水泥攪拌樁加固珠江三角洲地區(qū)軟土地基適用性探討

唐 紅

(中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

水泥攪拌樁是用于加固軟土地基的一種常見方法，它是利用水泥等材料作為固化劑，在地基一定范圍內(nèi)，采用攪拌設(shè)備將軟土與固化劑強(qiáng)制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基強(qiáng)度和增大變形模量。但是，通過在珠江三角洲地區(qū)進(jìn)行的水泥攪拌樁現(xiàn)場試驗表明，加固效果較差。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 工程地質(zhì)概況

試驗依托于新建廣州至珠海鐵路SG-5標(biāo)段工程DK163+450—DK169+300段水泥攪拌樁對軟土地基的處理。試驗段處于海相堆積平原區(qū)，地下水埋深0～0.9 m，地基土依次為①種植土:灰色 ～灰褐色，軟塑，含較多植物根系，分布整個蕉林，厚0.7～3.0 m;②淤泥:灰黑色，飽和，流塑，主要由黏粒組成，含有機(jī)質(zhì)，具臭味，含較多貝殼，力學(xué)性極差，分布于塘底以下，厚10.0～19.5 m;③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土:灰 ～灰黑色，飽和，流塑，具臭味，力學(xué)性差，分布于淤泥之下，厚0～10.0 m;④黏土:褐色、灰白色，主要成分為黏粒，質(zhì)純，飽和，軟塑，厚 2.5～8.0 m;⑤粗砂:灰白色，主要成分為石英質(zhì)，含少量的黏性土，飽和，松散～稍密。

1.2 試驗安排

為滿足現(xiàn)場水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.2 MPa，水泥攪拌樁單樁承載力特征值不小于78 kN的設(shè)計文件要求，在水泥攪拌樁正式施工前，在 DK163、DK169區(qū)間共組織了多次攪拌樁的試樁試驗，以確定工藝參數(shù)。試樁樁長12～18 m，樁徑φ500 mm。采用PC32.5水泥，水泥摻量分別為50 kg/m、55 kg/m、60 kg/m，水灰比為0.5∶1，試驗樁施工采用二噴四攪施工工藝進(jìn)行。

1.3 試驗結(jié)果

試驗樁結(jié)束28 d后，對部分樁進(jìn)行了取芯和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，并對6根樁進(jìn)行了單樁靜載試驗。從現(xiàn)場取芯情況看，成樁效果連續(xù)性、均勻性普遍較好，局部成樁效果較差(樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表1所示)。從表1可以看出，隨著水泥摻量的增加，樁身的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度稍有增加，但基本穩(wěn)定在0.06～0.26 MPa強(qiáng)度值范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計值1.2 MPa，不能滿足設(shè)計要求。

表1 DK163、DK169取芯強(qiáng)度試驗(無側(cè)限抗壓儀)

從6根樁的單樁靜載荷試驗來看(見表2)，6根樁當(dāng)加至一定荷載值時，承壓板周圍土體發(fā)生破壞，終止加載，并依據(jù)《鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》7.4.2條取破壞荷載的前一級荷載為極限荷載［1］，極限荷載都遠(yuǎn)＜156 kN(單樁承載力特征值78 kN的2倍)。

表2 單樁抗壓靜載試驗結(jié)果統(tǒng)計

2 原因探討

1)珠江三角洲地區(qū)廣泛分布淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，這種土具有天然含水量高、孔隙比高、壓縮性高、滲透性低、抗剪強(qiáng)度低、變形模量低等特征，攪拌機(jī)械的切削攪拌作用實際上不可能將這種土體粉碎，只能切削成一些大小不等的土團(tuán)。在拌入水泥后，水泥漿將土團(tuán)包裹，由于淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)較小，水泥的水化反應(yīng)僅在土團(tuán)表面進(jìn)行。水泥的各種水化物有的自身繼續(xù)硬化，有的則與其周圍具有一定活性的黏土顆粒發(fā)生離子交換和團(tuán)?；饔茫纬梢环N獨特的水泥石骨架結(jié)構(gòu)。

2)對于混凝土來說，當(dāng)骨料強(qiáng)度小于混凝土的強(qiáng)度時，骨料強(qiáng)度對混凝土強(qiáng)度影響是很大的［2］。與混凝土相比，這種水泥包裹淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的結(jié)構(gòu)由于力學(xué)性能很差的淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土團(tuán)代替了混凝土的骨料，因此，這種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度主要來自水泥石骨架。當(dāng)水泥石骨架的強(qiáng)度增加時，水泥土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就會提高。但是，從表1中針對不同水泥摻量的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以看出，當(dāng)水泥摻量較小時，水泥與土的反應(yīng)較弱，水泥土固化程度低，強(qiáng)度離散性也較大且強(qiáng)度值偏低。從理論上來說，增加水泥摻量或提高水泥強(qiáng)度等級或充分?jǐn)嚢瑁雇翂K被粉碎得更小，都會提高水泥土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但是，這些因素在一定范圍內(nèi)變化時，對提高水泥土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是有限度的。從表1中的平均強(qiáng)度來看，當(dāng)水泥摻量從50 kg/m增加至60 kg/m時，對改善水泥土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度效果并不明顯。

3)珠江三角洲地區(qū)的淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中富含有機(jī)質(zhì)，由于有機(jī)質(zhì)含量高使土體具有較大的酸性，從而阻礙了水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的鈣離子與組成黏土礦物的二氧化硅和三氧化二鋁等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物，從而影響了水泥土強(qiáng)度的形成。

4)一般情況下，水泥土的強(qiáng)度隨著齡期的增長也會提高，在齡期超過28 d后仍有所增長，當(dāng)齡期超過3個月后，水泥土的強(qiáng)度增長才趨于穩(wěn)定。在其他條件相同時，不同齡期的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度間關(guān)系大致呈線性關(guān)系，這些關(guān)系式如下［3］

式中 fcu28——28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;

fcu60——60 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;

fcu90——90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

因此，對于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.06～0.26 MPa強(qiáng)度值范圍內(nèi)的水泥土，采用上式進(jìn)行計算，在齡期超過90 d時，其強(qiáng)度值范圍最高也只能達(dá)到0.108～0.468 MPa左右，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計值1.2 MPa，不能滿足設(shè)計要求。

5)土體含水量對水泥土強(qiáng)度具有很大影響，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu會隨著土體含水量的增大而降低。一般情況下，土體含水量每增大10%，則強(qiáng)度可減小10% ～50%［3-4］。因此，對于處于飽和狀態(tài)的淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土來說，高含水量無疑在很大程度上影響了水泥土強(qiáng)度的形成。

3 結(jié)論

珠江三角洲地區(qū)表層土體主要為第四紀(jì)人工填土、海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土等，呈飽和、流塑或軟塑狀態(tài)，富含有機(jī)質(zhì)，力學(xué)性極差。通過對上述試驗結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥摻量較小時，淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與水泥攪拌形成的水泥土，加固效果差，強(qiáng)度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計值，證明水泥攪拌樁不適合加固珠江三角洲地區(qū)軟土地基。為此，在新建廣州至珠海鐵路SG-5標(biāo)段內(nèi)，原設(shè)計為水泥攪拌樁的大部分地段設(shè)計改為橋梁，小部分地段改為預(yù)應(yīng)力管樁。該項研究為在珠江三角洲地區(qū)進(jìn)行軟土地基加固設(shè)計提供了借鑒。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10218—2008 鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［2］楊伯科.混凝土實用新技術(shù)手冊(第一版)［M］.長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社.1998.

［3］李彰明.軟土地基加固的理論、設(shè)計與施工(第一版)［M］.北京:中國電力出版社.2006.

［4］章吉青.深圳前灣 CI塘填海及軟基處理效果分析［J］.鐵道建筑，2009(10):82-84.