长江漫滩沉积软土地基处理施工灾变机制*

何志超 徐永福

(①南京铁路枢纽工程建设指挥部,南京 210031,中国)(②上海交通大学土木工程系,上海 200240,中国)

0 引 言

近年来,高速铁路给人们出行带来的方便被广为称颂,顺应民意,我国高速铁路发展进入快车道。江苏南沿江城际铁路连接江苏省南京市、镇江市、常州市、无锡市、苏州市,是长江三角洲城市群核心区域城际轨道交通网的骨干线路,全线穿越长江漫滩沉积软土。长江漫滩沉积软土的土质分布为:上部为淤泥质粉质黏土、黏土、粉土粉砂互层,下部为含砂粉土、细砂、中粗砂(席红泽等,2010; 师智勇等,2020)。长江漫滩沉积软土具有孔隙比大、含水量高、压缩性大、强度低、易触变液化的特点,软土触变液化后地表发育微型“泥火山”,如图1所示(王小龙等,2016; 赵裕锋,2017; 王涛等,2020)。因此,沿长江两岸建设高速铁路,需要对长江漫滩沉积软土地基进行加固处理,主要的地基加固措施是深层水泥搅拌桩,水泥搅拌桩的施工技术已经非常成熟。

图1 软土触变液化形成“小火山”

深层水泥土搅拌桩经常被用于软土路基的处理(龚晓南,2005; 刘松玉等,2006),水泥土搅拌桩施工会对桩周土产生扰动,引起土体强度减小、地基承载力降低(徐永福,2000;Xu et al.,2003)。特别是对于像长江漫滩沉积软土,土质以粉土、细砂等为主,易发生触变液化(徐永福等,2013; 蒋顺强等,2015)。邓永峰等(2009)根据静力触探测试的锥尖阻力的现场测试结果,评价了搅拌桩施工的扰动程度。武孝天等(2020)通过在不同位置布置传感器,测量单桩和群桩施工时的孔隙水压力和土压力变化,定量评价双向搅拌桩施工引起孔压和土压力的变化规律,定量表示搅拌桩的施工影响程度,不同土质条件的搅拌桩施工的影响程度不同,土质条件差的情况下,会导致软土地基发生灾变破坏。

随着长三角一体化进程推进,沿长江两岸基础建设的快速发展,施工引起长江漫滩沉积软土灾变的危害得到高度重视(张凤梅等,2017; 秦胜伍等,2020; 张红等,2021)。如图2所示,某客运专线软土地基处理施工引起地基灾变破坏,挤断附近桥梁。葛照国(2014)以南京某过江通道接线工程为背景,总结了深基坑工程周围地表及地下管线的沉降原因和沉降规律,揭示了深基坑施工降水造成地表沉降对周围地下管线影响机理。卞荣等(2021)通过数值方法计算了预制桩静压施工对邻近顶管电缆隧道的影响,桩长小于2倍隧道外径Dt时,强影响区域范围为max(1.5Dt,4.5Dp),弱影响区域范围为max(4Dt,8Dp); 桩长介于2Dt～6Dt时,强影响区域范围为max(Dt,3Dp),弱影响区域范围为max(3Dt,6Dp)。魏海涛等(2021)探讨了水泥土搅拌桩和回填土两种施工顺序的处理效果,采用“先土后桩”顺序的施工期沉降大于“先桩后土”,但工后沉降大大减小,提高了软土地坪地基处理效果。石舒(2012)依托地铁下穿高铁高架桥工程,分析了钻孔桩和旋喷桩施工引起既有高架桥桩基变形,钻孔桩施工引起桩基的沉降为0.94mm、水平位移小,旋喷桩施工引起桩基水平位移和沉降分别为0.5mm和0.6mm,控制施工速度能减小对桩基的影响。叶亮(2020)分析了机场软基处理施工对运营地铁隧道的影响,地基处理施工严格控制旋喷桩和搅拌桩与地铁结构间的安全距离,水平距离不得小于8m,竖向距离不得小于3m。尽管对地基处理施工引起软土灾变破坏有了很深刻的认识,但仍缺乏系统总结。

图2 软土地基处理施工挤断桥梁

本文依托江苏南沿江城际铁路软土地基处理工程,梳理水泥搅拌桩施工引起的长江漫滩沉积软土灾变现象,对长江漫滩沉积软土灾变进行归纳分类,根据水泥搅拌桩施工过程中的孔压、土压力和深层位移的现场测试结果,定量表示水泥搅拌桩的施工影响程度,建立搅拌桩施工引起软土灾变的评价方法; 基于搅拌桩桩间土的含水量和剪切强度的变化规律,分析了水泥搅拌桩施工引起软土土性的变异特性。

1 软土灾变破坏现象

1.1 长江漫滩沉积软土地层分布

长江漫滩沉积软土的成分受沉积环境影响水流缓慢区,形成黏粒、粉粒为主的粉质黏土和粉土。水流趋于缓慢,漫滩相软土沉积下来,形成现有的长江漫滩沉降软土。

南沿江城际铁路太仓段位于长江冲积平原,以第四系冲积成因的淤泥、淤泥质粉质黏土、黏土,粉质黏土、粉细砂等为主要组成。如图3所示,地层自上而下分为:

图3 长江漫滩性软土地层柱状图

(1)表层填土,主要为耕土,夹少量碎砖块、植物根茎,呈软-流塑状态。

(2)软土,分为上下2层,上部为沼泽相淤泥质粉质黏土、粉土; 下部为淤泥质粉土、粉土细砂互层,具水平层理。

(3)全新统(Q4),分为3层,总体上以稍密实粉土、细砂为主,局部夹软塑至流塑状黏性土。

(4)上更新统(Q3),分为3层,上部为沼泽相淤泥质粉质黏土、黏土; 中部为淤泥质黏土、粉土、细砂; 下部为细砂、中粗砂,未揭底。自上而下,长江漫滩沉积软土以粉土、细砂为主,搅拌桩施工过程中,易产生类似于液化的触变现象。

1.2 长江漫滩沉积软土灾变现象

沿长江两岸的长江漫滩沉积软土中进行水泥搅拌桩施工,常出现水泥搅拌桩桩顶下沉和桩芯取样喷水冒浆的破坏现象。

1.2.1 水泥搅拌桩桩顶下沉现象

如图4所示,泰州大桥北接线软土地基水泥搅拌桩施工过程中,搅拌机钻进及提升时,有突然加速现象,钻头阻力出现明显减小的现象。水泥搅拌桩在施工完成后立即出现下沉现象,桩顶表现为空洞,空洞内充满了水。搅拌桩顶下沉量为15～40cm,最大达到70cm,并伴有大量细砂翻涌出来,在地面桩顶周围出现大量细砂。

图4 水泥搅拌桩下沉现象

水泥搅拌桩下沉机理可以用图5形象地表示。饱和软土的孔隙水类型主要有:强结合水、弱结合水和自由水,强结合水是不能自由流动,具有固体性质,可以视为土颗粒的组成部分(Xu,2004a; 2004b)。结合水是通过土颗粒的吸引力形成,黏土颗粒的吸引力是长程作用力,粉土颗粒的吸引力是短程作用力,土颗粒产生微小位移将导致短程作用力消失或降低,结合水丧失或结合水膜厚度变小(Mitchell et al.,2005; 胡瑞林等,2020)。如图5所示,原状饱和粉土颗粒的结合水膜厚度大,土颗粒以结合水膜形式相互接触,形成大孔隙饱和土; 水泥搅拌桩施工对饱和粉土产生扰动,土颗粒产生位移,土颗粒间的吸引力消失或降低,结合水膜厚度减小,土颗粒间距减小,孔隙减小,土颗粒沉淀在搅拌桩孔底,在搅拌桩桩顶形成空洞,空洞内充满水。

图5 水泥搅拌桩下沉机理示意图

饱和软土颗粒间通过氢键、范德华力等吸引力联结,在地基处理施工影响下土颗粒间的吸引力消失或降低,产生触变(Boswell,1948;Skempton et al.,1952; Mitchell,1960; Kerr et al.,1963)。水泥搅拌桩下沉现象是由饱和软土触变引起的(徐永福等,2013)。

1.2.2 搅拌桩钻芯取样孔内喷水冒浆

如图6所示,在五峰山大桥北接线软土地基水泥搅拌桩施工后28d,在水泥搅拌桩钻芯取样检测时,邻近搅拌桩钻芯取样孔内出现喷水冒浆现象,冒出泥浆柱的最大高度达到20～50cm。钻芯取样孔内出现喷水冒浆现象的搅拌桩的取芯率不足60%,浅层搅拌桩成形情况良好,但在地下6～10m范围内的搅拌桩成形情况很差,基本处于泥浆状态,导致搅拌桩钻芯取样时,相邻搅拌桩钻芯取样孔内出现喷水冒浆现象,水泥搅拌桩钻芯取样孔内出现喷水冒浆现象的主要原因还是粉土出现了触变液化现象。

图6 水泥搅拌桩钻芯孔喷水冒泥

除了水泥搅拌桩施工引起地基灾变破坏以外,在软土地基上堆土也引起了地基开裂、路基填土速度过快引起路基沉降大且快的灾变现象。

1.2.3 地基开裂破坏

如图7所示,五峰山大桥接线施工单位备土堆积在路线附近,随着堆土高度增加,在堆土周围产生隆起,在堆土外侧产生剪切裂隙,如图7a所示; 在堆土外侧裂隙处开挖,查看裂隙形状,如图7b所示,从开挖面上看,裂隙倾角大。堆土引起地基破坏机理如图8所示,在堆土过程中,堆土重量作用下地基土先产生压缩变形,如图8a所示; 随着荷载增加,在堆土边缘产生塑性区,如图8b所示; 堆土荷载继续增加,地基产生剪切破坏,剪切破坏面倾角为45°+φ/2(φ是内摩擦角),与图7b中剪切裂隙的倾角符合。

图7 地基开裂破坏

图8 堆土引起地基破坏阶段

1.2.4 地基沉降量大、沉降速率快

南京四桥北接线高速公路采用砂砾卵石土填筑,砂砾卵石土属于粗粒填料,在路基填筑过程中不需要考虑含水量,所以路基填筑速率很快,3个多月填了3.5m高,结果导致路基沉降量大、沉降发展很快,有不收敛的趋势,如图9所示。路基沉降量过大,导致路基填土表面呈“波浪形”凹凸不平整,如图10所示。填土速度过快,如果超孔隙水压力增加过大且来不及消散,会引起土体强度降低,当路基承载力不足以承担路堤填土产生的重应力,路基就可能产生灾变破坏,如图11所示,某客运专线由于路基填土快,路基出现了垮塌现象,表现为施工便道隆起,附近麦田开裂,箱涵挤垮错开30cm。

图9 路基沉降过大造成填土表面不平的现象

图10 路基沉降过大造成填土表面不平的现象

图11 填土速度过快导致路基破坏的现象

2 施工影响机理

2.1 施工引起的土体位移

水泥搅拌桩施工对相邻土体有很强的挤压作用和剪切作用; 同时,在水泥浆喷出过程中的泥浆压力对周围土体产生很强的挤压力,如图12所示,桩周土体产生位移。土体产生侧向位移的前提条件是钻头叶片对土体的被动土压力不足以抵挡喷浆压力。搅拌钻头旋转喷浆时,产生对土体有压密作用的竖直向力N和引起土体水平向移动的径向力T。因此,钻头旋转引起土体侧向移动的条件为:

图12 搅拌桩施工影响示意图

T≥EP

(1)

地下深度h处作用的被动土压力Ep为:

(2)

式中:hm为钻头叶片高度;γ为土的重度;φ为内摩擦角;c为黏聚力。以五峰山大桥接线为例,软土的强度指标取:c=0kPa,φ=10°; 重度γ=16kN·m-3,钻头叶片高度为500mm,半径为0.2m,倾角α=30°,地下8m处叶片高度的被动土压力Ep=90.9kPa。桩机功率为50kW,输出扭矩为12000Nm,喷浆压力为0.6～0.8MPa,由此算出F=192kPa,T=96kPa,N=166kPa。T>Ep,软土产生了侧向移动。

为了验证搅拌桩施工引起土体产生位移的判据,在五峰山大桥接线埋设了深层测斜管,测点布置平面图如图13所示,同时埋设了孔隙水压力计和土压力计。钻孔完成后,测斜管就位后,向钻孔内灌细砂,一边灌砂一边注水,使测斜管与钻孔间的细砂密实。图中1～12表示搅拌桩施工顺序,测斜孔深度为20m,孔隙水压力计和土压力计埋深深度分别为4m、6m、9m和12m。通过比较超孔隙水压力与土压力的大小,分析软土受施工影响程度,判别软土是否发生触变。

图13 搅拌桩施工影响监测测点布置

水泥搅拌桩施工引起土体产生的水平位移如图14所示。图中选了3个深度:5m、10m和15m,图中表示了土体水平位移随距离搅拌桩的距离的关系。水泥搅拌桩的施工顺序按1～12的次序进行,图14a是西测点的水平位移与距离的关系,图14b是东测点的水平位移与距离的关系。图中距离减小表示由远及近施工,距离增加表示由近而远施工。水平位移随着距离减小而增加,由远及近施工引起的水平位移增加速度快,表现在图14中的斜率大; 由近而远施工,水平位移增加速度慢,表现在图14中的斜率小,在距离远处,斜率甚至为0,即曲线为水平直线,反映了施工顺序对水平位移的影响。对比图14中位移随距离的变化规律,发现第一次东测点与西测点的水平位移大小发现:由远及近施工引起土体位移相对大一些、且增加幅度大; 由近而远施工引起土体位移相对小一些、且增加幅度小,说明搅拌桩由远及近施工,施工影响具有叠加效应。

图14 搅拌桩施工引起的水平位移

2.2 施工引起的超孔压和土压力

采用振弦式土压力计(JTM-V2000/200kPa),由背板、感应板、信号传输电缆、振弦及激振电磁线圈等组成。土压力的计算公式为:

(3)

水泥搅拌桩施工过程中,桩周土体受到挤压作用,产生超孔隙水压力。假设水泥搅拌桩施工对土体的挤压应力是瞬间施加的,饱和软土的超孔隙水压力应该等于土体受到的挤压应力,即:

WP=EP

(4)

式中:WP为超孔隙水压力;EP为土压力。

在实践工程中,由于土是透水的,超孔隙水压力消散很快,通常情况下,搅拌桩施工引起的超孔隙水压力总是比土压力小。图15中对比了9m深度处的水泥搅拌桩施工引起的超孔隙水压力与土压力比较。图15a中对比西测点的超孔隙水压力与土压力的大小,超孔隙水压力(WP)比土压力(EP)小。图15b中对比东测点的超孔隙水压力与土压力的大小,超孔隙水压力(WP)比土压力(EP)大。搅拌桩施工引起超孔隙水压力大于土压力,正是搅拌桩桩顶下沉、钻芯孔喷水冒浆的原因。

图15 地下9m深处孔压力和土压力

水泥搅拌桩施工引起的超孔隙水压力和土压力的累积效应对比于图16中,图16a对比了西测点和东测点的超孔隙水压力,图16b对比了西测点和东测点的土压力,图中桩号A1～A2与图13中的搅拌桩施工顺序对应。A7桩施工时,东侧土压力数据出现了缺失。西测点的超孔隙水压力在A2施工时到达最大值,此时的超孔隙水压力包括了A1和A2的施工影响,A3施工时西测点的超孔隙水压力迅速减小,原因是搅拌桩A2的屏蔽作用。此后,随着搅拌桩施工,西测点的超孔隙水压力迅速减小,直到搅拌桩A11和A12施工引起西测点的孔压迅速增加。

在A6施工时东测点的孔压到达最大值,此时的超孔隙水压力包括了A5和A6的施工影响,在A4施工时东测点的超孔隙水压力开始出现峰值。对比A3施工对西测点与A4施工对东测点的超孔隙水压力影响,A3施工时西测点超孔隙水压力减小,而A4施工时东测点超孔隙水压力增加,表明了施工完工后搅拌桩A2对西测点的超孔隙水压力有屏蔽作用,导致A3施工时西测点超孔隙水压力减小。随着搅拌桩施工进行,东测点的超孔隙水压力迅速增加,直到搅拌桩A6和A7施工时,东测点的超孔隙水压力达到最大值。搅拌桩由远及近施工,超孔隙水压力不断增加,这种现象成为累积效应; 搅拌桩由近而远施工,超孔隙水压力迅速减小,施工完成后的搅拌桩对超孔隙水压力具有屏蔽作用。对比图16中搅拌桩施工引起的土压力与超孔隙水压力的累积效应,发现土压力的累积效应不及超孔隙水压力的累积效应,导致东测点地下9m处超孔隙水压力超过土压力,此时软土产生了类似液化的触变。东测点土体超孔隙水压力的累积效应明显,选取东测点分析不同深度处的超孔隙水压力和土压力的发展规律,如图17所示是孔压和土压力随时间变化的曲线,两者随时间的发展规律类似,水泥搅拌桩施工达到测点深度时超孔隙水压力和土压力迅速达到峰值,随后慢慢减小,超孔隙水压力和土压力达到峰值的时间基本同步。超孔隙水压力和土压力的最大值都发生在中间高度,在6m深处的土压力最大、9m深处的超孔隙水压力最大,说明超孔隙水压力和土压力与深度没有对应关系,所以在水泥搅拌桩施工过程中,软土发生触变与深度没有关系,取决于土质特性和施工影响大小。

图18是超孔隙水压力与距离的关系,为了减小数据的离散性,采用双对数坐标表示,图中x是从水泥搅拌桩中心开始起算。超孔隙水压力随距离增加而减小。相邻水泥搅拌桩的桩芯到桩芯距离为1.5m情况下,搅拌桩施工的影响范围大约为1.5～2m,某根水泥搅拌桩施工引起软土触变,附近一片水泥搅拌桩施工都会引起软土触变。因此,一根搅拌桩施工引起软土触变,将导致整片软土地基产生灾变。

图18 孔压随距离的变化规律

水泥搅拌桩施工对土体的位移、超孔隙水压力和土压力的影响规律有以下几点:

(1)在水泥搅拌桩连续施工过程中,孔压和土压力具有明显的累积效应; 超出搅拌桩施工影响范围以外,超孔隙吸水压力和土压力不增加,并很快消散。

(2)孔压和土压力的累积效应,导致由远及近施工过程中孔压和土压力迅速增加; 搅拌桩的屏蔽效应,导致由近而远施工的超孔隙水压力和土压力缓慢变化。

(3)随着距离增加,搅拌桩施工影响减小,水泥搅拌桩的施工影响范围为1.5～2m,因此一根搅拌桩施工引起软土触变会影响附近一片搅拌桩施工质量。

3 软土灾变判别

在水泥搅拌桩施工过程中出现软土灾变地区的超孔隙水压力与土压力比较于图19中,发现:软土灾变地方的土压力基本小于超孔隙水压力。实际上,超孔隙水压力对应土压力的地方,土体处于流动状态,相当于发生了液化。类似于液化的判别方法,水泥搅拌桩施工影响导致灾变的判别方法为:

图19 土压力与孔压大小的比较

EP-WP≤0

(5)

式中:EP为土压力;WP为超孔隙压力。式(5)为水泥搅拌桩施工导致软土地基灾变的判别依据。

根据软土地基灾变的判别依据(式(5)),五峰山大桥接线水泥搅拌桩施工过程中,引起软土灾变路段土压力与孔压之差(EP-WP)随距离的变化趋势如图20所示。EP-WP≤0的范围内,软土发生灾变,从图20看出,6m深度软土发生灾变的范围为距桩芯1.8m、9m深度软土灾变范围为距桩芯2.2m,与搅拌桩施工影响范围(图18)一致。

图20 搅拌桩施工引起的灾变距离

4 软土土性的变异

水泥搅拌桩施工引起软土地基灾变后,软土的物理力学性质发生变化,下面根据现场测试和取样的室内试验结果,分析软土灾变后的物理力学性质。

4.1 含水量变化

在埋设深层测斜管、孔隙水压力计和土压力计时,埋设水分传感器,根据水泥搅拌桩施工过程中和施工28d后的水分传感器测试结果和现场取样的室内试验结果,分析软土灾变后含水量的变异特性,如图21所示。土样采用挖机开挖取样和钻芯取样,室内测量含水量。发生软土灾变的地方,水泥搅拌桩施工1d后,桩周1.2m范围内土样的含水量比初始含水量大,含水量增量为5%～15%; 桩周1.2m以外土样的含水量基本不变,个别点略有增加。

图21 搅拌桩施工对含水量的影响

水泥搅拌桩施工后28d龄期土样的含水量变化减小。在离搅拌桩0.5m处,含水量减小20%以上,含水量减小的主要原因是水泥水化吸水和软土触变引起孔隙水析出(徐永福,2000); 在桩周1.2m范围内,土样含水量减小量超过10%; 桩周1.2m以外,土样含水量变化很小,局部地方含水量略有减小。

4.2 强度变化

在水泥搅拌桩施工前后,现场采用十字板试验和静力触探试验测量土体强度,测试结果如图22所示。十字板和静力触探试验简单地用施工前后的剪切阻力和锥尖阻力比值表示强度变化。水泥搅拌桩施工对软土的强度影响很明显,施工当天(1d),土体的强度明显减小,随着离水泥搅拌桩距离增加,土体强度减小程度变小。桩周1.2m范围内土体强度降低幅度达到10%～38%; 在桩周1.2～2m范围内,土体强度都明显降低,降低幅度在10%左右。

图22 搅拌桩施工引起土体强度的变化

水泥搅拌桩施工28d后,土体的强度明显增加,随着离水泥搅拌桩距离增加,土体强度增加幅度变小。桩周1.2m范围内土体强度增加幅度达到10%～33%; 在桩周1.2～2m范围内,土体强度略有增加,增加幅度不超过10%。水泥搅拌桩桩间土强度明显增加的原因主要是水泥土固化作用和软土排水固结作用。

水泥搅拌桩桩间土的强度表现为先减小、再增加现象,这就是一个完整的触变过程(Boswell,1948; Mitchell,1960)。水泥搅拌桩施工引起桩间土发生触变,桩间土的强度相当于初始强度有明显增加,水泥搅拌桩施工对桩间土有加固作用。桩间土体强度与时间的关系如图23所示,桩间土的强度随时间呈对数函数增长,与水泥土强度增长规律一致。

图23 桩间土体强度与时间的相关关系

5 结 论

(1)长江漫滩沉积软土在深层水泥搅拌桩施工和填土施工过程中发生灾变的现象主要有:水泥搅拌桩桩顶下沉、搅拌桩钻芯取样孔内喷水冒浆、软土地基开裂破坏、地基沉降量大和沉降速率快。

(2)水泥搅拌桩施工引起的超孔隙水压力具有显著的叠加效应和屏蔽效应,由远及近施工引起的孔压力明显增加,由近而远施工的孔压变化不明显; 超孔隙水压力影响范围与深度没有明显的相关关系。

(3)长江漫滩沉积软土以粉质黏土、粉细砂、细砂为主,土颗粒间的相互作用以短程吸引力为主。水泥搅拌桩施工引起软土产生位移和超孔隙水压力,土颗粒产生位移导致颗粒间的短程吸引力失效,超孔隙水压力超过土压力后,软土发生灾变,软土灾变的判据是超孔隙水压力大于(有效)土压力。

(4)受水泥搅拌桩施工影响,长江漫滩沉积软土发生灾变,软土灾变范围大约为1.2m。