水泥土搅拌法加固斜坡软弱土地基的离心模型实验研究

第卷第期岩土力学Vol.No.2008年月RockandSoilMechanics.2008收稿日期：基金项目，请在脚注中注明基金及其批准号作者简介：胡勇刚，男，1979年，在校硕士研究生。主要从事路基工程方面地研究工作。文章编号：空2行（单倍行距）页面设置：页边距上：2cm(首页)、2.5cm(奇偶页),下：1.6cm,左:2cm,右:2cm;距边界:页眉:1.5cm,页脚:1.6cm文档网格:每行46个字,每水泥土搅拌法加固斜坡软弱土地基的离心模型试验研究胡勇刚罗强黄晶陈亚美刘志超（西南交通大学土木工程学院、四川成都、610031，）摘要：为了更清楚的了解和掌握斜坡软弱土地基在路堤荷载作用下经过一段时间的施工运营后的变形特性，以达成铁路扩能改建工程某工点为原型，做了5组室内离心模型试验。通过对实验数据的整理分析，得出以下几个主要结论：（1）对于斜坡软弱土地基，上下坡分别采取不同的桩间距布设桩，可以缩小上下坡软土地基的沉降变形差异，让地基的变形趋于平稳；（2）布设斜桩加固斜坡软弱土地基，其对地基的横向变形控制效果比布设相同桩间距的竖直桩效果要好，但其对地基竖向变形地控制却略差。（3）斜坡软弱土地基下坡一侧的地基变形对上坡一侧的地基变形有影响，而横向变形尤为明显。（4）横向变形沿地基深度的变化曲线因桩间距的不同而变化。关键词：水泥搅拌桩；离心模型试验；斜坡软弱土地基；横向变形；竖向变形；斜桩中图分类号：TU443文献标识码：A空2行（固定值：12磅）TiltleinEnglish（四号TimesNewRoman加粗）Author(Address,Postalcode)Abstract（小5加粗）:，英文摘要和题名要准确规范，作者拼音和作者单位英译名要规范统一。（小5,行距14磅）Keywords（同上）:soil（同上）。注：文中所有英文字体均用TimesNewRoman空1行，行距：单倍行距0引言随着国民经济的快速发展，人口流动量迅速增加，原有铁路的运输能力和速度已远远跟不上国民经济的发展需要，为此，发展高速铁路已成为保证国民经济持续、稳定、快速增长的必须[1]。高速铁路的建设标准与原有铁路相比有大幅度提高，对地基工后沉降的要求也越来越严。在我国，丘陵和山地占大部分国土面积，高速铁路将不可避免沿丘陵山地而行，在斜坡软弱土地基上填筑路堤就成为必然。斜坡软弱土地基是相对于水平软弱土地基而言，其基本特征是地基表层相对软弱，而且地基表面或软弱层底部具有一定的横向坡度,在填方荷载作用下,软弱土层在产生竖向压缩沉降的同时，产生指向下方一侧的较大横向剪切变形,极易引起地基失稳破坏[2]。而国内外对斜坡软弱土地基的研究相对较少，各设计施工规范对软土地基的处理也无明确规定，本试验以达成铁路扩能改建工程某工点为原型，在室内做了5组离心机模型试验，并提出了两种不同于传统的水泥土搅拌法加固地基的形式，对这两种地基加固形式的工程特性作出了比较全面的研究分析，这对斜坡软弱土地基的加固是一个大胆的创新，具有较高理论价值和工程价值。岩土力学2003年1试验方案1.1现场工点概况本段线路地处低丘区，地表为水田，线路左右两侧合为“V”字斜坡，线路处在前进方向的左侧斜坡上。表层软土厚3～9m，软塑～流塑状，松软土厚0～3m，软塑状，粉质黏土，支撑层为强风化泥岩夹砂岩。路堤高度:H=6.40m，路堤表面宽度:B=12.90m。地基采用直径50cm水泥搅拌桩加固，正三角形布置，桩间距为1.2m。加固深度为打穿软土，到粉质黏土顶面，加固宽度为坡脚外2m。在水泥搅拌桩顶部铺设一层双向50KN/m土工格栅及0.5米厚的砂砾石垫层。其地层情况及处理措施见图1。软弱土层水泥搅拌桩强风化泥岩夹砂岩50cm厚砂垫层夹一层土工格栅图1现场地层情况及地基处理图Fig.11.2研究内容及测试方法本次水泥搅拌桩加固斜坡软弱土地基的离心模型试验主要研究两方面内容：①地基变形，包括地基剖面横向变形和竖向变形，地基左右路肩沉降；②地基受力特性，包括桩顶土应力，桩间土应力，加筋垫层中加筋带应力，桩身应力。限于篇幅，本文先介绍水泥搅拌桩加固斜坡软土地基变形特性的试验研究成果。着重探讨：①不同的布桩形式（桩间距的差异、竖直桩和斜桩的差异）对上下坡地基变形差异的影响；②不同的布桩形式对地基横向变形沿地基深度变化曲线的影响。本次试验所用设备为西南交通大学TLJ—2型土工离心机，其主要技术指标为：容量,100g.t；离心机最大半径（摆动吊斗表面至主轴中心）3m；有效半径（模型重心至主轴中心）2.7m；加速范围10～200g；最大载荷，100g时，1000kg，200g时，500kg，最大载荷时，吊斗底板最大挠度≤0.5mm；模型箱有效容积0.8(长)×0.6(宽)×0.6(高)m3。所布置的测试仪器有：沉降位移计4个，布置在地基表面，砂垫层底，测试左右路肩下方的地基表面沉降；微型土压力盒8个,布置在地基表面，左右路肩，路堤中心及边坡中部下方，测试桩顶及桩间土应力；应变片18～26个，贴在桩上，测试桩身应力，贴在加筋带上，测试加筋带应力。图2是离心机试验的传感器布置图，本次试验共五组，其间，软土层的厚度、木桩的间距虽有变法，但传感器布置的位置不变。图2离心机试验传感器布置图Fig.21.3实验设计1.3.1模型几何设计离心模型试验以相似理论为基础，让1/n缩尺的模型处于加速度为ng离心惯性力场中，使模型中某点受到与其原型对应点重力等效的离心惯性力，则两对应点处于相同的应力水平[3]。根据现场工点路堤形状、软土层厚度及离心机模型箱的大小，试验模型比例尺取n=80。本实验以研究路堤荷载作用下斜坡软弱土地基的工程性质为重点，考虑到边界效应的影响，模型尽量靠近模型箱左侧，让斜坡软弱土地基远离边界，减小边界效应带来的误差[4]。本次试验共进行了5组离心模型试验，其中路堤高度俱为10cm，模拟原型为8m，略高于现场工点路堤高度；路堤表面宽度16.13cm，模拟原型为12.9m；边坡坡度1：1.5；长度为60cm，与模型箱宽度相等。软弱土地基第一组模型为3.75cm厚水平软弱土地基，其余几组在路堤中心左侧为3.75cm厚水平软弱土地基，右侧为斜坡软弱土地基，斜坡坡比1：3.1（与现场同）。布桩形式均采取正三角形，第一组桩间距为3倍桩径（1.875cm），第二组不布桩，第三组三倍桩径间距布桩，第四组左侧水平软弱土地基以4倍桩径间距（2.5cm）布桩，右侧斜坡软土地基以2倍桩径间距（1.25cm）布桩，第五组桩间距为岩土力学2003年3倍桩径，其中路堤中心左侧竖直布桩，右侧布置斜桩，其竖直倾角与斜坡软土地基的水平倾角相等，此处为18°。图3红层泥岩击实试验曲线Fig.31.1.1模型材料设计(1)地基软土。大量试验证实，细粒土不存在粒径效应[5]。所以模型所用地基软土由现场原型工点取回，同时取样进行室内土工试验，得其主要物理力学指标的平均值为：天然含水量34.5%，密度18.93kN/m3，C=21.71kPa，ф=8.63°。其中，下置信界限为97.5%的C值为8.23kPa，ф值为3.3°。为保证离心模型实验模拟的地基土与现场原型基本一致，采用强度等效为主要控制指标。在离心机中进行的软土地基固结试验表明（离心固结时间～软土含水量～软土强度的相互关系），离心模型试验软土地基的制备含水量为37%，在离心机加速度n=80g下运行3h的固结强度与原型基本一致（与现场实测下置信界限97.5%的数值比较），如表1所列。(2)路堤填土。模型所用路堤填土是由现场原型工点取回的红层泥岩,其重型击实曲线如图3所示，获得的最佳含水率为10.8%，最大干密度为2.18g/cm3。模型路堤按压实系数K=0.95进行制作。(3)桩体材料。原型水泥搅拌桩桩径为50cm，现场取样测试其模量在140.5MPa~149.4MPa之间，按应变等效（EA相等），取桩径为6.25mm的木桩模拟原型水泥土搅拌桩。木桩表面涂上三层清漆，以防止离心加载时进水，影响其强度及地基的排水情况，再在最外层洒少量细砂，以增加桩土摩擦，与原型相似。模型与原型桩的刚度换算见表2。表1模型地基软土物理力学指标Table1英文表名模含水率密度C(kPa)ф(度)取样位置型(%)(kN/m3)一32.261.91812.884.09模型箱边二35.9033.9718.661.9077.2514.252.892.41右侧深厚软土层左侧浅薄软土层三36.0235.171.8841.9043.12512.883.61.43右侧深厚软土层左侧浅薄软土层四35.9833.721.8961.9196.5016.1281.492.32右侧深厚软土层左侧浅薄软土层五36.5634.021.8801.8996.6266.87591.370.77右侧深厚软土层左侧浅薄软土层注：为免影响软弱土地基结构，取样均在路堤作用范围外，靠近模型箱边处。表2模型与原型桩的刚度换算Table2材料E(MPa)A(m2)EA（N）水泥搅拌桩1453.07×10-54450木桩147.93.07×10-54540(4)拉筋材料原型拉筋材料为土工格栅，若按模型比尺缩小将无法实现。按强度相似原则，本次试验用抗拉强度375MPa、延伸率8%的紫铜带模拟，带宽1cm，间距3cm，布置成3cm×3cm的网格，其强度大于原型，等效为6层原型土工格栅（Tp=50kN/m）具有的抗拉强度(Tm=300kN/m)，因强度更低的铜带不宜制作，且影响试验的安全性。1.4试验步骤（1）试配土样，制作模型软土地基，将模型箱置于离心机以80g加速度固结3小时，使之与原型地基强度相近，取样测试其物理力学指标，见表1（2）插桩，布置测试仪器，放置路堤，布设剖面测试点，并读出初始位置的数据。（3）加载。正式加载前，先以16g的加速度运行2分钟，以保证各桩及测试仪器与软土地基的紧密接触。加载历程共为3个阶段，填筑，放置，运营阶段。用一次成形路堤模拟原型4层填筑，每层2m，每次填筑时间45天。按面积荷载等效原则换算出相应的离心加速度[6]。整个压缩层的沉降取决于饱和粘土层的渗透固结[7]，而当模型中渗透力与重力同等重要时，时间比尺因素为n2[3]，据此算出对应阶段的模型加载时间。各阶段加载的加速度及时间见表3。表3模型各阶段加载加速度及时间表岩土力学2003年Table3加载阶段离心加速度(g)离心加载时间(min)模拟原型时间(d)模型预压162-第1层填土（2m）27.2387.4145第2层填土（4m）49.6426.345第3层填土（6m）67.2314.3445第4层填土（8m）8010.1345放置期8041.631854年运营期80328.51460（4）拆模，读出剖面测试点位置。2试验结果与分析地基剖面布设的变形测试点见图4。横向布设5行，用阿拉伯数字表示，竖向布置21列，用英文大写字母表示，以路堤中心下方的地基表面为零点，板尺测出其离心加载前后的位置，从而得到每点的位移。各模型测点的位移情况见图5，图6，及表4。横向位移，“+”表示偏右,“—”表示偏左；竖向位移，“+”表示向下,“—”表示向上。图4剖面测点布置图Fig.4图5为各模型测点的最大横向位移图，其选取的测点为各模型发生最大横向位移测点所在的一行所有的点，一般在第二层地基，即第2行，只有第四组模型测点的最大横向位移点发上在第1行，剖面测点布置见图4。图6为各模型剖面测点的最大竖向位移图，其选取的测点为发生最大竖向位移点所在的一行，纵观几组模型，测点的最大竖向位移均发生在第一行，故选取的点都是每组模型的第一行上的测点。图5和图6反映出，对于水泥土搅拌法加固的水平软弱土地基，模型一，其地基横向变形和竖向变形均基本对称于路堤中心。而对于其余几组模型的斜坡软弱土地基，其左右地基的变形却因加固形式的不同而有所变化。对于未采取加固措施的模型二，处于路堤中心右侧下坡一侧的软土地基，其横向变形和竖向变形均远大于处于路堤左侧上坡一侧地地基变形。而对于三倍桩径间距加固斜坡软土地基地模型三