試驗分析摻砂量對水泥砂漿樁Duncan-Chang模型參數影響

李昉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

水泥土樁是軟土地基處理的常用方法之一，國內外學者做了廣泛研究。然而，當地基土塑性指數較高時，水泥土樁容易出現成樁強度偏低、加固深度較淺、變形模量偏小等問題[1]。在高含水率的淤泥地基中，水泥土樁成樁困難，樁體強度較低，加固效果不理想[2]。水泥砂漿樁是近年來在水泥土樁的基礎上改進的一種新型深層攪拌樁，它是由水泥、細砂、水按一定的配合比拌和，與土體攪拌而成，具有一定的強度，它與樁間土一起，通過褥墊層形成水泥砂漿樁復合地基[3]。近年來，水泥砂漿樁在工程實踐中已得到一些應用，并積累了一定的工程經驗。新建向莆鐵路福州杜塢區間段采用水泥砂漿樁對地基進行加固，工后沉降滿足250 km/h設計時速的客貨共線鐵路設計要求[4]。新建石武客運專線邯鄲東站粉質黏土地基采用水泥砂漿樁加固，在相同地基中采用水泥砂漿樁成樁強度比水泥土樁高出30%左右[5]。新建南寧至欽州沿海鐵路淤泥質軟土地基采用水泥砂漿樁處理，強度和沉降均能夠滿足設計要求[6]。阮波等[7]通過正交試驗對水泥砂漿樁無側限抗壓強度影響因素進行研究，得出各主要影響因素的主次順序及最優配合比；朱維倫[8]試驗研究了水泥摻量、齡期對水泥砂漿樁強度的影響；隋瑞凌等[9]通過水泥砂漿樁無側限抗壓強度室內配比試驗，研究不同水泥摻入比、不同摻砂量及不同齡期條件下水泥砂漿樁的無側限抗壓強度發展規律。國內外學者對水泥砂漿樁的無側限抗壓強度研究較多，對鄧肯?張模型參數的研究相對較少，而進行數值模擬時需要用到水泥砂漿樁彈性模量、泊松比、黏聚力和內摩擦角等計算參數。因此，本文通過三軸固結排水試驗，研究不同摻砂量對水泥砂漿樁鄧肯?張模型參數的影響。

1　試驗材料

土樣取自湖南洞庭湖區某高速公路軟基淤泥質黏土，主要物理性質指標見表 1，顆粒級配曲線見圖1。水泥采用PC32.5級復合硅酸鹽水泥，物理指標見表 2，試驗用砂采用天然河砂，其顆粒級配見表3，細度模數Mx為2.1，為細砂，試驗用水為自來水。

圖1　淤泥質土的顆粒級配曲線Fig. 1　Grading curve of mucky soil

表1　淤泥質土的物理性質Table 1　Physical and mechanical properties of mucky soil

表2　水泥的物理力學指標Table 2　Physical and mechanical properties of cement

表3　細砂顆粒級配Table 3　Particle size distributions of the sand used in the experiment

2　試驗方案

摻砂量As、水泥摻入比Ac表達式如下：

式中：0m′為濕土質量；ms為摻入砂的質量；mc為摻入水泥質量；

試驗考慮摻砂量對水泥砂漿樁鄧肯?張模型參數的影響，摻砂量As分別為0，30%，35%，40%，45%和 50%，并設置一組淤泥質土作為對比。水泥摻入比Ac采用17.1%，水灰比采用0.5。每組試樣分別在200，300和400 kPa圍壓下進行固結排水剪切試驗，為了保證試驗的準確性，每組試樣制作6個。

3　試樣制備及試驗

按照《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233—2011)[10]要求進行制樣。選取代表性的土樣風干、碾碎、過0.5 mm篩，取篩分后的干土進行試驗，根據擬定的試驗方案分別稱取試驗所需的干土、水泥、砂和水，然后按順序依次在干土中加入水泥、砂并攪拌均勻，最后加水再攪拌均勻。試模內涂抹凡士林，然后往試模中裝入試料，將水泥砂漿拌合物分兩次插倒、振實、刮平制作成高度為80 mm，直徑為39.1 mm的標準圓柱體試樣，注意成型時間不能超過25 min。經過24 h之后進行脫模，然后放入標準養護箱中養護 28 d。養護條件為：溫度為(20±2)℃，相對濕度≥95%。進行試驗前，對試樣進行抽氣飽和。采用TSZ-1全自動三軸儀，試驗方法為固結排水試驗，剪切速率控制在0.015 mm/min。

4　試驗結果及分析

4.1　水泥砂漿樁的應力應變曲線

摻砂量為0，30%，35%，40%，45%和50%時水泥砂漿樁的應力應變關系曲線見圖2。

由圖2可知，不同摻砂量條件下水泥砂漿樁應力應變曲線關系表現為應變硬化型，呈雙曲線形式，符合鄧肯?張模型。

4.2　水泥砂漿樁鄧肯?張模型參數

按照《高等土力學》[11]計算方法，采用 Excel對試驗數據進行計算[12]，鄧肯張模型參數計算結果見表4。

表4　鄧肯?模型八大參數Table 4　Theeight parameters of Duncan-Chang model

4.3　摻砂量對水泥砂漿樁抗剪強度的影響

從表4中可以看出，摻砂量從30%增加到50%時，黏聚力從46.8 kPa降低到28.8 kPa而內摩擦角則從34.6°增加到36.1°。這是因為水泥作為膠結物，水泥摻量不變，當摻砂量增大時，顆粒間接觸面積增大，水泥不足以提供全部膠結作用，導致試樣黏聚力減小。而隨著砂子含量的增大，顆粒間摩擦力及咬合力增大，試樣內摩擦角增大。

4.4　摻砂量對初始彈性模量的影響

Ei為應力應變曲線中ε1=0處的初始彈性模量，不同摻砂量的水泥砂漿樁初始彈性模量計算結果見表5。

由表 5可知，水泥砂漿樁的初始彈性模量在10.0~65.0 MPa之間。當摻砂量相同時，試樣的初始彈性模量隨著圍壓的增加而增大。試樣承受豎向應力σ1時，試樣縱向壓縮橫向膨脹，當圍壓增大時，側向變形受到限制，從而提高其受力性能，試樣初始彈性模量也隨之增加。在水泥砂漿樁中，水泥為膠結料，細砂為細骨料，而淤泥質土中黏粒含量較高，適量細砂的存在可以相對的減少黏粒含量，改善顆粒級配，增強骨架的剛性。

圖2　不同圍壓σ3下水泥砂漿樁的應力?應變曲線Fig. 2　Stress-strain curves of cement mortar soil under different confining pressure σ3

表5　不同摻砂量的水泥砂漿樁初始彈性模量Table 5　Initial elastic module of cement mortar pile with different sand content　MPa

4.5　摻砂量對泊松比的影響

不同摻砂量的水泥砂漿樁初始泊松比vi計算結果見表6。

當摻砂量相同時，試樣的初始泊松比隨著圍壓的增加而減小，這是因為隨著圍壓的增大，試樣側向變形受到更大的限制，從而側向變形減小，泊松比減小。由表 6可知，水泥土的初始泊松比在0.35~0.4之間，水泥砂漿樁初始泊松比在 0.2~0.35之間。

表6　不同摻砂量的水泥砂漿樁初始泊松比Table 6　Initial poisson ratio of cement mortar pile with different sand content

圖3　試樣在σ3=200 kPa圍壓下的破壞形態Fig. 3　Failure shape of sample when confining pressure is 200 kPa

4.6　水泥砂漿樁的破壞形態

圖3所示分別為淤泥質土、水泥土、水泥砂漿樁試樣在σ3=200 kPa圍壓下的破壞形態。從圖3中可以看出，淤泥質土為塑性破壞，外形呈鼓狀；水泥土破壞后的試樣中部出現鼓脹，并出現剪切破裂面；水泥砂漿樁試樣為脆性破壞，剪切后的試樣出現一個與水平方向約成 60°的破裂面。這表明，摻入水泥使淤泥質土由塑性破壞轉為脆性破壞，隨著摻砂量的增大，試樣的脆性進一步增強。

5　水泥砂漿樁與水泥土樁成本分析

懷邵衡鐵路某段軟土路基工程，地基土的物理力學指標見表7。路基沉降設計值為5 mm，利用上述鄧肯?張模型獲得水泥砂漿樁及水泥土樁的力學參數，采用FLAC3D數值模擬軟件建立鐵路路基模型，路基計算寬度為30 m，樁徑為0.5 m，樁長為8 m，三角形布置。水泥土樁和水泥砂漿樁的水泥摻入比均為17.1%，水泥砂漿樁摻砂量為50%。調整水泥砂漿樁及水泥土樁間距使路基沉降為5 mm，經FLAC3D模擬計算，當采用水泥土樁進行地基加固時，樁間距為 1.0 m；當采用水泥砂漿樁進行加固時，樁間距為 1.2 m。根據《鐵路基本建設工程設計概(預)算編制辦法》計算，水泥土樁費用為1 541萬元/km，水泥砂漿樁費用為1 037萬元/km。所以采用水泥砂漿樁比水泥土樁更加節約工程成本。

表7　懷邵衡鐵路軟土的物理力學指標Table 7　Physical and mechanical indexes of soft soil of Huai- Shao- Heng railway

6　結論

1) 對于淤泥質土，水泥摻入比17.1%，摻砂量在 30%~50%時，水泥砂漿樁應力應變曲線呈雙曲線型，符合鄧肯?張模型。

2) 摻砂量從 30%增加到 50%時，水泥砂漿樁內摩擦角從34.6°增加到36.1°，而黏聚力從46.8 kPa下降到28.8 kPa。

3) 摻砂量在 30%~50%范圍內時，水泥砂漿樁的初始彈性模量在10.0~65.0 MPa之間，水泥砂漿樁初始泊松比在0.2~0.35之間。

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