排水松木樁處理軟土地基界面強度特性試驗研究

吳莉民，柴新軍，周 鵬

（東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013）

0 引 言

近年來，隨著工程建設(shè)的大力發(fā)展，多種現(xiàn)代施工機械、施工技術(shù)廣泛地應(yīng)用于軟土地基處理［1-6］，松木樁這種古老的軟土地基處理技術(shù)逐漸被工程界所遺忘。我國早在隋朝時期就有利用松木樁處理軟土地基的例子，從廢棄的樁基中拔出的松木樁樁體來看，經(jīng)過幾百年的荷載作用，木材的材質(zhì)和成色均反映出材料具有持續(xù)的強度［7-9］。

如今，工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境相互依存的理念已貫穿于工程建設(shè)中。多種現(xiàn)代地基處理技術(shù)（如攪拌樁、CFG 樁等）對砂、石、水泥等資源消耗大，與地質(zhì)環(huán)境協(xié)調(diào)性差等問題被工程界所重視；基于此，在中小規(guī)模水工構(gòu)筑物地基處理中，傳統(tǒng)松木樁具有環(huán)境友好、工藝簡單、可逆性加固等優(yōu)勢［10］。對其基材的物理性質(zhì)改良也一直在持續(xù)推進中，而在松木樁外包裹排水結(jié)構(gòu)層可將排水功能與加固功能復(fù)合于一體，改良原有的加固方式。

課題組先期研究了排水松木桿復(fù)合地基群樁模型試驗，試驗表明排水松木桿加固處理軟土地基能夠加速土中孔隙水的消散、土體的抗剪強度和承載能力均有顯著改善［11-13］；松木桿外包裹的排水結(jié)構(gòu)層具有徑向排水的途徑，使得排水松木桿不僅具備加筋以及強制置換土體的作用，還具備排水固結(jié)的作用。為進一步研究其界面強度增長機理；評估其加載速率和承載能力之間的關(guān)系，本課題組在前人研究的基礎(chǔ)上完善了室內(nèi)試驗，采用單樁模型，通過固結(jié)及拉拔試驗相結(jié)合，研究排水松木樁固結(jié)與界面強度增長特性的關(guān)聯(lián)性，為排水松木樁工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ图八脙x器

排水松木樁處理軟土地基界面強度特性研究試驗?zāi)Ｐ透鶕?jù)實際工程采用 10 倍等比例縮小。柱狀模型為一個敞口的圓柱狀容器，成分為聚甲基丙烯酸甲酯，抗拉抗壓性能良好，能在反復(fù)荷載作用下不發(fā)生變形。尺寸設(shè)計為D=100 mm，H=150 mm，排水松木桿尺寸選用φ10 mm×100 mm，松木桿作為芯材，排水結(jié)構(gòu)層為無紡?fù)凉げ?，試驗前將無紡?fù)凉げ加妹蘧€緊密貼合纏繞在松木桿上制得排水松木桿，土樣取用江西南昌碟子湖淤泥質(zhì)土，呈流塑狀態(tài)。

固結(jié)試驗采用室內(nèi)軟土地基的加固模型試驗的加載及位移傳感裝置，加載的動力由空氣壓縮機提供，可提供一個持續(xù)的荷載。位移指示器與位移傳感器相連，可以測得試樣在荷載作用下的固結(jié)沉降變化。拉拔力測試裝置與位移傳感器相連測定樁土的極限抗拉拔力與土體和筋材的相對位移。

1.2 試驗方案

試驗研究了不同預(yù)壓（6.25、12.5、25、50、100、200、300 kPa）和不同排水結(jié)構(gòu)層（0、2、4 層）情況下排水松木樁處理軟土地基的固結(jié)排水性能和界面摩擦特性，每級荷載在固結(jié) 24 h 后施加下一級荷載。土的基本物理參數(shù)如表1所示，對比不同固結(jié)壓力（100 kPa、300 kPa），排水結(jié)構(gòu)層（0、2、4 層）在相同固結(jié)時間情況下固結(jié)及界面強度增長機理，方案設(shè)計如表2所示。

表1 試驗土基本物理指標

其中試驗 N0-7、N2-7、N4-7 對比了排水土工布的包裹層數(shù)對排水松木桿加固柱狀軟土層固結(jié)效果及拉拔力的影響；試驗 N2-7、N2-5 對比不同固結(jié)壓力情況下排水松木桿的極限抗拉拔力影響。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括不同排水結(jié)構(gòu)層、不同固結(jié)壓力下排水松木桿加固柱狀軟土層的固結(jié)壓縮指標計算，拉拔力和相對位移可通過室內(nèi)小型拉拔儀直接測得。由于固結(jié)試驗所呈現(xiàn)的圖為e-p曲線圖，而試驗實測數(shù)據(jù)為沉降量，因此要對沉降量與孔隙比之間進行公式換算，如式（1）～（2）所示。

①由三項基本物理指標計算試樣初始孔隙比e0，如式（1）所示：

表2 試驗設(shè)計方案表

式中：ρω為水的密度，g·cm-3；ρ0為試樣的初始密度，g·cm-3；ω0為初始含水率，%；GS為土粒比重；e0為初始孔隙比。

②各級壓力沉降穩(wěn)定后的孔隙比ei，如式（2）所示：

式中：Δh為某級固結(jié)壓力下試樣的沉降量，mm；h0為試樣初始高度，mm；ei為各級壓力沉降穩(wěn)定后的孔隙比；hi為各級壓力沉降穩(wěn)定后的試樣高度，mm。

2.2 試驗結(jié)果分析討論

以孔隙比e為縱坐標，壓力p橫坐標，繪制e-p曲線（見圖1）；以相對位移為橫坐標，拉拔力為縱坐標，繪制位移-拉拔力曲線（見圖2～4）。

1）從圖1 可以看出，相同固結(jié)壓力和時間下，排水結(jié)構(gòu)層越多排水固結(jié)累積沉降量越大，孔隙比e隨壓力變化曲率越大，排水結(jié)構(gòu)層可提供一個徑向排水通道；桿徑 10 mm 包裹兩層排水土工布的松木桿較桿徑10 mm 純松木桿的固結(jié)排水性能好，而桿徑 10 mm 包裹2 層土工布的固結(jié)累積沉降量較桿徑 10 mm 包裹 4 層土工布的固結(jié)排水效果基本相差不大。

2）對比圖2～4 可以看出，相同固結(jié)壓力、不同排水結(jié)構(gòu)層條件下，隨著排水結(jié)構(gòu)層的增大，其極限抗拉拔力也越大；桿外包裹的排水土工布與周圍土體接觸的表面積越大，增大了排水邊界和土體與松木桿之間的契合度，有利于排水松木桿排水能力的提高和界面上摩擦力的提高。桿徑為 10 mm 包裹 4 層土工布的排水松木桿極限拉拔力 80 N，較桿徑為 10 mm 純松木桿極限拉拔力 70 N 大；而桿徑為10 mm包裹 4 層土工布排水松木桿較桿徑 10 mm 包裹 2 層土工布應(yīng)力應(yīng)變速率更為緩慢，能更好地對土體破壞起到提前預(yù)警作用。

圖1 不同排水結(jié)構(gòu)層松木桿加固軟土固結(jié) e-p 曲線

圖2 桿徑10 mm、2 層土工布排水松木桿加荷至 300 kPa 位移-拉拔力曲線

圖3 桿徑 10 mm 純松木桿加荷至300 kPa 位移-拉拔力曲線

圖4 桿徑10 mm、4 層土工布排水松木桿加荷至 300 kPa 位移-拉拔力曲線

3）圖5 為不同固結(jié)壓力排水松木桿位移-拉拔力曲線。從圖5 可以看出，在排水結(jié)構(gòu)層相同的情況下，隨著固結(jié)壓力的增大排水松木桿極限抗拉拔力增大，試驗結(jié)果分析如表3所示。

表3 試驗結(jié)果分析表

圖5 不同固結(jié)壓力排水松木桿位移-拉拔力曲線

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

1）相同桿徑的松木桿外包裹不同層數(shù)土工布時，因界面上靜摩擦力增大導(dǎo)致相互之間契合度高，拉拔力增大，應(yīng)力應(yīng)變更為緩慢，能有效預(yù)防土體快速破壞。

2）相同桿徑不同排水層結(jié)構(gòu)的松木桿，隨著排水層結(jié)構(gòu)的增大，其排水能力也增大。

3）相同桿徑相同排水層結(jié)構(gòu)的松木桿，固結(jié)壓力增大，對應(yīng)的極限拉拔力也增大。

4）排水松木桿處理的柱狀軟土層早期固結(jié)沉降效果顯著，有助于軟土層前期強度的提高，且能在一定壓力范圍內(nèi)固結(jié)依然能保持較好的排水效果。

3.2 建議

1）本試驗僅對部分方案進行了探討，揭示了排水松木樁的固結(jié)及拉拔的規(guī)律，排水松木樁本身排水加固機理較復(fù)雜，若應(yīng)用于工程實際還應(yīng)進行現(xiàn)場測試，本試驗對其固結(jié)拉拔規(guī)律性可作為參考。

2）本試驗為室內(nèi)模型試驗，所用土樣均為擾動土，與天然狀態(tài)的土體存在差異?？稍鲈O(shè)現(xiàn)場原位測試與其對比說明。

3）本試驗柱狀模型尺寸固定，即排水松木桿的排水有效影響半徑均相同，且豎向排水通道長度一致，未考慮排水松木桿長度、直徑對排水固結(jié)效果的影響。建議設(shè)計多種尺寸模型及排水松木桿，探討孔徑比及排水松木桿長度、直徑對排水固結(jié)性能和拉拔力的影響規(guī)律。