濕陷性黃土地區(qū)水泥擠密樁低溫環(huán)境施工技術(shù)研究

孔海峽，薛貴金，左立富

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，陜西西安710032)

項(xiàng)目區(qū)位于忻州市忻府區(qū)、太原市陽曲縣、尖草坪區(qū)境內(nèi)，歷年極端最低氣溫－25.8℃。由于工程施工需要，部分工程需要進(jìn)行冬季施工，為了保證冬季施工過程中，水泥土不被凍脹破壞，進(jìn)行了水泥土擠密樁低溫環(huán)境施工技術(shù)研究，通過研究發(fā)現(xiàn)在－10℃以上時(shí)水泥土中加入一定量的摻合劑可保證水泥土不被凍脹破壞，保證工程施工質(zhì)量。

新建鐵路大同至西安客運(yùn)專線原平至太原段穿越忻定盆地，經(jīng)舟山余脈丘陵區(qū)到達(dá)太原，多分布黃土丘陵，地形起伏較大。沿線新黃土分布廣泛，具濕陷性;主要分布于各盆地邊緣，沿線黃土濕陷性差異大，多屬非自重濕陷性黃土，濕陷性黃土厚度為5～10m，濕陷系數(shù) δs=0.015～0.054;沿線歷年極端最低氣溫－25.8℃。本標(biāo)段線路位于忻州市忻府區(qū)、太原市陽曲縣、尖草坪區(qū)境內(nèi)，路基10168延長(zhǎng)米，為雙線客運(yùn)專線，最小曲線半徑4 000m，最大坡度20‰～30‰。

1 研究目的及技術(shù)路徑

1.1 研究目的

濕陷性黃土地區(qū)客專工程基礎(chǔ)處理采用水泥土擠密樁基礎(chǔ)，采用P·O42.5或P·O32.5水泥配制水泥土，在常溫施工工況下滿足承載力的要求;在低溫環(huán)境下施工的例子較少，一般都避免在冬季施工，但由于工期需要，部分工程需要在氣溫低至－10℃以上組織施工。水泥土擠密樁承載力主要取決于:①水泥土強(qiáng)度發(fā)展?fàn)顟B(tài);②水泥土夯實(shí)的狀態(tài);③在保證水泥土不被冰凍的條件下按要求夯實(shí)，被認(rèn)為水泥土能夠被夯實(shí)。因此，在低溫施工條件下，要求解決水泥土的強(qiáng)度發(fā)展問題。

水泥土的強(qiáng)度發(fā)展主要來源于兩部分水化物的膠結(jié)作用，即水泥本身的水化產(chǎn)物:水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣、氫氧鈣石、水化硫鋁酸鈣等產(chǎn)物的膠結(jié)作用和水泥與土壤中活性物質(zhì)之間的膠凝反應(yīng)所產(chǎn)生的水化物的膠結(jié)作用，同樣，水泥的水化過程將受到周圍介質(zhì)、環(huán)境溫度的影響。

從已有的文獻(xiàn)來看，水泥強(qiáng)度的發(fā)展與水泥的內(nèi)在的礦物組成、細(xì)度等有關(guān)，與環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)日均溫度低于5℃時(shí)，國(guó)家規(guī)范規(guī)定水泥制品應(yīng)按照冬季施工進(jìn)行蓄熱養(yǎng)護(hù)，以滿足水泥強(qiáng)度發(fā)展的要求。

水泥強(qiáng)度的發(fā)展是水泥土強(qiáng)度發(fā)展重要的影響因素。在翻閱文獻(xiàn)注意到，河海大學(xué)對(duì)低溫下某水泥土強(qiáng)度的發(fā)展進(jìn)行研究，試驗(yàn)測(cè)試情況見下圖1。從下圖可以看出溫度對(duì)水泥土的強(qiáng)度發(fā)展影響很大，如果不采取措施，低溫下將不能滿足強(qiáng)度要求。

1.2 解決水泥土低溫下強(qiáng)度發(fā)展問題的原則

1)低溫下施工條件下，水泥土強(qiáng)度能夠發(fā)展，滿足施工要求。采用措施:提高水泥土早期的化學(xué)反應(yīng)的熱量。

2)低溫下水泥土不易被凍結(jié)，使得水泥土不易冰凍;低溫下水泥水化能夠進(jìn)行，水泥土強(qiáng)度能夠發(fā)展。采用措施:在可能的情況下，降低水泥土的冰點(diǎn)。

3)選用的材料盡可能成本要低。

1.3 解決低溫水泥土施工問題的思路

為解決低溫季節(jié)水泥土不被凍脹，在試驗(yàn)時(shí)從加入生石灰粉、無機(jī)鹽、其他材料展開試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)研究

在試驗(yàn)室內(nèi)，改變不同的配比，研究低溫條件下成型的水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

1)常溫條件成型及檢驗(yàn)。

按照TB10102－2004《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2)低溫條件成型及檢驗(yàn)。

模擬實(shí)際工程低溫的工況，采用如下方法:按照工地黃土的最優(yōu)含水率15.3%進(jìn)行試驗(yàn)。首先把土烘干備用，取一定量的干土，配制成12.3%含水率的浸潤(rùn)土，在6℃～8℃環(huán)境中靜置24 h后，加入3%的含水率的水使得土達(dá)到最優(yōu)含水率，按照一定的配合比拌合后，在溫度為－10℃的冰柜中，恒溫1 h或2 h或3 h后成型。每組6塊試件，放置到溫度為6℃～8℃的環(huán)境，塑料薄膜密封6 d養(yǎng)護(hù)。其他試驗(yàn)方法同《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》TB10102－2004。

試驗(yàn)過程中水泥土體在－10℃環(huán)境下靜置，在3 h后溫度在0.5℃～2℃之間，但保證水泥土沒有結(jié)冰，不結(jié)冰的目的是保證水泥土試件能成型密實(shí)。

試驗(yàn)過程中所處時(shí)段的氣溫變化較大，夜間最低－2度。實(shí)測(cè)溫度白天土壤溫度2度，土壤中0.50m以下4.5℃，1.0m為7℃，1.50m為10℃。

3)原材料

(1)土樣，由工地現(xiàn)場(chǎng)提供。該土樣試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果為燒灼失量1.8%;水泥土擠密樁填料的配合比為:水泥:土=8:100，最大干密度為1.79g/cm3，最優(yōu)含水率為15.3%。

(2)水泥:P·O42.5，質(zhì)量合格。

(3)摻合料:200目生石灰粉，400目生石灰粉。

(4)無機(jī)鹽:元明粉，其他鹽類等。

(5)早強(qiáng)抗凍劑。

圖1 河海大學(xué)測(cè)試的不同溫度下水泥土的發(fā)展?fàn)顩r

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)設(shè)計(jì)參數(shù)及要求設(shè)計(jì)要求水泥土擠密樁填料的配合比為:水泥:土 =8:100(重量比)，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.3 MPa。按照工地現(xiàn)場(chǎng)提供的土樣，最優(yōu)含水率為15.3%。要求工地現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)以上覆蓋層不小于1m，以保證樁土擠密效果和水泥土強(qiáng)度發(fā)展需要的養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度。

2)在400目石灰和元明粉作用下，在低溫下強(qiáng)度。在6℃～8℃養(yǎng)護(hù)的環(huán)境下，8%的水泥用量，在摻加有生石灰粉和元明粉的條件下，低溫3 h后，強(qiáng)度可以達(dá)到1.30 MPa以上。當(dāng)有一定的元明粉摻量時(shí)候，水泥土低溫后，最低強(qiáng)度達(dá)到1.4 MPa，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 水泥土中8%水泥的配比無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表2 水泥土中8%水泥的配比無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

仍然低溫成型，但是在10℃～13℃養(yǎng)護(hù)條件下，8%的水泥的水泥土的強(qiáng)度提高也明顯，3h凍后最低強(qiáng)度達(dá)到1.44 MPa，具體見圖 2。

圖2 在10℃～13℃養(yǎng)護(hù)條件下水泥土的強(qiáng)度

3)在200目石灰的作用效果。在6℃～8℃養(yǎng)護(hù)的環(huán)境下，8%的水泥用量，在摻加有200目生石灰粉和元明粉的條件下，低溫3 h后，最低的強(qiáng)度可以達(dá)到1.30 MPa以上。具體數(shù)據(jù)見表2。

仍然低溫成型，但是在10℃～13℃養(yǎng)護(hù)條件下，8%的水泥的水泥土的強(qiáng)度提高也明顯，3 h凍后最低強(qiáng)度達(dá)到1.40 MPa，具體見圖 3。

圖3 在10℃～13℃養(yǎng)護(hù)條件下水泥土的強(qiáng)度

4)單摻無機(jī)鹽對(duì)低溫水泥土強(qiáng)度影響

(1)單摻0.15%的元明粉，在低溫下成型，6℃～8℃養(yǎng)護(hù)的水泥土強(qiáng)度結(jié)果見圖4。圖中最低強(qiáng)度1.28 MPa，低于1.3 MPa。

圖4 元明粉為0.15%的水泥土強(qiáng)度

(2)單摻0.20%的元明粉，在低溫下成型，6℃～8℃養(yǎng)護(hù)的水泥土強(qiáng)度結(jié)果見圖5，最低強(qiáng)度1.34 MPa。

圖5 元明粉為0.20%水泥土強(qiáng)度

(3)單摻0.25%的元明粉，在低溫下成型，6℃～8℃養(yǎng)護(hù)的水泥土強(qiáng)度結(jié)果見圖6，最低強(qiáng)度1.35 MPa。

(4)單摻0.35%的元明粉，在低溫下成型，6℃～8℃養(yǎng)護(hù)的水泥土強(qiáng)度結(jié)果見圖7，最低強(qiáng)度1.38 MPa。

元明粉的摻量超過0.40%以后，水泥土的強(qiáng)度有下降的趨勢(shì)，因此，采用元明粉時(shí)候，其摻量不宜過大。

4 結(jié)論

根據(jù)施工要求水泥土7 d強(qiáng)度達(dá)到1.3 MPa，上述試驗(yàn)得到，在－10℃下冬季施工，3 h內(nèi)成型，在外摻入無機(jī)鹽、生石灰粉可以很好的滿足要求。從成本等綜合考慮，推薦采用單摻0.2%～0.25%的元明粉，水泥土的強(qiáng)度滿足1.3 MPa技術(shù)要求。

材料要求如下:

水泥的為P·O42.5R水泥，宜采用大廠水泥，質(zhì)量合格。

元明粉:白色細(xì)粒結(jié)晶或粉末，易溶于水，有吸濕性，無臭，無毒，應(yīng)預(yù)防受潮。采用I類一等品，即無水硫酸鈉的含量大于99.0%。

土質(zhì)及含水率的變化將引起水泥土強(qiáng)度的變化，應(yīng)保證土質(zhì)基本不變，成型含水率為最佳含水率。

圖6 元明粉為0.25%水泥土強(qiáng)度

圖7 元明粉為0.35%水泥土強(qiáng)度

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