沿海軟基深層水泥攪拌樁復(fù)合地基工程性能室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

曾斕　趙利平　張建球

摘要：文章通過深層水泥攪拌樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，有針對(duì)性地研究在沿海軟基地區(qū)水泥種類、水泥摻入量、水灰比、齡期、外加劑和加固體攪拌程度等因素對(duì)水泥土加固體工程性能的影響規(guī)律，以及淺層和深層加固體的工程性能隨影響因素的變化規(guī)律，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于回歸分析獲取沿海軟基地區(qū)水泥土加固體齡期與抗壓強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，以進(jìn)行水泥土加固體隨齡期抗壓強(qiáng)度變化預(yù)測，為同類工程提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：深層水泥攪拌樁復(fù)合地基;水泥土加固體;室內(nèi)試驗(yàn);工程性能

中國分類號(hào)：U416.03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

軟土地基的地基穩(wěn)定性較差，壓縮沉降較大，排水固結(jié)緩慢。修筑路基若在不進(jìn)行地基處理的軟基上，常常會(huì)發(fā)生過量的沉陷或路基失穩(wěn)等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致路基不能正常使用或被破壞。這類工程由于施工技術(shù)和工程造價(jià)等方面原因，傳統(tǒng)的施工方法已經(jīng)不能適應(yīng)日益復(fù)雜的工程需要，最佳的處理方法是對(duì)軟土地基進(jìn)行就地加固，而水泥攪拌樁等復(fù)合地基技術(shù)能最大限度地利用原狀土的承載力或其他力學(xué)性質(zhì)。

水泥攪拌樁是指以水泥為固化劑與土體就地強(qiáng)制攪拌形成水泥土加固體固化硬結(jié)，以獲得強(qiáng)度高、整體性好和水穩(wěn)性好的復(fù)合地基[1-8]。其中深層水泥攪拌樁是指水泥為固化主劑和軟基土體就地強(qiáng)制攪拌固結(jié)硬化，是水泥攪拌樁的一種情形，其適用于處理淤泥、砂土、淤泥質(zhì)土、泥炭土和粉土，當(dāng)用于處理地下水具有侵蝕性或泥炭土?xí)r，應(yīng)通過試驗(yàn)確定其適用性。

陳清發(fā)[9]針對(duì)潮州供水樞紐工程，對(duì)影響水泥攪拌樁抗壓強(qiáng)度的諸多因素和滲透系數(shù)等進(jìn)行分析。時(shí)占勇、徐芝萍等[10]研究天津港水泥攪拌體不同齡期強(qiáng)度之間的關(guān)系。麻勇[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了港珠澳東人工島和天津港南疆港區(qū)軟土水泥攪拌樁加固體強(qiáng)度提高機(jī)理和工程應(yīng)用。鄭旭衛(wèi)[12]分析外加劑在單一因素和多因素變化下對(duì)灘涂淤泥固化土的變化規(guī)律。陳頁開、艾建文等[13]基于有限元法模擬土工格柵和水泥攪拌樁加固軟基，分析軟基的固結(jié)行為及路堤填土高度、樁彈性模量、樁間距對(duì)路堤沉降與固結(jié)行為的影響。黃朝煊[14]通過現(xiàn)場正交試驗(yàn)，分析三山涂圍墾工程固化劑配比中各配方（水泥、減水劑、石膏和粉煤灰）摻量對(duì)淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系。云利江[15]通過室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)，研究了水泥摻量、圍壓和齡期對(duì)加固體抗剪強(qiáng)度和脆性指標(biāo)的影響。賀迎喜、李漢渤等[16]研究香港地區(qū)濱海軟土地基淤泥的土性參數(shù)、水泥摻量和養(yǎng)生齡期等因素對(duì)室內(nèi)和現(xiàn)場加固體強(qiáng)度的影響。王永志、MohammadKhosravi等[17]通過CDM格柵復(fù)合黏土地基動(dòng)力離心模型試驗(yàn)分析加速度峰值放大系數(shù)、反應(yīng)譜比、地表沉降、剪應(yīng)力-剪應(yīng)變等特征及變化。吳治華[18]以濱海地區(qū)淤泥為研究對(duì)象，通過固化試驗(yàn)研究不同種類和摻量固化劑情況下的最佳含水率和淤泥填筑路基性能。張明[19]結(jié)合某填海造陸工程，針對(duì)填海工程中軟土地基表層加固技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

近些年來，我國集中于研究水泥攪拌樁的施工工藝、沉降特性、荷載傳遞規(guī)律和強(qiáng)度檢測等方面，但對(duì)于深層水泥攪拌樁系統(tǒng)的、全面的研究仍不足。大量工程證明，在工程實(shí)踐中針對(duì)性開展深層水泥攪拌樁體室內(nèi)試驗(yàn)研究是非常有必要的。

本文采用室內(nèi)模型試驗(yàn)方法，研究各影響因素對(duì)沿海軟基水泥土加固體抗壓強(qiáng)度提高規(guī)律。與原天然地基強(qiáng)度相比，深層水泥攪拌樁強(qiáng)度的提高效果明顯。為控制質(zhì)量評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)，得出淺層和深層土加固體的工程性能隨影響因素的變化規(guī)律，并進(jìn)行對(duì)比分析。且根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于回歸分析獲取沿海軟基地區(qū)水泥土加固體齡期與抗壓強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，可進(jìn)行水泥土加固體隨齡期抗壓強(qiáng)度變化預(yù)測，為同類工程提供數(shù)據(jù)參考。

1 水泥攪拌樁復(fù)合地基工程性能室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

北海鐵山港進(jìn)港大道工程屬城市新建道路，位于北海市鐵山港（臨海）工業(yè)區(qū)，是北海鐵山港港口與外部聯(lián)系的主要通道之一。場址特殊性巖土主要為分布于原始地形海漫灘上的淤泥質(zhì)砂、軟塑黏土等，局部稍厚，力學(xué)強(qiáng)度差，含水量大，為高壓縮性土，未經(jīng)處理不能直接作為路基的地基土，且單一的強(qiáng)夯法難以實(shí)施。后經(jīng)設(shè)計(jì)提出擬先對(duì)場地進(jìn)行強(qiáng)夯處理，對(duì)不能強(qiáng)夯的路段采用深層水泥攪拌樁法處理。

影響深層水泥攪拌樁工程性能的主要因素有：水泥種類、水泥摻入量、水灰比、加固體齡期、外加劑性質(zhì)和用量和加固體攪拌時(shí)間等。為了弄清楚各因素對(duì)加固體強(qiáng)度的影響程度，開展相關(guān)影響因素的室內(nèi)分析試驗(yàn)。

試驗(yàn)土樣通過鉆孔取土，取自北海鐵山港1#～4#泊位進(jìn)港大道工程，取淺層淺層素填土和深層黏土;試驗(yàn)用水采用鐵山港的普通自來水，運(yùn)送至試驗(yàn)室;試驗(yàn)固化劑以水泥為固化劑;試驗(yàn)外加劑以添加粉煤灰作為外加劑，摻入外加劑的目的是為了改善水泥性能;試驗(yàn)制備主要有JJ-5型號(hào)水泥膠砂攪拌機(jī)、平板振動(dòng)臺(tái)、JM-C30 kg型號(hào)計(jì)重稱、WE-300B型萬能試驗(yàn)機(jī)和電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱等。參考《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）GB/T17671-1999》進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)流程如圖1所示。試驗(yàn)方案見表1。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 水泥土加固體抗壓強(qiáng)度

水泥種類對(duì)水泥土加固體抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示

圖2的試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）摻入不同水泥種類的加固體的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增大而增大。試驗(yàn)表明，在不同水泥種類時(shí)，淺層加固體抗壓強(qiáng)度范圍為1.5～7.3 [HTSS]MPa[HTXH]。摻入華潤牌P.O42.5水泥的加固體抗壓強(qiáng)度最大，其次分別為華潤牌P.Ⅱ42.5R、左江牌P.C32.5和華潤牌P.C32.5R水泥。

（2）加固體的強(qiáng)度隨著水泥強(qiáng)度等級(jí)的提高而增加。對(duì)于沿海軟土地基而言，水泥強(qiáng)度等級(jí)每提高一檔，加固體的強(qiáng)度約增加20%～40%。其次，普通硅酸鹽水泥比硅酸鹽水泥對(duì)強(qiáng)度增加更為有效。

水泥摻入量對(duì)水泥土加固體抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于淺層加固體，不同水泥摻入量的加固體的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而增加，后期強(qiáng)度增長幅度變緩，趨于平穩(wěn);對(duì)于深層加固體，在28 d前，除14%水泥摻入量的加固體，不同水泥摻入量的加固體的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而減小。在28 d后，加固體的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而增加，后期強(qiáng)度增長幅度變緩，趨于平穩(wěn)。試驗(yàn)表明，水泥摻入量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，其次分別為18%，16%和14%。加固體的抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入量的增加而增加。

水灰比對(duì)水泥土加固體抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于淺層加固體，設(shè)定不同水灰比試驗(yàn)時(shí)，在28 d前，加固體的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增大而減小;在28 d時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，加固體強(qiáng)度隨著齡期的增大而增大;[JP+1]到了90 d增長的速度變緩，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。而對(duì)于深層加固體，抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增大而增大，到了90 d增長的速度變緩，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。在不同水灰比時(shí)，兩者抗壓強(qiáng)度范圍相近。其次，若將水灰比設(shè)定為0.45%時(shí)，有利于淺層加固體強(qiáng)度增長;若將水灰比設(shè)定為0.50%時(shí)，有利于深層加固體強(qiáng)度增長，但對(duì)于淺層加固體效果較差。

齡期對(duì)水泥土加固體抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）在不同水泥摻入量情況下，加固體抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長而提高。齡期在90 d前，加固體抗壓強(qiáng)度有明顯的增長;90 d后，加固體抗壓強(qiáng)度的增長幅度變緩。不同土體在不同齡期下，加固體的抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入量增大而增大。

（2）對(duì)于淺層加固體，最佳水灰比為0.45%，其次為0.55%和0.6%，當(dāng)水灰比為0.5%效果最差;對(duì)于深層加固體，最佳水灰比為0.5%，其次為0.6%和0.45%，當(dāng)水灰比為0.55%效果最差。綜上結(jié)論可得，在相同水灰比情況下，加固體抗壓強(qiáng)度的大小與土體性質(zhì)相關(guān)。

外加劑對(duì)水泥土加固體抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在摻入不同含量粉煤灰的情況下，加固體的抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長而提高。齡期在60 d前，加固體的強(qiáng)度增長幅度大;60 d后，加固體強(qiáng)度增長幅度變小。相比于無摻入粉煤灰的情況下，摻入粉煤灰的抗壓強(qiáng)度有顯著的提高，最大增長強(qiáng)度到達(dá)之前的兩倍左右，摻量不同對(duì)加固體的影響程度不一樣。摻入6%粉煤灰的強(qiáng)度最大，其次分別是12%和18%，最小為無摻入粉煤灰的。綜上可見，粉煤灰作為外加劑，既可以提高也可以抑制加固體的抗壓強(qiáng)度。

加固體攪拌時(shí)間對(duì)水泥土加固體抗壓強(qiáng)度的影響如圖7所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：加固體攪拌時(shí)間越長，加固體抗壓強(qiáng)度越大。從大到小分別為120 s、90 s、60 s和30 s。這可以說明加固體攪拌時(shí)間及均勻程度對(duì)加固體的強(qiáng)度影響很大，而攪拌的均勻程度又與施工過程中鉆桿提升速度、轉(zhuǎn)速、復(fù)噴的深度和次數(shù)等因素有關(guān)。

1.3.2 不同齡期的加固體抗壓強(qiáng)度回歸分析

根據(jù)試驗(yàn)資料，分別得到不同齡期水泥土加固體的抗壓強(qiáng)度與28 d抗壓強(qiáng)度（淺層加固體）和7 d抗壓強(qiáng)度（深層加固體）之間的關(guān)系公式：

不同齡期的淺層加固體抗壓強(qiáng)度關(guān)系公式如下：

2 結(jié)語

本文以室內(nèi)模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了水泥種類、水泥摻入量、水灰比、齡期、外加劑和加固體攪拌程度因素對(duì)沿海軟基地區(qū)水泥土加固體工程性能的影響規(guī)律。在本文試驗(yàn)條件下，得到以下兩點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）水泥土加固體抗壓強(qiáng)度隨齡期增大而增大，并與水泥標(biāo)號(hào)和水泥摻量呈正相關(guān)關(guān)系。采用的水泥標(biāo)號(hào)每提高一檔，加固體強(qiáng)度增加20%～40%，且普通硅酸鹽水泥比硅酸鹽水泥對(duì)強(qiáng)度增加更為有效;加固體前期強(qiáng)度與土體有關(guān)，與后期強(qiáng)度基本無關(guān);最佳水灰比與攪拌土體的性質(zhì)有關(guān);外加劑摻入量對(duì)加固體有明顯影響，強(qiáng)度是無外加劑的加固體的2倍，同時(shí)不同摻入量對(duì)加固體的影響程度不一樣，合適加入外加劑能提高加固體強(qiáng)度和節(jié)約工程成本;加固體攪拌時(shí)間及均勻程度對(duì)強(qiáng)度影響很大，因此施工中注意保證加固體均勻程度。

（2）綜合淺層加固體和深層加固體回歸方程可以看出，當(dāng)齡期超過3個(gè)月后，加固體的強(qiáng)度增長才減緩。因此建議沿海軟基淺層加固體選用3個(gè)月齡期強(qiáng)度作為加固體的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。一般情況下，齡期<28 d的加固體強(qiáng)度其線性較差，離散性較大。

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