吹填土場(chǎng)地水泥土攪拌樁強(qiáng)度隨深度變化規(guī)律

程 鋒，劉 濤，馬志遠(yuǎn),陳家彬,李 碩,梁瑞龍,張瑤光,趙 昕

(1.中交(天津)軌道交通工程建設(shè)有限公司，天津 300060；2.天津市交通科學(xué)研究院，天津 300060)

1 概述

面臨城市中愈發(fā)嚴(yán)峻的陸地面積壓力，填海造陸已經(jīng)成為常見(jiàn)的緩解地面壓力的方法之一，而填海造陸必然會(huì)對(duì)吹填土軟土地基場(chǎng)地進(jìn)行加固處理，水泥土攪拌樁加固方法是最常用的加固方法之一，因此對(duì)水泥土攪拌樁成樁強(qiáng)度的研究就顯得尤為重要了。

Paulo J.Venda Oliveira等[1]采用數(shù)值模型研究了普通固結(jié)軟土地基上深層攪拌樁加固路堤的效果，并且依照沉降量、有效應(yīng)力增量等對(duì)數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了參數(shù)分析。研究發(fā)現(xiàn)，使用深層攪拌樁加固路堤地基是非常有效的，能夠有效地控制沉降以及減少不均勻沉降的產(chǎn)生，并且由于拱形效應(yīng)，路堤施加的荷載基本上集中在深層攪拌樁上，對(duì)土體的有效應(yīng)力增量可以忽略不計(jì)。Yan Jiang等[2]同樣也通過(guò)三維有限元方法分析得到深層攪拌樁可以有效提高軟土地基的承載能力和穩(wěn)定性，減少地基的總沉降和差異沉降。Song-Yu Liu等[3]以及Chana Phutthananon等[4]介紹了一種新型的T形水泥土攪拌樁，與傳統(tǒng)的水泥土攪拌樁不同的是，新型攪拌樁的橫截面沿?cái)嚢枭疃茸兓罅康乃酀{被注入，并使用專門(mén)設(shè)計(jì)的攪拌刀片與地基土壤徹底混合，在更好地保證水泥土攪拌樁強(qiáng)度的同時(shí)，還可以很好的減少施工成本。黃炳德等[5]基于上海軟土地層多個(gè)深大基坑工程實(shí)踐，對(duì)不同深度、厚度和應(yīng)用形式TRD水泥土攪拌墻墻體芯樣強(qiáng)度試驗(yàn)成果進(jìn)行系統(tǒng)研究。研究表明，不同土層中墻體芯樣表觀無(wú)明顯差異，墻深范圍內(nèi)墻體的完整性和均一性均較好，墻體芯樣28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值普遍大于1.0 MPa，且淺層軟黏土和深層砂土中水泥土強(qiáng)度無(wú)明顯差異。袁文俊等[6]以水泥摻量、綜合含水率和水泥齡期為控制變量對(duì)水泥土進(jìn)行了室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得其強(qiáng)度變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量和齡期的增加而提高，隨著綜合含水率的增加而降低。并且根據(jù)合理可行的施工工藝參數(shù)推導(dǎo)出了水泥土攪拌法施工綜合協(xié)調(diào)參數(shù)公式。梁志榮等[7]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水泥土強(qiáng)度不但與齡期有關(guān),還與土層性質(zhì)有很大關(guān)系,但同一標(biāo)高截面處套打區(qū)域和非套打區(qū)域強(qiáng)度差異不明顯。并且取漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于取芯強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果比較均勻、離散性小,更加接近于攪拌樁的實(shí)際強(qiáng)度，因?yàn)槿⌒具^(guò)程中對(duì)芯樣的損傷而使試驗(yàn)強(qiáng)度值偏低,取漿強(qiáng)度值與取芯強(qiáng)度值的比值在1.3～1.6之間。趙春風(fēng)等[8]針對(duì)目前中國(guó)水泥土攪拌樁施工工藝上存在的一些問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)了五軸水泥土攪拌樁新技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在各土層中，三軸水泥土攪拌樁的樁身強(qiáng)度值較低，且離散性較大，二軸水泥土攪拌樁的強(qiáng)度較好，但不同齡期的強(qiáng)度值離散性變化較大，而五軸水泥土攪拌樁的強(qiáng)度值最高，離散性也較小，具有良好的推廣和應(yīng)用前景。陳富等[9]結(jié)合黃驊港地區(qū)水泥土攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的結(jié)果，介紹了一種翻土葉片后中間位置扇形噴漿的水泥攪拌樁鉆頭，可以提高樁身的攪拌均勻性，并減少地面返漿量，從而提高水泥土攪拌樁的強(qiáng)度以及施工質(zhì)量。

上述對(duì)于水泥土攪拌樁強(qiáng)度的研究大部分是針對(duì)軟黏土地基的，而對(duì)于吹填土地基中成樁強(qiáng)度的研究比較少，并且目前國(guó)內(nèi)暫未形成針對(duì)吹填造陸區(qū)有機(jī)質(zhì)含量高、含鹽量高、含水率高、孔隙比大、沉降時(shí)間短特點(diǎn)的成熟施工工藝，僅依靠施工企業(yè)提高水泥含量和增加攪噴遍數(shù)的方式提高成樁效果，施工成本高，施工進(jìn)度慢，如何在吹填造陸區(qū)地基加固樁施工過(guò)程中合理控制施工參數(shù)，最大程度的提高水泥土攪拌樁質(zhì)量以及降低工后沉降，是亟需解決的技術(shù)難題。

本文以天津市濱海南疆吹填造陸區(qū)的工程項(xiàng)目為依托，對(duì)濱海吹填土場(chǎng)地原狀土的物理力學(xué)性能進(jìn)行了取樣分析，并且利用原狀土進(jìn)行了室內(nèi)水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)的試樁試驗(yàn)，并對(duì)取芯結(jié)果進(jìn)行了分析討論，為以后吹填場(chǎng)地水泥土攪拌樁加固質(zhì)量的提高提供了一定的建議和參考。

2 工程概況

2.1 場(chǎng)地位置及地層結(jié)構(gòu)

天津港南疆礦石鐵路專用線擴(kuò)建工程線路位于天津市濱海新區(qū)南疆港，其場(chǎng)地位置詳見(jiàn)圖1。

天津南疆港工業(yè)區(qū)位于天津市濱海新區(qū)東南部。水泥攪拌樁施工區(qū)均屬?zèng)_積、海積平原及人工填海造陸區(qū)(海域吹填)，總體地形平坦，地勢(shì)開(kāi)闊，大部分為工業(yè)用地。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

工程采用HP-5A型深層攪拌樁機(jī)，功率45 kW，攪拌轉(zhuǎn)速35 r/min。試樁總體過(guò)程為：鉆機(jī)就位→攪拌下沉→制備漿液→噴漿提升→重復(fù)攪拌下沉→重復(fù)噴漿攪拌提升→樁機(jī)移位。具體施工順序如下：

1)樁機(jī)定位、對(duì)中。放好攪拌樁樁位后，移動(dòng)攪拌樁機(jī)到達(dá)指定樁位，對(duì)中。2)調(diào)整導(dǎo)向架垂直度。采用經(jīng)緯儀或吊線錘雙向控制導(dǎo)向架垂直度。按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，垂直度小于1.0%樁長(zhǎng)。3)預(yù)先攪拌下沉。啟動(dòng)深層攪拌樁機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)，待攪拌頭轉(zhuǎn)速正常后，方可使鉆桿沿導(dǎo)向架邊下沉邊攪拌，下沉速度可通過(guò)檔位調(diào)控，工作電流不應(yīng)大于額定值。4)拌制漿液。深層攪拌機(jī)預(yù)攪下沉的同時(shí)，后臺(tái)拌制水泥漿液，待壓漿前將漿液放入集料斗中。選用水泥標(biāo)號(hào)P.O42.5水泥或ZYDD-A型固化劑拌制漿液，水灰比為0.6。5)噴漿攪拌提升。下沉到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，開(kāi)啟灰漿泵，通過(guò)管路送漿至攪拌頭出漿口，出漿后啟動(dòng)攪拌樁機(jī)及拉緊鏈條裝置，按設(shè)計(jì)確定的提升速度(0.5 m/min～0.8 m/min)邊噴漿攪拌邊提升鉆桿，使?jié){液和土體充分拌和。6)重復(fù)攪拌下沉。攪拌鉆頭提升至樁頂以上500 mm高后，關(guān)閉灰漿泵，重復(fù)攪拌下沉至設(shè)計(jì)深度，下沉速度按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。7)噴漿重復(fù)攪拌提升。下沉到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，噴漿重復(fù)攪拌提升，一直提升至地面。8)樁機(jī)移位。施工完一根樁后，移動(dòng)樁機(jī)至下一根樁位，重復(fù)以上步驟進(jìn)行下一根樁的施工。

2.3 土質(zhì)分析

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)布置鉆孔，獲取原狀土，對(duì)其進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，檢測(cè)出了原狀土中的有機(jī)質(zhì)含量并且對(duì)原狀土進(jìn)行了顆粒分析。

通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)可知南疆港吹填土地基有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.5%～2.0%。饒彩琴等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))少于5%時(shí),水泥土強(qiáng)度受有機(jī)質(zhì)含量影響較小，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過(guò)5%時(shí),其對(duì)水泥土的強(qiáng)度影響較大。上述研究表明，南疆港吹填土地基1.5%～2.0%的有機(jī)質(zhì)含量并不高，對(duì)水泥土的固化和強(qiáng)度影響不大。

通過(guò)對(duì)原狀土進(jìn)行顆粒分析，并由顆粒分析結(jié)果繪制出顆粒級(jí)配曲線，如圖2所示。由圖2可知，土體顆粒較小，粒徑小于0.002 mm的顆?；境^(guò)20%，并且根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)，各層土體塑性指數(shù)為11～18，因此南疆港吹填土黏性較大。吳良斌[11]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在軟土地基中，由于軟土黏粒帶靜電水膜的土質(zhì)結(jié)構(gòu)、飽和、流塑狀、有機(jī)質(zhì)含量高等性質(zhì)特點(diǎn)，使得攪拌樁的水泥漿不容易停留在軟土中和土的黏粒攪拌在一起，因此不容易拌合。由上述結(jié)果以及研究分析可知，濱海吹填造陸區(qū)吹填土黏性較大，根據(jù)其形成過(guò)程可知，來(lái)源多為黏性很大的淤泥質(zhì)黏土。加之滲透系數(shù)低、含水量高，因此加入水泥漿液時(shí)，需要較多的攪拌次數(shù)才能形成均勻的水泥土。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

選取不同水泥摻量、不同地基土等進(jìn)行試配，分別進(jìn)行室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)試配結(jié)果，選定符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的最佳水泥摻入比，每個(gè)配合比進(jìn)行7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。其中，水泥摻量分別選取12%和24%，水泥型號(hào)選取P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比(質(zhì)量比)為0.6。其中試驗(yàn)的制樣過(guò)程如下：

1)土樣制配:采用濕土法進(jìn)行試配，土直接過(guò)5 mm篩。

2)試樣拌和:依據(jù)配合比分別稱量土、水泥和水，將土料和水泥放在攪拌器內(nèi)攪拌均勻，而后將水均勻?yàn)⒃谒嗤辽线M(jìn)行拌和，直至均勻，攪拌時(shí)間不應(yīng)少于10 min，且不應(yīng)超過(guò)20 min。

3)試件的制作：選定70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標(biāo)準(zhǔn)試模，每組成型3個(gè)試件，成型試驗(yàn)室溫度應(yīng)為25 ℃±5 ℃，相對(duì)濕度不應(yīng)低于50%；將試樣均勻的裝入試模，并將試模附著在振動(dòng)臺(tái)上，振實(shí)時(shí)間不應(yīng)少于2 min，振實(shí)后試樣應(yīng)高于試模上沿口，最后將試件表面刮平，蓋上塑料薄膜防備水分蒸發(fā)過(guò)快。

4)試件的養(yǎng)護(hù)：試件成型后，依據(jù)水泥強(qiáng)度決定拆模時(shí)間，一般為1 d～2 d拆模；拆模后檢查試件外觀，后將試件放入溫度應(yīng)為20 ℃±1 ℃，相對(duì)濕度不應(yīng)低于90%標(biāo)養(yǎng)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

最終的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，由表1可知，不同水泥摻量、不同地基土制備而成的六種水泥土試樣均滿足設(shè)計(jì)要求(水泥土室內(nèi)28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.0 MPa)。

表1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 MPa

通過(guò)不同配合比的水泥土試驗(yàn)可知，南疆港原狀吹填土在不同的水泥摻量、充分?jǐn)嚢杈鶆虻那闆r下，可以滿足28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.0 MPa，強(qiáng)度質(zhì)量較好。并且室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)際上驗(yàn)證了上述南疆港原狀土有機(jī)質(zhì)含量并不會(huì)影響水泥土強(qiáng)度的結(jié)論。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試樁取芯

現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)中，攪拌樁機(jī)的鉆進(jìn)速度0.8 m/min，提升速度為0.6 m/min，水泥采用經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，施工用水采用自來(lái)水，樁徑取0.6 m，水灰比(質(zhì)量比)為0.6，天然含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為32.2%，濕密度為1.93 g/cm3，注漿壓力為0.5 MPa。噴攪遍數(shù)遵循兩噴四攪的原則。試驗(yàn)實(shí)施期間，嚴(yán)格保證噴漿過(guò)程中注漿泵流量穩(wěn)定持續(xù)。

其中試驗(yàn)中選用了不同摻量、不同膠凝材料的試樁，表2詳細(xì)介紹了各試樁施工的具體參數(shù)。

表2 試樁施工參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)取出的試樁樁芯(如圖3所示)對(duì)不同深度分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到各試樁取芯后的抗壓強(qiáng)度沿樁身深度分布圖，見(jiàn)圖4。

由圖4(a)可知，18 d齡期后水泥土芯樣SN-3的最大強(qiáng)度為0.7 MPa，而固化劑樁芯樣GH-3,GH-4的最大強(qiáng)度則為4.0 MPa,5.4 MPa，分別出現(xiàn)在2 m，5 m深度處，這說(shuō)明固化劑樁芯的抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于水泥土樁芯的抗壓強(qiáng)度。同樣的，由圖4(b)，圖4(c)可知，28 d齡期后同樣摻量的情況下固化劑樁芯的強(qiáng)度要明顯大于水泥土樁芯的強(qiáng)度。這說(shuō)明固化劑對(duì)于提高樁身完整性可以發(fā)揮很大的作用，性能要明顯優(yōu)于水泥土。并且隨著膠凝材料摻量的不斷增加，試樁樁芯的強(qiáng)度得到了很大的提高，比如圖4(c)中GH-3以及GH-4在相同的樁身深度5 m處的抗壓強(qiáng)度分別為1.7 MPa和5.3 MPa，提高了約212%；圖4(b)中SN-1以及SN-4在相同的樁身深度1 m處的抗壓強(qiáng)度分別為3.2 MPa和7.4 MPa，提高了約131%。

通過(guò)對(duì)所有分布圖的觀察發(fā)現(xiàn)，這些樁芯都有一個(gè)共性：試樁樁芯的抗壓強(qiáng)度基本都呈現(xiàn)自上到下強(qiáng)度逐漸衰減的趨勢(shì)。

4 討論與分析

上述取芯試驗(yàn)結(jié)果得到試樁樁芯的抗壓強(qiáng)度基本都呈現(xiàn)自上到下強(qiáng)度逐漸衰減的趨勢(shì)。產(chǎn)生這種趨勢(shì)的主要原因如下：

1)由于地下水位的影響，2 m以上芯樣在水位以上，而2 m以下芯樣在水位以下，水位線以下水泥土強(qiáng)度上升慢，因此上層芯樣的強(qiáng)度要大于下層芯樣的強(qiáng)度。

2)如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)采用雙層直葉片攪拌，相對(duì)于多層葉片，攪拌能力較低。攪拌樁施工當(dāng)中的攪拌次數(shù)過(guò)少，導(dǎo)致漿液與原狀土并沒(méi)有均勻的混合在一起。同時(shí)，如圖6所示，地層壓力上小下大，雙層直葉片遮擋能力不夠，最終尚未混合的水泥漿液會(huì)在土層中上返，導(dǎo)致下層摻入水泥量較低，從而造成下層樁芯的強(qiáng)度較低。

5 結(jié)論與展望

本文以天津市濱海南疆吹填造陸區(qū)的工程項(xiàng)目為依托，對(duì)濱海吹填土場(chǎng)地原狀土的物理力學(xué)性能進(jìn)行了取樣分析，并且利用原狀土進(jìn)行了室內(nèi)水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)的試樁試驗(yàn)，并對(duì)取芯結(jié)果進(jìn)行了分析討論，主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣，開(kāi)展了系列室內(nèi)試驗(yàn)，獲取了濱海吹填造陸區(qū)原狀土物理力學(xué)性能。南疆吹填土地基有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不高，為1.5%～2.0%，對(duì)水泥土的固化和強(qiáng)度影響不大；但是其黏性較大，加之滲透系數(shù)低、含水量高，因此加入水泥漿液時(shí)，需要較多的攪拌次數(shù)才能形成均勻的水泥土。

2)通過(guò)不同配合比的室內(nèi)水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)可知，南疆港原狀吹填土在不同的水泥摻量、充分?jǐn)嚢杈鶆虻那闆r下，可以滿足28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.0 MPa，強(qiáng)度質(zhì)量較好。

3)固化劑樁芯樣強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于水泥樁芯樣，固化劑樁芯樣的完整性要優(yōu)于水泥樁芯樣的完整性，固化劑對(duì)提高樁身完整性發(fā)揮很大作用。

4)試樁芯樣呈現(xiàn)自上到下強(qiáng)度逐漸衰減的趨勢(shì)。第一，2 m以上芯樣在水位以上，2 m以下芯樣在水位以下，水位線以下水泥土強(qiáng)度上升慢。第二，粉質(zhì)黏土不容易攪拌均勻，漿液會(huì)上返，導(dǎo)致中下段摻入水泥量較低，強(qiáng)度較低或無(wú)法形成強(qiáng)度。

今后的吹填土場(chǎng)地水泥土攪拌樁加固施工中，建議改進(jìn)水泥攪拌樁攪拌設(shè)備，提高水泥與原位土體攪拌均勻性，如何更好地改進(jìn)施工設(shè)備還需要進(jìn)一步地研究。