水泥土攪拌樁強度檢測的技術研究

金毅

摘 要：對水泥土攪拌樁取芯試樣強度不達標的原因進行分析并描述了一下目前的行業(yè)現(xiàn)狀，同時提出了一些解決方法和新的檢測方法的建議。

關鍵詞：強度；水泥土；地質(zhì)；齡期

水泥土攪拌樁無論作為被動土加固還是止水帷幕，在目前的工程中被大量應用，其樁體質(zhì)量的檢測方法主要有水泥土抗壓試塊、鉆芯取樣等?？傮w上來看，水泥土試塊檢測合格率極高，幾乎100%，其能否真實地反映水泥土攪拌樁的實際強度還存在爭議；現(xiàn)場鉆芯取樣是目前認可的能比較實在地反映攪拌樁實際強度、長度、連續(xù)性、均勻性的檢測方法，但往往出現(xiàn)的情況是所得的試樣強度達不到設計及規(guī)范的要求。文章就鉆芯取樣所得試樣達不到要求的原因進行分析，并且探尋一些解決方法和新的檢測方法。

1 鉆芯試樣強度的離散性

靜安區(qū)60#地塊工程，坑內(nèi)加固采用摻量20%的水泥土攪拌樁，設計28d無側(cè)限抗壓強度1.0MPa。現(xiàn)場取芯進行了4次，分別位于4個區(qū)域：

上述幾次水泥土攪拌樁的施工過程、施工質(zhì)量、材料使用等都符合設計及規(guī)范要求，但取芯結(jié)果仍舊未達到設計要求的1MPa。從結(jié)論看“0.4～5.4”，數(shù)據(jù)的離散性很大，可見齡期對強度的影響較大，結(jié)合其他上海地區(qū)的工程中數(shù)據(jù)也會發(fā)現(xiàn)同樣的情況，28d齡期的芯樣真實強度基本都達不到1MPa，基本維持在0.5MPa左右，但90d齡期的試件基本可以達到1MPa的設計強度。

2 水泥土強度的原理

水泥土攪拌樁樁體強度是水泥、水、土三者的相互作用以及受到土質(zhì)條件、樁身齡期影響后的共同結(jié)果。

2.1 水泥石骨架作用

水泥與土拌和后，水泥礦物所含的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣先與水進行水解和水化反應，同時從溶液中分解出氫氧化鈣并形成其它具有膠結(jié)能力水化物，如：水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣等水化物。上述水化物在土的空隙中相互交織搭接，將土顆粒包裹連接起來，使土逐漸喪失了原有的塑性等性質(zhì)，并隨著時間的推移形成漿狀體凝結(jié)硬化，形成水泥石骨架，使加固的樁體形成一定強度。

2.2 離子交換及團?；饔?/p>

在水泥水化后的膠體中，Ca（OH）2和Ca2+，（OH）-共存。而粘土礦物以SiO2為骨架而合成的板狀或針狀的結(jié)晶是其主要構(gòu)成部分，通常其表面會帶有Na+和K+等離子。析出的Ca2+離子會與土中的Na+、K+離子進行當量吸附交換，其結(jié)果使大量的土粒形成較大的土團。由于水泥水化生成物Ca（OH）2具有強烈的吸附活性，而使這些較大的土團粒進一步結(jié)合起來，形成水泥土的鏈條狀結(jié)構(gòu)，有封閉土團間孔隙的作用，形成穩(wěn)定的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。

2.3 硬凝反應

隨著水泥水化反應的深入，溶液中析出大量的Ca2+，當Ca2+的數(shù)量超過上述離子交換的需要量后，則在堿性的環(huán)境中與組成粘土礦物的部分SiO2和AlO3發(fā)生化學反應，生成不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶礦物。

2.4 碳酸化作用

水泥水化生成的Ca（OH）2，除了與粘土礦物發(fā)生化學反應外，還可以進一步與空氣中的CO2反應生成CaCO3晶體，Ca（OH）2與土中的活性SiO2和Al2O3作用生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣。

2.5 土質(zhì)情況

水泥的水化物需要在強堿介質(zhì)中才能硬化。當水泥穩(wěn)定含粉粒和粘粒較多和塑性指數(shù)較大的粘性土時，氫氧化鈣首先與粉粒和粘粒作用致使堿性介質(zhì)不能順利形成，從而妨礙水泥水化物的正常硬化，繼而強度降低。

2.6 養(yǎng)護齡期

水泥的水化作用和固結(jié)作用會隨著時間的增長逐漸完成，所以水泥土的強度會隨著齡期的長短而有所不同。28天時水泥土的抗壓強度等于養(yǎng)護齡期為7天時的1.4倍；水泥土的強度隨著齡期的增長而提高，一般當齡期超過28天后仍有明顯增長；當齡期超過90天后，水泥土的強度增長逐漸趨于平緩。

3 28d齡期芯樣普遍達不到設計要求的原因分析

3.1 地質(zhì)條件導致水泥硬化緩慢

由上段可知水泥的凝硬即水泥水化物的固結(jié)需要在堿性介質(zhì)內(nèi)完成，若加固區(qū)的土質(zhì)為塑性指數(shù)較大的粘性土，則水泥中的氫氧化鈣首先與粉粒和粘粒作用致使堿性介質(zhì)不能順利形成，從而妨礙水泥水化物的正常硬化。本人參考了靜安寺多座地鐵站的地質(zhì)報告，地質(zhì)情況大致如下表所示，這類土層分布的情況在上海城區(qū)也很有代表性。從中可以發(fā)現(xiàn)以一個25m深的基坑來說，攪拌樁加固區(qū)一般都處于飽和粘土層中，該土層塑性指數(shù)大，土顆粒粒徑細小，勢必致使堿性介質(zhì)不能順利形成，從而妨礙水泥水化物的正常硬化。

蘇州部分地區(qū)的地質(zhì)情況就與上海大不相同，以蘇州地鐵2號線為例，其地質(zhì)情況如下表所示，可見蘇州地鐵攪拌樁加固區(qū)位于砂性以及粉性土中，該土層塑性指數(shù)一般均小于10，當時蘇州地鐵公司取芯的結(jié)果為合格。從開挖后的情況看，加固體“堅硬”、“有型”，還造成了開挖困難。

3.2 齡期不到導致強度不夠

從前文芯樣表格也可看出，齡期90天以上與齡期28天和60天的芯樣強度差距很大。可見加固樁體的強度在如靜安區(qū)的地質(zhì)條件下需要一個相當長的發(fā)展過程，才能達到設計要求。

從最后2次取芯所得的60#地塊工程水泥土攪拌樁芯樣來看，外觀濕軟，手觸能留下指印，強度很低。但將芯樣剝開，從內(nèi)部來看，水泥摻入土體的紋路，散發(fā)的水泥漿氣味等又可以判定水泥摻量并非是完全造假；眾所周知的將水泥土芯樣放置一邊吹風后，其強度馬上又可達到設計強度的幾倍?？梢?8d齡期對于攪拌樁芯樣來說，不足以使其發(fā)展到應有的強度。

3.3 取芯隊伍人員良莠不齊，設備落后

目前建筑市場上有很多掛靠在檢測單位下專業(yè)取芯隊伍，從他們的實際操作來看，大部分并不能達到“專業(yè)”二字的要求。在取芯的過程中，可以發(fā)現(xiàn)不同深度所需的鉆機鉆速、鉆壓、鉆進速度等，都是憑以往經(jīng)驗，并沒有一套明確的操作標準，遇到熟練工，取芯率就高，反之則只能“多取幾個地方”。甚至有些人員的職業(yè)操守也存在問題，一根完整芯樣取上來后，竟然人為地將其弄斷。取芯的設備也為一般引孔的鉆機，沒有封底裝置，“落芯”現(xiàn)象時有發(fā)生。

4 解決方法和新的檢測方法的探討

針對地質(zhì)條件影響水泥硬凝的情況，可以借鑒水泥穩(wěn)定土中摻加少量石灰以增加混合料強度的方法，根據(jù)工程所在地的實際地質(zhì)情況，必要時可事先做試驗，在攪拌樁所用的水泥漿中摻入增加堿性卻又不與粘性土顆粒產(chǎn)生作用的添加劑，使攪拌樁注入土體中的溶液能順利形成堿性介質(zhì)，使水泥的硬凝具備條件。

現(xiàn)行的規(guī)范標準以及設計圖紙中均要求水泥土攪拌樁28d鉆芯取樣，且無側(cè)限抗壓強度達到1MPa以上。應當組織專業(yè)單位及專家就齡期以及強度進行探討，從真實、可行的角度來確定不同地質(zhì)，不同地區(qū)的取芯齡期以及強度要求。

同時應當制定切實可行的取芯施工技術規(guī)范，取芯隊伍的資質(zhì)條件，人員的上崗資格、操作規(guī)程等。

在日本，對于水泥土攪拌樁的檢測采用“現(xiàn)場水泥土漿液取樣強度試驗”的方法以驗證現(xiàn)場水泥土施工質(zhì)量是否符合設計要求。即將取樣機固定于攪拌樁機的刀盤上，直接現(xiàn)場深層取漿，隨后將漿液進行養(yǎng)護檢測，得出檢測結(jié)果。此類方法在上海解放日報大廈工程中已得到應用，只是局限于取漿機未普及，無法推廣使用。但這個方法避免了現(xiàn)行取芯過程中對芯樣的損傷，能比較真實地反映攪拌樁樁體質(zhì)量，值得推廣。

在國內(nèi)，還有一種利用地質(zhì)雷達反射波法和工程地震面波法檢測樁體質(zhì)量的方法，其原理有點類似樁基的低應變檢測，同時具備簡便、快捷、經(jīng)濟的有點，同樣值得推廣。

5 結(jié)語

水泥土攪拌樁的強度檢測是地下工程中比較重要的一個環(huán)節(jié)，上文所言希望能夠拋磚引玉，集思廣益，使攪拌樁強度檢測真正的規(guī)范起來，為以后的工程打下良好的基礎。

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