MJS水泥土的试桩成桩效果分析

刘欣，杨平*,郑盛，王岩梓，陈潋，杨宁(1.南京林业大学土木工程学院，南京210037;2.中铁三局集团华东建设有限公司，南京211106)7号线中胜站下穿既有10号线车站工程地处全断面承压含水砂层，拟采用水平MJS(metrojetsystem)工法全称为全方位高压喷射注浆工法，是对传统高压旋营线路工程[3-4];且已有学者对MJS工法应用范围进行了进一步探讨[5]。Consoli等[13]、LeKouby等[14]与Szymkiewicz等[15]分别研究了含水率、进行评定。试桩成桩效果是正式施工参数做出相应调整的重要依据抗压强度、弹性模量、水泥含量),并与室内MJS水泥土强度数据比较，可为基工程情况类似，在既有基坑内进行试桩试验，有较好的场地处作为试桩施工地点。新城科技园站为南京地铁7号线的中间站，水平MJS加固主要位于②-2b4淤泥质粉质黏土(软—流塑)、②-3d3+c3粉砂夹粉土(稍密),为承压含水层，微承压水赋存于下层砂性土中，承压水1.2MJS试桩方案与参数MJS试验桩共4根，淤泥质粉质黏土和粉砂夹粉土两种土层中分别施工2根，且分别为半圆和全圆。根据实际下穿段开挖长度，所有桩长均为27m,全圆桩水泥掺入质量比为45%;半圆桩根据桩长分为3段，每段水泥掺入比分别为45%,50%,60%,如图1所示。试桩施工水灰比为1:1,提升步距为25mm,具体参数见表1。MJS-1半圆桩、MJS-2全圆桩中心距离地面12.05m,位于淤泥质粉质黏土层，桩径分别为2.2和1.3m;MJS-3半圆桩、MJS-4全圆桩桩中心距离地面14.7m,位于粉砂夹粉土层，桩径分别为2.2和1.3m。图1试桩及取芯点布置图Fig.1Schematicdiagramoflayoutofpile表1MJS试桩施工参数Table1ConstructionparametersofMJStestpile表1(续)2试桩成桩效果分析2.1现场取芯及实际加固范围分析上部桩完成，施工养护期满28d,首先对下部全圆、半圆桩进行取芯，后对上部全圆、半圆桩进行取芯。由于全圆桩为1种掺入比，半圆桩为3种掺入比，考虑每种掺入比至少取1次，且上下部土层不同。分别在距离地连墙3,15,21m处3个位置钻孔取芯，一次钻孔取上下不同地层的两根试桩芯样，共打6个取芯孔，每孔均钻至下部试验桩的底部位置，详见图1。为避免取芯破坏测两根半圆桩对应两个不同地层，每根桩3种不同掺入比，每种掺入比最少取一个完整孔的芯样，共计6个孔芯样。两根全圆桩掺入比均为45%,对应两种土层，每桩各取1个孔的芯样即可，共计2个孔芯样。每个芯样有效长度应穿透完整取样，若遇破碎难以取样，每个样长至少保证在20使得取芯的整体偏斜达到400mm(表2)。综合考虑各个位置取出的加固体长度，利用勾股定理，计算得45%掺入比全圆桩实际桩径为90～110cm,半圆桩45%,50%,60%水泥掺入比桩径分别为160～170cm、180cm左右、200cm左右。结合表1分析，半圆桩MJS-1、3在45%,50%,60%掺入比区域，施工时步距提升速度减小桩径增大[18],步距提升时间与旋转速度对实际桩径有一定影响。由改为1.5m,半圆桩设计桩径改为2.4m。表2不同水泥掺入比下取出加固体总长度Table2Thetotallengthofreinforcedsolidunderdifferentcementcontentmixingratios2.2试桩抗压强度特性分析E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》,试样尺寸为φ80mm×100mm,加载速率2400N/s。试验共38个试件，各类型试样基本参数见表3。由表3可知，相同地层条件下，同水泥掺入比区域全圆桩平均密度低于表3试样基本参数Table3Basicparametersoftestsamples2.2.1试样破坏形态以MJS-1半圆桩为例，选取各水泥掺入比代表性试样，分析不同掺入比试样破坏形态差异(图2)。由图2可见，60%掺入比试样侧面出现了从顶部贯穿至底部图2MJS-1淤泥质粉质黏土半圆桩不同水泥掺入比时试样破坏形态Fig.2不同土层不同桩型的试样破坏形态见图3,因距离地连墙21m处4种试桩的掺入比均为45%,因此选取此位置的试样进行分析。如图3所示，各桩试样表面均出现了角度不同的贯穿裂缝，呈剪切破坏。全圆桩体试样破坏后，侧面仅出现明显的斜裂缝，完整度相对较好；对比全圆桩，半圆桩体试样破坏明显，土体破碎剥落较多，完整度较差。图345%掺入比时不同试桩破坏形态Fig.3Failuremodesofthetestpilesat45%mixingratio全圆桩抗压强度见表4,同桩条件下，抗压强度与密度成正比关系，与含水率成反比关系，且全圆桩上部芯样强度最大，中部次之，下部最小；不同地层下，砂层MJS-4整体密度小于黏土层MJS-2,但其含水率及抗压强度均高于MJS-2,表4全圆桩试样强度Table4Strengthresultsoffullroundpilespecimens半圆桩试样抗压强度见表5,由于MJS-3位于承压富水砂层，MJS-3含水率大于MJS-1,平均密度小于MJS-1;50%与60%水泥掺入比区域，抗压强度与密度成正比，与含水率成反比，掺入比50%区域平均抗压强度小于60%区域。由于现场取10cm的完整芯样，呈现破碎状态；对比50%掺入比，60%掺入比区域同位置处在实际施工过程中，50%掺入比时成桩效果最佳，60%次之，45%最差。结合表1大即注浆范围增大，注浆范围过大也会影响成桩效果(浆液与桩径不均匀),此此外由表5可知，与全圆桩不同，半圆桩中部芯样强度最大，上部次之，下部次之，下部最差。建议全圆桩采用45%掺入比，半圆桩采用50%掺入比。表5半圆桩试样强度Table5Strengthresultsofsemi-circularpilespecimensMJS-3粉砂夹粉土半圆桩，经45d养护，对其取芯数据进行分析，不同水泥掺入比的水泥土应力-应变关系见图4。由图4可知，同一桩体，抗压强度随掺入性破坏。工程中通常以土体单轴抗压强度的1/2与其对应的应变比值来表征弹性模量[19]。掺入比为45%,50%,60%的弹性模量分别为368.3,418.8,634.7图4MJS-3粉砂夹粉土半圆桩应力-应变关系Fig.4Stress-strain分别经28,30,45,41d养护，水泥掺入比为45%,不同土层与桩型下试桩取芯无侧限抗压强度试验应力-应变关系见图5。由图5可知，MJS-1、2、3、4桩体抗压强度分别为3.23,4.60,3.51,6.71MPa,均呈现脆圆桩，全圆桩MJS-2与MJS-4芯样强度较大，且全圆桩达到极限应力时的轴向弹性模量分别为381.7,412.5,418.8,561.6MPa,可见龄期近似条件下，同土层同水泥掺入比时全圆桩弹性模量均大图545%掺入比时不同土层不同桩型应力-应变关系Fig.5Stress-strainthemixingratioof45%试验加载速率为2400N/s。根据室内试验数据[17],12种情况(不同水泥掺入比与龄期)共计36组试样，每种情况取3组平行样均值作为抗压强度，结果见表6,室内试验水泥土抗压强度曲线如图6所示。由图6可知，同龄期下随着根据MJS-3、MJS-4芯样的试验数据共计19个试件，每种情况(不同水泥掺入比与桩型)取3个代表性试件试验数据均值作为抗压强度，选取28d龄期下室内粉细砂水泥土与现场取芯抗压强度数据进行对比(表7)。由表7可知，室内水泥土强度大，45%水泥掺入比，全圆桩取芯强度为室内强度的0.38倍，半圆桩取芯强度为室内强度的0.31倍；50%和60%水泥掺入比分别为室内强度的0.25和0.29倍。这是由于室内水泥土试样搅拌均匀，且在标准条件下养护，现场定系数进行折减，本工程折减系数可根据桩型在0.25～0.38范围考虑。表6不同水泥掺入比和龄期室内试验对水泥土抗压强度的影响Table6Cement-soilcompressivestrengthofdifferentcementmixingratiosandageslaboratorytestsMPa图6室内试验水泥土抗压强度曲线Fig.6Compressivestrengthcurvesof表7室内粉细砂水泥土与现场试桩抗压强度对比Table7Comparisonofcompressivestrengthbetweenlaboratorycementsoilandfieldtestpile2.3试桩加固体水泥含量测定量即对应着水泥含量；通过用现场原状土掺入相应掺入比(35%,40%,45%,50%,55%,60%,65%)的水泥制样，经养护后进行滴定试验绘制出水泥含量标定曲线含量测定试样分别取自MJS-2全圆桩水泥掺入比45%区域和MJS-1半圆桩水泥掺入比45%,50%,60%区域，水泥含量测定试验结果见表8。图7水泥含量标定曲线Fig.7Calibrationcurveofcementcontent由表8可得，实测水泥含量(质量分数)为36.2%～50.2%,实测水泥含量较设计低8.8%～9.8%,均未达到设计掺入比要求，且水泥掺入比越高，实测水泥含量与设计掺入比差距越大，需进一步优化施工参数；MJS-1半圆桩50%和60%掺入泥含量最高，中部次之，下部最低；半圆桩50%掺入比与全圆桩45%掺入比区域中部混合着大小颗粒，大颗粒下部居多，断面自上而下水泥浆液含量逐渐减少，表8水泥含量测定试验结果Table8Testresultsofcementcontentdetermination研究不同桩型(全圆、半圆)、不同水泥掺入比、不同地层下各部位MJS水泥土试桩的成桩效果(加固范围、成桩质量、抗压强度、弹性模量、水泥含量),开展了单轴抗压强度试验、水泥含量测定试验，并与室内MJS水泥土强度数据比1)结合现场取芯长度，获得全圆桩实际桩径为9