水泥土強度室內(nèi)外試驗對比研究

艾志偉， 羅嗣海， 曾 勇， 鄧通發(fā)，3

（1. 江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州341000；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司，南昌330000；3.廣州大學土木工程學院，廣州510006）

0 引 言

水泥土攪拌樁在加固處理軟弱地基工程中被廣泛采用，它是指就地原位將軟土和水泥等固化劑強制攪拌，通過土、水及水泥間發(fā)生的物理化學反應，硬化形成具有一定整體性、水穩(wěn)性和足夠強度的水泥土加固體，來提高軟土的強度. 由于具有施工工期短、無公害、成本低及加固效果好等特點，常用于加固處理淤泥、淤泥質(zhì)土及砂性土等各種成因的軟土[1]. 但隨著攪拌樁工程事故的增多，水泥攪拌樁的應用遭設計、業(yè)主和建設部門的質(zhì)疑[2-4]. 現(xiàn)有的攪拌樁設計理論遠落后于工程實踐，尤其是樁體承載力的設計計算方法不夠完善，僅僅根據(jù)室內(nèi)配比水泥土試塊強度和樁側(cè)摩阻力來計算，卻較少聯(lián)合采用現(xiàn)場條件下水泥土芯樣強度輔助計算. 目前，對水泥土室內(nèi)外抗壓強度試驗結果對比分析的研究很少. 文中根據(jù)水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗，對比分析水泥土在室內(nèi)配比試驗和現(xiàn)場條件下芯樣強度的差異，指出其中的原因及存在的問題，同時對樁基承載力計算方法和水泥土強度試驗方法提出相應的改善措施.

1 室內(nèi)外抗壓強度試驗設計

1.1 室內(nèi)水泥土配比試驗

室內(nèi)土樣為高速公路典型路段的原狀土， 采用挖機現(xiàn)場取土樣，根據(jù)勘察資料各土性質(zhì)參數(shù)見表1.為使室內(nèi)外試驗條件更相近， 以濕土樣的天然含水率和密度為依據(jù)制樣，水泥土的含水率不做調(diào)整. 原狀土以土層及基本物理性質(zhì)為依據(jù)分成2 組， 每組土樣中水泥摻入比均為8%、12%、16%和20%，共8 組. 試塊形狀尺寸選擇70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體，以水泥土容重作為控制指標制樣，機械攪拌均勻后，振搗成形并養(yǎng)護1 d 后，使其有一定硬度再脫模養(yǎng)護，選擇標準養(yǎng)護至規(guī)定齡期7 d、30 d、45 d 和60 d. 至齡期前取出試塊浸水2 d 后，使其養(yǎng)護條件更接近工程實際，做無側(cè)限抗壓強度試驗，水泥土強度以試塊強度的平均值為準，結果見表2.

1.2 水泥土攪拌樁芯樣強度試驗

水泥土芯樣取自水泥摻入比設計值為20 %的成樁60 d 的攪拌樁，以不同樁號、不同樁身深度為依據(jù)多點取樣，按樁號、樁身深度及土層來分組編號，依次對應室內(nèi)試驗的水泥土試樣. 為增強與室內(nèi)配比試驗的可比性，同樣選取有代表性的芯樣浸水2 d 后再做抗壓強度試驗，結果見表3.

表1 原狀土基本物理性質(zhì)

表2 室內(nèi)試驗水泥土抗壓強度

表3 室外樁身芯樣抗壓強度

2 室內(nèi)外水泥土強度試驗對比

2.1 室內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)對比分析

由室內(nèi)外試驗結果可知，水泥土室內(nèi)外試驗強度的差異很大，室外樁身芯樣強度普遍低于室內(nèi)試驗設計值，差值范圍在0.1～0.88 MPa，土層1 的強度間最大差值為0.88 MPa， 平均差值為0.2 MPa；土層2 的強度間最大差值為0.86 MPa， 平均差值為0.4 MPa. 計算實例選自文獻[5]，在現(xiàn)場取土做室內(nèi)水泥土試驗和樁身芯樣強度檢測的實測值.對比分析室內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)，可以得到以下結論：

圖1 水泥摻入比與抗壓強度的關系

（1）分別擬合水泥土抗壓強度與水泥摻入比、養(yǎng)護齡期的關系圖1、圖2，結果表明水泥土強度隨摻入比的增加而顯著增強，當摻入比大于20%時，強度增長明顯減緩， 研究表明水泥摻入比控制在7%～20%為宜[6-9]. 強度隨養(yǎng)護齡期的增長而增強，早期強度增長速率顯著提高， 但后期增長較緩慢[10-11]. 土層1對應的水泥土強度高于土層2 的， 說明水泥摻入比、養(yǎng)護齡期及土的類別是其強度的主要影響因素.

圖2 養(yǎng)護齡期與抗壓強度的關系（土層2）

（2）將土層1、2 對應的室內(nèi)外水泥土強度作比繪圖得圖3、圖4，發(fā)現(xiàn)對于同一土層，甚至相同深度的樁身芯樣強度離散性較大，土層1 的室內(nèi)外水泥土強度均較土層2 的要高，說明土質(zhì)特性對水泥土強度影響很大，是引起室內(nèi)外水泥土強度差異的原因之一. 現(xiàn)場樁身強度的平均值顯著低于室內(nèi)值， 摻入比設計值為20 %對應的水泥土樁身強度平均值僅僅相當于16 %，甚至12 %左右的室內(nèi)設計值對應的強度，可見樁身水泥實際摻入比低于室內(nèi)設計值是引起差異的主因.

圖3 室內(nèi)外試驗強度對比（土層1）

圖4 室內(nèi)外試驗強度對比（土層2）

（3）將不同土層深度不同樁號對應的樁身強度與相同條件下室內(nèi)結果對比， 如圖5. 發(fā)現(xiàn)同一樁體不同深度的樁身強度不相同，不同樁體的同一深度的樁身強度也不同，且普遍低于相同摻入比的室內(nèi)試驗強度. 說明工程現(xiàn)場樁身水泥土較室內(nèi)試驗，攪拌均勻程度低，導致樁身的各部分水泥摻入比不一致，這是引起兩者差異的主要原因.

圖5 不同樁號室內(nèi)外試驗強度對比

（4）通過擬合樁身芯樣強度與室內(nèi)試驗強度的比值，如圖6. 除個別點外，該比值均小于1，但土層1、2 對應芯樣平均值與室內(nèi)強度的比值較接近1，說明在室內(nèi)外試驗結果間設定一個折減系數(shù)γ，即樁身芯樣強度均值與室內(nèi)試驗結果的比值. 針對本工程中的粉質(zhì)粘土對應的水泥土強度折減系數(shù)γ=0.45～1，均值為0.867；對于淤泥、淤泥質(zhì)粘土，γ=0.4～1.3， 均值為0.71. 考慮到樁身下部的強度較差，對樁身整體強度的影響最大，所以在施工時對樁身下部的水泥摻量應適當增大.

圖6 芯樣與室內(nèi)的強度比值

（5）根據(jù)現(xiàn)場抽芯取樣觀察，樁身水泥土均勻性較差（如圖7），發(fā)現(xiàn)同一樁身的上下各部分實際拌入的水泥不同； 相同水泥設計摻入比的不同樁號， 其樁身的攪拌均勻程度及摻入比離散性較大，在試驗結果中充分表現(xiàn)為同一組芯樣強度值離散性較大，存在個別較高的強度值但普遍低于相同條件下對應的室內(nèi)水泥土強度，這也說明攪拌均勻程度及摻入比的差異是主因.

圖7 現(xiàn)場水泥土芯樣

2.2 室內(nèi)外強度差異理論分析

規(guī)范[1]規(guī)定水泥攪拌樁處理軟基時，先做室內(nèi)水泥土配合比試驗，確定合適的水泥摻入比等參數(shù)后， 再依據(jù)90 d 齡期的試塊強度標準值來計算單樁豎向承載力. 室內(nèi)強度試驗常采用原狀土與水泥機械攪拌均勻后，裝入試模振搗成形，選擇標準養(yǎng)護或水中養(yǎng)護，直至規(guī)定90 d 齡期并測得其強度，使其與現(xiàn)場條件下的強度更相近. 但實際上兩種條件下的強度存在較大的差異，水泥土室內(nèi)試驗強度偏高的現(xiàn)象普遍存在.

設計時常采用規(guī)范中通長樁體強度的定值，樁頂至樁底的樁身強度是相同的. 但根據(jù)實際情況及文中的檢測結果，樁身上下各部分的強度是不同的. 水泥土強度在室內(nèi)和現(xiàn)場條件下試驗結果差異的客觀存在[2,3,12]，主要原因有攪拌均勻程度不同、水泥摻入比不一致、土質(zhì)特性離散大和試驗方法局限性等方面. 從水泥土作用機理可知水泥土攪拌不勻?qū)@著降低其強度，而室內(nèi)試樣拌合的均勻程度遠遠高于現(xiàn)場試樣的. 國外研究表明，工程現(xiàn)場條件下水泥土樁的攪拌均勻程度對其強度影響顯著[13-14]. 工程現(xiàn)場中水泥土攪拌均勻程度的影響因素主要有：現(xiàn)場施工機械設備、工藝落后和樁體強度質(zhì)檢方法不完善[2-4]. 國內(nèi)工程實踐中，由于機械攪拌、切削水泥土不夠充分，使水泥與未被切削的粘土團攪拌不勻，并形成包裹土團的水泥漿，而土團內(nèi)部沒有水泥漿，由此硬化形成的水泥石強度較低. 而根據(jù)水泥土硬化機理可知，水泥土強度主要來源于水泥的水解和水化反應形成的水泥石骨架，水泥土攪拌均勻程度差， 樁體內(nèi)水泥摻入比不一致，各部位強度也不同. 存在土團內(nèi)實際水泥摻入比小于設計值，而樁身強度取決于各部位強度的最低值，使得現(xiàn)場樁身強度低于室內(nèi)試驗強度. 作者在現(xiàn)場鉆孔取芯時發(fā)現(xiàn)普遍存在水泥土攪拌不均勻的現(xiàn)象.

此外，研究發(fā)現(xiàn)在施工過程中，常產(chǎn)生冒漿現(xiàn)象[2-4]，大量水泥漿冒出地表，使地表隆起大量的水泥土，造成現(xiàn)場樁體的實際水泥摻入比小于室內(nèi)試驗摻入比，水泥土強度因而降低. 雖然室內(nèi)試驗土樣為原狀土，但受限于取土深度和采樣點不足且土質(zhì)特性離散大，使有些土樣代表性不強，和現(xiàn)場土質(zhì)條件不一致. 水泥土作用機理表明，土性類別是水泥土強度的主要影響因素. 試驗方法的局限性，尤其是室內(nèi)試驗的制樣方法、養(yǎng)護條件及擾動的原狀土與工程現(xiàn)場實際不盡相同. 室內(nèi)試驗制樣多采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的立方體試件，而現(xiàn)場鉆芯取樣試塊尺寸多為圓柱體，不能忽視水泥土試樣形狀尺寸效應的影響[15]；養(yǎng)護條件一般選擇標準養(yǎng)護(溫度保持在20±2 ℃之間，濕度保持在90 %以上)或室溫下水中養(yǎng)護，而現(xiàn)場樁周軟土中水會形成水壓差補給加固土體，現(xiàn)場水泥土的養(yǎng)護條件與室內(nèi)水養(yǎng)相似， 而與標準養(yǎng)護存在一定差異. 根據(jù)水泥土加固機理中碳酸化作用，室內(nèi)養(yǎng)護的溫度、 濕度及與空氣的接觸程度較工程現(xiàn)場，更有利于提高其強度；原狀土采樣數(shù)量的局限性及取土造成的擾動影響都降低了土質(zhì)的代表性，從而對兩者強度的對比也有一定影響. 水泥土室內(nèi)外試驗的制樣方法、 形狀尺寸及養(yǎng)護條件的不一致，說明試驗方法的局限性也是引起室內(nèi)外水泥土強度差異的原因之一.

3 存在的問題及改善措施

3.1 攪拌樁承載力的計算方法改進

水泥土樁復合地基單樁豎向承載力按現(xiàn)有規(guī)范[1]計算方法，原則上取下列二式中較小值：

式（1）、式（2）中:RP為攪拌樁的單樁承載力（kN）；qu為與攪拌樁樁身配比相同的室內(nèi)水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強度平均值（kPa）；AP為攪拌樁單樁截面積（m2）； f 為樁側(cè)土平均摩阻力（kPa）；Rsb為樁端土承載力 （kPa）； η 為樁身強度折減系數(shù)，η=0.35～0.5；α 為樁端土承載力折減系數(shù)，α=0.5；D、L分別為樁徑、樁長（m）.

規(guī)范設計主要依據(jù)室內(nèi)試驗強度，沒有考慮室內(nèi)試驗強度與現(xiàn)場強度間客觀存在的差異，使室內(nèi)水泥土強度在工程實際中存在安全隱患. 因此，在考慮式(1)、式(2)的基礎上，再聯(lián)合考慮現(xiàn)場芯樣強度計算單樁豎向承載力：

式（3）中：qu為現(xiàn)場鉆孔取芯的芯樣水泥土（Φ70 mm×100 mm）無側(cè)限抗壓強度，工程現(xiàn)場試樁時可取得該值，并換算至90 d 標準齡期強度；ζ 為折減系數(shù)，降低因現(xiàn)場鉆孔取芯擾動對芯樣強度的影響，本工程中對淤泥質(zhì)粘土可取0.65[4].

按現(xiàn)場水泥土強度設計的思想，將室內(nèi)試驗與現(xiàn)場芯樣強度相結合，提出聯(lián)合式(1）（2）（3）式計算并取最小值的改進計算式（4），避免室內(nèi)水泥土強度設計與現(xiàn)場施工質(zhì)量脫節(jié)的弊端，有效解決了因試驗強度和現(xiàn)場強度差異帶來的工程問題. 因此，攪拌樁復合地基承載力也可以用下式計算：

式（4）中： β 為樁間土承載力折減系數(shù)，當樁間土為硬土時，β=0.1～0.4； 當樁間土為軟土時，β=0.5～1.0； 當不考慮樁間軟土的作用時，β=0；m 為置換率；Rs為樁間天然地基承載力（kPa）.

3.2 水泥土強度試驗方法標準化

水泥土室內(nèi)試驗是確定水泥土攪拌樁設計及施工現(xiàn)場配合比的重要依據(jù). 根據(jù)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場條件下水泥土強度的差異現(xiàn)象分析，綜合考慮工程實際及易操作性，對強度測試的試驗方法提出一些改善建議，完善統(tǒng)一水泥土試驗操作規(guī)程，從而增強qu在公式（1）和（3）取值的可比性. 試驗土樣要采用原狀土，考慮到工程地質(zhì)土層深度和地域分布的不均勻性，對同一土質(zhì)，至少要選三個采樣點取樣， 并盡早做水泥土強度室內(nèi)試驗. 在室內(nèi)試塊形狀尺寸的選擇上，目前比較混亂，主要有立方體、圓柱體及棱柱試塊等[14]，見表4，而現(xiàn)有規(guī)范對水泥土芯樣的尺寸選用標準也不統(tǒng)一[15]，見表5.

表4 水泥土室內(nèi)試驗試樣形狀尺寸

表5 水泥土室外樁身芯樣形狀尺寸

文中綜合考慮了技術可行性和經(jīng)濟性，建議直接在工藝試樁中， 成樁7d 后鉆芯取樣作無側(cè)限抗壓強度試驗的芯樣，鉆芯取樣的尺寸要求：采用以鉆取芯樣的實際直徑尺寸及控制高徑比為1:（1～2）的圓柱體. 水泥土攪拌樁芯樣一般分為破碎狀，100 mm 以下的短柱狀與100 mm 以上的長柱狀[2-6].所以， 水泥土強度室內(nèi)外試驗均選用Φ70 mm×（70～140） mm 的圓柱體試樣，減小評判誤差. 根據(jù)現(xiàn)場抽芯結果， 樁身均勻性在不同土層相差較大，所以在攪拌樁的上、中、下部位分別取芯樣一組，每組取3 個樣，做無側(cè)限抗壓強度試驗.

4 結 論

在軟土樁基工程中，對比分析水泥土室內(nèi)配合比試驗與現(xiàn)場樁身芯樣強度試驗，得到以下結論：

（1） 水泥土強度的主要影響因素有土的類別、水泥摻入比、養(yǎng)護條件及齡期和水泥土的攪拌均勻性等.

（2） 水泥土強度室內(nèi)外試驗結果差異客觀存在，表現(xiàn)為室外樁身強度普遍偏低，主要是由室外水泥土樁身攪拌均勻程度差、 水泥實際摻入比偏低、現(xiàn)場土質(zhì)特性離散大和試驗方法局限性等因素引起的. 通過對比分析，得到室內(nèi)試驗結果乘上一個折減系數(shù)γ， 近似等于樁身強度. 針對本工程中的粉質(zhì)粘土對應的水泥土強度折減系數(shù)γ=0.45～1， 均值為0.867； 對于淤泥、 淤泥質(zhì)粘土，γ=0.4～1.3，均值為0.71.

（4）提出改進水泥土強度試驗規(guī)程的建議：采用原狀土，取樣時選擇三個以上采樣點；以水泥土容重作為控制指標制樣， 統(tǒng)一選用Φ70 mm×（70～140） mm 的圓柱體試塊； 采用機械攪拌并振搗成形；優(yōu)先選擇水養(yǎng)至規(guī)定齡期，更符合工程實際.

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