水泥攪拌樁加固珠江三角洲地區軟土地基適用性探討

唐 紅

(中鐵六局集團有限公司，北京 100036)

水泥攪拌樁是用于加固軟土地基的一種常見方法，它是利用水泥等材料作為固化劑，在地基一定范圍內，采用攪拌設備將軟土與固化劑強制攪拌，由固化劑和軟土間所產生的一系列物理—化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基強度和增大變形模量。但是，通過在珠江三角洲地區進行的水泥攪拌樁現場試驗表明，加固效果較差。

1 現場試驗

1.1 工程地質概況

試驗依托于新建廣州至珠海鐵路SG-5標段工程DK163+450—DK169+300段水泥攪拌樁對軟土地基的處理。試驗段處于海相堆積平原區，地下水埋深0～0.9 m，地基土依次為①種植土:灰色 ～灰褐色，軟塑，含較多植物根系，分布整個蕉林，厚0.7～3.0 m;②淤泥:灰黑色，飽和，流塑，主要由黏粒組成，含有機質，具臭味，含較多貝殼，力學性極差，分布于塘底以下，厚10.0～19.5 m;③淤泥質粉質黏土:灰 ～灰黑色，飽和，流塑，具臭味，力學性差，分布于淤泥之下，厚0～10.0 m;④黏土:褐色、灰白色，主要成分為黏粒，質純，飽和，軟塑，厚 2.5～8.0 m;⑤粗砂:灰白色，主要成分為石英質，含少量的黏性土，飽和，松散～稍密。

1.2 試驗安排

為滿足現場水泥土無側限抗壓強度不小于1.2 MPa，水泥攪拌樁單樁承載力特征值不小于78 kN的設計文件要求，在水泥攪拌樁正式施工前，在 DK163、DK169區間共組織了多次攪拌樁的試樁試驗，以確定工藝參數。試樁樁長12～18 m，樁徑φ500 mm。采用PC32.5水泥，水泥摻量分別為50 kg/m、55 kg/m、60 kg/m，水灰比為0.5∶1，試驗樁施工采用二噴四攪施工工藝進行。

1.3 試驗結果

試驗樁結束28 d后，對部分樁進行了取芯和無側限抗壓強度試驗，并對6根樁進行了單樁靜載試驗。從現場取芯情況看，成樁效果連續性、均勻性普遍較好，局部成樁效果較差(樁身無側限抗壓強度如表1所示)。從表1可以看出，隨著水泥摻量的增加，樁身的無側限抗壓強度稍有增加，但基本穩定在0.06～0.26 MPa強度值范圍內，遠遠低于設計值1.2 MPa，不能滿足設計要求。

表1 DK163、DK169取芯強度試驗(無側限抗壓儀)

從6根樁的單樁靜載荷試驗來看(見表2)，6根樁當加至一定荷載值時，承壓板周圍土體發生破壞，終止加載，并依據《鐵路工程基樁檢測技術規程》7.4.2條取破壞荷載的前一級荷載為極限荷載［1］，極限荷載都遠＜156 kN(單樁承載力特征值78 kN的2倍)。

表2 單樁抗壓靜載試驗結果統計

2 原因探討

1)珠江三角洲地區廣泛分布淤泥和淤泥質粉質黏土層，這種土具有天然含水量高、孔隙比高、壓縮性高、滲透性低、抗剪強度低、變形模量低等特征，攪拌機械的切削攪拌作用實際上不可能將這種土體粉碎，只能切削成一些大小不等的土團。在拌入水泥后，水泥漿將土團包裹，由于淤泥和淤泥質粉質黏土的滲透系數較小，水泥的水化反應僅在土團表面進行。水泥的各種水化物有的自身繼續硬化，有的則與其周圍具有一定活性的黏土顆粒發生離子交換和團粒化作用，形成一種獨特的水泥石骨架結構。

2)對于混凝土來說，當骨料強度小于混凝土的強度時，骨料強度對混凝土強度影響是很大的［2］。與混凝土相比，這種水泥包裹淤泥或淤泥質粉質黏土的結構由于力學性能很差的淤泥或淤泥質粉質黏土團代替了混凝土的骨料，因此，這種結構的強度主要來自水泥石骨架。當水泥石骨架的強度增加時，水泥土的結構強度就會提高。但是，從表1中針對不同水泥摻量的水泥土無側限抗壓強度可以看出，當水泥摻量較小時，水泥與土的反應較弱，水泥土固化程度低，強度離散性也較大且強度值偏低。從理論上來說，增加水泥摻量或提高水泥強度等級或充分攪拌，使土塊被粉碎得更小，都會提高水泥土結構強度。但是，這些因素在一定范圍內變化時，對提高水泥土結構的強度是有限度的。從表1中的平均強度來看，當水泥摻量從50 kg/m增加至60 kg/m時，對改善水泥土結構強度效果并不明顯。

3)珠江三角洲地區的淤泥和淤泥質粉質黏土中富含有機質，由于有機質含量高使土體具有較大的酸性，從而阻礙了水泥水化反應產生的鈣離子與組成黏土礦物的二氧化硅和三氧化二鋁等進行化學反應，并生成不溶于水的穩定結晶化合物，從而影響了水泥土強度的形成。

4)一般情況下，水泥土的強度隨著齡期的增長也會提高，在齡期超過28 d后仍有所增長，當齡期超過3個月后，水泥土的強度增長才趨于穩定。在其他條件相同時，不同齡期的水泥土無側限抗壓強度間關系大致呈線性關系，這些關系式如下［3］

式中 fcu28——28 d無側限抗壓強度;

fcu60——60 d無側限抗壓強度;

fcu90——90 d無側限抗壓強度。

因此，對于無側限抗壓強度在0.06～0.26 MPa強度值范圍內的水泥土，采用上式進行計算，在齡期超過90 d時，其強度值范圍最高也只能達到0.108～0.468 MPa左右，仍遠遠低于設計值1.2 MPa，不能滿足設計要求。

5)土體含水量對水泥土強度具有很大影響，水泥土的無側限抗壓強度fcu會隨著土體含水量的增大而降低。一般情況下，土體含水量每增大10%，則強度可減小10% ～50%［3-4］。因此，對于處于飽和狀態的淤泥和淤泥質粉質黏土來說，高含水量無疑在很大程度上影響了水泥土強度的形成。

3 結論

珠江三角洲地區表層土體主要為第四紀人工填土、海相沉積的淤泥、淤泥質粉質黏土、黏土等，呈飽和、流塑或軟塑狀態，富含有機質，力學性極差。通過對上述試驗結果進行分析發現，當水泥摻量較小時，淤泥和淤泥質粉質黏土與水泥攪拌形成的水泥土，加固效果差，強度值遠遠低于設計值，證明水泥攪拌樁不適合加固珠江三角洲地區軟土地基。為此，在新建廣州至珠海鐵路SG-5標段內，原設計為水泥攪拌樁的大部分地段設計改為橋梁，小部分地段改為預應力管樁。該項研究為在珠江三角洲地區進行軟土地基加固設計提供了借鑒。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10218—2008 鐵路工程基樁檢測技術規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［2］楊伯科.混凝土實用新技術手冊(第一版)［M］.長春:吉林科學技術出版社.1998.

［3］李彰明.軟土地基加固的理論、設計與施工(第一版)［M］.北京:中國電力出版社.2006.

［4］章吉青.深圳前灣 CI塘填海及軟基處理效果分析［J］.鐵道建筑，2009(10):82-84.