深層攪拌樁加固昆明泥炭質土的試驗研究

張 帆 李向紅 孫 偉 王志良 丁祖德 李永迪

1. 上海隧道工程有限公司 上海 201108；2. 昆明理工大學 云南 昆明 650031

1 概述

泥炭質土是經過長期演化而形成的，是腐殖質、動植物殘體與礦物成分摻雜的特殊土壤。天然泥炭質土一般呈酸性，pH值為6左右，具有高孔隙率、高含水率、高壓縮性、高有機質含量、低容重、低強度等特征。泥炭質土廣泛分布于昆明及其周邊區(qū)域，滇池作為盆地內湖泊沉積區(qū)，是性狀典型、層厚較深、縱向分布多樣的泥炭質土覆蓋區(qū)域[1]。近年來，隨著昆明城市建設的快速發(fā)展，軌道交通、高速公路、鐵路工程及市政道路等基礎設施項目日趨增多，大量工程建設穿越泥炭質土層是不可避免的。由于泥炭質土的特殊工程特性，將其作為承載地基的工程，易發(fā)生失穩(wěn)、沉降過大等問題，故須對其進行加固處 理[2-4]。因此，對深層攪拌樁加固泥炭質土的力學性質進行試驗研究，具有非常重要的理論和工程應用價值。

深層攪拌樁作為軟土地基加固的常用方法，通常以水泥作為主要固化劑，利用水泥與土體之間的物理、物理化學或化學作用，使土體形成具有一定強度和水穩(wěn)定性的水泥加固土[5]。水泥中含有大量的Si4＋、Ca2＋及其他離子，在水泥土固化結構形成過程中，這些離子所構成的礦物熟料作為反應物反應之后最終形成水化產物，一方面加強自身的膠結強度，另一方面持續(xù)水化生成的結晶物質作為固化土骨料支撐結構。

泥炭質土層中富含的有機質會對水泥土強度產生不利的影響。其中，Ca2＋容易被胡敏酸（泥炭質土中有機質的主要成分之一）消耗并產生沉淀[6]，而沉淀物無法為固化土強度提供支持。同時，富里酸（泥炭質土中有機質的另一種主要成分）一方面附著于水泥表面，導致水化反應難以發(fā)生，另一方面對含鋁水化產物（水化鐵鋁酸鈣、水化鋁酸鈣等）具有較強的分解能力[7]，導致水泥膠凝硬化受阻，強度低且硬化時間被延長。因此，將水泥作為固化劑加固泥炭土地基時，加固后的土體強度往往難以達到預期目的。寧波某中學宿舍采用水泥攪拌樁復合地基，由于局部含有高達15%的有機質，致使復合地基靜載試驗標準值僅為75 kPa，遠小于其設計取值[8]。在江門濱江大道的施工過程中，局部地段由于泥炭土的存在導致水泥攪拌樁無法成形，無法達到設計標準[9]。大理開發(fā)區(qū)某8幢住宅的泥炭質土地基采用深攪法處理，最大沉降達857 mm，影響其正常使用[10]。

為提高水泥固化泥炭土的強度，本文結合昆明市軌道交通2號線某車站坑底加固工程，開展深層攪拌樁加固泥炭質土的試驗及加固效果比較研究。將無側限抗壓強度作為評價泥炭質土加固效果的指標，考慮泥炭質土不同深度、施工工況及固化劑方案等因素的影響，分析泥炭質土的固化機理，為泥炭質土地區(qū)的地基加固處理提供借鑒。

2 泥炭質土加固地層的基本物理指標

昆明市軌道交通2號線某車站深層攪拌樁加固工程，加固深度范圍內土層的分布情況依次為：人工填土（厚約6.0 m）、粉質黏土（厚約2.0 m）、泥炭質土（厚約3.0 m）、粉砂（厚約6.0 m）、泥炭質土（厚約2.0 m）、粉砂（厚約4.0 m）、泥炭質土（厚約2.0 m）、粉質黏土（厚約1.8 m）、泥炭質土（厚約2.5 m）。

針對加固范圍內不同深度的泥炭質土進行了室內試驗，得到各土層的物理力學指標，如表1所示。由表1可知：該土層具有天然容重小（11.9～13.1 kN/m3）、孔隙比大（2.90～4.39）、天然含水率高（155.5%～241.8%）、有機質含量高（35.5%～74.3%）、壓縮系數大（3.23～ 4.33 MPa-1）等特點，工程性質較差、承載力較低，對工程沉降、穩(wěn)定性影響顯著。

表1 不同深度泥炭質土的基本物理參數

不同埋深泥炭質土（18、24、27 m）過0.075 mm水篩后，剩余質量均小于原質量的5%。為便于分析泥炭土的加固效果，采用LS3-320激光粒度儀對粒徑≤0.075 mm的泥炭質土樣進行了粒徑分析，所得粒徑級配曲線如圖1所示。

圖1 不同埋深泥炭質土粒徑級配曲線

由于泥炭質土的平均粒徑較小，故要提高水泥固化土的強度，包裹泥炭質土團粒所需水泥漿液量較大。在深層攪拌作用下，泥炭質土可以與相鄰土層進行置換，如粉砂層、粉質黏土層等，能夠提高加固土層的平均粒徑，增強加固效果。

3 試驗方法

通過現場鉆芯對深層攪拌樁試驗加固場地進行取樣，鉆芯圓柱直徑為80 mm（圖2）。

將試塊的無側限抗壓強度作為評價其加固效果的指標，對加固28 d后的固化泥炭質土試樣，采用萬能試驗機進行室內試驗加載（圖3），并用Test Expert version3.6數據收集系統(tǒng)進行數據采集。

考慮到試樣強度的形狀和尺寸效應及現場取出芯樣的具體形狀和尺寸[11]，壓縮試樣取為高徑比等于1.0的圓柱體試件，以便于統(tǒng)計試件的形狀和尺寸。為確保試件的高徑比為1，芯樣切割時應保持固定，鋸切平面保證與芯樣軸線垂直（圖4）。

圖2 現場取樣

圖3 試樣壓縮過程

圖4 試件切割

將水泥作為主要固化劑，氯化鈉作為外加劑，分析泥炭質土層深層攪拌樁加固后的力學特征。為分析不同水泥強度等級對加固泥炭質土的效果，分別選用P·O 42.5和 P·O 52.5的東駿牌水泥，其摻入量為天然土體質量的30%。為分析外加劑氯化鈉對固化泥炭質土的影響，選取摻入量為5.5%和無摻入量2種情況進行試驗?？紤]泥炭質土加固的實際情況及深層攪拌樁施工工藝的影響，選取六噴六攪和八噴八攪2種施工工藝。

4 試驗結果分析

不同埋深的昆明泥炭質土具有不同的物質組成及物理力學性質，為研究深層攪拌樁對不同埋深泥炭質土的加固效果，對埋深分別為18、24 m和27 m的加固泥炭質土樣（P·O 42.5水泥＋NaCl＋8攪），進行了無側限抗壓強度試驗，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同埋深加固泥炭質土的無側限抗壓強度

由圖5可知，隨著泥炭質土埋置深度的增加，其地應力也逐漸增加，固化土體的強度也不斷增大，深層攪拌樁加固效果越好。土體埋深從18 m增加至27 m，加固泥炭質土強度從2.56 MPa增大至3.80 MPa，增加48.4%，均遠大于設計值。

針對本文所提出的不同加固工況條件下，埋深為24 m的土體試樣，分別進行了無側限抗壓強度試驗，試驗結果如圖6所示。由圖6可知，對于不同的深層攪拌樁施工工藝，由于八噴八攪的方案比六噴六攪噴射次數多，水泥漿與土體混合更加充分，故其加固效果要明顯優(yōu)于六噴六攪。對于“42.5水泥＋NaCl＋8攪”的方案，其加固后的強度比“42.5水泥＋NaCl＋6攪”的方案增加了12.8%。對于不同水泥強度等級的影響，水泥強度等級越高，其加固泥炭質土的效果越好，“52.5水泥＋NaCl＋8攪”加固方案的固化泥炭質土強度要大于“42.5水泥＋NaCl＋8攪”方案，其無側限抗壓強度增加了10.0%。而早強劑NaCl對深層攪拌樁加固泥炭質土的影響并不顯著。

圖6 不同工況下加固泥炭質土的無側限抗壓強度

圖7為室內泥炭質土加固試驗與現場深層攪拌樁試驗的應力-變形曲線對比。由圖7可知，現場深層攪拌樁試驗的無側限抗壓強度要遠大于室內加固試驗。深層攪拌樁加固試驗，一方面由于深層攪拌的置換作用，能夠有效降低泥炭質土中的有機質含量，從而限制了其對水泥水化反應的抑制作用，提高了加固土體的強度；另一方面泥炭質土的孔隙率非常大，深層攪拌置換作用能夠對加固土體進行有效填充，從而達到物理加固的效果。

圖7 典型加固泥炭土試樣應力-變形曲線對比

將兩者的應力-位移變形曲線進行對比可以發(fā)現，室內加固試樣表現出無側限抗壓強度低、豎向壓縮量大且塑性變形顯著的特點；而現場深層攪拌樁加固試驗則無側限抗壓強度高、加固效果較好，在達到抗壓強度前，應力與變形近似呈線性關系，達到抗壓強度后應力迅速下降，表現為脆性破壞。

5 結語

結合昆明市軌道交通2號線某車站坑底深層攪拌樁加固工程，將無側限抗壓強度作為評價其加固效果的指標，考慮泥炭質土埋置深度、水泥強度等級、深層攪拌樁施工工藝等因素的影響，探討了昆明泥炭質土層的加固效果，得到以下結論：

1）隨著泥炭質=土埋置深度的增加，其地應力逐漸增加，固化土體的強度也相應增大，深層攪拌樁的加固效果也越好。

2）對于不同深層攪拌樁的施工工藝，由于八噴八攪的方案比六噴六攪噴射次數多，水泥漿與土體的混合更加充分，加固效果要明顯優(yōu)于六噴六攪，其加固后的強度增加了12.8%。

3）水泥強度等級越高，其加固泥炭質土的效果越好，“52.5水泥＋NaCl＋8攪”加固方案的固化泥炭質土強度要大于“42.5水泥＋NaCl＋8攪”方案，其無側限抗壓強度增加了10.0%。

4）現場深層攪拌樁試驗的無側限抗壓強度要遠大于室內加固試驗。室內加固試樣表現出強度低、壓縮量大且塑性變形顯著的特點；而深層攪拌樁加固試樣則表現為脆性破壞，在達到抗壓強度前，應力與變形近似呈線性關系。