濱海鹽漬土改良試驗(yàn)及釘形攪拌樁承載力評(píng)估

馬永政，王開(kāi)太，盛初根，陳 斌，李占濤

(1.寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315016；2.巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室寧波工程學(xué)院工程軟土實(shí)驗(yàn)分中心，浙江 寧波 315016；3.寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315192)

0 引言

鹽漬土即指地表下一定深度的含鹽土層,其易溶鹽平均含量大于0.3%,且具有溶陷、鹽脹、腐蝕等不良工程特性(公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范JTG C20—2011)。濱海鹽漬土的形成主要是海水倒灌滲入到濱海軟土層地下水中，以及圍海造地、退潮曬鹽等人工活動(dòng)，通過(guò)地表蒸發(fā)導(dǎo)致濱海土含鹽量的增高，成分主要為氯鹽以及少量硫酸鹽。鹽漬土中含鹽礦物往往對(duì)土體工程性質(zhì)產(chǎn)生不利影響，含鹽礦物的沉積、溶解和遷移，會(huì)改變土體結(jié)構(gòu)、孔隙分布，對(duì)土體壓縮性、滲透性、承載力等產(chǎn)生影響；另外含鹽礦物與土顆粒之間存在離子交換等電化學(xué)作用；特別是含鹽量大時(shí)，如超過(guò)5%，對(duì)土體工程性質(zhì)會(huì)有較大影響，危害建筑、構(gòu)筑物的安全使用。

國(guó)內(nèi)外在鹽漬土工程性質(zhì)及病害機(jī)理與防治方面有諸多研究[1]，如：(1)通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)研究土工參數(shù)隨含鹽量變化影響規(guī)律：物理參數(shù)如粒度組成、塑性指標(biāo)隨著鹽分增大呈現(xiàn)有規(guī)律的變化；力學(xué)指標(biāo)如土體內(nèi)摩擦角先增大后減小，壓縮系數(shù)也隨之減少；抗剪強(qiáng)度隨含鹽量增加而減少，到谷底后由于固態(tài)鹽相變化反而增加等[2-4]；(2)開(kāi)展含鹽土溶陷、鹽脹及腐蝕等不良災(zāi)害特性的室內(nèi)外試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)分析研究，如楊保存等[5]開(kāi)展室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)鹽脹變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)；陳煒韜等[6]開(kāi)展凍融循環(huán)對(duì)土工參數(shù)影響的耐久性試驗(yàn)；張洪萍等[7]進(jìn)行溶陷特性的試驗(yàn)研究等；(3)進(jìn)行鹽漬土改良與地基處理措施研究[8]，如采用高分子材料SH固土劑、石灰、水泥、粉煤灰、瀝青等進(jìn)行鹽漬土改良，相關(guān)的研究甚多[9]，經(jīng)外加劑改良的鹽漬土，其強(qiáng)度、抗變形能力和水穩(wěn)性能有顯著的提高。鹽漬土路基處理方法很多，包括鹽化處理、高路基法、隔斷層處理、浸水預(yù)溶加強(qiáng)夯法、化學(xué)處置等。

另外傳統(tǒng)擠密樁法等仍是有效的地基處理方法，其樁類(lèi)型包括如水泥攪拌樁法[10-11]、石灰砂樁、沉管砂石樁法、礫石樁法[12]等。特別是釘形雙向攪拌樁工法，作為變截面水泥攪拌樁工法中的一種，具有攪拌均勻、阻斷冒漿；擴(kuò)大頭可起到類(lèi)似承臺(tái)作用，使得樁基與地基土保持變形協(xié)調(diào)[13]，更具有良好的應(yīng)用價(jià)值。但現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，受含鹽的不利影響等，常規(guī)水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量會(huì)偏低，表現(xiàn)在28 d成樁的取芯率低、抗壓強(qiáng)度也偏低，經(jīng)過(guò)加外加劑改良后，則可大幅提高水泥攪拌樁等的成樁質(zhì)量，不失為有效的地基處理方法。目前除了內(nèi)陸旱地鹽堿土，針對(duì)濱海鹽漬土路基上的攪拌樁軟基處理研究還是比較缺乏。

本文依托浙江寧波象山71省道盛寧線工程，通過(guò)對(duì)濱海鹽漬土土工實(shí)驗(yàn)研究含鹽土的相應(yīng)工程特性，探討利用水泥粉煤灰等混合固化劑改良的材料配合比試驗(yàn)研究，取得相應(yīng)試驗(yàn)分析參數(shù)，并進(jìn)一步通過(guò)理論計(jì)算分析，探討含鹽釘形水泥土雙向攪拌樁基承載能力計(jì)算方法并進(jìn)行評(píng)估分析，供設(shè)計(jì)分析與工程實(shí)踐參考。

1 濱海鹽漬土實(shí)驗(yàn)

1.1 鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

表1 各土層基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic soil physical& mechanical parameters of the stratums

注：帶*數(shù)據(jù)是計(jì)算時(shí)參考取值，非地勘報(bào)告資料提供原始數(shù)據(jù)，以下表2中*號(hào)意義相同。

表2 各土層地基承載力及側(cè)摩阻力參數(shù)Table 2 Bearing capacity and frictional resistance parameters of the stratums

既有研究表明，含鹽量對(duì)鹽漬土的塑性指標(biāo)影響較大[4-5]。本文試驗(yàn)時(shí)分別以②1、②2、③1層土為樣品，烘干后摻入一定質(zhì)量的海鹽細(xì)顆粒，再按表1天然含水量要求進(jìn)行摻水拌勻，測(cè)試不同含海鹽量下土的塑性指標(biāo)，由圖1知，三組土的試驗(yàn)結(jié)果表明：土的液限、塑限都隨含鹽量的增加而降低，在10%的含鹽量以?xún)?nèi)，液限有25%～35%的下降，而且在含鹽量5%以?xún)?nèi)下降較快，而后半部分下降較緩慢；塑限隨含鹽量增加而下降得相對(duì)比較緩慢。

一般研究表明，含鹽量和含水量的變化均一定程度影響剪切強(qiáng)度值(包括黏聚力和內(nèi)摩擦角)[4]，只要是易溶鹽，一般對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)有衰減作用，其機(jī)理上為飽和鹵水土顆粒表面水化膜增厚,削弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)力,從而降低了鹵水飽和狀態(tài)下土的抗剪強(qiáng)度；另外，超過(guò)飽和度后則部分易溶鹽以固態(tài)形式存在，含鹽量增加對(duì)強(qiáng)度參數(shù)有增強(qiáng)作用。本文以②1層濱海土拌合一定海鹽進(jìn)行三軸不排水剪切實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分四組不同含鹽量百分比，設(shè)極限應(yīng)力狀態(tài)為軸向變形12%,位移控制加載速率為0.5 mm/min，由極限莫爾圓近似確定剪切強(qiáng)度參數(shù)，獲得數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，含鹽量10%以?xún)?nèi)的海鹽土，其黏聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)值隨含鹽量增加而降低明顯,其中黏聚力下降比內(nèi)摩擦角下降多。

圖1 塑性指標(biāo)與含鹽量關(guān)系Fig.1 The relationship of soil plastic indexes with the salinity

表3 濱海含海鹽土三軸實(shí)驗(yàn)剪切強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Three-axis test on shear strength parameters of coastal saline soil

1.2 濱海鹽漬土固化劑改良實(shí)驗(yàn)

上述研究表明，含鹽量10%以?xún)?nèi)的海鹽土其物理力學(xué)性質(zhì)都有一定程度的降低，采用水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理時(shí)，除了采用水泥作為單一固化劑，可以研究引入包括粉煤灰在內(nèi)的復(fù)合型固土劑，對(duì)濱海鹽漬土進(jìn)行改良。本文通過(guò)材料配合比試驗(yàn)，研究評(píng)估含鹽量變化對(duì)拌合料常規(guī)強(qiáng)度以及耐久性的影響。試驗(yàn)基本步驟如下：(1)?、?層淤泥質(zhì)土樣，進(jìn)行烘干、搗碎，用細(xì)篩去除夾雜物，拌和均勻，然后加水調(diào)整至天然含水量的土樣，放置24 h后進(jìn)行試驗(yàn)；(2)各種材料用量按以下配合比(表4)準(zhǔn)確稱(chēng)量，采用機(jī)械拌和，倒入70.7×70.7×70.7立方體模具，然后用塑料薄膜覆蓋試件,以防水分蒸發(fā)過(guò)快；(3)試件2 d后拆模，一部分進(jìn)行常規(guī)養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)度試驗(yàn)，一部分放置于溫度為22±2℃、浸泡水中至試驗(yàn)齡期滿(mǎn)。

本試驗(yàn)共分4類(lèi)：水泥+無(wú)鹽土、水泥+海鹽土、復(fù)合固土劑(水泥+粉煤灰)+無(wú)鹽土、復(fù)合固土劑+海鹽土，對(duì)應(yīng)不同海鹽、水泥、粉煤灰摻量，另外常規(guī)養(yǎng)護(hù)7 d、28 d以及分別浸泡純水和含鹽水至90 d，再進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，一共47組，每組3個(gè)用于取平均值，共計(jì)141個(gè)有效試樣，具體如表4所示。

表4 不同材料配合比土體改良試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Soil improvement test results with different material mix propotions

注：帶*表示強(qiáng)度單位為MPa。

從圖2結(jié)合表4可看出：水泥攪拌海鹽土試樣的平均強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間(7 d、28 d、90 d(養(yǎng)護(hù)28 d后再浸泡海鹽水,濃度10%))增加而增加，隨著海鹽含量的增加其強(qiáng)度略有增加，但在海鹽含量大于3%左右，強(qiáng)度隨著海鹽含量增加而減少。而且值得注意的是，養(yǎng)護(hù)28 d后再浸泡鹽水到90 d的強(qiáng)度相比28 d強(qiáng)度增加并不明顯，說(shuō)明鹽水浸泡對(duì)強(qiáng)度有一定弱化作用。從養(yǎng)護(hù)28 d再浸泡無(wú)鹽水(或含海鹽水)直到90 d的強(qiáng)度對(duì)比圖3，浸泡海鹽水的試樣強(qiáng)度要比浸泡無(wú)鹽水的平均低15%左右(R1組試樣除外)，表明含鹽水對(duì)強(qiáng)度起到一定程度的弱化影響。

圖2 水泥+海鹽土的強(qiáng)度隨含鹽量變化關(guān)系Fig.2 Relationship of the baysalt mixing cement soil strength and salinity

圖3 不同試樣浸泡無(wú)鹽水與含鹽水后的強(qiáng)度對(duì)比Fig.3 Contrast of 90d strength of samples in water with that in baysalt solution

另外從表4可知，試樣Q4-Q5兩組水泥摻入比比Q6-Q7兩組試樣的要低5%，但強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前兩組與后兩組的7 d、28 d強(qiáng)度結(jié)果沒(méi)有明顯變化，表明通過(guò)增加水泥摻入比，可以抵消海鹽含量增加對(duì)強(qiáng)度弱化的不利影響。粉煤灰含量和水泥含量相同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)組R1、T2和T4(或試驗(yàn)組T1與T3)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比說(shuō)明，海鹽含量越多則強(qiáng)度越低，但粉煤灰含量較高時(shí)強(qiáng)度變化不明顯；而試驗(yàn)組T1與T2或試驗(yàn)組T3與T4的結(jié)果表明，海鹽含量和水泥含量均相同時(shí)，粉煤灰含量越大則試樣強(qiáng)度越高。

總之，上述試驗(yàn)表明，水泥土樁芯直接含鹽或者浸泡海鹽水，對(duì)于強(qiáng)度都有弱化影響，增加水泥摻入比可以一定程度抵消海鹽對(duì)強(qiáng)度的弱化影響，而增加粉煤灰對(duì)于提高試樣強(qiáng)度有更為明顯效果。

2 釘形攪拌樁基承載力計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)說(shuō)明

上述試驗(yàn)研究表明，含鹽量變化對(duì)濱海土以及水泥攪拌樁的物理力學(xué)性質(zhì)包括水泥土耐久性能，起到一定減弱影響。本節(jié)依托浙江寧波象山71省道盛寧線工程，基于數(shù)值分析進(jìn)一步評(píng)估在上述影響下釘形攪拌樁鹽漬土復(fù)合地基承載能力變化特征。

主要設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如下：(1)土層物理力學(xué)參數(shù)參考表1，其中彈性模量取壓縮模量的5.0倍；①、②1、②2、③1、③2等各土層厚度分別為：3.5 m、2.5 m、1.5 m、8.0 m、2.0 m；(2)釘形水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)樁間距一般為1.8～2.4 m(計(jì)算取2.2 m)，大頭直徑R為0.9 m，高度3.5 m，小頭直徑r為0.5 m，設(shè)計(jì)總深度12.5 m；(3)在樁體參數(shù)方面，重度為20 kN/m3，壓縮模量Es一般可取(100～120)·fcu，本文中水泥攪拌淤泥土平均fcu=0.75 MPa，即可取Es=90 mPa，彈性模量320 mPa，泊松比0.18；(4)在樁-土接觸參數(shù)方面，剪切剛度模量為5.8×104kN/m3，法向剛度模量為6.4×105kN/m3, 取接觸面平均黏聚力12.0 kPa和內(nèi)摩擦角10.0°。設(shè)計(jì)要求單樁豎向抗壓承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于170 kN，復(fù)合地基承載值標(biāo)準(zhǔn)值不小于100 kPa。

本文主要從數(shù)值分析和利用規(guī)范公式兩方面計(jì)算樁基承載力。數(shù)值分析時(shí)采用MIDAS GTS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行建模，所建單樁和四樁復(fù)合地基模型見(jiàn)圖4。研究含鹽量變化對(duì)承載力影響時(shí)，主要考慮的計(jì)算參數(shù)包括：各土層黏聚力和內(nèi)摩擦角、水泥攪拌樁抗壓強(qiáng)度；樁-土接觸面上粘聚力、內(nèi)摩擦角，以及剪切剛度模量。參考前述研究結(jié)果，確定樁土參數(shù)隨含鹽量增加而弱化的系數(shù)列于表5，其中土體粘聚力和內(nèi)摩擦角弱化系數(shù)選取參照表3，樁抗壓強(qiáng)度(取28d強(qiáng)度)弱化系數(shù)選取參照表4，樁-土接觸面粘聚力和內(nèi)摩擦角弱化系數(shù)暫假設(shè)與土體相應(yīng)參數(shù)一致。

圖4 樁基模型Fig.4 Pile foundation analysis model

受影響參數(shù)含鹽量/%01.03.05.010.0土(樁-土界面)黏聚力1.00.930.720.640.58土(樁土界面)內(nèi)摩擦角1.00.850.830.690.78樁抗壓強(qiáng)度1.01.330.870.800.88樁-土剪切剛度模量1.00.930.720.640.58

2.2 單樁P-S曲線及承載力特征值分析

利用上述有限元模型及隨含鹽量變化的樁土參數(shù)，分別計(jì)算單樁P-S曲線如圖5所示，表明隨著含鹽量不斷增加，相應(yīng)樁土力學(xué)參數(shù)弱化，P-S曲線中沉降趨勢(shì)愈加明顯，但其中含鹽10%的試驗(yàn)組因增加了水泥摻量5%，沉降趨勢(shì)并非最大的。承載力特征值則按P-S曲線初值段末尾對(duì)應(yīng)的極限值減半計(jì)算。

此外參考相關(guān)規(guī)范中關(guān)于等直徑樁的樁基承載力計(jì)算公式，對(duì)作為異形樁的釘型樁，本文建議分別從材料強(qiáng)度、樁側(cè)樁端阻力參數(shù)等方面，按以下二式計(jì)算承載力特征值：

Ra=ηfcuAP

(1)

(2)

式中：系數(shù)η=0.3(0.2～0.33)；

α1,α2=(0.4～0.6)；

Ap——樁徑橫截面面積(表示下部樁徑截面積，A2為上部擴(kuò)大頭橫截面積)；

up——擴(kuò)大頭或下部樁的周長(zhǎng),

li——第i層土樁長(zhǎng)；

fcu——立方體試樣90 d單軸抗壓強(qiáng)度；

qsi——第i層土的摩擦阻力特征值；

qp1——樁端地基土承載力特征值,

qp2——擴(kuò)大頭端部地基土承載力特征值。

暫假定土層摩擦阻力以及地基承載力特征值隨土層含鹽量變化的弱化規(guī)律與土層粘聚力的相似，分別按上述不同方法確定的單樁承載力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6,其中利用公式(1)計(jì)算時(shí)，分別按樁大頭和小頭橫截面積計(jì)算的結(jié)果得到曲線①和②，彼此差別大，比較合理的結(jié)果顯然應(yīng)該介于二者之間；按公式(2)計(jì)算結(jié)果曲線③明顯偏大；而按P-S曲線取特征值所得結(jié)果如曲線④相對(duì)合理，本文擬以曲線①、②和④的均值為最終結(jié)果(表6)。

2.3 復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值分析

復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算仍參考等直徑樁基相關(guān)計(jì)算規(guī)范，按如下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

其中面積置換率m為0.13，Ra為單樁豎向承載力特征值，Ap為樁的截面積(取樁大頭或小頭截面積)，β為折減系數(shù)可取0.75(0.5～1.0)，fs,k為地基土承載力特征值(表2)，結(jié)果見(jiàn)表6。

對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，非改良的含鹽濱海土攪拌樁單樁承載力低，通過(guò)加水泥和粉煤灰改良后得到明顯提高，如含鹽5%的攪拌樁承載力計(jì)算為110.8 kN，改良后可達(dá)190.6 kN；同樣，復(fù)合地基承載力相應(yīng)地也可以提高約25%～40%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5 不同含海鹽量的單樁P-S曲線Fig.5 P-S curves of Piles with different sea salt content

圖6 單樁承載力特征值的不同方法分析結(jié)果Fig.6 Different results of single pile bearing capacity eigenvalues

表6 單樁及復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算結(jié)果Table 6 Bearing capacity eigenvalues of single pile and composite foundation

*號(hào)注釋?zhuān)阂员?中T2試樣的90d強(qiáng)度結(jié)果為參照，對(duì)應(yīng)土體含鹽量5%，復(fù)合固化劑為21%。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)濱海鹽漬土物理與力學(xué)試驗(yàn)，表明含海鹽量增加對(duì)土體塑性液性指標(biāo)參數(shù)的不利影響，以及對(duì)三軸剪切強(qiáng)度的弱化影響；

(2)通過(guò)水泥及粉煤灰固化劑改良的水泥土樁芯材料配合比試驗(yàn)；發(fā)現(xiàn)直接含鹽或者浸泡海鹽水，對(duì)于強(qiáng)度都有弱化影響，水泥、粉煤灰可以一定程度抵消海鹽的不利影響，而且后者效果更明顯；

(3)從水泥土材料強(qiáng)度、側(cè)摩阻與端阻力、P-S計(jì)算曲線等方面綜合計(jì)算評(píng)估單樁承載力特征值，在此基礎(chǔ)上分析了復(fù)合地基承載力，表明含海鹽增加對(duì)承載力的不利影響，通過(guò)復(fù)合固化劑改良能滿(mǎn)足攪拌樁處理含鹽量大的軟基承載能力設(shè)計(jì)要求。

本文樁基承載力計(jì)算部分參照等直徑樁的相關(guān)規(guī)程，并提出了一些修改建議，實(shí)際上釘形攪拌樁作為異形樁其承載機(jī)理比等直徑樁更為復(fù)雜，有必要進(jìn)一步研究樁基承載力計(jì)算方法，以及結(jié)合更多工程實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證。

致謝：本項(xiàng)研究受浙江省自然科學(xué)基金(LY16E040002)、寧波市交通委規(guī)劃課題(201506)的聯(lián)合資助，在此致謝。