沿海软基深层水泥搅拌桩复合地基工程性能室内模型试验研究

曾斓　赵利平　张建球

摘要：文章通过深层水泥搅拌桩室内模型试验，有针对性地研究在沿海软基地区水泥种类、水泥掺入量、水灰比、龄期、外加剂和加固体搅拌程度等因素对水泥土加固体工程性能的影响规律，以及浅层和深层加固体的工程性能随影响因素的变化规律，并根据试验数据，基于回归分析获取沿海软基地区水泥土加固体龄期与抗压强度之间的经验公式，以进行水泥土加固体随龄期抗压强度变化预测，为同类工程提供数据参考。

关键词：深层水泥搅拌桩复合地基;水泥土加固体;室内试验;工程性能

中国分类号：U416.03文献标识码：A

0 引言

软土地基的地基稳定性较差，压缩沉降较大，排水固结缓慢。修筑路基若在不进行地基处理的软基上，常常会发生过量的沉陷或路基失稳等现象，最终导致路基不能正常使用或被破坏。这类工程由于施工技术和工程造价等方面原因，传统的施工方法已经不能适应日益复杂的工程需要，最佳的处理方法是对软土地基进行就地加固，而水泥搅拌桩等复合地基技术能最大限度地利用原状土的承载力或其他力学性质。

水泥搅拌桩是指以水泥为固化剂与土体就地强制搅拌形成水泥土加固体固化硬结，以获得强度高、整体性好和水稳性好的复合地基[1-8]。其中深层水泥搅拌桩是指水泥为固化主剂和软基土体就地强制搅拌固结硬化，是水泥搅拌桩的一种情形，其适用于处理淤泥、砂土、淤泥质土、泥炭土和粉土，当用于处理地下水具有侵蚀性或泥炭土时，应通过试验确定其适用性。

陈清发[9]针对潮州供水枢纽工程，对影响水泥搅拌桩抗压强度的诸多因素和渗透系数等进行分析。时占勇、徐芝萍等[10]研究天津港水泥搅拌体不同龄期强度之间的关系。麻勇[11]通过室内试验研究了港珠澳东人工岛和天津港南疆港区软土水泥搅拌桩加固体强度提高机理和工程应用。郑旭卫[12]分析外加剂在单一因素和多因素变化下对滩涂淤泥固化土的变化规律。陈页开、艾建文等[13]基于有限元法模拟土工格栅和水泥搅拌桩加固软基，分析软基的固结行为及路堤填土高度、桩弹性模量、桩间距对路堤沉降与固结行为的影响。黄朝煊[14]通过现场正交试验，分析三山涂围垦工程固化剂配比中各配方（水泥、减水剂、石膏和粉煤灰）掺量对淤泥固化土无侧限抗压强度的影响关系。云利江[15]通过室内三轴压缩试验，研究了水泥掺量、围压和龄期对加固体抗剪强度和脆性指标的影响。贺迎喜、李汉渤等[16]研究香港地区滨海软土地基淤泥的土性参数、水泥掺量和养生龄期等因素对室内和现场加固体强度的影响。王永志、MohammadKhosravi等[17]通过CDM格栅复合黏土地基动力离心模型试验分析加速度峰值放大系数、反应谱比、地表沉降、剪应力-剪应变等特征及变化。吴治华[18]以滨海地区淤泥为研究对象，通过固化试验研究不同种类和掺量固化剂情况下的最佳含水率和淤泥填筑路基性能。张明[19]结合某填海造陆工程，针对填海工程中软土地基表层加固技术进行试验研究。

近些年来，我国集中于研究水泥搅拌桩的施工工艺、沉降特性、荷载传递规律和强度检测等方面，但对于深层水泥搅拌桩系统的、全面的研究仍不足。大量工程证明，在工程实践中针对性开展深层水泥搅拌桩体室内试验研究是非常有必要的。

本文采用室内模型试验方法，研究各影响因素对沿海软基水泥土加固体抗压强度提高规律。与原天然地基强度相比，深层水泥搅拌桩强度的提高效果明显。为控制质量评价提供重要依据，得出浅层和深层土加固体的工程性能随影响因素的变化规律，并进行对比分析。且根据试验数据，基于回归分析获取沿海软基地区水泥土加固体龄期与抗压强度之间的经验公式，可进行水泥土加固体随龄期抗压强度变化预测，为同类工程提供数据参考。

1 水泥搅拌桩复合地基工程性能室内试验

1.1 试验概况

北海铁山港进港大道工程属城市新建道路，位于北海市铁山港（临海）工业区，是北海铁山港港口与外部联系的主要通道之一。场址特殊性岩土主要为分布于原始地形海漫滩上的淤泥质砂、软塑黏土等，局部稍厚，力学强度差，含水量大，为高压缩性土，未经处理不能直接作为路基的地基土，且单一的强夯法难以实施。后经设计提出拟先对场地进行强夯处理，对不能强夯的路段采用深层水泥搅拌桩法处理。

影响深层水泥搅拌桩工程性能的主要因素有：水泥种类、水泥掺入量、水灰比、加固体龄期、外加剂性质和用量和加固体搅拌时间等。为了弄清楚各因素对加固体强度的影响程度，开展相关影响因素的室内分析试验。

试验土样通过钻孔取土，取自北海铁山港1#～4#泊位进港大道工程，取浅层浅层素填土和深层黏土;试验用水采用铁山港的普通自来水，运送至试验室;试验固化剂以水泥为固化剂;试验外加剂以添加粉煤灰作为外加剂，掺入外加剂的目的是为了改善水泥性能;试验制备主要有JJ-5型号水泥胶砂搅拌机、平板振动台、JM-C30 kg型号计重称、WE-300B型万能试验机和电热鼓风恒温干燥箱等。参考《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）GB/T17671-1999》进行试验。

1.2 试验方案

试验流程如图1所示。试验方案见表1。

1.3 试验结果与分析

1.3.1 水泥土加固体抗压强度

水泥种类对水泥土加固体抗压强度的影响如图2所示

图2的试验结果表明：

（1）掺入不同水泥種类的加固体的抗压强度随着龄期的增大而增大。试验表明，在不同水泥种类时，浅层加固体抗压强度范围为1.5～7.3 [HTSS]MPa[HTXH]。掺入华润牌P.O42.5水泥的加固体抗压强度最大，其次分别为华润牌P.Ⅱ42.5R、左江牌P.C32.5和华润牌P.C32.5R水泥。

（2）加固体的强度随着水泥强度等级的提高而增加。对于沿海软土地基而言，水泥强度等级每提高一档，加固体的强度约增加20%～40%。其次，普通硅酸盐水泥比硅酸盐水泥对强度增加更为有效。

水泥掺入量对水泥土加固体抗压强度的影响如图3所示。

试验结果表明：对于浅层加固体，不同水泥掺入量的加固体的抗压强度随着龄期的增加而增加，后期强度增长幅度变缓，趋于平稳;对于深层加固体，在28 d前，除14%水泥掺入量的加固体，不同水泥掺入量的加固体的抗压强度随着龄期的增加而减小。在28 d后，加固体的抗压强度随着龄期的增加而增加，后期强度增长幅度变缓，趋于平稳。试验表明，水泥掺入量为20%时，抗压强度最大，其次分别为18%，16%和14%。加固体的抗压强度随着水泥掺入量的增加而增加。

水灰比对水泥土加固体抗压强度的影响如图4所示。

试验结果表明：对于浅层加固体，设定不同水灰比试验时，在28 d前，加固体的抗压强度随着龄期的增大而减小;在28 d时出现拐点，加固体强度随着龄期的增大而增大;[JP+1]到了90 d增长的速度变缓，强度趋于稳定。而对于深层加固体，抗压强度随着龄期的增大而增大，到了90 d增长的速度变缓，强度趋于稳定。在不同水灰比时，两者抗压强度范围相近。其次，若将水灰比设定为0.45%时，有利于浅层加固体强度增长;若将水灰比设定为0.50%时，有利于深层加固体强度增长，但对于浅层加固体效果较差。

龄期对水泥土加固体抗压强度的影响如图5所示。

试验结果表明：

（1）在不同水泥掺入量情况下，加固体抗压强度随龄期的增长而提高。龄期在90 d前，加固体抗压强度有明显的增长;90 d后，加固体抗压强度的增长幅度变缓。不同土体在不同龄期下，加固体的抗压强度随水泥掺入量增大而增大。

（2）对于浅层加固体，最佳水灰比为0.45%，其次为0.55%和0.6%，当水灰比为0.5%效果最差;对于深层加固体，最佳水灰比为0.5%，其次为0.6%和0.45%，当水灰比为0.55%效果最差。综上结论可得，在相同水灰比情况下，加固体抗压强度的大小与土体性质相关。

外加剂对水泥土加固体抗压强度的影响如图6所示。

试验结果表明：在掺入不同含量粉煤灰的情况下，加固体的抗压强度随龄期的增长而提高。龄期在60 d前，加固体的强度增长幅度大;60 d后，加固体强度增长幅度变小。相比于无掺入粉煤灰的情况下，掺入粉煤灰的抗压强度有显著的提高，最大增长强度到达之前的两倍左右，掺量不同对加固体的影響程度不一样。掺入6%粉煤灰的强度最大，其次分别是12%和18%，最小为无掺入粉煤灰的。综上可见，粉煤灰作为外加剂，既可以提高也可以抑制加固体的抗压强度。

加固体搅拌时间对水泥土加固体抗压强度的影响如图7所示。

试验结果表明：加固体搅拌时间越长，加固体抗压强度越大。从大到小分别为120 s、90 s、60 s和30 s。这可以说明加固体搅拌时间及均匀程度对加固体的强度影响很大，而搅拌的均匀程度又与施工过程中钻杆提升速度、转速、复喷的深度和次数等因素有关。

1.3.2 不同龄期的加固体抗压强度回归分析

根据试验资料，分别得到不同龄期水泥土加固体的抗压强度与28 d抗压强度（浅层加固体）和7 d抗压强度（深层加固体）之间的关系公式：

不同龄期的浅层加固体抗压强度关系公式如下：

2 结语

本文以室内模型试验为基础，研究了水泥种类、水泥掺入量、水灰比、龄期、外加剂和加固体搅拌程度因素对沿海软基地区水泥土加固体工程性能的影响规律。在本文试验条件下，得到以下两点主要结论：

（1）水泥土加固体抗压强度随龄期增大而增大，并与水泥标号和水泥掺量呈正相关关系。采用的水泥标号每提高一档，加固体强度增加20%～40%，且普通硅酸盐水泥比硅酸盐水泥对强度增加更为有效;加固体前期强度与土体有关，与后期强度基本无关;最佳水灰比与搅拌土体的性质有关;外加剂掺入量对加固体有明显影响，强度是无外加剂的加固体的2倍，同时不同掺入量对加固体的影响程度不一样，合适加入外加剂能提高加固体强度和节约工程成本;加固体搅拌时间及均匀程度对强度影响很大，因此施工中注意保证加固体均匀程度。

（2）综合浅层加固体和深层加固体回归方程可以看出，当龄期超过3个月后，加固体的强度增长才减缓。因此建议沿海软基浅层加固体选用3个月龄期强度作为加固体的标准强度。一般情况下，龄期<28 d的加固体强度其线性较差，离散性较大。

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