桑 偉，王保田，劉文彬，龔傲龍，黃待望

(河海大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京210098)

水泥攪拌樁是利用水泥等材料作為固化劑，通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，在原地基將原位土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和土之間產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，使軟弱土硬結(jié)成整體，形成具有水穩(wěn)定性和足夠強(qiáng)度的水泥土圓柱體，從而提高地基土強(qiáng)度和增大變形模量［1］。水泥加固土與天然地基共同作用形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部荷載［2］。水泥攪拌樁也可做成連續(xù)的地下水泥土壁墻承受荷載或隔水［3-7］。此法，20 世紀(jì)40 年代首創(chuàng)于美國(guó)，70 年代從日本傳入我國(guó)，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于建筑、油罐、堤壩等類工程的軟基處理［8］。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及工程實(shí)踐的發(fā)展，人們不斷豐富了對(duì)土的特性研究及認(rèn)識(shí)，從而有力地推動(dòng)了這種地基處理的發(fā)展。從總體上，已發(fā)展成為一種海陸兼?zhèn)?、地基基坑雙用的干濕兩全的軟土處理技術(shù)，其加固深度和加固效果隨設(shè)備功能的提高而加大［9-11］。

但是水泥攪拌樁在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，水泥攪拌樁屬于隱蔽工程，不易監(jiān)控，施工質(zhì)量控制難度較大。同時(shí)國(guó)內(nèi)的水泥攪拌樁大多采用國(guó)產(chǎn)的輕型機(jī)施工，這些機(jī)械的質(zhì)量控制裝置較為簡(jiǎn)陋，施工質(zhì)量的保證很大程度上取決于機(jī)組人員的素質(zhì)和責(zé)任心［12］。隨著施工隊(duì)伍和施工技術(shù)發(fā)展，施工質(zhì)量良莠不齊，大量的工程實(shí)踐表明，水泥攪拌樁質(zhì)量存在著不少問(wèn)題，主要表現(xiàn)在水泥摻量過(guò)少，抽芯不成形;水泥與土攪拌不均勻，導(dǎo)致局部水泥含量少或無(wú)水泥;樁長(zhǎng)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或者樁身出現(xiàn)斷樁縮頸現(xiàn)象［13］。其中最主要的問(wèn)題可歸納為水泥攪拌樁施工時(shí)，粘土?xí)掣皆跀嚢璧毒呱?，?jīng)常形成粘土球，包裹攪拌刀具，這嚴(yán)重影響水泥攪拌樁的施工質(zhì)量，導(dǎo)致攪拌樁樁身水泥含量不均勻，局部無(wú)水泥，進(jìn)而導(dǎo)致樁身斷裂，這不僅會(huì)縮短攪拌樁的使用壽命，而且可能釀成工程事故，比如基坑塌陷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，危害生命安全。不僅如此，許多農(nóng)用機(jī)械和土方機(jī)械也有類似粘土粘附金屬的問(wèn)題存在。因此，需要對(duì)粘性土與攪拌頭刀片之間的受力關(guān)系及其影響因素進(jìn)行探索和研究，以求使問(wèn)題向解決的方向發(fā)展。

土壤粘附于外物是一個(gè)復(fù)雜的多相系統(tǒng)，影響粘附的因素很多。有粘粒含量、粒徑、土壤膠體表面代換陽(yáng)離子、土壤有機(jī)質(zhì)種類和含量、pH 值、含水量、土的容重(結(jié)合含水率)、土壤表面形態(tài)、非土壤材料的表面自由能、親水性、幾何形狀、表面光潔度、正壓力、加壓時(shí)間、施力速度、溫度等等［14-15］。本文以室內(nèi)試驗(yàn)為手段，從土的含水率影響因素入手，探索粘土與攪拌頭刀片的界面受力規(guī)律。

1 簡(jiǎn)化的二維切削

攪拌頭刀片與土之間的受力狀態(tài)可以說(shuō)是比較復(fù)雜的三維情況。荷蘭TU Delft 的Dr.ir.S.A.Miedema 將三維狀態(tài)下的刀片切土情況簡(jiǎn)化到二維狀態(tài)，并且建立了刀片切削土體的二維受力數(shù)學(xué)模型［16-17］如圖1 所示。

α 為刀片切削角，切削泥土?xí)r作用在刀片上的力可以分為以下幾種［16-17］:

①土作用在刀片上的法向力N2;

②由N2×tanδ 引起的，土與刀片之間的切向摩擦力S2;

③土和刀片之間切向的粘附力A，這個(gè)力的大小為粘性土粘聚力與刀土接觸面積的乘積;

④作用在刀片上的水壓力W2。

刀片與粘性土之間的切向力為(A+S2)，即切向粘附力與摩擦力之和。大量試驗(yàn)研究表明，土與結(jié)構(gòu)物之間的接觸面破壞仍遵循摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則［18］。假設(shè)τ 為接觸面抗剪強(qiáng)度，C 為接觸面粘聚力，φ 為接觸面的摩擦角，σ為法向應(yīng)力，τ=C +σtan φ。那么，根據(jù)Miedema 教授的理論，設(shè)S 為接觸面面積，A=C×S;S2=N2×tan δ，即S2=σ×S×tan φ;刀片與粘性土之間的切向力A+S2=C×S+σ×S×tan φ=S×(C +σtan φ)=S×τ，即Miedema 教授所建立的二維切削模型中，刀片與粘性土之間的切向力滿足摩爾—庫(kù)侖強(qiáng)度理論。

因此研究刀片切削土體界面的受力關(guān)系，主要就是研究對(duì)比刀片與粘土接觸面的粘聚力C 和摩擦角φ。本文的試驗(yàn)研究也是基于這一點(diǎn)展開(kāi)。根據(jù)這一理論，本文選擇使用盒式直剪儀來(lái)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

圖1 刀片切削土體的二維受力模型Fig.1 Dimensional model of the blade cutting of the soil

2 直剪試驗(yàn)的準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)儀器

本文直剪試驗(yàn)使用的儀器是南京土壤儀器廠生產(chǎn)的DJY-4 型四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀。主要部件包括剪切容器、杠桿垂直加荷機(jī)構(gòu)、水平推動(dòng)座和量力環(huán)等。其他輔助設(shè)備包括百分表、天平、環(huán)刀、削土刀、不透水塑料膜、透水石等。

2.2 試驗(yàn)用土與金屬的準(zhǔn)備

土樣取回后風(fēng)干，去除雜質(zhì)，風(fēng)干土含水率10.2%。進(jìn)行基本的物理試驗(yàn)，其基本性質(zhì)如表1，經(jīng)驗(yàn)證該土為本文試驗(yàn)所需的粘土。

表1 土的基本性質(zhì)Tab.1 The basic properties of soil

攪拌頭刀座一般為鑄鋼或鑄鋼焊接組合，刀片及刀齒為耐磨的合金鋼或者錳鋼所制。由于特殊鋼材不易取材或者價(jià)格昂貴，故選用與之相近且易于取材的45#鋼用來(lái)模擬攪拌頭的刀片。根據(jù)環(huán)刀直徑61.8 mm，高度20 mm，制作鋼塊直徑61 mm，高度10 mm，公差要求(±0.1)mm，表面粗糙度要求控制在3.2 以內(nèi)，如圖2。將鋼塊放入下土盒，必須盡可能保證鋼塊上表面與剪切盒的剪切面齊平，否則影響試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)方案

圖2 模擬刀片的45#鋼(表面粗糙度2.6)Fig.2 Simulation of 45#steel blade(surface roughness is 2.6)

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)BG/T 50123-1999》，直剪試驗(yàn)分為慢剪、固結(jié)快剪和快剪。慢剪的剪切速率小于0.02 mm/min，固結(jié)快剪和快剪的剪切速率為0.8 mm/min?？紤]到攪拌刀頭切削土體時(shí)切削速度較快以及盒式直剪儀的工作特性，本試驗(yàn)將進(jìn)行快剪試驗(yàn)，并且基本剪切速率設(shè)定為2.4 mm/min。

影響土與金屬之間相互關(guān)系的因素有很多，本試驗(yàn)擬研究含水率這個(gè)影響因素。制備具有不同含水率的土樣，在直剪儀的下盒放入鋼塊，上盒根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃放置制備好的土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，進(jìn)一步研究這幾個(gè)影響因素對(duì)粘土與金屬界面強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)步驟同《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)BG/T 50123-1999》。若豎向荷載過(guò)大，導(dǎo)致粘土擠出，則相應(yīng)改小豎向荷載進(jìn)行試驗(yàn)。

4 不同含水率的界面強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1 不同含水率土樣的制備

選擇原35.2%粘粒含量的土樣，按干密度1.5 g/cm3，含水率分別為10%、15%、20%、25%、30%、35%制成足夠數(shù)量的環(huán)刀樣，以備試驗(yàn)。40%及以上含水率的土樣因?yàn)楹蔬^(guò)高而無(wú)法擊實(shí)到1.5 g/cm3的干密度，且含水率過(guò)高，土體很軟，試驗(yàn)時(shí)加較小的豎向荷載也容易擠出。制作環(huán)刀樣的方法:先將風(fēng)干土樣敲碎、碾散，過(guò)2 mm 篩。平鋪在容器內(nèi)，充分?jǐn)嚢琛８鶕?jù)風(fēng)干土含水率、土的質(zhì)量及試驗(yàn)計(jì)劃需要制備的含水率計(jì)算需要加水的量。均勻噴灑一定量的水，并將土與水拌勻，配置成某一試驗(yàn)所需含水率的土樣，將土樣裝進(jìn)塑料袋密封一晝夜，使土樣盡可能充分潤(rùn)濕。測(cè)定潤(rùn)濕土樣不同位置處的含水率，不應(yīng)少于兩點(diǎn)，試樣的含水率與要求的含水率之差不得大于±1%。然后根據(jù)含水率、干密度以及環(huán)刀容積，計(jì)算單個(gè)環(huán)刀樣所需土的質(zhì)量，稱取該質(zhì)量的土，擊實(shí)制樣。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

量力環(huán)測(cè)力計(jì)系數(shù)為1.27 kPa/0.01 mm。本次試驗(yàn)使用的都是重塑的擾動(dòng)土，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線一般無(wú)峰值，因此多取剪切位移4mm 所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。

在粘粒含量35.2%，干密度1.5 g/cm3的前提下，含水率10%、15%、20%、25%、30%和35%的試樣直剪試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表2 ～表7，最后繪制抗剪強(qiáng)度直線，如圖3 所示。界面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表8。

表2 含水率10%直剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The direct shear test results of moisture content 10%

表3 含水率15%直剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The direct shear test results of moisture content 15%

表4 含水率20%直剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The direct shear test results of moisture content 20%

表5 含水率25%直剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 The direct shear test results of moisture content 25%

表6 含水率30%直剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 The direct shear test results of moisture content 30%

表7 含水率35%直剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 The direct shear test results of moisture content 35%

圖3 不同含水率的界面抗剪強(qiáng)度直線Fig.3 linears of interfacial shear strength of different moisture content

表8 不同含水率的界面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.8 Interfacial shearing strength indexes of different moisture content

試驗(yàn)結(jié)果分析:

由圖3 和表8 可見(jiàn)，隨著含水率的增加，界面的抗剪強(qiáng)度是一個(gè)先增大后減小的過(guò)程。本試驗(yàn)用土的塑限22.7%，最優(yōu)含水率20.8%，當(dāng)含水率小于塑限和最優(yōu)含水率的時(shí)候，隨著含水率的增加，界面的摩擦角在24°左右變化不大，界面的粘聚力增大;當(dāng)含水率大于塑限和最優(yōu)含水率的時(shí)候，隨著含水率的增加，界面的摩擦角急劇減小，界面的粘聚力也大幅減小。

試驗(yàn)表明含水率是影響界面相互作用的重要因素。當(dāng)含水率很低的時(shí)候，土與金屬之間的摩擦接近固體間的摩擦，土與金屬界面上的接觸面積有限，水的作用不明顯;含水率增加時(shí)，土在法向壓力作用下變形，接觸面積增加，并且由于土中水的毛細(xì)作用，使得剪切水膜所需的力也增加;含水率繼續(xù)增加，水膜厚度達(dá)到一定值后接觸面完全被水隔開(kāi)，水膜起潤(rùn)滑作用，摩擦作用反而減小。

土與結(jié)構(gòu)接觸面的粘聚力主要由土中水對(duì)結(jié)構(gòu)表面吸附力提供，含水率較低時(shí)，土中水較少，土與結(jié)構(gòu)界面的接觸面積較小，且土與結(jié)構(gòu)剛度相差大，結(jié)構(gòu)物滲透系數(shù)小，土體與結(jié)構(gòu)間的吸附不能充分發(fā)揮，使得粘聚力不大;隨著含水率的增加，土塑性增強(qiáng)，在外力作用下土與結(jié)構(gòu)接觸面積增大，水的吸附作用充分發(fā)揮;含水率繼續(xù)增大，界面水膜增厚，且土體自身的剛度急劇降低，使得吸附作用無(wú)法得到正常發(fā)揮，粘聚力也迅速減小。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了攪拌樁刀頭刀片切削粘土的過(guò)程，并闡述了簡(jiǎn)化的二維切削理論。由此使用盒式直剪儀模擬攪拌頭刀片切削粘土進(jìn)行試驗(yàn)，研究了含水率對(duì)界面剪切強(qiáng)度的影響，主要結(jié)論如下:

①粘粒含量35.2%，干密度1.5 g/cm3的情況下，隨著含水率的增加，界面的抗剪強(qiáng)度是一個(gè)先增大后減小的過(guò)程。當(dāng)含水率小于塑限和最優(yōu)含水率的時(shí)候，隨著含水率的增加，界面的摩擦角變化不大，界面的粘聚力增大;當(dāng)含水率大于塑限和最優(yōu)含水率的時(shí)候，隨著含水率的增加，界面的摩擦角急劇減小，界面的粘聚力也大幅減小。

②試驗(yàn)表明含水率是影響攪拌頭刀片和粘土界面相互作用的重要因素。

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