基于管桩改良下水工地基软土力学试验研究_袁肇彦.pdf

2023年3月收稿日期：20221016作者简介：袁肇彦（1987），男，工程师，主要从事水利工程管理工作。摘要：广东某水工设施软弱土地基环境治理中，探讨了高压旋喷桩改良干预下复合土力学特征，采用三轴力学试验分析了旋喷桩设计与土体养护因素对其力学特征影响。高压旋喷桩设计因素对改良土应变特征影响较小，仅会影响其承载能力。旋喷固结剂掺量对承载强度为促进作用，但促进效果在掺量6%后有所减弱；注浆压力对强度促进作用为先增后减，在注浆压力16 MPa后，改良土承载能力受注浆压力影响具有减弱效果。养护龄期对改良土承载能力为促进作用，围压50、500 kPa下，每梯次龄期7 d，分别可引起强度增幅0.7%、24.8%，而后者围压下改良土强度较之前者分别增大了1.131.18倍。龄期在改良土弹性段无影响，差异性影响在屈服塑性段才显著。试验结果表明，高压旋喷桩治理软弱土应设计成注浆压力16 MPa、固结剂掺量6%，而养护龄期28 d以上。研究结论可为高压旋喷桩在不良土体的设计治理中应用提供参考。关键词：地基；软弱土；力学；旋喷桩中图分类号：TV223.2+2文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）03-0074-06DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.03.021基于管桩改良下水工地基软土力学试验研究袁肇彦（广东省科达水利电力岩土工程有限公司，广东广州510000）Experimental Study on Soft Soil Mechanics of Hydraulic FoundationImproved by Pipe PilesYUAN Zhao-yan（Guangdong Keda Water Conservancy and Electric Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）Abstract：In the environmental treatment of soft soil foundation faced of a hydraulic facility in Guangdong，the mechanicalcharacteristics of composite soil under the improvement and intervention of high-pressure jet grouting pile are discussed，and the influence of the design of jet grouting pile and soil conservation factors on its mechanical characteristics is analyzedby triaxial mechanical tests.The design factors of high-pressure jet grouting pile have little influence on the straincharacteristics of improved soil，which only affect its bearing capacity.The content of jet grouting consolidation agent has apromoting effect on the bearing strength，but the promoting effect decreases after the content of 6%.The promoting effect ofgrouting pressure on the strength increases first and then decreases.When the grouting pressure is 16 MPa，the bearingcapacity of the improved soil is weakened by the grouting pressure.The curing age promotes the bearing capacity of theimproved soil.The strength of the improved soil under the confining pressure of 50 kPa and 500 kPa can increase by 0.7%and 24.8%respectively after 7 days of each age step，while the strength of the improved soil under confining pressure of thelatter increases by 1.13-1.18 times compared with the former.The age has no effect on the elastic section of the improvedsoil，but the difference effect is significant in the yield plastic section.The test results show that the high-pressure jetgrouting pile should be designed with 16 MPa grouting pressure and 6%consolidation agent content，and the curing periodis more than 28 days.This paper can provide reference for the application of high-pressure jet grouting pile in the designand treatment of poor soil.Key words：foundation；soft soil；mechanics；jet grouting pile水工建筑中常遇见地基不良状态，而探讨不良地基治理1，2对推动水工设计水平提高具有重要指导意义。不良地基常见的形态为软弱土、塌陷性土或松散性土等3，4，治理方案包括有物化改性、生态植被改良等，而人工管桩干预亦是其中一种典型方法。高梦娜等5、李春元6、唐博等7根据地基不良土体状态，采用了纤维体、改良材料等与不良土体结合，并从室内力学试验角度对比了改良土的力学特海河水利742023.No.3征影响变化，为地基治理设计提供了重要参考。陈品章等8、吴忠等9以生态植被治理为对象，采用了离散元或者与前者类似的室内试验手段，分析了根系植被对软弱土等不良土体的改良影响，研究了根系复合土体的力学特征，丰富了软弱土改良治理的设计成果。人工管桩在基础工程中经常涉及，而针对地基不良土体采用人工管桩进行干预改良治理，极大改善了软弱土的承载能力，蔡钟10、王哲11针对此种情况开展了改良效果研究，从力学、耐久性等方面评价其改良效果；部分学者甚至采用了微观分析方法，揭示了软弱土在人工管桩改良干预下颗粒骨架变化，为工程设计提供了实际参照。本文基于潭江江门段不良软弱土层，采用高压旋喷桩改良干预方法进行了改良，并以此探讨了改良复合土的力学特征影响变化，对工程治理软弱土地基具有参考价值。1试验介绍1.1工程概况潭江乃是江门地区重要地表供水通道，支流众多，集水面积超过50 km2的有10条，水系分布如图1所示。潭江河道管理部门对潭江水资源配置进行多梯级、多层次配比，其中设计农业用水占比最高，年供水量在2035年达1 200万m3，此以“十四五”时期内建设的江门灌渠工程以及潭江支流上的镇海水库、蓬江引水工程等为主要依托，由此构建起潭江江门段重要地表供水通道。潭江段某水库乃是江门地区运营年限较长的大型水库，从其投入运营至今超过60 a，坝址控制集水面积超过128 km2，设计蓄水库容1.2亿m3，是一座区域性具有防洪、发电、蓄水及养殖等多功能的水利枢纽工程，也是潭江中下游梯级水库中核心调度枢纽。其泄洪闸设计最大泄流量为180 m3/s，经历过多次除险加固，设计最大工作流量可达198.5 m3/s，但目前由于部分淤泥质软土影响，闸室年沉降量过大，在较大泄流量影响下，易导致泄洪闸倾塌。水库主、副坝共有4座，采用堆筑坝型式，主坝最大坝高为 23.1 m，坝顶主轴线全长为164 m，而剩余 3 座副坝最大坝高较主坝降低了20.8%，但主轴线长度较主坝提高了1.9倍。从主、副坝调研得知，其坝基同样位于松散性软土中，虽经历过多次夯压，但不可忽视的是主坝沉降及坝体防渗体系均会受之影响。图1潭江流域内水系分布潭江江门段堤防、水库泄洪闸及坝基等均受到不良软弱土影响。根据调查得知，软弱土覆盖最大厚度可达3.5 m，平均厚度超过2.5 m，钻孔取样后获得的土体颗粒级配特征如图2（a）所示，取样来自该水库泄洪闸地基，该软弱土电镜扫描放大2 000倍细观特征如图2（b）所示。颗粒成分中细砂含量较高，也夹杂部分泥质成分，沉陷性较大。为此，从潭江流域内软弱土上工程设计出发，在考虑坝基及闸室地基的前提下，采用高压旋喷桩对软弱土的沉降大、承载力弱进行改良干预。因而，工程管理部门前期在袁肇彦：基于管桩改良下水工地基软土力学试验研究752023年3月室内实验室中完成预应力管桩改良干预软弱土的试验设计，为工程建设及施工提供参考。1.2试验设计从闸基或坝基工程设计角度考虑，采用高压旋喷桩对软弱土进行处理，旋喷桩施工如图 3所示。此类复合地基本质上是将高压旋喷固结剂注入软弱土中，使之固化形成复合改良土地基。室内试验中，将工程现场取样土体破碎重塑后，在高压旋喷固结剂中选择石灰与水泥复合胶凝材料，采用高压喷射方法与重塑土结合，形成室内复合改良土试样，如图4所示。本试验中所有改良土样品均按照前述方法制作，经养护后采用环刀法取样，制备成直径50 mm、高度为100 mm的样品。试验采用SMS三轴土体试验设备，如图5所示。该试验系统配置有精密测量设备及精控加载设备，可实现最大轴荷150 kN、围压10 MPa，所有装置在高荷载或高围压下测量波动性较低，能够满足试验规程要求12，13。中控系统不仅可实现对试验全过程控制、卸荷等，亦可在控制系统中实时获得试验力学破坏宏观状态。测量设备包括力学传感器与变形监测采集设备，其中本试验中因土体荷载较低，故采用上限值为50 kN力学传感器，而LVDT变形监测设备量程为-2020 mm，设备加载台设定保护限制为20 mm，不论是力学加载装置或是变形监测设备均在试验前进行了误差标定。从地基处理设计分析可知，改良干预复合土力学试验中影响因素包括土体自身与高压旋喷桩因素2（b）土体微观特征（a）颗粒级配特征图2软弱土体颗粒特征图3旋喷桩施工示意图4制备后改良复合土试样图5SMS三轴土体试验设备1008060402000.10.011E-3泥沙粒径/mm小于某粒径的占比/%海河水利762023.No.3个方面。试验中，为系统全面地进行分析，前者因素考虑土体养护条件，并视土体其他结构或构造因素为一致性，而后者因素考虑旋喷桩固化剂掺量以及旋喷桩注浆压力。旋喷桩因素考虑固化剂掺量实质上是探讨最适合改良软弱土的配合比设计，确保土体承载能力最优，按照对比试验要求，依据掺量不超过10%设定试验组为 2%10%、梯次为 2%，并设定原状土样对照组；双管旋喷注浆压力按照不低于10MPa要求，设定试验组制样时注浆压力分别为1020 MPa、梯次为2 MPa。试验中，所有试样均在同一环境下养护，故养护条件仅考虑养护龄期影响，分别设定龄期为028 d、梯次为7 d。本试验为三轴剪切破坏试验，围压按照覆盖土层工程环境设定为50、200、350、500 kPa。各组试验方案参数，详见表1。2旋喷桩设计对改良复合土力学影响2.