排水松木桩处理软土地基界面强度特性试验研究

吴莉民，柴新军，周 鹏

（东华理工大学，江西 南昌 330013）

0 引 言

近年来，随着工程建设的大力发展，多种现代施工机械、施工技术广泛地应用于软土地基处理［1-6］，松木桩这种古老的软土地基处理技术逐渐被工程界所遗忘。我国早在隋朝时期就有利用松木桩处理软土地基的例子，从废弃的桩基中拔出的松木桩桩体来看，经过几百年的荷载作用，木材的材质和成色均反映出材料具有持续的强度［7-9］。

如今，工程建设与地质环境相互依存的理念已贯穿于工程建设中。多种现代地基处理技术（如搅拌桩、CFG 桩等）对砂、石、水泥等资源消耗大，与地质环境协调性差等问题被工程界所重视；基于此，在中小规模水工构筑物地基处理中，传统松木桩具有环境友好、工艺简单、可逆性加固等优势［10］。对其基材的物理性质改良也一直在持续推进中，而在松木桩外包裹排水结构层可将排水功能与加固功能复合于一体，改良原有的加固方式。

课题组先期研究了排水松木杆复合地基群桩模型试验，试验表明排水松木杆加固处理软土地基能够加速土中孔隙水的消散、土体的抗剪强度和承载能力均有显著改善［11-13］；松木杆外包裹的排水结构层具有径向排水的途径，使得排水松木杆不仅具备加筋以及强制置换土体的作用，还具备排水固结的作用。为进一步研究其界面强度增长机理；评估其加载速率和承载能力之间的关系，本课题组在前人研究的基础上完善了室内试验，采用单桩模型，通过固结及拉拔试验相结合，研究排水松木桩固结与界面强度增长特性的关联性，为排水松木桩工程应用提供参考。

1 试验设计

1.1 试验模型及所用仪器

排水松木桩处理软土地基界面强度特性研究试验模型根据实际工程采用 10 倍等比例缩小。柱状模型为一个敞口的圆柱状容器，成分为聚甲基丙烯酸甲酯，抗拉抗压性能良好，能在反复荷载作用下不发生变形。尺寸设计为D=100 mm，H=150 mm，排水松木杆尺寸选用φ10 mm×100 mm，松木杆作为芯材，排水结构层为无纺土工布，试验前将无纺土工布用棉线紧密贴合缠绕在松木杆上制得排水松木杆，土样取用江西南昌碟子湖淤泥质土，呈流塑状态。

固结试验采用室内软土地基的加固模型试验的加载及位移传感装置，加载的动力由空气压缩机提供，可提供一个持续的荷载。位移指示器与位移传感器相连，可以测得试样在荷载作用下的固结沉降变化。拉拔力测试装置与位移传感器相连测定桩土的极限抗拉拔力与土体和筋材的相对位移。

1.2 试验方案

试验研究了不同预压（6.25、12.5、25、50、100、200、300 kPa）和不同排水结构层（0、2、4 层）情况下排水松木桩处理软土地基的固结排水性能和界面摩擦特性，每级荷载在固结 24 h 后施加下一级荷载。土的基本物理参数如表1所示，对比不同固结压力（100 kPa、300 kPa），排水结构层（0、2、4 层）在相同固结时间情况下固结及界面强度增长机理，方案设计如表2所示。

表1 试验土基本物理指标

其中试验 N0-7、N2-7、N4-7 对比了排水土工布的包裹层数对排水松木杆加固柱状软土层固结效果及拉拔力的影响；试验 N2-7、N2-5 对比不同固结压力情况下排水松木杆的极限抗拉拔力影响。

2 试验结果分析

2.1 试验数据处理

数据处理主要包括不同排水结构层、不同固结压力下排水松木杆加固柱状软土层的固结压缩指标计算，拉拔力和相对位移可通过室内小型拉拔仪直接测得。由于固结试验所呈现的图为e-p曲线图，而试验实测数据为沉降量，因此要对沉降量与孔隙比之间进行公式换算，如式（1）～（2）所示。

①由三项基本物理指标计算试样初始孔隙比e0，如式（1）所示：

表2 试验设计方案表

式中：ρω为水的密度，g·cm-3；ρ0为试样的初始密度，g·cm-3；ω0为初始含水率，%；GS为土粒比重；e0为初始孔隙比。

②各级压力沉降稳定后的孔隙比ei，如式（2）所示：

式中：Δh为某级固结压力下试样的沉降量，mm；h0为试样初始高度，mm；ei为各级压力沉降稳定后的孔隙比；hi为各级压力沉降稳定后的试样高度，mm。

2.2 试验结果分析讨论

以孔隙比e为纵坐标，压力p横坐标，绘制e-p曲线（见图1）；以相对位移为横坐标，拉拔力为纵坐标，绘制位移-拉拔力曲线（见图2～4）。

1）从图1 可以看出，相同固结压力和时间下，排水结构层越多排水固结累积沉降量越大，孔隙比e随压力变化曲率越大，排水结构层可提供一个径向排水通道；杆径 10 mm 包裹两层排水土工布的松木杆较杆径10 mm 纯松木杆的固结排水性能好，而杆径 10 mm 包裹2 层土工布的固结累积沉降量较杆径 10 mm 包裹 4 层土工布的固结排水效果基本相差不大。

2）对比图2～4 可以看出，相同固结压力、不同排水结构层条件下，随着排水结构层的增大，其极限抗拉拔力也越大；杆外包裹的排水土工布与周围土体接触的表面积越大，增大了排水边界和土体与松木杆之间的契合度，有利于排水松木杆排水能力的提高和界面上摩擦力的提高。杆径为 10 mm 包裹 4 层土工布的排水松木杆极限拉拔力 80 N，较杆径为 10 mm 纯松木杆极限拉拔力 70 N 大；而杆径为10 mm包裹 4 层土工布排水松木杆较杆径 10 mm 包裹 2 层土工布应力应变速率更为缓慢，能更好地对土体破坏起到提前预警作用。

图1 不同排水结构层松木杆加固软土固结 e-p 曲线

图2 杆径10 mm、2 层土工布排水松木杆加荷至 300 kPa 位移-拉拔力曲线

图3 杆径 10 mm 纯松木杆加荷至300 kPa 位移-拉拔力曲线

图4 杆径10 mm、4 层土工布排水松木杆加荷至 300 kPa 位移-拉拔力曲线

3）图5 为不同固结压力排水松木杆位移-拉拔力曲线。从图5 可以看出，在排水结构层相同的情况下，随着固结压力的增大排水松木杆极限抗拉拔力增大，试验结果分析如表3所示。

表3 试验结果分析表

图5 不同固结压力排水松木杆位移-拉拔力曲线

3 结论与建议

3.1 结 论

1）相同杆径的松木杆外包裹不同层数土工布时，因界面上静摩擦力增大导致相互之间契合度高，拉拔力增大，应力应变更为缓慢，能有效预防土体快速破坏。

2）相同杆径不同排水层结构的松木杆，随着排水层结构的增大，其排水能力也增大。

3）相同杆径相同排水层结构的松木杆，固结压力增大，对应的极限拉拔力也增大。

4）排水松木杆处理的柱状软土层早期固结沉降效果显著，有助于软土层前期强度的提高，且能在一定压力范围内固结依然能保持较好的排水效果。

3.2 建议

1）本试验仅对部分方案进行了探讨，揭示了排水松木桩的固结及拉拔的规律，排水松木桩本身排水加固机理较复杂，若应用于工程实际还应进行现场测试，本试验对其固结拉拔规律性可作为参考。

2）本试验为室内模型试验，所用土样均为扰动土，与天然状态的土体存在差异。可增设现场原位测试与其对比说明。

3）本试验柱状模型尺寸固定，即排水松木杆的排水有效影响半径均相同，且竖向排水通道长度一致，未考虑排水松木杆长度、直径对排水固结效果的影响。建议设计多种尺寸模型及排水松木杆，探讨孔径比及排水松木杆长度、直径对排水固结性能和拉拔力的影响规律。