改性加固土抗压_粘聚_内摩...性能测试及基坑应用验证分析_刘武.pdf

工程技术优化2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.040Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-07-07;修回日期:2023-02-05作者简介:刘武(1980-)，男，工程师，主要从事地基与基坑、工程勘察、桩基础、工程施工等研究;E-mail:57629055qq com。基金项目:国家自然科学基金(项目编号:51708558)。引文格式:刘武 改性加固土抗压/粘聚/内摩擦等性能测试及基坑应用验证分析 J 粘接，2023，50(2):172-175改性加固土抗压/粘聚/内摩擦等性能测试及基坑应用验证分析刘武(中南冶勘资源环境工程有限公司，湖北 武汉430035)摘要:水泥加固土技术在我国沿江、沿湖、沿海地区的城市建设中得到了广泛的应用。基于以春申湖路快速化改造工程5 号节点基坑为研究背景，开展了水泥土密度、抗压强度、粘聚力和内摩擦角等物理力学性能测试，在此基础上建立了实际工程水泥土加固应用数值模型，分析了基坑土体及周边隧道在加固前后的位移变化规律。研究结果表明，水泥土搅拌桩的密度、无侧限抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角均随水泥掺量的增大而呈线性增大。采用3 轴水泥土搅拌桩以及 MJS 工法对春申湖路快速化改造工程5 号节点基坑进行组合加固后，基底最大隆起值减小792%，4 号线盾构隧道管片衬砌最大竖向位移和水平位移则分别减小797%和683%。关键词:水泥加固土;水泥掺量;力学性能;工程应用中图分类号:TU528 7;TQ172 6+6文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0172-04The property test of modified reinforced soil such ascompression resistance cohesion and internal friction andthe application verification analysis of foundation pitLIU Wu(Zhong Nan Ye Kan Resources Environment Engineering Co，Ltd，Wuhan 430035，China)Abstract:Cement reinforced soil technology has been widely used in urban construction along rivers，lakes andcoastal areas in China Based on this，the foundation pit of No 5 node of Chunshenhu Road rapid reconstruction pro-ject is taken as the research background in this paper，and the density，unconfined compressive strength，elasticmodulus，cohesion and internal friction angle of soil-cement were tested Based on these，a numerical model for theapplication of cement-soil reinforcement in practical engineering is established，and the displacement change law ofthe foundation pit soil and surrounding tunnels before and after reinforcement is analyzed The results show that thedensity，compressive strength，cohesion and internal friction Angle of soil-cement mixing pile increase with the in-crease of cement content The maximum uplift of the foundation is reduced by 79 2%，the maximum vertical dis-placement and horizontal displacement of the shield tunnel segment lining of Line 4 are reduced by 79 7%and68 3%respectively after the combined reinforcement of the foundation pit at node 5 of Chunshenhu Road rapid re-construction project by using triaxial cement soil mixing pile and MJS construction methodKey words:cement reinforced soil;cement content;mechanical properties;engineering application我国许多重要城市位于沿江、沿湖、沿海地区，城市建设过程中面临着软土地基问题，且软土地基271工程技术优化工程呈现出逐年递增的趋势1。目前，水泥土搅拌桩利用物理化学反应提高软土地基的强度，已经成为一种有效的软土地基处理方式2。水泥土搅拌桩可以有效利用原土，与其他软土地基处理方法相比，具有加固深度大、操作简单方便、造价低等优势，其在软土地基基坑施工中得到了广泛的应用3。大量学者在水泥土搅拌桩方面开展了大量的研究工作。其中，有采用水泥土搅拌加固了了降雨入渗条件下的黄土路基，分析了加固后黄土路基的承载能力4;以广东肇花高速公路软土地基水泥搅拌桩处理工程为研究背景，分析了 3 个现场的路基桩土沉降、压缩和分层沉降等情况 5;分析了水泥土搅拌桩的受力特征和破坏模式 6;结合实际工程中水泥土搅拌桩的分布规律和现场试验，分析了水泥土强度和水泥土搅拌桩成桩质量的主要影响因素 7。上述研究表明水泥土搅拌桩可以有效改善软土地基。本文以春申湖路快速化改造工程5 号节点基坑为研究背景，在开展水泥土密度、无侧限抗压强度、弹性模量、抗剪强度等物理力学性能测试的基础上，建立了水泥土加固技术在实际工程中应用的数值计算模型，分析了基坑土体及周边隧道的位移变化规律，为春申湖路快速化改造工程5 号节点基坑提供了理论指导。1试验材料配比苏州春申湖路快速化改造工程上跨轨道交通 4号线，其 5 号节点基坑表土层含有大量的淤泥和杂填土，为了保证基坑安全，需在基坑开挖前对软土进行加固。因此，需确定淤泥和杂填土中的水泥掺量。根据以往经验，设计了如表 1 所示 5 组水泥掺量和水灰比水泥土试验。表 1水泥土中水泥掺量和水灰比Tab 1Cement content and water-cement ratio in soil-cement编号水泥掺量/%水灰比/%1182 12241 83301 54361 25420 9试验制备及密度、无侧限抗压强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角测试均依据(JGJ/T 2332011)水泥土配合比设计规程。2水泥土力学性能测试结果分析2 1密度不同水泥掺量下，淤泥和杂填土的密度变化曲线如图 1 所示。从图 1 可以看出，不掺加水泥时，原状淤泥土和杂填土的密度分别为 1 560、1 800 kg/m3。随着水图 1加固土密度随水泥掺量的变化曲线Fig 1Change curves of soil density withcement content泥掺量由 18%逐渐递增至 42%时，淤泥土的密度由1 618 kg/m3呈近线性增至1 701 kg/m3;而杂填土的密度则由 1 870 kg/m3呈近线性增至 1 975 kg/m3。即，水泥掺量每增加 10%，淤泥土和杂填土的密度将分别提高34 6、43 8 kg/m3，原因在于水泥浆掺入后能够同土颗粒一起固化并填充在一部分土孔隙内，从而提高土体的密度。2 2无侧限抗压强度淤泥和杂填土无侧限抗压强度随水泥掺量的变化曲线，结果如图 2 所示。图 2加固土无侧限抗压强度随水泥掺量的变化曲线Fig 2Chang curves of unconfined compressive strengthof reinforced soil with cement content从图 2 可以看出，当水泥掺量分别为 18%、24%、30%、36%以及 42%时，淤泥土抗压强度分别为 0 87、1 03、1 22、1 35 和1 69 MPa;杂填土抗压强度则分别为 1 01、1 13、1 28、1 52 和 1 84 MPa。这说明随着水泥掺量的提高，淤泥土和杂填土的抗压强度也将逐渐提高，原因在于，水泥的活性物质能够与土中游离水发生化学反应而生成氢氧化钙、铁酸钙等硬性物质，并与土颗粒在空间上形成独特的泥土结构，从而提高了土体的抗压性能。2 3弹性模量不同水泥掺量下淤泥和杂填土的弹性模量分布曲线如图 3 所示。图 3加固土弹性模量随水泥掺量的变化曲线Fig 3The elastic modulus variation curvesof reinforced soil with cement content371工程技术优化从图3 可以看出，随着水泥掺量的提高，淤泥和杂填土的弹性模量呈近线性式增长。当水泥掺量分别为18%、24%、30%、36%和 42%时，淤泥土的弹性模量分别为 508、784、957、1 279 和 1 445 MPa;杂填土的弹性模量分别为 634、841、1 125、1 346 和1 520 MPa。这说明，水泥掺量每增加10%，淤泥土和杂填土的密度将分别提高3904 MPa 和3692 MPa。2 4粘聚力图 4 所示为淤泥和杂填土粘聚力随水泥掺量的变化曲线。图 4加固土粘聚力随水泥掺量的变化曲线Fig 4Chang curves of cohesion of reinforcedsoil with cement content从图 4 可以看出，不掺加水泥时，淤泥和杂填土的粘聚力分别为 5 0、25 1 kPa。当水泥掺量分别为18%、24%、30%、36%和 42%时，淤泥土的粘聚力分别增至205、259、289、321 和374 kPa，比未掺加前提高了200 369 kPa;而杂填土的粘聚力分别增至238、276、331、369 和 428 kPa，比未掺加前提高了 213 403 kPa。由此可见，水泥的掺入极大提高了原状淤泥土和杂填土的粘聚力，提高了它的抗剪性能。2 5内摩擦角图 5 所示为淤泥和杂填土内摩擦角随水泥掺量的变化曲线。图 5加固土内摩擦角随水泥掺量的变化曲线Fig 5Change curves of internal friction angleof reinforced soil with cement content从图 5 可以看出，不掺加水泥时，淤泥和杂填土的内摩擦角分别为 10 1和 16 2。当水泥掺量分别为 18%、24%、30%、36%和 42%时，淤泥土的内摩擦角分别增至286、301、320、329和347，比未掺加前提高了将近185 236;而杂填土的内摩擦角分别增至318、322、335、344和356，比未掺加前提高了将近 156 194。这说明水泥的掺入大大增加了原状淤泥土和杂填土的内摩擦角，有利于其在高剪应力作用下保持自身的稳定。3水泥土加固技术在上跨轨道交通基坑工程的应用苏州春申湖路快速化改造工程 5 号节点基坑上跨苏州轨道交通 4 号线姚祥站至活力岛站区间隧道，基坑开挖长度约 3