強力攪拌頭就地淺層固化地基承載特性研究

王 穎,李 斌,陳永輝,徐 鍇,季小英

(1. 河海大學 巖土工程科學研究所，南京 210098；2. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；3.31省道北延紹興市區(qū)段工程建設指揮部,紹興312000；4.南京水利科學研究院 巖土工程研究所，南京 210029)

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強力攪拌頭就地淺層固化地基承載特性研究

王 穎1,2,李 斌3,陳永輝1,2,徐 鍇4,季小英3

(1. 河海大學 巖土工程科學研究所，南京 210098；2. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；3.31省道北延紹興市區(qū)段工程建設指揮部,紹興312000；4.南京水利科學研究院 巖土工程研究所，南京 210029)

針對某公路低填軟基路段,為了滿足地基承載力的要求,采用土體就地固化軟基處理技術進行淺層處理以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的換填法，并采用ALLU強力攪拌頭系統(tǒng)進行施工。主要從室內試驗、現(xiàn)場試驗、理論分析三個方面研究土體就地固化處理技術及處理后的承載特性。通過室內無側限抗壓強度試驗得到不同固化劑成分及含量下的抗壓強度變化規(guī)律，確定固化處理所需的固化劑成分及含量。采用ALLU攪拌系統(tǒng)(強力攪拌頭)不同的施工方式對土體進行就地固化處理,從結果發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場強度與室內強度的比值在0.37～0.66之間；并從荷載板試驗、標準貫入試驗及靜力觸探試驗三個試驗結果得到就地淺層固化處理后的承載特性；將就地固化處理的承載結果與三種不同理論承載力結果進行對比和分析，提出設計理論，為后續(xù)施工提供依據(jù)。

軟基工程；就地固化處理；無側限抗壓強度；強力攪拌系統(tǒng)；地基承載力

在公路建設中，低填土路基或淺層軟土路段換填法存在一定的局限性[1]。因此，可對表層軟土進行就地固化[2-11]的地基處理方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的換填法。ALLUPMX300HD強力攪拌頭系統(tǒng)于就地固化地基處理工程[12-13]中可實現(xiàn)快速固化施工，無需分層，可直接對原位土進行固化處理，形成就有一定強度的板體結構，用以擴散應力和抑制水平位移。

對多層地基的承載力特性的研究主要從極限平衡法、極限分析法、試驗方法及有限元數(shù)值分析。針對多層土的地基承載力公式，利用極限平衡法，即假定滑動面形狀，通過對滑移體的靜力平衡分析推到出地基承載力，徐洋、謝康和[14]等根據(jù)極限平衡理論，推導出了復合雙層地基的極限承載力計算方法。秦會來、黃茂松[15]將一種新的多塊體離散模式的上限方法應用于雙層地基極限承載了的計算。另一種方法是采用室內試驗得到地基承載力經(jīng)驗公式，楊果林[16]揭示了路堤荷載下上硬下軟雙層地基的破壞模式為刺入剪切破壞，并給出破壞時的承載力計算公式；最常用和最簡易的地基承載力計算方法利用大型有限元軟件進行模擬計算，得到地基承載力Merifield[17]利用有限元單元方程預測到多層土的地基承載力。張其一[18]等基于土體極限平衡理論與通用有限元軟件ABAQUS，針對復合加載情況下上硬下軟的雙層不排水飽和軟黏土地基的極限承載力，進行了大量的數(shù)值計算。本文將ALLUPMX300HD強力攪拌頭系統(tǒng)應用于31省道北延線紹興市區(qū)普通路段中，為了研究采用的就地固化處理方法的處理效果，通過室內試驗無側限抗壓強度研究不同固化劑針對特定土的固化效果，并將其用于現(xiàn)場試驗中，得到適宜的施工工藝，并通過荷載試驗、標準貫入試驗及靜力初探試驗研究經(jīng)就地固化處理后的地基承載力和固化土的強度問題,并與理論和經(jīng)驗公式進行對比，為工程的進一步開展提供依據(jù)。

1 室內固化試驗

1.1 試驗材料

本次試驗采用的土樣是31省道北延線紹興工地的表層土，取樣深度在地表下2.0m以內，所取的土樣為深灰色淤泥質粉土，其物理力學性質如表1。

表1 淤泥質粉土的物理力學指標

1.2 試驗過程

固化劑添加時，為了模擬現(xiàn)場的施工情況，水泥是以水泥漿劑的形式添加至原狀土中，水灰比為1:0.5，并在1h內將固化土制成無側限土樣；石灰和石膏的添加是以粉劑的形式添加到原狀土中，為了使石灰的反應充分，悶料一天后進行制無側限樣。

本次試驗采用的水泥是P.O42.5的水泥；石灰采用的是生石灰，等級為一級。

1.3 試驗結果

室內試驗主要進行如下方面的研究：

(1)研究單一水泥系固化劑或石灰系固化劑對固化土的強度影響，試驗結果如下所示：

通過圖1和圖2結果發(fā)現(xiàn)，針對此種淤泥質粉土，添加水泥和石灰后的固化土強度隨時間增長，增長線為對數(shù)形式。從不同齡期的無側限抗壓強度的數(shù)據(jù)顯示水泥系固化劑的處理效果比石灰系固化劑的處理效果要好。從圖2的變化率發(fā)現(xiàn),水泥含量增加越多，強度增加率逐漸降低。

使用單一水泥處理時，養(yǎng)護28d的水泥固化土的強度約為4d強度的1.8倍，是7d強度的1.5倍，是14d強度的1.2倍，以此為基礎，可以估算同一種土的不用時間的固化效果。

(2)水泥系固化劑和石灰系固化劑以不同比例混合對固化劑的強度影響；

對于水泥系固化劑和石灰系固化劑混合下，圖3所示的強度增長線為指數(shù)形式。并且通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，石膏處理后的效果要高于石灰處理后的效果，同時比較28d的無側限抗壓強度，6%水泥和2%石膏處理后的后期強度比單一的8%水泥處理強度提高0.8%，固化劑總量不變的情況下，石灰和石膏大量添加反而使強度降低。但是施工中，石膏的存在可增加水泥的初凝時間，并且容易在泥漿池中沉降，所以用石膏處理時，需以干粉單獨添加合適。

針對淤泥質粉土，6%水泥和2%石膏與8%水泥固化效果對比發(fā)現(xiàn)，6%水泥和2%石膏造價比8%水泥的造價高，超過強度增加幅度，所以選擇單一水泥進行處理比較合適。

本工程為了滿足設計的強度要求,選擇兩組方案進行現(xiàn)場試驗，一種取7%水泥，處理厚度為1.5m；另一種為4%水泥，處理厚度為2.7m，進行現(xiàn)場試驗，同時水泥以漿液的形式與原位土進行混合，水灰比控制1:0.5。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 現(xiàn)場施工工藝

在31省道北延線紹興市區(qū)路段中選擇50m進行現(xiàn)場試驗研究，本試驗采用ALLUPMX300強力攪拌頭系統(tǒng)進行就地固化處理方法進行處理，強力攪拌頭系統(tǒng)包括強力攪拌頭攪拌系統(tǒng)和漿劑的供料系統(tǒng)，其中強力攪拌系統(tǒng)在于其可有效均勻快速的拌合土體，攪拌點的智能定位可以減少加固盲區(qū)，提高拌合效率；漿劑供料系統(tǒng)可以較好的控制水灰比，同時可以控制每區(qū)塊的固化漿劑的含量。利用ALLUPMX300強力攪拌頭系統(tǒng)進行就地固化處理方法進行處理的具體的施工工藝流程如圖4，最關鍵的工序為就地攪拌固化處理，一般采用垂直上下的攪拌處理方法，但當遇到原狀土強度較高，需要對原位土進行預松土，之后采用翻送分層固化處理方法，具體的采用兩種不同的施工方法見圖5。

2.2 現(xiàn)場試驗

在兩種工況下進行載荷板試驗、標準貫入試驗及單橋的靜力觸探試驗，以研究經(jīng)就地固化處理后的承載特性。

(1) 載荷試驗

圖6為28d現(xiàn)場靜載荷試驗的結果，結合建筑地基淺層平板載荷試驗規(guī)范和雙曲線擬合的結果，得到經(jīng)就地板塊固化處理后地基表面承載力分別為590.4kPa和360kPa。通過比較兩種工況發(fā)現(xiàn)，地基承載力與持力層的不排水剪切強度及處理厚度均有關系，通過比較兩種因素的影響，發(fā)現(xiàn)持力層的不排水剪切強度所占的比例比較大。

表2 標準貫入值與地基承載力之間的關系

試驗點貫入深度/m固化劑含量/%處理深度/m齡期/d錘擊數(shù)平均數(shù)地基容許承載力/kPa處理厚度1.5m0.50～0.9571.5060263740.95～1.4071.506024346處理厚度2.7m0.50～0.9542.6028111640.95～1.4042.6028101501.40～1.8542.602871081.85～2.3042.60286.5101

同時對就地固化處理后的場地進行無側限抗壓強度測定，得到的結果如下：用7%水泥處理1.5m，28d平均的無側限抗壓強度為279.9kPa；用4%水泥處理2.7m，28d無側限抗壓強度為166.4kPa；原位土的無側限抗壓強度為42kPa。將現(xiàn)場取樣得到的無側限抗壓強度與室內無側限抗壓強度對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場無側限抗壓強度與室內無側限抗壓強度的比值在0.37～0.66之間。

(2)標準貫入試驗

經(jīng)就地板塊處理28d后，不同深度標準貫入30cm的錘擊數(shù)見表2，發(fā)現(xiàn)錘擊數(shù)隨深度變小，說明就地固化的承載效果隨深度變化而變小。表層位置處由于外界的影響，水分消散較快，水化反應充分，同時由于攪拌均勻度等因素的影響，導致地基承載力在不同深度處不同。而且通過結果發(fā)現(xiàn)，表面標準貫入得到的地基承載力結果與靜載試驗得到的結果相差26.7%和8.9%。

(3) 靜力觸探試驗

從28d就地板塊處理的平均靜力初探比貫入阻力隨深度的變化圖發(fā)現(xiàn)，平均貫入阻力隨深度的變化而變小，兩種情況下最大的貫入阻力均發(fā)生淺層位置處，而且就地固化處理后的固化土的靜力初探比貫入阻力值均大于未處理的結果。靜力初探比貫入阻力的結果隨深度變小的原因與標準貫入試驗貫入值隨深度變化的結果相同。

3 地基承載特性分析

為了研究就地固化處理后地基的承載力特性，本文采用計算方法進行分析，并與實測結果進行對比。經(jīng)就地固化處理后形成上硬下軟的近似雙層地基，進行淺層地基承載力計算時，需驗算表面承載力和下臥層的地基承載力。下臥層的地基承載力利用擴散原理進行驗算。本文取φ=0°時地基表面承載力簡化為公式為：

fu=c2Nm+q

(1)

式中：c2為持力層土的不排水剪切強度，kPa；q為基礎兩側的超載，kPa；Nm為考慮層狀土影響的修正承載力系數(shù)。

上式中承載力系數(shù)是確定地基承載力的關鍵，國內外學者對此值進行研究，當荷載的影響范圍超過持力層厚度時，承載力系數(shù)一般與上下土層的不排水剪切強度、持力土層的厚度與基礎寬度的關系等有關；當荷載的影響范圍未超過持力層厚度時，承載力系數(shù)是根據(jù)均一地基的承載力系數(shù)確定的。首先根據(jù)基礎寬度確定荷載的影響范圍，之后確定承載力系數(shù)。布隆和邁耶霍夫[19]通過模型試驗及經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式得到四邊形的地基承載力系數(shù):

式中 ：β=BL/[2(B+L)H]，kc=c1/c2；c1為下臥層的不排水剪切強度，kPa；Nc、sr分別為太沙基承載力系數(shù)和基礎形狀系數(shù)；B,L為基礎的寬度和長度。

Chen(1975)[20]假定圓弧形的破壞曲線(如圖8)，在此破壞曲線下和極限平衡法得到條形定理基礎的地基承載力系數(shù)與上層厚度和c1/c2有關系，推導出條形基礎下的承載力系數(shù)公式為:

(2)

同時Merifield(1999)[17]利用上下限定理和有限單元法組合，得到條形基礎的承載力系數(shù),具體變化如圖所示:

現(xiàn)場進行靜載荷試驗的尺寸為1m×1m，條型基礎的地基承載力系數(shù)可根據(jù)太沙基修正系數(shù)進行修正得到方形下的承載力。針對以上三種處理情況，不同的c2/c1下的承載力系數(shù)變化對比。

通過不同的c2/c1下的承載力系數(shù)變化對比發(fā)現(xiàn)(如圖9)，承載力系數(shù)隨著厚度的增加而增加，最后均趨向于恒定的值。三種方法得到的恒定值分別為：6.17、6.62、6.38。將三個系數(shù)與太沙基系數(shù)比較，結果相差0%、3%和8%。利用理論公式(1)、(2)得到驗算，具體的結果見表3。

表3 理論與實際承載力結果比較

處理方式上下層剪切強度比理論計算承載力系數(shù)極限承載力/kPa與實測結果比較處理厚度1.5m4.95布隆和邁耶霍夫6.17647.69.6%Chen(1975)6.22653.110.6%Merifield(1999)5.47574.42.7%處理厚度2.7m2.97布隆和邁耶霍夫6.17385.06.9%Chen(1975)6.62413.114.7%Merifield(1999)6.37397.510.4%

考慮到地基攪拌過程的不均勻性，持力層的抗剪強度乘以一個折損系數(shù)，此系數(shù)為0.75。三種理論得到的承載力與現(xiàn)場實測的結果誤差均在15%以下，可采用布隆和邁耶霍夫簡化的公式進行預測和設計。

4 結 論

1)針對此種特有的淤泥質粉土，水泥系固化效果比石灰的處理效果要好。對于水泥系固化劑和石灰系固化劑混合固化時，強度可按指數(shù)形式進行預測。石膏添加時適宜以粉劑的形式進行添加,以免水泥的初凝過快,造成水泥管堵塞。

2)采用ALLUPMX300強力攪拌頭系統(tǒng)就地固化處理方法進行處理,攪拌時遇到較軟土質時，采用原位垂直上下攪拌固化式處理，當攪拌裝置無法直接攪拌時，采用翻送分層固化式攪拌處理。

3)就地固化處理后用標準貫入試驗和靜力觸探試驗進行預估地基承載力，與現(xiàn)場試驗結果相差8%～27%，可用簡便的現(xiàn)場試驗預估地基的承載力結果。

4) 經(jīng)就地固化處理形成的雙層地基的上硬下軟的地基，取三種地基承載力承載力系數(shù)確定的承載力與現(xiàn)場試驗的地基承載力比較，發(fā)現(xiàn)三種計算條件下的地基承載力與實測值誤差均在15%以下。并且得到就地固化。

5)本文主要將就地固化技術應用于低填土道路的淺層固化處理中，但當高填土時，承載力要求高或對工后沉降要求比較高時，可將就地固化處理與復合地基組合應用處理。

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(責任編輯李軍)

Studyofthecharacteristicofbearingcapacityonmassstabilizationofin-situbyusingpowermixingtool

WANGYing1, 2,LIBin3,CHENYonghui1, 2,XUKai4,JIXiaoying3

(1.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China; 2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineeringHohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China;3.ConstructionHeadquartersofHighway31northextensionsectioninShaoxing,ZhejiangShaoxing31200,China;4.GeotechnicalEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,JiangsuNanjing210029,China)

Thefoundationtreatmentmethodwhichwasmassstabilizationin-situwasproposedinordertoinsteadofthereplacementmethodatthelowfillingembankmentroad,astomeetthebearingcapacityofroaddesign.Thelaboratory，theoreticalcalculationandfieldtestswereappliedtoresearchonthemassstabilizationandthebearingcapacity.Thecompositionandcontentofthecuringagentsweredeterminedbythevariationofunconfinedcompressivestrengthinthelaboratorytest.TheanalysisofusingdifferentwaysofconstructionofALLUmixingsysteminsitushowsthatthefieldstrengthandindoorstrengthratioisbetween0.37to0.66 ;Thebearingcapacityofmassstabilizationwasobtainedfromtheloadplatetest,standardpenetrationtestandstaticconepenetrationtestsusingALLUPMX(powermixingtool)insitu.Andbearingcapacityofmassstabilizationinsituwascomparedwiththreedifferenttheoreticalcalculations.Designtheoryisputforward,providingthebasisforthefollow-upconstruction.

softfoundationengineering;massstabilization;unconfinedcompressivestrength;ALLUPMX(powermixingtool);bearingcapacity

2016-01-13

水利部“948”項目(201435);浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2012H29)；浙江省交通運輸廳科技計劃項目( 2011H21)；山東省土木工程防災減災重點實驗室開放課題(CDPM2014ZR01)

王穎(1987-)，女，山東濰坊人，博士，研究方向為獲基處理與基礎工程。

1673-9469(2016)02-0039-06doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.009

U416.1

A