濕陷性黃土地區水泥擠密樁低溫環境施工技術研究

孔海峽，薛貴金，左立富

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安710032)

項目區位于忻州市忻府區、太原市陽曲縣、尖草坪區境內，歷年極端最低氣溫－25.8℃。由于工程施工需要，部分工程需要進行冬季施工，為了保證冬季施工過程中，水泥土不被凍脹破壞，進行了水泥土擠密樁低溫環境施工技術研究，通過研究發現在－10℃以上時水泥土中加入一定量的摻合劑可保證水泥土不被凍脹破壞，保證工程施工質量。

新建鐵路大同至西安客運專線原平至太原段穿越忻定盆地，經舟山余脈丘陵區到達太原，多分布黃土丘陵，地形起伏較大。沿線新黃土分布廣泛，具濕陷性;主要分布于各盆地邊緣，沿線黃土濕陷性差異大，多屬非自重濕陷性黃土，濕陷性黃土厚度為5～10m，濕陷系數 δs=0.015～0.054;沿線歷年極端最低氣溫－25.8℃。本標段線路位于忻州市忻府區、太原市陽曲縣、尖草坪區境內，路基10168延長米，為雙線客運專線，最小曲線半徑4 000m，最大坡度20‰～30‰。

1 研究目的及技術路徑

1.1 研究目的

濕陷性黃土地區客專工程基礎處理采用水泥土擠密樁基礎，采用P·O42.5或P·O32.5水泥配制水泥土，在常溫施工工況下滿足承載力的要求;在低溫環境下施工的例子較少，一般都避免在冬季施工，但由于工期需要，部分工程需要在氣溫低至－10℃以上組織施工。水泥土擠密樁承載力主要取決于:①水泥土強度發展狀態;②水泥土夯實的狀態;③在保證水泥土不被冰凍的條件下按要求夯實，被認為水泥土能夠被夯實。因此，在低溫施工條件下，要求解決水泥土的強度發展問題。

水泥土的強度發展主要來源于兩部分水化物的膠結作用，即水泥本身的水化產物:水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣、氫氧鈣石、水化硫鋁酸鈣等產物的膠結作用和水泥與土壤中活性物質之間的膠凝反應所產生的水化物的膠結作用，同樣，水泥的水化過程將受到周圍介質、環境溫度的影響。

從已有的文獻來看，水泥強度的發展與水泥的內在的礦物組成、細度等有關，與環境溫度有關。當日均溫度低于5℃時，國家規范規定水泥制品應按照冬季施工進行蓄熱養護，以滿足水泥強度發展的要求。

水泥強度的發展是水泥土強度發展重要的影響因素。在翻閱文獻注意到，河海大學對低溫下某水泥土強度的發展進行研究，試驗測試情況見下圖1。從下圖可以看出溫度對水泥土的強度發展影響很大，如果不采取措施，低溫下將不能滿足強度要求。

1.2 解決水泥土低溫下強度發展問題的原則

1)低溫下施工條件下，水泥土強度能夠發展，滿足施工要求。采用措施:提高水泥土早期的化學反應的熱量。

2)低溫下水泥土不易被凍結，使得水泥土不易冰凍;低溫下水泥水化能夠進行，水泥土強度能夠發展。采用措施:在可能的情況下，降低水泥土的冰點。

3)選用的材料盡可能成本要低。

1.3 解決低溫水泥土施工問題的思路

為解決低溫季節水泥土不被凍脹，在試驗時從加入生石灰粉、無機鹽、其他材料展開試驗。

2 試驗研究

在試驗室內，改變不同的配比，研究低溫條件下成型的水泥土的無側限抗壓強度。

1)常溫條件成型及檢驗。

按照TB10102－2004《鐵路工程土工試驗規程》進行。

2)低溫條件成型及檢驗。

模擬實際工程低溫的工況，采用如下方法:按照工地黃土的最優含水率15.3%進行試驗。首先把土烘干備用，取一定量的干土，配制成12.3%含水率的浸潤土，在6℃～8℃環境中靜置24 h后，加入3%的含水率的水使得土達到最優含水率，按照一定的配合比拌合后，在溫度為－10℃的冰柜中，恒溫1 h或2 h或3 h后成型。每組6塊試件，放置到溫度為6℃～8℃的環境，塑料薄膜密封6 d養護。其他試驗方法同《鐵路工程土工試驗規程》TB10102－2004。

試驗過程中水泥土體在－10℃環境下靜置，在3 h后溫度在0.5℃～2℃之間，但保證水泥土沒有結冰，不結冰的目的是保證水泥土試件能成型密實。

試驗過程中所處時段的氣溫變化較大，夜間最低－2度。實測溫度白天土壤溫度2度，土壤中0.50m以下4.5℃，1.0m為7℃，1.50m為10℃。

3)原材料

(1)土樣，由工地現場提供。該土樣試驗項目結果為燒灼失量1.8%;水泥土擠密樁填料的配合比為:水泥:土=8:100，最大干密度為1.79g/cm3，最優含水率為15.3%。

(2)水泥:P·O42.5，質量合格。

(3)摻合料:200目生石灰粉，400目生石灰粉。

(4)無機鹽:元明粉，其他鹽類等。

(5)早強抗凍劑。

圖1 河海大學測試的不同溫度下水泥土的發展狀況

3 試驗結果分析

1)設計參數及要求設計要求水泥土擠密樁填料的配合比為:水泥:土 =8:100(重量比)，28 d無側限抗壓強度為1.3 MPa。按照工地現場提供的土樣，最優含水率為15.3%。要求工地現場設計樁長以上覆蓋層不小于1m，以保證樁土擠密效果和水泥土強度發展需要的養護環境溫度。

2)在400目石灰和元明粉作用下，在低溫下強度。在6℃～8℃養護的環境下，8%的水泥用量，在摻加有生石灰粉和元明粉的條件下，低溫3 h后，強度可以達到1.30 MPa以上。當有一定的元明粉摻量時候，水泥土低溫后，最低強度達到1.4 MPa，具體數據見表1。

表1 水泥土中8%水泥的配比無側限抗壓強度

表2 水泥土中8%水泥的配比無側限抗壓強度

仍然低溫成型，但是在10℃～13℃養護條件下，8%的水泥的水泥土的強度提高也明顯，3h凍后最低強度達到1.44 MPa，具體見圖 2。

圖2 在10℃～13℃養護條件下水泥土的強度

3)在200目石灰的作用效果。在6℃～8℃養護的環境下，8%的水泥用量，在摻加有200目生石灰粉和元明粉的條件下，低溫3 h后，最低的強度可以達到1.30 MPa以上。具體數據見表2。

仍然低溫成型，但是在10℃～13℃養護條件下，8%的水泥的水泥土的強度提高也明顯，3 h凍后最低強度達到1.40 MPa，具體見圖 3。

圖3 在10℃～13℃養護條件下水泥土的強度

4)單摻無機鹽對低溫水泥土強度影響

(1)單摻0.15%的元明粉，在低溫下成型，6℃～8℃養護的水泥土強度結果見圖4。圖中最低強度1.28 MPa，低于1.3 MPa。

圖4 元明粉為0.15%的水泥土強度

(2)單摻0.20%的元明粉，在低溫下成型，6℃～8℃養護的水泥土強度結果見圖5，最低強度1.34 MPa。

圖5 元明粉為0.20%水泥土強度

(3)單摻0.25%的元明粉，在低溫下成型，6℃～8℃養護的水泥土強度結果見圖6，最低強度1.35 MPa。

(4)單摻0.35%的元明粉，在低溫下成型，6℃～8℃養護的水泥土強度結果見圖7，最低強度1.38 MPa。

元明粉的摻量超過0.40%以后，水泥土的強度有下降的趨勢，因此，采用元明粉時候，其摻量不宜過大。

4 結論

根據施工要求水泥土7 d強度達到1.3 MPa，上述試驗得到，在－10℃下冬季施工，3 h內成型，在外摻入無機鹽、生石灰粉可以很好的滿足要求。從成本等綜合考慮，推薦采用單摻0.2%～0.25%的元明粉，水泥土的強度滿足1.3 MPa技術要求。

材料要求如下:

水泥的為P·O42.5R水泥，宜采用大廠水泥，質量合格。

元明粉:白色細粒結晶或粉末，易溶于水，有吸濕性，無臭，無毒，應預防受潮。采用I類一等品，即無水硫酸鈉的含量大于99.0%。

土質及含水率的變化將引起水泥土強度的變化，應保證土質基本不變，成型含水率為最佳含水率。

圖6 元明粉為0.25%水泥土強度

圖7 元明粉為0.35%水泥土強度

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