水泥深層攪拌樁(濕法）室內(nèi)試驗(yàn)研究

李鳳云

（珠海交通工程技術(shù)有限公司，廣東 珠海 519000）

1 引言

水泥深層攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過攪拌機(jī)械在地基深處將軟土和固化劑強(qiáng)制拌和，利用固化劑和軟土之間的物理及化學(xué)反應(yīng)，使軟土固結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基或地下?lián)跬翗?gòu)筑物[1]。深層水泥攪拌樁適用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土等地基，特別適用于含水量大于30%的各類軟土地基，最大加固深度可達(dá)20 m。

水泥深層攪拌樁具有無振動(dòng)、無噪聲、無環(huán)境污染和費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、市政、道路、港口以及地下?lián)跬翗?gòu)筑物中。20世紀(jì)70年代中期，國外（日本、瑞士）開始在加固工程中實(shí)際應(yīng)用水泥深層攪拌樁技術(shù)，我國于80年代在工程領(lǐng)域正式采用。

水泥深層攪拌樁施工前，必須進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，針對被加固土的性質(zhì)，選擇合適的固化劑和外摻劑，并確定合適的室內(nèi)配合比，為現(xiàn)場試樁提供可靠的數(shù)據(jù)，并為攪拌樁施工提供依據(jù)。

室內(nèi)試驗(yàn)前，首先要進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，查明加固區(qū)域內(nèi)最軟土層的天然含水量、酸堿度（pH）、主要礦物成分、腐殖質(zhì)及有機(jī)質(zhì)的含量等。當(dāng)采用水下深層水泥攪拌法處理偏酸性軟土、泥炭土和腐殖質(zhì)或有機(jī)質(zhì)含量較高的軟土、地下水具有侵蝕性的軟基時(shí)，應(yīng)在工程建設(shè)前通過試驗(yàn)分析其加固效果。

水泥土的抗壓強(qiáng)度宜取28 d或90 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度，影響水泥土強(qiáng)度的因素主要有土質(zhì)、水泥品種及強(qiáng)度等級、外摻劑、齡期、水泥摻加量等。

2 室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材

1）水泥：選用江門海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O52.5R、P·O42.5R、P·C32.5R水泥，按照相關(guān)規(guī)范分別對其物理力學(xué)性能進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如下：

P·O52.5R水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.4%；初凝時(shí)間為140 min，終凝時(shí)間為172 min；3 d抗折強(qiáng)度為6.7 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度為35.2 MPa；28 d抗折強(qiáng)度為8.4 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為54.7 MPa；P·O42.5R水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.9%；初凝時(shí)間為152 min，終凝時(shí)間為189 min；3 d抗折強(qiáng)度為5.8 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度為31.8 MPa；28 d抗折強(qiáng)度為7.8 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為49.1 MPa；P·C32.5R水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.7%；初凝時(shí)間為163 min，終凝時(shí)間為195 min；3d抗折強(qiáng)度為5.0 MPa，3d抗壓強(qiáng)度為22.9 MPa；28 d抗折強(qiáng)度為6.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為38.9 MPa。

2）土樣：珠海大道擴(kuò)建工程1標(biāo)段現(xiàn)場原狀土，經(jīng)檢測，pH值為7.10，有機(jī)質(zhì)含量為2.30%，硫酸根含量為1.02 g/kg，天然含水率為63.2%，天然密度為1.62 g/cm3，風(fēng)干土的含水率為2.1%；

3）水：現(xiàn)場施工用水，pH值為7.12（與現(xiàn)場土樣pH值相符），其他指標(biāo)經(jīng)檢測滿足混凝土拌和用水技術(shù)要求。

2.2 配合比設(shè)計(jì)依據(jù)

JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中要求，水泥土的每種配合比宜進(jìn)行7 d、28 d和90 d三種齡期的試驗(yàn)。無特殊要求的工程，水泥土的性能指標(biāo)宜以90 d齡期的試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)；有特殊要求的工程，水泥土的性能指標(biāo)可按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行[2]。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1 水泥摻量與強(qiáng)度的關(guān)系分析

設(shè)定水灰比為0.60；水泥摻量按10%、12%、14%、16%、18%分別配制；檢測其7 d、28 d、90 d抗壓強(qiáng)度。

采用P·C32.5R水泥，水泥摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖1所示；采用P·O42.5R水泥，水泥摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖2所示。

圖1 水泥摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖（P·C32.5R）

圖2 水泥摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖（P·O42.5R）

從圖1、圖2可看出，無論采用哪個(gè)規(guī)格的水泥，水泥土試件立方體抗壓強(qiáng)度均隨著水泥摻量的增加而呈線性增大，與水泥品種無關(guān)。可見，水泥作為一種固化劑，摻加量越大，加固效果就會(huì)越好。

2.3.2 水泥強(qiáng)度等級與水泥土立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

水灰比設(shè)定為0.60，水泥摻量設(shè)定為16%。同一環(huán)境條件下，分別用P·O52.5R、P·O42.5R、P·C32.5R水泥制作立方體抗壓強(qiáng)度試件，檢測其7 d、28 d、90 d抗壓強(qiáng)度。水泥強(qiáng)度等級與水泥土立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 水泥強(qiáng)度等級與水泥土立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖

從圖3可看出，在水泥摻量和水灰比一定的情況下，水泥強(qiáng)度等級越高，水泥土的立方體抗壓強(qiáng)度就越高，水泥土加固效果就越好。

沿海地區(qū)深層淤泥土的含水量和有機(jī)質(zhì)含量較大，而有機(jī)質(zhì)使土層具有較大的水容量和塑性、較大的膨脹性和低滲透性，且土層具有一定的酸性，這些都阻礙了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，造成加固后的土質(zhì)強(qiáng)度一般較低。選用強(qiáng)度等級低的水泥，通過加大水泥用量進(jìn)行施工時(shí)，樁身強(qiáng)度和質(zhì)量往往不能滿足設(shè)計(jì)要求，而強(qiáng)度高的水泥單價(jià)又高，因此，綜合經(jīng)濟(jì)因素考慮，宜優(yōu)先選用P·O42.5R及以上強(qiáng)度等級的水泥。

可見水泥強(qiáng)度等級的選擇，除考慮滿足設(shè)計(jì)要求外，還需與經(jīng)濟(jì)要素相結(jié)合。

2.3 .3齡期與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系分析

水泥摻量14%、18%；成型7 d、14 d、28 d、56 d、90 d立方體抗壓強(qiáng)度試件。

P·C32.5R水泥，齡期與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖4；P·O42.5R水泥，齡期與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖5所示。

圖4 齡期與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖（P·C32.5R）

圖5 齡期與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖（P·O42.5R）

從圖4、圖5可看出，水泥土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增大而增大，呈對數(shù)關(guān)系。因水泥攪拌樁中水泥的摻量較小，水泥的硬化速度緩慢，故水泥土的強(qiáng)度增長較緩慢，室內(nèi)試驗(yàn)只檢測至90 d齡期的抗壓強(qiáng)度，實(shí)際強(qiáng)度在90 d后仍在不斷增長。

2.3.4 水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系

水泥摻量選用14%；水灰比分別選用0.50、0.55、0.60；分別測其不同齡期的抗壓強(qiáng)度。

水泥選用P·C32.5R時(shí)，水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系如圖6所示；水泥選用P·O42.5R時(shí)，水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系如圖7所示。

圖6 水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系圖

圖7 水灰比與強(qiáng)度的關(guān)系圖

從圖6、圖7可看出，水灰比和強(qiáng)度存在一定的相關(guān)性，水灰比越小強(qiáng)度越大。但在實(shí)際施工中水灰比太小，會(huì)造成土層攪拌不勻，漿液無法壓進(jìn)。雖然水灰比大容易攪拌均勻，但是水灰比過大時(shí)強(qiáng)度和成樁質(zhì)量不能保證。

2.4 地下水中硫酸鹽含量高的情況

珠海為沿海地區(qū)，部分地區(qū)地下水中含有大量的硫酸鹽，為提高水泥土的抗侵蝕性，分別選用普通水泥和高抗硫酸鹽水泥成型水泥土試塊進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)（水泥經(jīng)檢測均滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，按同一配合比制作水泥土試塊，浸泡在1.5%的硫酸鈉溶液中）。

江門海螺P·C32.5R、P·O42.5R水泥成型試塊，在28 d和34 d內(nèi)全部開裂、膨脹和破壞；英德海螺P·C32.5R、P·O42.5R水泥成型試塊，在26 d和35 d內(nèi)全部開裂、膨脹和破壞；英德海螺42.5高抗硫酸鹽水泥成型試塊，在90 d內(nèi)未出現(xiàn)任何破壞跡象。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出來，使用普通水泥拌制的水泥土試件受硫酸鹽侵蝕時(shí)容易發(fā)生開裂、膨脹、崩壞，喪失強(qiáng)度；選用抗硫酸鹽侵蝕的水泥，可以使水泥土產(chǎn)生的結(jié)晶膨脹物控制在一定范圍之內(nèi)，則可大大提高水泥土的抗侵蝕性。

3 結(jié)語

因?yàn)樗嗤恋膹?qiáng)度與水泥的摻量、水泥的強(qiáng)度等級、齡期、水灰比密切相關(guān)，所以，施工前必須進(jìn)行室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)等相關(guān)試驗(yàn)，根據(jù)室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)資料進(jìn)行現(xiàn)場試樁，以取得滿足設(shè)計(jì)和施工要求、滿足現(xiàn)場實(shí)際使用的機(jī)械設(shè)備、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的施工配合比。對海水滲入的沿海地區(qū)，應(yīng)選用抗硫酸鹽水泥，以提高水泥深層攪拌樁的抗侵蝕性。