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離心模型試驗在粉噴樁處理軟土地基沉降中的研究

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離心模型試驗在粉噴樁處理軟土地基沉降中的研究

發布日期:2018-06-06 作者: 點擊:

    

1.引 言
水泥系粉體深層攪拌法(即粉噴樁)就是將水泥粉連續不斷地分散土中,利用化學固化作用(role),將分散的土團粒,凝聚成具有整體性水穩性和一定強度的土,從而達到加固地基的作用。
與“砂井排水(Drainage)法”的加固機理不同,深層攪拌法是造成堅固的水泥拌和土的方法來加固軟基,該法不是設置(set up)排水通道使地基非常緩慢地固結,而是讓水泥土拌和體非常迅速地成為一個堅硬的復合地基來直接承受外荷,大大最大化減少沉降量。該法不是增加地基的平均強度來逐步(step by step)提高穩定性,而是在地下形成樁或構造物以抵抗外荷。因此,通常是象鋼筋(英文:steel bar)混凝土樁基一樣利用安全系數給定拌和體的允許應力。水泥拌和體的變形是很微小的。因而路面和路堤的沉降是很小的。在施工(Construction)期內基本能完成沉降。工后沉降很小。“深攪法”的特點是快速、高強、沉降小[1]。
通常條件下,軟土地基(dì jī)的滲透固結十分漫長,不論是在物理(physics)試驗還是現場(spot)試驗中,要觀測軟土地基的固結沉降是一項艱巨的任務。在離心模型試驗中,由于固結時間與模型比N的平方成反比,也就是說,離心模型中的固結時間將原型的固結時間縮短至1/N2,使得可以在較短的時間內模擬軟土地基的長期沉降[2~4]。這正是離心模型試驗技術在軟土地基處理的優勢體現。隨著離心模型試驗技術的發展,許多巖土工作者結合工程實際,利用離心模型試驗技術,驗證軟土加固處理方法的可靠性和可行性,特別是用于預測軟土地基的長期沉降和穩定性。
2 離心試驗模擬軟土滲透固結的原理
土工離心模型試驗是利用離心機產生離心力場,提高模型土體的體積力,形成人工重力。具體做法就是將原型按幾何尺寸相似縮小n倍,使模型材料的含水量W和密度ρ均與原型的相同,然后將制備好的模型置于高速旋轉的離心機中,設原型的容重γp為
γ=ρg
其中:a為總加速度向量。

3 地質情況和加固處理措施
本次工點選在四川某處溝谷沖積平原,地形開闊,地表覆蓋第四系坡沖洪積層,多為軟土,厚6~12m不等,為軟塑狀,含水量為40.7%,密度為16.92kNm-3,塑性指數(index)為17。下伏基巖為泥巖夾砂巖。路堤中心最大填筑高度為10m。由于含水量為40.7%,大于30%,塑性指數為17,大于10,符合粉噴樁設計原則[4]。工點的軟土地基(dì jī)設計裝修方案采用φ50cm粉噴樁加固,三角形布置,樁間距1.0m。加固寬度至路堤坡腳外3m,加固深度貫穿軟土層。粉噴樁頂部鋪設兩層雙向50kNm-1土工格柵及0.5m厚的中粗砂或砂礫石墊層。
4 離心模型試驗方案
根據離心模型試驗機理和主要的物理量的模擬比,考慮模型的制作,試驗選用大模型箱(600mm×600mm×800mm),采用模型比為1∶100。
通過(tōng guò)比較工點的各斷面情況,本次采用如下地質情況的斷面作為離心試驗模擬的斷面:該斷面在路堤范圍內的地基主要分為4層,下伏基巖為泥巖夾砂巖,線路中心以左的基巖基本呈水平,線路中心以右基巖略有傾斜;基巖以上為粉質粘土層,厚度為1.5m左右;粉質粘土層以上為軟土層,厚度約8m;軟土層以上為人工填土,主要是耕植土,厚度約1.5m。基坑支護工程必須按《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》(建質【2009】87號文)的規定執行。由于粉質粘土層和耕植土層較薄,通過模型比計算出離心模型的層厚為1.5cm,因此,從離心試驗制作考慮,將此斷面簡化處理(圖1),一是原型的邊界過于復雜,將地基表面邊界的曲線狀簡化成直線。二是將地基作兩層土層處理,基巖不變,粉質粘土層和耕植土層用軟土層來代替,在離心模型中,基巖在路堤填土作用(role)下的變形很小,可以忽略。故以壓實的細砂、粘土和水泥混合料模擬泥巖夾砂巖,并根據泥巖不透水的特點,在模型基巖表面作不滲水(shèn shuǐ)處理。考慮實際情況,本次試驗采用原狀土的重塑土,在填筑過程中不改變原狀土的含水量,只要求密度與工點現場相同,密度取16.92kNm-3。地基分二層填筑,預先計算每一層的重量,并壓實到計劃(plan)的高度。

離心(centrifugal)模型的粉噴樁采用先預制,后安裝的方式。樁的預制方法是,在地基原狀土中拌入一定量的水泥(材料:粉狀水硬性無機膠凝材料),通過模具擠壓成型,然后在恒溫恒濕箱經過7天的養護,養護溫度為60°。養護后,預制樁的強度為2.4MPa。由于模具直徑不能完全按照直徑0.5cm擠壓成型,實際預制的模型樁直徑為0.58cm,因此,在復合地基模型制作時,按照置換率一致的原則,將樁的間距調整為1.16cm。
土工格柵砂墊采用塑料紗網加細砂來模擬。砂經過0.5mm篩,按模型比100計算,相當于原型直徑50mm,與粗砂的直徑相近。模型制作時,先在平整的地基表面撒上一層約1mm左右的細砂,鋪一層經過處理的紗網,再撒上一層約3mm左右的細砂,鋪一層紗網,最后再撒上一層約1mm左右的細砂,并保證砂墊層的總厚度在5mm。
路堤填料為紅層填料,填料經風干過2mm篩后用于路堤填筑,高度為10m,按0.93的壓實系數填筑。
離心模型試驗測試內容主要是變形,采用兩種方法,一是電測法,使用4個電渦流傳感器,編號分別為ch11、ch12、ch14、ch15,其中ch11測的是左側路堤坡角的水平位移,ch12是路堤頂部的垂向沉降,ch14是路基右側坡角2cm處垂向沉降,ch15路堤右側坡角處垂向沉降。二是在有機玻璃一面的離心模型劃分網格,在試驗過程中按一定間隔時間進行攝影,通過網格點坐標變化研究(research)路堤整體的變形趨勢(trend)和穩定性。
考慮填筑土為擾動土,首先將模型地基在離心加速度40g時運行20min,相當于將模型地基進行預先固結。軟基工程多數情況是有局部地段地質情況和原來設計不同,出現局部地基承載力達不到設計要求,或者由于局部地段含水量過大(原有排水系統不暢,原有地基土質滲水性不好)造成地基軟彈(翻漿,彈簧土地段)。在放置路堤模型后,為了避免離心加速度的的變化劇烈引起地基的破壞(vandalism),將離心加速度從0g~100g劃分為5個臺階,分別在20
  G、40
  G、60
  G、80g運行5min,并各測變形一次,這一過程相當于路堤填筑過程。在離心加速度為100g時,穩速運行2h,相當于原型固結28mon。每間隔10min測一次變形。
5 數據處理與分析(Analyse)
5.1 地基土參數分析
表1是列出了離心模型試驗前后地基土參數實測值,從中可以看出由于粉噴樁的擠密和本身滲透固結作用,地基土強度有了明顯的提高。

5.2 各種加速度時矢量分析
圖2是離心加速度為40g時變形矢(shǐ)量圖,地基整體向右偏斜,這主要是地基基底存在明顯的斜坡。圖3是試驗結束后的變形矢量圖。可見,地基在沉降的同時,整體向右水平位移。在加速度提升過程(guò chéng)中,路堤右側坡角外一定距離的地基出現隆起擠出現象,在固結過程中,隆起的部分又沉降下去了。
5.3 沉降分析
圖4是離心模型試驗加載過程中變形隨離心加速度的變化情況,這一過程相當于路堤填土過程。圖5是路堤高度達到10m后,各測點的總沉降隨運行時間的變化曲線,相當于路堤填筑完成后,各測點的工后總變形隨時間的變化。圖6是施工后變形與時間的關系。上述表和圖中數據都按相應的模型比換算到原型。


路基表面的沉降,包括路堤本體的壓密沉降和地基沉降。由測試結果知,地基表面的總沉降量為0.394m,其中施工階段產生的沉降為0.251m,路堤完工后27mon的沉降為0.143m。完工后的前半年是工后沉降速率最快的階段,沉降量為0.11m。之后沉降速率趨于緩和,22mon內的沉降為0.033m。
路堤右側距離坡角10cm處的垂向變形,換算到原型,在路堤施工階段,地基向上隆起現象,并隨路堤高度增加而增加,最大隆起量為0.104m。當施工結束后,由于本身滲透固結的原因,地基又發生沉降,最終沉降量為0.033m。

為了區分地基(dì jī)與路堤本體的垂向沉降,在本次試驗的同時還進行10m路堤填料試驗,壓實系數為93%,填料的含水量為最佳含水量12.81,10m高的路堤本體剛完工時,紅層路堤的變形為0.038m,故線路中心處地基此時的沉降為0.213m,與坡角10m處沉降0.204m相比,基本一致。同時路堤本體工期27mon的總沉降和沉降分別為0.052m和0.014m,推算出線路中心處的地基工后的總沉降和沉降分別0.342m和0.129m,路堤右側距離坡角10m處總沉降和沉降為0.342m和0.139m,也基本相符。由此可推出地基的工后沉降隨時間的變化如圖7所示。由此可看出,上述將劃分路堤本體和地基沉降的分析方法是可行的。同時對擬合填筑高度10m,壓實系數為93%路堤經擬合得式
  (1):

對于此工點而言,Sa,∞和u的值分別為0.139m和17.20,式
  (2)擬合的相關系數R2大于0.95,說明擬合公式能很好地反映路基工后沉降的變化趨勢。

路堤頂面施工期后的沉降隨時間的變化規律(rhythmical)也就可以用下式來描述:

式中:α、β與式
  (1)相同。  
根據式
  (3)預測工點路堤頂面的沉降隨時間的變化如圖8,與實測值有非常好的相關性,兩者的相關系數為0.985。基坑支護工程根據基坑的深度把基坑支護工程分為兩種:淺基坑支護工程和深基坑支護工程

同時根據鐵路客專線規定:200kmh-1的路基的工后總沉降不應大于15cm,沉降速率不應大于4cma-1。根據此要求和以鋪軌日作為工后沉降計算起始時間,在此工點使用紅層作為路堤填料、壓實系數為0.93的前提條件(tiáo jiàn)下,按實測的數據和預測,路堤應靜放5mon之后才能鋪軌,這樣第一年的工后沉降速率為4.4cma-1,總的工后沉降將在0.08m以下。按式
  (3)預測第一年的工后沉降速率為3.3cma-1,總的工后沉降將在0.06m以下。
5.4 水平位移分析
如圖5、圖6所示,當路堤高度達到10m時,左側坡角向右的水平位移為0.13m。路堤填筑施工結束后,變形隨時間的變化卻非常緩慢,在28mon時間內變化為1cm,說明路堤的坡角變形主要發生在施工期間。根據攝影測量得到路堤右側坡角向右的水平位移為0.27m。
6 結論和建議

  (1)離心試驗后,地基土的含水量,密度,CU和φU都有不同程度的提高;  

  (2)使用粉噴樁加固處理的軟土地基時,地基的側向變形主要發生在路堤填筑階段;  

  (3)根據離心(centrifugal)試驗結果可知:地基采用粉噴樁是可行的。在離心模型試驗中,路堤填筑到10m時,路基的沉降為0.251m。完工27mon后路基總沉降為0.394m。路基的總的施工期后沉降為0.139m。竣工后的前半年地基沉降速率最大。  

  (4)在紅層作為路堤填料、壓實系數為0.93的前提下,工點路堤應靜放5mon之后鋪軌,這樣,第一年路基表面的工后沉降速率為3.3~4.4cma-1,路基總的工后沉降將在0.08m以內。

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