何志超 徐永福

(①南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部,南京 210031,中國)(②上海交通大學(xué)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(yīng)民意,我國高速鐵路發(fā)展進(jìn)入快車道。江蘇南沿江城際鐵路連接江蘇省南京市、鎮(zhèn)江市、常州市、無錫市、蘇州市,是長江三角洲城市群核心區(qū)域城際軌道交通網(wǎng)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(zhì)分布為:上部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、粉土粉砂互層,下部為含砂粉土、細(xì)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(qiáng)度低、易觸變液化的特點(diǎn),軟土觸變液化后地表發(fā)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(shè)高速鐵路,需要對長江漫灘沉積軟土地基進(jìn)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(shù)已經(jīng)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(jīng)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(huì)對樁周土產(chǎn)生擾動(dòng),引起土體強(qiáng)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(zhì)以粉土、細(xì)砂等為主,易發(fā)生觸變液化(徐永福等,2013; 蔣順強(qiáng)等,2015)。鄧永峰等(2009)根據(jù)靜力觸探測試的錐尖阻力的現(xiàn)場測試結(jié)果,評價(jià)了攪拌樁施工的擾動(dòng)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(shí)的孔隙水壓力和土壓力變化,定量評價(jià)雙向攪拌樁施工引起孔壓和土壓力的變化規(guī)律,定量表示攪拌樁的施工影響程度,不同土質(zhì)條件的攪拌樁施工的影響程度不同,土質(zhì)條件差的情況下,會(huì)導(dǎo)致軟土地基發(fā)生災(zāi)變破壞。

隨著長三角一體化進(jìn)程推進(jìn),沿長江兩岸基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,施工引起長江漫灘沉積軟土災(zāi)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(yùn)專線軟土地基處理施工引起地基災(zāi)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(jié)了深基坑工程周圍地表及地下管線的沉降原因和沉降規(guī)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(jī)理。卞榮等(2021)通過數(shù)值方法計(jì)算了預(yù)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(shí),強(qiáng)影響區(qū)域范圍為max(1.5Dt,4.5Dp),弱影響區(qū)域范圍為max(4Dt,8Dp); 樁長介于2Dt～6Dt時(shí),強(qiáng)影響區(qū)域范圍為max(Dt,3Dp),弱影響區(qū)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(jī)場軟基處理施工對運(yùn)營地鐵隧道的影響,地基處理施工嚴(yán)格控制旋噴樁和攪拌樁與地鐵結(jié)構(gòu)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(zāi)變破壞有了很深刻的認(rèn)識(shí),但仍缺乏系統(tǒng)總結(jié)。

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(zāi)變現(xiàn)象,對長江漫灘沉積軟土災(zāi)變進(jìn)行歸納分類,根據(jù)水泥攪拌樁施工過程中的孔壓、土壓力和深層位移的現(xiàn)場測試結(jié)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(zāi)變的評價(jià)方法; 基于攪拌樁樁間土的含水量和剪切強(qiáng)度的變化規(guī)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(zāi)變破壞現(xiàn)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(huán)境影響水流緩慢區(qū),形成黏粒、粉粒為主的粉質(zhì)黏土和粉土。水流趨于緩慢,漫灘相軟土沉積下來,形成現(xiàn)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(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土,粉質(zhì)黏土、粉細(xì)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(tài)。

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

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

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

1.2 長江漫灘沉積軟土災(zāi)變現(xiàn)象

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

1.2.1 水泥攪拌樁樁頂下沉現(xiàn)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(jī)鉆進(jìn)及提升時(shí),有突然加速現(xiàn)象,鉆頭阻力出現(xiàn)明顯減小的現(xiàn)象。水泥攪拌樁在施工完成后立即出現(xiàn)下沉現(xiàn)象,樁頂表現(xiàn)為空洞,空洞內(nèi)充滿了水。攪拌樁頂下沉量為15～40cm,最大達(dá)到70cm,并伴有大量細(xì)砂翻涌出來,在地面樁頂周圍出現(xiàn)大量細(xì)砂。

圖4 水泥攪拌樁下沉現(xiàn)象

水泥攪拌樁下沉機(jī)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(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水,強(qiáng)結(jié)合水是不能自由流動(dòng),具有固體性質(zhì),可以視為土顆粒的組成部分(Xu,2004a; 2004b)。結(jié)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(chǎn)生微小位移將導(dǎo)致短程作用力消失或降低,結(jié)合水喪失或結(jié)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(jié)合水膜厚度大,土顆粒以結(jié)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(chǎn)生擾動(dòng),土顆粒產(chǎn)生位移,土顆粒間的吸引力消失或降低,結(jié)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(nèi)充滿水。

圖5 水泥攪拌樁下沉機(jī)理示意圖

飽和軟土顆粒間通過氫鍵、范德華力等吸引力聯(lián)結(jié),在地基處理施工影響下土顆粒間的吸引力消失或降低,產(chǎn)生觸變(Boswell,1948;Skempton et al.,1952; Mitchell,1960; Kerr et al.,1963)。水泥攪拌樁下沉現(xiàn)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(nèi)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(shí),鄰近攪拌樁鉆芯取樣孔內(nèi)出現(xiàn)噴水冒漿現(xiàn)象,冒出泥漿柱的最大高度達(dá)到20～50cm。鉆芯取樣孔內(nèi)出現(xiàn)噴水冒漿現(xiàn)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(nèi)的攪拌樁成形情況很差,基本處于泥漿狀態(tài),導(dǎo)致攪拌樁鉆芯取樣時(shí),相鄰攪拌樁鉆芯取樣孔內(nèi)出現(xiàn)噴水冒漿現(xiàn)象,水泥攪拌樁鉆芯取樣孔內(nèi)出現(xiàn)噴水冒漿現(xiàn)象的主要原因還是粉土出現(xiàn)了觸變液化現(xiàn)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(zāi)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(zāi)變現(xiàn)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(chǎn)生隆起,在堆土外側(cè)產(chǎn)生剪切裂隙,如圖7a所示; 在堆土外側(cè)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(jī)理如圖8所示,在堆土過程中,堆土重量作用下地基土先產(chǎn)生壓縮變形,如圖8a所示; 隨著荷載增加,在堆土邊緣產(chǎn)生塑性區(qū),如圖8b所示; 堆土荷載繼續(xù)增加,地基產(chǎn)生剪切破壞,剪切破壞面傾角為45°+φ/2(φ是內(nèi)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(gè)多月填了3.5m高,結(jié)果導(dǎo)致路基沉降量大、沉降發(fā)展很快,有不收斂的趨勢,如圖9所示。路基沉降量過大,導(dǎo)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(huì)引起土體強(qiáng)度降低,當(dāng)路基承載力不足以承擔(dān)路堤填土產(chǎn)生的重應(yīng)力,路基就可能產(chǎn)生災(zāi)變破壞,如圖11所示,某客運(yùn)專線由于路基填土快,路基出現(xiàn)了垮塌現(xiàn)象,表現(xiàn)為施工便道隆起,附近麥田開裂,箱涵擠垮錯(cuò)開30cm。

圖9 路基沉降過大造成填土表面不平的現(xiàn)象

圖10 路基沉降過大造成填土表面不平的現(xiàn)象

圖11 填土速度過快導(dǎo)致路基破壞的現(xiàn)象

2 施工影響機(jī)理

2.1 施工引起的土體位移

水泥攪拌樁施工對相鄰?fù)馏w有很強(qiáng)的擠壓作用和剪切作用; 同時(shí),在水泥漿噴出過程中的泥漿壓力對周圍土體產(chǎn)生很強(qiáng)的擠壓力,如圖12所示,樁周土體產(chǎn)生位移。土體產(chǎn)生側(cè)向位移的前提條件是鉆頭葉片對土體的被動(dòng)土壓力不足以抵擋噴漿壓力。攪拌鉆頭旋轉(zhuǎn)噴漿時(shí),產(chǎn)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(dòng)的徑向力T。因此,鉆頭旋轉(zhuǎn)引起土體側(cè)向移動(dòng)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(dòng)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(nèi)摩擦角;c為黏聚力。以五峰山大橋接線為例,軟土的強(qiáng)度指標(biāo)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(dòng)土壓力Ep=90.9kPa。樁機(jī)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(chǎn)生了側(cè)向移動(dòng)。

為了驗(yàn)證攪拌樁施工引起土體產(chǎn)生位移的判據(jù),在五峰山大橋接線埋設(shè)了深層測斜管,測點(diǎn)布置平面圖如圖13所示,同時(shí)埋設(shè)了孔隙水壓力計(jì)和土壓力計(jì)。鉆孔完成后,測斜管就位后,向鉆孔內(nèi)灌細(xì)砂,一邊灌砂一邊注水,使測斜管與鉆孔間的細(xì)砂密實(shí)。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(jì)和土壓力計(jì)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(fā)生觸變。

圖13 攪拌樁施工影響監(jiān)測測點(diǎn)布置

水泥攪拌樁施工引起土體產(chǎn)生的水平位移如圖14所示。圖中選了3個(gè)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(guān)系。水泥攪拌樁的施工順序按1～12的次序進(jìn)行,圖14a是西測點(diǎn)的水平位移與距離的關(guān)系,圖14b是東測點(diǎn)的水平位移與距離的關(guān)系。圖中距離減小表示由遠(yuǎn)及近施工,距離增加表示由近而遠(yuǎn)施工。水平位移隨著距離減小而增加,由遠(yuǎn)及近施工引起的水平位移增加速度快,表現(xiàn)在圖14中的斜率大; 由近而遠(yuǎn)施工,水平位移增加速度慢,表現(xiàn)在圖14中的斜率小,在距離遠(yuǎn)處,斜率甚至為0,即曲線為水平直線,反映了施工順序?qū)λ轿灰频挠绊憽Ρ葓D14中位移隨距離的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)第一次東測點(diǎn)與西測點(diǎn)的水平位移大小發(fā)現(xiàn):由遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)及近施工,施工影響具有疊加效應(yīng)。

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(jì)(JTM-V2000/200kPa),由背板、感應(yīng)板、信號傳輸電纜、振弦及激振電磁線圈等組成。土壓力的計(jì)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(chǎn)生超孔隙水壓力。假設(shè)水泥攪拌樁施工對土體的擠壓應(yīng)力是瞬間施加的,飽和軟土的超孔隙水壓力應(yīng)該等于土體受到的擠壓應(yīng)力,即:

WP=EP

(4)

式中:WP為超孔隙水壓力;EP為土壓力。

在實(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(yīng)對比于圖16中,圖16a對比了西測點(diǎn)和東測點(diǎn)的超孔隙水壓力,圖16b對比了西測點(diǎn)和東測點(diǎn)的土壓力,圖中樁號A1～A2與圖13中的攪拌樁施工順序?qū)?yīng)。A7樁施工時(shí),東側(cè)土壓力數(shù)據(jù)出現(xiàn)了缺失。西測點(diǎn)的超孔隙水壓力在A2施工時(shí)到達(dá)最大值,此時(shí)的超孔隙水壓力包括了A1和A2的施工影響,A3施工時(shí)西測點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的孔壓迅速增加。

在A6施工時(shí)東測點(diǎn)的孔壓到達(dá)最大值,此時(shí)的超孔隙水壓力包括了A5和A6的施工影響,在A4施工時(shí)東測點(diǎn)的超孔隙水壓力開始出現(xiàn)峰值。對比A3施工對西測點(diǎn)與A4施工對東測點(diǎn)的超孔隙水壓力影響,A3施工時(shí)西測點(diǎn)超孔隙水壓力減小,而A4施工時(shí)東測點(diǎn)超孔隙水壓力增加,表明了施工完工后攪拌樁A2對西測點(diǎn)的超孔隙水壓力有屏蔽作用,導(dǎo)致A3施工時(shí)西測點(diǎn)超孔隙水壓力減小。隨著攪拌樁施工進(jìn)行,東測點(diǎn)的超孔隙水壓力迅速增加,直到攪拌樁A6和A7施工時(shí),東測點(diǎn)的超孔隙水壓力達(dá)到最大值。攪拌樁由遠(yuǎn)及近施工,超孔隙水壓力不斷增加,這種現(xiàn)象成為累積效應(yīng); 攪拌樁由近而遠(yuǎn)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(yīng),發(fā)現(xiàn)土壓力的累積效應(yīng)不及超孔隙水壓力的累積效應(yīng),導(dǎo)致東測點(diǎn)地下9m處超孔隙水壓力超過土壓力,此時(shí)軟土產(chǎn)生了類似液化的觸變。東測點(diǎn)土體超孔隙水壓力的累積效應(yīng)明顯,選取東測點(diǎn)分析不同深度處的超孔隙水壓力和土壓力的發(fā)展規(guī)律,如圖17所示是孔壓和土壓力隨時(shí)間變化的曲線,兩者隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律類似,水泥攪拌樁施工達(dá)到測點(diǎn)深度時(shí)超孔隙水壓力和土壓力迅速達(dá)到峰值,隨后慢慢減小,超孔隙水壓力和土壓力達(dá)到峰值的時(shí)間基本同步。超孔隙水壓力和土壓力的最大值都發(fā)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(yīng)關(guān)系,所以在水泥攪拌樁施工過程中,軟土發(fā)生觸變與深度沒有關(guān)系,取決于土質(zhì)特性和施工影響大小。

圖18是超孔隙水壓力與距離的關(guān)系,為了減小數(shù)據(jù)的離散性,采用雙對數(shù)坐標(biāo)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(huì)引起軟土觸變。因此,一根攪拌樁施工引起軟土觸變,將導(dǎo)致整片軟土地基產(chǎn)生災(zāi)變。

圖18 孔壓隨距離的變化規(guī)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(guī)律有以下幾點(diǎn):

(1)在水泥攪拌樁連續(xù)施工過程中,孔壓和土壓力具有明顯的累積效應(yīng); 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(yīng),導(dǎo)致由遠(yuǎn)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(yīng),導(dǎo)致由近而遠(yuǎn)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(huì)影響附近一片攪拌樁施工質(zhì)量。

3 軟土災(zāi)變判別

在水泥攪拌樁施工過程中出現(xiàn)軟土災(zāi)變地區(qū)的超孔隙水壓力與土壓力比較于圖19中,發(fā)現(xiàn):軟土災(zāi)變地方的土壓力基本小于超孔隙水壓力。實(shí)際上,超孔隙水壓力對應(yīng)土壓力的地方,土體處于流動(dòng)狀態(tài),相當(dāng)于發(fā)生了液化。類似于液化的判別方法,水泥攪拌樁施工影響導(dǎo)致災(zāi)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(dǎo)致軟土地基災(zāi)變的判別依據(jù)。

根據(jù)軟土地基災(zāi)變的判別依據(jù)(式(5)),五峰山大橋接線水泥攪拌樁施工過程中,引起軟土災(zāi)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(nèi),軟土發(fā)生災(zāi)變,從圖20看出,6m深度軟土發(fā)生災(zāi)變的范圍為距樁芯1.8m、9m深度軟土災(zāi)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(zāi)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(zāi)變后,軟土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,下面根據(jù)現(xiàn)場測試和取樣的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,分析軟土災(zāi)變后的物理力學(xué)性質(zhì)。

4.1 含水量變化

在埋設(shè)深層測斜管、孔隙水壓力計(jì)和土壓力計(jì)時(shí),埋設(shè)水分傳感器,根據(jù)水泥攪拌樁施工過程中和施工28d后的水分傳感器測試結(jié)果和現(xiàn)場取樣的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,分析軟土災(zāi)變后含水量的變異特性,如圖21所示。土樣采用挖機(jī)開挖取樣和鉆芯取樣,室內(nèi)測量含水量。發(fā)生軟土災(zāi)變的地方,水泥攪拌樁施工1d后,樁周1.2m范圍內(nèi)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(gè)別點(diǎn)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(nèi),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(qiáng)度變化

在水泥攪拌樁施工前后,現(xiàn)場采用十字板試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)測量土體強(qiáng)度,測試結(jié)果如圖22所示。十字板和靜力觸探試驗(yàn)簡單地用施工前后的剪切阻力和錐尖阻力比值表示強(qiáng)度變化。水泥攪拌樁施工對軟土的強(qiáng)度影響很明顯,施工當(dāng)天(1d),土體的強(qiáng)度明顯減小,隨著離水泥攪拌樁距離增加,土體強(qiáng)度減小程度變小。樁周1.2m范圍內(nèi)土體強(qiáng)度降低幅度達(dá)到10%～38%; 在樁周1.2～2m范圍內(nèi),土體強(qiáng)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(qiáng)度的變化

水泥攪拌樁施工28d后,土體的強(qiáng)度明顯增加,隨著離水泥攪拌樁距離增加,土體強(qiáng)度增加幅度變小。樁周1.2m范圍內(nèi)土體強(qiáng)度增加幅度達(dá)到10%～33%; 在樁周1.2～2m范圍內(nèi),土體強(qiáng)度略有增加,增加幅度不超過10%。水泥攪拌樁樁間土強(qiáng)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(jié)作用。

水泥攪拌樁樁間土的強(qiáng)度表現(xiàn)為先減小、再增加現(xiàn)象,這就是一個(gè)完整的觸變過程(Boswell,1948; Mitchell,1960)。水泥攪拌樁施工引起樁間土發(fā)生觸變,樁間土的強(qiáng)度相當(dāng)于初始強(qiáng)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(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系如圖23所示,樁間土的強(qiáng)度隨時(shí)間呈對數(shù)函數(shù)增長,與水泥土強(qiáng)度增長規(guī)律一致。

圖23 樁間土體強(qiáng)度與時(shí)間的相關(guān)關(guān)系

5 結(jié) 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(fā)生災(zāi)變的現(xiàn)象主要有:水泥攪拌樁樁頂下沉、攪拌樁鉆芯取樣孔內(nèi)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(yīng)和屏蔽效應(yīng),由遠(yuǎn)及近施工引起的孔壓力明顯增加,由近而遠(yuǎn)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(guān)關(guān)系。

(3)長江漫灘沉積軟土以粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、細(xì)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(chǎn)生位移和超孔隙水壓力,土顆粒產(chǎn)生位移導(dǎo)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(fā)生災(zāi)變,軟土災(zāi)變的判據(jù)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(fā)生災(zāi)變,軟土災(zāi)變范圍大約為1.2m。