石明生，李祿祿，夏洋洋，樊炳森

高聚物布袋樁加固淤泥質(zhì)軟土地基模型試驗

石明生1, 2, 3，李祿祿1, 2, 3，夏洋洋1, 2, 3，樊炳森1, 2, 3

(1. 鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2. 重大基礎(chǔ)設(shè)施檢測修復(fù)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，河南 鄭州 450001；3. 水利與交通基礎(chǔ)設(shè)施安全防護河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001)

高聚物布袋樁是加固軟土地區(qū)既有建筑物地基的一種全新技術(shù)。針對其在淤泥質(zhì)軟土中成樁后樁徑、樁體容重與注漿量的對應(yīng)關(guān)系，以及成樁過程中擠土壓力變化規(guī)律、超靜孔隙水壓力的變化趨勢和分布規(guī)律等問題認識的不足，通過模型試驗在淤泥質(zhì)軟土中進行3組不同注漿量的成樁試驗和1組木樁的對比試驗，并利用單樁載荷試驗驗證了高聚物布袋樁的承載能力。試驗結(jié)果表明：相同土體中，注漿量越大，成樁后的樁徑越大，對應(yīng)的樁體容重也越大；成樁引起的超靜孔隙水壓力在同一監(jiān)測距離下隨著深度的增大而增大，在同一監(jiān)測深度下隨著與樁體距離的增大而增大，且其引起的超靜孔隙水壓力是木樁的2倍，能加速淤泥質(zhì)軟土的排水固結(jié)；經(jīng)高聚物布袋樁加固后，淤泥質(zhì)軟土復(fù)合地基承載力最大可提高27%左右，加固效果明顯。

地基加固；高聚物布袋樁；模型試驗；淤泥質(zhì)軟土；超靜孔隙水壓力；復(fù)合地基承載力

淤泥質(zhì)軟土在我國廣泛分布，具有透水性差、強度低、壓縮性高、地基承載力低等不良特性[1?2]。以淤泥質(zhì)軟土為地基的建筑物如果地基處理不當，則會引起沉塌、不均勻沉降等工程事故[3]。注漿布袋樁[4]是加固處理既有建筑物軟土地基的一項新技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者對注漿布袋樁開展了相關(guān)研究，Lohani等[5?8]對布袋注漿樁的布袋力學(xué)性能測試、施工工藝、加固效果以及成樁質(zhì)量等問題進行了研究。LI等[9]研究了布袋注漿樁形成的擋土墻在基坑開挖過程中的力學(xué)和變形性能。ZHENG等[10]對基坑開挖過程中用布袋注漿樁處理滲透破壞的效果進行了研究。李啟月等[11]以布袋注漿樁加固某飽和軟黏土路基工程為例，研究了成樁時樁周土體位移的分布特征和超靜孔隙水壓力的分布規(guī)律與變化趨勢。高聚物布袋樁創(chuàng)新性的將高聚物漿液與傳統(tǒng)的布袋注漿樁進行了結(jié)合。該漿液具有早強、無水反應(yīng)、高膨脹力等特點[12]，在水利、交通、市政等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[13?16]。高聚物布袋樁的成樁機理是將漿液注入預(yù)置于土體中的布袋內(nèi)，漿液在布袋內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并快速膨脹，巨大的膨脹力擠密土體，形成圓柱狀或葫蘆狀的注漿體，對地基起到擠密、置換、加固等作用。它具有施工速度快、早強、對場地要求低、成樁工藝簡單、施工機械小、無水反應(yīng)等特點，適用于既有建筑物軟土地基加固以及膨脹土、濕陷性黃土、應(yīng)急搶險等特殊工程。石明生等[16?19]先后對高聚物的力學(xué)特性、高聚物錨固體在土體中的錨固性能、高聚物碎石樁和高聚物漿液的固化時間及溫度進行了研究，但對高聚物布袋樁的研究鮮有報道。因此，對高聚物布袋樁的加固效果，以及成樁過程中擠土壓力變化規(guī)律、擠土效應(yīng)影響范圍、超靜孔隙水壓力的變化趨勢和分布規(guī)律等問題進行研究具有重要的理論意義和實用價值。

1 模型試驗

1.1 注漿材料

高聚物布袋樁所用的注漿材料為非水反應(yīng)類雙組份聚氨酯材料，屬于化學(xué)灌漿材料。如圖1所示，藍料為多元醇，紅料為多異氰酸酯，按照1:1比例混合后能在10 s內(nèi)體積膨脹20~30倍，反應(yīng)生成泡沫狀固化物(圖1反應(yīng)物)。根據(jù)石明生[15]對高聚物漿液反應(yīng)產(chǎn)生的最大膨脹力與密度關(guān)系的研究結(jié)果可知，反應(yīng)物密度在0.15~0.3 g/cm3之間時，對應(yīng)的最大膨脹力在0.5~2 MPa左右?？梢?，自身反應(yīng)的膨脹力可以很好的擠密加固土體。

1.2 試驗方案

考慮模型試驗相似理論的相似關(guān)系，試驗所用土體為實際土體，模型樁材料與原型樁相同；樁體尺寸與原樁保持一定的相似關(guān)系，樁長100 cm，樁徑在10~20 cm之間，尺寸比例約為1:6。試驗在一特制的鋼桶中進行，試驗用土取自河南某地基坑開挖至一定深度處的淤泥質(zhì)軟土，其物理性質(zhì)指標示于表1。試驗共分為4組，樁1號至樁3號注漿量不同，其他條件相同；樁4號為木樁，樁徑與樁2號相同，錘擊擊入土體，作為樁2號的對照組，用來比較不同成樁方式對超靜孔隙水壓力的影響。各樁對應(yīng)工況如表2。

圖1 高聚物漿液及其反應(yīng)物

表1 淤泥質(zhì)軟土物理性質(zhì)指標

表2 試驗工況

此外，為測量土體中不同位置處水平土壓力和超靜孔隙水壓力，填土?xí)r在不同距離及深度處，埋設(shè)土壓力計和孔隙水壓力計。土壓力計編號T1至T16，從上向下依次為第1排至第3排，從左向右依次為第1列至第3列；孔隙水壓力計編號K1至K6，從上向下依次為第1排至第3排，從右向左依次為第1列和第2列，具體位置如圖2所示。特別指出，編號為T1至T3的土壓力計直接粘貼在布袋上，隨布袋放入鉆孔內(nèi)，測量樁土間的擠土壓力。

單位：cm

1.3 試驗過程

試驗主要包括填土靜置→鉆孔→布袋綁扎及放置→注漿→單樁載荷試驗→開挖等過程。首先，人工分層填土，在鋼桶底部填20 cm厚細沙作持力層；填入取回土樣，填至一定高度后，埋設(shè)相應(yīng)的傳感器。填土完成后土體表面澆水靜置，待各孔隙水壓力計測得的孔隙水壓力數(shù)值穩(wěn)定、土體沉降量不變后，再靜置2 d。隨后進行試驗，在土體中心用洛陽鏟鉆出一直徑6 cm，高110 cm的鉆孔。之后進行布袋的綁扎，綁扎完成后將粘貼有土壓力計的布袋放入預(yù)先鉆好的孔內(nèi)。然后根據(jù)不同的工況進行注漿；注漿的同時，記錄各傳感器輸出的數(shù)據(jù)。待反應(yīng)完成1~2 d，將樁頭附近上部15 cm厚的土體挖出，露出樁頭，并將樁頭磨平，進行單樁豎向抗壓靜載試驗，確定抗壓極限承載力。試驗完成后將樁體挖出，測量樁體的樁徑及不同位置處的樁體容重。

1.4 試驗裝置及儀器

圖3(a)所示，模型試驗所用鋼桶直徑為120 cm，高130 cm，壁厚1 cm，尺寸滿足模型樁試驗要求，可消除邊界條件的影響。鋼桶頂部安裝反力架，在進行單樁豎向抗壓靜載試驗時用來提供反力。應(yīng)變式土壓力計的規(guī)格為直徑4 cm，厚0.8 cm，全橋連接，橋路電阻350 Ω，量程分別為100，200和500 kPa，根據(jù)距離樁體的位置選用合理量程；應(yīng)變式孔隙水壓力計的規(guī)格為直徑1.58 cm，厚2.1 cm，全橋連接，橋路電阻350 Ω，量程均為50 kPa；應(yīng)變式位移計量程為3 cm；采集儀器選用型號為DH3816N的靜態(tài)電阻應(yīng)變采集儀，采集頻率2 Hz，共60通道，如圖3(b)所示；數(shù)顯式液壓千斤頂用來提供壓力，起重量20 t。經(jīng)測算，以上試驗儀器精度和量程均滿足試驗要求。

(a) 模型鋼桶；(b) 采集儀器

2 試驗結(jié)果分析

2.1 成樁效果

試驗結(jié)束后將樁體挖出，呈規(guī)則的圓柱體，無縮徑、扭曲現(xiàn)象，成樁完整，如圖4。成樁結(jié)果統(tǒng)計如表3，可見高聚物布袋樁擠土擴孔效果顯著，樁徑可達2~3(為預(yù)鉆孔直徑，大小為6 cm)。樁體不同位置處容重的測量結(jié)果統(tǒng)計于圖5，其容重分布在0.15~0.25 g/cm3之間。結(jié)合樁徑結(jié)果可以看出，相同條件下，注漿量越大，樁徑越大，對應(yīng)的樁體容重也越大；另外，成樁后的樁體容重沿樁長方向分布不均勻，表現(xiàn)為自樁底至樁頂密度逐漸減小的趨勢。從開挖出的樁體可以看出，經(jīng)單樁豎向抗壓靜載試驗后，樁體壓縮變形明顯，且上部變形量比下部大。根據(jù)文獻[15]的研究成果，樁體容重在0.15~0.25 g/cm3之間時對應(yīng)的抗壓強度在2~5 MPa之間，可見高聚物布袋樁僅可作為柔性樁在復(fù)合地基中使用，不易作為受力樁直接承受上部荷載。樁體容重沿樁長分布不均勻的原因在于高聚物漿液注入后一段時間后才開始反應(yīng)，漿液在重力作用下先落到布袋底部，然后再自下而上膨脹反應(yīng)，當漿液填充滿預(yù)鉆孔后，底部漿液繼續(xù)向上膨脹反應(yīng)，因而底部最先受到擠壓，樁體容重較大，抗壓強度也較大。

圖4 成樁效果

表3 成樁結(jié)果

2.2 擠土壓力隨時間的變化規(guī)律

擠土壓力是指高聚物漿液注入布袋后，在布袋和土體的約束下產(chǎn)生的膨脹力，用來擠密土體。這里以樁3號注漿時前120 s內(nèi)T3土壓力計測得的擠土壓力?時間曲線為例(圖6)，分析擠土壓力隨時間的變化規(guī)律。從圖6可以看出，曲線可分為以下3個階段：注漿階段(段)，前10 s內(nèi)，擠土壓力基本為零，這是因為雙組份高聚物漿液混合后需要一段時間才開始反應(yīng)，且反應(yīng)后需要先填充預(yù)鉆孔的體積。循環(huán)擠密階段(段)，注漿10 s后，擠土壓力迅速上升，當達到一定壓力后，土體被擠密，發(fā)生位移，孔徑擴大，擠土壓力明顯下降。與此同時，后注入的漿液繼續(xù)反應(yīng)膨脹，擠土壓力再次增大，當達到一定擠土壓力后，土體被進一步擠密，孔徑再次擴大，擠土壓力再次下降。如果此時注漿仍在繼續(xù)，將不斷重復(fù)上述過程，并且隨著土體每次被擠密變形，再次擠密土體時所需要的擠土壓力不斷增大。壓力消散階段(段)，高聚物漿液完全反應(yīng)后，最大擠土壓力和土體被擠壓變形所需要的壓力達到平衡，此時土體擴孔達到最大，樁徑也達到最大，擠土壓力在土體中不斷傳遞消散，最終趨于 穩(wěn)定。

圖5 樁體不同位置處容重分布

圖6 擠土壓力隨時間變化變化規(guī)律

2.3 水平向土壓力的變化趨勢及分布規(guī)律

以樁3號為例，將成樁時不同位置的土壓力計所測的水平向土壓力曲線示于圖7。從圖7可以看出：1) 土體中的水平向土壓力與高聚物漿液反應(yīng)后產(chǎn)生的擠土壓力變化規(guī)律一致，總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這主要是擠土壓力不斷向土體中傳遞所致。2) 水平向土壓力隨著樁體深度的增大而增大。整個注漿過程中，深層土體中的水平向土壓力比淺層土體中的要大。一方面，這是由于表面土體處于無約束狀態(tài)，因而土體埋深越淺，水平向土壓力消散的越快；另一方面，隨著土體埋深的增加，土體自重應(yīng)力增大，下層土體更不易被擠密變形。3) 水平向土壓力隨著土體與樁體之間的距離的增大而減?。徊⑶覙锻两佑|面處的擠土壓力最大，當傳遞到土體后，水平向土壓力迅速減小，然后隨土體與樁體之間距離的增大而緩慢減小。

(a)第1列水平向土壓力分布規(guī)律；(b)第2列水平向土壓力分布規(guī)律；(c)第3列水平向土壓力分布規(guī)律；(d)第4列水平向土壓力分布規(guī)律

2.4 超靜孔隙水壓力的變化趨勢及分布規(guī)律

以樁3號為例，將成樁時不同監(jiān)測距離和不同監(jiān)測深度的孔隙水壓力計所測的超靜孔隙水壓力曲線示于圖8。從中看出：1) 土體中的超靜孔隙水壓力表現(xiàn)為迅速增加和迅速消散的變化規(guī)律。這是由于高聚物漿液反應(yīng)迅速，巨大的膨脹力擠密土體，產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，在土體上部和樁土之間形成滲流通道，孔隙水迅速排出，超靜孔隙水壓力又迅速消散。由此可見高聚物布袋樁對加速淤泥質(zhì)軟土排水固結(jié)具有明顯效果。2) 同一監(jiān)測距離下，超靜孔隙水壓力隨著樁體深度的增大而增大，不同深度處同時達到最大值。這是由于土體埋深越小，其排水條件越好，超靜孔隙水壓力越容易消散；另外，漿液膨脹反應(yīng)后迅速充滿整個布袋，沿整個鉆孔深度同時擠密土體，因而不同深度處超靜孔隙水壓力的變化規(guī)律具有一致性。3) 同一監(jiān)測深度下，超靜孔隙水壓力隨著土體與樁體距離的增大而增大，且隨著土體與樁體距離的增大，超靜孔隙水壓力最大值的出現(xiàn)有一定的滯后性，如第1列和第2列的最大超靜孔隙水壓力分別出現(xiàn)在50 s和70 s左右。這是由于在膨脹產(chǎn)生的擠土壓力作用下，樁土間形成滲流通道，有孔隙水排出，因而樁體附近超靜孔隙水壓力較低；另外，淤泥質(zhì)軟土的透水性差，超靜孔隙水壓力向遠端傳遞較慢，因而在距離上有一定的滯后性。

(a) 第1列超靜孔隙水壓力隨時間變化；(b) 第2列超靜孔隙水壓力隨時間變化

2.5 不同成樁方式引起超靜孔隙水壓力的對比分析

木樁4號采用錘擊的方法擊入土體，錘擊間隔為10 s，13次后全部擊入土體，圖9給出了木樁4號擊入土體時超靜孔隙水壓力的變化規(guī)律，對比圖8可以發(fā)現(xiàn)，兩者有如下幾點不同：1) 相同位置處，高聚物布袋樁引起的超靜孔隙水壓力約為木樁引起的超靜孔隙水壓力的2倍。原因在于高聚物漿液膨脹反應(yīng)迅速，成樁速度快，因此產(chǎn)生更高的超靜孔隙水壓力。2) 同一監(jiān)測距離下，高聚物布袋樁成樁時不同埋深處的超靜孔隙水壓力同時達到最大值；而木樁擊入土體時超靜孔隙水壓力沿木樁擊入的深度依次達到最大值。這是由于兩者的成樁機理不同，高聚物漿液膨脹反應(yīng)后迅速充滿預(yù)鉆孔，沿整個鉆孔深度同時擠密土體，而木樁隨擊入深度依次擠密土體。3) 兩者引起的超靜孔隙水壓力的變化趨勢不同。高聚物布袋樁引起的超靜孔隙水壓力表現(xiàn)為迅速增加又迅速消散的變化規(guī)律；木樁引起的超靜孔隙水壓力表現(xiàn)為隨錘擊震蕩上升和緩慢消散的變化規(guī)律。

(a) 第1列孔隙水壓力隨時間變化；(b) 第2列孔隙水壓力隨時間變化

3 加固效果

高聚物布袋樁反應(yīng)完成后，等待1~2 d至土體內(nèi)應(yīng)力完全消散后，將樁頭附近上部15cm厚的土體挖出，并將樁頭磨平，進行單樁豎向抗壓靜載試驗，繪制豎向荷載?沉降(-)曲線如圖10。從圖中可以看出，不同注漿量下布袋樁均為緩變型曲線，無明顯拐點。根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范JGJ106—2003》[20]，取=0.05(為成樁直徑)對應(yīng)的荷載值為極限承載力?，F(xiàn)場輕型動力觸探試驗測得模型鋼桶內(nèi)淤泥質(zhì)軟土的地基承載力為20 kPa。根據(jù)谷拴成等[21]研究結(jié)果取樁間距0.8 m，等邊三角形布置，計算高聚物布袋樁加固后的復(fù)合地基承載力，其結(jié)果統(tǒng)計如表4。從表中可以看出：1) 經(jīng)過高聚物布袋樁加固處理后的淤泥質(zhì)軟土地基承載力明顯提高，且隨著樁徑的增大，對應(yīng)的復(fù)合地基承載力也逐漸增大，樁3號對應(yīng)的復(fù)合地基承載力達25.33 kPa，提高率為27%。2) 相同樁徑下，高聚物布袋樁提高淤泥質(zhì)軟土地基承載力的效果更好。這是因為土工布袋表面粗糙，且在注漿過程中會有少量漿液從布袋滲出，形成棘突結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致樁土體之間的摩擦因數(shù)明顯提高，從而提高了單樁極限承載力。

表4 不同樁徑對應(yīng)的承載力試驗結(jié)果

圖10 不同注漿率時Q-s曲線

4 結(jié)論

1) 高聚物布袋樁對軟土地基加固效果顯著，成樁后樁徑可達2~3(為預(yù)鉆孔直徑)，樁體容重分布表現(xiàn)為自樁底至樁頂逐漸減小的趨勢，分布在0.15~0.25 g/cm3之間。

2) 樁周土水平向土壓力隨著樁體深度的增加而增加，隨著土體與樁體之間距離的增大而減小。

3) 高聚物布袋樁成樁過程中，超靜孔隙水壓力在同一監(jiān)測距離下隨著深度的增大而增大，在同一監(jiān)測深度下隨著與樁體距離的增大而減小。另外，高聚物布袋樁對加速淤泥質(zhì)軟土排水固結(jié)具有明顯效果。

4) 高聚物布袋樁引起的超靜孔隙水壓力約為木樁引起的超靜孔隙水壓力的2倍，且兩者的增長趨勢不同。

5)靜載試驗表明，樁徑越大，對應(yīng)的單樁承載力越大，經(jīng)換算后的復(fù)合地基承載力最大提高27%；且相同樁徑下，高聚物布袋樁的單樁承載力比木樁要高。

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Model test of reinforcing silty soft soil with polymer bag grouting pile

SHI Mingsheng1, 2, 3, LI Lulu1, 2, 3, XIA Yangyang1, 2, 3, FAN Bingsen1, 2, 3

(1. School of Water Conservancy Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;2. National Local Joint Engineering Laboratory of Major Infrastructure Testing and Rehabilitation Technology, Zhengzhou 450001, China;3. Collaborative Innovation Center of Water Conservancy and Transportation Infrastructure Safety, Zhengzhou 450001, China)

Polymer grouting bag pile is a new technology to reinforce the foundation of existing buildings in soft soil area. In view of the insufficient understanding of the relationship between pile diameter, pile density and grouting amount after the pile is formed in silty soft soil, as well as the change rule of soil squeeze pressure, the influence range of soil squeeze effect, the change trend and distribution rule of excess pore water pressure in the process of pile formation, model tests of three piles with different grouting amounts and one timber pile which was used as a control group were carried out in silty soft soil, and the carrying capacity of polymer bag grouting pile is verified by single pile load test. The test results show that: in the same soil mass, the larger the grouting amount is, the larger the pile diameter is and the larger the corresponding pile density is; At the same monitoring distance, the excess pore water pressure increases with the increase of pile depth. At the same monitoring depth, the excess pore water pressure decreases with the increase of the distance between soil and pile; The excess pore water pressure caused by polymer bag pile is twice that caused by wooden pile, which can accelerate the drainage and consolidation of silty soft soil; The bearing capacity of silty soft soil composite foundation can be increased by about 27% after reinforced by polymer bag pile.

foundation reinforcement; polymer bag grouting pile; model test; silty soft soil; excess pore water pressure; bearing capacity of composite foundation

TU472

A

1672 ? 7029(2020)09 ? 2235 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u. T20190992

2019?11?11

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0405002)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51679219)

石明生(1962?)，男，河南南陽人，教授，博士，從事基礎(chǔ)工程加固與高聚物注漿技術(shù)方面研究；E?mail：sms315@126.com

(編輯 涂鵬)