0 引言

在黄河三角洲地区, 往往采用水泥土深层搅拌桩对软弱地基进行加固处理, 以减小高填方路基上部构筑物过大的不均匀沉降。然而, 由于历史上黄河河道不断演变、降雨量小、蒸发量大及海水倒灌等原因, 黄河三角洲地区地表积盐严重、地下咸水富集, 以低液限粉土、含砂的亚黏土、粉砂土为主的沉积土矿化度均很高, 工程特性欠佳。据大量工程实践, 矿化度较高的地区, 水泥土的腐蚀速度很快, 长期作用会导致搅拌桩复合地基产生过大的工后不均匀沉降、路面局部不均匀沉陷或开裂, 而构造物两端路基沉陷会导致“桥头跳车”现象, 严重影响道路的安全运营。

水泥土是一种多孔体, 水分或溶液中的腐蚀性离子介质很容易进入其中, 降低水泥土的力学性能。然而实际工程中, 水泥土性能衰减机理非常复杂, 国内外大量学者从理论和实践的角度开展了多方面的研究。文献[1]首次提出了水泥土表层存在劣化的可能性, 研究发现水泥土强度存在衰减现象, 劣化深度与时间的对数成近似线性关系。文献[2]探讨了Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-离子含量变化对水泥土强度的负面影响, 发现Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-离子抑制C-S-H和C-A-H的生成致使水泥土强度降低。文献[3]探讨了不同浓度、不同PH值的情况下侵蚀性离子对水泥土力学性质的影响, 并分析了水泥土受侵蚀破裂的行为与机理。文献[4]研究了高含盐量特征对水泥土轻度影响的内在原因, 发现盐中的Cl^-、SO₄^2-与水泥中的C₃A反应生成晶体状的水化氯铝酸钙、钙矾石, 导致水泥土强度降低。文献[5]研究发现环境侵蚀对水泥土强度影响较显著, 对破裂过程影响不明显。文献[6]研究发现咸水环境下水泥土的劣化进展较快, 且劣化的发生与水泥中Ca²⁺离子的溶出相关。文献[7]探讨了水泥加固盐渍土的机理, 进一步分析了水泥土搅拌桩在盐渍土路基处理中应用的可能性。

近年来, 对黄河三角洲地区翻修中的高速公路调查发现, 由于水泥土劣化, 造成了大量车辙、裂缝、沉陷、水损等道路病害。但目前相关的道路设计规范中均未考虑水泥土劣化效应, 人们对这一隐蔽地下构筑物长期工作性能知之甚少。鉴于此, 本研究将在分析咸水区土水性质的基础上, 研究含盐水泥土的力学参数, 并利用数值计算软件FLAC^3D分别模拟了含盐水泥土力学参数不同程度折减及掺加矿渣微粉改性对复合地基固结沉降规律、承载特性的影响。

1 咸水区土水理化分析

本研究选择滨德高速K15+200处的地基土作为研究对象, 地表土为中等盐渍土, 地基表面泛白严重。清除表面杂物后取1.0~1.5 m处的土, 地下水取自地表下约1.5 m深处, 密封好后送试验室进行分析, 以研究土水的物理化学性质和工程特性。

1.1 天然地基土的土工参数

具体按照现行国家标准《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)的相关规定, 对土样进行了剪切、压缩等系列土工试验, 测得天然地基土的土工参数, 结果如表 1所示, 可见土为低液限粉土。

1.2 地下水的化学分析

对地下1.5 m深度处的地下水进行化学分析, PH为6.2, 呈酸性, 结果如表 2所示, 发现浅层地下水基本上为矿化度大于5 g/L的盐水, 盐分以氯化物为主, 其中Cl^-、SO₄^2-为主要侵蚀性阴离子, 占阴离子总量的90%以上; 阳离子以Na⁺、K⁺为主, 占阳离子总量的80%以上。

2 含盐水泥土力学特性

黄河三角洲地区, 不仅地下水的矿化度高, 而且地下水位高, 易造成水泥土桩分化、脱落而丧失强度的现象。为了探究地下咸水中盐分对水泥土强度的影响, 采用42.5R硅酸盐水泥配制了两种代表性试件:A、正常水泥土(水洗后的土样+饮用水+100%硅酸盐水泥); B、含盐水泥土(原土样+原地下水+100%硅酸盐水泥); 其中, 两种试件水泥掺入量相等, 即m_c/m_s(水泥土中水泥与土的质量比)均取0.18, 每延米试件水泥当量为50 kg。成型试件经7、28、90、180 d的咸水浸泡养护后, 进行无侧限抗压试验, 试验结果具有较高的可重复性。图 1所示为试件渐进破坏过程照片, 其中试件尺寸:高100 mm、直径100 mm。

2.1 含盐水泥土应力-应变曲线

图 2所示为28 d含盐水泥土的应力-应变曲线, 可见曲线呈现显著的应变软化特征, 残余强度明显小于峰值强度。结合图 1可见, 随着荷载增大, 试件历经裂缝产生、扩展、贯通的过程, 以致表面掉块、脱落、整体瓦解, 说明水泥土试件以脆性破坏为主。

2.2 盐对水泥土强度的影响

图 3所示为浸泡养护水泥土抗压强度变化曲线。可见, 在浸泡养护的环境下, 全龄期内含盐水泥土的抗压强度始终低于正常水泥土; 其中, 含盐土水泥土28 d抗压强度比正常水泥土降低16.5%, 90 d和180 d抗压强度分别降低了19.6%和22.8%, 说明盐的腐蚀作用导致水泥土发生劣化而强度降低。原因是盐中的SO₄^2-、Cl^-与水泥中的C₃A反应生成晶体状的钙矾石、水化氯铝酸钙, 其中钙矾石形成的初期有利于水泥加固体强度的增加, 但随其硬化程度的加深, 会发生晶体膨胀导致水泥土开裂, 使水泥加固体强度降低; 水化氯铝酸钙强度低且沉淀在黏土表面抑制水泥进一步水化反应, 导致水泥土强度降低。

2.3 含盐水泥土劣化

为了揭示劣化程度对含盐水泥土强度的影响, 下面将通过减少水泥的用量间接反映含盐水泥土的劣化效应。针对性地配制了4种含盐水泥土试件, 进行无侧限抗压试验, 具体配比参数如表 3所示。试验结果表明, 随着水泥用量的减少, 28 d浸泡养护下含盐水泥土的抗压强度逐渐降低。以m_c/m_s等于18.0%时含盐水泥土的强度为基准, 发现当m_c/m_s分别等于10.8%、5.4%、3.6%时, 抗压强度分别降低了20%、42%、58%。其中, 强度降低20%与前面含盐水泥土90 d强度降低率相差不大, 而强度降低42%、58%可以模拟更为严酷的地下水环境(如矿化度更高的地下水或卤水环境)或劣化时间更长的情形。同时也为下文数值模拟中含盐水泥土强度折减系数的选取提供了参考。

2.4 含盐水泥土改性

已有研究表明^[8-17], 用粉煤灰、矿渣微粉替代含盐水泥土中的部分水泥可以有效提高含盐水泥土的抗腐蚀性能。为此, 下面将通过室内试验分别研究掺加不同程度的粉煤灰和矿渣微粉对含盐水泥土抗压强度的影响。含盐水泥土的配制与前述保持一致, m_c：m_s仍取0.18;用粉煤灰分别等质量替代含盐水泥土中20%、40%、60%的水泥用量, 配制3种试件进行无侧限抗压试验, 以研究粉煤灰对含盐水泥土强度的影响; 分别用质量分数为40%的粉煤灰+质量分数为20%的矿渣微粉、质量分数为20%的粉煤灰+质量分数为40%的矿渣微粉、矿渣微粉等质量替代含盐水泥土中60%水泥用量, 配制3种试件进行无侧限抗压试验, 以研究矿渣微粉对含盐水泥土强度的影响。

由图 4可以看出, 与含盐水泥土相比, 用粉煤灰改性的含盐水泥土早期抗压强度较低, 后期均有所提高, 其原因^[18]在于:粉煤灰促进了水泥的水化, 缩短了腐蚀性离子的侵蚀时间, 使水泥后期强度得到了一定程度的改善。但是, 随着粉煤灰掺入量的增加, 改性含盐水泥土全龄期内的抗压强度总体呈降低趋势, 其原因^[19]在于:水泥土主要强度来源于形成的水泥石骨架以及粘聚力; 粉煤灰的作用主要体现在即水化效应、填充效应和形态效应; 当粉煤灰的掺入量超过一定量时, 水泥的用量就会减少, 使得水泥土的强度整体上呈降低趋势。由此看来, 用粉煤灰对含盐水泥土进行改性, 效果并不理想。

文献[20]通过水泥土室内腐蚀性试验, 研究发现w(水泥)：w(矿渣)=40：60的水泥土试件的抗压强度最大, 抗腐蚀性也较强, 是优选的抗腐蚀配方。图 5所示为浸泡养护条件下不同矿渣微粉掺量的水泥土抗压强度变化曲线。可见, 在改性剂掺入比不变的情况下, 用20%矿渣微粉+40%粉煤灰等质量替代部分水泥, 含盐水泥土的抗压强度明显提高。当用矿渣微粉替代60%水泥后, 含盐水泥土的抗压强度达到最佳状态, 说明水泥土用矿渣微粉改性是提高其强度的有效措施。总之, 矿渣微粉比粉煤灰对含盐水泥土的改性效果好, 在下面数值模拟中, 将采用60%矿渣微粉继续研究含盐水泥土改性对复合地基的影响。

水泥土在咸水环境下发生劣化, 势必会影响到复合地基沉降和承载特性。鉴于此, 可将水泥土化学层面的劣化反映到力学层面的强度折减。下面将利用数值计算的方法, 通过对含盐水泥土的力学参数进行不同程度的折减, 进一步研究水泥土劣化对复合地基沉降和承载特性的影响, 并论证水泥土经矿渣微粉改性提高耐久性的效果。

3 数值模拟与分析

基于莫尔-库伦本构模型和强度折减法, 运用三维有限差分数值计算程序FLAC^3D, 分别计算水泥土强度及模量不同程度折减和材料改性对复合地基沉降、水平位移、桩土应力比、路基稳定型及桩体安全系数的影响。

3.1 数值模拟方案

表 4所示为数值模拟方案。将含盐水泥土弹性模量分别折减20%、40%、60%，模拟含盐水泥土桩不同劣化程度对复合地基的影响，并与正常水泥土、含盐水泥土的效果进行对比；将正常水泥土、含盐水泥土、60%矿渣微粉改性含盐水泥土分别对复合地基的影响进行模拟分析，以论证含盐水泥土桩经矿渣微粉改性的效果。

3.2 计算模型与力学参数

为了便于建模, 数值模拟中水泥土桩在横截面积保持不变的情况下简化为方形桩。图 6所示为路基和复合地基的几何模型示意图。其中, 模型厚0.32 m, 路堤高8 m, 分8级等厚分层填筑; 地基计算深度取25 m, 长度取77 m; 边坡下地基中桩长取8 m, 路面下桩长取12 m, 桩按三角型布置。计算时地下水位取地下2 m。模拟路堤填筑时, 先将路堤设成null空模型, 计算天然地应力和初始渗流平衡状态, 然后逐层将空模型设成莫尔-库伦模型并赋参数。地基土采用理想莫尔-库伦模型, 具体力学参数如表 1所示。水泥土的力学参数由室内试验测得, 具体力学参数如表 5所示。

4 计算结果分析 4.1 复合地基沉降

图 7所示为不同折减系数下桩间土和桩体的分层沉降横向分布曲线。可见, 正常水泥土和含盐水泥土对应的沉降变化不大; 随着水泥土桩劣化程度的加深, 将折减系数相应增大, 发现路面下方桩间土和桩体的沉降增大较显著, 边坡下地基沉降基本无变化, 而路肩下方沉降达到最大。但是, 折减系数从40%增到60%, 沉降量增加甚微, 由于折减系数大到一定程度后水泥土桩模量已接近土体的模量。说明桩身的力学参数对复合地基的影响较显著, 咸水环境下水泥土遭受严重的腐蚀作用, 强度衰减加快, 导致复合地基沉降增大。

图 8所示为不同桩体材料下桩间土和桩体分层沉降曲线。可见, 水泥土经矿渣微粉改性后, 路基以下范围内桩间土和桩体的沉降明显减小, 边坡以下范围内沉降变化不明显。说明含盐水泥土桩经矿渣微粉改性可有效增加桩身的抗腐蚀性能, 提高桩身的抗压强度, 从而达到减小复合地基沉降的目的。

4.2 水平位移

图 9所示为不同折减系数下地基表层水平位移横向分布曲线。可见, 水泥土劣化程度越深, 对桩体的水平位移影响越大, 而对桩间土的水平位移基本上无影响。原因在于:复合地基中水泥土桩的强度和刚度均较大, 易受水平位移的影响产生弯矩成为偏心受压构件, 而咸水的侵蚀加剧了水泥土的劣化程度, 进一步促进了桩体的水平位移。

图 10所示为不同桩体材料下地基表层水平位移横向分布曲线。可见, 桩体材料对桩间土水平位移的影响很小, 而对桩体水平位移的影响比较明显; 与正常水泥土比较, 含盐水泥土对桩体水平位移的影响比较大, 而且用矿渣微粉替代含盐水泥土中60%水泥用量可有效减小桩体的水平位移。说明含盐水泥土桩经矿渣微粉改性能可有效减小桩体的水平位移。

4.3 桩土应力比

图 11所示为不同折减系数下地基表层桩土应力比横向分布曲线。可见, 路基及边坡以下范围内桩土应力比偏小, 而路肩处桩土应力比偏大, 这是造成路肩处沉降较大的原因; 随着含盐水泥土的折减系数的增大, 水泥土劣化程度相应的加深, 发现桩土应力比整体上明显减小; 但是, 折减系数从40%增到60%, 桩土应力比基本上不变, 原因与沉降分析一致。说明劣化导致含盐水泥土桩强度降低, 不利于发挥桩体分担荷载的作用。

图 12所示为不同桩体材料下地基表层桩土应力比横向分布曲线。可见, 水泥土用矿渣微粉改性后, 地基表层桩土应力比有所增大。说明用矿渣微粉代替部分水泥能够有效调整桩、土荷载分担比, 最大限度发挥桩体的承载能力。

4.4 桩轴向应力比

由于不同劣化程度的水泥土其抗压强度不同, 而桩轴向应力比可以反映出含盐水泥土劣化效应对桩体承载能力的影响。其中, 桩轴向应力比是指桩顶轴向应力与桩体抗压强度的比值, 其值为负。图 13所示为不同折减系数下桩顶轴向应力比横向分布曲线。可见, 曲线大体上呈锯齿形, 随着含盐水泥土折减系数的增大, 桩轴向应力比显著减小。说明水泥土劣化会致使桩体的安全系数降低, 不利于桩体承载能力的发挥。

图 14所示为不同桩体材料对应的桩顶轴向应力比横向分布曲线。可见, 与正常水泥土相比, 含盐水泥土的桩轴向应力明显偏小; 当用矿渣微粉代替含盐水泥土中60%的水泥用量时, 桩轴向应力比显著增大, 甚至超过了正常水泥土的效果。说明添加矿渣微粉可有效改善含盐水泥土的抗腐蚀性能, 提高桩体的承载能力。

4.5 地基承载力、桩体可靠度及路基稳定性

表 6所示为不同折减系数对路基的影响。可见，随着含盐水泥土折减系数的增加，水泥土桩劣化愈严重，桩体可靠度愈小，而对地基承载力和边坡安全系数的影响可忽略不计。表 7所示为不同桩体材料对路基的影响。可见，与正常水泥土相比，含盐水泥土的的极限抗压强度、桩体可靠度明显偏小；当用矿渣微粉对含盐水泥土改性后，发现桩体的极限抗压强度、可靠度得到显著提高。以上说明含盐水泥土劣化程度愈深，桩体可靠度越小，桩体抗压强度越低，桩体易在上覆荷载作用下发生破坏；含盐水泥土经矿渣微粉改性可有效提高桩体的可靠度，增加桩体的承载能力。

5 结论

(1) 盐的腐蚀作用会导致水泥土发生劣化而强度降低; 水泥土劣化愈严重, 抗压强度愈低; 用矿渣微粉对含盐水泥土进行改性可有效提高抗压强度, 单纯地掺加粉煤灰其改性效果并不理想;

(2) 含盐水泥土劣化程度愈深, 复合地基沉降量愈大, 桩身的水平位移也就愈大; 含盐水泥土经矿渣微粉改性后, 桩身水平位移明显减小, 复合地基沉降量显著降低。

(3) 含盐水泥土劣化对桩土应力比的影响比较大, 劣化愈重桩土应力比愈小; 掺加矿渣微粉改性, 可有效提高桩土应力比, 最大限度地发挥桩体的承载能力。

(4) 桩体可靠度对含盐水泥土的劣化程度较敏感, 劣化程度愈深可靠度愈低, 而对地基承载力和边坡安全系数的影响甚微; 含盐水泥土经矿渣微粉改性后, 桩体可靠度明显改善, 承载能力显著提高。