淺談水泥土攪拌法在水工建筑物地基處理設(shè)計中的應(yīng)用

李翔飛

一、前言

為了防治水旱災(zāi)害并充分合理地利用水資源，以滿足人類生產(chǎn)生活的需要，全國各地都因地制宜地修建了一系列水利工程。但由于水工建筑物受自然條件制約多，常建設(shè)在河流、湖泊、沼澤等地質(zhì)情況相對復(fù)雜的環(huán)境中，地基土層經(jīng)常會出現(xiàn)淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等軟弱土層，地基處理尤為重要。為增加地基土層的承載力，保證建筑物的結(jié)構(gòu)安全，工程設(shè)計時經(jīng)常采用換填法、排水固結(jié)法、水泥土攪拌法、各種類型的樁法及灌漿法等來加固地基。其中，水泥土攪拌法由于施工工藝簡單、施工進度快等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。如何正確地設(shè)計運用水泥土攪拌法來加固地基，要熟悉了解水泥加固土的原理。

二、水泥加固土的原理

水泥土攪拌法有拌入水泥漿的濕法和拌入水泥粉的干法兩種施工工藝。施工經(jīng)常使用的普通硅酸鹽水泥主要是由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵及三氧化硫等組成，這些氧化物又分別組成了硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣等不同的水泥礦物。將水泥拌入軟土后，水泥顆粒表面的礦物很快與軟土中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化鐵酸鈣等化合物。這些化合物有的自身繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架；有的能迅速溶于水中，使水泥顆粒表面重新暴露出來，再與水發(fā)生反應(yīng)，周圍的水溶液就能逐漸達(dá)到飽和，當(dāng)溶液達(dá)到飽和后，水分子雖能繼續(xù)深入顆粒內(nèi)部，但新生成物已不能再溶解，只能以細(xì)分散狀態(tài)的膠體析出，懸浮于溶液中，形成含有凝膠粒子的膠體。這些凝膠粒子的表面積比原來的水泥顆粒大數(shù)千倍，因而會產(chǎn)生很大的表面能，有很強的吸附活性，能使較大的土團顆粒進一步結(jié)合起來，形成水泥土的團粒結(jié)構(gòu)，填充各土團之間的空隙，形成堅固的聯(lián)結(jié)。從宏觀上來看，水泥土相較于原狀土來說，強度會大大提高。由此可見，水在水泥土的固化過程中，扮演著非常重要的角色，既要參與化學(xué)反應(yīng)，生成一系列的水化物，又要作為重要的溶劑、載體，保證凝膠粒子與土團顆粒充分的結(jié)合。

由水泥加固土的原理，得出如下結(jié)論，水泥土攪拌法中拌入水泥漿的濕法和拌入水泥粉的干法其加固機理本質(zhì)相同，設(shè)計時應(yīng)按照土層的含水率大小來進行選擇。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）要求，當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?0%（黃土含水量小于25%）時，由于不能保證水泥充分水化，故不宜采用粉體攪拌法，即干法。但在實際施工過程中是否一定要按照上述標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，要根據(jù)實際的地質(zhì)環(huán)境選擇，并以阜南縣謝寨排灌站為例進行分析。

三、工程案例分析

謝寨排灌站位于阜南縣方集鎮(zhèn)境內(nèi)，大洪河左岸，主要作用為枯水期由大洪河向洪河故道內(nèi)提水，豐水期由洪河故道向大洪河內(nèi)排澇。謝寨排灌站設(shè)計提水流量10.0m3/s，設(shè)3 臺1000HDB-60 型潛水混流泵，配套電機450kW，共1350kW；設(shè)計排澇流量2.4m3/s，設(shè)1 臺900ZDB—100 型潛水軸流泵，配套電機200kW，本站裝機總?cè)萘繛?550kW。根據(jù)工程地質(zhì)報告可知，謝寨站擬建場地上部為新近回填及堆積層，下部由第四紀(jì)沖積物堆積構(gòu)成，地層巖性主要由素填土、粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土、砂壤土、細(xì)砂組成，地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 謝寨排灌站工程地質(zhì)剖面圖

由圖可知，謝寨排灌站出口段建基面高程為21.20～21.40m，位于第②2層，中粉質(zhì)壤土（Q4al）層，但在這層土下面，存在第②3層，淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土（Q4

al）層，即軟弱下臥層。這層（第②3層）土為飽和、軟塑、高壓縮性土層，局部還夾有砂壤土，承載力較低，僅為85kPa，且該土層頂面與建基面較近，不滿足工程設(shè)計需要，故需對此場地進行地基處理。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）可知，水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、黏性土（軟塑、可塑）、粉土（稍密、中密）、粉細(xì)砂（松散、中密）、中粗砂（松散、稍密）、飽和黃土等土層，不適用于含大孤石或障礙物較多且不易清除的雜填土、欠固結(jié)的淤泥和淤泥質(zhì)土、硬塑及堅硬的黏性土、密實的砂類土，以及地下水滲流影響成樁質(zhì)量的土層。因此，選擇水泥土攪拌法處理謝寨排灌站的地基土層。在工法的選擇上，根據(jù)地質(zhì)報告中該圖層的土工試驗結(jié)果，這層（第②3層）淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土的含水率最大值為25.6%，最小值為24.5%，平均值為25.1%，小于規(guī)范規(guī)定的30%，所以，根據(jù)規(guī)范應(yīng)選擇拌入水泥漿的濕法進行施工。但在實際操作中，施工單位在大面積施打水泥土攪拌樁之前進行了試樁，且對干法和濕法的成樁效果進行了比較。

結(jié)果：采用干法施打的Φ500 水泥土樁樁徑滿足設(shè)計要求，樁身結(jié)構(gòu)完整，無斷樁、虛樁出現(xiàn)；用鐵鍬撬擊樁身，發(fā)現(xiàn)樁身水泥土質(zhì)地堅硬，難以撬除，初步判斷用干法施工的水泥土樁質(zhì)量較好，滿足設(shè)計要求。而用濕法施工的水泥土樁樁頭部位水泥漿液還未完全凝固，開挖后發(fā)現(xiàn)，樁身出現(xiàn)了“夾薄層”現(xiàn)象，即樁身結(jié)構(gòu)不完整，在本土層所夾的砂壤土處未見水泥漿液，從而導(dǎo)致樁身斷裂；用鐵鍬撬擊樁身，發(fā)現(xiàn)樁身水泥土質(zhì)地松散，容易撬碎，初步判斷用濕法施工的水泥土樁質(zhì)量較差，不滿足設(shè)計要求。

通過分析，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因應(yīng)有以下三點：

1.含水率。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）的要求，含水率作為一個非常重要的指標(biāo)，被用于確定水泥土攪拌法的施工工藝。但是根據(jù)土的三相組成，含水率還是一個最基本的試驗指標(biāo)，必須在土工實驗室通過含水率試驗來確定，在野外進行原位測試無法計算出土的含水率。野外勘察作業(yè)時，土樣從地面以下經(jīng)取土器取到地面以上，本身所處的外部環(huán)境就已經(jīng)發(fā)生了改變，后再經(jīng)包裝、運輸，直至送至土工實驗室的過程中，無可避免地要受到晾曬、擾動，這些外部因素都會造成土樣失水，導(dǎo)致含水率的降低。所以，經(jīng)土工試驗做出的土體的含水率一般比實際土層含水率偏小。

2.水利工程的特殊性。水工建筑物的建設(shè)場地不同于房屋建筑、市政建筑等，地質(zhì)情況相對復(fù)雜，且受季節(jié)、氣候等天氣因素影響也較大。阜陽市阜南縣地處華北平原，淮河流域。每年五月初至八月底為淮河的豐水期，此時淮河上游來水量較大，水位較高，河床以下所有土層都處于飽和狀態(tài)，含水率高。其余的月份為枯水期，淮河上游來水量較小，水位較低。除此之外，連續(xù)降雨導(dǎo)致河流水位升高也是影響水利工程建設(shè)的又一重大因素。因此，水利工程建設(shè)周期中，經(jīng)常會出現(xiàn)勘察、設(shè)計時期的水位與施工時期的水位不同，地基土層土體飽和度不同的情況，這是導(dǎo)致土樣含水率與實際土層含水率偏差較大的主要原因。

3.土體結(jié)構(gòu)。在水工建筑物地基土層中，經(jīng)常會遇見淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等軟弱土層。這類土土質(zhì)松軟，含水率高，滲透系數(shù)較小，有時為淤泥質(zhì)粘土、粉土與粉砂互層，具有清晰的薄層理。因此，這種土質(zhì)在采用拌入水泥漿的濕法施工時，由于粉土、粉砂層的粘聚力C 值為0，且滲透系數(shù)較大，加上施工時泥漿泵需要為水泥漿提供一定的壓力，才能使之與樁身外層土體充分結(jié)合，這樣容易導(dǎo)致水泥漿穿越粉土、粉砂層時流速較快，無法與之進行良好的結(jié)合，導(dǎo)致水泥土樁樁身結(jié)構(gòu)不完整，出現(xiàn)了“夾薄層”現(xiàn)象。

四、結(jié)語

綜上所述，水工建筑物地基處理的勘察、設(shè)計過程中，勘察設(shè)計人員不僅要靈活運用行業(yè)規(guī)范、地勘報告中的各類條款、各項參數(shù)，還要了解擬建場地各種工況時的水位，以保證后期方案選定更加符合實際，設(shè)計成果更加穩(wěn)定安全■