深層水泥攪拌樁的水泥摻量原位試驗(yàn)研究

賀立 余輝 何文潤(rùn) 張建球

摘要：深層水泥攪拌樁法作為一種原位加固法，能最大限度地利用原狀土的承載力或其他力學(xué)性能。文章通過(guò)原位實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)水泥摻入量。試驗(yàn)結(jié)果表明：地基含水量可能是水泥攪拌樁的水泥摻量的重要影響因素之一，在地基含水量較高時(shí)，適當(dāng)提高水泥摻量，可增加地基的密實(shí)性，提高復(fù)合地基的承載力。

關(guān)鍵詞：深層水泥攪拌樁;復(fù)合地基;原位試驗(yàn);地基承載力

0 引言

我國(guó)在進(jìn)行大規(guī)模沿海工程建設(shè)時(shí)，也面臨大量的工程問(wèn)題。軟土地基工程性質(zhì)特殊，其特點(diǎn)一般有流變性、觸變性、透水性低、壓縮性高和抗剪強(qiáng)度低等，在荷載作用下，有著緩慢的排水固結(jié)、較差的地基穩(wěn)定性和沉降難以控制等現(xiàn)象。在軟土地基上修路基時(shí)，如果不進(jìn)行地基處理，則可能會(huì)發(fā)生過(guò)量沉降或路堤失穩(wěn)等問(wèn)題，最終導(dǎo)致路基不能正常使用或被破壞[1]。

深層水泥攪拌樁與天然地基形成深層水泥攪拌樁復(fù)合地基，樁體和地基共同承擔(dān)荷載，達(dá)到有效地提高地基承載力和改善地基變形的效果[2]，該方法可用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、砂土等飽和黏土。當(dāng)處理泥炭土或有機(jī)質(zhì)含量較高的黏土?xí)r，應(yīng)該通過(guò)試驗(yàn)確定其的適用性[3]。

本文依據(jù)北海鐵山港進(jìn)港大道軟基加固工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，研究沿海軟基條件下水泥土加固體的工程性能，以及主要影響因素（水泥摻入量）對(duì)深層水泥攪拌樁復(fù)合地基加固效果的影響。這對(duì)于深層水泥攪拌樁復(fù)合地基加固技術(shù)的推廣和應(yīng)用有十分重要的意義。

1 工程概況

北海鐵山港1#～4#泊位進(jìn)港大道工程位于北海市鐵山港工業(yè)區(qū)，根據(jù)提供的勘察資料揭示，該道路沿線場(chǎng)地內(nèi)的巖土種類地質(zhì)狀況如下：

（1）素填土①1及沖填土①2性質(zhì)不均，強(qiáng)度較低，具高壓縮性，工程性能一般，經(jīng)處理后可作為路基持力層。

（2）淤泥質(zhì)砂②1，呈流塑狀，承載力極低，不得作為路基持力層。

（3）中砂②2層，呈松散-稍密狀，一般位于水位以下，稍密狀中砂具一定承載力，可作為路基持力層。

（4）黏土③1層，呈軟可塑狀，且埋深較深，承載力一般，不宜作為路基持力層。

（5）中（粗）砂③2層，承載力較高，可直接作為路基持力層。

在施工前應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行原位試驗(yàn)，以確定水泥攪拌樁的適用性，并根據(jù)原位試驗(yàn)結(jié)果確定最佳的水泥摻量。

進(jìn)港大道道路位于港口吹填區(qū)，道路設(shè)計(jì)標(biāo)高為7.75m，最高潮水位為4.85m。道路的填挖方高度很小，由于場(chǎng)地僅是初步平整，其填土較厚且固結(jié)時(shí)間短，不滿足道路規(guī)范對(duì)其路基持力層的要求，所以必須對(duì)場(chǎng)地地基進(jìn)行加固處理。

施工后對(duì)復(fù)合地基的加固效果進(jìn)行檢測(cè)，采用復(fù)合地基荷載試驗(yàn)檢查地基加固處理效果，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其復(fù)合地基承載力要求≥140kPa。

2 原位試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合地基載荷試驗(yàn)法檢測(cè)水泥攪拌樁試驗(yàn)樁復(fù)合地基承載力，分別在2標(biāo)段、3標(biāo)段進(jìn)行原位試驗(yàn)，深層攪拌處理軟土路基示意圖如圖1所示。每個(gè)標(biāo)段均測(cè)試4種不同水泥摻量的水泥土攪拌樁，目的是判斷水泥攪拌樁試驗(yàn)樁復(fù)合地基承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求，為確定工程樁最佳水泥摻量提供依據(jù)。

復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的承壓板采用方形，試驗(yàn)承壓板面積為2m2，承壓板的中心與增強(qiáng)體中心必須保持一致，且與荷載的作用點(diǎn)重合。

水泥攪拌樁樁徑為600mm，梅花形布樁，樁間距為1.5m，樁的長(zhǎng)度根據(jù)軟土層厚度確定，樁端應(yīng)穿過(guò)軟土層，并嵌入持力層≥0.5m，持力層取砂層。設(shè)計(jì)要求復(fù)合地基承載力≥140kPa。

進(jìn)港大道2#標(biāo)段靠近陸域，全長(zhǎng)740m，道路寬45m。為確定水泥攪拌樁的最佳水泥摻量，分別以四種水泥摻入比（12%、14%、16%、18%）進(jìn)行原位試驗(yàn)。

進(jìn)港大道3#標(biāo)段靠近海域，全長(zhǎng)1000m，道路寬45m。為確定水泥攪拌樁的最佳水泥摻量，分別以四種水泥摻入比（12%、15%、18%、20%）進(jìn)行原位試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析

3.1 最優(yōu)水泥摻入比

進(jìn)港大道2#標(biāo)段共完成復(fù)合地基載荷試驗(yàn)檢測(cè)4個(gè)點(diǎn)（水泥摻量為12%、14%、16%、18%），試驗(yàn)承壓板面積為2m2，擬最大試驗(yàn)承載力為280kPa，分10級(jí)進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)。進(jìn)港大道3#標(biāo)段共完成復(fù)合地基載荷試驗(yàn)檢測(cè)4個(gè)點(diǎn)（水泥摻量為12%、15%、18%、20%），試驗(yàn)承壓板面積為2m2，擬最大試驗(yàn)承載力為280kPa，分10級(jí)進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)。

由圖2的沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)（s-lgt）曲線、后頁(yè)圖4（a）的壓力-沉降（p-s）曲線以及圖5（a）的沉降-壓力對(duì)數(shù)（s-lgp）曲線可知：2#標(biāo)段道路，水泥摻量比為12%時(shí)，試驗(yàn)加載至210kPa時(shí)，沉降急劇增大，承壓板周圍土體隆起，終止試驗(yàn)，復(fù)合地基承載力為88～108kPa，不滿足設(shè)計(jì)要求。水泥摻量為14%～18%的水泥攪拌樁，其承載力滿足設(shè)計(jì)要求。但水泥摻量為14%的復(fù)合地基的最大沉降量為27.52～29.53mm，偏大?？紤]到工程施工工藝水平，為保證施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，選用16%水泥摻量的水泥攪拌樁（試驗(yàn)樁）為2#標(biāo)段工程樁的最優(yōu)水泥摻量。

由圖3的沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)（s-lgt）曲線、圖4（b）的壓力-沉降（p-s）曲線以及圖5（b）的沉降-壓力對(duì)數(shù)（s-lgp）曲線可知：3#標(biāo)段道路，水泥摻量比為12%和15%時(shí)，試驗(yàn)分別加載至196kPa和280kPa時(shí)，沉降急劇增大，終止試驗(yàn)。水泥摻量比為18%和20%時(shí)，壓力-沉降（p-s）曲線為平緩的光滑曲線，累計(jì)總沉降量分別為19.56mm和13.25mm，復(fù)合地基承載力特征值的檢測(cè)值>140kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，選用18%水泥摻量為3#標(biāo)段工程樁的最優(yōu)水泥摻量。

當(dāng)水泥摻入比相同（12%或18%）時(shí)，2#標(biāo)段道路復(fù)合地基承載力特征值略大于3#標(biāo)段承載力特征值;而2#標(biāo)段地基沉降量顯著小于3#標(biāo)段地基沉降量，這可能是由于3#標(biāo)段更靠近海域，同時(shí)3#標(biāo)段確定的水泥攪拌樁最優(yōu)水泥摻量更高。這是因?yàn)樵诘鼗枯^高時(shí)，為保證工程質(zhì)量，提高了水泥摻量，這樣可以有更多的水泥參與水化反應(yīng)，水化物可更好地填充土壤顆粒間的空隙，進(jìn)一步增加地基密實(shí)性，從而提高復(fù)合地基的承載力[4]。

3.2 沉降量隨水泥摻量的變化

在不同荷載條件下，沉降量隨水泥摻量的變化規(guī)律如下頁(yè)圖6所示，由圖6曲線變化表明：2#標(biāo)段、3#標(biāo)段的地基沉降量均隨水泥摻量的增加而減小;當(dāng)荷載接近其承載力極限時(shí)，沉降量隨水泥摻量增加而減小的趨勢(shì)越顯著;水泥摻量越大，荷載變化對(duì)地基沉降量的影響越小。當(dāng)水泥摻量為12%，荷載條件為224kPa時(shí)，由于3#標(biāo)段地基已超過(guò)其承載能力極限，地基沉降（s）-水泥摻量（%）曲線出現(xiàn)突降。

3.3 復(fù)合地基加固效果

進(jìn)港大道2#標(biāo)段、3#標(biāo)段工程采用深層水泥攪拌樁施工后，需分別對(duì)其復(fù)合地基的加固效果進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其復(fù)合地基承載力要求≥140kPa。2#標(biāo)段、3#標(biāo)段工程分別隨機(jī)選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，最大試驗(yàn)荷載為280kPa，檢測(cè)結(jié)果分別如表1、表2所示。

根據(jù)表1、表2中的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，進(jìn)港大道2#、3#標(biāo)段采用的深層水泥攪拌樁的復(fù)合地基加固效果較好，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)鐵山港進(jìn)港大道2#標(biāo)段、3#標(biāo)段進(jìn)行原位試樁試驗(yàn)，分別確定了其最優(yōu)水泥摻量為16%和18%。通過(guò)對(duì)比分析表明：

（1）地基含水量可能是水泥攪拌樁的水泥摻量的重要因素之一。在地基含水量較高時(shí)，適當(dāng)提高水泥摻量，可有更多的水泥參與水化反應(yīng)，水化物可更好地填充土壤顆粒間的空隙，進(jìn)一步增加地基密實(shí)性，從而提高復(fù)合地基的承載力。

（2）在同一荷載條件下，地基沉降量隨水泥摻量的增加而降低;當(dāng)荷載接近其承載力極限時(shí)，沉降量隨水泥摻量增加而減小的趨勢(shì)越顯著;水泥摻量越大，荷載變化對(duì)地基沉降量的影響越小。

（3）根據(jù)施工后的工程樁復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果說(shuō)明，采用深層水泥攪拌樁對(duì)地基進(jìn)行加固的效果較好。通過(guò)該工程實(shí)踐，可為類似工程提供參考，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李彰明.軟土地基加固理論、設(shè)計(jì)與施工[M]，北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2]李翔軍.水泥攪拌樁復(fù)合地基技術(shù)研究與工程實(shí)踐[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[3]吳邵海，王智猛，褚宇光.水泥土攪拌樁處理海相沉積軟土的試驗(yàn)研究[J].高速鐵路技術(shù)，2018，9（6）：11-15.

[4]周成明.高含水量地基中深層水泥攪拌樁的水泥摻量[J].江蘇水利，2006（3）：17.