1.引 言
水泥系粉体深层搅拌法(即粉喷桩)就是将水泥粉连续不断地分散土中,利用化学固化作用（role）,将分散的土团粒,凝聚成具有整体性水稳性和一定强度的土,从而达到加固地基的作用。
与“砂井排水（Drainage）法”的加固机理不同,深层搅拌法是造成坚固的水泥拌和土的方法来加固软基,该法不是设置（set up）排水通道使地基非常缓慢地固结,而是让水泥土拌和体非常迅速地成为一个坚硬的复合地基来直接承受外荷,大大最大化减少沉降量。该法不是增加地基的平均强度来逐步（step by step)提高稳定性,而是在地下形成桩或构造物以抵抗外荷。因此,通常是象钢筋(英文：steel bar)混凝土桩基一样利用安全系数给定拌和体的允许应力。水泥拌和体的变形是很微小的。因而路面和路堤的沉降是很小的。在施工（Construction）期内基本能完成沉降。工后沉降很小。“深搅法”的特点是快速、高强、沉降小[1]。
通常条件下,软土地基（dì jī）的渗透固结十分漫长,不论是在物理(physics)试验还是现场(spot)试验中,要观测软土地基的固结沉降是一项艰巨的任务。在离心模型试验中,由于固结时间与模型比N的平方成反比,也就是说,离心模型中的固结时间将原型的固结时间缩短至1/N2,使得可以在较短的时间内模拟软土地基的长期沉降[2～4]。这正是离心模型试验技术在软土地基处理的优势体现。随着离心模型试验技术的发展,许多岩土工作者结合工程实际,利用离心模型试验技术,验证软土加固处理方法的可靠性和可行性,特别是用于预测软土地基的长期沉降和稳定性。
2 离心试验模拟软土渗透固结的原理
土工离心模型试验是利用离心机产生离心力场,提高模型土体的体积力,形成人工重力。具体做法就是将原型按几何尺寸相似缩小n倍,使模型材料的含水量W和密度ρ均与原型的相同,然后将制备好的模型置于高速旋转的离心机中,设原型的容重γp为
γ=ρg
其中:a为总加速度向量。
3 地质情况和加固处理措施
本次工点选在四川某处沟谷冲积平原,地形开阔,地表覆盖第四系坡冲洪积层,多为软土,厚6～12m不等,为软塑状,含水量为40.7%,密度为16.92kNm-3,塑性指数(index)为17。下伏基岩为泥岩夹砂岩。路堤中心最大填筑高度为10m。由于含水量为40.7%,大于30%,塑性指数为17,大于10,符合粉喷桩设计原则[4]。工点的软土地基（dì jī）设计装修方案采用φ50cm粉喷桩加固,三角形布置,桩间距1.0m。加固宽度至路堤坡脚外3m,加固深度贯穿软土层。粉喷桩顶部铺设两层双向50kNm-1土工格栅及0.5m厚的中粗砂或砂砾石垫层。
4 离心模型试验方案
根据离心模型试验机理和主要的物理量的模拟比,考虑模型的制作,试验选用大模型箱(600mm×600mm×800mm),采用模型比为1∶100。
通过(tōng guò)比较工点的各断面情况,本次采用如下地质情况的断面作为离心试验模拟的断面:该断面在路堤范围内的地基主要分为4层,下伏基岩为泥岩夹砂岩,线路中心以左的基岩基本呈水平,线路中心以右基岩略有倾斜;基岩以上为粉质粘土层,厚度为1.5m左右;粉质粘土层以上为软土层,厚度约8m;软土层以上为人工填土,主要是耕植土,厚度约1.5m。基坑支护工程必须按《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》（建质【2009】87号文）的规定执行。由于粉质粘土层和耕植土层较薄,通过模型比计算出离心模型的层厚为1.5cm,因此,从离心试验制作考虑,将此断面简化处理(图1),一是原型的边界过于复杂,将地基表面边界的曲线状简化成直线。二是将地基作两层土层处理,基岩不变,粉质粘土层和耕植土层用软土层来代替,在离心模型中,基岩在路堤填土作用（role）下的变形很小,可以忽略。故以压实的细砂、粘土和水泥混合料模拟泥岩夹砂岩,并根据泥岩不透水的特点,在模型基岩表面作不渗水（shèn shuǐ）处理。考虑实际情况,本次试验采用原状土的重塑土,在填筑过程中不改变原状土的含水量,只要求密度与工点现场相同,密度取16.92kNm-3。地基分二层填筑,预先计算每一层的重量,并压实到计划(plan)的高度。
离心（centrifugal）模型的粉喷桩采用先预制,后安装的方式。桩的预制方法是,在地基原状土中拌入一定量的水泥（材料:粉状水硬性无机胶凝材料),通过模具挤压成型,然后在恒温恒湿箱经过7天的养护,养护温度为60°。养护后,预制桩的强度为2.4MPa。由于模具直径不能完全按照直径0.5cm挤压成型,实际预制的模型桩直径为0.58cm,因此,在复合地基模型制作时,按照置换率一致的原则,将桩的间距调整为1.16cm。
土工格栅砂垫采用塑料纱网加细砂来模拟。砂经过0.5mm筛,按模型比100计算,相当于原型直径50mm,与粗砂的直径相近。模型制作时,先在平整的地基表面撒上一层约1mm左右的细砂,铺一层经过处理的纱网,再撒上一层约3mm左右的细砂,铺一层纱网,最后再撒上一层约1mm左右的细砂,并保证砂垫层的总厚度在5mm。
路堤填料为红层填料,填料经风干过2mm筛后用于路堤填筑,高度为10m,按0.93的压实系数填筑。
离心模型试验测试内容主要是变形,采用两种方法,一是电测法,使用4个电涡流传感器,编号分别为ch11、ch12、ch14、ch15,其中ch11测的是左侧路堤坡角的水平位移,ch12是路堤顶部的垂向沉降,ch14是路基右侧坡角2cm处垂向沉降,ch15路堤右侧坡角处垂向沉降。二是在有机玻璃一面的离心模型划分网格,在试验过程中按一定间隔时间进行摄影,通过网格点坐标变化研究（research)路堤整体的变形趋势（trend)和稳定性。
考虑填筑土为扰动土,首先将模型地基在离心加速度40g时运行20min,相当于将模型地基进行预先固结。
软基工程多数情况是有局部地段地质情况和原来设计不同，出现局部地基承载力达不到设计要求，或者由于局部地段含水量过大(原有排水系统不畅，原有地基土质渗水性不好)造成地基软弹(翻浆，弹簧土地段)。在放置路堤模型后,为了避免离心加速度的的变化剧烈引起地基的破坏(vandalism),将离心加速度从0g～100g划分为5个台阶,分别在20
G、40
G、60
G、80g运行5min,并各测变形一次,这一过程相当于路堤填筑过程。在离心加速度为100g时,稳速运行2h,相当于原型固结28mon。每间隔10min测一次变形。
5 数据处理与分析(Analyse)
5.1 地基土参数分析
表1是列出了离心模型试验前后地基土参数实测值,从中可以看出由于粉喷桩的挤密和本身渗透固结作用,地基土强度有了明显的提高。
5.2 各种加速度时矢量分析
图2是离心加速度为40g时变形矢（shǐ）量图,地基整体向右偏斜,这主要是地基基底存在明显的斜坡。图3是试验结束后的变形矢量图。可见,地基在沉降的同时,整体向右水平位移。在加速度提升过程(guò chéng)中,路堤右侧坡角外一定距离的地基出现隆起挤出现象,在固结过程中,隆起的部分又沉降下去了。
5.3 沉降分析
图4是离心模型试验加载过程中变形随离心加速度的变化情况,这一过程相当于路堤填土过程。图5是路堤高度达到10m后,各测点的总沉降随运行时间的变化曲线,相当于路堤填筑完成后,各测点的工后总变形随时间的变化。图6是施工后变形与时间的关系。上述表和图中数据都按相应的模型比换算到原型。
路基表面的沉降,包括路堤本体的压密沉降和地基沉降。由测试结果知,地基表面的总沉降量为0.394m,其中施工阶段产生的沉降为0.251m,路堤完工后27mon的沉降为0.143m。完工后的前半年是工后沉降速率最快的阶段,沉降量为0.11m。之后沉降速率趋于缓和,22mon内的沉降为0.033m。
路堤右侧距离坡角10cm处的垂向变形,换算到原型,在路堤施工阶段,地基向上隆起现象,并随路堤高度增加而增加,最大隆起量为0.104m。当施工结束后,由于本身渗透固结的原因,地基又发生沉降,最终沉降量为0.033m。
为了区分地基（dì jī）与路堤本体的垂向沉降,在本次试验的同时还进行10m路堤填料试验,压实系数为93%,填料的含水量为最佳含水量12.81,10m高的路堤本体刚完工时,红层路堤的变形为0.038m,故线路中心处地基此时的沉降为0.213m,与坡角10m处沉降0.204m相比,基本一致。同时路堤本体工期27mon的总沉降和沉降分别为0.052m和0.014m,推算出线路中心处的地基工后的总沉降和沉降分别0.342m和0.129m,路堤右侧距离坡角10m处总沉降和沉降为0.342m和0.139m,也基本相符。由此可推出地基的工后沉降随时间的变化如图7所示。由此可看出,上述将划分路堤本体和地基沉降的分析方法是可行的。同时对拟合填筑高度10m,压实系数为93%路堤经拟合得式
(1):
对于此工点而言,Sa,∞和u的值分别为0.139m和17.20,式
(2)拟合的相关系数R2大于0.95,说明拟合公式能很好地反映路基工后沉降的变化趋势。
路堤顶面施工期后的沉降随时间的变化规律（rhythmical)也就可以用下式来描述:
式中:α、β与式
(1)相同。
根据式
(3)预测工点路堤顶面的沉降随时间的变化如图8,与实测值有非常好的相关性,两者的相关系数为0.985。基坑支护工程根据基坑的深度把基坑支护工程分为两种：浅基坑支护工程和深基坑支护工程
同时根据铁路客专线规定:200kmh-1的路基的工后总沉降不应大于15cm,沉降速率不应大于4cma-1。根据此要求和以铺轨日作为工后沉降计算起始时间,在此工点使用红层作为路堤填料、压实系数为0.93的前提条件(tiáo jiàn)下,按实测的数据和预测,路堤应静放5mon之后才能铺轨,这样第一年的工后沉降速率为4.4cma-1,总的工后沉降将在0.08m以下。按式
(3)预测第一年的工后沉降速率为3.3cma-1,总的工后沉降将在0.06m以下。
5.4 水平位移分析
如图5、图6所示,当路堤高度达到10m时,左侧坡角向右的水平位移为0.13m。路堤填筑施工结束后,变形随时间的变化却非常缓慢,在28mon时间内变化为1cm,说明路堤的坡角变形主要发生在施工期间。根据摄影测量得到路堤右侧坡角向右的水平位移为0.27m。
6 结论和建议
(1)离心试验后,地基土的含水量,密度,CU和φU都有不同程度的提高;
(2)使用粉喷桩加固处理的软土地基时,地基的侧向变形主要发生在路堤填筑阶段;
(3)根据离心（centrifugal）试验结果可知:地基采用粉喷桩是可行的。在离心模型试验中,路堤填筑到10m时,路基的沉降为0.251m。完工27mon后路基总沉降为0.394m。路基的总的施工期后沉降为0.139m。竣工后的前半年地基沉降速率最大。
(4)在红层作为路堤填料、压实系数为0.93的前提下,工点路堤应静放5mon之后铺轨,这样,第一年路基表面的工后沉降速率为3.3～4.4cma-1,路基总的工后沉降将在0.08m以内。
