吹填土場地水泥土攪拌樁強度隨深度變化規律

程 鋒，劉 濤，馬志遠,陳家彬,李 碩,梁瑞龍,張瑤光,趙 昕

(1.中交(天津)軌道交通工程建設有限公司，天津 300060；2.天津市交通科學研究院，天津 300060)

1 概述

面臨城市中愈發嚴峻的陸地面積壓力，填海造陸已經成為常見的緩解地面壓力的方法之一，而填海造陸必然會對吹填土軟土地基場地進行加固處理，水泥土攪拌樁加固方法是最常用的加固方法之一，因此對水泥土攪拌樁成樁強度的研究就顯得尤為重要了。

Paulo J.Venda Oliveira等[1]采用數值模型研究了普通固結軟土地基上深層攪拌樁加固路堤的效果，并且依照沉降量、有效應力增量等對數值預測結果進行了參數分析。研究發現，使用深層攪拌樁加固路堤地基是非常有效的，能夠有效地控制沉降以及減少不均勻沉降的產生，并且由于拱形效應，路堤施加的荷載基本上集中在深層攪拌樁上，對土體的有效應力增量可以忽略不計。Yan Jiang等[2]同樣也通過三維有限元方法分析得到深層攪拌樁可以有效提高軟土地基的承載能力和穩定性，減少地基的總沉降和差異沉降。Song-Yu Liu等[3]以及Chana Phutthananon等[4]介紹了一種新型的T形水泥土攪拌樁，與傳統的水泥土攪拌樁不同的是，新型攪拌樁的橫截面沿攪拌深度變化，大量的水泥漿被注入，并使用專門設計的攪拌刀片與地基土壤徹底混合，在更好地保證水泥土攪拌樁強度的同時，還可以很好的減少施工成本。黃炳德等[5]基于上海軟土地層多個深大基坑工程實踐，對不同深度、厚度和應用形式TRD水泥土攪拌墻墻體芯樣強度試驗成果進行系統研究。研究表明，不同土層中墻體芯樣表觀無明顯差異，墻深范圍內墻體的完整性和均一性均較好，墻體芯樣28 d無側限抗壓強度值普遍大于1.0 MPa，且淺層軟黏土和深層砂土中水泥土強度無明顯差異。袁文俊等[6]以水泥摻量、綜合含水率和水泥齡期為控制變量對水泥土進行了室內無側限抗壓強度試驗，獲得其強度變化規律，試驗結果表明，水泥土無側限抗壓強度隨著水泥摻量和齡期的增加而提高，隨著綜合含水率的增加而降低。并且根據合理可行的施工工藝參數推導出了水泥土攪拌法施工綜合協調參數公式。梁志榮等[7]通過試驗發現,水泥土強度不但與齡期有關,還與土層性質有很大關系,但同一標高截面處套打區域和非套打區域強度差異不明顯。并且取漿強度試驗結果相對于取芯強度試驗結果比較均勻、離散性小,更加接近于攪拌樁的實際強度，因為取芯過程中對芯樣的損傷而使試驗強度值偏低,取漿強度值與取芯強度值的比值在1.3～1.6之間。趙春風等[8]針對目前中國水泥土攪拌樁施工工藝上存在的一些問題，研究開發了五軸水泥土攪拌樁新技術。研究發現，在各土層中，三軸水泥土攪拌樁的樁身強度值較低，且離散性較大，二軸水泥土攪拌樁的強度較好，但不同齡期的強度值離散性變化較大，而五軸水泥土攪拌樁的強度值最高，離散性也較小，具有良好的推廣和應用前景。陳富等[9]結合黃驊港地區水泥土攪拌樁現場檢測的結果，介紹了一種翻土葉片后中間位置扇形噴漿的水泥攪拌樁鉆頭，可以提高樁身的攪拌均勻性，并減少地面返漿量，從而提高水泥土攪拌樁的強度以及施工質量。

上述對于水泥土攪拌樁強度的研究大部分是針對軟黏土地基的，而對于吹填土地基中成樁強度的研究比較少，并且目前國內暫未形成針對吹填造陸區有機質含量高、含鹽量高、含水率高、孔隙比大、沉降時間短特點的成熟施工工藝，僅依靠施工企業提高水泥含量和增加攪噴遍數的方式提高成樁效果，施工成本高，施工進度慢，如何在吹填造陸區地基加固樁施工過程中合理控制施工參數，最大程度的提高水泥土攪拌樁質量以及降低工后沉降，是亟需解決的技術難題。

本文以天津市濱海南疆吹填造陸區的工程項目為依托，對濱海吹填土場地原狀土的物理力學性能進行了取樣分析，并且利用原狀土進行了室內水泥土強度試驗，同時開展了現場的試樁試驗，并對取芯結果進行了分析討論，為以后吹填場地水泥土攪拌樁加固質量的提高提供了一定的建議和參考。

2 工程概況

2.1 場地位置及地層結構

天津港南疆礦石鐵路專用線擴建工程線路位于天津市濱海新區南疆港，其場地位置詳見圖1。

天津南疆港工業區位于天津市濱海新區東南部。水泥攪拌樁施工區均屬沖積、海積平原及人工填海造陸區(海域吹填)，總體地形平坦，地勢開闊，大部分為工業用地。

2.2 現場施工工藝

工程采用HP-5A型深層攪拌樁機，功率45 kW，攪拌轉速35 r/min。試樁總體過程為：鉆機就位→攪拌下沉→制備漿液→噴漿提升→重復攪拌下沉→重復噴漿攪拌提升→樁機移位。具體施工順序如下：

1)樁機定位、對中。放好攪拌樁樁位后，移動攪拌樁機到達指定樁位，對中。2)調整導向架垂直度。采用經緯儀或吊線錘雙向控制導向架垂直度。按設計及規范要求，垂直度小于1.0%樁長。3)預先攪拌下沉。啟動深層攪拌樁機轉盤，待攪拌頭轉速正常后，方可使鉆桿沿導向架邊下沉邊攪拌，下沉速度可通過檔位調控，工作電流不應大于額定值。4)拌制漿液。深層攪拌機預攪下沉的同時，后臺拌制水泥漿液，待壓漿前將漿液放入集料斗中。選用水泥標號P.O42.5水泥或ZYDD-A型固化劑拌制漿液，水灰比為0.6。5)噴漿攪拌提升。下沉到達設計深度后，開啟灰漿泵，通過管路送漿至攪拌頭出漿口，出漿后啟動攪拌樁機及拉緊鏈條裝置，按設計確定的提升速度(0.5 m/min～0.8 m/min)邊噴漿攪拌邊提升鉆桿，使漿液和土體充分拌和。6)重復攪拌下沉。攪拌鉆頭提升至樁頂以上500 mm高后，關閉灰漿泵，重復攪拌下沉至設計深度，下沉速度按設計要求進行。7)噴漿重復攪拌提升。下沉到達設計深度后，噴漿重復攪拌提升，一直提升至地面。8)樁機移位。施工完一根樁后，移動樁機至下一根樁位，重復以上步驟進行下一根樁的施工。

2.3 土質分析

通過在現場布置鉆孔，獲取原狀土，對其進行了室內試驗，檢測出了原狀土中的有機質含量并且對原狀土進行了顆粒分析。

通過試驗檢測可知南疆港吹填土地基有機質含量(質量分數)為1.5%～2.0%。饒彩琴等[10]通過試驗研究認為，有機質含量(質量分數)少于5%時,水泥土強度受有機質含量影響較小，當有機質含量(質量分數)超過5%時,其對水泥土的強度影響較大。上述研究表明，南疆港吹填土地基1.5%～2.0%的有機質含量并不高，對水泥土的固化和強度影響不大。

通過對原狀土進行顆粒分析，并由顆粒分析結果繪制出顆粒級配曲線，如圖2所示。由圖2可知，土體顆粒較小，粒徑小于0.002 mm的顆粒基本超過20%，并且根據試驗檢測，各層土體塑性指數為11～18，因此南疆港吹填土黏性較大。吳良斌[11]通過研究發現在軟土地基中，由于軟土黏粒帶靜電水膜的土質結構、飽和、流塑狀、有機質含量高等性質特點，使得攪拌樁的水泥漿不容易停留在軟土中和土的黏粒攪拌在一起，因此不容易拌合。由上述結果以及研究分析可知，濱海吹填造陸區吹填土黏性較大，根據其形成過程可知，來源多為黏性很大的淤泥質黏土。加之滲透系數低、含水量高，因此加入水泥漿液時，需要較多的攪拌次數才能形成均勻的水泥土。

3 實驗結果

3.1 室內試驗

選取不同水泥摻量、不同地基土等進行試配，分別進行室內強度試驗。根據試配結果，選定符合設計強度要求的最佳水泥摻入比，每個配合比進行7 d和28 d無側限抗壓強度試驗。其中，水泥摻量分別選取12%和24%，水泥型號選取P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比(質量比)為0.6。其中試驗的制樣過程如下：

1)土樣制配:采用濕土法進行試配，土直接過5 mm篩。

2)試樣拌和:依據配合比分別稱量土、水泥和水，將土料和水泥放在攪拌器內攪拌均勻，而后將水均勻灑在水泥土上進行拌和，直至均勻，攪拌時間不應少于10 min，且不應超過20 min。

3)試件的制作：選定70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標準試模，每組成型3個試件，成型試驗室溫度應為25 ℃±5 ℃，相對濕度不應低于50%；將試樣均勻的裝入試模，并將試模附著在振動臺上，振實時間不應少于2 min，振實后試樣應高于試模上沿口，最后將試件表面刮平，蓋上塑料薄膜防備水分蒸發過快。

4)試件的養護：試件成型后，依據水泥強度決定拆模時間，一般為1 d～2 d拆模；拆模后檢查試件外觀，后將試件放入溫度應為20 ℃±1 ℃，相對濕度不應低于90%標養室中進行養護。

最終的試驗結果如表1所示，由表1可知，不同水泥摻量、不同地基土制備而成的六種水泥土試樣均滿足設計要求(水泥土室內28 d無側限抗壓強度不小于2.0 MPa)。

表1 無側限抗壓強度 MPa

通過不同配合比的水泥土試驗可知，南疆港原狀吹填土在不同的水泥摻量、充分攪拌均勻的情況下，可以滿足28 d無側限抗壓強度不小于2.0 MPa，強度質量較好。并且室內試驗實際上驗證了上述南疆港原狀土有機質含量并不會影響水泥土強度的結論。

3.2 現場試樁取芯

現場試樁試驗中，攪拌樁機的鉆進速度0.8 m/min，提升速度為0.6 m/min，水泥采用經試驗檢測的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，施工用水采用自來水，樁徑取0.6 m，水灰比(質量比)為0.6，天然含水率(質量分數)為32.2%，濕密度為1.93 g/cm3，注漿壓力為0.5 MPa。噴攪遍數遵循兩噴四攪的原則。試驗實施期間，嚴格保證噴漿過程中注漿泵流量穩定持續。

其中試驗中選用了不同摻量、不同膠凝材料的試樁，表2詳細介紹了各試樁施工的具體參數。

表2 試樁施工參數

現場取出的試樁樁芯(如圖3所示)對不同深度分別進行無側限抗壓強度試驗，根據試驗結果可以得到各試樁取芯后的抗壓強度沿樁身深度分布圖，見圖4。

由圖4(a)可知，18 d齡期后水泥土芯樣SN-3的最大強度為0.7 MPa，而固化劑樁芯樣GH-3,GH-4的最大強度則為4.0 MPa,5.4 MPa，分別出現在2 m，5 m深度處，這說明固化劑樁芯的抗壓強度要遠大于水泥土樁芯的抗壓強度。同樣的，由圖4(b)，圖4(c)可知，28 d齡期后同樣摻量的情況下固化劑樁芯的強度要明顯大于水泥土樁芯的強度。這說明固化劑對于提高樁身完整性可以發揮很大的作用，性能要明顯優于水泥土。并且隨著膠凝材料摻量的不斷增加，試樁樁芯的強度得到了很大的提高，比如圖4(c)中GH-3以及GH-4在相同的樁身深度5 m處的抗壓強度分別為1.7 MPa和5.3 MPa，提高了約212%；圖4(b)中SN-1以及SN-4在相同的樁身深度1 m處的抗壓強度分別為3.2 MPa和7.4 MPa，提高了約131%。

通過對所有分布圖的觀察發現，這些樁芯都有一個共性：試樁樁芯的抗壓強度基本都呈現自上到下強度逐漸衰減的趨勢。

4 討論與分析

上述取芯試驗結果得到試樁樁芯的抗壓強度基本都呈現自上到下強度逐漸衰減的趨勢。產生這種趨勢的主要原因如下：

1)由于地下水位的影響，2 m以上芯樣在水位以上，而2 m以下芯樣在水位以下，水位線以下水泥土強度上升慢，因此上層芯樣的強度要大于下層芯樣的強度。

2)如圖5所示，現場采用雙層直葉片攪拌，相對于多層葉片，攪拌能力較低。攪拌樁施工當中的攪拌次數過少，導致漿液與原狀土并沒有均勻的混合在一起。同時，如圖6所示，地層壓力上小下大，雙層直葉片遮擋能力不夠，最終尚未混合的水泥漿液會在土層中上返，導致下層摻入水泥量較低，從而造成下層樁芯的強度較低。

5 結論與展望

本文以天津市濱海南疆吹填造陸區的工程項目為依托，對濱海吹填土場地原狀土的物理力學性能進行了取樣分析，并且利用原狀土進行了室內水泥土強度試驗，同時開展了現場的試樁試驗，并對取芯結果進行了分析討論，主要結論如下：

1)通過現場取樣，開展了系列室內試驗，獲取了濱海吹填造陸區原狀土物理力學性能。南疆吹填土地基有機質含量(質量分數)不高，為1.5%～2.0%，對水泥土的固化和強度影響不大；但是其黏性較大，加之滲透系數低、含水量高，因此加入水泥漿液時，需要較多的攪拌次數才能形成均勻的水泥土。

2)通過不同配合比的室內水泥土強度試驗可知，南疆港原狀吹填土在不同的水泥摻量、充分攪拌均勻的情況下，可以滿足28 d無側限抗壓強度不小于2.0 MPa，強度質量較好。

3)固化劑樁芯樣強度要遠大于水泥樁芯樣，固化劑樁芯樣的完整性要優于水泥樁芯樣的完整性，固化劑對提高樁身完整性發揮很大作用。

4)試樁芯樣呈現自上到下強度逐漸衰減的趨勢。第一，2 m以上芯樣在水位以上，2 m以下芯樣在水位以下，水位線以下水泥土強度上升慢。第二，粉質黏土不容易攪拌均勻，漿液會上返，導致中下段摻入水泥量較低，強度較低或無法形成強度。

今后的吹填土場地水泥土攪拌樁加固施工中，建議改進水泥攪拌樁攪拌設備，提高水泥與原位土體攪拌均勻性，如何更好地改進施工設備還需要進一步地研究。