試驗(yàn)分析摻砂量對(duì)水泥砂漿樁Duncan-Chang模型參數(shù)影響

李昉

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

水泥土樁是軟土地基處理的常用方法之一，國內(nèi)外學(xué)者做了廣泛研究。然而，當(dāng)?shù)鼗了苄灾笖?shù)較高時(shí)，水泥土樁容易出現(xiàn)成樁強(qiáng)度偏低、加固深度較淺、變形模量偏小等問題[1]。在高含水率的淤泥地基中，水泥土樁成樁困難，樁體強(qiáng)度較低，加固效果不理想[2]。水泥砂漿樁是近年來在水泥土樁的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型深層攪拌樁，它是由水泥、細(xì)砂、水按一定的配合比拌和，與土體攪拌而成，具有一定的強(qiáng)度，它與樁間土一起，通過褥墊層形成水泥砂漿樁復(fù)合地基[3]。近年來，水泥砂漿樁在工程實(shí)踐中已得到一些應(yīng)用，并積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)。新建向莆鐵路福州杜塢區(qū)間段采用水泥砂漿樁對(duì)地基進(jìn)行加固，工后沉降滿足250 km/h設(shè)計(jì)時(shí)速的客貨共線鐵路設(shè)計(jì)要求[4]。新建石武客運(yùn)專線邯鄲東站粉質(zhì)黏土地基采用水泥砂漿樁加固，在相同地基中采用水泥砂漿樁成樁強(qiáng)度比水泥土樁高出30%左右[5]。新建南寧至欽州沿海鐵路淤泥質(zhì)軟土地基采用水泥砂漿樁處理，強(qiáng)度和沉降均能夠滿足設(shè)計(jì)要求[6]。阮波等[7]通過正交試驗(yàn)對(duì)水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素進(jìn)行研究，得出各主要影響因素的主次順序及最優(yōu)配合比；朱維倫[8]試驗(yàn)研究了水泥摻量、齡期對(duì)水泥砂漿樁強(qiáng)度的影響；隋瑞凌等[9]通過水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度室內(nèi)配比試驗(yàn)，研究不同水泥摻入比、不同摻砂量及不同齡期條件下水泥砂漿樁的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水泥砂漿樁的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究較多，對(duì)鄧肯?張模型參數(shù)的研究相對(duì)較少，而進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)需要用到水泥砂漿樁彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角等計(jì)算參數(shù)。因此，本文通過三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，研究不同摻砂量對(duì)水泥砂漿樁鄧肯?張模型參數(shù)的影響。

1　試驗(yàn)材料

土樣取自湖南洞庭湖區(qū)某高速公路軟基淤泥質(zhì)黏土，主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表 1，顆粒級(jí)配曲線見圖1。水泥采用PC32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，物理指標(biāo)見表 2，試驗(yàn)用砂采用天然河砂，其顆粒級(jí)配見表3，細(xì)度模數(shù)Mx為2.1，為細(xì)砂，試驗(yàn)用水為自來水。

圖1　淤泥質(zhì)土的顆粒級(jí)配曲線Fig. 1　Grading curve of mucky soil

表1　淤泥質(zhì)土的物理性質(zhì)Table 1　Physical and mechanical properties of mucky soil

表2　水泥的物理力學(xué)指標(biāo)Table 2　Physical and mechanical properties of cement

表3　細(xì)砂顆粒級(jí)配Table 3　Particle size distributions of the sand used in the experiment

2　試驗(yàn)方案

摻砂量As、水泥摻入比Ac表達(dá)式如下：

式中：0m′為濕土質(zhì)量；ms為摻入砂的質(zhì)量；mc為摻入水泥質(zhì)量；

試驗(yàn)考慮摻砂量對(duì)水泥砂漿樁鄧肯?張模型參數(shù)的影響，摻砂量As分別為0，30%，35%，40%，45%和 50%，并設(shè)置一組淤泥質(zhì)土作為對(duì)比。水泥摻入比Ac采用17.1%，水灰比采用0.5。每組試樣分別在200，300和400 kPa圍壓下進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組試樣制作6個(gè)。

3　試樣制備及試驗(yàn)

按照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)[10]要求進(jìn)行制樣。選取代表性的土樣風(fēng)干、碾碎、過0.5 mm篩，取篩分后的干土進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)擬定的試驗(yàn)方案分別稱取試驗(yàn)所需的干土、水泥、砂和水，然后按順序依次在干土中加入水泥、砂并攪拌均勻，最后加水再攪拌均勻。試模內(nèi)涂抹凡士林，然后往試模中裝入試料，將水泥砂漿拌合物分兩次插倒、振實(shí)、刮平制作成高度為80 mm，直徑為39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，注意成型時(shí)間不能超過25 min。經(jīng)過24 h之后進(jìn)行脫模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù) 28 d。養(yǎng)護(hù)條件為：溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度≥95%。進(jìn)行試驗(yàn)前，對(duì)試樣進(jìn)行抽氣飽和。采用TSZ-1全自動(dòng)三軸儀，試驗(yàn)方法為固結(jié)排水試驗(yàn)，剪切速率控制在0.015 mm/min。

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1　水泥砂漿樁的應(yīng)力應(yīng)變曲線

摻砂量為0，30%，35%，40%，45%和50%時(shí)水泥砂漿樁的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2。

由圖2可知，不同摻砂量條件下水泥砂漿樁應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，呈雙曲線形式，符合鄧肯?張模型。

4.2　水泥砂漿樁鄧肯?張模型參數(shù)

按照《高等土力學(xué)》[11]計(jì)算方法，采用 Excel對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[12]，鄧肯張模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4　鄧肯?模型八大參數(shù)Table 4　Theeight parameters of Duncan-Chang model

4.3　摻砂量對(duì)水泥砂漿樁抗剪強(qiáng)度的影響

從表4中可以看出，摻砂量從30%增加到50%時(shí)，黏聚力從46.8 kPa降低到28.8 kPa而內(nèi)摩擦角則從34.6°增加到36.1°。這是因?yàn)樗嘧鳛槟z結(jié)物，水泥摻量不變，當(dāng)摻砂量增大時(shí)，顆粒間接觸面積增大，水泥不足以提供全部膠結(jié)作用，導(dǎo)致試樣黏聚力減小。而隨著砂子含量的增大，顆粒間摩擦力及咬合力增大，試樣內(nèi)摩擦角增大。

4.4　摻砂量對(duì)初始彈性模量的影響

Ei為應(yīng)力應(yīng)變曲線中ε1=0處的初始彈性模量，不同摻砂量的水泥砂漿樁初始彈性模量計(jì)算結(jié)果見表5。

由表 5可知，水泥砂漿樁的初始彈性模量在10.0~65.0 MPa之間。當(dāng)摻砂量相同時(shí)，試樣的初始彈性模量隨著圍壓的增加而增大。試樣承受豎向應(yīng)力σ1時(shí)，試樣縱向壓縮橫向膨脹，當(dāng)圍壓增大時(shí)，側(cè)向變形受到限制，從而提高其受力性能，試樣初始彈性模量也隨之增加。在水泥砂漿樁中，水泥為膠結(jié)料，細(xì)砂為細(xì)骨料，而淤泥質(zhì)土中黏粒含量較高，適量細(xì)砂的存在可以相對(duì)的減少黏粒含量，改善顆粒級(jí)配，增強(qiáng)骨架的剛性。

圖2　不同圍壓σ3下水泥砂漿樁的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig. 2　Stress-strain curves of cement mortar soil under different confining pressure σ3

表5　不同摻砂量的水泥砂漿樁初始彈性模量Table 5　Initial elastic module of cement mortar pile with different sand content　MPa

4.5　摻砂量對(duì)泊松比的影響

不同摻砂量的水泥砂漿樁初始泊松比vi計(jì)算結(jié)果見表6。

當(dāng)摻砂量相同時(shí)，試樣的初始泊松比隨著圍壓的增加而減小，這是因?yàn)殡S著圍壓的增大，試樣側(cè)向變形受到更大的限制，從而側(cè)向變形減小，泊松比減小。由表 6可知，水泥土的初始泊松比在0.35~0.4之間，水泥砂漿樁初始泊松比在 0.2~0.35之間。

表6　不同摻砂量的水泥砂漿樁初始泊松比Table 6　Initial poisson ratio of cement mortar pile with different sand content

圖3　試樣在σ3=200 kPa圍壓下的破壞形態(tài)Fig. 3　Failure shape of sample when confining pressure is 200 kPa

4.6　水泥砂漿樁的破壞形態(tài)

圖3所示分別為淤泥質(zhì)土、水泥土、水泥砂漿樁試樣在σ3=200 kPa圍壓下的破壞形態(tài)。從圖3中可以看出，淤泥質(zhì)土為塑性破壞，外形呈鼓狀；水泥土破壞后的試樣中部出現(xiàn)鼓脹，并出現(xiàn)剪切破裂面；水泥砂漿樁試樣為脆性破壞，剪切后的試樣出現(xiàn)一個(gè)與水平方向約成 60°的破裂面。這表明，摻入水泥使淤泥質(zhì)土由塑性破壞轉(zhuǎn)為脆性破壞，隨著摻砂量的增大，試樣的脆性進(jìn)一步增強(qiáng)。

5　水泥砂漿樁與水泥土樁成本分析

懷邵衡鐵路某段軟土路基工程，地基土的物理力學(xué)指標(biāo)見表7。路基沉降設(shè)計(jì)值為5 mm，利用上述鄧肯?張模型獲得水泥砂漿樁及水泥土樁的力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立鐵路路基模型，路基計(jì)算寬度為30 m，樁徑為0.5 m，樁長(zhǎng)為8 m，三角形布置。水泥土樁和水泥砂漿樁的水泥摻入比均為17.1%，水泥砂漿樁摻砂量為50%。調(diào)整水泥砂漿樁及水泥土樁間距使路基沉降為5 mm，經(jīng)FLAC3D模擬計(jì)算，當(dāng)采用水泥土樁進(jìn)行地基加固時(shí)，樁間距為 1.0 m；當(dāng)采用水泥砂漿樁進(jìn)行加固時(shí)，樁間距為 1.2 m。根據(jù)《鐵路基本建設(shè)工程設(shè)計(jì)概(預(yù))算編制辦法》計(jì)算，水泥土樁費(fèi)用為1 541萬元/km，水泥砂漿樁費(fèi)用為1 037萬元/km。所以采用水泥砂漿樁比水泥土樁更加節(jié)約工程成本。

表7　懷邵衡鐵路軟土的物理力學(xué)指標(biāo)Table 7　Physical and mechanical indexes of soft soil of Huai- Shao- Heng railway

6　結(jié)論

1) 對(duì)于淤泥質(zhì)土，水泥摻入比17.1%，摻砂量在 30%~50%時(shí)，水泥砂漿樁應(yīng)力應(yīng)變曲線呈雙曲線型，符合鄧肯?張模型。

2) 摻砂量從 30%增加到 50%時(shí)，水泥砂漿樁內(nèi)摩擦角從34.6°增加到36.1°，而黏聚力從46.8 kPa下降到28.8 kPa。

3) 摻砂量在 30%~50%范圍內(nèi)時(shí)，水泥砂漿樁的初始彈性模量在10.0~65.0 MPa之間，水泥砂漿樁初始泊松比在0.2~0.35之間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚遠(yuǎn)發(fā). 水泥砂漿樁在高速鐵路軟基處理中的應(yīng)用研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2010(10): 30?35.TAN Yuanfa. Research on application of cement mortar pile in reinforcing foundation of high-speed railway[J].Journal of Railway Engineering Society, 2010(10):30?35.

[2] CHEN H, WANG Q. The behaviour of organic matter in the process of soft soil stabilization using cement[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment,2006, 65(4): 445?448.

[3] 甘興旺. 水泥砂漿樁在津保鐵路軟土地基處理中的應(yīng)用[J]. 路基工程, 2013, 166(1): 141?148.GAN Xingwang. Application of cement mortar mixing pilein treatment of soft-soil foundation of Tianjin-Baoding railway[J]. Subgrade Engineerin, 2013,166(1): 141?148.

[4] 羅志生. 水泥砂漿樁在軟基處理工程中的應(yīng)用[J]. 江西建材, 2009(2): 24?26.LUO Zhisheng. Application of cement mortar mixing pile in treatment of soft-soil foundation[J]. Jiangxi Building Materials, 2009(2): 24?26.

[5] 畢清泉. 水泥砂漿樁在客運(yùn)專線軟基處理中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2010(35): 44?45.BI Qingquan. Application of cement mortar mixing pile in treatment of soft-soil foundation of railway passenger transport special line[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2010(35): 44?45.

[6] 陳立寶. 多向水泥砂漿樁在軟基處理中的應(yīng)用[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版), 2010(12): 195?198.CHEN Libao. Application of multi-direction cement mortar mixing pile in treatment of soft-soil foundation[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development (Application Technology), 2010(12): 195?198.

[7] 阮波, 李雪松, 彭學(xué)先, 等. 水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素正交試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015, 12(6): 1353?1357.RUAN Bo, LI Xuesong, PENG Xuexian, et al. Study on the unconfined compressive strength ofcement mortar pile based on orthogonal experiment[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(6):1353?1357.

[8] 朱維倫. 水泥砂漿樁的強(qiáng)度影響因素[J]. 交通世界,2015(12): 137?138.ZHU Weilun. Influence factors of strength of cement mortar pile[J]. Transpo World, 2015(12): 137?138.

[9] 隋瑞凌, 阮波, 李雪松. 水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 12(3): 540?544.SUI Ruiling, RUAN Bo, LI Xuesong. Experimental study on unconfined compressive strength of cement mortar pile[J]. Journal of Railway Science and Engineering,2015, 12(3): 540?544.

[10] JGJ/T 233—2011, 水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].JGJ/T 233—2011, Specification for mix proportion design of cement soil[S].

[11] 李光信. 高等土力學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2004.LI Guangxin. Advanced soil mechanics[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 2004.

[12] 阮波, 張向京, 彭意. Excel 規(guī)劃求解三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 6(5): 013.RUAN Bo, ZHANG Xiangjing, PENG Yi. Programming solver tools of excel evaluate shear strength parameters from results of triaxialtests[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2009, 6(5): 013.