用測定水泥含量的方法控制水泥攪拌樁施工質量的研究

毛 寧 王保田 宋為廣 杜妍平

（1.江蘇省交通運輸廳航道局 南京 210004； 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室 南京 210098；3.河海大學巖土工程科學研究所 南京 210098）

水泥攪拌樁是軟基處理中常用的處理方法，它是將水泥與地基土原位攪拌成水泥土圓柱體，與周圍土體共同形成復合地基，以提高地基的穩定性和承載力［1］。水泥攪拌樁也可做成連續的地下水泥土壁墻和水泥土塊體以承受荷載或隔水［2］。該技術因其錨固效果較好，施工快速，造價低，噪音小，對相鄰建筑物無不利影響，在軟弱地基加固中具有廣闊的發展前景［3］。目前，水泥攪拌樁的質量檢測方法有28 d后鉆孔取心法、靜載試驗法、靜力觸探法和標貫法［4］等檢測方法。實踐證明，上述檢測方法均偏重于檢測樁體某一方面指標以間接反映水泥攪拌樁質量，不僅存在一定的片面性，而且齡期長，費用高，過程繁瑣［5］。

事實上，水泥含量和水泥土攪拌的均勻程度是水泥攪拌樁成樁質量的直接指標。水泥攪拌樁在攪拌過程中若水泥含量滿足設計要求且攪拌均勻，樁的質量一般能達到要求；水泥攪拌樁在成樁后6 h內水泥土漿液具有一定的流動性，利用這一特性，可以方便取樣檢驗。基于以上2點認識，筆者設計研發出管式側開閉口軟土取土裝置，在水泥攪拌樁施工完成后及水泥土漿液初凝之前取出水泥土漿液，并提出改進EDTA法檢測其水泥含量，分析水泥攪拌樁施工質量，探討了一種無損、快速檢測水泥攪拌樁質量的方法。

1 水泥含量檢測方法原理

1.1 取土裝置的設計研發

傳統取土裝置存在對軟土采樣率低，取樣深度難以確定，操作效率低等缺點。根據本文試驗的特點，研發了一種管式側開閉口軟土取土裝置。該裝置可以一次性在水泥攪拌樁目標深度范圍內每隔20 c m取樣，取土裝置由管體部分及鉆頭組成，見圖1～2。取土管由若干節類似于靜力觸探桿的取土管（每節取土管長100 c m）組成。每節取土管含有5個取土器，每個取土器間隔20 c m，取土器上開有長方形進土孔，在孔上安裝有活動門。取土時，利用靜力觸探設備將取土管下壓和提升。取土器下壓到土層里時，活動門關閉；在取土器上提過程中，活動門打開，土樣進入取土器內。每個取土器間相互隔離，保證取樣獨立。

圖1 取樣器取土管示意圖

圖2 取樣器取土管圖

1.2 改進EDTA滴定法檢測水泥含量

EDTA滴定法測量水泥含量的原理是利用綜合劑乙二胺四乙酸鹽與水泥土中的Ca2＋發生綜合反應，通過EDTA的消耗量計算鈣離子含量來獲得水泥含量。常規EDTA滴定法僅適用于水泥穩定土的填料水泥劑量的檢測［6］，水泥攪拌樁的質量檢測一般要等到施工28 d后才進行取心檢測，齡期較長，并且水泥攪拌樁往往分布于不同土層，含水率變化很大。針對上述影響因素，改進EDTA滴定法以適應水泥攪拌樁的水泥含量檢測。具體試驗內容如下：

（1）準備標準曲線。取水泥攪拌樁深度范圍內不同土層的土樣，為模擬現場條件，將土調勻至天然含水率。配制摻量為12%，15%，18%，20%，22%，25%的水泥改性土，將試樣密封并放在溫度為20℃，環境濕度為90%的地下室內養護成型。分別在養護1，3，6，12，24 h和3，7，14，28 d后，稱取100 g不同摻量的標準樣，用EDTA滴定法得到各個標準樣的EDTA消耗量，并同時測定含水率。為了消除含水率對試驗的影響，本試驗采用100 g干土EDTA的消耗量指標繪制水泥含量標定曲線圖。換算關系為：100 g干土EDTA消耗量＝100 g濕土EDTA消耗量×（1＋含水率）。得到相應齡期的100 g干土EDTA水泥含量標準曲線，見圖3。

圖3 EDTA消耗量標準曲線

（2）現場取樣測定水泥含量。水泥攪拌樁施工完成后，使用研制的取土裝置取土，滴定得出不同深度土樣EDTA標準液的消耗量，用標準曲線圖即可查得心樣的水泥含量。繪制水泥含量隨深度的變化曲線圖，分析各個深度水泥含量和拌和均勻性，判斷水泥攪拌樁成樁質量，反饋施工。

2 應用實例

通過楊林船閘工程水泥攪拌試驗樁試驗，驗證了水泥含量檢測的準確性和適用性。

2.1 工程概況

楊林船閘為三級船閘，設計最大船舶等級為1 000 t，擬采用水泥攪拌樁法處理上、下游引航道軟弱地基及加固下游斜坡式護岸。巖土工程勘察報告提供的該場地主要加固的土層為1-2（Q4al）淤泥質粘土（層頂面埋深1.2～4.3 m，一般厚度16.0～19.9 m）和1-2b（Q4al）淤泥（層厚1.5～9.0 m）。水泥攪拌試驗樁設計樁徑為700 mm，樁長為20.8 m，樁間距1.0 m。固化劑選用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.55。

2.2 試驗成果及分析

圖4為水泥攪拌樁攪拌結束后利用管式側開閉口軟土取土裝置取土、齡期為3 h的水泥含量檢測成果圖，該樁設計水泥含量20%。由于氯化銨對水泥土的溶解能力有限，水泥劑量大于30%時，試驗精度會降低［7］，計算得到水泥含量大于35%時本文按35%計。

圖4 齡期3 h樁水泥含量檢測成果圖

由圖4可見，整樁平均水泥含量為21.5%；0～3 m樁體水泥含量低于設計值；3～6 m土體水泥含量較高，基本大于35%；10 m以下樁體土體水泥含量波動大，最小值4.7%，最大值大于5.0%，平均水泥含量為18.1%。通過分析，認為存在水泥漿上浮和攪拌不均勻的質量問題，建議改進施工工藝，提高拌和均勻性。

圖5和圖6為水泥攪拌樁成樁后齡期28 d的鉆心取樣水泥含量分布圖和無側限抗壓強度曲線圖。

圖5 齡期28 d樁水泥含量隨深度分布圖

圖6 齡期28 d樁心樣 無側限抗壓強度圖

該樁無側限強度設計值為0.84 MPa，水泥含量設計值為20%，每隔1 m取1個試樣進行檢測。取心結果表明，樁2～9 m處的無側限抗壓強度為2.57～2.69 MPa，遠遠大于設計值0.87 MPa，對應水泥含量較高，大于35%；0～20 m處的無側限抗壓強度較低，小于0.5 MPa，其對應的水泥含量偏低，平均13.8%。

檢測結果表明，水泥含量檢測和強度檢測結論一致。綜合心樣強度檢測和水泥含量檢測結果可以判斷該樁強度達不到要求的原因，即攪拌樁下部攪拌時水泥漿上浮，導致轉體上部水泥富集，下部水泥偏少，并且拌和不均勻。針對檢測結果，建議采取調整施工工藝，加強復攪，改進攪拌刀具等措施。

3 結論

（1）用測定水泥含量的方法控制水泥攪拌樁施工質量，該方法將水泥含量作為水泥攪拌樁質量評判指標，能夠直觀、定量反映水泥攪拌樁施工質量。

（2）借助于管式側開閉口軟土取土裝置獲取水泥土漿液，可以檢測攪拌樁樁身任意處水泥含量及拌和均勻性，不會對攪拌樁樁身的強度和止水性能帶來損害，并且現場操作方便，費用低。

（3）水泥含量檢測法克服了傳統取心檢測受齡期的限制，在實際運用中，既可在施工初期用該法對試驗樁進行分析評價，及時反饋，分析和適時調整施工工藝，也可在施工后期用該法對樁進行抽檢，控制施工質量。

（4）該方法彌補了常規檢測方法的不足，配合其他測試方法，可以綜合反映水泥攪拌樁的質量，將是水泥攪拌樁質量檢驗的一條新途徑。

［1］ 李春暖.深層水泥攪拌樁的作用機理及施工質量控制技術［J］.公路工程與運輸，2008（6）：218-219.

［2］ 顏恩鋒，孫友宏，許振華，等.深層水泥土攪拌樁在基坑支護中的應用［J］.巖土力學，2003，24（S）：90-93.

［3］ 向 瑋，劉松玉，朱志鐸，等.變徑水泥土攪拌樁加固橋頭軟基的試驗分析［J］.解放軍理工大學學報，2009（5）：478-482.

［4］ JGJ79－2002建筑地基處理技術規范［J］.北京：中國建筑工業出版社，2002.

［5］ 郭萬里，費遠航，陳宏祥，等.水泥攪拌樁檢測中存在的問題及解決思路［J］.科技創新導報，2012（25）：100-102.

［6］ JTG E51－2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程［J］.北京：人民交通出版社，2009.

［7］ 楊立國.EDTA滴定法在水泥攪拌樁水泥摻量檢測中的應用研究［D］.南京：河海大學，2010.