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杨如平 (邵阳县公路管理局 邵阳市 422100) 摘 要： 为探索水泥搅拌桩加固淤泥质地基控制效果,依托印度龙湾1#公路淤泥质地基工程,首先分析了淤泥质土的基本物理力学特性,然后借助淤泥质土水泥固化试验,探索了水泥掺量为0.0%、2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%和15%固化土养护7d、14d和28d时的无侧限抗剪强度、不排水抗剪强度和抵抗变形能力,并据此为水泥搅拌桩确定最佳水泥掺量；最后建立数值模型,对公路淤泥质地基采用水泥搅拌桩加固控制效果进行分析。结果表明：海相淤泥质土具有含水量高、低强度、高压缩性、渗透性差、天然地基承载力低等特点；水泥掺量达到15%时,抗剪强度与抗压强度增长了约40倍,杨氏模量E增加了约250倍；龄期与水泥固化土的强度和变形密切相关,前14d龄期内能够完成28d龄期内增长值的80%左右；公路淤泥质地基采用水泥搅拌桩加固后,路基面沉降在填筑结束后20d内基本完成,侧面验证了其加固控制效果较好。 关键词： 淤泥质土；水泥固化试验；数值模拟；加固控制效果 0 引言随着沿海地区及东南亚临海国家经济的迅猛发展,其基础设施建设步伐也随之越来越快[1],上述地区许多临海滩涂地域已成为了当地新的开发区,在滩涂地域进行工程建设时,必然会遇到大量关于海相淤泥质软土地基加固的问题[2],而地基承载力不足和受载后固结沉降大是海相淤泥质软土地基处理中的两个最主要的问题[3]。海相淤泥质软土工程特性复杂,具有渗透性弱、压缩性高、触变性、蠕变性以及抗剪强度低等特点[4],故在软土地基上进行工程建设时,一般都需要采取相应的处治措施来提高承载力、减少受载后的固结沉降[5]。考虑到海相淤泥类软土的复杂性,如何选择合理有效的加固方法有时会变得十分困难。 水泥搅拌桩最早是于20世纪60年代末期被日本的中西涉博士发明出来[6]。水泥搅拌桩主要利用水泥与软土的固化作用达到地基加固目的[7]。而水泥固化淤泥质土的强度与变形特性与水泥掺量及养护时间密切相关[8]。基于此考虑,依托工程实例,首先分析了工区淤泥质土的基本物理力学特性进行分析,然后对不同水泥掺量及不同养护时间下的水泥固化淤泥质土的强度及变形特性进行分析,最后借助数值模拟,对公路淤泥质土地基采用水泥搅拌桩加固控制效果进行分析,能为类似工程实践提供参考依据。 1 工程概况印度龙湾1#二级公路线遇海相淤泥质软土。该地区淤泥质土基本全场分布,大部分区域土层厚度约为12m,局部区域厚度最大可达到28m。地下水埋深2.5m。由表1淤泥质特性可知：该海相淤泥质土具有含水量高(受取土储藏条件等影响,室内测试含水量与现场存在误差)、低强度、高压缩性、渗透性差、天然地基承载力低等特点。 结合研究区土质的物理力学特性,施工拟采用水泥搅拌桩进行加固。成桩半径不应小于1.0m,间距1.8m,桩长6m。高压喷射注浆主要工序：钻孔、下管、制浆、注浆、结束。其中：注浆材料采用PPOⅠ型硅酸盐水泥和水玻璃；浆液水灰比控制在1∶0.5～1∶1,水玻璃掺量控制在10%～18%；正常注浆压力控制在0.5～0.8MPa；当注浆压力≥0.8MPa,且注浆量小于2.5L/min中时,稳定5min后停止注浆。 2 水泥固化淤泥质土力学特性试验分析海相淤泥质软土中水泥掺量分别设定为0.0%、2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%和15%。试验过程中分别对上述7组试件(标准试件)7d、14d、28d的无侧限抗压强度、不排水抗剪强度、抵抗变形能力等三项指标进行分析。水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。 表1 土层基本物理力学特性  天然含水量ω重力密度(kN/m3)湿干比重Gs孔隙比e饱和度Sr液限ωL塑限ωp塑性指数IP液性指数IL85158.52.601.943959330620.61UU抗剪强度CU抗剪强度凝聚力(kPa)内摩擦角凝聚力(kPa)内摩擦角承载力特征值(kPa)固结系数(cm2/s)渗透系数(cm/s)压缩模量(MPa)标贯静探建议值103812451.8e-34.40e-073.63.083 试验结果汇总详见表2所示,水泥掺量及养护龄期与“无侧限抗压强度、不排水抗剪强度、抵抗变形能力”等三项指标的相关性分析具体内容如下。 表2 不同工况下试验结果汇总表  水泥掺量占原土干重度比(%)水泥掺量(kg)7d(kPa)14d(kPa)28d(kPa)无侧限抗压强度不排水抗剪强度杨氏模量E无侧限抗压强度不排水抗剪强度杨氏模量E无侧限抗压强度不排水抗剪强度杨氏模量E00.030.0015.00599.9830.0015.00599.9830.0015.00599.982.521.128.834.41630.6431.3915.7015696.0049.0524.5312262.505.042.2515.707.851569.6082.4041.2013734.00175.6087.8014633.257.563.3733.3516.683335.40295.28147.6436910.13346.29173.1557715.5010.084.5040.2221.115027.63382.59191.3063765.00474.80237.4079134.0012.5105.6245.1322.564512.60440.47220.2373411.50689.64344.8286205.3815.0126.7540.2220.114022.10967.27483.63120908.251217.42608.71152177.63 由表2可知： (1)强度特征。水泥固化后淤泥质土体不排水抗剪强度与无侧限抗压强度变化规律基本吻合；在水泥掺量小于5%时,抗剪强度与抗压强度相对较小,主要由于水泥与土发生固化反应较小,生成强度较大的胶凝物质不足所致,因此可将水泥掺量为0～5%的区域定义为非反应区；随着水泥掺量的增加,抗剪强度与抗压强度迅速增加,当水泥掺量达到15%时,其相对于原土,抗剪强度与抗压强度增长了约40多倍；龄期与水泥固化土的抗剪强度与抗压强度密切相关,随着龄期的增长,水泥固化后淤泥质土体抗剪强度与抗压强度得到了明显的增长,且其前14d龄期内强度增长快,完成了28d龄期内强度增长值的80%左右,14d后强度增长放缓,增长值为总增长值的20%左右。 (2)变形特性。随着龄期的增长,水泥固化后淤泥质土体杨氏模量E得到了明显的增长,且其前14d龄期内强度增长快,完成了28d龄期内强度增长值的80%左右,14d后强度增长放缓,增长值为总增长值的20%左右。水泥掺量对水泥固化淤泥质土的杨氏模量E有显著影响,水泥掺量大于5%时,杨氏模量E随着水泥掺量增加而迅速变大；当水泥掺量达到15%时,其相对于原土的杨氏模量E增长了250多倍；杨氏模量E增加较大说明材料刚度增加,抵抗变形能力增强。 3 淤泥质地基水泥搅拌桩加固效果分析3.1 数值模型建立 根据文献[3-5],路基横向沉降最大影响范围距离中心两侧3～5倍距离,地基模型宽取100m,埋深50m即可满足需要；路堤填土高度2.3m,路基顶面宽15m,坡度1.5；桩径1.0m,间距1.8m,桩长6m。 模型中：土体采用摩尔-库伦模型,其它采用线弹性模型；单元类型为CPE4R；网格均采用STRUCTURE技术划分；模型水平限制侧向位移,底边固定约束。建立后的模型详见图1所示,计算参考详见表1。 3.2 计算结果及分析 数值模拟路基填筑过程中的变形云图详见图2所示,路基表层沉降随时间变化规律详见图3所示。 由图2和图3可知：路基填筑过程中,地表中心区域变形逐渐程“盆”状；地表面沉降能够直观反映高压旋喷桩淤泥质土加固控制效果,如果沉降能够在短时间内得到有效的控制,就能侧面验证旋喷桩加固淤泥质土的效果较好,复合地基的承载能力及水泥与土体固化反应能够满足工程需求；从路基面沉降随时间变化曲线可以看出,沉降随时间变化呈明显的三阶段特征：  图1 数值模型  (a)填筑荷载10kPa  (b)填筑荷载32kPa  (c)填筑荷载46kPa  图3 路基表面沉降随时间变化曲线 (1)前11d内：路基面沉降随时间变化迅速,沉降速率1.6mm/d,累计沉降18mm,约占预测总沉降的75%。 (2)11～22d时间内：沉降随时间变化缓慢发展阶段,沉降速率为0.4 mm/d,累计沉降达到22mm,约占预测总沉降的92%。 (3)22d以后,沉降速率为0.25mm/d,沉降随时间变化基本呈直线发展,趋于稳定。 综述所述,公路淤泥质地基采用高压喷射注浆加固后,路基表面沉降主要发生在填筑后20d内,20d以后沉降随时间变化趋于稳定,侧面验证了工区淤泥质地基采用高压喷射注浆加固控制效果较好。 4 结论依托工程实例,采用室内实验和数值模拟相结合的方法,对高压喷射注浆加固公路淤泥质地基的控制效果进行分析,主要结论如下： (1)海相淤泥质土含水量为85%、压缩模量为3MPa、天然地基承载力为45kPa,具有含水量高、低强度、高压缩性、渗透性差、天然地基承载力低等特点。 (2)固化淤泥质土的强度和抗变形能力随水泥掺量增加而变大,水泥掺量为15%时,抗剪强度与抗压强度增长了约40倍,杨氏模量E增加了约250倍；水泥固化淤泥质的强度和抵抗变形能力主要发生在前14d,该龄期内能够完成28d龄期内相应增长值的80%左右。 (3)随着路基填筑荷载增加,路基中心变形增大,基本呈“盆”状；路基地表沉降随时间变化呈三阶段特征,在填筑后前11d内沉降速率较大,可达1.6mm/d,累计沉降18mm,约占预测总沉降的75%；在填筑结束22d后,沉降速率仅为0.25mm/d,沉降随时间变化趋于稳定,侧面验证了淤泥质地基加固控制效果较好。 参考文献 [1] Haider T F,Byle M J. 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Effect of grout pressure and grout flow on soil physical and mechanical properties in jet grouting operations[J]. International Journal of Rock Mechanics amp; Mining Sciences,2009,46(3):498-505. YANG Ru-ping Study on Control Effect of Cement Mixing Pile in Highway Muddy Foundation(Shaoyang County Highway Administration Bureau,Shaoyang 422100,China) Abstract In order to explore the control effect of cement mixing pile, the basic physical and mechanical properties of silt soil were analyzed based on the silt foundation engineering of 1 # highway in Longwan, India. Then, by cement curing test,the unconfined shear strength, undrained shear strength and resistance to deformation were observed for 7 days, 14 days and 28 days of 0.0%, 2.5%, 5%, 7.5%, 10%, 12.5% and 15%, and then determine the optimum cement content for the cement mixing pile. Finally, a numerical model is established to analyze the effect of cement mixing pile reinforcement on the highway silt foundation. The results show that the marine muddy soil has the characteristics of high water content, low strength, high compressibility, poor permeability and low bearing capacity of natural foundation. When the cement content reaches 15%, the shear strength and compressive strength increase by about 40, and the Young's modulus E increased by about 250 times. The age is closely related to the strength and deformation of the cemented soil, and about 80% of the growth value of the 28-day period can be completed in the first 14 days. After the cement mixing pile is used, the settlement of the roadbed is basically completed within 20 days after the completion of the filling, and the reinforcement control effect is better. Key words Silt soil; Cement curing test; Numerical simulation; Reinforcement control effect 文章编号： 1673-6052(2017)11-0075-04 DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2017.11.021 中图分类号： U416.1 文献标识码： B DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2017.11.022 |
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