沿海軟基深層水泥攪拌樁復合地基工程性能室內模型試驗研究

曾斕　趙利平　張建球

摘要：文章通過深層水泥攪拌樁室內模型試驗，有針對性地研究在沿海軟基地區水泥種類、水泥摻入量、水灰比、齡期、外加劑和加固體攪拌程度等因素對水泥土加固體工程性能的影響規律，以及淺層和深層加固體的工程性能隨影響因素的變化規律，并根據試驗數據，基于回歸分析獲取沿海軟基地區水泥土加固體齡期與抗壓強度之間的經驗公式，以進行水泥土加固體隨齡期抗壓強度變化預測，為同類工程提供數據參考。

關鍵詞：深層水泥攪拌樁復合地基;水泥土加固體;室內試驗;工程性能

中國分類號：U416.03文獻標識碼：A

0 引言

軟土地基的地基穩定性較差，壓縮沉降較大，排水固結緩慢。修筑路基若在不進行地基處理的軟基上，常常會發生過量的沉陷或路基失穩等現象，最終導致路基不能正常使用或被破壞。這類工程由于施工技術和工程造價等方面原因，傳統的施工方法已經不能適應日益復雜的工程需要，最佳的處理方法是對軟土地基進行就地加固，而水泥攪拌樁等復合地基技術能最大限度地利用原狀土的承載力或其他力學性質。

水泥攪拌樁是指以水泥為固化劑與土體就地強制攪拌形成水泥土加固體固化硬結，以獲得強度高、整體性好和水穩性好的復合地基[1-8]。其中深層水泥攪拌樁是指水泥為固化主劑和軟基土體就地強制攪拌固結硬化，是水泥攪拌樁的一種情形，其適用于處理淤泥、砂土、淤泥質土、泥炭土和粉土，當用于處理地下水具有侵蝕性或泥炭土時，應通過試驗確定其適用性。

陳清發[9]針對潮州供水樞紐工程，對影響水泥攪拌樁抗壓強度的諸多因素和滲透系數等進行分析。時占勇、徐芝萍等[10]研究天津港水泥攪拌體不同齡期強度之間的關系。麻勇[11]通過室內試驗研究了港珠澳東人工島和天津港南疆港區軟土水泥攪拌樁加固體強度提高機理和工程應用。鄭旭衛[12]分析外加劑在單一因素和多因素變化下對灘涂淤泥固化土的變化規律。陳頁開、艾建文等[13]基于有限元法模擬土工格柵和水泥攪拌樁加固軟基，分析軟基的固結行為及路堤填土高度、樁彈性模量、樁間距對路堤沉降與固結行為的影響。黃朝煊[14]通過現場正交試驗，分析三山涂圍墾工程固化劑配比中各配方（水泥、減水劑、石膏和粉煤灰）摻量對淤泥固化土無側限抗壓強度的影響關系。云利江[15]通過室內三軸壓縮試驗，研究了水泥摻量、圍壓和齡期對加固體抗剪強度和脆性指標的影響。賀迎喜、李漢渤等[16]研究香港地區濱海軟土地基淤泥的土性參數、水泥摻量和養生齡期等因素對室內和現場加固體強度的影響。王永志、MohammadKhosravi等[17]通過CDM格柵復合黏土地基動力離心模型試驗分析加速度峰值放大系數、反應譜比、地表沉降、剪應力-剪應變等特征及變化。吳治華[18]以濱海地區淤泥為研究對象，通過固化試驗研究不同種類和摻量固化劑情況下的最佳含水率和淤泥填筑路基性能。張明[19]結合某填海造陸工程，針對填海工程中軟土地基表層加固技術進行試驗研究。

近些年來，我國集中于研究水泥攪拌樁的施工工藝、沉降特性、荷載傳遞規律和強度檢測等方面，但對于深層水泥攪拌樁系統的、全面的研究仍不足。大量工程證明，在工程實踐中針對性開展深層水泥攪拌樁體室內試驗研究是非常有必要的。

本文采用室內模型試驗方法，研究各影響因素對沿海軟基水泥土加固體抗壓強度提高規律。與原天然地基強度相比，深層水泥攪拌樁強度的提高效果明顯。為控制質量評價提供重要依據，得出淺層和深層土加固體的工程性能隨影響因素的變化規律，并進行對比分析。且根據試驗數據，基于回歸分析獲取沿海軟基地區水泥土加固體齡期與抗壓強度之間的經驗公式，可進行水泥土加固體隨齡期抗壓強度變化預測，為同類工程提供數據參考。

1 水泥攪拌樁復合地基工程性能室內試驗

1.1 試驗概況

北海鐵山港進港大道工程屬城市新建道路，位于北海市鐵山港（臨海）工業區，是北海鐵山港港口與外部聯系的主要通道之一。場址特殊性巖土主要為分布于原始地形海漫灘上的淤泥質砂、軟塑黏土等，局部稍厚，力學強度差，含水量大，為高壓縮性土，未經處理不能直接作為路基的地基土，且單一的強夯法難以實施。后經設計提出擬先對場地進行強夯處理，對不能強夯的路段采用深層水泥攪拌樁法處理。

影響深層水泥攪拌樁工程性能的主要因素有：水泥種類、水泥摻入量、水灰比、加固體齡期、外加劑性質和用量和加固體攪拌時間等。為了弄清楚各因素對加固體強度的影響程度，開展相關影響因素的室內分析試驗。

試驗土樣通過鉆孔取土，取自北海鐵山港1#～4#泊位進港大道工程，取淺層淺層素填土和深層黏土;試驗用水采用鐵山港的普通自來水，運送至試驗室;試驗固化劑以水泥為固化劑;試驗外加劑以添加粉煤灰作為外加劑，摻入外加劑的目的是為了改善水泥性能;試驗制備主要有JJ-5型號水泥膠砂攪拌機、平板振動臺、JM-C30 kg型號計重稱、WE-300B型萬能試驗機和電熱鼓風恒溫干燥箱等。參考《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）GB/T17671-1999》進行試驗。

1.2 試驗方案

試驗流程如圖1所示。試驗方案見表1。

1.3 試驗結果與分析

1.3.1 水泥土加固體抗壓強度

水泥種類對水泥土加固體抗壓強度的影響如圖2所示

圖2的試驗結果表明：

（1）摻入不同水泥種類的加固體的抗壓強度隨著齡期的增大而增大。試驗表明，在不同水泥種類時，淺層加固體抗壓強度范圍為1.5～7.3 [HTSS]MPa[HTXH]。摻入華潤牌P.O42.5水泥的加固體抗壓強度最大，其次分別為華潤牌P.Ⅱ42.5R、左江牌P.C32.5和華潤牌P.C32.5R水泥。

（2）加固體的強度隨著水泥強度等級的提高而增加。對于沿海軟土地基而言，水泥強度等級每提高一檔，加固體的強度約增加20%～40%。其次，普通硅酸鹽水泥比硅酸鹽水泥對強度增加更為有效。

水泥摻入量對水泥土加固體抗壓強度的影響如圖3所示。

試驗結果表明：對于淺層加固體，不同水泥摻入量的加固體的抗壓強度隨著齡期的增加而增加，后期強度增長幅度變緩，趨于平穩;對于深層加固體，在28 d前，除14%水泥摻入量的加固體，不同水泥摻入量的加固體的抗壓強度隨著齡期的增加而減小。在28 d后，加固體的抗壓強度隨著齡期的增加而增加，后期強度增長幅度變緩，趨于平穩。試驗表明，水泥摻入量為20%時，抗壓強度最大，其次分別為18%，16%和14%。加固體的抗壓強度隨著水泥摻入量的增加而增加。

水灰比對水泥土加固體抗壓強度的影響如圖4所示。

試驗結果表明：對于淺層加固體，設定不同水灰比試驗時，在28 d前，加固體的抗壓強度隨著齡期的增大而減小;在28 d時出現拐點，加固體強度隨著齡期的增大而增大;[JP+1]到了90 d增長的速度變緩，強度趨于穩定。而對于深層加固體，抗壓強度隨著齡期的增大而增大，到了90 d增長的速度變緩，強度趨于穩定。在不同水灰比時，兩者抗壓強度范圍相近。其次，若將水灰比設定為0.45%時，有利于淺層加固體強度增長;若將水灰比設定為0.50%時，有利于深層加固體強度增長，但對于淺層加固體效果較差。

齡期對水泥土加固體抗壓強度的影響如圖5所示。

試驗結果表明：

（1）在不同水泥摻入量情況下，加固體抗壓強度隨齡期的增長而提高。齡期在90 d前，加固體抗壓強度有明顯的增長;90 d后，加固體抗壓強度的增長幅度變緩。不同土體在不同齡期下，加固體的抗壓強度隨水泥摻入量增大而增大。

（2）對于淺層加固體，最佳水灰比為0.45%，其次為0.55%和0.6%，當水灰比為0.5%效果最差;對于深層加固體，最佳水灰比為0.5%，其次為0.6%和0.45%，當水灰比為0.55%效果最差。綜上結論可得，在相同水灰比情況下，加固體抗壓強度的大小與土體性質相關。

外加劑對水泥土加固體抗壓強度的影響如圖6所示。

試驗結果表明：在摻入不同含量粉煤灰的情況下，加固體的抗壓強度隨齡期的增長而提高。齡期在60 d前，加固體的強度增長幅度大;60 d后，加固體強度增長幅度變小。相比于無摻入粉煤灰的情況下，摻入粉煤灰的抗壓強度有顯著的提高，最大增長強度到達之前的兩倍左右，摻量不同對加固體的影響程度不一樣。摻入6%粉煤灰的強度最大，其次分別是12%和18%，最小為無摻入粉煤灰的。綜上可見，粉煤灰作為外加劑，既可以提高也可以抑制加固體的抗壓強度。

加固體攪拌時間對水泥土加固體抗壓強度的影響如圖7所示。

試驗結果表明：加固體攪拌時間越長，加固體抗壓強度越大。從大到小分別為120 s、90 s、60 s和30 s。這可以說明加固體攪拌時間及均勻程度對加固體的強度影響很大，而攪拌的均勻程度又與施工過程中鉆桿提升速度、轉速、復噴的深度和次數等因素有關。

1.3.2 不同齡期的加固體抗壓強度回歸分析

根據試驗資料，分別得到不同齡期水泥土加固體的抗壓強度與28 d抗壓強度（淺層加固體）和7 d抗壓強度（深層加固體）之間的關系公式：

不同齡期的淺層加固體抗壓強度關系公式如下：

2 結語

本文以室內模型試驗為基礎，研究了水泥種類、水泥摻入量、水灰比、齡期、外加劑和加固體攪拌程度因素對沿海軟基地區水泥土加固體工程性能的影響規律。在本文試驗條件下，得到以下兩點主要結論：

（1）水泥土加固體抗壓強度隨齡期增大而增大，并與水泥標號和水泥摻量呈正相關關系。采用的水泥標號每提高一檔，加固體強度增加20%～40%，且普通硅酸鹽水泥比硅酸鹽水泥對強度增加更為有效;加固體前期強度與土體有關，與后期強度基本無關;最佳水灰比與攪拌土體的性質有關;外加劑摻入量對加固體有明顯影響，強度是無外加劑的加固體的2倍，同時不同摻入量對加固體的影響程度不一樣，合適加入外加劑能提高加固體強度和節約工程成本;加固體攪拌時間及均勻程度對強度影響很大，因此施工中注意保證加固體均勻程度。

（2）綜合淺層加固體和深層加固體回歸方程可以看出，當齡期超過3個月后，加固體的強度增長才減緩。因此建議沿海軟基淺層加固體選用3個月齡期強度作為加固體的標準強度。一般情況下，齡期<28 d的加固體強度其線性較差，離散性較大。

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