吳莉民，柴新軍，周 鵬

（東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013）

0 引 言

近年來(lái)，隨著工程建設(shè)的大力發(fā)展，多種現(xiàn)代施工機(jī)械、施工技術(shù)廣泛地應(yīng)用于軟土地基處理［1-6］，松木樁這種古老的軟土地基處理技術(shù)逐漸被工程界所遺忘。我國(guó)早在隋朝時(shí)期就有利用松木樁處理軟土地基的例子，從廢棄的樁基中拔出的松木樁樁體來(lái)看，經(jīng)過(guò)幾百年的荷載作用，木材的材質(zhì)和成色均反映出材料具有持續(xù)的強(qiáng)度［7-9］。

如今，工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境相互依存的理念已貫穿于工程建設(shè)中。多種現(xiàn)代地基處理技術(shù)（如攪拌樁、CFG 樁等）對(duì)砂、石、水泥等資源消耗大，與地質(zhì)環(huán)境協(xié)調(diào)性差等問(wèn)題被工程界所重視；基于此，在中小規(guī)模水工構(gòu)筑物地基處理中，傳統(tǒng)松木樁具有環(huán)境友好、工藝簡(jiǎn)單、可逆性加固等優(yōu)勢(shì)［10］。對(duì)其基材的物理性質(zhì)改良也一直在持續(xù)推進(jìn)中，而在松木樁外包裹排水結(jié)構(gòu)層可將排水功能與加固功能復(fù)合于一體，改良原有的加固方式。

課題組先期研究了排水松木桿復(fù)合地基群樁模型試驗(yàn)，試驗(yàn)表明排水松木桿加固處理軟土地基能夠加速土中孔隙水的消散、土體的抗剪強(qiáng)度和承載能力均有顯著改善［11-13］；松木桿外包裹的排水結(jié)構(gòu)層具有徑向排水的途徑，使得排水松木桿不僅具備加筋以及強(qiáng)制置換土體的作用，還具備排水固結(jié)的作用。為進(jìn)一步研究其界面強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理；評(píng)估其加載速率和承載能力之間的關(guān)系，本課題組在前人研究的基礎(chǔ)上完善了室內(nèi)試驗(yàn)，采用單樁模型，通過(guò)固結(jié)及拉拔試驗(yàn)相結(jié)合，研究排水松木樁固結(jié)與界面強(qiáng)度增長(zhǎng)特性的關(guān)聯(lián)性，為排水松木樁工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图八脙x器

排水松木樁處理軟土地基界面強(qiáng)度特性研究試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)實(shí)際工程采用 10 倍等比例縮小。柱狀模型為一個(gè)敞口的圓柱狀容器，成分為聚甲基丙烯酸甲酯，抗拉抗壓性能良好，能在反復(fù)荷載作用下不發(fā)生變形。尺寸設(shè)計(jì)為D=100 mm，H=150 mm，排水松木桿尺寸選用φ10 mm×100 mm，松木桿作為芯材，排水結(jié)構(gòu)層為無(wú)紡?fù)凉げ?，試?yàn)前將無(wú)紡?fù)凉げ加妹蘧€緊密貼合纏繞在松木桿上制得排水松木桿，土樣取用江西南昌碟子湖淤泥質(zhì)土，呈流塑狀態(tài)。

固結(jié)試驗(yàn)采用室內(nèi)軟土地基的加固模型試驗(yàn)的加載及位移傳感裝置，加載的動(dòng)力由空氣壓縮機(jī)提供，可提供一個(gè)持續(xù)的荷載。位移指示器與位移傳感器相連，可以測(cè)得試樣在荷載作用下的固結(jié)沉降變化。拉拔力測(cè)試裝置與位移傳感器相連測(cè)定樁土的極限抗拉拔力與土體和筋材的相對(duì)位移。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)研究了不同預(yù)壓（6.25、12.5、25、50、100、200、300 kPa）和不同排水結(jié)構(gòu)層（0、2、4 層）情況下排水松木樁處理軟土地基的固結(jié)排水性能和界面摩擦特性，每級(jí)荷載在固結(jié) 24 h 后施加下一級(jí)荷載。土的基本物理參數(shù)如表1所示，對(duì)比不同固結(jié)壓力（100 kPa、300 kPa），排水結(jié)構(gòu)層（0、2、4 層）在相同固結(jié)時(shí)間情況下固結(jié)及界面強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理，方案設(shè)計(jì)如表2所示。

表1 試驗(yàn)土基本物理指標(biāo)

其中試驗(yàn) N0-7、N2-7、N4-7 對(duì)比了排水土工布的包裹層數(shù)對(duì)排水松木桿加固柱狀軟土層固結(jié)效果及拉拔力的影響；試驗(yàn) N2-7、N2-5 對(duì)比不同固結(jié)壓力情況下排水松木桿的極限抗拉拔力影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括不同排水結(jié)構(gòu)層、不同固結(jié)壓力下排水松木桿加固柱狀軟土層的固結(jié)壓縮指標(biāo)計(jì)算，拉拔力和相對(duì)位移可通過(guò)室內(nèi)小型拉拔儀直接測(cè)得。由于固結(jié)試驗(yàn)所呈現(xiàn)的圖為e-p曲線圖，而試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為沉降量，因此要對(duì)沉降量與孔隙比之間進(jìn)行公式換算，如式（1）～（2）所示。

①由三項(xiàng)基本物理指標(biāo)計(jì)算試樣初始孔隙比e0，如式（1）所示：

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表

式中：ρω為水的密度，g·cm-3；ρ0為試樣的初始密度，g·cm-3；ω0為初始含水率，%；GS為土粒比重；e0為初始孔隙比。

②各級(jí)壓力沉降穩(wěn)定后的孔隙比ei，如式（2）所示：

式中：Δh為某級(jí)固結(jié)壓力下試樣的沉降量，mm；h0為試樣初始高度，mm；ei為各級(jí)壓力沉降穩(wěn)定后的孔隙比；hi為各級(jí)壓力沉降穩(wěn)定后的試樣高度，mm。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析討論

以孔隙比e為縱坐標(biāo)，壓力p橫坐標(biāo)，繪制e-p曲線（見(jiàn)圖1）；以相對(duì)位移為橫坐標(biāo)，拉拔力為縱坐標(biāo)，繪制位移-拉拔力曲線（見(jiàn)圖2～4）。

1）從圖1 可以看出，相同固結(jié)壓力和時(shí)間下，排水結(jié)構(gòu)層越多排水固結(jié)累積沉降量越大，孔隙比e隨壓力變化曲率越大，排水結(jié)構(gòu)層可提供一個(gè)徑向排水通道；桿徑 10 mm 包裹兩層排水土工布的松木桿較桿徑10 mm 純松木桿的固結(jié)排水性能好，而桿徑 10 mm 包裹2 層土工布的固結(jié)累積沉降量較桿徑 10 mm 包裹 4 層土工布的固結(jié)排水效果基本相差不大。

2）對(duì)比圖2～4 可以看出，相同固結(jié)壓力、不同排水結(jié)構(gòu)層條件下，隨著排水結(jié)構(gòu)層的增大，其極限抗拉拔力也越大；桿外包裹的排水土工布與周圍土體接觸的表面積越大，增大了排水邊界和土體與松木桿之間的契合度，有利于排水松木桿排水能力的提高和界面上摩擦力的提高。桿徑為 10 mm 包裹 4 層土工布的排水松木桿極限拉拔力 80 N，較桿徑為 10 mm 純松木桿極限拉拔力 70 N 大；而桿徑為10 mm包裹 4 層土工布排水松木桿較桿徑 10 mm 包裹 2 層土工布應(yīng)力應(yīng)變速率更為緩慢，能更好地對(duì)土體破壞起到提前預(yù)警作用。

圖1 不同排水結(jié)構(gòu)層松木桿加固軟土固結(jié) e-p 曲線

圖2 桿徑10 mm、2 層土工布排水松木桿加荷至 300 kPa 位移-拉拔力曲線

圖3 桿徑 10 mm 純松木桿加荷至300 kPa 位移-拉拔力曲線

圖4 桿徑10 mm、4 層土工布排水松木桿加荷至 300 kPa 位移-拉拔力曲線

3）圖5 為不同固結(jié)壓力排水松木桿位移-拉拔力曲線。從圖5 可以看出，在排水結(jié)構(gòu)層相同的情況下，隨著固結(jié)壓力的增大排水松木桿極限抗拉拔力增大，試驗(yàn)結(jié)果分析如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析表

圖5 不同固結(jié)壓力排水松木桿位移-拉拔力曲線

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

1）相同桿徑的松木桿外包裹不同層數(shù)土工布時(shí)，因界面上靜摩擦力增大導(dǎo)致相互之間契合度高，拉拔力增大，應(yīng)力應(yīng)變更為緩慢，能有效預(yù)防土體快速破壞。

2）相同桿徑不同排水層結(jié)構(gòu)的松木桿，隨著排水層結(jié)構(gòu)的增大，其排水能力也增大。

3）相同桿徑相同排水層結(jié)構(gòu)的松木桿，固結(jié)壓力增大，對(duì)應(yīng)的極限拉拔力也增大。

4）排水松木桿處理的柱狀軟土層早期固結(jié)沉降效果顯著，有助于軟土層前期強(qiáng)度的提高，且能在一定壓力范圍內(nèi)固結(jié)依然能保持較好的排水效果。

3.2 建議

1）本試驗(yàn)僅對(duì)部分方案進(jìn)行了探討，揭示了排水松木樁的固結(jié)及拉拔的規(guī)律，排水松木樁本身排水加固機(jī)理較復(fù)雜，若應(yīng)用于工程實(shí)際還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，本試驗(yàn)對(duì)其固結(jié)拉拔規(guī)律性可作為參考。

2）本試驗(yàn)為室內(nèi)模型試驗(yàn)，所用土樣均為擾動(dòng)土，與天然狀態(tài)的土體存在差異?？稍鲈O(shè)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試與其對(duì)比說(shuō)明。

3）本試驗(yàn)柱狀模型尺寸固定，即排水松木桿的排水有效影響半徑均相同，且豎向排水通道長(zhǎng)度一致，未考慮排水松木桿長(zhǎng)度、直徑對(duì)排水固結(jié)效果的影響。建議設(shè)計(jì)多種尺寸模型及排水松木桿，探討孔徑比及排水松木桿長(zhǎng)度、直徑對(duì)排水固結(jié)性能和拉拔力的影響規(guī)律。