馬來西亞淤泥質(zhì)砂巖強風(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)前對于其施工工藝、室內(nèi)配合比、現(xiàn)場檢測等方面均有研究[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)計參數(shù)和施工工藝，王樹棟等[4]結(jié)合天津市重點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水泥攪拌樁的設(shè)計參數(shù)和施工工藝進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，并確定水泥摻量20%、水灰比0.45作為設(shè)計配合比。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，采用水泥攪拌樁加固處理對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)計驗證，通過采用不同的試驗方案及對比分析，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)場施工水泥攪拌樁提供了技術(shù)支撐。另外，針對施工現(xiàn)場與《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T 233—2011）中所述室內(nèi)試驗在取樣方法上存在差異導(dǎo)致現(xiàn)場檢測與室內(nèi)試驗結(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)場和室內(nèi)試驗原材料，研究原材料不同、水泥摻入比和水灰比等配合比參數(shù)不同對水泥土無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度的影響規(guī)律。葉彩娟[7]在蘭州至中川機場城際鐵路建設(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，從滿足該線運營的技術(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級鐵路及250km/h的有砟軌道鐵路的路基工程中。

2 配合比試驗

首先在項目沿線不同區(qū)段對淤泥質(zhì)砂巖強風(fēng)化土進(jìn)行現(xiàn)場取樣，發(fā)現(xiàn)CH314+800處的淤泥質(zhì)砂巖強風(fēng)化土最具有代表性，通過比對現(xiàn)場土壤構(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，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，并分別檢測其7d、14d、28d無側(cè)限抗壓強度。現(xiàn)場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)試驗獲得的不同齡期試塊的抗壓強度見表2，其中每個抗壓強度數(shù)值對應(yīng)3組試驗的平均值，可較好地反映實際情況，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度統(tǒng)計

通過對比第1組和第2組數(shù)據(jù)可獲得不同水灰比對當(dāng)前地基水泥土強度形成的影響；將第1組和第3組縱向?qū)Ρ龋傻玫教囟ㄍ临|(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度的關(guān)系；通過對比第1組和第4組數(shù)據(jù)可以獲得土壤天然含水率對水泥土強度形成的影響。另外，為了保證變量僅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間補做第4組試樁并獲得數(shù)據(jù)。通過對比第1組和第4組的7d抗壓強度和14d抗壓強度數(shù)據(jù)，可獲得淤泥質(zhì)砂巖強風(fēng)化土天然含水率對成樁質(zhì)量的影響。

3 試驗結(jié)果

不同水灰比與水泥摻量在7d、14d、28d齡期下的強度變化見圖1～圖3。通過對比第1組和第2組的數(shù)據(jù)可以看出，水灰比對水泥土強度的形成影響顯著。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)計要求。究其原因為地基土中含水率較高，且降水導(dǎo)致淺層地基處于較飽和狀態(tài)，此時選擇較高的水灰比制作的水泥漿在地基土中攪拌時會因為水泥漿液過稀而導(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)合地基強度不足。

圖1 不同水灰比與水泥摻量在7d齡期下的強度變化

圖2 不同水灰比與水泥摻量在14d齡期下的強度變化

圖3 不同水灰比與水泥摻量在28d齡期下的強度變化

一般而言，對于一般軟土地基，水泥土強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度遠(yuǎn)低于1組，且低于設(shè)計要求，不僅造成了水泥的浪費，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水泥攪拌樁強度的影響（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)砂巖強風(fēng)化土中水泥摻量與水泥土強度近似呈線性增長關(guān)系。通過線性回歸獲得水泥摻量與28d試塊無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系：

圖4 水灰比0.5條件下水泥摻量對水泥攪拌樁強度的影響

式中：y為28d齡期抗壓強度，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水泥土強度的影響見圖5。第4組數(shù)據(jù)由同一位置補做試驗獲得，保證變量僅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，第1組在水泥摻量25%以上時28d齡期強度可以達(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)計強度1MPa的要求。通過對比可見，對于淤泥質(zhì)砂巖強風(fēng)化土，在相同的水泥摻量下，土壤天然含水率對水泥土強度影響巨大，因此在確定水泥攪拌樁配合比時，需要預(yù)測施工時的土壤天然含水率，尤其對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，需要因時分析。在雨季前后一定時間內(nèi)進(jìn)行施工，此時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土壤天然含水率較高，需要較高的水泥摻量，會造成成本的增加。

圖5 不同土壤天然含水率對水泥土強度的影響

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)將針對旱季土壤含水量較低這一情況，通過后續(xù)試驗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)計要求的前提下節(jié)省成本。

4 結(jié)束語

文章通過現(xiàn)場取樣以及一系列室內(nèi)試驗，對馬來西亞地區(qū)淤泥質(zhì)砂巖強風(fēng)化土水泥攪拌樁配合比進(jìn)行了試驗研究，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度的關(guān)系，同時著重強調(diào)了雨季與非雨季對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)用于項目其他段落相同土壤條件中，并通過后續(xù)試驗完善進(jìn)一步推廣至整個馬東鐵項目以及東南亞地區(qū)其他擬建或在建項目，以有效節(jié)約施工成本，提高施工質(zhì)量。