粉土地基中劲性复合桩抗压承载特性与荷载传递机制研究

劲性复合桩(stiffened deep cement mixing pile,简称SDCM桩)兼具高强度芯桩的轴向荷载传递能力与搅拌桩较高的桩侧摩阻力优势,施工效率高、性价比高,在土木建筑领域中得到推广应用。然而,由于其荷载传递机制尚缺乏统一认识,现有计算方法与实测承载力差异较大。基于此,开展了粉土地基中SDCM桩现场足尺试验,研究了其抗压承载特性与荷载传递机制。搅拌桩固化剂采用普通水泥和GS固化剂(gypsum-slag soil hardening agent)。依据实测荷载-位移曲线分析了单桩抗压极限承载力及不同固化剂的影响,并通过现场桩身取芯及芯样无侧限抗压试验分析了现场施工水泥土与室内试样强度的差异。建立了考虑芯桩-水泥土、水泥土-土体接触面的三维弹塑性有限元模型,分析了竖向下压荷载条件下桩身轴力、接触面的剪切应力分布规律,探讨了SDCM桩的荷载传递机制与承载力提高原因。研究结果表明:粉土地基中SDCM桩抗压承载力大于纯搅拌桩和单独芯桩抗压承载力之和的1.5倍;在端阻力发挥作用后,桩底水泥土由于轴向受压变形,芯桩-水泥土之间的剪切变形会大幅增加,该位置易产生剪切破坏。水泥土固化后与地基土接触面性能的改善是SDCM桩相对传统灌注桩具有更高的承载力的主要原因。

淤泥水泥土固化机理及现场加固实例分析

马来西亚东海岸某铁路工程采用水泥搅拌桩加固地基,水泥配合比是影响地基加固效果的关键因素。为此,本研究开展了一系列有机土与水泥的室内配合比试验以及现场试验。试验表明,在一定的水泥掺量范围(15.3%~20%)内,水泥掺量越多,养护龄期越长,试件的无侧限抗压强度越大;在龄期强度百分比方面,淤泥水泥土普遍低于粘土水泥土。另外,现场试桩试验表明,试桩桩芯的无侧限抗压强度与所在岩层密切关系。在实际现场监测中,加固后土体累积沉降量为48.9 mm,侧向最大位移为6.66 mm;除填土加载外,沉降曲线以及侧向位移曲线没有出现突变。这表明本研究配合比制作的水泥搅拌桩对现场软土地基加固效果良好,研究结果可为滨海地区类似工程提供重要的参考依据。

改良配方水泥搅拌桩现场试桩试验对比研究

水泥搅拌桩在深厚海相淤泥软土中成桩困难,改良配方的水泥搅拌桩研究具有重要的工程意义。本文针对珠海市横琴保税区一道路工程地质情况,研究了5种水泥搅拌桩(4种改良配方和1种未改良对比组)的试桩成桩效果,综合考虑桩身完整性及其强度,对各方案成桩效果进行了定量对比分析。分析结果表明:随着软土层深度的增加,各方案试桩的桩身完整性和强度减小;当粉煤灰掺量为40%或矿渣掺量为31%时,改良的水泥搅拌桩无侧限抗压强度较纯水泥搅拌桩分别提高了104.95%和43.56%;在本场区内,粉煤灰掺量为40%的改良水泥搅拌桩较其它方案更具有适用性;而对于矿渣—水泥改良体系,当矿渣掺入量过高时,水泥搅拌桩的成桩效果随着矿渣掺入量的增加反而降低。

预制桩施工前淤泥软土地基处理研究

研究通过对福州某项目预制桩淤泥层处理进行了分析,高层建筑基础设计中采用预制桩基础,在淤泥层过后的情况下应采取相应处理,待地基处理后取得了较好的经济效益和社会效益,以期为类似工程提供借鉴。

磷酸镁水泥加固低液限粉土的pH和电导率响应与孔隙特征研究

为了探究磷酸镁水泥(Magnesium phosphate cement,MPC)对黄河淤积低液限粉土的加固问题,本试验研究不同MPC占干土的掺量、镁磷比(m(M/P))及硼酸与氧化镁比(m(BA/M))对粉土初始pH、电导率的响应;探究选定m(M/P)、m(BA/M)下不同龄期和不同MPC掺量固化土的无侧限抗压强度、pH、电导率与水化产物的变化规律,并基于CT扫描技术重构了三种不同MPC掺量下固化土的孔隙网络模型,结合XRD物相分析,揭示其固化机理。结果表明:随着MPC掺量的增加,m(M/P)较小时固化土的初始pH逐渐减小,而m(M/P)较大时pH先增大后减小。MPC掺量和m(M/P)一定时,随着m(BA/M)的增加,pH在m(BA/M)为某一值(2%)时降为最低,随后逐渐增大。考虑到低液限粉土的低用水量与促进后期水化需求,选择偏酸性配比(m(M/P)=1,m(BA/M)=2%)与低于15%MPC掺量较为合适。pH随着龄期和MPC掺量的增加而增加,电导率变化规律则与pH相反,二者呈负指数的关系,且能定性地表征水化情况。力学试验结果表明MPC能使粉土强度大幅提升,龄期与MPC掺量的增加均使固化土的强度增长。XRD与CT扫描结果表明,MPC固化机制为各龄期均出现的鸟粪石和MgO胶结在土粒之间形成交互结构,且随着MPC的掺量增加,土颗粒间的粘结更加紧密,形成的土骨架提升了宏观力学强度,同时扩大孔隙空间,增加了孔隙率,增强了孔隙间的连通性,导致渗透性增大,因此工程应用时可通过改善孔隙结构进一步提升固化性能。

海相淤泥水泥土力学性能室内试验研究

为了进一步了解淤泥水泥土的特性以及为软基施工提供数据参考,通过选取水泥搅拌桩施工现场具有代表性的海相淤泥为研究对象,对不同水泥掺量和养护龄期下的水泥土无侧限抗压强度、压缩试验及渗透试验展开研究,最终得到水泥土的各项力学特性指标,并初步探讨了无侧限抗压强度与渗透系数和压缩系数之间的相关性。结果表明:水泥土无侧限抗压强度和压缩模量随养护龄期增长和水泥掺入量的增大逐渐增加,而水泥土的压缩系数和渗透系数则逐渐降低。水泥土无侧限抗压强度在0.5~2 MPa范围时,渗透系数和压缩系数随无侧限抗压强度的增大而迅速降低;无侧限抗压强度达到2 MPa以上后,变化幅度趋缓。

掺水泥粉土的改良风积沙三轴压缩特性

基于单掺5%水泥的经济性设计指标,开展了混掺水泥粉土的改良风积沙三轴压缩试验,分析了改良风积沙试样不同围压下的应力-应变及强度特性,揭示了不同掺比改良风积沙黏聚力和内摩擦角的变化规律,以及改良风积沙的破坏形式及剪切破坏机理。结果表明:改良风积沙的应力-应变关系曲线均为应变软化型曲线;弹性模量和破坏强度与围压正相关,弹性模量在粉土掺量增至15%时达到峰值;破坏强度与粉土掺量正相关;10%粉土掺量下改良风积沙黏聚力最大,内摩擦角则随粉土掺量增加而单调增长。水泥水化物包裹在沙粒表面,增加了沙粒表面粗糙度,并在沙粒之间的空隙形成网状结构,将沙粒联结起来,阻碍沙粒相对运动;掺入适量粉土可填充沙粒和水化物之间的空隙,但过量粉土会制约水化反应,同时碱性离子与水化物反应产生胶结能力差的硅酸钠和铝酸钠,导致改良风积沙整体性能下降。

水泥、赤泥协同改良粉砂土配合比试验研究

为了对铝土矿冶炼废弃物赤泥进行工程应用,以粉土为改良对象,对水泥、赤泥协同改良粉砂土进行配比试验研究和环境影响评价。结果表明:随赤泥和水泥掺量的增加,粉砂土的最优含水率增大,最大干密度减小;掺入赤泥后,改良粉砂土在龄期为7和28 d时,以塑性破坏为主,龄期为90 d时,塑性变形减少,出现脆性破坏特征;掺加赤泥对于养护初期改良土试样的韧性存在影响,但随着养护龄期增长,该影响逐渐减小。赤泥掺量WRM=20%时,改良土表现出较好的强度和韧性且各项环境指标均满足路基填筑规范要求。WRM=20%时改良土的无侧限抗压强度与水泥掺量相关,可根据不同公路等级强度要求选择水泥掺配比例。研究可为赤泥作为路用材料的资源化利用提供理论依据和技术支持。

基于正交试验的水泥与电石灰固化淤泥土劈裂强度研究

利用水泥与电石灰作为复合固化材料固化淤泥土,基于正交试验方法,设计了水泥、电石灰复合固化淤泥土的配合比,进行击实试验,确定了各混合料的最大干密度与最佳含水率,制备了劈裂强度试样并进行规范养护,利用SPSS 17.0对劈裂试验结果进行正交分析。结果表明,电石灰对复合固化淤泥土的7 d劈裂强度影响较大,水泥对复合固化淤泥土的28 d劈裂强度影响较大。

海相淤泥水泥土变形特性试验研究

选取典型海相淤泥为研究对象,开展了不同水泥掺入量不同龄期淤泥水泥土的无侧限抗压强度试验和有侧限压缩试验,分析了淤泥水泥土的变形特征及不同变形指标之间的换算关系。结果表明:淤泥水泥土具有明显的弹塑性变形特征;弹性模量随着龄期和无侧限抗压强度的增大而增大,均呈线性相关性,弹性模量可取为无侧限抗压强度的120~150倍;水泥土孔隙比-压力曲线的孔隙比变化范围明显较淤泥小,压缩性减小,压缩模量提高,沉降计算时应根据实际压力选取相应区段的压缩模量;压缩模量(E_(s,1-2),E_(s,2-4))随着弹性模量(E)的增大而增大,两者具有很好的线性相关性,换算时可取E/E_(s,1-2)=9.5,E/E_(s,2-4)=5.5。

淤泥水泥土变角剪切力学特性试验研究

以珠海市洪湾片区海相淤泥为研究对象,开展了不同水泥掺入量、不同养护龄期和不同剪切角度条件下淤泥水泥土的变角剪切试验。试验结果表明:淤泥水泥土剪切强度与养护龄期呈指数相关性,随着剪切角度的增大,拟合优度逐步降低,当水泥掺入量为25%时剪切角度对拟合优度影响较小;剪切强度与水泥掺入量呈正线性相关性;当剪切角度小、水泥掺入量高、养护龄期长时,剪切强度高,反之则低;黏聚力与养护龄期呈指数相关性,黏聚力与水泥掺入量呈正线性相关性;内摩擦角与养护龄期、水泥掺入量并无相关性,内摩擦角分布在20.3°~26.6°之间,均值23.3°。水泥掺入量为15%~20%时,剪切强度与抗压强度的换算系数可取0.37,黏聚力与抗压强度的换算系数可取0.24。

超短劲性复合桩基在光伏发电项目中的应用

沿海滩涂或鱼塘中建设的渔光互补光伏发电项目采用预应力管桩作为光伏支架基础,由于地质条件差,多数为深厚淤泥地基,单桩承载力极低,需要大幅增加桩长才可满足单桩承载力要求。为此,提出一种超短劲性复合桩基方案,即预应力管桩+超短水泥土搅拌桩,设计六组不同桩径、桩长的复合桩基,对其进行理论计算分析,并通过现场桩基试验检验该方案的可行性。之后在广东沿海某大型滩涂光伏项目中,大规模采用了超短劲性复合桩基进行验证。现场试验与工程桩检测结果表明,该方案在单桩抗压与抗拔承载力方面均有大幅提升,且工程造价可降低5%以上;在施工中通过改装水泥土搅拌桩机械钻杆和行走系统,可有效提高施工效率,便于施工,满足工程进度需要。

活性MgO碳化固化土的渗透特性研究

碳化固化法是一种低碳搅拌处理软土的创新技术,碳化反应生成的产物能有效降低固化土的孔隙率。在已有研究的基础上,着重研究碳化土的渗透特性,以利于其工程应用。采用室内渗透试验,系统研究了活性MgO掺量、碳化时间、初始含水率和CO2通气压力对MgO碳化粉土和碳化粉质黏土渗透系数的影响规律,并与相同固化剂掺量、相同初始含水率下水泥固化土的渗透系数进行了对比。结果表明：活性MgO碳化土的渗透系数随MgO掺量的增加而降低,与相同掺量下水泥固化土的渗透系数处于同一数量级;MgO碳化粉土的渗透系数明显大于碳化粉质黏土的渗透系数;当MgO碳化粉土和粉质黏土碳化6.0 h时,相应的渗透系数达到最小（10-6）;通气压力对MgO碳化土的渗透系数影响不大,在通气压力为200 k Pa时渗透系数较小。因此,活性MgO碳化土具有与水泥固化土相近的抗渗性能,有良好的推广应用前景。

水泥土力学特性随龄期发展规律试验研究

水泥土搅拌法是加固软土地基的常用方法,水泥土强度随龄期的发展规律直接影响水泥土的加固设计、施工进度安排和控制.基于我国东南沿海淤泥土特点,通过室内配比试验和力学加载试验,获得了5种以常用水泥为固化剂的水泥土试样90 d龄期内的应力应变曲线.在此基础上研究了不同固化剂和龄期对水泥土力学特性的影响,建立了水泥土抗压强度与龄期间的关系式,能根据水泥土3 d强度较准确地预测水泥土的后期强度,对于提高施工质量控制水平有重要意义.

大庆深部裂缝型火山岩储气层压裂技术试验

针对大庆火山岩储层破裂梯度变化大、微裂缝发育,造成压裂施工成功率低的实际情况,采用多裂缝解释模型描述了压裂液在火山岩储层中的压力降落特征,并定量给出了裂缝条数、裂缝体积数和滤失裂缝条数等描述裂缝的参数,这为完善压裂设计提供了依据。采用胶塞和粉砂工艺成功地进行了现场施工,通过ZS10井的应用说明,在火山岩储层使用多裂缝测试压裂解释技术和采用胶塞与粉砂工艺是可行的。

胶结液参数对微生物加固粉土的影响

胶结液对微生物土体加固具有重要作用,以海相粉土为处理对象,选用巴氏芽孢杆菌作为微生物、尿素和氯化钙作为胶结液,研究胶结液参数对加固效果的影响.采用将菌液与粉土拌合制样,然后入渗多轮胶结液的方法对试样进行有效加固.通过试验研究了浓度、轮数、配比、体积等胶结液参数对加固效果的影响.结果表明:当胶结液浓度不低于0.50 mol/L时,试样水稳定性较好;试样中沉积的CaCO_(3)数量和无侧限抗压强度随着胶结液相对用量增加而提高,但当胶结液浓度为1.50 mol/L时,CaCO_(3)均匀性和无侧限抗压强度都有明显下降;增加胶结液中尿素的比例对加固效果的影响很小;减小每轮胶结液入渗体积会使加固的整体性明显下降,因此每轮胶结液的体积不应低于孔隙体积.试验和SEM结果表明,胶结液浓度会影响CaCO_(3)分布和晶体大小,从而影响加固强度.

水泥改良西藏林芝地区粉土路用性能试验研究

为解决西藏林芝地区路基填料问题,对林芝地区粉土进行水泥改良处理并进行击实试验、CBR试验、无侧限抗压强度试验和冻胀融沉试验,研究不同水泥掺量对改良土的最大干密度、最优含水率、CBR值以及冻融循环下改良土的物理力学性质的影响。试验结果表明:不同掺量的水泥改良粉土的最优含水率几乎不变,最大干密度随掺量增加缓慢增大;在冻融循环作用下水泥改良粉土仍为脆性破坏模式,水泥改良粉土的第5次冻融后和第10次冻融后的单轴应力应变曲线几乎趋于重合,在实际工程中可以以冻融循环5次后的强度作为水泥改良土的设计参考强度;在考虑冻融循环作用下,西藏林芝深厚粉土区域二级公路上路床粉土填料的最优水泥掺量为4%以上。

考虑胶结作用的木质素固化粉土边界面塑性模型

为研究木质素固化粉土的应力–应变特性,通过无侧限抗压强度试验和微观结构分析,探讨木质素固化土的胶结特性。基于边界面塑性理论,引入硬化参数、应力剪胀参数和胶结破坏速率等参数,提出考虑胶结作用的木质素固化土边界面塑性模型,采用非相关联流动法则和改进映射法则描述土体的不同破坏模式,并阐述模型中各参数的意义及计算方法。根据室内固结试验和三轴压缩试验,对木质素固化粉土的应力–应变、应力剪胀和超孔隙水压力变化特征进行分析,并验证了本文所提模型的有效性。研究表明:木质素产生的胶结作用是土体工程性质改善的主要原因之一;12%掺量木质素固化土屈服应力和不排水抗剪强度较素土分别提高约90%和40%,高、低围压下土体应力剪胀特性不同,围压对超孔隙水压力的变化影响较大;通过试验验证了模型计算的准确性,该模型可描述土体在不同受力状态下的应变特征,具有原理简单,参数明确的特点,可为固化土应力–应变的数值计算提供相应的理论基础。

ISS-水泥联合固化淤泥的力学特性研究

采用离子土固化剂(ISS)和水泥对宁德海相淤泥进行化学固化,通过阿太堡试验确定最优ISS体积比;通过7 d龄期无侧限抗压强度试验确定临界水泥掺量。针对酸碱固化剂共存对淤泥固化的影响,对淤泥固化样品进行了物理、力学试验,分别研究酸性ISS、碱性水泥、NaOH碱化剂等单掺和复掺固化淤泥的力学特性及固化效果,探讨固化剂之间的影响机理。试验结果表明:酸性ISS与水泥之间相互抑制,ISS溶液中H+阻碍了水泥的水化进程,降低了固化土强度;NaOH碱化ISS和水泥联合固化淤泥与单掺水泥相比,不但弥补了水泥提高早期强度缓慢的不足,而且可节约大约3%的水泥用量。

不同湿度状态下高液限粉土的强度特性

为了掌握潮湿地区粉土的强度特性,为粉土路基设计和施工提供技术参数,通过控制初始干密度和含水量的方法制备试样,开展粉土和水泥改良粉土的无侧限抗压强度、直接剪切强度、承载比(CBR)强度等试验,获得了不同含水量或不同浸水条件下粉土和水泥改良粉土的强度指标。结果表明,粉土的强度受压实度和含水量的影响最大;粘聚力随含水量的变化先增大后减少;同等条件下掺4%的水泥以后粉土的内摩擦角约提高了2倍、粘聚力提高4倍。粉土的不浸水承载比强度要远大于浸水承载比强度,但制样含水量超过20%以后,即使不浸水其承载比强度也发生急剧衰减,因此粉土的强度对水十分敏感。