深層水泥攪拌樁承載特性研究進(jìn)展分析

付佰勇，師啟龍

（中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京100088）

0 引言

深層水泥攪拌樁以其直徑大、自動化控制程度高等優(yōu)點，在日本橋隧工程、港口工程地基加固中得到廣泛應(yīng)用。我國的香港機場第三跑道、深中通道沉管隧道、韓國的釜山沉管隧道等工程中也采用了海上深層水泥攪拌樁工法。

理清深層水泥攪拌樁的受力機理與破壞模式是合理設(shè)計與工程利用的前提。深層水泥攪拌樁的長期強度與變形特征也亟待探究。圍繞這些問題，本文進(jìn)行了詳細(xì)的文獻(xiàn)綜述與調(diào)研工作，對近年來國內(nèi)外在深層水泥攪拌樁受力機理、破壞模式及強度增長方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，提出了未來需要關(guān)注和研究的重點。

1 受力機理及破壞模式研究進(jìn)展

宋二祥等[1]結(jié)合某填海工程，就深層攪拌樁復(fù)合地基數(shù)值分析模型及作用機理進(jìn)行了研究。研究表明，對于帶加筋墊層的復(fù)合地基，采用有限變形理論能較好地反映水平加筋墊層的承載作用。對于施工周期較長的工程，有必要模擬其飽和軟土的滲流固結(jié)過程，用以正確計算樁土荷載分擔(dān)及復(fù)合地基的變形。當(dāng)樁與樁間土剛度相差懸殊時，路堤的工后變形將依賴于路堤內(nèi)部壓力拱的長期穩(wěn)定性，同時路堤運營期發(fā)生的差異沉降也需要引起重視。

CHAI Jinchun等[2]研究了日本佐賀縣深層水泥攪拌樁改良軟黏土地基上的路堤在震后2個月和強降雨1 d后的漸進(jìn)破壞（圖1）。DCM樁長13 m、樁徑1.2 m、樁間距1.93 m，正方形布置，置換率30%，地層為粉質(zhì)黏土。根據(jù)調(diào)查和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，含DCM路堤的破壞模式可能不只是滑動破壞，而是某一根DCM樁的樁體受彎（拉）破壞進(jìn)而導(dǎo)致其他DCM樁逐步發(fā)生受彎破壞，直至整個路堤體系形成漸進(jìn)式滑動坍塌破壞，然而在日本目前的設(shè)計中，并沒有要求復(fù)核DCM的受彎極限承載力。

圖1 日本佐賀某路堤DCM破壞后的情況Fig.1 DCM failure of an embankment in Saga,Japan

同時指出，對于DCM樁的滲透性，以往文獻(xiàn)的結(jié)果表明，DCM的滲透性可以大于、等于或小于原始土層的滲透性。對于水泥處理的Ariake黏土，在相同孔隙比條件下，隨著抗壓強度的增加，處理后DCM樁的滲透性顯著降低，其機理是火山灰反應(yīng)物進(jìn)入DCM樁內(nèi)部，使樁的孔隙減小。利用該項目鉆孔取芯樣，測得DCM樁的孔隙比與原狀土基本相同，因此DCM樁的水平和垂直方向滲透系數(shù)（kh和kv）可以設(shè)置為周圍粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)的1/5。

日本佐賀縣在已有破碎DCM樁的情況下繼續(xù)使用DCM樁進(jìn)行加固處理，在施工新的DCM樁前必須將已有的破碎DCM樁攪碎，因此選擇了EPO柱法。EPO柱法使用強力切割機，在建造DCM樁之前，可以粉碎地面以下的大石塊和其他硬物質(zhì)。用EPO柱法施工的DCM樁在破壞截面處的直徑為1.6 m，相鄰樁間的直徑為2.5 m，呈正方形變化。樁長與原設(shè)計13.0 m相同，為保證達(dá)到qu的設(shè)計值，采用水泥土穩(wěn)定劑，軟土中穩(wěn)定劑用量為150 kg/m3，采用100%的穩(wěn)定劑/水比。同時在現(xiàn)場進(jìn)行了3組試驗樁，28 d后在試驗樁進(jìn)行巖芯鉆孔。圖2為取樣樣品的qu值，幾乎所有樣品的qu值都大于600 kPa，路堤重建于2018年完成，未出現(xiàn)任何穩(wěn)定性或變形問題。

圖2 重新施工DCM無側(cè)限抗壓強度分布Fig.2 Distribution of unconfined compressive strength of reconstructed DCM

NGUYEN Binh T.T.等[3]針對DCM樁在荷載作用下的破壞問題，提出了一種大面積淺層水泥攪拌層的加固方式，用以提高DCM加固區(qū)的穩(wěn)定性和承載能力（圖3）。

圖3 淺層加固的DCM布置形式Fig.3 DCM layout of shallow reinforcement

針對路堤下淺層水泥攪拌層DCM群樁的破壞模式，通過對單樁破壞機理的研究，揭示淺層攪拌對深層水泥攪拌樁破壞形態(tài)的影響。在平面應(yīng)變條件下，用PLAXIS程序進(jìn)行有限元分析，得到如下主要結(jié)論：

1）沒有淺層的攪拌層，滑動破壞不是DCM變形破壞的主要機制。低強度DCM樁以彎曲破壞模式為主要的內(nèi)部破壞機制，在高強度DCM樁中，傾斜破壞模式是樁變形破壞的主要機制。

2）當(dāng)采用淺層攪拌層時，破壞模式為低強度樁的內(nèi)部破壞，當(dāng)增加淺層攪拌層厚度時，樁在連接處發(fā)生彎曲破壞。在外部破壞方面，當(dāng)淺層土厚度增加時，無淺層攪拌層的傾斜破壞被滑動破壞模式所代替。

3）淺層攪拌層對存在水平位移和屈服的路堤壓力有顯著影響，特別是高強度樁。

KITAZUMED MASAKI論證說明了DCM樁破壞模式對準(zhǔn)確評價DCM樁外部穩(wěn)定的重要性[4]。指出目前日本DCM群樁地基設(shè)計方法假定了兩種破壞模式：外部穩(wěn)定性中的滑動破壞和內(nèi)部穩(wěn)定性中的斷裂破壞，如圖4所示。通過離心模型試驗研究了改進(jìn)后復(fù)合地基的內(nèi)部穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)DCM樁的破壞形式有剪切破壞、彎曲破壞和拉伸破壞，這不僅取決于地基和荷載條件，還取決于DCM樁的作用位置?？紤]外部穩(wěn)定性時，DCM樁會發(fā)生傾斜破壞，類似多米諾骨牌式的坍塌破壞模式，如圖5所示，而不是滑動破壞。同時采用離心模型試驗和彈塑性有限元分析相結(jié)合的方法，研究DCM群樁改良地基在路堤荷載作用下的外部穩(wěn)定性，主要結(jié)論如下：

1）面積置換率的增大會降低作用在樁身的彎矩，提高內(nèi)部穩(wěn)定性，但對外部穩(wěn)定性的提高幫助不大。

2）樁直徑的增大，能影響外部穩(wěn)定性，適當(dāng)搭接能增大外部穩(wěn)定性。

3）對于正常固結(jié)土或上軟下硬的填土路堤，不會出現(xiàn)滑動破壞，在底部存在軟弱下臥層且DCM樁較短時才會發(fā)生滑動破壞。

圖4 日本現(xiàn)有規(guī)范中假定的破壞模式（內(nèi)部穩(wěn)定性）Fig.4 Failure mode assumed in the existing Japanese code(internal stability)

圖5 DCM改良地基的坍塌破壞模式Fig.5 Collapse failure mode of DCM improved foundation

2 長期強度及變形特征研究進(jìn)展

HASHIMOTO Hiiiri等[5]研究了水泥攪拌樁30年的長期觀測強度特征。分析指出隨著時間的推移，深層水泥攪拌法處理后的樁的強度不斷提高，同時對施工30年后的DCM樁進(jìn)行了無側(cè)限壓縮試驗、針入度試驗和pH值試驗，揭示了水泥攪拌樁的長期強度特性和表面劣化狀況。

試驗表明改良后的水泥攪拌樁的物理特性在時間上幾乎沒有變化，但是其中心強度在施工30年后仍有增加趨勢。針穿透試驗的結(jié)果表明，在水泥攪拌樁周圍30 mm范圍外，樁的強度從中心向四周呈增加趨勢，穿透5 mm位置處的水泥攪拌樁的強度大大超過了設(shè)計基準(zhǔn)強度。

Wu Pei-chen等[6]以香港國際機場第三跑道海相黏土地層采用的DCM復(fù)合地基加固為例，通過有限元蠕變模型，對軟土地基沉降的影響及荷載傳遞機理進(jìn)行研究。在荷載轉(zhuǎn)移區(qū)（LTP區(qū)），典型柱直徑為2.3 m，間距為4.8 m，面積置換率為23%，在LTP區(qū)域外，DCM置換率在30%~40%。DCM樁的長度通常為6~25 m。通過對比有無蠕變的不同模型，發(fā)現(xiàn)DCM樁的面積置換率與楊氏模量對復(fù)合地基的長期性能有較大影響，主要總結(jié)如下：

1）DCM樁具有良好的沉降控制效果，將荷載從軟土轉(zhuǎn)移到DCM樁上[7-8]。荷載轉(zhuǎn)移過程中會導(dǎo)致軟土分擔(dān)的荷載減小，從而導(dǎo)致DCM樁的應(yīng)力集中，對于沒有蠕變的軟土，會使黏土變成蠕變應(yīng)變率較小的超固結(jié)土狀態(tài)。

2）軟土和樁所承受的應(yīng)力及二者的沉降會隨著面積置換率的增大而減小。

3）在面積置換率較高時（>30%），軟土蠕變效應(yīng)對荷載傳遞的影響可以大幅度降低。

4）作用在軟土上的應(yīng)力隨著DCM樁楊氏模量的增大而減小，而樁所承擔(dān)的應(yīng)力會隨著DCM樁楊氏模量的增大而增大。軟土和DCM樁的豎向沉降也會隨著樁的楊氏模量的增大而逐漸減小。

5）DCM樁的黏聚力和內(nèi)摩擦角對復(fù)合地基性能的影響不大，主要原因是樁的受力仍處于彈性范圍內(nèi)。

6）土工合成材料加筋的張拉效應(yīng)會隨著加筋剛度的增大而增大。

3 結(jié)語

深層水泥攪拌樁作為一種地基處理方法，其施工后的強度和剛度變化會表現(xiàn)出獨特的特征。破壞模式除了常規(guī)認(rèn)識的剪切破壞外，還有單樁布置的類似于多米諾骨牌式的破壞模式。深層水泥攪拌樁的承載與長期蠕變特性也與置換率等因素有關(guān)，因此在橋梁和隧道工程中使用深層水泥攪拌樁時，要重點關(guān)注這些變化規(guī)律，以支撐深層水泥攪拌樁的設(shè)計與施工。