水泥攪拌樁法在處治新舊路基差異沉降中的應用

2016-11-29 08:50:01彭振宇

公路與汽運 2016年5期

彭振宇

（山西交科公路勘察設計院，山西太原 030006）

彭振宇

（山西交科公路勘察設計院，山西太原 030006）

針對改擴建公路工程中新舊路基差異沉降問題，對水泥攪拌樁處理方法進行研究。在歸納分析水泥土加固原理的基礎上，通過室內試驗分析了影響水泥土攪拌樁強度的主要因素。結果表明，隨著水泥摻入比的增大，水泥土的強度逐漸增強；水泥土的強度在水泥摻入比為10%～15%時增長幅度最大。通過某公路加寬工程采用水泥攪拌樁法處治軟基的應用實例，得出水泥攪拌樁法可有效處治新舊路基差異沉降。

公路；水泥攪拌樁；路基；差異沉降

改擴建公路工程是在原有道路的基礎上進行加寬、拼接，由于新舊路基的差異沉降，如不對加寬路基，特別是跨越軟土區域的擴寬路基進行處理，很容易造成新舊路面的開裂及路堤沉陷。

水泥攪拌樁法利用攪拌機械將水泥固化劑與軟土進行攪拌，水泥與軟土在攪拌過程中發生一系列化學及物理反應，提高軟土的強度、水穩定性及整體性。該方法施工簡便、施工速度快、無噪音、不排土、不排污，國外已將其大范圍應用于軟基處治。該文在分析水泥土加固機理、水泥攪拌樁強度影響因素的基礎上，通過工程實例研究水泥攪拌樁法用于改擴建工程中軟基處治的效果。

1 水泥土的加固原理

水泥攪拌樁法將水泥作為固化劑，在水泥與軟土混合攪拌過程中會發生一系列復雜的物理和化學反應。普通硅酸鹽水泥中主要含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O34種氧化物，各種氧化物的含量見表1。水泥土在水解、水化過程中會不斷釋放熱量并形成新的水化產物，其強度變化隨著反應的進行具有層次性。

表1　水泥中的氧化物含量

1.1水泥的水解和水化反應

水泥中的氧化物CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3在水泥顆粒表面反應生成3CaO.SiO2、3CaO.Al2O3、4CaO.Al2O3.Fe2O3和CaSO4等礦物，其含量見表2。這些礦物在拌和過程中會與軟土中的水發生水解和水化反應，生成Ca（OH）2、CaO.2SiO2.3 H2O、CaO.Al2O3.6H2O、CaO.Fe2O3.6H2O等化合物。

表2　水泥土中主要化合物的含量

（1）3CaO.SiO2在水泥中含量最高，在水化過程中使水泥迅速凝結硬化，是影響強度大小的決定因素。其化學反應式如下：

（2）2CaO.SiO2在水化過程中產生的水化物早期強度低，后期強度高；水化反應時間長，可延續到幾年甚至幾十年。其化學反應式如下：

（3）3CaO.Al2O3水化速度最快，在不加緩凝劑的情況下會發生早凝現象。其化學反應式如下：

（4）4CaO.Al2O3.Fe2O3的水化速度是一個逐漸降低的過程，能促進早期強度的形成。其化學反應式如下：

（5）CaSO4與3CaO.Al2O3一起反應，生成化合物“水泥桿菌”，將軟土中的大量自由水以結晶水的形式析出，使其自由水含量減少，從而增強水泥的性能，提高水泥的強度。其化學反應式如下：

1.2硬凝反應

水化后的水泥，溶液中會存在大量Ca2+離子，Ca2+離子與溶液中的Na+、K+離子進行離子交換反應，當Ca2+離子達到一定數量后，就會與軟土中的SiO2、Al2O3發生反應，生成穩定的不溶于水的結晶化合物。隨著這些結晶化合物的硬化，不僅能增加水泥土的強度，同時具有很強的水穩定性。

1.3團粒化作用

水泥發生水化反應后會生成一種凝膠離子，其比表面積往往比原水泥顆粒大1 000多倍。隨著比表面積的增大，面積能和吸附能力迅速增大。因此，水泥土里的小土團被吸附，進一步結合成大土團，形成團粒結構。同時土團間的空隙被填滿，各團粒之間形成堅固的連接，進而增加水泥土的強度。

團粒化作用與離子交換同時發生，團粒化作用的同時，水泥與土體之間會發生大量離子交換。因此，硬凝反應將水泥水化后的產物與黏土顆粒連接起來成為一個系統。

1.4碳酸化作用

空氣中和水中的CO2能與水泥水化產物中的Ca（OH）2發生碳酸化反應，生成不溶于水的化合物CaCO3。其反應方程式如下：

碳酸化反應能增加水泥土的強度，但增加幅度較小，速度也慢。

2 影響水泥土攪拌樁強度的主要因素

2.1水泥摻入比的影響

水泥摻入比是指水泥土中水泥質量與軟土質量的比值。擬定3組不同水泥摻入比，在不同水泥強度等級下進行試驗，標準養護齡期過后測試水泥土的抗壓強度，結果見表3。

由表3可知：隨著水泥摻入比的增大，水泥土的強度逐漸增強。水泥土的強度在水泥摻入比為10%～15%時增長幅度最大。因此，在工程應用中將水泥摻入比控制在10%～15%，既能在保證強度的前提下節約水泥用量，使施工成本最小，還能保證工程質量。

表3　不同水泥摻入比對水泥土強度的影響

2.2養護齡期的影響

對水泥摻入比分別為7%、10%、15%的試塊進行養護，測定其不同齡期下的抗壓強度，結果見表4和圖1。

表4　不同養護齡期對水泥土強度的影響

圖1　水泥土齡期與抗壓強度的關系

由圖1可知：隨著齡期的增大，水泥土的抗壓強度逐漸增大。標準養護齡期28 d后，其抗壓強度仍在增加，直到齡期達到60 d時，水泥土的抗壓強度曲線才趨于平緩。以水泥摻入比7%為例，齡期28 d時的抗壓強度為0.57 MPa，而齡期180 d時的抗壓強度為1.394 MPa，約為28 d時的2.4倍。水泥摻入比為10%時，齡期為180 d時的水泥土抗壓強度約為28 d時的2.3倍。說明隨著齡期的增加，水泥土抗壓強度逐漸增長，到齡期180 d時達到臨界點；同時水泥摻入比越大，相同齡期下水泥土強度越大，增長趨勢越大。

2.3水泥強度等級的影響

由表3可知：水泥標號為42.5的試塊的28 d抗壓強度比標號32.5的同齡期抗壓強度提高30%～50%。說明隨著水泥強度等級的增大，水泥土抗壓強度提高。

2.4土體中含水量對抗壓強度的影響

利用正交試驗法測定6組不同含水量下混合料的28 d抗壓強度，結果見表5。由表5可知：混合料的28 d抗壓強度隨著土體中含水量的增大而減小。當含水量由46%增加到154%時，28 d抗壓強度由2 317 kPa減少到262 k Pa。說明土樣中含水量增加10%，其抗壓強度會減低10%～48%。

3 工程應用實例

3.1工程概況

某一級公路由原雙向四車道加寬為雙向六車道。該工程跨越軟土區域較廣，地表覆蓋層多為第四土系，少見基巖外露。其中K810+320—345處于軟土區域，根據地質勘測資料，該區域淤泥深度為6.7～9.2 m，采用水泥攪拌樁法處治軟基。水泥標號為42.5，水泥攪拌樁的直徑為50 cm，長度為8.9～11.8 m，樁間距為1.1～1.5 m，采用正三角形布置。水泥攪拌樁樁身28 d強度大于1.0 MPa，整樁采用復噴工藝。