不同因素对水泥搅拌桩强度影响的试验研究

曹支才，王光辉

(1.陕西省交通建设集团公司，陕西 西安 710000；2.中北工程设计咨询有限公司)

湿陷性黄土具有流变性强以及压缩性较高、承载能力较低等特性，为了尽可能避免湿陷性黄土对公路整体质量的影响，在施工过程中必须加强对湿陷性黄土地基的处理，目前经常采用的处治措施为水泥搅拌桩法，即采用专门的搅拌机械设备对固化剂、软土进行就地搅拌，软土在水泥的作用下变为水泥加固土，水稳性和整体性得到一定程度的提高。

多年来，广大工程师们针对湿陷性黄土及水泥搅拌桩加固地基进行了大量的研究工作。雒亿平基于湿陷性黄土的工程特性,针对现有湿陷性黄土地基处理方法所存在的缺陷，创新性地提出了灰土垫层与防渗膜相结合的联合地基处理方法，并对该复合地基进行了深入探讨，不仅对复合地基力的相互作用、变形及效应做了研究，而且分析了防渗膜铺设深度对复合地基应力应变的影响；鞠兴华等依托某高速公路工程，通过现场试验检测，确定了水泥粉煤灰搅拌桩处理饱和黄土地基的可行性，为地基处理方案提供有效依据；宋修广等通过埋设土压力盒实测桩土应力比，分析了水泥土搅拌桩复合地基中桩土应力比的主要影响因素；秦世伟等分析了养护条件对水泥土搅拌法改善淤泥质黏土强度、变形特性的影响规律，发现在不同养护条件下，同一水泥掺入量下水中养护的水泥土强度值是软土养护试块强度的两倍，并且水中养护试件的变形能力、破坏时的应变以及残余强度等皆强于其余二者。可见，中国国内水泥土搅拌桩复合地基技术已经得到了广泛的应用，目前对有关水泥搅拌固结黄土的工程应用较多，但固结过程涉及的土体受力变化研究较少。

陕西吴定高速公路K83+905～K85+070为湿陷性黄土段，地基采用水泥搅拌桩加固处理，该段路基位于H85滑坡Ⅱ区影响范围内，且路基左侧地表为虚填土，下部为淤泥质土层，地下水对混凝土盐类结晶及硫酸盐(含岩地层)具有弱侵蚀性。该路段利用水泥和粉煤灰(二灰)成型水泥搅拌桩增强强度。基于此，该文开展水泥搅拌桩实施过程中的力学特性试验，分析水泥粉煤灰掺入比、水泥强度等级、养护方式以及含水率变化对水泥搅拌桩力学性能的影响，阐明吴定高速公路典型湿陷性黄土路基进行水泥搅拌桩加固时的强度变化规律，以便为其他地区类似的地基加固提供参考。

1 材料与试验

相关试验方法依据JGJ/T 233-2011《水泥土配合比设计规程》进行。

1.1 试验材料

(1)土样

试验所用土样为测试路段地面1 m以下的湿陷性黄土。

将所采集的土样经过风干、碾碎、过5 mm筛，其物理力学性质如表1所示。

表1 土样的物理力学性能

(2)二灰

水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5级和42.5级。所使用的粉煤灰为某电厂所产。二灰的质量配比为水泥∶粉煤灰=2∶1。水泥及粉煤灰的相关指标如表2、3所示。

表2 采用水泥的相关指标

表3 采用粉煤灰的相关指标 %

1.2 试件制备

按水灰比为0.55，水泥粉煤灰比为2∶1，水泥粉煤灰占黄土的比例(二灰掺入比)为6%、11%、15%、18%、20%和25%成型试件。试件为边长70.7 mm的立方体。

不同二灰掺入比下水泥与粉煤灰用量见表4，严格按照规程要求制备试件，每批试件一次搅拌成型。

表4 不同二灰掺入比下水泥与粉煤灰用量

1.3 试验方案

(1)二灰掺入比对水泥搅拌桩强度的影响

已有研究发现，在黄土中添加水泥虽然能够增强黄土的强度，但也存在一个临界添加量，当水泥掺量低于10%时，二者的固化反应较弱，增强效果并不明显，因此一般添加量都为10%～20%。此外，养护时间以及原状土的不同也是影响黄土强度增强的重要因素，养护龄期不同，黄土强度的增强率不同，原状土不同，增强率也不一样。

为了探究二灰掺入比对水泥搅拌桩强度的影响，将二灰掺入比分别定为6%、11%、15%、18%、20%、25%进行试验，具体试验方案如表5所示。

表5 试验1详细方案

(2)水泥强度等级对水泥搅拌桩强度的影响

水泥强度等级对水泥搅拌桩的强度有一定的影响，为了保证试验结果的准确性，需对32.5与42.5级两种强度等级的水泥进行水泥胶砂强度试验(ISO法)，用以检验水泥强度。

选用32.5和42.5级两个强度等级的普通硅酸盐水泥进行无侧限抗压强度对比，黄土含水量为30%，其详细方案如表6所示。

表6 试验2详细方案

(3)养护方式对水泥搅拌桩强度的影响

不同的养护方式对水泥搅拌桩的强度也有不同的影响，目前主要的养护方式有3种，分别是标准养护、水中养护、软土养护，三者养护温度区别不大，都为20 ℃左右，主要区别在于养护的地点不同，标准养护是将试件放入塑料袋中密封，水中养护是将试件放在水中养护，软土养护是将试件放在土中养护。

该文采用标准养护和水中养护两种方式，水泥为标号32.5级的普通硅酸盐水泥，详细试验方案如表7所示。

表7 试验3详细方案

(4)含水率对水泥搅拌桩强度的影响

试件养护时置于不同湿度的条件下，使其内部含水率不同，当试件发生破坏时，测定此时试件的含水率，探究破坏时试件含水率与试件无限侧抗压强度之间的影响关系。

2 结果与讨论

2.1 二灰掺入比对水泥搅拌桩的强度影响

试样不同养护龄期下，不同二灰掺入比的水泥搅拌桩强度变化规律如图1所示。

图1 二灰掺入比与水泥搅拌桩强度关系图

从图1可以看出：二灰的掺入能够有效地增强水泥搅拌桩的无侧限抗压强度，当二灰掺入比小于10%时，水泥固化反应较弱，强度增强十分有限，当掺入比为10%～20%时，由于水泥量的增加，固化反应变强，强度增长十分明显，且当掺入比大于20%后，水泥搅拌桩强度增长速率变缓，但仍持续增强。在试验的4个龄期中，龄期越长，强度越大。

分析图1的数据，显然二灰掺加得越多，水泥搅拌桩的强度越高，但是在实际工程中，如果二灰掺入比过高，那么经济效益将会降低，且实际工程中往往不需要过高的强度，因此，在实际工程中，需要综合考虑强度以及经济的关系，从而确定实际的掺入量。

2.2 水泥强度等级对水泥搅拌桩强度的影响

2.2.1 水泥强度校验结果

水泥分别为32.5和42.5级的普通硅酸盐水泥，为测试水泥是否合格满足试验要求，现进行水泥胶砂强度试验，测试其3 d和28 d的抗压和抗折强度，结果如表8所示。

表8 水泥各龄期强度值

将表8中的试验结果与规范值进行对比，强度均满足要求，说明所用水泥合格，能够满足试验要求。

2.2.2 结果分析

将42.5级普通硅酸盐水泥搅拌土与32.5级普通硅酸盐水泥搅拌土进行无侧限抗压强度试验对比分析，图2为养护龄期分别为28 d和90 d时，不同强度等级水泥搅拌黄土强度对比。

图2 不同强度等级水泥搅拌桩强度对比

由图2可以看出：42.5级的水泥搅拌桩强度明显要好于32.5级的水泥搅拌桩强度。

(1)当养护龄期为28 d时，32.5级的水泥搅拌桩随着二灰掺入比的增大，强度也持续增大，且基本成正比例。42.5级水泥搅拌桩随着二灰掺入比的增大，当掺入比为10%～20%时，强度增长较快，当掺入比到达20%以后，强度增长速度急剧下降，强度基本平缓到达稳定。

(2)当养护龄期为90 d时，32.5、42.5级的水泥搅拌桩均随着二灰掺入比的增大，强度持续增大。42.5级的水泥搅拌桩强度比32.5级的水泥搅拌桩强度增加40%～60%。

在实际工程中，更高强度的要求可以通过提高水泥搅拌桩中水泥的等级来实现，具有减少水泥用量，利于加固土体流动的优点。

2.3 养护方式对水泥搅拌桩强度的影响

水泥强度等级为32.5级，二灰掺量为6%、11%、15%、18%、20%、25%；养护龄期均为28 d时，标准养护和水中养护试件的无侧限抗压强度如图3所示。

图3 不同养护方式的水泥搅拌桩强度对比

由图3可知：标准养护条件下的水泥搅拌桩试件整体上强度要低于水中养护的试件，但二者增长的速率几乎一致。水中养护试件抗压强度比标准养护试件抗压强度平均高50%～90%。

对7 d水中养护水泥搅拌桩与28 d标准养护下的试件无侧限抗压强度进行对比，结果见图4。

图4 不同养护方式、龄期无侧限抗压强度交叉对比

由图4可以看出：① 当二灰掺量为6%～15%时，水泥搅拌桩试件7 d水中养护的强度与28 d标准养护的强度相差不大;② 当二灰掺量为18%～25%时，水泥搅拌桩试件28 d标准养护的强度相当于7 d水中养护强度的两倍。

由此可得：当二灰掺入比较小时，不同的养护方式对搅拌桩的强度影响较大，而随着掺入比的增大，养护时间的长短对搅拌桩强度影响变大。

2.4 含水率对水泥搅拌桩强度的影响

水泥搅拌桩进行标准养护，在养护龄期T=28 d的条件下，不同含水率w=25%、30%的无侧限抗压强度如图5所示。

图5 不同含水量对强度的影响

从图5可看出：当二灰掺入比为15%以下时，含水率为25%和30%的水泥搅拌桩强度增长趋势基本相同，含水率为25%的水泥搅拌桩强度大约为含水率为30%的水泥搅拌桩强度的两倍，当二灰掺入比为20%左右时，强度增长变快，此后增长变缓。水泥搅拌桩含水率越高，密度越小，强度越低。

3 结论

(1)水泥搅拌桩的强度随水泥、粉煤灰掺量的增加而增大，水泥、粉煤灰的适宜掺量为12%～20%，此时水泥搅拌桩的强度增加明显。当两者掺入比分别为12%和20%，养护龄期为90 d时，水泥搅拌桩强度分别是原状土的40倍和80倍，对湿陷性黄土的处理效果明显。

(2)通过提高水泥的强度等级，能够明显提高水泥搅拌桩的强度，且增长率超过50%以上，因此，实际施工中可以通过提高水泥强度等级来有效提高水泥搅拌桩的强度，进而有效提高湿陷性黄土的处理效果。

(3)水泥、粉煤灰掺入量较小时，养护方式对水泥搅拌桩的强度影响较大，标准养护条件下的水泥搅拌桩强度明显低于水中养护条件下的水泥搅拌桩强度；水泥、粉煤灰掺入量较大时，养护龄期的长短对水泥搅拌桩的强度影响较大；水泥、粉煤灰掺入比相同时，含水率较低的试件在受到破坏后，相对含水率较高的试件仍然具有较高的强度，因此，施工过程中应重视水泥、粉煤灰的掺入量和水泥搅拌桩的养生环境，确保湿陷性黄土地基得到有效处理。