1.引　言
水泥系粉體深層攪拌法(即粉噴樁)就是將水泥粉連續(xù)不斷地分散土中,利用化學(xué)固化作用（role）,將分散的土團(tuán)粒,凝聚成具有整體性水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的土,從而達(dá)到加固地基的作用。
與“砂井排水（Drainage）法”的加固機(jī)理不同,深層攪拌法是造成堅(jiān)固的水泥拌和土的方法來(lái)加固軟基,該法不是設(shè)置（set up）排水通道使地基非常緩慢地固結(jié),而是讓水泥土拌和體非常迅速地成為一個(gè)堅(jiān)硬的復(fù)合地基來(lái)直接承受外荷,大大最大化減少沉降量。該法不是增加地基的平均強(qiáng)度來(lái)逐步（step by step)提高穩(wěn)定性,而是在地下形成樁或構(gòu)造物以抵抗外荷。因此,通常是象鋼筋(英文：steel bar)混凝土樁基一樣利用安全系數(shù)給定拌和體的允許應(yīng)力。水泥拌和體的變形是很微小的。因而路面和路堤的沉降是很小的。在施工（Construction）期內(nèi)基本能完成沉降。工后沉降很小。“深攪法”的特點(diǎn)是快速、高強(qiáng)、沉降小[1]。
通常條件下,軟土地基（dì jī）的滲透固結(jié)十分漫長(zhǎng),不論是在物理(physics)試驗(yàn)還是現(xiàn)場(chǎng)(spot)試驗(yàn)中,要觀測(cè)軟土地基的固結(jié)沉降是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在離心模型試驗(yàn)中,由于固結(jié)時(shí)間與模型比N的平方成反比,也就是說(shuō),離心模型中的固結(jié)時(shí)間將原型的固結(jié)時(shí)間縮短至1/N2,使得可以在較短的時(shí)間內(nèi)模擬軟土地基的長(zhǎng)期沉降[2～4]。這正是離心模型試驗(yàn)技術(shù)在軟土地基處理的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)。隨著離心模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,許多巖土工作者結(jié)合工程實(shí)際,利用離心模型試驗(yàn)技術(shù),驗(yàn)證軟土加固處理方法的可靠性和可行性,特別是用于預(yù)測(cè)軟土地基的長(zhǎng)期沉降和穩(wěn)定性。
2　離心試驗(yàn)?zāi)M軟土滲透固結(jié)的原理
土工離心模型試驗(yàn)是利用離心機(jī)產(chǎn)生離心力場(chǎng),提高模型土體的體積力,形成人工重力。具體做法就是將原型按幾何尺寸相似縮小n倍,使模型材料的含水量W和密度ρ均與原型的相同,然后將制備好的模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中,設(shè)原型的容重γp為
γ=ρg
其中:a為總加速度向量。

3　地質(zhì)情況和加固處理措施
本次工點(diǎn)選在四川某處溝谷沖積平原,地形開闊,地表覆蓋第四系坡沖洪積層,多為軟土,厚6～12m不等,為軟塑狀,含水量為40.7%,密度為16.92kNm-3,塑性指數(shù)(index)為17。下伏基巖為泥巖夾砂巖。路堤中心最大填筑高度為10m。由于含水量為40.7%,大于30%,塑性指數(shù)為17,大于10,符合粉噴樁設(shè)計(jì)原則[4]。工點(diǎn)的軟土地基（dì jī）設(shè)計(jì)裝修方案采用φ50cm粉噴樁加固,三角形布置,樁間距1.0m。加固寬度至路堤坡腳外3m,加固深度貫穿軟土層。粉噴樁頂部鋪設(shè)兩層雙向50kNm-1土工格柵及0.5m厚的中粗砂或砂礫石墊層。
4　離心模型試驗(yàn)方案
根據(jù)離心模型試驗(yàn)機(jī)理和主要的物理量的模擬比,考慮模型的制作,試驗(yàn)選用大模型箱(600mm×600mm×800mm),采用模型比為1∶100。
通過(tōng guò)比較工點(diǎn)的各斷面情況,本次采用如下地質(zhì)情況的斷面作為離心試驗(yàn)?zāi)M的斷面:該斷面在路堤范圍內(nèi)的地基主要分為4層,下伏基巖為泥巖夾砂巖,線路中心以左的基巖基本呈水平,線路中心以右基巖略有傾斜;基巖以上為粉質(zhì)粘土層,厚度為1.5m左右;粉質(zhì)粘土層以上為軟土層,厚度約8m;軟土層以上為人工填土,主要是耕植土,厚度約1.5m。基坑支護(hù)工程必須按《危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理辦法》（建質(zhì)【2009】87號(hào)文）的規(guī)定執(zhí)行。由于粉質(zhì)粘土層和耕植土層較薄,通過模型比計(jì)算出離心模型的層厚為1.5cm,因此,從離心試驗(yàn)制作考慮,將此斷面簡(jiǎn)化處理(圖1),一是原型的邊界過于復(fù)雜,將地基表面邊界的曲線狀簡(jiǎn)化成直線。二是將地基作兩層土層處理,基巖不變,粉質(zhì)粘土層和耕植土層用軟土層來(lái)代替,在離心模型中,基巖在路堤填土作用（role）下的變形很小,可以忽略。故以壓實(shí)的細(xì)砂、粘土和水泥混合料模擬泥巖夾砂巖,并根據(jù)泥巖不透水的特點(diǎn),在模型基巖表面作不滲水（shèn shuǐ）處理。考慮實(shí)際情況,本次試驗(yàn)采用原狀土的重塑土,在填筑過程中不改變?cè)瓲钔恋暮?只要求密度與工點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)相同,密度取16.92kNm-3。地基分二層填筑,預(yù)先計(jì)算每一層的重量,并壓實(shí)到計(jì)劃(plan)的高度。

離心（centrifugal）模型的粉噴樁采用先預(yù)制,后安裝的方式。樁的預(yù)制方法是,在地基原狀土中拌入一定量的水泥（材料:粉狀水硬性無(wú)機(jī)膠凝材料),通過模具擠壓成型,然后在恒溫恒濕箱經(jīng)過7天的養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)溫度為60°。養(yǎng)護(hù)后,預(yù)制樁的強(qiáng)度為2.4MPa。由于模具直徑不能完全按照直徑0.5cm擠壓成型,實(shí)際預(yù)制的模型樁直徑為0.58cm,因此,在復(fù)合地基模型制作時(shí),按照置換率一致的原則,將樁的間距調(diào)整為1.16cm。
土工格柵砂墊采用塑料紗網(wǎng)加細(xì)砂來(lái)模擬。砂經(jīng)過0.5mm篩,按模型比100計(jì)算,相當(dāng)于原型直徑50mm,與粗砂的直徑相近。模型制作時(shí),先在平整的地基表面撒上一層約1mm左右的細(xì)砂,鋪一層經(jīng)過處理的紗網(wǎng),再撒上一層約3mm左右的細(xì)砂,鋪一層紗網(wǎng),最后再撒上一層約1mm左右的細(xì)砂,并保證砂墊層的總厚度在5mm。
路堤填料為紅層填料,填料經(jīng)風(fēng)干過2mm篩后用于路堤填筑,高度為10m,按0.93的壓實(shí)系數(shù)填筑。
離心模型試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要是變形,采用兩種方法,一是電測(cè)法,使用4個(gè)電渦流傳感器,編號(hào)分別為ch11、ch12、ch14、ch15,其中ch11測(cè)的是左側(cè)路堤坡角的水平位移,ch12是路堤頂部的垂向沉降,ch14是路基右側(cè)坡角2cm處垂向沉降,ch15路堤右側(cè)坡角處垂向沉降。二是在有機(jī)玻璃一面的離心模型劃分網(wǎng)格,在試驗(yàn)過程中按一定間隔時(shí)間進(jìn)行攝影,通過網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)變化研究（research)路堤整體的變形趨勢(shì)（trend)和穩(wěn)定性。
考慮填筑土為擾動(dòng)土,首先將模型地基在離心加速度40g時(shí)運(yùn)行20min,相當(dāng)于將模型地基進(jìn)行預(yù)先固結(jié)。軟基工程多數(shù)情況是有局部地段地質(zhì)情況和原來(lái)設(shè)計(jì)不同，出現(xiàn)局部地基承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，或者由于局部地段含水量過大(原有排水系統(tǒng)不暢，原有地基土質(zhì)滲水性不好)造成地基軟彈(翻漿，彈簧土地段)。在放置路堤模型后,為了避免離心加速度的的變化劇烈引起地基的破壞(vandalism),將離心加速度從0g～100g劃分為5個(gè)臺(tái)階,分別在20
　　G、40
　　G、60
　　G、80g運(yùn)行5min,并各測(cè)變形一次,這一過程相當(dāng)于路堤填筑過程。在離心加速度為100g時(shí),穩(wěn)速運(yùn)行2h,相當(dāng)于原型固結(jié)28mon。每間隔10min測(cè)一次變形。
5　數(shù)據(jù)處理與分析(Analyse)
5.1　地基土參數(shù)分析
表1是列出了離心模型試驗(yàn)前后地基土參數(shù)實(shí)測(cè)值,從中可以看出由于粉噴樁的擠密和本身滲透固結(jié)作用,地基土強(qiáng)度有了明顯的提高。

5.2　各種加速度時(shí)矢量分析
圖2是離心加速度為40g時(shí)變形矢（shǐ）量圖,地基整體向右偏斜,這主要是地基基底存在明顯的斜坡。圖3是試驗(yàn)結(jié)束后的變形矢量圖。可見,地基在沉降的同時(shí),整體向右水平位移。在加速度提升過程(guò chéng)中,路堤右側(cè)坡角外一定距離的地基出現(xiàn)隆起擠出現(xiàn)象,在固結(jié)過程中,隆起的部分又沉降下去了。
5.3　沉降分析
圖4是離心模型試驗(yàn)加載過程中變形隨離心加速度的變化情況,這一過程相當(dāng)于路堤填土過程。圖5是路堤高度達(dá)到10m后,各測(cè)點(diǎn)的總沉降隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線,相當(dāng)于路堤填筑完成后,各測(cè)點(diǎn)的工后總變形隨時(shí)間的變化。圖6是施工后變形與時(shí)間的關(guān)系。上述表和圖中數(shù)據(jù)都按相應(yīng)的模型比換算到原型。


路基表面的沉降,包括路堤本體的壓密沉降和地基沉降。由測(cè)試結(jié)果知,地基表面的總沉降量為0.394m,其中施工階段產(chǎn)生的沉降為0.251m,路堤完工后27mon的沉降為0.143m。完工后的前半年是工后沉降速率最快的階段,沉降量為0.11m。之后沉降速率趨于緩和,22mon內(nèi)的沉降為0.033m。
路堤右側(cè)距離坡角10cm處的垂向變形,換算到原型,在路堤施工階段,地基向上隆起現(xiàn)象,并隨路堤高度增加而增加,最大隆起量為0.104m。當(dāng)施工結(jié)束后,由于本身滲透固結(jié)的原因,地基又發(fā)生沉降,最終沉降量為0.033m。

為了區(qū)分地基（dì jī）與路堤本體的垂向沉降,在本次試驗(yàn)的同時(shí)還進(jìn)行10m路堤填料試驗(yàn),壓實(shí)系數(shù)為93%,填料的含水量為最佳含水量12.81,10m高的路堤本體剛完工時(shí),紅層路堤的變形為0.038m,故線路中心處地基此時(shí)的沉降為0.213m,與坡角10m處沉降0.204m相比,基本一致。同時(shí)路堤本體工期27mon的總沉降和沉降分別為0.052m和0.014m,推算出線路中心處的地基工后的總沉降和沉降分別0.342m和0.129m,路堤右側(cè)距離坡角10m處總沉降和沉降為0.342m和0.139m,也基本相符。由此可推出地基的工后沉降隨時(shí)間的變化如圖7所示。由此可看出,上述將劃分路堤本體和地基沉降的分析方法是可行的。同時(shí)對(duì)擬合填筑高度10m,壓實(shí)系數(shù)為93%路堤經(jīng)擬合得式
　　(1):

對(duì)于此工點(diǎn)而言,Sa,∞和u的值分別為0.139m和17.20,式
　　(2)擬合的相關(guān)系數(shù)R2大于0.95,說(shuō)明擬合公式能很好地反映路基工后沉降的變化趨勢(shì)。

路堤頂面施工期后的沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律（rhythmical)也就可以用下式來(lái)描述:

式中:α、β與式
　　(1)相同。　　
根據(jù)式
　　(3)預(yù)測(cè)工點(diǎn)路堤頂面的沉降隨時(shí)間的變化如圖8,與實(shí)測(cè)值有非常好的相關(guān)性,兩者的相關(guān)系數(shù)為0.985。基坑支護(hù)工程根據(jù)基坑的深度把基坑支護(hù)工程分為兩種：淺基坑支護(hù)工程和深基坑支護(hù)工程

同時(shí)根據(jù)鐵路客專線規(guī)定:200kmh-1的路基的工后總沉降不應(yīng)大于15cm,沉降速率不應(yīng)大于4cma-1。根據(jù)此要求和以鋪軌日作為工后沉降計(jì)算起始時(shí)間,在此工點(diǎn)使用紅層作為路堤填料、壓實(shí)系數(shù)為0.93的前提條件(tiáo jiàn)下,按實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè),路堤應(yīng)靜放5mon之后才能鋪軌,這樣第一年的工后沉降速率為4.4cma-1,總的工后沉降將在0.08m以下。按式
　　(3)預(yù)測(cè)第一年的工后沉降速率為3.3cma-1,總的工后沉降將在0.06m以下。
5.4　水平位移分析
如圖5、圖6所示,當(dāng)路堤高度達(dá)到10m時(shí),左側(cè)坡角向右的水平位移為0.13m。路堤填筑施工結(jié)束后,變形隨時(shí)間的變化卻非常緩慢,在28mon時(shí)間內(nèi)變化為1cm,說(shuō)明路堤的坡角變形主要發(fā)生在施工期間。根據(jù)攝影測(cè)量得到路堤右側(cè)坡角向右的水平位移為0.27m。
6　結(jié)論和建議

　　(1)離心試驗(yàn)后,地基土的含水量,密度,CU和φU都有不同程度的提高;　　

　　(2)使用粉噴樁加固處理的軟土地基時(shí),地基的側(cè)向變形主要發(fā)生在路堤填筑階段;　　

　　(3)根據(jù)離心（centrifugal）試驗(yàn)結(jié)果可知:地基采用粉噴樁是可行的。在離心模型試驗(yàn)中,路堤填筑到10m時(shí),路基的沉降為0.251m。完工27mon后路基總沉降為0.394m。路基的總的施工期后沉降為0.139m。竣工后的前半年地基沉降速率最大。　　

　　(4)在紅層作為路堤填料、壓實(shí)系數(shù)為0.93的前提下,工點(diǎn)路堤應(yīng)靜放5mon之后鋪軌,這樣,第一年路基表面的工后沉降速率為3.3～4.4cma-1,路基總的工后沉降將在0.08m以內(nèi)。