樁基與膨脹土浸水室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

羅文豪，王金淑，饒 鴻

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756)

膨脹土是一種具有裂隙性、脹縮性和超固結(jié)性的高塑性黏土，在天然狀態(tài)下較穩(wěn)定，但對含水率的變化特別敏感[1]。在膨脹土的地域搭建橋梁、開挖邊坡與隧道時(shí)，膨脹土的親水膨脹性會導(dǎo)致與地基發(fā)生抬升、移動從而造成生命財(cái)產(chǎn)的損失[2]。樁基礎(chǔ)是處理膨脹土問題的最有效的方法之一，然而開展大型原位試驗(yàn)是復(fù)雜、困難的。而目前有學(xué)者[3-6]基于相似理論開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，模擬樁基與膨脹土浸水作用并取得了不錯的成效。為此本文通過自制膨脹土和樁基開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，為工程設(shè)計(jì)提供參考意義。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與參數(shù)

1.1 模型箱設(shè)計(jì)參數(shù)

模型箱的尺寸長×寬×高為1 m×0.3 m×1 m，壁厚20 mm，材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃。模型側(cè)面粘貼有刻度尺，用于分析各層土的膨脹變形。在模型右側(cè)面底部有一直徑為20 mm透明排水管，其目的是防止加入水量過多，連通器原理使模型箱的水位應(yīng)與導(dǎo)管中的水位一致，通過明確導(dǎo)管中水位的高度可以實(shí)時(shí)了解模型箱中水位線的位置。

此外，在模型箱的側(cè)面有安裝3排寬度約50 mm的角鋼條，目的一是防止膨脹力過大造成模型箱崩壞，二是頂部的鋼條便于放置傳感器顯示器和固定百分表。

1.2 膨脹土參數(shù)

膨脹土的質(zhì)量配比為蒙脫石∶砂∶高嶺土=7∶6∶1，初始含水率配置為13 %。通過試驗(yàn)測得了配置土體的物理性質(zhì)指標(biāo)，其相關(guān)的參數(shù)如表1所示。

表1 膨脹土的物理性質(zhì)參數(shù)

土體的自由膨脹率為84 %，屬于中等膨脹性質(zhì)的土，現(xiàn)將配置好的土體分層夯實(shí)填入模型箱中。為使?jié)补嗟乃菀紫聺B，各層膨脹土之間以20 mm厚透水性能好的砂土間隔，并在土層頂部布置有砂井貫穿整個(gè)膨脹土層，模型箱底部以砂土墊底。土層厚度及參數(shù)如模型正面示例圖1所示。

圖1 模型箱中土層高度示例(單位:mm)

1.3 樁基設(shè)計(jì)與樁土作用力監(jiān)測系統(tǒng)

以外徑為31 mm、內(nèi)徑28 mm的PVC管模擬等直徑樁基，樁基由4根單樁組成，編號分別為1#～4#，樁入土深度分別為2.5 cm、10.2 cm、19.2 cm。40.7 cm，樁間距為200 mm。各樁的入土深度及相應(yīng)的埋藏位置見圖2。

圖2 樁基與傳感器布置示例(單位:mm)

PVC管表面光滑，為增大樁側(cè)表面的摩擦系數(shù)，用環(huán)氧樹脂膠水涂抹在管側(cè)壁，粘貼一層薄的石英砂顆粒。實(shí)際工程中樁基都是承受荷載的，為此在樁頂安放砝碼模擬樁基承受的豎向荷載作用，其荷載大小為16.55 kPa。各樁頂上均安裝有百分表監(jiān)測樁頂在浸水膨脹變形過程中的位移抬升量。除此之外，在土體表層處亦布置有百分表監(jiān)測土層的自由膨脹變形，并在樁周不同深度處有安裝4個(gè)傳感器監(jiān)測土中水平應(yīng)力。樁基布置及傳感器安裝的位置與深度見圖2所示。

1.4 灌水方案

試驗(yàn)以人工灌水的形式加水，加水速率約為1 100 mL/h，每日加水時(shí)間約為8～16 h。試驗(yàn)持續(xù)加水5 d，一共灌水60.6 L，此時(shí)水面高過土層表面表明土層已飽和，故停止加水。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 樁身抬升規(guī)律

圖3～圖6分別反映了1#～4#樁身抬升量隨時(shí)間變化的規(guī)律，圖7將1#～4#樁的抬升量與土表層隆起量進(jìn)行了對比。

圖3 1#樁抬升量與時(shí)間的關(guān)系

圖4 2#樁抬升與時(shí)間的關(guān)系

圖5 3#樁抬升量與時(shí)間的關(guān)系

圖6 4#樁抬升量與時(shí)間的關(guān)系

圖7 1#～4#樁抬升量及土層表隆起量與時(shí)間的關(guān)系

從圖7中可以看出各樁身抬升變化在整體上具有相似的增加規(guī)律，在同一時(shí)段內(nèi)均具有急劇上升趨勢和平緩上升趨勢。各樁身位移主要變化在前140 h內(nèi)，在這段時(shí)間內(nèi)樁身位移大致經(jīng)歷先后兩個(gè)急劇抬升階段，140 h之后各樁身均平緩上升，1#～4#樁分別在353.6 h、544.4 h、498.3 h、219.7 h時(shí)間點(diǎn)達(dá)到抬升位移最大值。

在隨后的時(shí)間段內(nèi)，通過圖3～圖6可以看出各樁身抬升位移有不同程度的下降，3#、4#樁下降最明顯，而1#、2#樁下降不明顯，這是由于3#、4#樁較長，底部膨脹土層薄而無法提供相應(yīng)的樁端承載力，樁基在自重和上部荷載下擠壓飽和松散的土體使樁底的土體固結(jié)，反映出土體逐漸達(dá)到飽和后不再吸水膨脹。

通過記錄數(shù)據(jù)得到1#樁抬升最大，4#樁最小，1#～4#樁身的抬升位移最大值分別為9.84 mm、6.53 mm、2.68 mm、0.60 mm，所占其樁長的比值分別約為87.73 ‰、31.0 ‰、9.63 ‰、1.10 ‰，樁長與抬升量呈負(fù)相關(guān)。由于各根樁頂荷載相同，均為16.55 kPa，因此將各樁身的最大抬升量與樁長進(jìn)行擬合，得到它們之間的函數(shù)關(guān)系呈對數(shù)形式(圖8)。

圖8 豎向荷載下樁長與樁身的關(guān)系

2.2 樁身軸力變化規(guī)律分析

土體中不同深度處埋設(shè)4個(gè)監(jiān)測土中水平應(yīng)力的傳感器，其埋設(shè)位置見圖2，埋設(shè)深度分別為25 mm、102 mm、192 mm、407 mm。不同時(shí)刻土體中的水平應(yīng)力如圖9所示，隨著加水過程的進(jìn)行，土中峰值水平應(yīng)力不斷增大，峰值的位置不斷向土層深部移動。

圖9 土體中的水平應(yīng)力沿深度變化關(guān)系曲線

為分析樁身軸力隨時(shí)間的變化，我們不妨假設(shè)模型箱中土體是均一、各向同性的，因此土體中的水平應(yīng)力可以認(rèn)為是作用在樁周上的。以4#樁為例，通過計(jì)算得到了4#樁的樁身軸力沿樁身的分布曲線(圖10)。

圖10 4#樁軸力沿樁身分布

由圖10不難看出，由于樁頂存在荷載故在樁尖上部軸力為受壓的負(fù)值，其它部位受浸水膨脹作用樁身表現(xiàn)出拉應(yīng)力。從形態(tài)上看，各個(gè)時(shí)間段軸應(yīng)力沿樁身均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并且隨著時(shí)間增加，樁身軸應(yīng)力在各個(gè)深度有不斷增大的趨勢，達(dá)到最大值后所有減小。軸應(yīng)力在樁身中下部達(dá)到應(yīng)力峰值點(diǎn)，樁身軸力的峰值即為脹切力，通過計(jì)算脹切力最大值約為229 N；軸力峰值點(diǎn)的位置即為中性點(diǎn)的位置，中性點(diǎn)以上樁身軸力沿樁身增大，中性點(diǎn)以下軸力沿樁身減小，在樁底減小到0。

2.3 膨脹變形沿土層深度變化規(guī)律

如前文圖1所示，模型從上至下共有4層膨脹土，每層層厚均為150 mm，各膨脹土層之間由薄砂土層隔開，因此各層膨脹土與砂土層有清晰明顯的分界線，模型箱各側(cè)面已有刻度尺標(biāo)記模型箱的標(biāo)高。由于砂土不會隨著浸濕過程產(chǎn)生膨脹變形，因此各層膨脹土的沉降變化可以通過記錄土層分界線的高度變化反映出來。

為避免人工讀數(shù)造成的誤差，模型箱側(cè)面共設(shè)計(jì)有6組刻度尺，通過計(jì)算得到各組刻度尺上標(biāo)記的土層厚度，取它們的平均值作為各膨脹土層的厚度進(jìn)行分析。

圖11反映了從上至下各層膨脹土層在不同時(shí)間點(diǎn)相比初始時(shí)刻的厚度變化量?？梢钥闯鲈诩铀蟮?、2層土最先膨脹，而第3、4層土由于水下滲需要時(shí)間，在約19.4 h時(shí)才開始膨脹，最終第1、4層的膨脹量比第2、3層要大一些。

圖11 各層膨脹土厚度隨時(shí)間變化的關(guān)系

圖12給出了8.9 h時(shí)刻土體的膨脹量隨土層深度變化的規(guī)律，結(jié)合圖11可以看出，在8.9 h時(shí)上部1、2層大致呈線性膨脹，膨脹深度約從0～250 mm，而下部3、4層由于只有少量的水滲至該高度，故基本未出現(xiàn)膨脹。

圖12 8.9h時(shí)膨脹量與土層深度關(guān)系

圖13給出了19.4 h時(shí)土體的膨脹量隨土層深度變化的規(guī)律，此時(shí)膨脹量與深度之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系。結(jié)合圖11不難看出該時(shí)段第1層膨脹加快，而下部2～4層土自身膨脹較緩慢，說明仍僅有少量水滲透到下方的土層中，而加入的水具有自重作用在下部的土層中，使得2～4層土在第1層土體膨脹擠壓以及加入的水的重力作用下其膨脹量出現(xiàn)了負(fù)值。但由于第1層膨脹過快，土層整體上還是呈現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，并且膨脹量不斷增大。

圖13 19.4h時(shí)膨脹量與土層深度關(guān)系

圖14、圖15給出了43.5 h、140.8 h時(shí)土體的膨脹量隨土層深度變化的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)浸水初期，土層上部大致呈線性隆起，下部無膨脹。隨著下部土層逐漸吸水膨脹，它們之間的關(guān)系從非線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性函數(shù)，因此土層整體的膨脹速率隨時(shí)間是減少的，這與前文測得土表層的數(shù)據(jù)相符。

圖14 43.5h時(shí)膨脹量與土層深度關(guān)系

圖15 140.8h時(shí)膨脹量與土層深度關(guān)系

圖16反映了第1～4層土的膨脹量疊加得到的凈膨脹量值與土表層測得的膨脹量的對比，可以看出兩組數(shù)據(jù)大體相符，說明了通過此方法計(jì)算各層膨脹土膨脹變量的正確性。

圖16 凈膨脹量與土層表膨脹隨時(shí)間變化值

3 結(jié)論

本文按照蒙脫石∶砂土∶高嶺土的質(zhì)量比例為7∶6∶1配置膨脹土，初始含水率以最優(yōu)含水率的值13 %設(shè)置。使用不同長度的PVC管模擬樁基，在樁頂施加豎向恒定荷載，模擬樁基與膨脹土浸水作用的室內(nèi)模型試驗(yàn)，得到了如下的結(jié)論：

(1)分析了各樁身抬升量隨時(shí)間變化的規(guī)律，隨樁入土深度增加，樁身抬升量是以對數(shù)函數(shù)的形式減少，其關(guān)系式為y=-6.23ln(x)+38.725。

(2)假設(shè)模型箱中土體是均一、各向同性的條件下，得到了土中的水平應(yīng)力隨土層深度的分布變化的規(guī)律，并通過計(jì)算得到了4#樁的軸力沿樁身變化的分布規(guī)律。

(3)浸水初期，水無法下滲至深度土層，導(dǎo)致只有土層上部呈線性膨脹，下部沒有膨脹。隨著水流逐漸下滲，土層膨脹量與深度的關(guān)系逐步呈現(xiàn)為線性函數(shù)，并且土層深度與膨脹量呈負(fù)相關(guān)。