包裹碎石樁復合地基固結排水性能模型試驗研究*

歐陽芳，呂文強，常光磊

1.湖北第二師范學院BIM技術應用工程中心，湖北 武漢 430205

2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430000

3.四川省冶勘設計集團有限公司，四川 成都 610000

軟土地基具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、透水性差等特點，一般采用包裹碎石樁加固軟土地基，加速地基的固結排水。德國漢堡飛機制造廠的填海圍墾項目中，軟土不排水時抗剪強度僅為0.4～10kPa，厚度為8～14m，采用包裹碎石樁加固軟土后，相比原鋼樁防滲墻方案，極大地加速了地基的固結排水，使施工周期由3年縮短至8個月[1]。1979年Yoshikuni[2]針對碎石樁提出了樁體應力集中概念，此后，幾乎所有樁承復合地基的固結理論研究均考慮了該方面的內容。Han等[3-4]、Lorenzo等[5]、盧萌盟等[6]、Castro等[7]、Zhang等[8]發展了樁承復合地基固結理論。Zhang等[8]研究固結時，考慮了包裹碎石樁樁體變形，由此得出的平均固結度遠小于以往不考慮樁體變形時的固結度。

試驗是理論研究的重要依據，然而目前關于包裹碎石樁固結性能方面的試驗研究較少。Almeida等[9]和陳賀等[10]研究了堆載下包裹碎石樁復合地基超靜孔壓的變化，Munfakah等[11]和Han等[12]等通過現場試驗研究了碎石樁復合地基的固結沉降。為了定量研究包裹碎石樁復合地基的固結性能，文章利用模型試驗，比較未加固地基、碎石樁和包裹碎石樁復合地基的含水率變化，分析復合地基內部不同位置排水情況，探討包裹碎石樁復合地基的固結性能。

1 試驗設計

1.1 試驗整體布置

模型箱內部尺寸為1.0m×1.0m×0.9cm。模型箱底部為25mm厚鋼板，側壁為有機玻璃板，玻璃板外部固定槽鋼，保證模型箱的絕對剛性。

考慮試驗中土體為高含水量淤泥質軟黏土，需對模型箱進行防水處理。利用玻璃膠、丁腈型液態密封膠、自黏型改性瀝青船用封艙膠帶和金屬油漆對模型箱進行防水和防銹處理。處理后注水，以檢查模型箱是否存在滲漏情況。

樁體直徑為10cm，樁長為65cm，承壓板直徑為25cm。模型內土體分為兩層，上層為65cm厚度的軟黏土，下層為15cm厚度的堅硬土層，樁端支承于堅硬土層之上。模型箱及樁土布置如圖1所示。

圖1 包裹碎石樁復合地基模型（單位：cm）

1.2 試驗模型制備

（1）軟土取自寧波某海濱，經重塑后使軟土含水量均勻，為46%。軟土重塑方法如下：先將已風干的軟土浸泡在水中2～3周，使軟土飽和；將飽和后的軟土攤放在土工濾布上，厚度約為5cm，通過風干使軟土含水率降低至約45%；攪拌調整軟土，將軟土鋪設至塑料膜上，厚度約為5cm，再覆蓋一層塑料膜，定期噴灑水，精確調整含水率至46%。經重塑后的軟土即可用于試驗。

（2）軟土之下為堅硬土層，軟巖持力層物理參數如表1所示。

表1 軟巖持力層物理參數表

（3）碎石材料選用自然級配碎石，考慮到樁徑大小，控制碎石最大粒徑不超過10mm，碎石密度為1.57×103kg/m3。套筒材料選用尼龍紗網，網孔寬度小于2.5mm，確保大部分碎石不會漏出。套筒材料有兩種，一種套筒材料極限抗拉強度為6.5kN/m，對應的最大延伸率為19.0%，5%割線模量為95kN/m；另一種套筒材料極限抗拉強度為23.6kN/m，對應最大延伸率為24.3%，5%割線模量為200kN/m?？紤]到試驗過程中套筒材料的延伸率較小，材料始終處于彈性狀態，故選用5%割線模量分別代表兩種套筒類型。

（4）堆載預壓。對土體模型進行堆載預壓，允許擾動的軟土固結。模型填筑后靜置12h，在模型上鋪設一塊0.9m×0.9m的剛性板，板上堆載鐵塊預壓24h，再靜置12h。在靠近模型邊界的位置取樣測試軟土性質，得到其材料參數如表2所示。

表2 軟土材料參數表

（5）加載。最后在軟土層上鋪設5cm厚度的碎石褥墊層，并安裝承壓板、荷重傳感器和千斤頂。承壓板半徑R為12.5cm，置于模型中心。根據設計逐級施加荷載，每一級荷載施加后第1個小時內，按照時間間隔5min、10min、15min、15min、15min分別讀取承壓板沉降讀數，后續每次間隔30min讀取沉降值，直至連續1h內累計沉降小于0.1mm，此時地基沉降視為已穩定，并可施加下一級荷載。當某一級荷載施加下沉降在2h內仍不穩定或沉降過大，則認為地基已破壞，停止施加荷載。

地基破壞后，立即卸除加載裝置，開挖軟土并測量不同位置軟土的含水率。具體試驗過程如Ouyang等[13]和歐陽芳[14]文章中所述。

1.3 試驗分組

試驗共分為5組，所有復合地基中樁體長度均為65cm，樁徑為10cm，A#組和B#組為重復組。ESC-95kN/m表示套筒5%割線模量為95kN/m的全長包裹碎石樁；ESC-200kN/m表示套筒5%割線模量為200kN/m的全長包裹碎石樁；ESC-60%l所示樁體套筒5%割線模量為200kN/m，套筒長度為40cm；SC表示傳統碎石樁。試驗分組情況具體如表3所示。

表3 試驗分組情況表

2 試驗結果分析

靜載試驗完成后，監測復合地基中樁頂深度，以及距承壓板中心0.6R（承壓板之下）和距承壓板中心2.8R位置地基土體的含水率，以研究在豎向荷載作用下包裹碎石樁對軟土地基排水固結的影響，結果如表4所示。其中，荷載為靜載試驗最后一級荷載，承壓板沉降為最后一級荷載對應沉降。含水率變化是指開挖時相較于填筑時土體的含水率變化，含水率減小記為正值，含水率增加記為負值。由表4可知，隨著施加荷載的增大，地基含水率變化量并未呈現明顯的增大趨勢，這是因為加載后固結排水時間較短，而軟土地基滲透系數過低，故荷載對地基固結排水效果的影響較小。另外，不同地基的變形情況對其固結也有一定影響。

表4 不同地基含水率變化情況表

包裹碎石樁復合地基含水率沿不同深度（0cm、30cm和60cm）的變化情況如圖2所示。由圖2可看出，復合地基的固結排水性能優于軟土地基，而試驗加載過程中包裹碎石樁與傳統碎石樁的含水率變化差異較小。樁頂部和樁底部深度的固結排水效果較好，樁體中部位置含水率變化量較小。對于軟土地基，這是因為水分可在重力下向下滲流，上部土層又具有迎空面，水分也可向上排出，所以上部土層含水率變化最大。樁底部深度附近水分可向下滲流至堅硬土層，因此該位置含水率變化次之。中部軟土層的含水率變化較小，甚至出現含水率上升的情況，這可能是因為上部土層的水分在重力下向中部土層滲流，且中部土層排水路徑最長。對于復合地基，樁中部固結排水效果弱于樁頂部，碎石樁/包裹碎石樁是良好的排水路徑，故復合地基中樁中部深度土體的含水率變化大于未加固軟土地基的含水率。

圖2 不同深度土體含水率變化情況

同一深度（距樁頂0cm、30cm、60cm），距承壓板中心0.6R和2.8R位置含水率變化情況如圖3所示。由圖3可知，地基內同一深度，靠近承壓板中心線（或者樁中心線）處的含水率降低量較多，地基排水效果較好。這是因為越靠近中心線，地基中的附加應力越大，地基中固結排水較明顯；若存在樁體，樁體是良好的排水通道，則近樁土體的排水距離較短，排水越快，含水率降低幅度較大。

圖3 平面土體含水率變化

試驗完成后，對地基進行開挖發現復合地基頂部的褥墊層充滿了積水，如圖4所示。另外，樁體內也充滿了水。這說明碎石樁體有效發揮了排水通道的作用。開挖過程中還發現傳統碎石樁和包裹碎石樁的樁體碎石材料都摻雜有少量軟土，且傳統碎石樁內摻雜的軟土較多，這些軟土可能是在施工過程中擠入樁體內，或加載時擠入樁體內，或滲流過程中進入樁體內的。若在實際工程中，必然也將存在軟土進入樁體內的情況，導致樁體的固結排水效果降低。周志剛等[15]建議在碎石樁外部圍裹一層土工布作為濾布，避免軟土擠入樁體內，增強樁體排水性能。

圖4 加載完成后樁體排水現象

3 結論

文章通過室內模型試驗初步研究了軟土地基、包裹碎石樁軟土復合地基、碎石樁軟土復合地基含水率變化情況，探討了包裹碎石樁復合地基固結排水性能。

碎石樁或包裹碎石樁是良好的排水通道，可有效縮短排水路徑。試驗加載后開挖樁體發現復合地基頂部褥墊層充滿了積水，樁體內也充滿了水。樁頂部所在深度固結排水效果較好，樁中部深度土體的含水率變化大于未加固軟土地基的。靠近承壓板中心線（或者樁中心線）處的含水率減小量較多，地基排水效果較好。這是因為該位置地基中的附加應力較大，且樁體是良好的排水通道，近樁土體的排水距離較短。

試驗加載后傳統碎石樁和包裹碎石樁均摻雜著少量軟土，且前者摻雜的軟土較多，這些軟土可能是在施工過程中或加載過程中擠入樁體內的，該問題也存在于實際工程中。為此，可在包裹碎石樁外圍裹一層土工布作為濾布，避免軟土擠入樁體內，確保其排水性能。