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水泥土搅拌法加固斜坡软弱土地基的离心模型
试验研究

胡勇刚 罗强 黄晶 陈亚美 刘志超
（ 西南交通大学土木工程学院、四川 成都、610031， ）

摘 要：为了更清楚的了解和掌握斜坡软弱土地基在路堤荷载作用下经过一段时间的施工运营后的变形特性，以达成铁路扩能改建工程某工点为原型，做了5组室内离心模型试验。通过对实验数据的整理分析，得出以下几个主要结论：（1）对于斜坡软弱土地基，上下坡分别采取不同的桩间距布设桩，可以缩小上下坡软土地基的沉降变形差异，让地基的变形趋于平稳；（2）布设斜桩加固斜坡软弱土地基，其对地基的横向变形控制效果比布设相同桩间距的竖直桩效果要好，但其对地基竖向变形地控制却略差。（3）斜坡软弱土地基下坡一侧的地基变形对上坡一侧的地基变形有影响，而横向变形尤为明显。（4）横向变形沿地基深度的变化曲线因桩间距的不同而变化。
关 键 词：水泥搅拌桩；离心模型试验；斜坡软弱土地基； 横向变形；竖向变形；斜桩
中图分类号：TU 443 文献标识码：A
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Abstract（小5加粗）:，英文摘要和题名要准确规范，作者拼音和作者单位英译名要规范统一。（小5, 行距14磅）
Key words（同上）: soil（同上）。
注：文中所有英文字体均用Times New Roman

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0 引言
随着国民经济的快速发展，人口流动量迅速增加，原有铁路的运输能力和速度已远远跟不上国民经济的发展需要，在这种情况下，为此，发展高速铁路已成为保证国民经济持续、稳定、快速增长的必须[1]。【1】高速铁路的建设标准与原有铁路相比有大幅度提高，对地基工后沉降的要求也越来越严。在我国，丘陵和山地占大部分国土面积，高速铁路将不可避免沿丘陵山地而行，在斜坡软弱土地基上填筑路堤就成为必然。斜坡软弱土地基是相对于水平软弱土地基而言，其基本特征是地基表层相对软弱， 而且地基表面或软弱层底部具有一定的横向坡度, 在填方荷载作用下, 软弱土层在产生竖向压缩沉降的同时，产生指向下方一侧的较大横向剪切变形,极易引起地基失稳破坏[2]。而国内外对斜坡软弱土地基的研究相对较少，各设计施工规范对软土地基的处理也无明确规定，本试验以达成铁路扩能改建工程某工点为原型，在室内做了5组离心机模型试验，并提出了两种不同于传统的水泥土搅拌法加固地基的形式，对这两种地基加固形式的工程特性作出了比较全面的研究分析，这对斜坡软弱土地基的加固是一个大胆的创新，具有较高理论价值和工程价值。
1 试验方案
1.1 现场工点概况
本段线路地处低丘区，地表为水田，线路左右两侧合为“V”字斜坡，线路处在前进方向的左侧斜坡上。表层软土厚3～9m，软塑～流塑状，松软土厚0～3m，软塑状，粉质黏土，支撑层为强风化泥岩夹砂岩。路堤高度:H = 6.40m，路堤表面宽度:B=12.90m。地基采用直径 f50cm 水泥搅拌桩加固，正三角形布置，桩间距为1.2m。加固深度为打穿软土，到粉质黏土顶面，加固宽度为坡脚外2m。在水泥搅拌桩顶部铺设一层双向50KN/m土工格栅及0.5米厚的砂砾石垫层。其地层情况及处理措施见图 1。

图 1 现场地层情况及地基处理图
Fig. 1
1.2 研究内容及测试方法
本次水泥搅拌桩加固斜坡软弱土地基的离心模型试验主要研究两方面内容：①地基变形，包括地基剖面横向变形和竖向变形，地基左右路肩沉降；②地基受力特性，包括桩顶土应力，桩间土应力，加筋垫层中加筋带应力，桩身应力。限于篇幅，本文先介绍水泥搅拌桩加固斜坡软土地基变形特性的试验研究成果。着重探讨：①不同的布桩形式（桩间距的差异、竖直桩和斜桩的差异）对上下坡地基变形差异的影响；②不同的布桩形式对地基横向变形沿地基深度变化曲线的影响。
本次试验所用设备为西南交通大学TLJ—2型土工离心机，其主要技术指标为：容量,100g.t；离心机最大半径（摆动吊斗表面至主轴中心）3m；有效半径（模型重心至主轴中心）2.7m；加速范围10～200g；最大载荷，100g时，1000kg，200g时，500kg，最大载荷时，吊斗底板最大挠度≤0.5mm；模型箱有效容积0.8(长) ×0.6(宽)×0.6(高)m3。
所布置的测试仪器有：沉降位移计4个，布置在地基表面，砂垫层底，测试左右路肩下方的地基表面沉降；微型土压力盒8个,布置在地基表面，左右路肩，路堤中心及边坡中部下方，测试桩顶及桩间土应力；应变片18～26个，贴在桩上，测试桩身应力，贴在加筋带上，测试加筋带应力。图 2是离心机试验的传感器布置图，本次试验共五组，其间，软土层的厚度、木桩的间距虽有变法，但传感器布置的位置不变。

图 2 离心机试验传感器布置图
Fig. 2
1.3 实验设计
1.3.1 模型几何设计
离心模型试验以相似理论为基础，让1/n缩尺的模型处于加速度为ng离心惯性力场中，使模型中某点受到与其原型对应点重力等效的离心惯性力，则两对应点处于相同的应力水平[3]。根据现场工点路堤形状、软土层厚度及离心机模型箱的大小，试验模型比例尺取n=80。本实验以研究路堤荷载作用下斜坡软弱土地基的工程性质为重点，考虑到边界效应的影响，模型尽量靠近模型箱左侧，让斜坡软弱土地基远离边界，减小边界效应带来的误差[4]。本次试验共进行了5组离心模型试验，其中路堤高度俱为10cm，模拟原型为8m，略高于现场工点路堤高度；路堤表面宽度16.13cm，模拟原型为12.9m；边坡坡度1：1.5；长度为60cm，与模型箱宽度相等。软弱土地基第一组模型为3.75cm厚水平软弱土地基，其余几组在路堤中心左侧为3.75cm厚水平软弱土地基，右侧为斜坡软弱土地基，斜坡坡比1：3.1（与现场同）。布桩形式均采取正三角形，第一组桩间距为3倍桩径（1.875cm），第二组不布桩，第三组三倍桩径间距布桩，第四组左侧水平软弱土地基以4倍桩径间距（2.5cm）布桩，右侧斜坡软土地基以2倍桩径间距（1.25cm）布桩，第五组桩间距为3倍桩径，其中路堤中心左侧竖直布桩，右侧布置斜桩，其竖直倾角与斜坡软土地基的水平倾角相等，此处为18°。

图 3红层泥岩击实试验曲线
Fig. 3
1.1.1 模型材料设计
（1）地基软土(1)地基软土。大量试验证实，细粒土不存在粒径效应[5]。所以模型所用地基软土由现场原型工点取回，同时取样进行室内土工试验，得其主要物理力学指标的平均值为：天然含水量34.5%，密度18.93kN/m3，C=21.71kPa，ф=8.63°。其中，下置信界限为97.5%的C值为8.23 kPa，ф值为3.3°。
。为保证离心模型实验模拟的地基土与现场原型基本一致，采用强度等效为主要控制指标。在离心机中进行的软土地基固结试验表明（离心固结时间～软土含水量～软土强度的相互关系），离心模型试验软土地基的制备含水量为37%，在离心机加速度n=80g下运行3h的固结强度与原型基本一致（与现场实测下置信界限97.5%的数值比较），如表 1所列。

(2) 路堤填土。模型所用路堤填土是由现场原型工点取回的红层泥岩,其重型击实曲线如图 3所示，获得的最佳含水率为10.8%，最大干密度为2.18g/cm3。模型路堤按压实系数K= 0.95进行制作。
(3)桩体材料。原型水泥搅拌桩桩径为50cm，现场取样测试其模量在140.5MPa~149.4MPa之间，按应变等效（EA相等），取桩径为6.25mm的木桩模拟原型水泥土搅拌桩。 木桩表面涂上三层清漆，以防止离心加载时进水，影响其强度及地基的排水情况，再在最外层洒少量细砂，以增加桩土摩擦，与原型相似。模型与原型桩的刚度换算见表 2。
表1 模型地基软土物理力学指标表 1模型地基软土物理力学指标
Table 1 英文表名
模型
含水率(%)
密度
(kN/m3)
C(kPa)
ф(度)
取样位置
一
32.26
1.918
12.88
4.09
模型箱边

二
35.90
33.97
18.66
1.907
7.25
14.25
2.89
2.41
右侧深厚软土层
左侧浅薄软土层

三
36.02
35.17
1.884
1.904
3.125
12.88
3.6
1.43
右侧深厚软土层
左侧浅薄软土层

四
35.98
33.72
1.896
1.919
6.501
6.128
1.49
2.32
右侧深厚软土层
左侧浅薄软土层

五
36.56
34.02
1.880
1.899
6.626
6.8759
1.37
0.77
右侧深厚软土层
左侧浅薄软土层
注：为免影响软弱土地基结构，取样均在路堤作用范围外，靠近模型箱边处。

(2) 路堤填土。模型所用路堤填土由现场原型工点取回，为红层泥岩,重型击实曲线如图3所示，获得的最佳含水量为10.8%，最大干密度作为21.6kN/m3。模型路堤按压实系数K= 0.95进行制作。

(3)桩体材料
表 2 模型与原型桩的刚度换算
Table 2
材料
E(MPa)
A(m2)
EA（N）
水泥搅拌桩
145
3.07×10-5
4450
木桩
147.9
3.07×10-5
4540
表4 模型与原型桩的换算
(4)拉筋材料
表31 模型地基软土物理力学指标
分模型
含水率(%)
密度(kN/m3)
C(kPa)
ф(度)
一
35.90
18.66
7.25
2.89
二
35.75
18.70
13.13
0.72
三
35.51
18.87
4.0
4.86
四
35.18
18.66
12.13
0.23

原型拉筋材料为土工格栅，若按模型比尺缩小将无法实现。按强度相似原则，本次试验用抗拉强度375MPa、延伸率8%的紫铜带模拟，带宽1cm，间距3cm，布置成3cm×3cm的网格，其强度大于原型，等效为6层原型土工格栅（Tp=50kN/m）具有的抗拉强度(Tm =300 kN/m)，因强度更低的铜带不宜制作，且影响试验的安全性。
1.4 试验步骤
（1）试配土样，制作模型软土地基，将模型箱置于离心机以80g加速度固结3小时，使之与原型地基强度相近，取样测试其物理力学指标，见表 1
（2）插桩，布置测试仪器，放置路堤，布设剖面测试点，并读出初始位置的数据。
（3）加载。正式加载前，先以16g的加速度运行2分钟，以保证各桩及测试仪器与软土地基的紧密接触。加载历程共为3个阶段，填筑，放置，运营阶段。用一次成形路堤模拟原型4层填筑，每层2m，每次填筑时间45天。按面积荷载等效原则换算出相应的离心加速度[6]。整个压缩层的沉降取决于饱和粘土层的渗透固结[7]，而当模型中渗透力与重力同等重要时，时间比尺因素为n2 [3]，据此算出对应阶段的模型加载时间。各阶段加载的加速度及时间见表 3。
原型水泥搅拌桩桩的直径f50cm，现场取样测试其模量在140.5MPa~149.4MPa之间，按应变等效（EA相等），取桩径为6.25mm的木桩模拟原型水泥土搅拌桩。表 3模型各阶段加载加速度及时间表
Table 3
加载阶段
离心加速度(g)
离心加载时间(min)
模拟原型时间(d)
模型预压
16
2
-
第1层填土（2m）
27.23
87.41
45
第2层填土（4m）
49.64
26.3
45
第3层填土（6m）
67.23
14.34
45
第4层填土（8m）
80
10.13
45
放置期
80
41.63
185
4年运营期
80
328.5
1460
（4）拆模，读出剖面测试点位置。
2 试验结果与分析
地基剖面布设的变形测试点见图 4。横向布设5行，用阿拉伯数字表示，竖向布置21列，用英文大写字母表示，以路堤中心下方的地基表面为零点，板尺测出其离心加载前后的位置，从而得到每点的位移。各模型测点的位移情况见图 5， 图 6，及表 4。横向位移， “+”表示偏右,“—”表示偏左；竖向位移，“+”表示向下,“—”表示向上。

图 4 剖面测点布置图
Fig. 4
图 5为各模型测点的最大横向位移图，其选取的测点为各模型发生最大横向位移测点所在的一行所有的点，一般在第二层地基，即第2行，只有第四组模型测点的最大横向位移点发上在第1行，剖面测点布置见图 4。图 6为各模型剖面测点的最大竖向位移图，其选取的测点为发生最大竖向位移点所在的一行，纵观几组模型，测点的最大竖向位移均发生在第一行，故选取的点都是每组模型的第一行上的测点。图 5和图 6反映出，对于水泥土搅拌法加固的水平软弱土地基，模型一，其地基横向变形和竖向变形均基本对称于路堤中心。而对于其余几组模型的斜坡软弱土地基，其左右地基的变形却因加固形式的不同而有所变化。对于未采取加固措施的模型二，处于路堤中心右侧下坡一侧的软土地基，其横向变形和竖向变形均远大于处于路堤左侧上坡一侧地地基变形。而对于三倍桩径间距加固斜坡软土地基地模型三和模型五，下坡一侧的地基变形虽比上坡一侧大，但相差并不大。对于左右并不对称布桩地模型六，上坡一侧桩间距为4倍桩径，下坡一侧的桩间距为2倍桩径，其地基横向变形，下坡一侧略大，而竖向变形比较一致，基本对称于路基中心。

图 5 各模型测点最大横向位移图
Fig. 5
表 4为各模型剖面测点的最大横向位移和竖向位移，表 5为各模型测点地平均最大位移。表 4反映的是各模型发生最大位移地单个测点，而表 5所反映的位移相比之下更具有整体性。

图 6 各模型剖面测点竖向位移图
Fig. 6
由表 4看出，模型一左右两侧的最大横向位移和竖向位移均相等。模型二右侧（下坡一侧）测点的最大横向竖向位移均远大于左侧（上坡一侧），分别为10.0mm和6.5mm。对于采取水泥搅拌桩加固的斜坡软弱土地基，模型三、五右侧的位移均略大于左侧，模型四测点的最大横向位移右侧比左侧大，而其竖向位移左右两侧相等，甚至其右侧地平均位移略小于左侧，见表 5。
表 4 各模型测点最大位移表(单位：mm)
Table 4 （unit: mm）

模型
一
二
三
四
五
最大横向位移
左侧
-1.0
-1.5
-0.5
-1.0
-1.0
右侧
1.0
11.5
2.5
2.0
2.5

最大竖向位移
左侧
1.0
1.5
1.5
1.0
1.5
右侧
1.0
8.0
2.5
1.0
3.5
表 4、表 5表明，对于右侧地斜坡软弱土地基，模型四的最大位移和平均位移均小于模型三。可见，由2倍桩径间距布桩加固的斜坡软弱土地基，其对地基的横向变形和竖向变形地控制都优于3倍桩径间距布桩加固的斜坡软弱土地基。
模型三和模型五同是3倍桩径间距加固的斜坡软弱土地基，模型三是竖直布桩，模型五在路堤中心右侧布设斜桩。模型五右侧测点的的最大横向位移与模型三相等，而平均位移却略小。可见布设斜桩对斜坡软弱土地基横向变形的控制比竖直布桩效果稍好。而对于路堤中心左侧的横向变形，模型五要大于模型三，可知，斜坡软弱土地基上坡一侧的变形受下坡一侧地基变形影响，模型五下坡一侧的横向变形比模型三小，故其能更有效的阻止上坡一侧地基向右的滑动，所以上坡一侧向外地横向位移反而大。对于下坡一侧地竖向位移，模型五测点地最大竖向位移比模型三大1.0mm，平均位移比模型三大0.5mm。可见，对于斜坡软弱土地基地基竖向位移地控制，布设斜桩的效果不如布设竖直桩。
表 5 各模型测点平均最大位移表(单位：mm)
Table 5 （unit: mm）
模型
一
二
三
四
五
平均最大横向位移
左边
-0.67
-0.83
-0.33
-0.83
-0.83
右边
0.67
11.00
2.33
1.33
2.00

平均最大竖向位移
左边
0.83
0.83
0.83
1.00
1.00
右边
0.50
7.00
2.33
0.83
2.83
注：此表中的平均位移是指发生最大位移的测点及其左右两点共三点的平均值。
图 7为各模型地基剖面测点位移随路基深度变化图，其选取的测点为发生最大横向位移所在地一列。模型二没有采取加固措施其横向变形较大，沿路基深度地变化也大。模型二、模型五的曲线表现为在地基表层，地基地横向变形随深度逐渐增加，而到一定深度后，横向变形达最大值，以后随着地基深度地增加而逐渐减小。模型三表现为在地基表层横向变形不变，到一定深度后，其横向变形随深度的增加而减小。模型四表现为在地基表层，地基横向变形迅速减小，以后逐渐减缓，甚至到达一定深度后，地基变形值为0。可见，地基地横向变形沿路基深度地变化曲线，也因地基的处理方式而发生变化。对于桩间距大于等于3倍桩径的斜坡软弱土地基，其横向变形沿路基深度变化有一个先增大，后减小的过程，最大横向位移变形发生在地基表面以下20mm，在靠近支撑层软土地基变形最小，其值接近0。对于桩间距小于等于2倍桩径的软土地基，其横向变形沿路基的深度迅速减小，在地基表面横向变形最大，在地基表面下50mm减至0。

图 7测点横向位移沿地基深度变化图
Fig. 7
图 8为布置在路堤左右路肩地沉降位移计所测试的左右路肩下地基表面的沉降随荷载变化的时间历程图。由图可以看出，在荷载增加阶段（填土阶段）及预压阶段，路肩沉降值增加较快，而在随后的施工运营阶段，沉降的增加逐渐变缓。表 6为各模型在离心加载最后阶段测试地左右路肩沉降差。“+”表示右路肩沉降大于左路肩，“—”表示右路肩沉降小于左路肩。模型三沉降差为“—”当属测试误差所致。表 6的沉降值比表 4所测的最大竖向位移值大，是因为表 4所测的是地基剖面的位移值，其测点布置在离心模型箱边缘，地基变形受模型箱摩擦等边界效应影响地缘故。 表 6反映出，对于斜坡软弱土地基，没有经过地基处理的模型二沉降差最大，其差值为15.5mm，而由斜桩加固地模型五次之，其值为5.8mm，由竖桩加固地模型三与模型四差值均较小，分别为“-0.5mm”和0.4mm。模型一为水平软弱土地基，其差值为-0.6mm,当属实验误差所致。由此可见，不加固地斜坡软弱土地基，其左右路肩沉降差较大，而模型二拆模后发现路堤中心出现较宽裂缝。所以，对于斜坡软弱土地基，必须采取一定的加固措施，否则，路堤中心断裂，将会引发安全质量事故。由斜桩加固地斜坡软弱土地基，其对地基的沉降控制稍好，但还是不能达到理想效果。而又3倍和2倍桩径间距加固的模型三和模型四，沉降差较小，特别是模型四，总体沉降都小，可以满足施工运营要求。

图 8 荷载沉降位移时间历程图
Fig. 8（小5号）
表 6：左右路肩下地基表面沉降位移差(单位：mm)
Table 6
模型
一
二
三
四
五
右路肩沉降
3
19.9
5.3
2.1
7.9
左路肩沉降
3.6
4.4
5.8
1.7
2.1
沉降差
-0.6
15.5
-0.5
0.4
5.8
3 结论
（1）水泥土搅拌桩加固的水平软弱土地基，在路堤荷载作用下，其地基变形基本对称于路堤中心。
（2）对于水泥土搅拌桩加固的斜坡软弱土地基，桩间距在2倍桩径以上，布设桩越密，对地基的变形控制越好。
（3）对于斜坡软弱土地基，上下坡分别采取不同的桩间距布设桩，如上坡一侧采取4倍桩径间距布设桩，下坡一侧采取2倍桩径间距布设桩，可以缩小上下坡软土地基的变形差异，让地基的变形趋于平稳。
（4）布设斜桩加固斜坡软弱土地基，其对地基的横向变形控制效果比布设相同桩间距的竖直桩效果要好，但其对地基竖向变形地控制却略差。至于是否布置斜桩，则要看地基变形的控制条件；布置斜桩的倾角，还有待进一步的研究。
（5）斜坡软弱土地基下坡一侧的地基变形对上坡一侧的地基变形有影响，而横向变形尤为明显。下坡一侧向外的横向变形越大，导致上坡一侧地基也有跟随下坡一侧移动的趋势，其向相反方向的地基横向变形就较小；而下坡一侧横向变形小，能更有效的阻止上坡一侧地基向下滑动，所以上坡一侧向外地横向位移反而大。
(6) 在路堤荷载作用下的斜坡软弱土地基，经过一段时间施工、运营后，地基发生横向变形。地基横向变形沿地基深度的变化曲线因桩间距的不同而变化。对于桩间距大于等于3倍桩径的深厚软土地基，其横向变形在地基表层先迅速增大，到达一定值后，随着深度地增加而减小，在靠近支撑层软土地基变形最小，其值接近0，其形如倒立的半葫芦状。对于桩间距小于等于2倍桩径的斜坡软弱土地基，其横向变形在地基表面最大，在地基表层迅速减小，到达一定值后，减速放缓，最后变形值为零。
（7）地基表面的沉降在施工阶段（路堤荷载增加）沉降较快，在运营期间（路堤荷载不变）沉降较缓，随着时间地增加，沉降逐渐变缓，最后趋于稳定。
参 考 文 献
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