排水松木樁處理軟土地基界面強度特性試驗研究

吳莉民，柴新軍，周 鵬

（東華理工大學，江西 南昌 330013）

0 引 言

近年來，隨著工程建設的大力發展，多種現代施工機械、施工技術廣泛地應用于軟土地基處理［1-6］，松木樁這種古老的軟土地基處理技術逐漸被工程界所遺忘。我國早在隋朝時期就有利用松木樁處理軟土地基的例子，從廢棄的樁基中拔出的松木樁樁體來看，經過幾百年的荷載作用，木材的材質和成色均反映出材料具有持續的強度［7-9］。

如今，工程建設與地質環境相互依存的理念已貫穿于工程建設中。多種現代地基處理技術（如攪拌樁、CFG 樁等）對砂、石、水泥等資源消耗大，與地質環境協調性差等問題被工程界所重視；基于此，在中小規模水工構筑物地基處理中，傳統松木樁具有環境友好、工藝簡單、可逆性加固等優勢［10］。對其基材的物理性質改良也一直在持續推進中，而在松木樁外包裹排水結構層可將排水功能與加固功能復合于一體，改良原有的加固方式。

課題組先期研究了排水松木桿復合地基群樁模型試驗，試驗表明排水松木桿加固處理軟土地基能夠加速土中孔隙水的消散、土體的抗剪強度和承載能力均有顯著改善［11-13］；松木桿外包裹的排水結構層具有徑向排水的途徑，使得排水松木桿不僅具備加筋以及強制置換土體的作用，還具備排水固結的作用。為進一步研究其界面強度增長機理；評估其加載速率和承載能力之間的關系，本課題組在前人研究的基礎上完善了室內試驗，采用單樁模型，通過固結及拉拔試驗相結合，研究排水松木樁固結與界面強度增長特性的關聯性，為排水松木樁工程應用提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗模型及所用儀器

排水松木樁處理軟土地基界面強度特性研究試驗模型根據實際工程采用 10 倍等比例縮小。柱狀模型為一個敞口的圓柱狀容器，成分為聚甲基丙烯酸甲酯，抗拉抗壓性能良好，能在反復荷載作用下不發生變形。尺寸設計為D=100 mm，H=150 mm，排水松木桿尺寸選用φ10 mm×100 mm，松木桿作為芯材，排水結構層為無紡土工布，試驗前將無紡土工布用棉線緊密貼合纏繞在松木桿上制得排水松木桿，土樣取用江西南昌碟子湖淤泥質土，呈流塑狀態。

固結試驗采用室內軟土地基的加固模型試驗的加載及位移傳感裝置，加載的動力由空氣壓縮機提供，可提供一個持續的荷載。位移指示器與位移傳感器相連，可以測得試樣在荷載作用下的固結沉降變化。拉拔力測試裝置與位移傳感器相連測定樁土的極限抗拉拔力與土體和筋材的相對位移。

1.2 試驗方案

試驗研究了不同預壓（6.25、12.5、25、50、100、200、300 kPa）和不同排水結構層（0、2、4 層）情況下排水松木樁處理軟土地基的固結排水性能和界面摩擦特性，每級荷載在固結 24 h 后施加下一級荷載。土的基本物理參數如表1所示，對比不同固結壓力（100 kPa、300 kPa），排水結構層（0、2、4 層）在相同固結時間情況下固結及界面強度增長機理，方案設計如表2所示。

表1 試驗土基本物理指標

其中試驗 N0-7、N2-7、N4-7 對比了排水土工布的包裹層數對排水松木桿加固柱狀軟土層固結效果及拉拔力的影響；試驗 N2-7、N2-5 對比不同固結壓力情況下排水松木桿的極限抗拉拔力影響。

2 試驗結果分析

2.1 試驗數據處理

數據處理主要包括不同排水結構層、不同固結壓力下排水松木桿加固柱狀軟土層的固結壓縮指標計算，拉拔力和相對位移可通過室內小型拉拔儀直接測得。由于固結試驗所呈現的圖為e-p曲線圖，而試驗實測數據為沉降量，因此要對沉降量與孔隙比之間進行公式換算，如式（1）～（2）所示。

①由三項基本物理指標計算試樣初始孔隙比e0，如式（1）所示：

表2 試驗設計方案表

式中：ρω為水的密度，g·cm-3；ρ0為試樣的初始密度，g·cm-3；ω0為初始含水率，%；GS為土粒比重；e0為初始孔隙比。

②各級壓力沉降穩定后的孔隙比ei，如式（2）所示：

式中：Δh為某級固結壓力下試樣的沉降量，mm；h0為試樣初始高度，mm；ei為各級壓力沉降穩定后的孔隙比；hi為各級壓力沉降穩定后的試樣高度，mm。

2.2 試驗結果分析討論

以孔隙比e為縱坐標，壓力p橫坐標，繪制e-p曲線（見圖1）；以相對位移為橫坐標，拉拔力為縱坐標，繪制位移-拉拔力曲線（見圖2～4）。

1）從圖1 可以看出，相同固結壓力和時間下，排水結構層越多排水固結累積沉降量越大，孔隙比e隨壓力變化曲率越大，排水結構層可提供一個徑向排水通道；桿徑 10 mm 包裹兩層排水土工布的松木桿較桿徑10 mm 純松木桿的固結排水性能好，而桿徑 10 mm 包裹2 層土工布的固結累積沉降量較桿徑 10 mm 包裹 4 層土工布的固結排水效果基本相差不大。

2）對比圖2～4 可以看出，相同固結壓力、不同排水結構層條件下，隨著排水結構層的增大，其極限抗拉拔力也越大；桿外包裹的排水土工布與周圍土體接觸的表面積越大，增大了排水邊界和土體與松木桿之間的契合度，有利于排水松木桿排水能力的提高和界面上摩擦力的提高。桿徑為 10 mm 包裹 4 層土工布的排水松木桿極限拉拔力 80 N，較桿徑為 10 mm 純松木桿極限拉拔力 70 N 大；而桿徑為10 mm包裹 4 層土工布排水松木桿較桿徑 10 mm 包裹 2 層土工布應力應變速率更為緩慢，能更好地對土體破壞起到提前預警作用。

圖1 不同排水結構層松木桿加固軟土固結 e-p 曲線

圖2 桿徑10 mm、2 層土工布排水松木桿加荷至 300 kPa 位移-拉拔力曲線

圖3 桿徑 10 mm 純松木桿加荷至300 kPa 位移-拉拔力曲線

圖4 桿徑10 mm、4 層土工布排水松木桿加荷至 300 kPa 位移-拉拔力曲線

3）圖5 為不同固結壓力排水松木桿位移-拉拔力曲線。從圖5 可以看出，在排水結構層相同的情況下，隨著固結壓力的增大排水松木桿極限抗拉拔力增大，試驗結果分析如表3所示。

表3 試驗結果分析表

圖5 不同固結壓力排水松木桿位移-拉拔力曲線

3 結論與建議

3.1 結 論

1）相同桿徑的松木桿外包裹不同層數土工布時，因界面上靜摩擦力增大導致相互之間契合度高，拉拔力增大，應力應變更為緩慢，能有效預防土體快速破壞。

2）相同桿徑不同排水層結構的松木桿，隨著排水層結構的增大，其排水能力也增大。

3）相同桿徑相同排水層結構的松木桿，固結壓力增大，對應的極限拉拔力也增大。

4）排水松木桿處理的柱狀軟土層早期固結沉降效果顯著，有助于軟土層前期強度的提高，且能在一定壓力范圍內固結依然能保持較好的排水效果。

3.2 建議

1）本試驗僅對部分方案進行了探討，揭示了排水松木樁的固結及拉拔的規律，排水松木樁本身排水加固機理較復雜，若應用于工程實際還應進行現場測試，本試驗對其固結拉拔規律性可作為參考。

2）本試驗為室內模型試驗，所用土樣均為擾動土，與天然狀態的土體存在差異。可增設現場原位測試與其對比說明。

3）本試驗柱狀模型尺寸固定，即排水松木桿的排水有效影響半徑均相同，且豎向排水通道長度一致，未考慮排水松木桿長度、直徑對排水固結效果的影響。建議設計多種尺寸模型及排水松木桿，探討孔徑比及排水松木桿長度、直徑對排水固結性能和拉拔力的影響規律。