淤泥質土條件下深層攪拌法軟基處理適應性分析

唐福來

(廣東水電二局股份有限公司， 廣州 511340)

水泥土一般指由軟土地基中的天然土與水泥混合形成的有一定的固結強度和形狀的固化物。通過特制的攪拌設備在地基深處就地將軟土和水泥等固化劑強制拌和，使松散土體形成堅硬穩定的水泥土凝結體，從而提高地基的強度和增大變形模量。

試驗目的是為了驗證深層攪拌法在該場地地質條件下的適應性[1-2]，試驗所用土樣取自韓江某水利工程閘壩地基，場地地層分布至上而下主要為中粗砂、淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土及淤泥質粉細砂、中細砂等。

水泥土的室內試驗研究工作主要包括了土樣的物理力學性質試驗、水泥的物理力學性能試驗、水泥摻入比為15%、18%、21%的水泥土在14 d、28 d、90 d齡期的抗壓、抗剪強度試驗。土樣分別為淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土、含泥質粉細砂，選用32.5R普通硅酸鹽水泥作為固化劑。

1 試驗所用材料性能試驗[3-4]

試驗所用的水泥為32.5R普通硅酸鹽水泥，其細度、凝結時間和安定性合格，3 d和28 d抗折強度分別為5.6 MPa和7.9 MPa，大于規范規定的3.5 MPa和5.5 MPa；3 d和28 d抗壓強度分別為33.0 MPa和42.5 MPa，大于規范規定的16.0 MPa和32.5 MPa。

對所取土樣進行常規試驗、壓縮試驗、剪切強度試驗等(見表1、表2),由試驗結果可知：淤泥質土為高含水量、高液限的高壓縮性土，地基土抗剪切強度低。

表1 場地地基土物理力學性質統計(平均值)

表2 地基土抗剪強度試驗成果

另外，因場地表層出露淤泥質土的地層普遍含有較多的腐木和腐殖質，選取了3個土樣進行化學分析(見表3，土樣定名為高液限淤泥質粉質粘土且含較多腐木和腐殖質)。從分析結果看，pH值為4.14～4.46，呈酸性，根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)中關于場地土對混凝土結構的腐蝕性評價方法，工程的環境類別屬于Ⅲ類，場地土層對混凝土具有泛酸性腐蝕，腐蝕強度屬中等。

表3 土樣化學分析成果

2 水泥土的配制

試驗所用土樣分別有高液限淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土和含泥質粉細砂3種。對試驗用的土樣用5 mm篩篩去其中的夾雜物，加水調整至天然含水量，放置24 h后進行配合比試驗。水泥用量依據土的體積按摻入比15%、18%、21%分別計算、稱量摻入，采用人工拌和，裝模搗實后用塑料薄膜覆蓋試件，以防止水分蒸發過快。2 d后拆模，將試件放置于溫度為22℃、相對濕度不小于95%的養護室養護至試驗齡期。

3 室內水泥土配比試驗及工程樁抽芯試驗結果對比及分析

在水泥土養護至7 d、28 d、90 d時，分別進行了無側限抗壓強度和抗剪強度試驗(見表4所示),表5是壩基采用深層攪拌法加固后抽芯檢驗[5]結果。

表4 室內水泥土試驗成果 MPa

表5 攪拌樁抽芯檢驗成果(水泥摻入比18%)

通過對室內和攪拌樁工程施工[3-4,6]樁抽芯樣本試驗結果對比，可見同巖性地層水泥土90 d標準強度基本接近，工程樁的強度普遍偏低，應該與室內拌和與工程施工攪拌的均勻程度不同有關。

對表4與表5數據進行分析，影響水泥土強度的因素主要包括土樣性質、水泥摻入量、水泥土的齡期、水泥的強度等級、水灰比、外加劑等。本次實驗沒有添加外加劑，水泥也是同一標號和品牌，因此從土樣性質、水泥摻入量、水泥土的齡期、水泥的強度等級等因素進行分析。

3.1 土樣性質的影響

由表4中數據可知：采用含泥質粉細砂和水泥配制的水泥土強度比淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土配制要高。由于淤泥質粉質粘土中含較多的有機質成分，強度又比淤泥質粘土低，并且在試塊表面可看到輕微開裂、膨松現象。但90 d齡期的配比強度仍在1.39～1.93 MPa之間，可滿足一般工程的需要(不同巖性的水泥土時間—強度曲線如圖1～圖3所示)。

圖1 淤泥質粉質粘土水泥土強度—時間曲線示意

圖2 淤泥質粘土水泥土強度—時間曲線示意

圖3 含泥質粉砂水泥土強度—時間曲線示意

有機質含量較高的軟土，一般具有比較大的水容性和塑性，同時具有比較大的膨脹性和低滲透性，多數土層還有一定的酸性。這些因素都會阻礙水泥的水化反應從而影響水泥土強度的增長。不同土樣水泥土強度的差異與水泥土的物理化學反應過程所形成凝結體的軟硬有關，在砂性地層中，反應過程主要是水泥本身的水解與水化反應過程，結果是水泥石與砂顆粒固結成為一體，形成較高強度的水泥石凝結體。而用粘性土、淤泥或淤泥質土拌和的水泥土，反應過程比較復雜，通常除了水泥本身的水解與水化反應過程外，還包括粘土顆粒與水泥水化物的作用，主要有離子交換與團粒化作用、水泥土硬凝反應過程、碳酸化作用等，隨著反應過程的不斷深入，水化硅酸鈣等水化物不斷發育、充填孔隙、粘結顆粒，較長時間才使松散土體形成較為堅硬的水泥土或灰土凝結體，因此，采用此類土體配制的水泥土試塊強度增長的過程十分緩慢。同時，水泥土或灰土凝結體的強度一般比水泥石凝結體的強度要低，這也是為什么砂性土拌制的水泥土強度比粘性土拌制的強度高的原因。

采用淤泥質粉質粘土配制的試塊表面可看到輕微開裂、膨松現象，是由于泛酸性腐蝕屬于分解型腐蝕，通過與水泥石的水化產物反應生成沒有凝膠能力的產物因而出現松散、開裂現象，同時，使水泥土的強度降低，甚至破壞，破壞的程度主要決定于pH值與水泥土本身的抗滲性。水泥土相對于普通混凝土通常滲透性大，含水量高，抗滲性能較差[7]，因此，酸性場地對水泥土的侵蝕應比普通混凝土嚴重。

3.2 水泥摻入量的影響

水泥摻入量大小直接影響到水泥土的強度。從采用淤泥質粉質粘土拌制的水泥土來看，水泥摻入比由15%增加到21%，7 d齡期水泥土強度由0.47 MPa增長至0.79 MPa，提高了68%，90 d齡期水泥土強度由1.39 MPa增長至1.93 MPa，提高了38.8%；淤泥質粘土水泥土水泥摻入比由15%增加到21%，7 d齡期水泥土強度由0.64 MPa增長至0.89 MPa，提高了39%，90 d齡期水泥土強度由2.03 MPa增長至2.76 MPa，提高了36%；以泥質粉細砂拌制的水泥土，水泥摻入比由15%增加到21%，7 d齡期水泥土強度由2.42 MPa增長至3.84 MPa，提高了58.7%，90 d齡期水泥土強度由3.93 MPa增長至6.14 MPa，提高了56.2%，強度的增加更加明顯。可見，水泥土強度的增長是隨著水泥摻入比的增大而提高，不同土質形成的水泥土其強度增加幅度也不同。但是，從摻入比15%增加到18%時的強度與從18%增加到21%時的強度相比，淤泥質類土的強度增長并不成正比，增長有放慢的趨勢，砂類土中則基本成正比，甚至有較大增長的趨勢，這應該與土樣中含淤質成分的比例有關。因此，在實際應用過程中應根據土質的情況選用最佳的水泥摻入比，以便取得更好的經濟效益。

3.3 齡期對水泥土的的影響

由試驗結果水泥摻入比為15%時，淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土7 d齡期的強度為90 d時的33.8%和31.5%，28 d齡期的強度為90 d時的59.7%和70%，粉細砂則分別是56%和84.2%；水泥摻入比為18%時，淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土7 d齡期的強度為90 d時的39.5%和31.8%，28 d齡期的強度為90 d時的62.9%和64.5%，粉細砂則分別是64.5%和85.7%；而當水泥摻入比為21%時，淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土7 d齡期的強度為90 d時的40.9%和47.1%，28 d齡期的強度為90 d時的62.7%和68.5%，粉細砂則分別是62.5%和90.9%。

由此可見，砂性土的水泥土強度比粘性土增長速度快，主要與水泥石形成快慢有關。對于砂性土，水泥石形成主要是水泥的水解和水化反應過程，其過程一般在28 d左右或稍長一點時間即可完成，因此，采用泥質粉細砂拌制的水泥土28 d強度即接近90 d齡期強度的90%左右。而采用粘性土拌和的水泥土，硬凝反應過程則比較復雜，通常除了水泥本身的水解與水化反應過程外，還包括粘土顆粒與水泥水化物的作用，如離子交換與團粒化作用、水泥土的硬凝反應過程、碳酸化作用等，其過程需要幾個月甚至幾年時間才能完成。從圖1～圖3中曲線所顯示的趨勢來看，有機質含量比較高的淤泥質粉質粘土的抗壓強度在齡期達到28 d后仍有比較大的增長，且增長的速率比淤泥質粘土要大。圖3所反映的含泥粉細砂水泥土強度增長情況，在28 d以后增長速度已明顯放慢。

3.4 水泥土抗剪強度與抗壓強度的關系

從試驗結果看，對于淤泥質粉質粘土，不同摻入比在齡期為7 d時水泥土的抗剪強度與抗壓強度之比為8.7%～10.3%，齡期為28 d時水泥土的抗剪強度與抗壓強度之比為8.8%～10.4%，齡期為90 d時水泥土的抗剪強度與抗壓強度之比為9.5%～10.4%，抗剪強度是抗壓強度的1/10左右；淤泥質粘土也有類似的情況，不同摻入比在齡期為7 d時水泥土的抗剪強度與抗壓強度之比為8.8%～10.4%，齡期為28 d時水泥土的抗剪強度與抗壓強度之比為9.3%～10.4%，齡期為90 d時水泥土的抗剪強度與抗壓強度之比為9.6%～10.9%，雖然下限有所增大，但抗剪強度仍然是抗壓強度的1/10左右。不過，對于含泥粉細砂，水泥土的抗剪強度值明顯偏高，不同摻入比在齡期為7 d時水泥土的抗剪強度與抗壓強度之比為16.3%～18.2%，齡期為28 d時水泥土的抗剪強度與抗壓強度之比為12.5%～15.1%，齡期為90 d時水泥土的抗剪強度與抗壓強度之比為12.5%～15.4%。

因此，可以近似地認為，對于以軟弱粘性土配制的水泥土，其存在著抗剪強度大致是抗壓強度的1/10左右的關系，抗剪切能力比較差。

4 深層攪拌法處理軟土地基的幾個問題探討

4.1 淤泥質土條件下樁的承載力問題

試驗結果表明，采用淤泥質粉質粘土配制的試塊表面可看到輕微開裂、膨松現象，水泥土早期強度低，90 d的水泥土強度比同摻入比的砂性土固結體強度低，依據《軟土地基深層攪拌加固法技術規程》(YBJ225-91)及相關文獻[3-4，8]，深層攪拌樁單樁承載力估算：

(1)

式中:

qu——與攪拌樁樁身加固土配比相同的室內加固土試塊的無側限抗壓強度,kPa；

η——強度的折減系數，一般可取0.25～0.33，這里取0.25；

Ap——攪拌樁的截面積,m2。

代入表4數據及其他相應的數據，估算該巖土條件下3種水泥摻入量深層攪拌樁單樁承載力最低值Nd(見表6所示)。

由表6數據可見，在摻入比為15%時，該工程淤泥質粉質粘土的單樁承載力估算值僅為109 kN，一般的建筑物的承載力需求都比較難以滿足，因此，對于承載力要求比較高和工后沉降比較小的建筑軟土地基，在無更好軟基處理方法條件下，從樁的布置間距等方面進行考慮，應進一步對復合地基和工后沉降進行驗算[9-10]，同時，建筑物施工過程及完成后，應定期進行沉降位移觀測并及時分析原因[11-12]。

4.2 水泥摻入比的確定

水泥摻入比的選擇原則，既要滿足軟基處理效果的要求，又需考慮經濟合理性，對于本工程，由試驗數據可見，在設計要求單樁承載力達到120 kN的條件下，應充分考慮地層巖性的分布，對于砂性土，選取低于15%的摻入比即能達到處理效果，淤泥質粉質粘土的摻入比則要取得偏高。本工程考慮淤泥類土厚土及分布比較廣，選取水泥摻入比為18%。

4.3 攪拌樁擋土墻的應用

試驗結果表明，對于淤泥質土條件下的水泥土抗剪強度近似為抗壓強度的1/10，抗剪強度大多數為小數量級，因此，在此條件下，對于深基坑，單排的攪拌樁幾乎起不到擋土墻的作用，建議慎用，否則，建議設計為重力式擋墻或格構式擋墻，同時要嚴格計算擋墻的穩定性。

5 結語

本文針對某工程的地基處理需要，對淤泥質土與含泥質沙性土通過不同水泥摻入比拌和形成的水泥土，在不同齡期條件下水泥土強度的對比，分析了水泥土強度的影響因素，土樣性質、水泥摻入量、水泥土的齡期等均對水泥土的強度有較大影響，土質是其中的決定性因素，因此，在工程實踐中，要根據不同的地質條件選用合適的水泥摻入比，對于含腐殖質較多的泛酸性淤泥質土地基，無論是復合地基還是擋土墻，均應進行充分論證。