渤海新区沿海区域水泥土搅拌桩成桩环境影响因素分析

□姚慧敏

渤海新区地处华北东部平原东端，属华北平原东部滨海冲积平原区。沿海区域的工程地质条件多为高盐、高地下水位和具有中强腐蚀性等特点。在水利工程中，复合式地基为常见的基础处理方式，水利工程中水泥土搅拌桩因起成本较低，施工技术成熟，强度稳定性好等优势，应用较为广泛。研究基于渤海新区板堂河河道综合治理工程中水泥土搅拌桩的应用，通过室内试验的手段，研究工程区环境对水泥土搅拌桩成桩的影响。

1.工程条件

板堂河治理工程位于渤海新区入海口附近。工程区地下水位较高，且地下水与场区土均对混凝土结构及钢结构具有一定的腐蚀性。环境水对混凝土结构具有弱～中等腐蚀性。场区土的PH 值 8.3～9.03，矿 化 度 7322.1～19149.9Mg/L，Cl-含 量 3972.5～10528.3Mg/L，含量 226.5～2712.5Mg/L。揭露的地层主要有素填土、杂填土、淤泥质黏土、淤泥质壤土、黏土、壤土。

墙式护岸的基础的地基处理方式为复合式地基—水泥土搅拌桩，桩径600mm，桩长8m，间距1.1m，正三角形布置，置换率26.9%。

地基软黏土原状土样基本物理性质指标见表1。土样直剪（快剪）强度指标、无侧限抗压强度见表2。试验结果表明，板堂河综合治理区地基土层灵敏度位于2.0～4.0之间，为中灵敏度土。

表1 沧州板堂河综合治理区地基部分土样基本物理性质指标

表2 沧州板堂河综合治理区地基部分土样基本力学性质指标

2.氯离子对水泥土强度的影响规律

图1为不同浓度的NaCl溶液下，水泥掺量20%，水灰比0.6的水泥土无侧限抗压强度散点图。

由图1（a）可见，无论龄期如何变化，水泥土强度随氯离子溶液的浓度先增大后减小。不同龄期，强度的峰值点位置不同，7天和15天的龄期时，水泥土在溶液浓度为15g/L处出现峰值；28天和60天时，水泥土在10g/L时出现峰值。

由图1（b）可见，无论哪种溶液浓度，水泥土强度都随龄期增大。

氯离子对水泥土强度的影响主要是因为氯离子含量较少时，对水化硅酸钙和水化铝酸钙生成的阻碍作用小于其生成作用，表现为水泥土强度的增长；而当氯离子含量较多时，对水化硅酸钙和水化铝酸钙生成的阻碍作用大于其生成作用，表现为水泥土强度的降低。

3.硫酸根离子对水泥土强度的影响规律

图2为不同浓度的硫酸钠溶液下，水泥掺量20%，水灰比0.6的水泥土无侧限抗压强度散点图。

由图 2（a）可见，7天龄期时，水泥土强度随溶液浓度增大而变大，而在其他3种龄期，水泥土强度随硫酸根浓度先增大后减小。不同龄期，强度的峰值点位置不同，15天和28天的龄期时，水泥土在溶液浓度为10g/L处出现峰值；60天时，水泥土在15g/L时出现峰值。

由图2（b）可见，无论哪种溶液浓度，水泥土强度都随龄期增大。

图1 氯离子对水泥土强度的影响

图2 硫酸根离子对水泥土强度的影响

图3 镁离子对水泥土强度的影响

4.镁离子对水泥土强度的影响规律

图3为不同浓度的硝酸镁溶液下，水泥掺量20%，水灰比0.6的水泥土无侧限抗压强度散点图。

由图3可见，无论哪种龄期，水泥土强度都随溶液浓度增大而减小；无论哪种溶液浓度，水泥土强度都随龄期增大。

镁离子对水泥土强度的影响主要因为，一方面Mg2+会与水化硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）和水化铝酸钙（3CaO·Al2O3·6H2O）反应，使水泥土的主要强度来源物质减少，导致水泥土强度降低；另一方面Mg2+会与Ca(OH)2反应生成松软无胶结能力的Mg(OH)2而使水泥土的强度进一步降低。

5.醋酸对水泥土强度的影响规律

图4为不同浓度的醋酸溶液下，水泥掺量20%，水灰比0.6的水泥土无侧限抗压强度散点图。

由图4（a）可见，无论何种龄期，水泥土强度随溶液浓度的增大先减小后增大，而且四种龄期的强度值都在溶液浓度为30g/L时出现最小值。

由图4（b）可见，无论哪种溶液浓度，水泥土强度都随龄期增大。

6.腐殖酸对水泥土强度的影响规律

图5为不同浓度的腐殖酸溶液下，水泥掺量20%，水灰比0.6的水泥土无侧限抗压强度散点图。

由图5（a）可见，无论哪种龄期，水泥土强度都随溶液浓度增大而减小。这是因为腐殖酸对水泥水化的进程有延缓作用，而且能使水化产物分解，破坏水泥加固土的结构，因此水泥土强度会随腐殖酸的浓度增大而降低。

由图5（b）可见，无论哪种溶液浓度，水泥土强度都随龄期增大。但是对于浓度为5g/L和8g/L的溶液，强度随龄期增大到一定程度后就趋于稳定，增大的趋势很小。

7.黄腐殖酸对水泥土强度的影响规律

图6为不同浓度的黄腐殖酸溶液下，水泥掺量20%，水灰比0.6的水泥土无侧限抗压强度散点图。

由图6（a）可见，无论哪种龄期，水泥土强度都随溶液浓度增大而减小，其原因是黄腐殖酸对黏土颗粒的分散作用很大，不利于水泥土强度的增长。

由图6（b）可见，无论哪种溶液浓度，水泥土强度都随龄期增大。

需要特别指出的是，黄腐殖酸除了以上4种浓度，还配置了3g/L和5g/L的溶液，但是试模中的试样一直处于软塑的状态，无法将其从试模中取出。由此可见，黄腐殖酸对水泥土的硬化有强烈影响。

图4 酸根离子对水泥土强度的影响

图5 腐殖酸对水泥土强度的影响

图6 黄腐殖酸对水泥土强度的影响

8.土性对水泥土的影响

一般认为，水泥土搅拌桩在用于处理泥炭土、有机质土、pH值小于4的酸性土、塑性指数大于25的黏土的地基时，效果较差，必须通过现场和室内试验确定其使用性。

《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）给出的原因大致有以下几种：一是泥炭土、有机质含量大于5%或pH值小于4的酸性土，可能出现水泥不凝固或发生后期崩解；二是当黏土的塑性指数Ip大于25时，容易在搅拌头叶片上形成泥团，无法完成水泥土的拌和。另外，据文献资料报道，软土的灵敏度过大，也不适应用水泥土搅拌桩。

8.1 黏土的有机质含量及pH值

根据测试，板堂河工程区淤泥质土中有机质含量为0.72～1.13%，小于5%；土样的pH值为8.62～8.98，大于4。

8.2 黏土的塑性指数Ip和灵敏度St

原状地基土样的物理力学试验结果表明，板堂河工程区地基土塑性指数Ip为 9.1～22.3，小于 25；灵敏度为 2.0～4.0，为中灵敏度土。

综合上述试验结果，可以看出板堂河工程区地基土的土性指标适宜水泥土搅拌桩地基处理。

9.结语

9.1 酸和酸性水侵蚀

根据地下水水样检测结果，板堂河工程区地下水pH值为7.9～8.8，为碱性环境，不存在酸性水侵蚀。

9.2 盐类侵蚀

二是镁盐侵蚀。板堂河工程区地下水的镁离子含量为0.7g/L～2.1g/L。试验表明水泥土强度随镁离子溶液浓度增大而减小。不过，当添加的溶液浓度达到20g/L时，水泥土强度仍能达到MPa级。可以认为板堂河工程区地下水的镁离子含量对水泥土强度的形成影响微弱。

三是氯盐侵蚀。板堂河工程区地下水的氯离子含量为19.0g/L～29.3g/L。试验结果表明水泥土强度值随着氯离子溶液的浓度先增大后减小，水泥土强度在没有消除饱和淤泥质土中氯离子基础上，添加溶液浓度15g/L处出现峰值。因此，板堂河工程区地下水的氯离子含量没有劣化水泥土强度的增长。

9.3 强碱侵蚀

板堂河工程区地下水pH值为7.9～8.8，为弱碱性环境，不存在强碱侵蚀。

9.4 场地土的影响

根据测试结果，场地土的有机质含量、PH值、塑性指数和灵敏度的指标不会对水泥土搅拌桩的成桩造成太大影响。