搅拌桩处理软土地基的离心机试验研究
1.2. 卢国胜 3.蒋昌贵 1.王 迅
（1. 西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2. 西南科技大学 环境与资源学院，绵阳 621010；3.中港第二航务工程局，武汉 430014）
摘要：通过无处理软土路基和搅拌桩复合地基的土工离心模型试验，探讨了路基沉降与时间的关系、搅拌桩对路基沉降控制的效果以及桩顶、桩底、桩侧不同深度处的应力分布和不同深度处的桩身应变，对京沪高速铁路路基处理措施的选择和复合地基的理论计算有一定的指导意义。
关键词：离心模型试验；软土；复合地基；沉降
中图分类号：TU 411.93 文献标识码：A
1 引 言
高速铁路对路基的稳定及变形控制提出了很高的要求，尤其对路堤工后沉降的控制，国外有极严格的标准。我国《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》提出了路基工后沉降≤10 cm，沉降速率≯3 cm/年的标准。同时从京沪高速铁路工程地质条件分析，沿线软土地基分布广，尤其是宁沪段，软土地基总长达 103.6 km，大部分采用以桥代路后尚有软土路堤工点 110 处，长 36.6 km。因此软土地基沉降变形的控制、处理方案的正确选择，是高速铁路路基设计、施工的一个重点。为了掌握软基的沉降规律，课题组对该路段两种典型土样进行了多组离心模型试验，本文介绍了针对无锡土样的两组离心模型试验研究，即无处理软土路基和搅拌桩复合地基的土工离心模型试验。
2 试验研究
关于离心模型试验原理，文献[1～4]从不同的角度进行了比较详细的论述，并指出离心模型试验技术是岩土工程研究中的一项新技术，它借助离心机产生的重力场，使模型的应力水平与原型相同，从而达到用模型表现原型的目的。离心模型能满足几乎所有的关键相似条件，因此用离心模型试验手段来研究岩土工程问题，是常规模型试验（1g）无法比拟的。
2.1 相似原理与试验装置
大多数土工问题是研究土体中的应力-应变状态的变化，从而解决土的变形和稳定问题，文献[1～3]等已对主要物理量的相似原理做了比较详细的论述，这里只列出常见物理量的模型相似比，见表1。
本次试验所使用的离心机是西南交通大学TLJ-2 型土工离心机，该机的最大容量为 100 g.t，大模型箱尺寸 800 mm×600 mm×600 mm，本次试验均采用此模型箱，有效旋转半径 2 700 mm，最大加速度 200 g，数据采集通道数 70 个，配有数字式摄像和照像设备。试验时取n =60。
2.2 模型试验方案
试验所用土样取自京沪高速铁路湖沼积平原代表性工点（Dk499+530～+810 试验点），该工点地层较复杂，试验选取了有代表性的 3 层土样。土样物理力学指标见表 2。
地基土模型制作时，土样分别晒干，粉碎，过2 mm 筛，加水配至饱和状态，密封储存 24 h，然后将上述土样按实际地层顺序放入离心模型箱中在加速度 60 g 的离心场中分层固结，固结度达到90 %～95 %以上，达到正常固结状态。取样作直剪试验和含水量测试，若同现场值基本一致，则土样制备完成。固结过程中排出的水由安置在离心机角部的塑料圆管收集，安放路堤前，将水吸出。
路堤采用现场取回的风化花岗岩制作。将其粉碎后按最佳含水量配置成路堤填料，在路堤模型槽（原型路堤面宽 13.4 m，路堤中心高度约 5 m，边坡坡度 1: m = 1:1.5，按模型率n =60 制作）中分层压实成型，脱模后放在离心机模型箱中已固结的地基土上。
位移的测试采用两种方式：一是在机箱靠有机玻璃的地基土样断面上设置土层断面标志点，以测试不同深度处的位移；二是在模型中部断面安装了4个电涡流位移计，以测试路堤和地基表面不同点的位移，具体位置见图 1 和图 2。
搅拌桩处理的地基离心模型试验是模拟现场桩径 50 cm，桩间距 1.5 m，按正方形布置的搅拌桩复合地基。离心模型用的搅拌桩是用现场土与 425#水泥按 15 %掺入比制成，桩径 8.3 mm，桩长 31 cm，养护 28 d 后使用，28 d 无侧限抗压强度为 1.4 MPa。模型制作时，手工按模板确定好的位置将桩插入固结好的地基土中，插桩完成后，上覆细砂 5 mm，然后安放路堤。试验中为了测试桩的变形和土压力，在路堤中心下 3 个桩的桩顶、桩底、1/2 桩长处、上 1/4 桩长处和下 1/4 桩长处侧面沿桩长方向贴了应变片，测试桩的不同部位的纵向应变。同时，在路堤中心下另外 2 个桩的桩顶、桩底，以及相邻的桩顶桩间土、桩底桩间土、1/2 桩长处和下 1/4 桩长处埋设了 9 个南京产的 BW 箔式土压力盒，以测试不同部位的土压力。
2.3 试验过程
离心机运行前先照相，记录标志点相对位置，用于分析不同深度地层沉降。离心机运行达到 60 g后，开始每隔 12 min（相当实际 1 个月）采集 1 次电涡流位移计测试数据，用于分析地基和路堤表面沉降，同时照相，用于分析不同深度地层沉降。运行 72 min（相当实际 6 个月）后，则每隔 72 min 采集1次。共运行 432 min（相当实际 3 年）。对于搅拌桩处理的离心试验，每隔 5 min 还要采集应变片测试数据和土压力测试数据。
为了考虑路堤的分层填筑过程，试验中采取逐级增大离心机加速度的方法。试验共分为 12，24，36，48，60 g 5 级进行加载。按 60 g 加速度对应原型路堤高 5 m，各级分别对应原型路堤增高至 1，2，3，4 m 和 5 m。路堤填筑按 10 d 填高 1 m 考虑，对应各级加载时间分别为 100，25，11，6，4 min。路堤填筑完成后再在路堤荷载下固结 3 年时间。
3 试验结果与分析
3.1 地基无处理模型试验
从实测数据可看出，地基最大沉降值发生在地表，线路中心处的沉降最大，向两侧逐渐减小。工后半年内沉降迅速，前 3 个月的沉降量约为总沉降的91 %，工后半年沉降约为 68.3 cm，工后 1 年沉降约为 69.3 cm，竣工 3 年后的最大沉降约为 71.8 cm；竣工 3 年后的坡脚最大沉降约为 36 cm；距坡脚约6 m 的沉降表现为：工后 3 个月内地表迅速隆起，隆起最高达 35.5 cm，随后趋于平缓，略有下沉。坡角外侧地表沉降与文献[5]用有限元计算的结果有相似的规律性，只是文献[5]中地表隆起最高点更靠近坡角，这和该文路堤断面为折线式有关；横向位移最大发生在地基表面下 6.6 m左右的范围内，地表 13 m 以下沉降已很小，这和文献[6]的实测结果非常接近。如图 3～5 所示。
3.2 搅拌桩复合地基模型试验
从实测数据可看出，地基最大沉降值发生在地表线路中心处，向两侧逐渐减小。工后半年内沉降迅速，前 3 个月的沉降量约为 3 年时沉降的 89 %，工后半年沉降约为 46.9 cm，工后 1 年沉降约为47.8 cm，竣工 1.5 年的沉降约为 48.7 cm，竣工 3年后沉降约为 49.4 cm；坡脚沉降在前 3 个月增长较快，6 个月后增长缓慢，竣工 3 年后的坡脚最大沉降约为 33.2 cm；距坡脚约 6 m的沉降表现为：工后3 个月内地表迅速隆起，隆起最高达 21.5 cm，随后趋于平缓，略有下沉。该组试验由于埋设土压力计，使土层受到扰动，为了避免暴露时间过长，扰动过大，该组试验未做侧面不同深度处的标志点。各点沉降与时间的关系见图 6。
从图 7 实测结果看，桩顶桩间土土压力约为50 kPa，桩顶土压力约为140 kPa，桩土应力比为2.8。桩顶土压力值随时间增长迅速降低，分析其原因为：试验过程中路堤吸水软化，桩顶上刺（试验后观察到上刺量约 1 cm，相当实际 60 cm），使桩顶部路堤相对变薄、破坏，导致土压力下降；另一原因可能是在上述过程中土压力计移动倾斜，而导致测出的土压力值下降。土压力值随深度的变化趋势与实际相符。测试结果表明，桩底土压力分布并不均匀，桩底土压力约为桩底桩间土土压力的 1.4 倍。
图 8 是桩侧应变实测曲线，图中显示在工后约400 d 时应变发生突变，估计是由于桩体发生弯曲甚至断裂所至。在此之前实测数据规律性较好，越靠近桩顶，桩的竖向应变越大，再随深度的增加而减小。
4 结 论
（1）最大沉降都发生在线路中心线下的地基表面；最大水平位移发生在坡脚附近，离地基表面6.6 m 左右的地基中；坡脚外侧发生隆起现象，隆起最高点距坡角约 6 m；
（2）天然地基上修筑路堤，地基固结历时长，竣工 3 年后的工后沉降仍未稳定下来，固结沉降仍在继续增加；
（3）搅拌桩地基的最大沉降和横向位移都明显低于天然地基，搅拌桩地基工后 6 个月到 3 年这 2.5年的沉降为 2.5 cm，小于《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》提出了路基工后沉降≤3 cm/年的要求，从沉降发展趋势看，用搅拌桩处理地基是一种可行的办法；
（4）桩土应力比随深度逐渐减小，桩顶处为 2.8，桩底处为 1.4。
参 考 文 献
[1] 包承刚, 饶锡保. 土工离心模型的试验原理[J]. 长江科学院院报, 1998, 15(2): 1－5.
[2] 吴波, 高波, 索晓明, 等. 城市地铁隧道施工对管线的影响分析[J]. 岩土力学, 2004, 25(4): 657－662.
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