤的工后沉降及附加應(yīng)力。模型在離心機(jī)中的運(yùn)行時間為250 min。

2 試驗結(jié)果及分析

(1)路基施工過程(80 d)、靜置期間(3 個月)和使用期(3 a)沉降與時間關(guān)系如圖2 和圖3 所示。

從圖2 和圖3 可得出，非飽和粉土、粉質(zhì)黏土路基模型試驗結(jié)果(如表2 所示)。又可得出路基基底最終沉降量=施工期沉降量+靜置期沉降量+使用期沉降量，即模型最終沉降量=49．7 +26．4 +35．5 =111．6 mm。非飽和粉土、粉質(zhì)黏土水泥攪拌樁加固地基施工期內(nèi)(施工期+靜置期)沉降占總沉降的比例為68．2%。

圖1 水泥攪拌樁加固與儀器埋設(shè)斷面(單位:cm)

圖2 施工期及靜置期沉降與時間關(guān)系

表2 模型試驗結(jié)果匯總

試驗過程中各類土的含水量減小，容重增大，強(qiáng)度有所提高。從以上數(shù)據(jù)可以看出，雖然由于土層分布、土質(zhì)、含水量等因素影響導(dǎo)致的沉降在施工期和靜置期內(nèi)可以完成總沉降的約70%。

(2)路基施工完成后實(shí)測基底中心應(yīng)力為141．6 kPa。據(jù)有關(guān)資料［7］介紹:在路基坡度比一定的情況下，基底應(yīng)力數(shù)值計算結(jié)果介于均布荷載和比例荷載之間，并且受路基寬高比b/H(b 為路基表面寬度，H為路基高度)影響明顯。隨著b/H 的增加，基底中心應(yīng)力逐漸趨近于γH，即逐漸接近于比例荷載。取此次試驗實(shí)測基底中心應(yīng)力的數(shù)據(jù)，以σ/γH 為縱坐標(biāo)，b/H 為橫坐標(biāo)繪制曲線，所得結(jié)果如圖4 所示。充分驗證了上述結(jié)論。

3 軟黏土地基沉降有限元分析

采用相同的路基斷面形式及地層條件，對軟黏土(黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土和粉質(zhì)黏土)地基的沉降變形和基底應(yīng)力進(jìn)行計算分析，并將模型仿真計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以此驗證計算模型的可靠性和正確性。

圖4 b/H 值對基底中心應(yīng)力影響

3．1 有限元模型

粉質(zhì)黏土等巖土類材料依據(jù)其在受到外力作用時所表現(xiàn)出來的物理力學(xué)性質(zhì)，通?？煽醋鲗儆趶椝苄宰冃蔚幕旌象w，按照彈塑性理論來研究［3］，其應(yīng)力應(yīng)變是非線性的。因此路基土和地基土采用的是較為符合巖土類材料的屈服和破壞特征的Mohr-Coulomb 模型，材料參數(shù)見表3。采用Van Genuchten 模型模擬基質(zhì)吸力隨飽和度的變化關(guān)系。地基各土層采用修正后的滲透系數(shù)計算，路基按照不透水材料考慮。水泥攪拌樁樁體只能受壓，不能受拉，且抗彎剛度很小，設(shè)定其屬性為只能受壓。大量計算表明，水泥攪拌樁樁體在巖土類材料中受到的壓力較其抗壓強(qiáng)度要小得多，所以將水泥攪拌樁樁體采用線彈性本構(gòu)關(guān)系［4］。材料性能參數(shù):壓縮模量Es= 1．3 × 108Pa，泊松比μ = 0．22 ，密度ρ =2 480 kg/m3。

3．2 計算結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

水泥攪拌樁加固地基，有限元網(wǎng)格劃分見圖5。其概化幾何參數(shù)為:路基計算高度7．2 m，基頂計算寬度約8 m，邊坡坡度1∶ 1．5;地基土計算深度31 m，計算寬度約64 m。水泥攪拌樁地基土由上至下依次為黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土和粉質(zhì)黏土，厚度分別為4．6 m，12 m，14．4 m，地下水位線設(shè)置距地基面16．6 m。水泥攪拌樁加固區(qū)厚度5．2 m，樁徑0．55 m，路肩寬度內(nèi)樁間距為1 m，兩邊坡下樁間距為1．2 m。

表3 材料計算參數(shù)取值

3．3 計算結(jié)果分析

3．3．1 沉降-時間關(guān)系曲線

圖6 為水泥攪拌樁加固地基的沉降一時間關(guān)系曲線［5］。從圖6 中可看出水泥攪拌樁加固軟黏土地基的施工期間沉降為77．1 mm，最終沉降量為85．8 mm，施工期間沉降分別占總沉降的89．9%，路基施工完成后放置120 d 沉降完全穩(wěn)定下來。由此可見，水泥攪拌樁軟黏土地基的沉降穩(wěn)定時間短，沉降量小，加固效果明顯。理論上講，路基施工完成后放置較短的時間即可滿足工后沉降要求。但在工期緊張的情況下，軟黏土地基不利于工后沉降控制。筆者按照最不利情況考慮(即路基施工完成后立即使用)，計算軟黏土的工后沉降量，有限元計算結(jié)果如表4 所示。不利情況計算總沉降94．7 mm 比有靜置期最終沉降85．8 mm，多沉降了8．9 mm，即多沉降了10．4%。因此在施工期和使用期之間，應(yīng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置一定的靜置期，減少工后沉降，從而達(dá)到減少總沉降的目的。

表4 路基基底沉降計算匯總

3．3．2 基底應(yīng)力分布

表5 為路基基底中心應(yīng)力有限元計算結(jié)果［6］。從表5 中可以看出，有限元計算結(jié)果介于均布荷載和比例荷載之間。在路基坡度比一定的情況下，基底應(yīng)力分布受路基寬高比b/H(b 為路基表面寬度，H 為路基高度)影響明顯。隨著路基寬高比的增加，基底中心應(yīng)力逐漸趨近于γH［7］，即逐漸接近于比例荷載。

表5 路基基底中心應(yīng)力

3．4 模型試驗方法與有限元計算結(jié)果對比

模型試驗與有限元計算結(jié)果對比見表6。

表6 模型試驗方法與有限元計算結(jié)果對比

由表6 分析可知，采用模型試驗與有限元法計算所產(chǎn)生的結(jié)果既有相似之處，也存在較大的差異。其主要差異表現(xiàn)沉降值上的差異，即模型試驗產(chǎn)生的路基基底總沉降比有限元計算的大，其相對誤差大于10%，不能滿足工程需要。這是因為模型縮尺制做肯定與原型土料在物理力學(xué)性質(zhì)上存在差異，且縮尺使土體顆粒的不均勻性和不連續(xù)性暴露出來，導(dǎo)致模型和原型在力學(xué)性質(zhì)上的差異。然而，模型試驗和有限元法計算產(chǎn)生的路基基底中心應(yīng)力具有相同的特性，其相對誤差不大于10% ，可以滿足工程需要。

綜合以上的分析可知，一方面，模型試驗產(chǎn)生的路基基底總沉降與有限元計算存在較大差異，很難精確預(yù)測非飽和粉質(zhì)粘土、粉土地基那樣的軟黏土地基沉降，所以對于具有高沉降控制標(biāo)準(zhǔn)路基，使用模型試驗的沉降結(jié)果來預(yù)測實(shí)際地基的沉降是不可行的;另一方面，這2 種方法本身產(chǎn)生的路基基底中心應(yīng)力是相似的，其作為一種定性分析方法有一定的應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

通過對水泥攪拌樁加固的軟黏土(黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土和粉質(zhì)黏土)地基進(jìn)行模型試驗和有限元分析，得出其沉降特性和應(yīng)力傳遞的定性分析規(guī)律，總結(jié)如下:

(1)模型試驗在施工期和靜置期內(nèi)地基完成沉降量占總沉降的70%左右。有限元分析施工期間水泥攪拌樁加固地基施工期內(nèi)沉降占總沉降的89．9%。兩種分析結(jié)果表明，水泥攪拌樁加固地基的沉降速度快，工后沉降小，有利于控制軟黏土地基沉降變形，適合軟黏土地基加固。

(2)有限元分析路基施工完成后直接使用，水泥攪拌樁加固地基的施工期沉降占總沉降的81．7%，比設(shè)置靜置期少沉降8．2%，但總沉降多沉降了10．4%。說明軟黏土地基在使用前需設(shè)置足夠的靜置期。路基施工完成后放置1 ～12 個月，計算路基的工后沉降量。計算結(jié)果表明，在合理優(yōu)化施工期的基礎(chǔ)上，最長需設(shè)置3 個月的靜置期，其工后沉降為8．7 mm，滿足使用要求。

(3)模型試驗和有限元分析都得出基底應(yīng)力介于比例荷載和均布荷載之間?；讘?yīng)力分布與路基寬高比有關(guān)。隨著路堤寬高比b/H 的增加，路基基底中心應(yīng)力分布越接近于γH。

(4)通過模型試驗與有限元計算結(jié)果對比分析，可得使用模型試驗的沉降結(jié)果來預(yù)測實(shí)際地基的沉降是不可行的，但其作為一種定性分析方法有一定的應(yīng)用價值。

(5)據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)［7］介紹，水泥攪拌樁主要適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無地下水流動的飽和松散砂土等地基。不但能最大限度地利用原土，縮短工期，降低成本，提高地基承載力，減小地基沉降變形，而且不會使地基側(cè)向擠出，影響周圍建筑物。這點(diǎn)在模型試驗中得到有效驗證，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可驗證上述觀點(diǎn)，并且在試驗結(jié)束后地基沒有側(cè)向擠出痕跡。

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