泥炭质土水泥土搅拌桩复合地基承载特性研究

2022-02-12商庆坤裴利华

地基处理 2022年1期

商庆坤，裴利华,，桂跃*，林东

（1. 昆明理工大学建工学院，云南昆明 650051；2. 中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南昆明 650504）

0 引言

泥炭质土是由已分解的腐殖质、尚未完全分解的动植物残体和矿物质组成的特殊软土[1]，广泛分布于我国东北和西南地区。在工程领域内，泥炭质土常被视为十分棘手的特殊土，具有孔隙比大、天然含水率高、承载力低、压缩性高等较差的工程地质特性[2-3]。随着基础设施建设的发展，越来越多的工程涉及到泥炭土层，泥炭土地基的处理问题逐渐成为国内外学者的研究热点。

南昆铁路线深厚泥炭土路段，工程师采取了碎石桩+堆载预压和粉喷桩两种地基处理方式，但4年后观测发现地面沉降仍达到45 cm[4-5]；斯里兰卡首都科伦坡高速公路建设中，对路基下伏数米泥炭土采用砂桩、碎石桩、管桩、塑料排水板联合堆载预压处理，项目竣工7年后对部分路段监测发现其工后沉降达到15～20 cm，接近预警值[6]。1995年，陈观胜等[7]率先对水泥土搅拌法在泥炭土地基中的应用进行了探索，并在杭州平湖秋月地区某工程中开展了水泥土搅拌桩加固泥炭土地基的工程实践，通过监测发现其最大沉降量仅为46 mm，基本满足设计要求。之后的几十年中，水泥土搅拌桩由于其造价低、污染小、施工灵活等特点，在泥炭土地基处理中的应用逐渐增多[7-12]。

目前，国内外学者针对水泥土搅拌桩复合地基的承载特性进行了大量的模型试验研究，从复合地基沉降规律[13]、承载能力[14]、破坏模式[15-16]和桩土应力比[17]等方面进行了全面的讨论。然而，上述研究对水泥土搅拌桩复合地基承载特性的研究主要集中在非有机质土上，而泥炭质土与非有机质土的工程性质存在极大差异[12,18-21]。因此，若将水泥土搅拌桩在非有机质土中的应用经验盲目套用在泥炭质土中，将会存在极大的安全隐患。为了探究泥炭质土水泥土搅拌桩复合地基承载特性，本文进行了不同端承条件（端承型、悬浮型）和不同置换率（10%、14.9%、21.1%）的泥炭质土水泥土搅拌桩复合地基模型试验，通过监测荷载作用下复合地基沉降、桩顶应力和桩间土应力变化规律，讨论泥炭质土水泥土搅拌桩复合地基的承载特性。

1 模型试验方案

1.1 试验装置

水泥土桩复合地基模型试验箱长 120 cm，宽32 cm，高35 cm。为防止不同试验区间的相互影响，利用刚性不透水板，将泥炭质土地基沿模型箱长边三等分为 3个试验区域，每个试验区域的长、宽、高分别为40 cm、32 cm和35 cm。水泥土桩和土压力盒的布置情况如图1所示，土压力盒分别埋设于桩顶中心和地基土表面两桩中点位置。

图1 试验布置示意图Fig. 1 Model test layout

1.2 泥炭质土制备

试验用土取自云南昆明，整体呈深黑色，腐殖化程度较高，其各项物理力学指标如表1所示；参照《岩土工程勘察规范》[22]，属泥炭质土。试验中为保证泥炭质土的均匀性，按每层115 mm的厚度分层填筑和整平。为了模拟真实泥炭质土状态，需对泥炭质土进行预固结，设计固结荷载为 10 kPa。根据沉降监测结果判断土样的固结程度，当每小时沉降增量小于0.1 mm时认为地基固结完成，开始卸载。卸载后测量泥炭质土层厚度，并移除多余泥炭质土，保证试验土层厚度为预定的300 mm。固结完成后需对复合地基进行微型十字板剪切试验（厚1 mm，长55 mm，宽22 mm），获得泥炭质土地基平均不排水抗剪强度为8.6 kPa。

表1 泥炭质土物理力学性质参数Table 1 Physical and mechanical parameters of peat

1.3 复合地基设计与制备

本研究中共进行了7个物理模型试验，具体试验方案见表2。在本次模型试验中采用1/20的相似比，并假设水泥土搅拌桩的直径为0.7 m，泥炭质土层厚度为6 m。因此，水泥土搅拌桩模型的直径被设计为35 mm，泥炭质土层厚度被设计为300 mm。对于常见的水泥土搅拌桩复合地基，其面积置换率一般在10%～30%之间[23]，因此，本研究选取了10%、14.9%、21.1%这3种面积置换率进行试验。谢宝琎等[8]认为，采用水泥加固处理泥炭质土时合理的水泥掺量应为25%，但考虑到土质的不同及经济因素，本文选取20%的水泥掺量进行试验。

表2 室内模型试验方案Table 2 Laboratory model test programs

本试验采用连续置换法制备水泥土搅拌桩复合地基。在模型箱预定位置设置导向架，将一根内径为35 mm、厚度为0.8 mm的细长开口钢管缓慢推至预定深度。为减少对土样的干扰，采用分段取土分段压入，每段压入5 cm，直至预定位置（15 cm或30 cm）。将钢管中取出的泥炭质土与水泥、水等按一定比例混合均匀填回孔中，原位养护28 d。养护完成后，将水泥土桩取出并削成直径3.91 cm、高8 cm的圆柱形试样，按照《土工试验方法标准》[24]进行无侧限抗压强度试验。在本次试验中，泥炭土中有机质的主要成分为腐殖质。腐殖质的存在会阻碍和延缓水泥水化反应的进行，并使部分水化产物解体[25-26]。因此，在本次试验中，各试样平均无侧限抗压强度仅为175.2 kPa，远低于常规水泥土。

1.4 加载

本研究采用慢速维持荷载法进行试验，考虑水泥土桩复合地基时间效应。复合地基制备完成后在地基表面砂垫层上施加平面尺寸为310 mm×120 mm的刚性加载板，试验采用分级加载的方式，加载荷载等级为10 kPa，每级加载时间为4 h。加载完成后每0.25 h进行一次土体位移场记录、桩顶和桩间土的土压力盒数据采集。应力及桩顶应力的测量采用量程为0.5 MPa的电阻应变式微型土压力计。数据采集系统采用DH3818型静态应变测试仪。

2 泥炭质土水泥土搅拌桩承载特性分析

2. 1 复合地基极限承载力分析

（1）桩端承载条件及置换率对复合地基极限承载力影响

图2为天然泥炭质土地基和不同端承条件下水泥土搅拌桩复合地基的荷载-沉降曲线。由图 2可知，水泥土搅拌桩可以明显减小泥炭质土地基沉降，相同置换率条件下，端承型水泥土搅拌桩复合地基沉降明显低于悬浮型水泥土搅拌桩复合地基。

图2 不同端承条件下复合地基荷载-沉降曲线Fig. 2 Normalized load-displacement curve of composite foundation under different end-bearing condition

在本试验中，采用双切线法确定天然泥炭质土地基及悬浮型水泥土桩复合地基极限承载力[12]。采用双切线法确定的天然泥炭质土地基的极限承载力为22 kPa，3种不同置换率（10%、14.9%、21.1%）下悬浮型水泥土搅拌桩复合地基的极限承载力分别为42 kPa、44 kPa、49 kPa。对于端承型搅拌桩复合地基，当上部荷载超过其极限承载力时，水泥土桩会率先发生破坏，导致复合地基失稳，因此在本文中以复合地基发生破坏的前一级荷载作为其极限地基承载力。3种端承型水泥土搅拌桩复合地基分别在70 kPa、80 kPa和90 kPa荷载加载过程中发生破坏，因此认为其极限地基承载力分别为60 kPa、70 kPa、80 kPa。相较于天然泥炭质土地基，采用悬浮型水泥土搅拌桩处理的泥炭质土地基极限承载力分别提高了91%、100%和122%，采用端承型水泥土搅拌桩处理的泥炭质土地基极限承载力分别提高了173%、218%和264%。相同置换率条件下，后者对泥炭质土地基极限承载力的提升幅度是前者的两倍左右。

图3为不同置换率下端承型水泥土搅拌桩和悬浮型水泥土搅拌桩荷载-沉降曲线。由图 3（a）可知，在端承水泥土搅拌桩复合地基情况下，置换率为10%、14.9%、21.1%的复合地基分别在基础沉降8.28 mm、6.36 mm、3.96 mm时发生破坏。置换率越高，复合地基破坏时的沉降减少越明显。由图 3（b）可知，在悬浮型水泥土搅拌桩复合地基情况下，置换率为10%、14.9%、21.1%的复合地基分别在基础沉降14.52 mm、15.12 mm、13.68 mm时发生破坏。这表明，采用悬浮型水泥土搅拌桩加固的泥炭质土地基破坏时的地基沉降量与置换率并无太大联系。

由图3还可以看出，相较于悬浮型水泥土搅拌桩复合地基，端承型水泥土搅拌桩复合地基对置换率的变化更敏感。置换率从10%增加至21.1%时，悬浮型水泥土搅拌桩复合地基极限承载力增长了16.7%，端承型水泥土搅拌桩复合地基极限承载力增长了28.6%。

图3 不同置换率下复合地基荷载-沉降曲线Fig. 3 Relationship between vertical stress and normalized displacement under different improvement ratio

（2）泥炭质土水泥土搅拌桩复合地基极限承载力预测

对于端承型水泥土搅拌桩加固的泥炭质土地基极限承载力的预测，现有方法大多依赖于水泥土桩的强度特性。BROMS等[26]曾提出了两种预测方法（Broms-1和Broms-2），DEHGHANBANADAKI等[12]和 YIN[16]等等均通过试验证明了两种方法在模型试验中的适用性，其计算方程如式（1）、（2）所示。

Broms-1：

Broms-2：

BOUSSIDA等[28-30]基于屈服设计理论，假设天然土体与水泥土桩为纯黏性材料，建立了端承水泥土搅拌桩复合地基极限承载力上限（qmin）和下限（qmax）的计算方程，如式（3）、（4）所示。

式中：cuc为水泥土桩的不排水抗剪强度；cus为泥质炭土的不排水抗剪强度，其值取无侧限抗压强度的1/2；m为置换率；kc为内黏聚力比。

图4为使用端承水泥土搅拌桩加固泥炭质土的条件下，采用不同分析方法得到的复合地基极限承载力估算值与试验值的对比。

图4 端承型水泥土搅拌桩复合地基极限承载力估算值与试验值的对比Fig. 4 Ultimate bearing capacity of peat improved by endbearing cement deep mixing column

由图4可知，试验所得的端承水泥土搅拌桩复合地基极限承载力不在Boussida等提出的复合地基极限承载力上下限范围内。对于试验T-2、T-3和T-4，根据 Broms-1法计算的复合地基极限承载力与试验值误差分别为 22.4%、28.1%、30.7%，根据Broms-2法计算的复合地基极限承载力与试验值误差分别为6.2%、3.1%、1.9%。由此可见，在对使用端承型水泥土搅拌桩处理的泥炭质土地基极限承载力进行预测时，采用Broms-2法所得的计算结果更精确。

2.2 应力及桩土应力比分析

图5为不同置换率复合地基桩顶应力随时间变化曲线，图6为不同置换率下复合地基桩间土应力随时间变化曲线。由图5、6可知，端承型水泥土搅拌桩和悬浮型水泥土搅拌桩复合地基桩顶应力和桩间土应力变化规律相似，但在相同荷载作用下，端承型水泥土搅拌桩复合地基桩顶应力增加幅度明显大于悬浮型水泥土搅拌桩复合地基；桩间土应力减小幅度明显小于悬浮型水泥土搅拌桩复合地基。其原因在于，荷载作用下端承型水泥土搅拌桩复合地基由桩土刚度差异引起的桩土差异沉降比悬浮型水泥土搅拌桩大，因此，相对于悬浮型水泥土搅拌桩复合地基，端承型水泥土搅拌桩复合地基桩间土应力减小幅度和桩顶应力增加幅度均较大。上述分析表明，与悬浮型水泥土搅拌桩相比，端承型水泥土搅拌桩更有利荷载向桩体转移，减少桩间土附加应力。章定文等[17]基于海相软土进行的模型试验也到了相同的结论。

图5 不同置换率下复合地基桩顶应力随时间变化曲线Fig. 5 Average stress on the top of cement-soil columns under different improvement ratio

图6 不同置换率下复合地基桩间土应力随时间变化曲线Fig. 6 Soil stress between cement-soil columns under different improvement ratio

由图 5、6还可看出桩顶应力和桩间土应力具有显著的时间效应。在加载瞬间桩顶应力和桩间土应力突然增大，随时间的增加桩间土应力逐渐减小。这主要是因为在荷载作用下，随着桩间土中超静孔隙水压力的消散，桩间土发生固结，桩间土沉降逐渐增大，但是由于桩土刚度差异，复合地基上部一定深度内桩间土沉降量大于桩体沉降量，产生桩土差异沉降，从而造成桩间土承载的部分荷载向桩体转移，因此桩顶应力增加，桩间土应力减小。

图7为不同置换率复合地基桩土应力比随时间变化曲线。由图7可知：相同荷载作用下，端承型水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比明显大于悬浮型水泥土搅拌桩复合地基，且无论桩端承载条件如何，复合地基桩土应力比均随置换率的增加而减小。40 kPa荷载作用下，试验T-2、T-3、T-4 的桩土应力比分别为15.2、10.6、8.4，试验T-5、T-6、T-7 的桩土应力比分别为6.0、3.6、3.1。随着荷载的增加（10 kPa→50 kPa），同一置换率（14.9%）下，端承型水泥土搅拌桩复合地基桩土应力比由4.3增加至 16.2，悬浮型水泥土搅拌桩复合地基由 1.9增加至4.5。

图7 不同置换率下复合地基桩土应力比随时间变化曲线Fig. 7 Pile-soil stress ratio under different improvement ratio

2.3 破坏模式分析

每组试验完成后，均对地面变形程度进行了检测。在7组试验中，矩形基础短边侧的土体变形程度极小，这表明边界效应对试验结果影响较小。图8为未改良泥炭质土地基（T-1）、端承型水泥土搅拌桩复合地基（T-4）和悬浮型水泥土搅拌桩复合地基（T-7）破坏剖面示意图。由图8可知，在竖向荷载作用下未处理泥炭质土地基和悬浮型水泥土搅拌桩复合地基发生刺入破坏，且基础周围的土体变形基本对称，而在端承水泥土搅拌桩情况下，地基破坏时矩形基础底部出现明显倾斜。

图8 地基破坏剖面示意图Fig. 8 Failure mode of the composite foundation

图9显示了竖向荷载下端承水泥土搅拌桩复合地基的破坏。由图9可知，端承型水泥土搅拌桩复合地基在承受竖向荷载时，会同时出现剪切破坏和弯曲破坏两种破坏模式，破坏表现出明显的渐进性，由外向内发展。4根水泥土桩均表现出剪切破坏，而仅有3、4号桩出现弯曲破坏模式，说明端承型水泥土搅拌桩复合地基发生破坏时桩体会首先发生剪切破坏，随后桩体由受剪进入塑性。