王志勇,杜廣印,章定文,宋 濤,楊 泳

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院,南京 211189; 2.東南大學(xué) 江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 211189;3.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司,合肥 230088; 4.江蘇盛泰建設(shè)工程有限公司,江蘇 連云港 224000)

1 研究背景

引江濟(jì)淮工程是溝通長(zhǎng)江、淮河兩大水系的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略性跨流域調(diào)水工程,白山船閘地處巢湖與白石天河交匯處,是其重要組成部分。船閘上下游引航道邊坡廣泛分布有性質(zhì)軟弱的淤泥質(zhì)土,若處理不當(dāng),極易產(chǎn)生不均勻沉降,影響建筑物正常使用,甚至威脅航運(yùn)安全。水泥土攪拌樁[1]是處理軟土地基的常用方法之一,但傳統(tǒng)單向攪拌樁存在攪拌不均勻、成樁效果差、處理深度有限等問(wèn)題。雙向攪拌樁技術(shù)[2]是近年來(lái)興起并迅速發(fā)展的一項(xiàng)新型水泥土攪拌樁技術(shù),它施工效率快、攪拌均勻性好、成樁質(zhì)量高,在各類地基處理工程中得到了成功應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上,筆者所在課題組針對(duì)施工設(shè)備、云端系統(tǒng)等進(jìn)行升級(jí)改進(jìn),形成了能自動(dòng)判別樁長(zhǎng)、自動(dòng)操作及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能化雙向攪拌樁施工技術(shù)。

工程實(shí)踐中水泥土的性質(zhì)對(duì)樁體影響顯著,眾多學(xué)者對(duì)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素[3-7]、強(qiáng)度預(yù)測(cè)定量關(guān)系[8-13]以及抗剪強(qiáng)度特性[14-17]等進(jìn)行了相關(guān)研究。但上述研究大部分僅限于室內(nèi)試驗(yàn),而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況與室內(nèi)條件存在較大差異,室內(nèi)研究成果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)是否適用尚不清楚。有關(guān)規(guī)范[18]提供的樁體抗剪強(qiáng)度建議取值源于以往工程經(jīng)驗(yàn),隨著雙向水泥土攪拌樁技術(shù)的大力推廣應(yīng)用,該取值的合理性有待進(jìn)一步研究。本文依托引江濟(jì)淮白山船閘軟基處理工程,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲取白山船閘水泥土抗壓抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律,并與現(xiàn)場(chǎng)取芯測(cè)試結(jié)果對(duì)比研究建立室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度關(guān)系,為相關(guān)工程研究提供重要依據(jù)。

2 工程概況與試驗(yàn)方案

2.1 工程概況

白山船閘場(chǎng)區(qū)地貌類型屬于沿湖平原圩區(qū),地形較為平坦,地面高程一般5 m左右,地下深度12 m范圍內(nèi)普遍分布有第四系全新統(tǒng)沖湖積層的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,該層土體壓縮性大,強(qiáng)度低,對(duì)堤防、岸坡的抗滑穩(wěn)定和沉降變形影響較大。土體的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。設(shè)計(jì)采用智能化雙向水泥土攪拌樁進(jìn)行加固處理,樁徑0.5 m,樁間距1.2 m,水泥用量為63 kg/m。

表1 試驗(yàn)用土物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of tested soil

2.2 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是對(duì)施工后的水泥土攪拌樁按照不同齡期進(jìn)行取芯測(cè)試,以獲得各齡期樁體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值。

室內(nèi)試驗(yàn)土樣取自白山船閘現(xiàn)場(chǎng)的②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,水泥為常見的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,試驗(yàn)用水為校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。將試驗(yàn)土樣風(fēng)干后進(jìn)行粉碎,再過(guò)孔徑2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩,測(cè)得風(fēng)干含水率,作為試驗(yàn)用土。水泥用量按水泥濕摻入比aw(水泥與濕土質(zhì)量比)15%、18%、21%進(jìn)行控制(18%為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際摻量),試驗(yàn)用水量按含水率(水與干土質(zhì)量比)47.5%進(jìn)行控制。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試模尺寸采用邊長(zhǎng)70.7 mm立方體和直徑39.1 mm×高80.0 mm圓柱體進(jìn)行對(duì)比,三軸剪切試驗(yàn)試模尺寸為直徑39.1 mm×高80.0 mm。將攪拌均勻的水泥土分5次裝入試模,每次裝入后采用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振實(shí),振動(dòng)時(shí)間為2 min,并對(duì)界面處刮毛處理,最后將表面刮平,蓋上塑料薄膜,靜置24 h。每組設(shè)置3個(gè)平行試樣,同組試樣密度與平均值之差不應(yīng)超過(guò)3%。成型脫模后的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),濕度95%,溫度(20±2)℃,養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、28、90 d。圖1為養(yǎng)護(hù)后的水泥土試樣。圖2為室內(nèi)試驗(yàn)儀器。

圖2 室內(nèi)試驗(yàn)儀器Fig.2 Instruments for laboratory tests

無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)采用CBR-2型承載比試驗(yàn)儀,加載速率為1.00 mm/min;三軸UU試驗(yàn)采用TSZ-2型全自動(dòng)三軸儀,剪切速率為0.16 mm/min,試驗(yàn)圍壓設(shè)置為200、400、600 kPa。試驗(yàn)前試樣通過(guò)反壓飽和,使Δu/Δσ3>0.95(Δu為圍壓增量所引起的孔壓增量,Δσ3為小主應(yīng)力的增量)。試驗(yàn)儀器見圖2,試樣制備與試驗(yàn)操作參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[19](GB/T 50123—2019)、《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[20](JGJ/T 233—2011)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表中數(shù)據(jù)可知,相同條件下圓柱體試樣與立方體試樣的強(qiáng)度存在一定差異,其范圍為10.2%～14.6%;在齡期為90 d時(shí),圓柱體試樣強(qiáng)度比立方體高約13%。研究認(rèn)為,這是由于立方體試樣各個(gè)角點(diǎn)附近的水泥土難以壓實(shí),均勻性較差,且受壓過(guò)程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象;此外,立方體試樣的尺寸相對(duì)圓柱體試樣較大,內(nèi)部出現(xiàn)孔隙等缺陷的可能性更大,這些都會(huì)導(dǎo)致立方體試樣的強(qiáng)度低于圓柱體試樣。鑒于實(shí)際工程中水泥土攪拌樁采用的基本為柱狀樁型,本文僅對(duì)圓柱體試樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。

表2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of unconfined compressive strength tests

圖3(a)為不同水泥摻量的圓柱體試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系圖像及擬合曲線。不同齡期的圓柱體試樣強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系圖像見圖3(b)。由圖3(a)可知,在90 d齡期范圍內(nèi),隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng),水泥土強(qiáng)度也逐漸增大,且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu與齡期T的自然對(duì)數(shù)呈近似線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)數(shù)函數(shù)擬合,可用下式描述不同水泥摻量下水泥土qu與T之間關(guān)系。

圖3 圓柱體試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期、水泥摻量的關(guān)系Fig.3 Relations of unconfined compressive strength versus age and cement ratio of cylindrical specimens

qu=a+blnT。

(1)

式中a、b為擬合參數(shù)。

表3為各擬合參數(shù)和決定系數(shù),決定系數(shù)R2均達(dá)到0.99以上,說(shuō)明qu與T的對(duì)數(shù)之間具有良好線性關(guān)系。

表3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu與齡期T擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of qu versus T

由圖3(b)可知,在本次研究的水泥摻量范圍內(nèi),水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量近似呈線性關(guān)系,但不難發(fā)現(xiàn)18%至21%的強(qiáng)度增長(zhǎng)量要低于15%至18%的強(qiáng)度增長(zhǎng)量,說(shuō)明僅增加水泥摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度影響是有限的,水泥對(duì)土體的加固效果存在一定的作用區(qū)間。根據(jù)相關(guān)研究[21-22],水泥摻量可分為三階段:非反應(yīng)區(qū)、反應(yīng)區(qū)和惰性區(qū)。當(dāng)水泥摻量過(guò)小,處于非反應(yīng)區(qū)時(shí),土體強(qiáng)度變化不大;增大水泥摻量超過(guò)某臨界值后,進(jìn)入惰性區(qū),水泥不能與土體發(fā)生充分反應(yīng),強(qiáng)度增長(zhǎng)速率減緩。

3.2 水泥土變形模量

水泥土的變形特性用變形模量E50來(lái)衡量,E50是指水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線上應(yīng)力值為50%無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的割線模量[23],用公式表示為

(2)

式中:ε0.5為應(yīng)力值,ε0.5=50%qu時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。各組水泥土變形模量計(jì)算結(jié)果匯總于表4。E50與qu的比值處于相對(duì)穩(wěn)定范圍內(nèi),齡期為7 d時(shí),E50/qu約為55～59;養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)時(shí),E50/qu約為73～97。該值與相關(guān)研究結(jié)果差異較大,如高鵬飛等[24]、薛慧君等[25]、周麗萍等[26]試驗(yàn)得到的E50/qu均<45,而李建軍等[23]、謝勝華等[27]、陳峰等[28]通過(guò)試驗(yàn)得到的E50/qu均>100,楊健等[29]得到的E50/qu范圍與本文較為接近。分析認(rèn)為,試樣形狀對(duì)E50/qu影響較大,相同條件下圓柱體試樣的E50/qu要明顯低于立方體試樣,考慮到實(shí)際樁體及芯樣均為圓柱體形式,試驗(yàn)采用圓柱體試樣測(cè)量變形模量較為合理。

表4 水泥土變形模量計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculated results of deformation modulus of cemented soil

3.3 水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

對(duì)各組養(yǎng)護(hù)至標(biāo)準(zhǔn)齡期的水泥土試樣進(jìn)行三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn),獲得相應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。齡期為28 d,圍壓200 kPa下不同摻量的水泥土試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4(a)。圖中σ1和σ3分別為大主應(yīng)力和小主應(yīng)力。由圖4(a)可知,水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于應(yīng)變軟化型,增大水泥摻量,水泥土試樣的應(yīng)力峰值得到明顯提升,殘余強(qiáng)度也有所增大,脆性破壞特征顯著。圖4(b)反映了水泥摻量18%、齡期28 d的水泥土試樣在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,不難看出,改變圍壓大小對(duì)水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始上升段影響并不大;但隨著圍壓逐漸增大,水泥土峰值應(yīng)力與破壞應(yīng)變也逐漸增大,破壞形式由脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐摹?/p>

圖4 水泥摻量及圍壓對(duì)齡期28 d的水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響Fig.4 Stress-strain curves of 28-d age cemented soil with different cement ratios under varying confining pressure

3.4 水泥土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果得到不同圍壓下的大小主應(yīng)力σ1和σ3,按應(yīng)力路徑法,以(σ1-σ3)/2為縱坐標(biāo),(σ1+σ3)/2為橫坐標(biāo),繪制應(yīng)力圓,作出通過(guò)各應(yīng)力圓頂點(diǎn)的平均直線,則抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力φ和內(nèi)摩擦角c可按下式計(jì)算,即

φ=arcsin(tanα) ;

(3)

c=d/cosφ。

(4)

式中:α為平均直線的傾角(°);d為平均直線在縱軸上的截距。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculated results of shear strength parameters

將黏聚力和內(nèi)摩擦角與水泥摻量、齡期之間的變化關(guān)系分別繪制在圖5、圖6中。經(jīng)過(guò)分析可知,隨水泥摻量增加,水泥土的黏聚力相比于原土增長(zhǎng)了幾十甚至上百倍,這正是土體抗剪強(qiáng)度顯著增強(qiáng)的主要原因;隨著齡期增長(zhǎng),黏聚力從7 d到28 d的增長(zhǎng)速率較快,28 d以后,增長(zhǎng)速率有所降低。內(nèi)摩擦角隨水泥摻量增加增長(zhǎng)幅度不大,齡期對(duì)內(nèi)摩擦角的影響效果與黏聚力相似。整體來(lái)看,內(nèi)摩擦角的分布范圍在22°～33°之間,齡期大時(shí)取高值。

圖5 黏聚力隨不同影響因素變化曲線Fig.5 Curves of cohesion varying with different influencing factors

圖6 內(nèi)摩擦角隨不同影響因素變化曲線Fig.6 Curves of internal friction angle varying with different influencing factors

圖7反映了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與黏聚力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到相關(guān)系數(shù)R為0.992,說(shuō)明黏聚力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有很好的線性相關(guān)性,因而可提出如下的擬合關(guān)系式

圖7 水泥土黏聚力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.7 Relationship between cohesion and unconfined compressive strength of cemented soil

c=0.291qu+34.7 。

(5)

利用式(5),在已知無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的情況下,可快速判斷水泥土黏聚力的合理范圍。

3.5 SEM結(jié)果與分析

圖8分別是齡期為7 d和28 d的SEM測(cè)試結(jié)果,由圖8可知,未摻入水泥時(shí),干土主要以大顆粒為主,表面分布有大量微孔隙和少量孔洞(黑色區(qū)域)。隨著水泥摻量增大,孔隙逐漸減少;同時(shí)可觀察到添加水泥后,土顆粒間形成了許多纖維絲狀結(jié)構(gòu),將土顆粒緊密聯(lián)系在一起;水化反應(yīng)產(chǎn)生的微小顆粒牢牢包裹在土顆粒表面,使土體趨于密實(shí),強(qiáng)度提升。對(duì)比7 d與28 d結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),28 d齡期水泥土產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)更多,孔隙更少,結(jié)構(gòu)上更加致密,因此強(qiáng)度顯著增大。結(jié)合不同水泥摻量的測(cè)試結(jié)果分析可知,摻量為21%的水泥土相比于18%的水泥土在微觀結(jié)構(gòu)上改善并不大,這是因?yàn)橥令w粒及孔隙是有限的,只能容納一定量的水泥進(jìn)行充分反應(yīng),水泥摻量過(guò)大,即進(jìn)入惰性區(qū),對(duì)水泥土強(qiáng)度提升效果減弱。

圖8 水泥土SEM測(cè)試結(jié)果Fig.8 SEM test results of cemented soil

4 現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能化雙向水泥土攪拌樁進(jìn)行取芯,如圖9所示,測(cè)試結(jié)果按齡期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表6。將芯樣強(qiáng)度與齡期的關(guān)系圖像繪制于圖10中,可以得出水泥土芯樣強(qiáng)度與齡期的對(duì)數(shù)同樣近似呈線性關(guān)系,這與室內(nèi)水泥土的強(qiáng)度變化規(guī)律相似。由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件與養(yǎng)護(hù)條件不完善等原因,現(xiàn)場(chǎng)芯樣強(qiáng)度與室內(nèi)水泥土仍存在一定差距,但28 d現(xiàn)場(chǎng)芯樣強(qiáng)度達(dá)到室內(nèi)水泥土的71.8%,90 d齡期時(shí)該占比為70.5%,對(duì)比相關(guān)研究[27,30],采用傳統(tǒng)單向攪拌技術(shù)施工的現(xiàn)場(chǎng)芯樣強(qiáng)度為室內(nèi)強(qiáng)度的45%～50%,普通雙向攪拌噴粉樁現(xiàn)場(chǎng)芯樣強(qiáng)度為室內(nèi)強(qiáng)度的50%～60%,說(shuō)明智能化雙向攪拌技術(shù)能夠顯著改善攪拌樁成樁質(zhì)量,提高樁體強(qiáng)度。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)雙向水泥土攪拌樁芯樣Fig.9 Core samples of in-situ bidirectional cement-soil mixing column

圖10 現(xiàn)場(chǎng)芯樣與室內(nèi)水泥土強(qiáng)度對(duì)比Fig.10 Comparison of strength between field core samples and laboratory cemented soil

表6 芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistics of unconfined compressive strength of core samples

將各齡期強(qiáng)度值除以28 d的強(qiáng)度值后,對(duì)所得結(jié)果重新擬合,分別得到如下表達(dá)式:

qu,T/qu,28=0.064+0.288lnT;

(6)

qu,T/qu,28=0.098+0.276lnT。

(7)

式中:T為齡期;qu,T、qu,28分別為齡期為T、28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

其中式(6)是室內(nèi)水泥土的擬合表達(dá)式,式(7)是現(xiàn)場(chǎng)芯樣的擬合表達(dá)式,兩者在形式和結(jié)果上都非常接近,說(shuō)明該擬合函數(shù)能有效彌補(bǔ)室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)水泥土的強(qiáng)度差異。對(duì)取自現(xiàn)場(chǎng)的齡期為120 d的水泥土芯樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得到芯樣的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.304 MPa,利用式 (7)計(jì)算得到120 d的強(qiáng)度預(yù)測(cè)值qu=2.255 MPa,與實(shí)際值僅相差0.049 MPa,說(shuō)明該預(yù)測(cè)表達(dá)式的準(zhǔn)確合理性。

5 結(jié) 論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與分析可得出以下結(jié)論:

(1)不同形狀水泥土試樣的抗壓強(qiáng)度存在一定差異,90 d齡期下的圓柱體試樣強(qiáng)度比立方體試樣大約高13%。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期、水泥摻量的增長(zhǎng)而增大,與齡期的對(duì)數(shù)近似呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

(2)水泥土變形模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值范圍為55～97,齡期和試樣形狀對(duì)該比值影響較大。

(3)水泥土的黏聚力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈近似線性增長(zhǎng)關(guān)系,內(nèi)摩擦角位于22°～33°之間,齡期大時(shí)取高值。

(4)現(xiàn)場(chǎng)芯樣平均強(qiáng)度達(dá)到室內(nèi)水泥土的70%以上,智能化雙向攪拌樁技術(shù)對(duì)提高攪拌樁攪拌均勻性、增強(qiáng)加固效果具有顯著作用。

(5)采用強(qiáng)度比值與齡期對(duì)數(shù)的擬合關(guān)系式能有效彌補(bǔ)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)水泥土的強(qiáng)度差異,可對(duì)水泥土強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)一描述。