馬來西亞淤泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化土地區(qū)水泥攪拌樁配合比應(yīng)用研究

李孟暉，秦 方，趙小波

1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027

2.中交馬東鐵六分部，馬來西亞 26500

1 研究現(xiàn)狀

水泥攪拌樁作為常用的軟基處理技術(shù)，已有較為成熟的發(fā)展，當(dāng)前對(duì)于其施工工藝、室內(nèi)配合比、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等方面均有研究[1-3]。在水泥攪拌樁配合比方面，近年來，為明確水泥攪拌樁技術(shù)在不同地質(zhì)條件下的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝，王樹棟等[4]結(jié)合天津市重點(diǎn)工程天津堿廠搬遷改造及華能綠色煤電IGCC電站鐵路專用線工程對(duì)水泥攪拌樁的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并確定水泥摻量20%、水灰比0.45作為設(shè)計(jì)配合比。朱云飛等[5]以吳定高速路基5標(biāo)為依托，根據(jù)該合同段內(nèi)軟土路基變更設(shè)計(jì)，采用水泥攪拌樁加固處理對(duì)需加固處理的各層代表性土質(zhì)進(jìn)行了室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)驗(yàn)證，通過采用不同的試驗(yàn)方案及對(duì)比分析，確定不同土質(zhì)需用的最小水泥用量及最佳水灰比等參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)施工水泥攪拌樁提供了技術(shù)支撐。另外，針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)與《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ/T 233—2011）中所述室內(nèi)試驗(yàn)在取樣方法上存在差異導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果間產(chǎn)生差異的問題，沈耀劍等[6]分別采用原狀土和風(fēng)干土制備水泥土試樣，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)原材料，研究原材料不同、水泥摻入比和水灰比等配合比參數(shù)不同對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。葉彩娟[7]在蘭州至中川機(jī)場(chǎng)城際鐵路建設(shè)中采用水泥摻量為12%、16%、20%的水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理并觀測(cè)其沉降，研究水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降發(fā)展規(guī)律及沉降控制效果。結(jié)果表明，從滿足該線運(yùn)營(yíng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，推薦采用水泥摻量12%的水泥土攪拌樁處理飽和黃土地基；從滿足鐵路適當(dāng)提速對(duì)路基沉降的要求考慮，水泥摻量為12%、16%、20%的水泥土攪拌樁復(fù)合地基可分別應(yīng)用在速度為160km/h、200km/h的Ⅰ級(jí)鐵路及250km/h的有砟軌道鐵路的路基工程中。

2 配合比試驗(yàn)

首先在項(xiàng)目沿線不同區(qū)段對(duì)淤泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，發(fā)現(xiàn)CH314+800處的淤泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化土最具有代表性，通過比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土壤構(gòu)成分析結(jié)果，考慮到馬來西亞地區(qū)的土壤地質(zhì)特點(diǎn)，選擇水泥摻量分別為20%、22%、24%、26%、28%，水灰比為0.5、1.0制作試塊進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，并分別檢測(cè)其7d、14d、28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。現(xiàn)場(chǎng)取樣獲得的土樣指標(biāo)見表1，其較為代表性地反映了該段路基地基土的總體情況。不同條件下室內(nèi)試驗(yàn)獲得的不同齡期試塊的抗壓強(qiáng)度見表2，其中每個(gè)抗壓強(qiáng)度數(shù)值對(duì)應(yīng)3組試驗(yàn)的平均值，可較好地反映實(shí)際情況，減少誤差。

表1 水泥攪拌樁土樣指標(biāo)

表2 不同條件下試塊抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)比第1組和第2組數(shù)據(jù)可獲得不同水灰比對(duì)當(dāng)前地基水泥土強(qiáng)度形成的影響；將第1組和第3組縱向?qū)Ρ?，可得到特定土質(zhì)條件及水灰比等因素下水泥摻量這一單一變量與水泥土強(qiáng)度的關(guān)系；通過對(duì)比第1組和第4組數(shù)據(jù)可以獲得土壤天然含水率對(duì)水泥土強(qiáng)度形成的影響。另外，為了保證變量?jī)H為由于大氣降水造成的土壤天然含水率的不同，在同一位置的不同時(shí)間補(bǔ)做第4組試樁并獲得數(shù)據(jù)。通過對(duì)比第1組和第4組的7d抗壓強(qiáng)度和14d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可獲得淤泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化土天然含水率對(duì)成樁質(zhì)量的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果

不同水灰比與水泥摻量在7d、14d、28d齡期下的強(qiáng)度變化見圖1～圖3。通過對(duì)比第1組和第2組的數(shù)據(jù)可以看出，水灰比對(duì)水泥土強(qiáng)度的形成影響顯著。在其他條件不變的前提下，在1.0的水灰比、28%水泥摻量的條件下7d、14d、28d強(qiáng)度分別為0.59MPa、0.74MPa、0.88MPa，遠(yuǎn)無法滿足1MPa的地基承載力設(shè)計(jì)要求，而在0.5的水灰比條件下26%的水泥摻量即可滿足設(shè)計(jì)要求。究其原因?yàn)榈鼗林泻瘦^高，且降水導(dǎo)致淺層地基處于較飽和狀態(tài)，此時(shí)選擇較高的水灰比制作的水泥漿在地基土中攪拌時(shí)會(huì)因?yàn)樗酀{液過稀而導(dǎo)致水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠體不足，最終導(dǎo)致形成的復(fù)合地基強(qiáng)度不足。

圖1 不同水灰比與水泥摻量在7d齡期下的強(qiáng)度變化

圖2 不同水灰比與水泥摻量在14d齡期下的強(qiáng)度變化

圖3 不同水灰比與水泥摻量在28d齡期下的強(qiáng)度變化

一般而言，對(duì)于一般軟土地基，水泥土強(qiáng)度與水泥摻量為正相關(guān)關(guān)系，但是水灰比的改變導(dǎo)致2組相同水泥摻量的水泥土強(qiáng)度遠(yuǎn)低于1組，且低于設(shè)計(jì)要求，不僅造成了水泥的浪費(fèi)，還降低了軟基處理質(zhì)量。

將第1組與第3組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理獲得水泥摻量對(duì)水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響（見圖4）。從圖4中可以看出，在0.5的水灰比條件下，天然含水率為44.8%的淤泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化土中水泥摻量與水泥土強(qiáng)度近似呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。通過線性回歸獲得水泥摻量與28d試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系：

圖4 水灰比0.5條件下水泥摻量對(duì)水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響

式中：y為28d齡期抗壓強(qiáng)度，MPa；x為水泥摻量，%，取值范圍為20%～38%。R2=0.9857，R2為決定系數(shù)，反映擬合優(yōu)度。

不同土壤天然含水率對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響見圖5。第4組數(shù)據(jù)由同一位置補(bǔ)做試驗(yàn)獲得，保證變量?jī)H為由于大氣降水造成的土壤天然含水率的不同。根據(jù)圖5中的變化趨勢(shì)，第1組在水泥摻量25%以上時(shí)28d齡期強(qiáng)度可以達(dá)到預(yù)期（1MPa），而第4組則在水泥摻量為20%的7d即可滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度1MPa的要求。通過對(duì)比可見，對(duì)于淤泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化土，在相同的水泥摻量下，土壤天然含水率對(duì)水泥土強(qiáng)度影響巨大，因此在確定水泥攪拌樁配合比時(shí)，需要預(yù)測(cè)施工時(shí)的土壤天然含水率，尤其對(duì)于類似馬來西亞雨季分明的地區(qū)，在非雨季和雨季期間所適用的配合比是不同的，需要因時(shí)分析。在雨季前后一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行施工，此時(shí)土壤具有較低的天然含水率，可選擇較低的水泥摻量達(dá)到較好的處治效果；雨季期間施工由于此時(shí)土壤天然含水率較高，需要較高的水泥摻量，會(huì)造成成本的增加。

圖5 不同土壤天然含水率對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

綜上所述，通過分析第1組與第4組的數(shù)據(jù)可以看出，水泥攪拌樁施工應(yīng)選在非雨季；通過分析第1組與第2組的數(shù)據(jù)可以看出，在馬來西亞軟土地區(qū)，由于降水量較為豐富，土壤天然含水率較高，選擇較低的水灰比（0.5）可取得較好的處理效果，在相同條件下，水泥摻量的選擇可以參考文中的回歸公式。后續(xù)將針對(duì)旱季土壤含水量較低這一情況，通過后續(xù)試驗(yàn)確定不同天然含水率下的最優(yōu)配合比（水泥摻量、水灰比等），在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下節(jié)省成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過現(xiàn)場(chǎng)取樣以及一系列室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)馬來西亞地區(qū)淤泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化土水泥攪拌樁配合比進(jìn)行了試驗(yàn)研究，確定了水泥攪拌樁在此類軟基處理中的適用性，并獲得不同條件下的配合比，以及水泥摻量與水泥土強(qiáng)度的關(guān)系，同時(shí)著重強(qiáng)調(diào)了雨季與非雨季對(duì)水泥攪拌樁配合比選擇的重要影響。此次研究結(jié)論將應(yīng)用于項(xiàng)目其他段落相同土壤條件中，并通過后續(xù)試驗(yàn)完善進(jìn)一步推廣至整個(gè)馬東鐵項(xiàng)目以及東南亞地區(qū)其他擬建或在建項(xiàng)目，以有效節(jié)約施工成本，提高施工質(zhì)量。