文 華,楊青青,吳學(xué)宇,付文濤
(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010;2.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610056)
隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展,經(jīng)土壤固化劑改良后的穩(wěn)定固化土在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用,且取得了良好效果[1]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者中樊科偉等[2]將開(kāi)挖的淤泥質(zhì)土裝入土工袋用于修筑重力式擋土墻,通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其各方面力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,被支護(hù)坡體基本達(dá)到穩(wěn)定;黃小元[3]、田琪智[4]分別以粉質(zhì)黏土、水泥改良土作為土工袋填充物,研究了土工格柵反包式加筋土工袋重力式擋土墻承載特性;楊長(zhǎng)衛(wèi)等[5]對(duì)加筋重力式擋土墻抗震性能進(jìn)行了研究;白洪宇等[6]對(duì)軟土地基上超高超寬素混凝土重力式擋土墻的施工過(guò)程做了詳細(xì)介紹;Colas等[7]利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了干砌片石擋土墻穩(wěn)定性,研究表明,重力式片石擋土墻基本穩(wěn)定。
綜上所述,干砌片石、漿砌片石、素混凝土、加筋混凝土等重力式擋土墻在穩(wěn)定性、抗震性及設(shè)計(jì)和施工等方面的研究較豐富。但這些工程材料大部分都來(lái)自對(duì)自然資源的開(kāi)采,從開(kāi)采到使用均要減少長(zhǎng)距離運(yùn)輸,增加了工程建設(shè)成本。因此,為節(jié)省重力式擋土墻修筑過(guò)程中對(duì)建筑材料的使用,實(shí)現(xiàn)原土利用,本文依托實(shí)際科研項(xiàng)目,使用由西南科技大學(xué)研發(fā)的土壤穩(wěn)定固化劑和水泥對(duì)重慶潼南地區(qū)某頁(yè)巖氣鉆井平臺(tái)鉆前工程建設(shè)過(guò)程中遇到的高含水率土壤進(jìn)行處理,將原土固化后用于修筑重力式擋土墻,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益,同時(shí)也為穩(wěn)定固化土在重力式擋土墻中的工程應(yīng)用提供了理論參考。
設(shè)置A,B 2組模型試驗(yàn),A組模型試驗(yàn)研究坡比為 1∶0.5 時(shí),相同寬度(0.3m)下?lián)?%液劑+9%粉劑、2%水泥+2%液劑+9%粉劑2種固化土重力式擋土墻對(duì)邊坡的支護(hù)效果;B組模型試驗(yàn)研究坡比為1∶0.5時(shí),不同寬度(0.3,0.4,0.5m)下?lián)?%水泥+2%液劑+9%粉劑固化土重力式擋土墻對(duì)邊坡的支護(hù)效果。利用壓力傳感器、位移計(jì)、百分表、土壓力盒等測(cè)得不同工況下坡體破壞荷載、坡頂豎向沉降、坡面水平位移及墻后側(cè)向土壓力,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析各工況下的承載特性。
模型試驗(yàn)的基本理論基礎(chǔ)為相似定理,根據(jù)試驗(yàn)條件和研究需要,模型試驗(yàn)的模型與原型幾何尺寸相似比為1∶3,即幾何相似常數(shù)CL=lp/lm=3,下標(biāo)p表示原型(prototype),下標(biāo)m表示模型(model),本文以該幾何相似常數(shù)作為模型試驗(yàn)的第1個(gè)基本量。由于模型試驗(yàn)所用土樣均取自工程施工現(xiàn)場(chǎng),故容重相似常數(shù)Cγ=γp/γm=1,且現(xiàn)場(chǎng)所取土樣容重為1 800N/m3,本文以該容重相似常數(shù)作為模型試驗(yàn)的第2個(gè)基本量。根據(jù)以上2個(gè)基本量,利用π定理可確定模型試驗(yàn)其他主要物理量的相似常數(shù)。
1)墻后填土
模型試驗(yàn)墻后填土使用的是取自項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)的低液限粉質(zhì)黏土,模型試驗(yàn)開(kāi)展前,按照J(rèn)TG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[8]對(duì)其含水率、黏聚力及內(nèi)摩擦角進(jìn)行測(cè)定,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
2)穩(wěn)定固化土
模型試驗(yàn)在土壤中加入由西南科技大學(xué)自主研發(fā)的土壤減水粉劑、土壤穩(wěn)定液劑和部分水泥對(duì)土壤進(jìn)行改良。土壤工程性能的好壞主要與其抗水化性、顆粒級(jí)配和密實(shí)度等密切相關(guān)。
首先通過(guò)浸水試驗(yàn)對(duì)單摻土壤穩(wěn)定液劑的固化土抗水化性進(jìn)行驗(yàn)證,然后利用擊實(shí)試驗(yàn)研究土壤減水粉劑和水泥的最佳用量。在此研究基礎(chǔ)上,通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定最佳材料用量固化土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析。2種穩(wěn)定固化土基本力學(xué)性質(zhì)如表2所示。
表2 穩(wěn)定固化土基本力學(xué)性質(zhì)
模型試驗(yàn)加載系統(tǒng)由模型槽、反力架、傳力架、手動(dòng)式千斤頂和數(shù)顯式壓力傳感器組成。
1)模型槽(見(jiàn)圖1) 所用模型槽長(zhǎng)2.8m、寬1.14m、高1.3m。
圖1 模型槽尺寸設(shè)計(jì)示意
2)反力架(見(jiàn)圖2) 反力架4個(gè)角鋼高度為1.2m,長(zhǎng)邊方向凈尺寸為3m,短邊方向凈尺寸為2m,所允許的最大凈空高度約為1.85m。
圖2 反力架結(jié)構(gòu)示意
3)傳力架(見(jiàn)圖3) 傳力架由2塊鋼板和3根長(zhǎng)度相同的工字鋼組成。
圖3 傳力架實(shí)物
4)千斤頂和壓力傳感器 模型試驗(yàn)使用手動(dòng)式千斤頂;在坡體頂部施加豎向荷載,利用數(shù)顯式壓力傳感器觀(guān)察荷載大?。徊捎弥鸺?jí)加載方式,每級(jí)加載10MPa,加載時(shí)間5min,持載時(shí)間15min。
1)破壞荷載 在逐級(jí)施加豎向荷載過(guò)程中,壓力傳感器示數(shù)出現(xiàn)明顯減小或坡體頂部豎向沉降大幅度增加時(shí),認(rèn)為坡體破壞,此時(shí)將壓力傳感器示數(shù)簡(jiǎn)單換算得到坡體破壞時(shí)的極限荷載。
2)豎向沉降 坡體頂部豎向沉降通過(guò)2個(gè)量程為200mm的位移計(jì)測(cè)得,在每級(jí)荷載施加前后,以2個(gè)位移計(jì)讀數(shù)差的平均值作為坡頂在該級(jí)荷載下產(chǎn)生的豎向沉降量,位移計(jì)布置如圖4所示。
圖4 位移計(jì)布置
3)水平位移 墻面水平位移通過(guò)10個(gè)百分表測(cè)得,將10個(gè)百分表分為2組,每組5個(gè),分別布置在墻中和墻邊距離墻底20,40,60,80,100cm高度處。在每級(jí)豎向荷載施加前后,以每個(gè)百分表讀數(shù)差作為墻面不同高度處測(cè)點(diǎn)在該級(jí)荷載下產(chǎn)生的水平位移。百分表布置如圖5所示。
圖5 百分表布置
4)側(cè)向土壓力 試驗(yàn)使用10個(gè)量程為200kPa的土壓力盒測(cè)量擋土墻墻背所受側(cè)向土壓力,利用DM-YB1860型動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀采集各土壓力盒應(yīng)變,根據(jù)式(1)計(jì)算出各土壓力盒所測(cè)土壓力。
P=Kμε
(1)
式中:P為土壓力;με,K分別為土壓力盒應(yīng)變和校正系數(shù)。
將10個(gè)土壓力盒分為2組,每組5個(gè),分別布置在墻中和墻邊距離墻底20,40,60,80,100cm高度處,在墻后5cm。土壓力盒布置如圖6所示。
圖6 土壓力盒布置
3.4.1天然土坡試驗(yàn)步驟與過(guò)程
1)模型槽預(yù)處理 修筑天然土坡前,首先將安裝好的模型槽各側(cè)面和底部清理干凈,然后用黑色記號(hào)筆在模型槽內(nèi)部有機(jī)玻璃面沿高度10,30,50,70,90,110cm處畫(huà)6條標(biāo)記線(xiàn),為分層填土做準(zhǔn)備。為減小模型槽兩側(cè)內(nèi)壁摩擦對(duì)試驗(yàn)的影響,待標(biāo)記線(xiàn)墨水完全風(fēng)干后,在其兩壁均勻涂抹少量潤(rùn)滑硅脂。此外,在模型槽底部攤鋪1層10cm厚素土,目的是減小模型槽底部現(xiàn)澆式混凝土對(duì)試驗(yàn)的影響。
2)分層填土修筑天然土坡 天然土坡設(shè)計(jì)高度為1.2m,坡頂長(zhǎng)度和寬度分別為1,1.12m,坡比為1∶0.5,密度為1 800kg/m3,每層按20cm厚度分層壓實(shí),共進(jìn)行6次填土。根據(jù)天然土坡密度、幾何尺寸、坡比以及每層填土厚度,可大致計(jì)算出每層填土質(zhì)量。然后利用量程為100kg的電子臺(tái)秤稱(chēng)量每層填土所用回填土,將稱(chēng)量好的疏松土樣均勻分鋪于模型槽內(nèi)夯實(shí)至每層填土標(biāo)記線(xiàn)位置,通過(guò)6次分層填土、分次夯實(shí)修筑天然土坡。
3)安裝傳力架和千斤頂 將傳力架置于修筑好的天然土坡頂面,傳力架下側(cè)鋼板距離坡頂前、后邊緣25cm,距離左、右邊緣約10cm,即傳力架位于坡頂中央。然后將壓力傳感器和手動(dòng)式千斤頂依次放置在傳力架上側(cè)鋼板上,使千斤頂與反力架剛好接觸。
4)安裝百分表和位移計(jì) 根據(jù)2.3節(jié)百分表和位移計(jì)布置設(shè)計(jì),利用磁性表座將百分表和位移計(jì)安裝在設(shè)計(jì)位置。
5)模型試驗(yàn)加載 加載前,將壓力傳感器示數(shù)置0,讀取并記錄百分表和位移計(jì)初始讀數(shù),然后采用逐級(jí)加載方式對(duì)試驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行加載直到破壞,每級(jí)加載10MPa,加載時(shí)間5min,持載時(shí)間15min。每級(jí)加載結(jié)束后,均需記錄百分表和位移計(jì)示數(shù)。
3.4.2固化土擋土墻試驗(yàn)步驟與過(guò)程
固化土擋土墻支護(hù)邊坡共有4種工況,分別為0.3m寬摻2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻和0.3,0.4,0.5m寬摻2%水泥+2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻。固化土擋土墻與天然土坡試驗(yàn)步驟基本一致,區(qū)別在于增加2個(gè)步驟:土壓力盒的埋設(shè)與連接、固化土擋土墻修筑。
模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)為A,B組,2組試驗(yàn)墻后填土的坡比皆為1∶0.5,填土高度為1.2m、寬度為1.12m、頂部長(zhǎng)度為1m、底部長(zhǎng)度為1.6m。
A組模型試驗(yàn)共設(shè)置了坡比為1∶0.5的3個(gè)工況:天然土坡(工況1,無(wú)任何支護(hù)措施)、0.3m寬摻2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻(工況2)、0.3m寬摻2%水泥+2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻(工況3),A組模型試驗(yàn)3種工況設(shè)計(jì)如圖7所示。
圖7 A組模型試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)示意
B組模型試驗(yàn)同樣設(shè)置了坡比為1∶0.5的3個(gè)工況,即0.3,0.4,0.5m寬摻2%水泥+2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻,分別為工況3,4,5。B組模型試驗(yàn)3種工況設(shè)計(jì)如圖8所示。
圖8 B組模型試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)示意
4.1.1坡頂豎向沉降
3種工況下坡頂破壞荷載、最大豎向沉降及相同荷載下最大豎向沉降如表3所示。
表3 試驗(yàn)組A各工況下坡頂破壞荷載、最大豎向沉降及相同荷載下最大豎向沉降
由表3可知:
1)工況2墻后坡體承載力約為工況1的1.54倍,坡體破壞所允許的最大沉降變形約為工況1的1.21倍;工況3墻后坡體承載力約為工況1的2.09倍,約為工況2的1.35倍,坡體破壞所允許的最大沉降變形約為工況1的1.40倍,約為工況2的1.15倍。
2)3種工況下坡體受相同豎向荷載70.43kPa時(shí),工況2墻后坡體豎向沉降為18.24mm,較工況1減少25.64%;工況3豎向沉降為14.67mm,較工況1減少了40.20%,較工況2減少了19.57%。
通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,穩(wěn)定固化土重力式擋土墻可提高被支護(hù)邊坡承載力,減小被支護(hù)邊坡在相同荷載下的豎向變形,同時(shí)也增加了坡體破壞時(shí)所允許的最大豎向變形,使坡體穩(wěn)定性得到一定提高。
4.1.2墻面水平位移
3種工況下坡頂破壞荷載、墻面最大水平位移及相同荷載下最大水平位移如表4所示。
表4 試驗(yàn)組A各工況下坡頂破壞荷載、墻面最大水平位移及相同荷載下最大水平位移
由表4可知:
1)天然土坡最大水平位移為15.36mm,工況2的最大水平位移為19.42mm,約為工況1的1.26倍;工況3的最大水平位移為22.84mm,約為工況1的1.49倍,約為工況2的1.18倍。
2)3種工況下坡體受相同豎向荷載70.43kPa時(shí),工況2的最大水平位移為11.38mm,較工況1減少了25.91%;工況3的最大水平位移為8.52mm,較工況1減少了44.53%,較工況2減少了25.13%。
通過(guò)對(duì)比分析可知,穩(wěn)定固化土重力式擋土墻由于自身重力和較好的整體性可很好地降低被支護(hù)坡體相同荷載下的水平位移,同時(shí)也增加了坡體破壞時(shí)所允許的最大水平變形,進(jìn)而降低坡體發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。
4.1.3墻后土壓力分析
試驗(yàn)組A通過(guò)在工況2,3墻后5cm處埋設(shè)10個(gè)土壓力盒來(lái)探究墻后土壓力分布規(guī)律,10個(gè)土壓力盒分別埋設(shè)在墻中和墻邊距離墻底20,40,60,80,100cm處。工況2,3在破壞荷載下中間和側(cè)邊墻后土壓力變化曲線(xiàn)如圖9所示。
圖9 工況2,3在破壞荷載下中間和側(cè)邊墻后土壓力變化曲線(xiàn)
試驗(yàn)組A 3種工況下坡頂破壞荷載及工況2,3下墻后最大土壓力如表5所示。
由圖9、表5可知:
表5 試驗(yàn)組A 3種工況下坡頂破壞荷載及工況2,3下墻后最大土壓力
1)墻后側(cè)邊土壓力比中間要小很多,主要是因?yàn)槟P筒酆涂拷?個(gè)側(cè)面的土體間具有一定摩擦力,同時(shí)也會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擠壓作用。
2)理論上講,墻后土壓力應(yīng)呈三角形分布,試驗(yàn)測(cè)出的土壓力分布與該規(guī)律有一定差別;試驗(yàn)所測(cè)土壓力隨擋土墻高度方向呈先增大后減小趨勢(shì),且最大土壓力出現(xiàn)在距離墻底H/3處。
4.2.1坡頂豎向沉降
不同寬度固化土重力式擋土墻在不同工況下坡頂破壞荷載、最大豎向沉降及相同荷載下最大豎向沉降如表6所示。
表6 試驗(yàn)組B各工況下坡頂破壞荷載、最大豎向沉降及相同荷載下最大豎向沉降
由表6可知:
1)工況4墻后坡體承載力約為工況3的1.32倍,坡體破壞所允許的最大沉降變形約為工況3的1.13倍;工況5墻后坡體承載力約為工況3的1.61倍,約為工況4的1.21倍,坡體破壞所允許的最大沉降變形約為工況3的1.29倍,約為工況4的1.14倍。
2)3種工況下坡體受相同豎向均布荷載100kPa時(shí),工況4墻后坡體豎向沉降為16.34mm,較工況3減少16%;工況5墻后坡體豎向沉降為12.95mm,較工況3減少33.42%,較工況4減少20.75%。
通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,穩(wěn)定固化土重力式擋土墻越寬,被支護(hù)坡體的承載力越高,坡體破壞時(shí)所允許的最大豎向變形也越大,坡體越穩(wěn)定;此外,墻后坡體所受豎向均布荷載相同時(shí),擋土墻越寬,豎向沉降越小。
4.2.2墻面水平位移
不同寬度固化土重力式擋土墻在不同工況下坡頂破壞荷載、墻面最大水平位移及相同荷載下最大水平位移如表7所示。
表7 試驗(yàn)組B各工況下坡頂破壞荷載、墻面最大水平位移及相同荷載下最大水平位移
由表7可知:
1)工況4最大水平位移約為工況3的1.2倍;工況5最大水平位移分別約為工況3,4的1.35,1.13倍。
2)3種工況下坡體受相同豎向均布荷載100kPa時(shí)。工況4最大水平位移為13.45mm,較工況3減少14.06%;工況5最大水平位移為10.91mm,較工況3減少30.29%,較工況4減少18.88%。
通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,穩(wěn)定固化土重力式擋土墻墻體越寬,被支護(hù)坡體破壞時(shí)所允許的最大水平變形也越大,坡體越安全;此外,墻后坡體所受豎向均布荷載相同時(shí),墻體越寬,水平位移越小。
4.2.3墻后土壓力
試驗(yàn)組B在工況4,5墻后5cm處埋設(shè)了10個(gè)土壓力盒來(lái)探究墻后土壓力分布規(guī)律。工況4,5在破壞荷載下中間和側(cè)邊墻后土壓力變化曲線(xiàn)如圖10所示。
圖10 工況4,5在破壞荷載下中間和側(cè)邊墻后土壓力變化曲線(xiàn)
試驗(yàn)組B各工況下坡頂破壞荷載及墻后最大土壓力如表8所示。
表8 試驗(yàn)組B各工況下坡頂破壞荷載及墻后最大土壓力
由圖10、表8可知:
1)工況4,5墻后土壓力變化規(guī)律與試驗(yàn)組A其他工況變化趨勢(shì)基本相同,中間的土壓力比側(cè)邊大很多,且墻后土壓力沿?fù)跬翂Ω叨确较虺氏仍龃蠛鬁p小的趨勢(shì)。
2)擋土墻墻身越寬,坡體破壞時(shí)墻后土壓力越大。
3)穩(wěn)定固化土重力式擋土墻經(jīng)分層擊實(shí)修筑后,在試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)擋土墻明顯凸起的情況,整體性較好;墻后最大土壓力出現(xiàn)在距離墻底H/3 處。
使用土壤固化劑和水泥對(duì)工程性質(zhì)較差的粉質(zhì)黏土進(jìn)行改良,將經(jīng)過(guò)處理得到的穩(wěn)定固化土直接用于修筑重力式擋土墻,為穩(wěn)定固化土重力式擋土墻設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)基礎(chǔ),提出了擋土墻處理方法。
1)由于本研究選用的是單級(jí)重力式擋土墻結(jié)構(gòu),墻后填土高度為1.2m,為保證擋土墻應(yīng)有的強(qiáng)度,考慮穩(wěn)定固化土土質(zhì)情況,墻后填土高度一般≤4m, 坡度一般在1∶0.5~1∶0.7,具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土體情況采取適用的工程結(jié)構(gòu)。
2)由于工程實(shí)體現(xiàn)場(chǎng)存在土樣顆粒級(jí)配不良、粗粒組顆粒缺乏、含水率過(guò)高等問(wèn)題,可考慮在土壤中加入一定量水泥及固化劑的最佳材料配合比。
3)均勻分鋪于模型槽內(nèi)夯實(shí)固化土,逐級(jí)修筑每層固化土的壓實(shí)度要≥90%,下層固化土夯實(shí)前要對(duì)上一層表面進(jìn)行刮毛。
該項(xiàng)目屬于綿陽(yáng)市國(guó)土資源局地質(zhì)災(zāi)害治理項(xiàng)目,治理內(nèi)容是使用穩(wěn)定固化土對(duì)綿陽(yáng)金山公墓旁某農(nóng)家院后山進(jìn)行防護(hù),坡體高度約8m。施工步驟為:①先用挖掘機(jī)對(duì)山體進(jìn)行分級(jí)放坡,坡比約為1∶0.5;②利用農(nóng)家院后山現(xiàn)場(chǎng)土壤,在土壤中拌合一定量土壤減水粉劑和土壤穩(wěn)定液劑對(duì)土體進(jìn)行抗水化處理;③將處理后的土壤分層夯實(shí),逐級(jí)修筑固化土重力式擋土墻,形成約8m高的分級(jí)重力式擋土墻,施工過(guò)程和后期使用情況如圖11所示。
由圖11可知,由于山體較高,施工時(shí)采用分級(jí)放坡的方法修筑多級(jí)重力式擋土墻,有利于減緩雨水沖刷作用。該項(xiàng)目原地取土,未使用水泥、條石等材料,具有生態(tài)環(huán)保、造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單、工期短等優(yōu)點(diǎn)。降雨條件下,固化土擋土墻表面未出現(xiàn)整體滑塌、泥化等現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多年使用后,擋土墻表層生長(zhǎng)出大量野生植物,植被恢復(fù)情況良好,坡體整體穩(wěn)定性較好,固化土重力式擋土墻對(duì)山體的支護(hù)效果明顯。
1)通過(guò)原土固化處治,將需丟棄的不良土通過(guò)破壞土粒表面親水性質(zhì),增加抗水化性,降低含水率,再利用施壓加速土體石化進(jìn)程改造成性能良好的工程土,保證了工程施工綠色高效開(kāi)展。
2)穩(wěn)定固化土重力式擋土墻寬度增加時(shí),被支護(hù)坡體承載力增幅明顯,坡頂承受相同豎向均布荷載時(shí)的豎向沉降和水平位移均有不同程度減小,坡體破壞時(shí)所允許的最大豎向和水平變形有所增加,坡體穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。
3)直接使用穩(wěn)定固化土替代塊石、條石、片石混凝土、鋼筋混凝土等建筑材料修筑重力式擋土墻,不僅有利于工程性質(zhì)較差棄土的資源化利用,也有利于減少對(duì)自然資源的開(kāi)采,更好地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境,有利于生態(tài)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。