水泥土攪拌樁室內(nèi)配合比試驗(yàn)研究

摘" 要：通過(guò)對(duì)室內(nèi)水泥土配合比試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻入比的增大，水泥土強(qiáng)度先增大而后出現(xiàn)降低；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，水泥土強(qiáng)度增大，但不同水泥摻入比在同一養(yǎng)護(hù)齡期段強(qiáng)度增大速度不同。設(shè)計(jì)施工時(shí)可根據(jù)工程實(shí)際情況及工期要求參考室內(nèi)水泥土配合比試驗(yàn)結(jié)論及規(guī)律選擇合適的水泥摻入比。

關(guān)鍵詞：水泥土強(qiáng)度；水泥配合比；養(yǎng)護(hù)齡期；軟土地基；水泥土攪拌樁

中圖分類號(hào)：TU473.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0065-04

Abstract： Through the analysis of the data of indoor cement-soil mix ratio test， it is found that with the increase of cement mixing ratio， the cement-soil strength increases at first and then decreases. With the increase of curing age， the cement-soil strength increases， but the strength increases at different rates at the same curing age. During the design and construction， the appropriate cement mixing ratio can be selected according to the actual situation of the project and the requirements of the construction period， referring to the indoor cement-soil mix test conclusion and law.

Keywords： cement-soil strength; cement mix ratio; curing age; soft soil foundation; cement-soil mixing pile

處理加固軟土的方法中，水泥土攪拌法具有原位土利用率高，施工簡(jiǎn)單、工期短、成本低，施工中無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)泥漿水污染和無(wú)土體隆起，對(duì)周圍原有建筑物及地下溝管影響很小，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)需要可靈活采用柱狀、壁狀、格柵狀或塊狀等加固形式[1]的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此在工程界得到廣泛研究與應(yīng)用[2-7]。

水泥土攪拌法是通過(guò)深層攪拌的方法，將水泥作為固化劑與軟土就地強(qiáng)制攪拌混合，使水泥與軟土中的物質(zhì)成分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，硬化形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的樁體[8]。水泥土攪拌法形成的水泥土加固體，可作為豎向承載的復(fù)合地基；基坑工程圍擋墻、被動(dòng)應(yīng)力區(qū)加固、防滲帷幕；大體積水泥穩(wěn)定土等。

JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)前應(yīng)進(jìn)行處理地基土的室內(nèi)配比試驗(yàn)，針對(duì)擬處理地基土層的性質(zhì)，為設(shè)計(jì)提供不同齡期、不同配比的強(qiáng)度參數(shù)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件選擇合適的水泥摻入比。呂國(guó)仁等[2]提出水泥土中水泥的最佳摻入比為16%～18%；劉爽等[9]提出淤泥水泥土抗壓強(qiáng)度需在水泥摻量大于15%后才表現(xiàn)出明顯增幅。本文結(jié)合工程實(shí)際通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究與分析。

1" 室內(nèi)配合比試驗(yàn)

1.1" 試驗(yàn)材料概述

試驗(yàn)用水泥為嵐山牌硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為P·I 42.5，細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間和安定性合格。試驗(yàn)所用軟土取自江蘇響水縣陳家港鎮(zhèn)某危廢填埋場(chǎng)場(chǎng)地的海相沉積淤泥質(zhì)黏土，該層土的天然含水率為47.3%～48.8%，平均含水率為48.8%；天然密度為1.70～1.73 g/cm3，平均密度為1.702 g/cm3；有機(jī)質(zhì)含量為2.3%～4.2%，平均為3.2%。

1.2" 試驗(yàn)方法

本工程欲采用水泥土攪拌樁作為增強(qiáng)體，依據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》水泥摻量不應(yīng)小于12%，結(jié)合JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，試驗(yàn)設(shè)計(jì)按摻入的水泥質(zhì)量與被加固土的濕質(zhì)量之比為15%、18%和21% 3種水泥摻入比[10]。將水泥與軟土人工拌合均勻后裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體模具中，用直徑為10 mm端部磨圓的光滑鋼棒分層朝一個(gè)方向搗實(shí)抹平，用塑料薄膜及濕毛巾覆蓋保濕以保證其濕度大于50%，放在室內(nèi)溫度25 ℃的試驗(yàn)室經(jīng)過(guò)48 h后拆模。拆模后放在（20±5） ℃的自來(lái)水中保證水面高出試件表面不少于20 mm，養(yǎng)護(hù)7、14、28、90 d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，不同配合比及齡期每組制樣6件[10]。

2" 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1" 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同齡期水泥土試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)前用擰干的濕毛巾擦干試件表面，測(cè)量試件尺寸。選用量程合適的壓力試驗(yàn)機(jī)以0.03～0.15 kN/s的速率連續(xù)均勻地對(duì)試件加荷，直至試件破壞并記錄破壞荷載，結(jié)合試件的橫截面積計(jì)算出相應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。每組試驗(yàn)結(jié)束，計(jì)算出6個(gè)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值、最大值與平均值之差、最小值與平均值之差。當(dāng)6個(gè)試件的最大值或最小值與平均值之差小于平均值的20%時(shí)，以平均值作為該組試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；當(dāng)6個(gè)試件的最大值或最小值與平均值之差大于平均值的20%時(shí)，取中間4個(gè)試件的平均值作為該組試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；當(dāng)中間4個(gè)試件中最大值或最小值與平均值之差大于平均值的20%時(shí)，該組試件的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)作廢，應(yīng)重新制備試件進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同配合比、不同齡期水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2" 水泥摻入比對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

對(duì)于不同養(yǎng)護(hù)齡期，由圖1水泥摻入比對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響關(guān)系圖可知，7 d及14 d齡期水泥土強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增大而增大，7 d齡期21%水泥摻入比的水泥土強(qiáng)度是15%水泥摻入比水泥土強(qiáng)度的2.23倍，強(qiáng)度提高123%；14 d齡期21%水泥摻入比的水泥土強(qiáng)度是15%水泥摻入比的水泥土強(qiáng)度的1.83倍，強(qiáng)度提高83%。

28 d齡期水泥土強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增大而減小， 18%水泥摻入比的水泥土強(qiáng)度是15%水泥摻入比水泥土強(qiáng)度的0.53倍，強(qiáng)度降低47%；21%水泥摻入比的水泥土強(qiáng)度是15%水泥摻入比的水泥土強(qiáng)度的0.39倍，強(qiáng)度降低61%；21%水泥摻入比水泥土強(qiáng)度是18%水泥摻入比水泥土強(qiáng)度的0.74倍，強(qiáng)度降低26%。

90 d齡期水泥土強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增大先增大而后降低，18%水泥摻入比水泥土強(qiáng)度是15%水泥土摻入比水泥土強(qiáng)度的1.93倍，強(qiáng)度提高93%；21%水泥摻入比水泥土強(qiáng)度是18%水泥摻入比水泥土強(qiáng)度的0.45倍，強(qiáng)度降低55%；21%水泥摻入比水泥土強(qiáng)度小于15%水泥摻入比水泥土強(qiáng)度。

2.3" 齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

對(duì)于不同水泥摻入比，由圖2養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響關(guān)系圖可看出，同一水泥摻入比，水泥土的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大[3]，但水泥摻入比不同時(shí)，不同齡期段水泥土強(qiáng)度增大的幅度不同。

水泥摻入比為15%時(shí)，7—14 d齡期水泥土強(qiáng)度提高約76%，14—28 d齡期水泥土強(qiáng)度提高約462%，28—90 d齡期水泥土強(qiáng)度提高約17%，其中，14—28 d齡期水泥土強(qiáng)度提高最顯著。

水泥摻入比為18%時(shí)，7—14 d齡期水泥土強(qiáng)度提高約47%，14—28 d齡期水泥土強(qiáng)度提高約293%，28—90 d齡期水泥土強(qiáng)度提高約328%，其中，28—90 d齡期水泥土強(qiáng)度提高最顯著。

水泥摻入比為21%時(shí)，7—14 d齡期水泥土強(qiáng)度提高約45%，14—28 d齡期水泥土強(qiáng)度提高約20%，28—90 d齡期水泥土強(qiáng)度提高約161%，其中，28—90 d齡期水泥土強(qiáng)度提高最顯著。

由3種不同水泥摻入比水泥土強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)的對(duì)比結(jié)果可以看出，15%的水泥摻入比時(shí)，14—28 d齡期水泥土強(qiáng)度提高最顯著；18%及21%的水泥摻入比時(shí)，28—90 d齡期水泥土強(qiáng)度提高最顯著，但21%水泥摻入比的強(qiáng)度提高幅度較18%水泥摻入比強(qiáng)度提高幅度更大。

2.4" 水泥摻入比及齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度影響機(jī)理

水泥加固軟土基本原理基于水泥與軟土之間混合以后產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng)，包括水泥的水解和水化學(xué)反應(yīng)、硬凝反應(yīng)、水泥和軟土之間的離子交換和團(tuán)?；饔?，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。影響水泥土物理力學(xué)特性的因素很多，包括水泥摻入比、水泥強(qiáng)度等級(jí)、齡期、被處理地基土的土性、含水率、有機(jī)質(zhì)含量、外加劑和養(yǎng)護(hù)條件等。

隨著水泥摻入比的增加，軟土含水量逐漸減小，孔隙比逐漸減小，強(qiáng)度逐漸增大，但當(dāng)孔隙比減小到一定程度時(shí)水泥與軟土拌合后的水化反應(yīng)就不夠充分，難以形成足夠的水泥石骨料和較大的土粒團(tuán)，使水泥土的整體性降低，進(jìn)而強(qiáng)度降低。

水泥的水解和水化學(xué)、硬化是一個(gè)復(fù)雜而緩慢的過(guò)程，硬凝反應(yīng)、水泥與軟土之間離子交換和團(tuán)?；饔靡彩且粋€(gè)緩慢的過(guò)程，水泥土強(qiáng)度隨這些物理化學(xué)反應(yīng)的發(fā)展不斷增長(zhǎng)[3]。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，水泥土的強(qiáng)度逐漸增大，但不同的水泥摻入比，從7、14、28和90 d水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度不同。由于齡期超過(guò)3個(gè)月后，水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，以90 d齡期試塊的立方體抗壓強(qiáng)度作為水泥土強(qiáng)度[1]。當(dāng)水泥摻入比為15%時(shí)，14 d齡期水泥土強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的15%，而28 d齡期強(qiáng)度可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的86%；當(dāng)水泥摻入比為18%時(shí)，14 d齡期水泥土強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的6%，28 d齡期強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的23%，28—90 d這段時(shí)間強(qiáng)度增大顯著；當(dāng)水泥土摻入比為21%時(shí)，7 d齡期水泥土強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的22%，28 d齡期水泥土強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的38%，強(qiáng)度增長(zhǎng)比較快的時(shí)間段也是在28—90 d齡期。

3" 結(jié)論

水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是衡量軟土水泥攪拌樁體強(qiáng)度的最主要指標(biāo)，也是水泥攪拌樁設(shè)計(jì)施工時(shí)考慮的一個(gè)重要參數(shù)[11]。通過(guò)本次的室內(nèi)水泥土配合比試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論。

1）本次室內(nèi)水泥土配合比試驗(yàn)表明，水泥土的強(qiáng)度比軟土的強(qiáng)度提高上百倍。

2）水泥土強(qiáng)度并不是隨著水泥摻入比的增大而增大，隨著水泥摻入比的增加，水泥土強(qiáng)度先增大而后出現(xiàn)降低。

3）隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)水泥土強(qiáng)度增大，但不同水泥摻入比在同一養(yǎng)護(hù)齡期段強(qiáng)度增大速度不同。

4）設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際需求結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的水泥摻入比。

5）由于影響水泥土強(qiáng)度的因素很多，本文僅針對(duì)響水陳家港鎮(zhèn)海相軟土探索了水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，其他諸如土的含水量、有機(jī)質(zhì)含量、pH，以及水泥標(biāo)號(hào)和強(qiáng)度等級(jí)、水灰比等因素對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究分析。

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