CN103195113B - 咸水区水泥土桩全寿命周期内承载力预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种咸水区水泥土桩全寿命周期内承载力预测方法，在工程项目地区取土样及地下盐水在室内进行试验，并对试验数据进行分析，步骤如下：将土样及盐水制成含盐水泥土试件，分别在养护室条件和盐水浸泡条件下养护，并对试件进行无侧限抗压强度试验，分别测得其短期抗压强度；对养护室条件下的含盐水泥土强度进行拟合，得到含盐水泥土桩内部材料强度增长与时间的关系；得出劣化深度L，然后劣化深度进行拟合，得到含盐水泥土桩劣化深度与时间的关系；得出含盐水泥土桩承载力与时间的关系。根据含盐水泥土桩承载力与时间的关系可计算得到其全寿命周期内的承载力。该方法简单快捷，测量准确性高。

Description

咸水区水泥土桩全寿命周期内承载力预测方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程技术，尤其是一种咸水区水泥土桩全寿命周期内承载力预测方法。

背景技术

水泥土搅拌桩是软弱地基加固的一种常用方法，利用专用设备将粉状或浆状水泥与地基土原位搅拌形成粉喷桩或浆喷桩复合地基。在咸水区，地下水和土的矿化度很高，对水泥土有较强的腐蚀性，这使得水泥土表层发生劣化，强度衰减，有效桩径减少，从而导致咸水区水泥土搅拌桩复合地基受腐蚀严重，出现很多工程问题。同时，咸水环境下水泥土桩内部未受到咸水侵蚀的部分，材料强度随龄期持续增长。但是目前现有研究和设计规范均未考虑咸水环境下水泥土的表层劣化效应对长期强度演化的影响，而水泥土的强度衰减是一个漫长的过程，若通过室内和现场试验来测得水泥土桩的长期综合强度非常耗时，在大多数情况下是不可行的。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种咸水区水泥土桩全寿命周期内承载力预测方法，该方法能够通过试验室测得的短期抗压强度试验结果来预测含盐水泥土桩全寿命周期的承载力，大大减少了试验的工作量，简单快捷，够避免进行长期观测的耗时耗力问题，节省试验费用，而且测量准确性高。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种咸水区水泥土桩全寿命周期内承载力预测方法，在工程项目地区取土样及地下盐水在室内试验，并对试验数据分析，步骤如下：

1）将所述土样及盐水制成含盐水泥土试件，分别在标准养护室条件和盐水浸泡条件下养护，然后分别对这两种养护条件下的不同龄期的试件做无侧限抗压强度试验，测得其短期抗压强度；

2）根据公式f_c＝A+Blgt对养护室条件下的含盐水泥土强度拟合，得到含盐水泥土桩内部材料强度增长与时间的关系；其中，f_c为含盐水泥土桩内部未劣化部分抗压强度，单位为MPa；t为龄期，单位为天；A，B为常数，通过对步骤1）中养护室条件下试件的短期抗压强度f_c拟合即可得到；

3）根据公式D²q_uw＝d²q_uc，L＝0.5(D-d)和步骤1）中测得的两种养护条件下试件短期抗压强度试验结果计算得到劣化深度L，然后根据公式lgL＝a+0.5lgt对劣化深度L拟合，得到含盐水泥土桩劣化深度与时间的关系；其中，q_uc为含盐水泥土在标准养护室条件下测得短期抗压强度，q_uw为含盐水泥土在浸泡条件下测得短期抗压强度，单位为MPa；D为含盐水泥土的原直径，单位为mm；d为含盐水泥土未劣化部分的直径，单位为mm，L为劣化深度，单位为mm；t为龄期，单位为天；a为常数，通过对公式lgL＝a+0.5lgt拟合即可得到；

4）将含盐水泥土桩内部材料强度增长与时间的关系和含盐水泥土桩劣化深度与时间的关系分别代入公式P＝A×f_c(t)和公式得到含盐水泥土桩承载力与时间的关系；其中，P为由桩体材料强度确定的含盐水泥土桩承载力，单位为N；A为含盐水泥土桩的有效横截面积，即未劣化部分桩体的横截面积；D为桩径，单位mm；

5）根据含盐水泥土桩承载力与时间的关系计算得到其全寿命周期内的承载力。

所述步骤1）中标准养护室养护模拟水位以上地下环境，标准养护室条件为温度为18-22℃，相对湿度95%以上。

所述步骤1）中盐水浸泡条件养护模拟水位以下环境；盐水浸泡条件养护是先将试件浸泡在装有工程项目地区地下盐水的容器中，然后再将容器放在标准养护室中养护以避免外界环境温度对其影响。

所述步骤1）中的短期分别为7天、14天、28天、90天、120天或180天。

通过研究发现含盐水泥土早期强度的衰减在一定程度上能够反映后期强度的变化趋势，因此，本发明基于室内早期强度试验结果，考虑了咸水环境下水泥土表面劣化效应，提出了根据桩身材料强度确定的含盐水泥土桩全寿命周期内承载力的计算方法。

本发明解决以下主要问题：

①含盐水泥土内部未劣化部分桩体的强度增长随龄期变化规律。

②含盐水泥土桩劣化深度随龄期变化规律。

③基于早期强度试验的含盐水泥土桩全寿命周期承载力预测方法。

本发明的原理是：在地下咸水环境下，水泥土桩表层在盐水侵蚀作用下会发生劣化，而中心部分桩体由于水泥土致密未受到地下盐水的侵蚀。因此，含盐水泥土桩的强度受两个因素的影响：一是含盐水泥土中心未劣化部分桩体的材料强度随龄期的持续增长；二是含盐水泥土表面劣化导致的强度衰减。

(1)桩体内部含盐水泥土的强度增长规律。

通过文献调研发现对于水泥土桩复合地基，无论待加固土样和水泥种类如何，水泥土试样无侧限抗压强度随龄期的对数近似成线性增长。因此，含盐水泥土内部未劣化部分桩体强度随龄期变化规律可表达为：

f_c＝A+Blgt   (1)

f_c为含盐水泥土桩内部未劣化部分抗压强度，单位为MPa；t为龄期，单位为天；A，B为常数，可根据式（1）通过对标准养护室条件下的含盐水泥土试件强度进行拟合得到。

(2)咸水环境下水泥土桩表面劣化深度的演化。

假定劣化深度L范围内水泥土强度为零，未衰减部分水泥土强度等于标准养护时短期抗压强度q_uc，劣化深度L根据下列两式确定：

D²q_uw＝d²q_uc   (2)

L＝0.5(D-d)   (3)

q_uw为含盐水泥土在浸泡条件下的短期抗压强度，单位为MPa；D为含盐水泥土的原直径，单位为mm；d为含盐水泥土未劣化部分的直径，单位为mm。

不同学者对不同环境下（海水、黏土）表层水泥土强度变化进行了研究，发现水泥土的劣化深度与时间的双对数曲线近似成线性关系，且其斜率均约等于0.5，室内试验和现场实测的劣化深度与时间是关系曲线如图1所示。由此，含盐水泥土劣化深度与龄期的关系为：

lgL＝a+0.5lgt   (4)

L为劣化深度，单位为mm；t为龄期，单位为天；a为常数，可根据上式对劣化深度进行拟合得到。

(3)考虑劣化的含盐水泥土桩承载力计算。

考虑含盐水泥土的劣化效应，由桩身材料强度确定的水泥土桩承载力通过下式得出：

P＝A×f_c(t)   (5)

$A=\frac{\mathrm{\π}{(D-2L)}^2}{4}---\left(6\right)$

P为由桩体材料强度确定的含盐水泥土桩承载力，单位为N；A为含盐水泥土桩的有效横截面积，即未劣化部分桩体的横截面积；D为桩径，单位mm。

本发明的有益效果是，该发明能够通过试验室测得的短期抗压强度试验结果来预测含盐水泥土桩全寿命周期的承载力，大大减少了试验的工作量，简单快捷，解决了某些地区不能进行现场实测的难题，并且能够避免进行长期观测的耗时耗力问题，节省试验费用，而且测量准确性高。

附图说明

图1是不同环境下水泥土劣化深度随龄期变化曲线图；

图2是实施例1含盐水泥土抗压强度随龄期变化拟合曲线图；

图3是实施例1含盐水泥土劣化深度随龄期变化拟合曲线图；

图4是实施例1不同环境下水泥土劣化深度随龄期变化曲线图；

图5是实施例1不同直径的含盐水泥土桩40年内的综合承载力图；

图6是实施例2含盐水泥土抗压强度随龄期变化拟合曲线图；

图7是实施例2含盐水泥土劣化深度随龄期变化拟合曲线图；

图8是实施例2不同环境下水泥土劣化深度随龄期变化曲线图；

图9是实施例2不同直径的含盐水泥土桩40年内的综合承载力图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

某高速公路黄河三角洲含盐水泥土桩全寿命周期承载力的预测采用了本发明提出的方法。

试验土样取某高速公路K15+200处，清表后取1m-1.5m处的土。地下水取地表下约0.5m深处的盐水。水泥采用东岳水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥，掺量为17.58%。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-1994)》制作试件，试验试件直径为50mm。试验采用两种养护条件：养护室养护与盐水浸泡养护，其中养护室养护模拟水位以上地下环境，盐水浸泡养护模拟水位以下环境。

通过无侧限抗压强度试验得到含盐水泥土的抗压强度。表1为室内试验得到的不同养护条件下的含盐水泥土试件不同龄期的抗压强度值。

表1.抗压强度值

根据公式（1）即f_c＝A+Blgt对养护室条件下的含盐水泥土试件强度进行拟合，如图2所示，得到线性函数为：

f_c＝0.96+3.31lgt   (R²=0.95)   (7)

其中，R为相关系数，R²表示复相关系数，R²范围在0～1之间，R²越接近1说明函数拟合效果越好，含盐水泥土试件直径D=50mm，抗压强度q_uc和q_uw如表1所示。根据式（2）D²q_uw＝d²q_uc和式（3）L＝0.5(D-d)计算出含盐水泥土试件在90天、120天及180天（一般实验室测抗压强度是180天以内的，长期是道路的运行年限，一般为10～30年，这里是地基，所以使用的时间更长，都是好几十年的，比如20年、40年，所以这里的180天就可以称为短期）的劣化深度L分别为2.49mm、2.76mm及3.17mm。其中，q_uc为含盐水泥土在标准养护室条件下测得短期抗压强度，q_uw为含盐水泥土在浸泡条件下测得短期抗压强度，单位为MPa；D为含盐水泥土的原直径，单位为mm；d为含盐水泥土未劣化部分的直径，单位为mm，L为劣化深度，单位为mm；t为龄期，单位为天；a为常数。

对式（4）即lgL＝a+0.5lgt拟合，得a=-0.60，如图3所示，即式（4）可改写为：

L＝10^-0.60+0.5lgt   (R²=0.81)   (8)

水泥土的长期劣化深度可由上式计算得出，本次试验研究计算的长期劣化深度如图4所示。

将式（7）即f_c＝0.96+3.31lgt和式（8）即L＝10^-0.60+0.5lgt分别代入式（5）P＝A×f_c(t)和式（6）得到：

$P=(0.96+3.31\mathrm{gt})\×[\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2-\mathrm{\πD}\×{10}^{-0.60+0.5\mathrm{lgt}}+\mathrm{\π}{\left({10}^{-0.60+0.5\mathrm{lgt}}\right)}^2]---\left(9\right)$

P为由桩身材料强度确定的单桩承载力，单位为N；t为龄期，单位为天；D为桩径，单位为mm。

通过式（9）即计算出各桩径的含盐水泥土桩全寿命周期的承载力，如图5所示。可见，考虑劣化效应的含盐水泥土桩的承载力明显小于未劣化的桩体，随着时间的推移，劣化的含盐水泥土桩体承载力增长速度越来越慢，当劣化深度达到临界值时，承载力随时间逐渐降低。因此在咸水区采用水泥土桩加固地基时，考虑桩体的劣化效应是非常必要的。

实施例2：

某高速公路海相软土水泥土桩全寿命周期承载力的预测采用了本发明提出的方法。

试验土样取自该高速公路某标段海相软土，地下水取地下海水。水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，掺量为20%。水泥土采用机械搅拌，人工振捣，试验试件直径为50mm。试验采用两种养护条件：养护室养护与海水浸泡养护，其中养护室养护模拟水位以上地下环境，盐水浸泡养护模拟水位以下环境。

通过无侧限抗压强度试验得到含盐水泥土的抗压强度。表2为室内试验得到的不同养护条件下的含盐水泥土试件不同龄期的抗压强度值。

表2.抗压强度值

根据式（1）即f_c＝A+Blgt对养护室条件下的含盐水泥土试件强度进行拟合，如图6所示，得到线性函数为：

f_c＝-0.20+2.21gt   (R²=0.99)   (10)

其中，R为相关系数，R²表示复相关系数，R²范围在0～1之间，R²越接近1说明函数拟合效果越好；含盐水泥土试件直径D=50mm，抗压强度q_uc和q_uw如表1所示。根据式（2）即D²q_uw＝d²q_uc和式（3）即L＝0.5(D-d)计算出含盐水泥土试件在14天、28天及90天的劣化深度分别为3.12mm、4.33mm及7.05mm。其中，q_uc为含盐水泥土在标准养护室条件下测得短期抗压强度，q_uw为含盐水泥土在浸泡条件下测得短期抗压强度，单位为MPa；D为含盐水泥土的原直径，单位为mm；d为含盐水泥土未劣化部分的直径，单位为mm，L为劣化深度，单位为mm；t为龄期，单位为天；a为常数。

对式（4）lgL＝a+0.5lgt拟合，得a=-0.16，如图7所示，即式（4）改写为：

L＝10^-0.16+0.5lgt   (R²=0.99)    (11)

水泥土的长期劣化深度可由上式计算得出，本次试验研究计算的长期劣化深度如图8所示。

将式（10）即f_c＝-0.20+2.21lgt和式（11）L＝10^-0.16+0.5lgt分别代入式（5）即P＝A×f_c(t)和式（6）即得到：

$P=(-0.20+2.21\mathrm{lgt})\×[\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2-\mathrm{\πD}\×{10}^{-0.16+0.5\mathrm{lgt}}+\mathrm{\π}{\left({10}^{-0.16+0.5\mathrm{lgt}}\right)}^2]---\left(12\right)$

P为由桩身材料强度确定的单桩承载力，单位为N；t为龄期，单位为天；D为桩径，单位为mm。

通过式（12）即可计算出各桩径的含盐水泥土桩全寿命周期内的承载力，如图9所示。可见，考虑劣化效应的含盐水泥土桩的长期承载力明显小于未劣化的桩体，随着时间的推移，劣化的含盐水泥土桩体承载力随时间先增大，而后当劣化深度达到临界值时，承载力开始降低，随着劣化深度的不断增加，桩体承载力减小的速度越来越快。因此在咸水区采用水泥土桩加固地基时，考虑桩体的劣化效应是非常必要的。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种咸水区水泥土桩全寿命周期内承载力预测方法，其特征是，在工程项目地区取土样及地下盐水在室内试验，并对试验数据分析，步骤如下：

1)将所述土样及盐水制成含盐水泥土桩试件，分别在标准养护室条件和盐水浸泡条件下养护，然后分别对这两种养护条件下的不同龄期的试件做无侧限抗压强度试验，测得其短期抗压强度；

2)根据公式f_c＝A+Blgt对标准养护室条件下的含盐水泥土桩试件强度拟合，得到含盐水泥土桩试件内部材料强度增长与时间的关系；其中，f_c为含盐水泥土桩试件内部未劣化部分抗压强度，单位为MPa；t为龄期，单位为天；A，B为常数，通过对步骤1)中标准养护室条件下含盐水泥土桩试件的短期抗压强度f_c拟合即可得到；

3)根据公式D²q_uw＝d²q_uc，L＝0.5(D-d)和步骤1)中测得的两种养护条件下含盐水泥土桩试件短期抗压强度试验结果计算得到劣化深度L，然后根据公式lgL＝a+0.5lgt对劣化深度L拟合，得到含盐水泥土桩试件劣化深度与时间的关系；其中，q_uc为含盐水泥土桩试件在标准养护室条件下测得短期抗压强度，q_uw为含盐水泥土桩试件在浸泡条件下测得短期抗压强度，单位为MPa；D为含盐水泥土桩试件的原直径，单位为mm；d为含盐水泥土桩试件未劣化部分的直径，单位为mm，L为劣化深度，单位为mm；t为龄期，单位为天；a为常数，通过对公式lgL＝a+0.5lgt拟合即可得到；

4)将含盐水泥土桩试件内部材料强度增长与时间的关系和含盐水泥土桩试件劣化深度与时间的关系分别代入公式P＝A×f_c(t)和公式得到含盐水泥土桩试件承载力与时间的关系；其中，P为由含盐水泥土桩体材料强度确定的含盐水泥土桩试件承载力，单位为N；A为含盐水泥土桩试件的有效横截面积，即未劣化部分含盐水泥土桩体的横截面积；D为含盐水泥土桩试件的原直径，单位mm；

5)根据含盐水泥土桩试件承载力与时间的关系计算得到其全寿命周期内的承载力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤1)中标准养护室条件养护模拟水位以上地下环境，标准养护室条件为温度为18-22℃，相对湿度95％以上。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤1)中盐水浸泡条件养护模拟水位以下环境；盐水浸泡条件养护是先将试件浸泡在装有工程项目地区地下盐水的容器中，然后再将容器放在标准养护室中养护以避免外界环境温度对其影响。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤1)中的短期分别为7天、14天、28天、90天、120天或180天。