侯 飛 張 磊 崔社強(qiáng)

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

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腐蝕環(huán)境中水泥土樁的長(zhǎng)期剛度研究

侯 飛 張 磊 崔社強(qiáng)

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

為了解腐蝕環(huán)境對(duì)水泥土樁的影響，以東營(yíng)港濱海腐蝕環(huán)境為研究對(duì)象，提出了腐蝕環(huán)境中水泥土樁長(zhǎng)期剛度的預(yù)測(cè)方法，得到了腐蝕環(huán)境中水泥土樁的長(zhǎng)期剛度先增后減，且樁徑越小其長(zhǎng)期剛度衰減速率越快的結(jié)論。

水泥土樁，腐蝕環(huán)境，長(zhǎng)期剛度，力學(xué)試驗(yàn)

0 引言

水泥土樁已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中軟弱地基的加固，并取得了優(yōu)良的效果。然而，在濱海地區(qū)，地下水及土體中含有大量的鹽分，鹽水的接觸會(huì)對(duì)水泥土產(chǎn)生侵蝕導(dǎo)致水泥土樁體劣化，對(duì)工程的加固性能產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-4]對(duì)水泥土的劣化進(jìn)行了一些研究，但這些研究并未涉及到腐蝕環(huán)境下水泥土樁長(zhǎng)期的剛度變化，不能為樁體的腐蝕劣化及所加固工程的穩(wěn)定進(jìn)行預(yù)警。因此，本文以東營(yíng)港濱海腐蝕環(huán)境下的水泥土攪拌樁為研究對(duì)象，考慮水泥土樁體在腐蝕環(huán)境中的劣化，并整合前人的研究成果，提出了一種基于濱海腐蝕環(huán)境下水泥土樁長(zhǎng)期剛度的預(yù)測(cè)方法，為濱海腐蝕環(huán)境下水泥土樁的長(zhǎng)期應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 水泥土早期力學(xué)試驗(yàn)

1.1 試樣制備與養(yǎng)護(hù)

東營(yíng)港濱海地區(qū)地基主要為粉土，具有低液限、高含水率、低強(qiáng)度等特點(diǎn)，其壓縮系數(shù)為0.159 MPa-1，為低壓縮性粉土。與普通粉土相比，東營(yíng)港粉土顆粒磨圓度較高，針片狀顆粒少，經(jīng)水長(zhǎng)時(shí)間浸泡侵蝕、顆粒撞擊和水流沖刷作用，顆粒表面破碎、剝蝕嚴(yán)重。

室內(nèi)試驗(yàn)所用土樣取自地表下0.5 m處，水樣的化學(xué)指標(biāo)如表1所示，屬于鹵水(礦化度大于50 g/L)。土樣的基本物理指標(biāo)如表2所示，各離子成分的含量如表3所示，為低液限、高含水率的低壓縮性粉土。

表1 淺層地下水的化學(xué)指標(biāo)

表2 東營(yíng)港天然地基土的土工參數(shù)

表3 天然地基土離子含量 cmol/kg

室內(nèi)試驗(yàn)所用水泥為42.5的普通硅酸鹽水泥，摻量為7.5%，根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，制作尺寸為φ50 mm×50 mm試件若干。

濱海腐蝕環(huán)境中水泥土樁內(nèi)部不受鹽水的侵蝕，而水泥土樁的表層會(huì)受到侵蝕，所以試驗(yàn)采用養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)與鹽水浸泡養(yǎng)護(hù)，前者模擬水泥土樁內(nèi)部未受到鹽水侵蝕的環(huán)境，后者模擬水泥土樁表層受鹽水侵蝕的環(huán)境。對(duì)于浸泡養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)液取自東營(yíng)港地下水，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中每隔3 d換水一次。

1.2 單軸壓縮試驗(yàn)

變形模量(剛度)是水泥土設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。通常定義：當(dāng)正應(yīng)力達(dá)50%無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)，水泥土應(yīng)力—應(yīng)變曲線相對(duì)應(yīng)的切線模量，稱(chēng)為水泥土的變形模量E50，即剛度，如圖1所示。

對(duì)兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下不同齡期的水泥土試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到表4及鹽水浸泡養(yǎng)護(hù)下試件的縱向應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖2所示。

表4 水泥土抗壓強(qiáng)度

2 水泥土樁長(zhǎng)期剛度的預(yù)測(cè)方法

水泥土樁受鹽水侵蝕而產(chǎn)生劣化的過(guò)程是緩慢的，表現(xiàn)為隨鹽水侵蝕發(fā)生有效樁徑的減小和內(nèi)部未腐蝕部分強(qiáng)度隨齡期的持續(xù)增長(zhǎng)。本部分基于崔新壯等[5]的研究成果進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.1 水泥土樁劣化深度預(yù)測(cè)

假定水泥土樁劣化的深度L范圍內(nèi)樁體的強(qiáng)度為0，未劣化部分樁體強(qiáng)度等于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度quc，根據(jù)式(1)，式(2)可以求得劣化深度：

D2quw=d2quc

(1)

L=0.5(D-d)

(2)

其中，quw為水泥土樁在浸泡環(huán)境下的綜合強(qiáng)度；D為水泥土樁的初始直徑，室內(nèi)試驗(yàn)中試件初始直徑為50 mm；d為水泥土樁未劣化部分的直徑。

同時(shí)崔新壯等[5]匯總了室內(nèi)外不同環(huán)境下水泥土劣化深度和時(shí)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)劣化深度與時(shí)間的雙對(duì)數(shù)曲線近似呈斜率為0.5的線性關(guān)系：

lgL=a+0.5lgt

(3)

其中，L為劣化深度，mm；t為齡期，d；a為常數(shù)。

根據(jù)制備試件的室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)式(1)和式(2)可計(jì)算出試件在28 d，60 d，90 d，120 d及180 d的劣化深度分別為3.43 mm，5.24 mm，6.17 mm，7.38 mm及8.68 mm。

對(duì)水泥土試件劣化深度進(jìn)行擬合(如圖3所示)，可得a=-0.182 4，式(3)可改寫(xiě)為：

L=10-0.182 4+0.5lgt(R=0.92)

(4)

其中，R為擬合相關(guān)系數(shù)。

式(4)即可預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工程中水泥土的長(zhǎng)期劣化深度。

2.2 水泥土樁內(nèi)部強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律

對(duì)水泥土的室內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的對(duì)數(shù)近似呈線性增長(zhǎng)，而無(wú)關(guān)乎水泥的種類(lèi)。因此，含鹽水泥土樁內(nèi)部未劣化部分抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系可表達(dá)為：

quc=A+Blgt

(5)

其中，quc為含鹽水泥土樁內(nèi)部未劣化部分抗壓強(qiáng)度，MPa；t為齡期，d；A，B均為常數(shù)，可通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下水泥土試件的強(qiáng)度擬合得到。

根據(jù)式(5)對(duì)表3中養(yǎng)護(hù)室條件下的水泥土試件強(qiáng)度進(jìn)行擬合(如圖4所示)，可得：

quc=0.27+2.24lgt(R=0.96)

(6)

其中，R為擬合相關(guān)系數(shù)。

2.3 腐蝕環(huán)境中水泥土樁的長(zhǎng)期強(qiáng)度預(yù)測(cè)

考慮水泥土樁在濱海腐蝕環(huán)境中的劣化效應(yīng)，同時(shí)基于水泥土樁長(zhǎng)期劣化深度和內(nèi)部材料強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律的預(yù)測(cè)，可得到劣化的水泥土樁長(zhǎng)期強(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法。

(7)

代入式(1)，式(4)，式(5)可得：

(8)

其中，quw為水泥土在浸泡環(huán)境下的綜合強(qiáng)度；quc為未劣化部分的抗壓強(qiáng)度；D為初始樁徑，mm；L為劣化深度，mm。

2.4 腐蝕環(huán)境中水泥土樁的長(zhǎng)期剛度預(yù)測(cè)

許多學(xué)者對(duì)變形模量E50(剛度)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[6,7]。結(jié)果表明，水泥土體的變形模量E50和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu近似符合線性對(duì)應(yīng)關(guān)系：E50=C×fcu，其中，C為常數(shù)，取值介于50～200之間。由圖2可以求得C大致取值為80。

因此，水泥土樁的長(zhǎng)期剛度如下：

E50=80×fcu=

(9)

根據(jù)式(9)，以東營(yíng)港濱海腐蝕環(huán)境下水泥土樁為研究對(duì)象，考慮樁體的劣化，得到不同樁徑水泥土樁的長(zhǎng)期剛度的變化規(guī)律，如圖5所示。

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，不考慮樁體腐蝕劣化的養(yǎng)護(hù)室環(huán)境中，水泥土樁的剛度隨齡期的增長(zhǎng)不斷增大，表現(xiàn)為開(kāi)始迅速上升，隨后增加速度變緩并趨于穩(wěn)定，這主要是由于前期水泥水化及硬化效應(yīng)的結(jié)果；考慮樁體腐蝕劣化的濱海腐蝕環(huán)境中，水泥土樁前期剛度表現(xiàn)為迅速增大趨勢(shì)，隨后增大速率放緩，大致5年后，剛度隨著齡期的增長(zhǎng)開(kāi)始逐漸減小，這主要是因?yàn)榍捌谒嗤翗扼w的水化及硬化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鹽水對(duì)樁體的腐蝕，而隨齡期的增長(zhǎng)，水化反應(yīng)結(jié)束，海水腐蝕下水泥土的劣化繼續(xù)發(fā)生，導(dǎo)致隨著時(shí)間的增長(zhǎng)樁體綜合剛度開(kāi)始減小。

考慮樁體腐蝕劣化情況下，對(duì)比不同樁徑下樁體剛度的變化可以發(fā)現(xiàn)，不同樁徑水泥土樁前期的剛度變化曲線較為一致，均迅速增大，待剛度達(dá)到峰值后隨著齡期的不斷增長(zhǎng)，剛度開(kāi)始降低，且樁徑越小樁體剛度減小速度越快。產(chǎn)生這種情況的原因是相同的腐蝕環(huán)境對(duì)水泥土樁的腐蝕速率相同，導(dǎo)致相同的腐蝕時(shí)間產(chǎn)生相同腐蝕深度，而相同的腐蝕深度下，樁徑越小樁體所受到腐蝕的比率越大，殘余剛度越小。

3 結(jié)論

1)腐蝕環(huán)境中水泥土樁的剛度會(huì)隨齡期發(fā)生劣化，長(zhǎng)期剛度表現(xiàn)為初期隨齡期的增長(zhǎng)迅速增大，約5年后隨著齡期的增長(zhǎng)剛度開(kāi)始減?。?/p>

2)腐蝕環(huán)境中樁徑對(duì)水泥土樁的劣化速率存在影響，樁徑越小，長(zhǎng)期剛度的減小速率越快，因此腐蝕環(huán)境中應(yīng)盡量避免使用小樁徑水泥土攪拌樁。

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The study of cement-soil pile long-term stiffness in corrosion environment

Hou Fei Zhang Lei Cui Sheqiang

(SchoolofCivilEngineeringofShandongUniversity,Jinan250061,China)

To understand the impact of corrosion environment of cement-soil pile, regard littoral corrosion environment of Dongying harbor as the research object, proposed long-term stiffness prediction method of cement-soil pile in corrosion environment, find that the long-term stiffness of cement-soil pile first increased and then decreased, and the smaller diameter of the pile the faster rate of decay of long-term stiffness.

soil-cement pile, corrosion environment, long-term stiffness, mechanical experiments

1009-6825(2017)06-0085-03

2016-12-18

侯 飛(1989- )，男，在讀碩士； 張 磊(1992- )，男，在讀碩士； 崔社強(qiáng)(1993- )，男，在讀碩士

TU473.1

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