長江漫灘沉積軟土地基處理施工災變機制*

何志超 徐永福

(①南京鐵路樞紐工程建設指揮部,南京 210031,中國)(②上海交通大學土木工程系,上海 200240,中國)

0 引 言

近年來,高速鐵路給人們出行帶來的方便被廣為稱頌,順應民意,我國高速鐵路發展進入快車道。江蘇南沿江城際鐵路連接江蘇省南京市、鎮江市、常州市、無錫市、蘇州市,是長江三角洲城市群核心區域城際軌道交通網的骨干線路,全線穿越長江漫灘沉積軟土。長江漫灘沉積軟土的土質分布為:上部為淤泥質粉質黏土、黏土、粉土粉砂互層,下部為含砂粉土、細砂、中粗砂(席紅澤等,2010; 師智勇等,2020)。長江漫灘沉積軟土具有孔隙比大、含水量高、壓縮性大、強度低、易觸變液化的特點,軟土觸變液化后地表發育微型“泥火山”,如圖1所示(王小龍等,2016; 趙裕鋒,2017; 王濤等,2020)。因此,沿長江兩岸建設高速鐵路,需要對長江漫灘沉積軟土地基進行加固處理,主要的地基加固措施是深層水泥攪拌樁,水泥攪拌樁的施工技術已經非常成熟。

圖1 軟土觸變液化形成“小火山”

深層水泥土攪拌樁經常被用于軟土路基的處理(龔曉南,2005; 劉松玉等,2006),水泥土攪拌樁施工會對樁周土產生擾動,引起土體強度減小、地基承載力降低(徐永福,2000;Xu et al.,2003)。特別是對于像長江漫灘沉積軟土,土質以粉土、細砂等為主,易發生觸變液化(徐永福等,2013; 蔣順強等,2015)。鄧永峰等(2009)根據靜力觸探測試的錐尖阻力的現場測試結果,評價了攪拌樁施工的擾動程度。武孝天等(2020)通過在不同位置布置傳感器,測量單樁和群樁施工時的孔隙水壓力和土壓力變化,定量評價雙向攪拌樁施工引起孔壓和土壓力的變化規律,定量表示攪拌樁的施工影響程度,不同土質條件的攪拌樁施工的影響程度不同,土質條件差的情況下,會導致軟土地基發生災變破壞。

隨著長三角一體化進程推進,沿長江兩岸基礎建設的快速發展,施工引起長江漫灘沉積軟土災變的危害得到高度重視(張鳳梅等,2017; 秦勝伍等,2020; 張紅等,2021)。如圖2所示,某客運專線軟土地基處理施工引起地基災變破壞,擠斷附近橋梁。葛照國(2014)以南京某過江通道接線工程為背景,總結了深基坑工程周圍地表及地下管線的沉降原因和沉降規律,揭示了深基坑施工降水造成地表沉降對周圍地下管線影響機理。卞榮等(2021)通過數值方法計算了預制樁靜壓施工對鄰近頂管電纜隧道的影響,樁長小于2倍隧道外徑Dt時,強影響區域范圍為max(1.5Dt,4.5Dp),弱影響區域范圍為max(4Dt,8Dp); 樁長介于2Dt～6Dt時,強影響區域范圍為max(Dt,3Dp),弱影響區域范圍為max(3Dt,6Dp)。魏海濤等(2021)探討了水泥土攪拌樁和回填土兩種施工順序的處理效果,采用“先土后樁”順序的施工期沉降大于“先樁后土”,但工后沉降大大減小,提高了軟土地坪地基處理效果。石舒(2012)依托地鐵下穿高鐵高架橋工程,分析了鉆孔樁和旋噴樁施工引起既有高架橋樁基變形,鉆孔樁施工引起樁基的沉降為0.94mm、水平位移小,旋噴樁施工引起樁基水平位移和沉降分別為0.5mm和0.6mm,控制施工速度能減小對樁基的影響。葉亮(2020)分析了機場軟基處理施工對運營地鐵隧道的影響,地基處理施工嚴格控制旋噴樁和攪拌樁與地鐵結構間的安全距離,水平距離不得小于8m,豎向距離不得小于3m。盡管對地基處理施工引起軟土災變破壞有了很深刻的認識,但仍缺乏系統總結。

圖2 軟土地基處理施工擠斷橋梁

本文依托江蘇南沿江城際鐵路軟土地基處理工程,梳理水泥攪拌樁施工引起的長江漫灘沉積軟土災變現象,對長江漫灘沉積軟土災變進行歸納分類,根據水泥攪拌樁施工過程中的孔壓、土壓力和深層位移的現場測試結果,定量表示水泥攪拌樁的施工影響程度,建立攪拌樁施工引起軟土災變的評價方法; 基于攪拌樁樁間土的含水量和剪切強度的變化規律,分析了水泥攪拌樁施工引起軟土土性的變異特性。

1 軟土災變破壞現象

1.1 長江漫灘沉積軟土地層分布

長江漫灘沉積軟土的成分受沉積環境影響水流緩慢區,形成黏粒、粉粒為主的粉質黏土和粉土。水流趨于緩慢,漫灘相軟土沉積下來,形成現有的長江漫灘沉降軟土。

南沿江城際鐵路太倉段位于長江沖積平原,以第四系沖積成因的淤泥、淤泥質粉質黏土、黏土,粉質黏土、粉細砂等為主要組成。如圖3所示,地層自上而下分為:

圖3 長江漫灘性軟土地層柱狀圖

(1)表層填土,主要為耕土,夾少量碎磚塊、植物根莖,呈軟-流塑狀態。

(2)軟土,分為上下2層,上部為沼澤相淤泥質粉質黏土、粉土; 下部為淤泥質粉土、粉土細砂互層,具水平層理。

(3)全新統(Q4),分為3層,總體上以稍密實粉土、細砂為主,局部夾軟塑至流塑狀黏性土。

(4)上更新統(Q3),分為3層,上部為沼澤相淤泥質粉質黏土、黏土; 中部為淤泥質黏土、粉土、細砂; 下部為細砂、中粗砂,未揭底。自上而下,長江漫灘沉積軟土以粉土、細砂為主,攪拌樁施工過程中,易產生類似于液化的觸變現象。

1.2 長江漫灘沉積軟土災變現象

沿長江兩岸的長江漫灘沉積軟土中進行水泥攪拌樁施工,常出現水泥攪拌樁樁頂下沉和樁芯取樣噴水冒漿的破壞現象。

1.2.1 水泥攪拌樁樁頂下沉現象

如圖4所示,泰州大橋北接線軟土地基水泥攪拌樁施工過程中,攪拌機鉆進及提升時,有突然加速現象,鉆頭阻力出現明顯減小的現象。水泥攪拌樁在施工完成后立即出現下沉現象,樁頂表現為空洞,空洞內充滿了水。攪拌樁頂下沉量為15～40cm,最大達到70cm,并伴有大量細砂翻涌出來,在地面樁頂周圍出現大量細砂。

圖4 水泥攪拌樁下沉現象

水泥攪拌樁下沉機理可以用圖5形象地表示。飽和軟土的孔隙水類型主要有:強結合水、弱結合水和自由水,強結合水是不能自由流動,具有固體性質,可以視為土顆粒的組成部分(Xu,2004a; 2004b)。結合水是通過土顆粒的吸引力形成,黏土顆粒的吸引力是長程作用力,粉土顆粒的吸引力是短程作用力,土顆粒產生微小位移將導致短程作用力消失或降低,結合水喪失或結合水膜厚度變小(Mitchell et al.,2005; 胡瑞林等,2020)。如圖5所示,原狀飽和粉土顆粒的結合水膜厚度大,土顆粒以結合水膜形式相互接觸,形成大孔隙飽和土; 水泥攪拌樁施工對飽和粉土產生擾動,土顆粒產生位移,土顆粒間的吸引力消失或降低,結合水膜厚度減小,土顆粒間距減小,孔隙減小,土顆粒沉淀在攪拌樁孔底,在攪拌樁樁頂形成空洞,空洞內充滿水。

圖5 水泥攪拌樁下沉機理示意圖

飽和軟土顆粒間通過氫鍵、范德華力等吸引力聯結,在地基處理施工影響下土顆粒間的吸引力消失或降低,產生觸變(Boswell,1948;Skempton et al.,1952; Mitchell,1960; Kerr et al.,1963)。水泥攪拌樁下沉現象是由飽和軟土觸變引起的(徐永福等,2013)。

1.2.2 攪拌樁鉆芯取樣孔內噴水冒漿

如圖6所示,在五峰山大橋北接線軟土地基水泥攪拌樁施工后28d,在水泥攪拌樁鉆芯取樣檢測時,鄰近攪拌樁鉆芯取樣孔內出現噴水冒漿現象,冒出泥漿柱的最大高度達到20～50cm。鉆芯取樣孔內出現噴水冒漿現象的攪拌樁的取芯率不足60%,淺層攪拌樁成形情況良好,但在地下6～10m范圍內的攪拌樁成形情況很差,基本處于泥漿狀態,導致攪拌樁鉆芯取樣時,相鄰攪拌樁鉆芯取樣孔內出現噴水冒漿現象,水泥攪拌樁鉆芯取樣孔內出現噴水冒漿現象的主要原因還是粉土出現了觸變液化現象。

圖6 水泥攪拌樁鉆芯孔噴水冒泥

除了水泥攪拌樁施工引起地基災變破壞以外,在軟土地基上堆土也引起了地基開裂、路基填土速度過快引起路基沉降大且快的災變現象。

1.2.3 地基開裂破壞

如圖7所示,五峰山大橋接線施工單位備土堆積在路線附近,隨著堆土高度增加,在堆土周圍產生隆起,在堆土外側產生剪切裂隙,如圖7a所示; 在堆土外側裂隙處開挖,查看裂隙形狀,如圖7b所示,從開挖面上看,裂隙傾角大。堆土引起地基破壞機理如圖8所示,在堆土過程中,堆土重量作用下地基土先產生壓縮變形,如圖8a所示; 隨著荷載增加,在堆土邊緣產生塑性區,如圖8b所示; 堆土荷載繼續增加,地基產生剪切破壞,剪切破壞面傾角為45°+φ/2(φ是內摩擦角),與圖7b中剪切裂隙的傾角符合。

圖7 地基開裂破壞

圖8 堆土引起地基破壞階段

1.2.4 地基沉降量大、沉降速率快

南京四橋北接線高速公路采用砂礫卵石土填筑,砂礫卵石土屬于粗粒填料,在路基填筑過程中不需要考慮含水量,所以路基填筑速率很快,3個多月填了3.5m高,結果導致路基沉降量大、沉降發展很快,有不收斂的趨勢,如圖9所示。路基沉降量過大,導致路基填土表面呈“波浪形”凹凸不平整,如圖10所示。填土速度過快,如果超孔隙水壓力增加過大且來不及消散,會引起土體強度降低,當路基承載力不足以承擔路堤填土產生的重應力,路基就可能產生災變破壞,如圖11所示,某客運專線由于路基填土快,路基出現了垮塌現象,表現為施工便道隆起,附近麥田開裂,箱涵擠垮錯開30cm。

圖9 路基沉降過大造成填土表面不平的現象

圖10 路基沉降過大造成填土表面不平的現象

圖11 填土速度過快導致路基破壞的現象

2 施工影響機理

2.1 施工引起的土體位移

水泥攪拌樁施工對相鄰土體有很強的擠壓作用和剪切作用; 同時,在水泥漿噴出過程中的泥漿壓力對周圍土體產生很強的擠壓力,如圖12所示,樁周土體產生位移。土體產生側向位移的前提條件是鉆頭葉片對土體的被動土壓力不足以抵擋噴漿壓力。攪拌鉆頭旋轉噴漿時,產生對土體有壓密作用的豎直向力N和引起土體水平向移動的徑向力T。因此,鉆頭旋轉引起土體側向移動的條件為:

圖12 攪拌樁施工影響示意圖

T≥EP

(1)

地下深度h處作用的被動土壓力Ep為:

(2)

式中:hm為鉆頭葉片高度;γ為土的重度;φ為內摩擦角;c為黏聚力。以五峰山大橋接線為例,軟土的強度指標取:c=0kPa,φ=10°; 重度γ=16kN·m-3,鉆頭葉片高度為500mm,半徑為0.2m,傾角α=30°,地下8m處葉片高度的被動土壓力Ep=90.9kPa。樁機功率為50kW,輸出扭矩為12000Nm,噴漿壓力為0.6～0.8MPa,由此算出F=192kPa,T=96kPa,N=166kPa。T>Ep,軟土產生了側向移動。

為了驗證攪拌樁施工引起土體產生位移的判據,在五峰山大橋接線埋設了深層測斜管,測點布置平面圖如圖13所示,同時埋設了孔隙水壓力計和土壓力計。鉆孔完成后,測斜管就位后,向鉆孔內灌細砂,一邊灌砂一邊注水,使測斜管與鉆孔間的細砂密實。圖中1～12表示攪拌樁施工順序,測斜孔深度為20m,孔隙水壓力計和土壓力計埋深深度分別為4m、6m、9m和12m。通過比較超孔隙水壓力與土壓力的大小,分析軟土受施工影響程度,判別軟土是否發生觸變。

圖13 攪拌樁施工影響監測測點布置

水泥攪拌樁施工引起土體產生的水平位移如圖14所示。圖中選了3個深度:5m、10m和15m,圖中表示了土體水平位移隨距離攪拌樁的距離的關系。水泥攪拌樁的施工順序按1～12的次序進行,圖14a是西測點的水平位移與距離的關系,圖14b是東測點的水平位移與距離的關系。圖中距離減小表示由遠及近施工,距離增加表示由近而遠施工。水平位移隨著距離減小而增加,由遠及近施工引起的水平位移增加速度快,表現在圖14中的斜率大; 由近而遠施工,水平位移增加速度慢,表現在圖14中的斜率小,在距離遠處,斜率甚至為0,即曲線為水平直線,反映了施工順序對水平位移的影響。對比圖14中位移隨距離的變化規律,發現第一次東測點與西測點的水平位移大小發現:由遠及近施工引起土體位移相對大一些、且增加幅度大; 由近而遠施工引起土體位移相對小一些、且增加幅度小,說明攪拌樁由遠及近施工,施工影響具有疊加效應。

圖14 攪拌樁施工引起的水平位移

2.2 施工引起的超孔壓和土壓力

采用振弦式土壓力計(JTM-V2000/200kPa),由背板、感應板、信號傳輸電纜、振弦及激振電磁線圈等組成。土壓力的計算公式為:

(3)

水泥攪拌樁施工過程中,樁周土體受到擠壓作用,產生超孔隙水壓力。假設水泥攪拌樁施工對土體的擠壓應力是瞬間施加的,飽和軟土的超孔隙水壓力應該等于土體受到的擠壓應力,即:

WP=EP

(4)

式中:WP為超孔隙水壓力;EP為土壓力。

在實踐工程中,由于土是透水的,超孔隙水壓力消散很快,通常情況下,攪拌樁施工引起的超孔隙水壓力總是比土壓力小。圖15中對比了9m深度處的水泥攪拌樁施工引起的超孔隙水壓力與土壓力比較。圖15a中對比西測點的超孔隙水壓力與土壓力的大小,超孔隙水壓力(WP)比土壓力(EP)小。圖15b中對比東測點的超孔隙水壓力與土壓力的大小,超孔隙水壓力(WP)比土壓力(EP)大。攪拌樁施工引起超孔隙水壓力大于土壓力,正是攪拌樁樁頂下沉、鉆芯孔噴水冒漿的原因。

圖15 地下9m深處孔壓力和土壓力

水泥攪拌樁施工引起的超孔隙水壓力和土壓力的累積效應對比于圖16中,圖16a對比了西測點和東測點的超孔隙水壓力,圖16b對比了西測點和東測點的土壓力,圖中樁號A1～A2與圖13中的攪拌樁施工順序對應。A7樁施工時,東側土壓力數據出現了缺失。西測點的超孔隙水壓力在A2施工時到達最大值,此時的超孔隙水壓力包括了A1和A2的施工影響,A3施工時西測點的超孔隙水壓力迅速減小,原因是攪拌樁A2的屏蔽作用。此后,隨著攪拌樁施工,西測點的超孔隙水壓力迅速減小,直到攪拌樁A11和A12施工引起西測點的孔壓迅速增加。

在A6施工時東測點的孔壓到達最大值,此時的超孔隙水壓力包括了A5和A6的施工影響,在A4施工時東測點的超孔隙水壓力開始出現峰值。對比A3施工對西測點與A4施工對東測點的超孔隙水壓力影響,A3施工時西測點超孔隙水壓力減小,而A4施工時東測點超孔隙水壓力增加,表明了施工完工后攪拌樁A2對西測點的超孔隙水壓力有屏蔽作用,導致A3施工時西測點超孔隙水壓力減小。隨著攪拌樁施工進行,東測點的超孔隙水壓力迅速增加,直到攪拌樁A6和A7施工時,東測點的超孔隙水壓力達到最大值。攪拌樁由遠及近施工,超孔隙水壓力不斷增加,這種現象成為累積效應; 攪拌樁由近而遠施工,超孔隙水壓力迅速減小,施工完成后的攪拌樁對超孔隙水壓力具有屏蔽作用。對比圖16中攪拌樁施工引起的土壓力與超孔隙水壓力的累積效應,發現土壓力的累積效應不及超孔隙水壓力的累積效應,導致東測點地下9m處超孔隙水壓力超過土壓力,此時軟土產生了類似液化的觸變。東測點土體超孔隙水壓力的累積效應明顯,選取東測點分析不同深度處的超孔隙水壓力和土壓力的發展規律,如圖17所示是孔壓和土壓力隨時間變化的曲線,兩者隨時間的發展規律類似,水泥攪拌樁施工達到測點深度時超孔隙水壓力和土壓力迅速達到峰值,隨后慢慢減小,超孔隙水壓力和土壓力達到峰值的時間基本同步。超孔隙水壓力和土壓力的最大值都發生在中間高度,在6m深處的土壓力最大、9m深處的超孔隙水壓力最大,說明超孔隙水壓力和土壓力與深度沒有對應關系,所以在水泥攪拌樁施工過程中,軟土發生觸變與深度沒有關系,取決于土質特性和施工影響大小。

圖18是超孔隙水壓力與距離的關系,為了減小數據的離散性,采用雙對數坐標表示,圖中x是從水泥攪拌樁中心開始起算。超孔隙水壓力隨距離增加而減小。相鄰水泥攪拌樁的樁芯到樁芯距離為1.5m情況下,攪拌樁施工的影響范圍大約為1.5～2m,某根水泥攪拌樁施工引起軟土觸變,附近一片水泥攪拌樁施工都會引起軟土觸變。因此,一根攪拌樁施工引起軟土觸變,將導致整片軟土地基產生災變。

圖18 孔壓隨距離的變化規律

水泥攪拌樁施工對土體的位移、超孔隙水壓力和土壓力的影響規律有以下幾點:

(1)在水泥攪拌樁連續施工過程中,孔壓和土壓力具有明顯的累積效應; 超出攪拌樁施工影響范圍以外,超孔隙吸水壓力和土壓力不增加,并很快消散。

(2)孔壓和土壓力的累積效應,導致由遠及近施工過程中孔壓和土壓力迅速增加; 攪拌樁的屏蔽效應,導致由近而遠施工的超孔隙水壓力和土壓力緩慢變化。

(3)隨著距離增加,攪拌樁施工影響減小,水泥攪拌樁的施工影響范圍為1.5～2m,因此一根攪拌樁施工引起軟土觸變會影響附近一片攪拌樁施工質量。

3 軟土災變判別

在水泥攪拌樁施工過程中出現軟土災變地區的超孔隙水壓力與土壓力比較于圖19中,發現:軟土災變地方的土壓力基本小于超孔隙水壓力。實際上,超孔隙水壓力對應土壓力的地方,土體處于流動狀態,相當于發生了液化。類似于液化的判別方法,水泥攪拌樁施工影響導致災變的判別方法為:

圖19 土壓力與孔壓大小的比較

EP-WP≤0

(5)

式中:EP為土壓力;WP為超孔隙壓力。式(5)為水泥攪拌樁施工導致軟土地基災變的判別依據。

根據軟土地基災變的判別依據(式(5)),五峰山大橋接線水泥攪拌樁施工過程中,引起軟土災變路段土壓力與孔壓之差(EP-WP)隨距離的變化趨勢如圖20所示。EP-WP≤0的范圍內,軟土發生災變,從圖20看出,6m深度軟土發生災變的范圍為距樁芯1.8m、9m深度軟土災變范圍為距樁芯2.2m,與攪拌樁施工影響范圍(圖18)一致。

圖20 攪拌樁施工引起的災變距離

4 軟土土性的變異

水泥攪拌樁施工引起軟土地基災變后,軟土的物理力學性質發生變化,下面根據現場測試和取樣的室內試驗結果,分析軟土災變后的物理力學性質。

4.1 含水量變化

在埋設深層測斜管、孔隙水壓力計和土壓力計時,埋設水分傳感器,根據水泥攪拌樁施工過程中和施工28d后的水分傳感器測試結果和現場取樣的室內試驗結果,分析軟土災變后含水量的變異特性,如圖21所示。土樣采用挖機開挖取樣和鉆芯取樣,室內測量含水量。發生軟土災變的地方,水泥攪拌樁施工1d后,樁周1.2m范圍內土樣的含水量比初始含水量大,含水量增量為5%～15%; 樁周1.2m以外土樣的含水量基本不變,個別點略有增加。

圖21 攪拌樁施工對含水量的影響

水泥攪拌樁施工后28d齡期土樣的含水量變化減小。在離攪拌樁0.5m處,含水量減小20%以上,含水量減小的主要原因是水泥水化吸水和軟土觸變引起孔隙水析出(徐永福,2000); 在樁周1.2m范圍內,土樣含水量減小量超過10%; 樁周1.2m以外,土樣含水量變化很小,局部地方含水量略有減小。

4.2 強度變化

在水泥攪拌樁施工前后,現場采用十字板試驗和靜力觸探試驗測量土體強度,測試結果如圖22所示。十字板和靜力觸探試驗簡單地用施工前后的剪切阻力和錐尖阻力比值表示強度變化。水泥攪拌樁施工對軟土的強度影響很明顯,施工當天(1d),土體的強度明顯減小,隨著離水泥攪拌樁距離增加,土體強度減小程度變小。樁周1.2m范圍內土體強度降低幅度達到10%～38%; 在樁周1.2～2m范圍內,土體強度都明顯降低,降低幅度在10%左右。

圖22 攪拌樁施工引起土體強度的變化

水泥攪拌樁施工28d后,土體的強度明顯增加,隨著離水泥攪拌樁距離增加,土體強度增加幅度變小。樁周1.2m范圍內土體強度增加幅度達到10%～33%; 在樁周1.2～2m范圍內,土體強度略有增加,增加幅度不超過10%。水泥攪拌樁樁間土強度明顯增加的原因主要是水泥土固化作用和軟土排水固結作用。

水泥攪拌樁樁間土的強度表現為先減小、再增加現象,這就是一個完整的觸變過程(Boswell,1948; Mitchell,1960)。水泥攪拌樁施工引起樁間土發生觸變,樁間土的強度相當于初始強度有明顯增加,水泥攪拌樁施工對樁間土有加固作用。樁間土體強度與時間的關系如圖23所示,樁間土的強度隨時間呈對數函數增長,與水泥土強度增長規律一致。

圖23 樁間土體強度與時間的相關關系

5 結 論

(1)長江漫灘沉積軟土在深層水泥攪拌樁施工和填土施工過程中發生災變的現象主要有:水泥攪拌樁樁頂下沉、攪拌樁鉆芯取樣孔內噴水冒漿、軟土地基開裂破壞、地基沉降量大和沉降速率快。

(2)水泥攪拌樁施工引起的超孔隙水壓力具有顯著的疊加效應和屏蔽效應,由遠及近施工引起的孔壓力明顯增加,由近而遠施工的孔壓變化不明顯; 超孔隙水壓力影響范圍與深度沒有明顯的相關關系。

(3)長江漫灘沉積軟土以粉質黏土、粉細砂、細砂為主,土顆粒間的相互作用以短程吸引力為主。水泥攪拌樁施工引起軟土產生位移和超孔隙水壓力,土顆粒產生位移導致顆粒間的短程吸引力失效,超孔隙水壓力超過土壓力后,軟土發生災變,軟土災變的判據是超孔隙水壓力大于(有效)土壓力。

(4)受水泥攪拌樁施工影響,長江漫灘沉積軟土發生災變,軟土災變范圍大約為1.2m。