深層攪拌樁加固昆明泥炭質(zhì)土的試驗(yàn)研究

張 帆 李向紅 孫 偉 王志良 丁祖德 李永迪

1. 上海隧道工程有限公司 上海 201108；2. 昆明理工大學(xué) 云南 昆明 650031

1 概述

泥炭質(zhì)土是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化而形成的，是腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w與礦物成分摻雜的特殊土壤。天然泥炭質(zhì)土一般呈酸性，pH值為6左右，具有高孔隙率、高含水率、高壓縮性、高有機(jī)質(zhì)含量、低容重、低強(qiáng)度等特征。泥炭質(zhì)土廣泛分布于昆明及其周邊區(qū)域，滇池作為盆地內(nèi)湖泊沉積區(qū)，是性狀典型、層厚較深、縱向分布多樣的泥炭質(zhì)土覆蓋區(qū)域[1]。近年來(lái)，隨著昆明城市建設(shè)的快速發(fā)展，軌道交通、高速公路、鐵路工程及市政道路等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目日趨增多，大量工程建設(shè)穿越泥炭質(zhì)土層是不可避免的。由于泥炭質(zhì)土的特殊工程特性，將其作為承載地基的工程，易發(fā)生失穩(wěn)、沉降過(guò)大等問(wèn)題，故須對(duì)其進(jìn)行加固處 理[2-4]。因此，對(duì)深層攪拌樁加固泥炭質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，具有非常重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

深層攪拌樁作為軟土地基加固的常用方法，通常以水泥作為主要固化劑，利用水泥與土體之間的物理、物理化學(xué)或化學(xué)作用，使土體形成具有一定強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的水泥加固土[5]。水泥中含有大量的Si4＋、Ca2＋及其他離子，在水泥土固化結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中，這些離子所構(gòu)成的礦物熟料作為反應(yīng)物反應(yīng)之后最終形成水化產(chǎn)物，一方面加強(qiáng)自身的膠結(jié)強(qiáng)度，另一方面持續(xù)水化生成的結(jié)晶物質(zhì)作為固化土骨料支撐結(jié)構(gòu)。

泥炭質(zhì)土層中富含的有機(jī)質(zhì)會(huì)對(duì)水泥土強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。其中，Ca2＋容易被胡敏酸（泥炭質(zhì)土中有機(jī)質(zhì)的主要成分之一）消耗并產(chǎn)生沉淀[6]，而沉淀物無(wú)法為固化土強(qiáng)度提供支持。同時(shí)，富里酸（泥炭質(zhì)土中有機(jī)質(zhì)的另一種主要成分）一方面附著于水泥表面，導(dǎo)致水化反應(yīng)難以發(fā)生，另一方面對(duì)含鋁水化產(chǎn)物（水化鐵鋁酸鈣、水化鋁酸鈣等）具有較強(qiáng)的分解能力[7]，導(dǎo)致水泥膠凝硬化受阻，強(qiáng)度低且硬化時(shí)間被延長(zhǎng)。因此，將水泥作為固化劑加固泥炭土地基時(shí)，加固后的土體強(qiáng)度往往難以達(dá)到預(yù)期目的。寧波某中學(xué)宿舍采用水泥攪拌樁復(fù)合地基，由于局部含有高達(dá)15%的有機(jī)質(zhì)，致使復(fù)合地基靜載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值僅為75 kPa，遠(yuǎn)小于其設(shè)計(jì)取值[8]。在江門濱江大道的施工過(guò)程中，局部地段由于泥炭土的存在導(dǎo)致水泥攪拌樁無(wú)法成形，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]。大理開發(fā)區(qū)某8幢住宅的泥炭質(zhì)土地基采用深攪法處理，最大沉降達(dá)857 mm，影響其正常使用[10]。

為提高水泥固化泥炭土的強(qiáng)度，本文結(jié)合昆明市軌道交通2號(hào)線某車站坑底加固工程，開展深層攪拌樁加固泥炭質(zhì)土的試驗(yàn)及加固效果比較研究。將無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)泥炭質(zhì)土加固效果的指標(biāo)，考慮泥炭質(zhì)土不同深度、施工工況及固化劑方案等因素的影響，分析泥炭質(zhì)土的固化機(jī)理，為泥炭質(zhì)土地區(qū)的地基加固處理提供借鑒。

2 泥炭質(zhì)土加固地層的基本物理指標(biāo)

昆明市軌道交通2號(hào)線某車站深層攪拌樁加固工程，加固深度范圍內(nèi)土層的分布情況依次為：人工填土（厚約6.0 m）、粉質(zhì)黏土（厚約2.0 m）、泥炭質(zhì)土（厚約3.0 m）、粉砂（厚約6.0 m）、泥炭質(zhì)土（厚約2.0 m）、粉砂（厚約4.0 m）、泥炭質(zhì)土（厚約2.0 m）、粉質(zhì)黏土（厚約1.8 m）、泥炭質(zhì)土（厚約2.5 m）。

針對(duì)加固范圍內(nèi)不同深度的泥炭質(zhì)土進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，得到各土層的物理力學(xué)指標(biāo)，如表1所示。由表1可知：該土層具有天然容重小（11.9～13.1 kN/m3）、孔隙比大（2.90～4.39）、天然含水率高（155.5%～241.8%）、有機(jī)質(zhì)含量高（35.5%～74.3%）、壓縮系數(shù)大（3.23～ 4.33 MPa-1）等特點(diǎn)，工程性質(zhì)較差、承載力較低，對(duì)工程沉降、穩(wěn)定性影響顯著。

表1 不同深度泥炭質(zhì)土的基本物理參數(shù)

不同埋深泥炭質(zhì)土（18、24、27 m）過(guò)0.075 mm水篩后，剩余質(zhì)量均小于原質(zhì)量的5%。為便于分析泥炭土的加固效果，采用LS3-320激光粒度儀對(duì)粒徑≤0.075 mm的泥炭質(zhì)土樣進(jìn)行了粒徑分析，所得粒徑級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 不同埋深泥炭質(zhì)土粒徑級(jí)配曲線

由于泥炭質(zhì)土的平均粒徑較小，故要提高水泥固化土的強(qiáng)度，包裹泥炭質(zhì)土團(tuán)粒所需水泥漿液量較大。在深層攪拌作用下，泥炭質(zhì)土可以與相鄰?fù)翆舆M(jìn)行置換，如粉砂層、粉質(zhì)黏土層等，能夠提高加固土層的平均粒徑，增強(qiáng)加固效果。

3 試驗(yàn)方法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯對(duì)深層攪拌樁試驗(yàn)加固場(chǎng)地進(jìn)行取樣，鉆芯圓柱直徑為80 mm（圖2）。

將試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)其加固效果的指標(biāo)，對(duì)加固28 d后的固化泥炭質(zhì)土試樣，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)加載（圖3），并用Test Expert version3.6數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

考慮到試樣強(qiáng)度的形狀和尺寸效應(yīng)及現(xiàn)場(chǎng)取出芯樣的具體形狀和尺寸[11]，壓縮試樣取為高徑比等于1.0的圓柱體試件，以便于統(tǒng)計(jì)試件的形狀和尺寸。為確保試件的高徑比為1，芯樣切割時(shí)應(yīng)保持固定，鋸切平面保證與芯樣軸線垂直（圖4）。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)取樣

圖3 試樣壓縮過(guò)程

圖4 試件切割

將水泥作為主要固化劑，氯化鈉作為外加劑，分析泥炭質(zhì)土層深層攪拌樁加固后的力學(xué)特征。為分析不同水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)加固泥炭質(zhì)土的效果，分別選用P·O 42.5和 P·O 52.5的東駿牌水泥，其摻入量為天然土體質(zhì)量的30%。為分析外加劑氯化鈉對(duì)固化泥炭質(zhì)土的影響，選取摻入量為5.5%和無(wú)摻入量2種情況進(jìn)行試驗(yàn)。考慮泥炭質(zhì)土加固的實(shí)際情況及深層攪拌樁施工工藝的影響，選取六噴六攪和八噴八攪2種施工工藝。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同埋深的昆明泥炭質(zhì)土具有不同的物質(zhì)組成及物理力學(xué)性質(zhì)，為研究深層攪拌樁對(duì)不同埋深泥炭質(zhì)土的加固效果，對(duì)埋深分別為18、24 m和27 m的加固泥炭質(zhì)土樣（P·O 42.5水泥＋NaCl＋8攪），進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同埋深加固泥炭質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖5可知，隨著泥炭質(zhì)土埋置深度的增加，其地應(yīng)力也逐漸增加，固化土體的強(qiáng)度也不斷增大，深層攪拌樁加固效果越好。土體埋深從18 m增加至27 m，加固泥炭質(zhì)土強(qiáng)度從2.56 MPa增大至3.80 MPa，增加48.4%，均遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。

針對(duì)本文所提出的不同加固工況條件下，埋深為24 m的土體試樣，分別進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，對(duì)于不同的深層攪拌樁施工工藝，由于八噴八攪的方案比六噴六攪噴射次數(shù)多，水泥漿與土體混合更加充分，故其加固效果要明顯優(yōu)于六噴六攪。對(duì)于“42.5水泥＋NaCl＋8攪”的方案，其加固后的強(qiáng)度比“42.5水泥＋NaCl＋6攪”的方案增加了12.8%。對(duì)于不同水泥強(qiáng)度等級(jí)的影響，水泥強(qiáng)度等級(jí)越高，其加固泥炭質(zhì)土的效果越好，“52.5水泥＋NaCl＋8攪”加固方案的固化泥炭質(zhì)土強(qiáng)度要大于“42.5水泥＋NaCl＋8攪”方案，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了10.0%。而早強(qiáng)劑NaCl對(duì)深層攪拌樁加固泥炭質(zhì)土的影響并不顯著。

圖6 不同工況下加固泥炭質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖7為室內(nèi)泥炭質(zhì)土加固試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)深層攪拌樁試驗(yàn)的應(yīng)力-變形曲線對(duì)比。由圖7可知，現(xiàn)場(chǎng)深層攪拌樁試驗(yàn)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于室內(nèi)加固試驗(yàn)。深層攪拌樁加固試驗(yàn)，一方面由于深層攪拌的置換作用，能夠有效降低泥炭質(zhì)土中的有機(jī)質(zhì)含量，從而限制了其對(duì)水泥水化反應(yīng)的抑制作用，提高了加固土體的強(qiáng)度；另一方面泥炭質(zhì)土的孔隙率非常大，深層攪拌置換作用能夠?qū)庸掏馏w進(jìn)行有效填充，從而達(dá)到物理加固的效果。

圖7 典型加固泥炭土試樣應(yīng)力-變形曲線對(duì)比

將兩者的應(yīng)力-位移變形曲線進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)加固試樣表現(xiàn)出無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度低、豎向壓縮量大且塑性變形顯著的特點(diǎn)；而現(xiàn)場(chǎng)深層攪拌樁加固試驗(yàn)則無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高、加固效果較好，在達(dá)到抗壓強(qiáng)度前，應(yīng)力與變形近似呈線性關(guān)系，達(dá)到抗壓強(qiáng)度后應(yīng)力迅速下降，表現(xiàn)為脆性破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合昆明市軌道交通2號(hào)線某車站坑底深層攪拌樁加固工程，將無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)其加固效果的指標(biāo)，考慮泥炭質(zhì)土埋置深度、水泥強(qiáng)度等級(jí)、深層攪拌樁施工工藝等因素的影響，探討了昆明泥炭質(zhì)土層的加固效果，得到以下結(jié)論：

1）隨著泥炭質(zhì)=土埋置深度的增加，其地應(yīng)力逐漸增加，固化土體的強(qiáng)度也相應(yīng)增大，深層攪拌樁的加固效果也越好。

2）對(duì)于不同深層攪拌樁的施工工藝，由于八噴八攪的方案比六噴六攪噴射次數(shù)多，水泥漿與土體的混合更加充分，加固效果要明顯優(yōu)于六噴六攪，其加固后的強(qiáng)度增加了12.8%。

3）水泥強(qiáng)度等級(jí)越高，其加固泥炭質(zhì)土的效果越好，“52.5水泥＋NaCl＋8攪”加固方案的固化泥炭質(zhì)土強(qiáng)度要大于“42.5水泥＋NaCl＋8攪”方案，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了10.0%。

4）現(xiàn)場(chǎng)深層攪拌樁試驗(yàn)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于室內(nèi)加固試驗(yàn)。室內(nèi)加固試樣表現(xiàn)出強(qiáng)度低、壓縮量大且塑性變形顯著的特點(diǎn)；而深層攪拌樁加固試樣則表現(xiàn)為脆性破壞，在達(dá)到抗壓強(qiáng)度前，應(yīng)力與變形近似呈線性關(guān)系。