水泥砂漿攪拌樁加固機理及應用

黨世偉

(中鐵三局集團有限公司，山西太原 030001)

水泥砂漿攪拌樁經(jīng)過深層攪拌機的攪拌作用，水泥和軟土能夠均勻攪拌混合，發(fā)生一系列物化反應，軟土得以固化硬化而組成一定強度、水穩(wěn)定、整體性的優(yōu)化地基［1］。在我國被稱為水泥土攪拌樁。20世紀60年代，瑞典和日本先后提出地基處理的深層攪拌法，用于處理各種軟弱相的地基，固化劑大多是石灰或水泥。1977年，國內(nèi)交通部水運規(guī)劃院和冶金部建研院地基所進行了深層攪拌法技術的施工機械和室內(nèi)試驗的研究工作。1980年，在寶鋼的三座卷管器械的加固軟基工程中率先將深層攪拌法引入實際施工并取得成功。幾十年來，水泥系深層攪拌機械與施工監(jiān)測記錄儀在我國不斷發(fā)展，使施工質量得到可靠的保證。水泥系深層攪拌法在全國大部分城市的工業(yè)廠房、基坑支護、民用住宅等工程中廣泛應用，獲取了很好的經(jīng)濟技術效果。

1 水泥砂漿攪拌樁固化原理

水泥攪拌樁處理軟土地基的固化原理都是以水泥加固土的物化反應過程［2，3］為基礎的。在水泥加固土中水泥占總量的7%～20%，含量相對較少，水泥的物化反應過程都是在具有一定物化活性的軟土中完成的。

1.1 水泥的水化和水解反應

普通硅酸鹽類水泥的礦物組分為:CaSO4，2CaO·SiO2，3CaO·SiO2，4CaO·Al2O3·Fe2O3，3CaO·Al2O3等。軟土中攪和水泥后，水泥微小顆粒的表層礦物組分與軟土成分快速發(fā)生物化反應，生成Ca5Si6O16(OH)·4。

H2O，Ca(OH)2，3CaO·Al2O3·3CaSO4·30～32H2O 及3CaO·Al2O3·CaSO4·nH2O等化合物。以上化學反應生成的Ca5Si6O16(OH)·4H2O，Ca(OH)2在水中能夠速溶，使得水泥顆粒表層又一次裸露，與水發(fā)生物化反應，所以水溶液漸漸飽和，雖然此后水分還能滲入水泥顆粒的內(nèi)部結構，但是，新的生成物因為飽和而不再溶解，而以細散狀態(tài)，懸浮在溶液中，構成相對穩(wěn)定的膠體狀態(tài)。在這類物化反應過程中，普通硅酸鹽類水泥中四種主要的礦物水化速度如圖1所示，如圖2所示為水化強度變化曲線。

1.2 水泥水化物與粘土顆粒之間的反應

水泥水化反應的生成組分有兩種趨勢，一部分漸漸硬化形成水泥的骨架，另外一部分和周圍具有一定活性的粘土發(fā)生物化反應。

1)團?；饔煤碗x子交換。水泥水化生成組分的比表面積為水泥原顆粒的一千倍，從而生成很大的表面能，形成吸附活性，致使土團顆粒聚合起來，增強其強度，也關閉了土團之間的縫隙，構成堅固的連接。在宏觀上表現(xiàn)為水泥強度增大。

圖1 水化速度

圖2 水化強度

2)硬化作用。水化反應中，大量Ca2+析出，當其超過離子交換的界限，并且在堿性環(huán)境中，與粘性土的組分Al2O3及SiO2發(fā)生化學反應，生成不溶于水的化學性質穩(wěn)定的結晶化合物CAH，CSH長石鈣黃水化物。新組分能夠慢慢硬化，增大混凝土的強度。并且其有抗水性，是致密結構，水分不易浸入。經(jīng)過X射線的衍射試驗，對比天然軟和粘土齡期5個月的水泥土的衍射圖譜時，指出在6.75°的θ角處為一個新的波峰出現(xiàn)(見圖3)，通過d值查出它是:3CaO·Al2O3·CaCO3·H2O的表針峰值。

圖3 水泥土與天然軟土X射線衍射對比試驗分析

1.3 碳酸化作用

水泥反應中形成的游離Ca(OH)2吸收CO2而發(fā)生碳酸化反應，生成不溶于水的組分CaCO3，此反應增加水泥土強度，可是該反應速度較慢，使得強度增長緩慢同時幅度也較小。水泥水化反應的膠結作用是水泥加固土強度來源，其中Ca5Si6O16(OH)·4作用最大。水泥土的攪拌混合越充分，水泥越均勻分散到土中，則其整體強度的不均勻性越小，總體強度也越大。

2 向莆鐵路的軟基條件

向莆鐵路是贛閩兩省間新建的一條大能力、高標準的快速鐵路，以適應未來福建至江西等中西部地區(qū)的客貨交流需要，滿足未來經(jīng)濟發(fā)展的需要。根據(jù)運量預測，向莆鐵路近期(2020年)客車50對/d，貨運1 260萬t/年;遠期(2030年)客車75對/d，貨運1 773萬t/年;遠景年輸送能力為客車100對、貨運量2 000萬t。

向莆鐵路某標項目部的設計軟土路基數(shù)量為110 861延米，位于地勢平坦，丘間谷地區(qū)，多辟為農(nóng)田。從上到下的地質條件如下:①種植土，部分是人工填土，填高大概2.3 m;②流塑淤泥質粉質粘土，褐灰色;③中砂，褐黃色，中密，飽和，厚約0 m～1 m;④)礫砂，褐黃色，中密，飽和;⑤飽和細圓礫土，中密～密實，褐黃色;⑥全風化花崗巖Y52(3)a，褐黃色。此工程路堤填高約9 m，地基軟土地段長大概372.5 m。

3 水泥砂漿樁的設計條件

結合設計荷載及沉降要求和勘測成果，采用水泥砂漿攪拌樁加固該段軟土地基，設計要求情況:水泥砂漿攪拌樁的樁長8 m～8.5 m，樁徑0.5 m，按正方形布置，樁間距1.3 m，樁端持力層需要打入第⑥層。采用水泥P.O42.5及以上普通硅酸鹽水泥，灰砂比在1∶0.3～1∶0.7，水灰比在 0.45～0.7，其中:砂為粉煤灰、粉細砂、中砂;此地基地段軟土中共有水泥砂漿攪拌樁5 508根，總計28 109 m。水泥砂漿攪拌樁復合地基設計承載力特征值是130 kPa，單樁承載力的特征值是130 kN。

4 加固效果分析

4.1 加固體的樁身強度

1)N10檢測。通過水泥土強度與N10(現(xiàn)有輕便觸探擊數(shù))的對比關系來說，當齡期7 d水泥砂漿攪拌樁樁身的N10擊數(shù)超過30擊時，樁身強度同時也能滿足設計要求，N10檢測的頻率占樁總數(shù)的1%，在樁徑1/4處設置觸探點，N10的深度一般不大于4 m。本工點經(jīng)過隨機選出55根齡期7 d水泥砂漿攪拌樁，進行N10試驗，在樁長范圍內(nèi)檢測其N10均超過30擊，同時樁身均勻攪拌，符合設計要求。

2)抽芯檢驗。在成樁28 d后的水泥砂漿樁，在1/4樁徑處使用單動雙管取樣器在樁長區(qū)域內(nèi)取芯，此實驗主要是對水泥砂漿攪拌樁的樁身質量的檢查，如樁體抗壓強度、完整性、堅硬程度、攪拌均勻性、含灰漿量等，選取占施工樁總數(shù)的0.2%水泥砂漿樁進行抽芯檢驗，同時不同施工作業(yè)點不低于6根。按比例大小隨機抽取，且要求均勻分布，對疑似有質量問題的結構設計及水泥砂漿樁應是抽取重點。抽芯實驗不合格的處理方法是:首先在被檢測樁的周圍加倍抽樣檢測，判斷不合格樁是否為特例，如有不合格，則接下來應查清其范圍，應用必要的補救加固措施。經(jīng)過對該段工點齡期28 d的12根水泥砂漿樁的鉆孔取芯試驗研究，表明現(xiàn)場水泥砂漿攪拌樁實測樁長都能符合設計要求，且樁身體圓勻、無回陷和縮頸現(xiàn)象，樁身均勻攪拌、凝體沒有松散現(xiàn)象、較好固結，同時灰含量較高，群樁的樁頂對齊、呈長柱狀、間距均勻、抗壓強度都大于2.0 MPa，檢測說明該樁為合格樁。

4.2 靜載荷試驗

在成樁28 d后，隨機抽取任意施工樁總數(shù)1‰水泥砂漿樁進行復合地基單樁載荷試驗，同時每項工程單體不少于3個測試點，需要隨機按比例抽取，且均勻分布，設計要求試水泥砂漿攪拌樁單樁實驗測得的承載力不得小于130 kN，樁基復合地基承載能力需要大于130 kPa。檢測結果:齡期28 d的水泥砂漿樁單樁復合地基承載能力均大于130 kPa，符合設計要求;豎向抗壓承載力極限都大于130 kN，符合設計要求。

5 結語

對水泥砂漿樁的抽芯現(xiàn)場試驗表明，水泥砂漿攪拌樁的無側限抗壓強度和成樁質量符合設計要求。

從承載力角度來說，水泥砂漿攪拌樁復合地基承載力和單樁承載力均符合設計標準，明顯提高軟土地基場地承載力。

從本工點試驗深層水泥砂漿攪拌樁的軟基加固效果來說，這種方式處理軟土地基是可行的、合適的。不管是現(xiàn)場抽芯的水泥砂漿攪拌樁樣本強度，還是從承載力角度來看，它能很好地解決塑性指數(shù)高的粘性土層中成樁強度不足的問題。

總之，水泥砂漿樁處理該軟土地基是成功的，為今后相似工程地基處理提供了借鑒，并且水泥砂漿樁的發(fā)展前景很好。

［1］龔曉南.地基處理手冊［M］.第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］羅志生.水泥砂漿樁在向莆鐵路軟基處理工程中的應用［J］.江西建材，2009(2):24-26.

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