马来西亚淤泥质砂岩强风化土地区水泥搅拌桩配合比应用研究

李孟晖，秦 方，赵小波

1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027

2.中交马东铁六分部，马来西亚 26500

1 研究现状

水泥搅拌桩作为常用的软基处理技术，已有较为成熟的发展，当前对于其施工工艺、室内配合比、现场检测等方面均有研究[1-3]。在水泥搅拌桩配合比方面，近年来，为明确水泥搅拌桩技术在不同地质条件下的设计参数和施工工艺，王树栋等[4]结合天津市重点工程天津碱厂搬迁改造及华能绿色煤电IGCC电站铁路专用线工程对水泥搅拌桩的设计参数和施工工艺进行了现场试验，并确定水泥掺量20%、水灰比0.45作为设计配合比。朱云飞等[5]以吴定高速路基5标为依托，根据该合同段内软土路基变更设计，采用水泥搅拌桩加固处理对需加固处理的各层代表性土质进行了室内配合比设计验证，通过采用不同的试验方案及对比分析，确定不同土质需用的最小水泥用量及最佳水灰比等参数，为现场施工水泥搅拌桩提供了技术支撑。另外，针对施工现场与《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T 233—2011）中所述室内试验在取样方法上存在差异导致现场检测与室内试验结果间产生差异的问题，沈耀剑等[6]分别采用原状土和风干土制备水泥土试样，模拟施工现场和室内试验原材料，研究原材料不同、水泥掺入比和水灰比等配合比参数不同对水泥土无侧限抗压强度和抗剪强度的影响规律。叶彩娟[7]在兰州至中川机场城际铁路建设中采用水泥掺量为12%、16%、20%的水泥土搅拌桩进行地基处理并观测其沉降，研究水泥土搅拌桩复合地基的沉降发展规律及沉降控制效果。结果表明，从满足该线运营的技术经济角度考虑，推荐采用水泥掺量12%的水泥土搅拌桩处理饱和黄土地基；从满足铁路适当提速对路基沉降的要求考虑，水泥掺量为12%、16%、20%的水泥土搅拌桩复合地基可分别应用在速度为160km/h、200km/h的Ⅰ级铁路及250km/h的有砟轨道铁路的路基工程中。

2 配合比试验

首先在项目沿线不同区段对淤泥质砂岩强风化土进行现场取样，发现CH314+800处的淤泥质砂岩强风化土最具有代表性，通过比对现场土壤构成分析结果，考虑到马来西亚地区的土壤地质特点，选择水泥掺量分别为20%、22%、24%、26%、28%，水灰比为0.5、1.0制作试块进行室内试验，并分别检测其7d、14d、28d无侧限抗压强度。现场取样获得的土样指标见表1，其较为代表性地反映了该段路基地基土的总体情况。不同条件下室内试验获得的不同龄期试块的抗压强度见表2，其中每个抗压强度数值对应3组试验的平均值，可较好地反映实际情况，减少误差。

表1 水泥搅拌桩土样指标

表2 不同条件下试块抗压强度统计

通过对比第1组和第2组数据可获得不同水灰比对当前地基水泥土强度形成的影响；将第1组和第3组纵向对比，可得到特定土质条件及水灰比等因素下水泥掺量这一单一变量与水泥土强度的关系；通过对比第1组和第4组数据可以获得土壤天然含水率对水泥土强度形成的影响。另外，为了保证变量仅为由于大气降水造成的土壤天然含水率的不同，在同一位置的不同时间补做第4组试桩并获得数据。通过对比第1组和第4组的7d抗压强度和14d抗压强度数据，可获得淤泥质砂岩强风化土天然含水率对成桩质量的影响。

3 试验结果

不同水灰比与水泥掺量在7d、14d、28d龄期下的强度变化见图1～图3。通过对比第1组和第2组的数据可以看出，水灰比对水泥土强度的形成影响显著。在其他条件不变的前提下，在1.0的水灰比、28%水泥掺量的条件下7d、14d、28d强度分别为0.59MPa、0.74MPa、0.88MPa，远无法满足1MPa的地基承载力设计要求，而在0.5的水灰比条件下26%的水泥掺量即可满足设计要求。究其原因为地基土中含水率较高，且降水导致浅层地基处于较饱和状态，此时选择较高的水灰比制作的水泥浆在地基土中搅拌时会因为水泥浆液过稀而导致水化反应产生的胶体不足，最终导致形成的复合地基强度不足。

图1 不同水灰比与水泥掺量在7d龄期下的强度变化

图2 不同水灰比与水泥掺量在14d龄期下的强度变化

图3 不同水灰比与水泥掺量在28d龄期下的强度变化

一般而言，对于一般软土地基，水泥土强度与水泥掺量为正相关关系，但是水灰比的改变导致2组相同水泥掺量的水泥土强度远低于1组，且低于设计要求，不仅造成了水泥的浪费，还降低了软基处理质量。

将第1组与第3组数据进行整理获得水泥掺量对水泥搅拌桩强度的影响（见图4）。从图4中可以看出，在0.5的水灰比条件下，天然含水率为44.8%的淤泥质砂岩强风化土中水泥掺量与水泥土强度近似呈线性增长关系。通过线性回归获得水泥掺量与28d试块无侧限抗压强度的关系：

图4 水灰比0.5条件下水泥掺量对水泥搅拌桩强度的影响

式中：y为28d龄期抗压强度，MPa；x为水泥掺量，%，取值范围为20%～38%。R2=0.9857，R2为决定系数，反映拟合优度。

不同土壤天然含水率对水泥土强度的影响见图5。第4组数据由同一位置补做试验获得，保证变量仅为由于大气降水造成的土壤天然含水率的不同。根据图5中的变化趋势，第1组在水泥掺量25%以上时28d龄期强度可以达到预期（1MPa），而第4组则在水泥掺量为20%的7d即可满足设计强度1MPa的要求。通过对比可见，对于淤泥质砂岩强风化土，在相同的水泥掺量下，土壤天然含水率对水泥土强度影响巨大，因此在确定水泥搅拌桩配合比时，需要预测施工时的土壤天然含水率，尤其对于类似马来西亚雨季分明的地区，在非雨季和雨季期间所适用的配合比是不同的，需要因时分析。在雨季前后一定时间内进行施工，此时土壤具有较低的天然含水率，可选择较低的水泥掺量达到较好的处治效果；雨季期间施工由于此时土壤天然含水率较高，需要较高的水泥掺量，会造成成本的增加。

图5 不同土壤天然含水率对水泥土强度的影响

综上所述，通过分析第1组与第4组的数据可以看出，水泥搅拌桩施工应选在非雨季；通过分析第1组与第2组的数据可以看出，在马来西亚软土地区，由于降水量较为丰富，土壤天然含水率较高，选择较低的水灰比（0.5）可取得较好的处理效果，在相同条件下，水泥掺量的选择可以参考文中的回归公式。后续将针对旱季土壤含水量较低这一情况，通过后续试验确定不同天然含水率下的最优配合比（水泥掺量、水灰比等），在满足设计要求的前提下节省成本。

4 结束语

文章通过现场取样以及一系列室内试验，对马来西亚地区淤泥质砂岩强风化土水泥搅拌桩配合比进行了试验研究，确定了水泥搅拌桩在此类软基处理中的适用性，并获得不同条件下的配合比，以及水泥掺量与水泥土强度的关系，同时着重强调了雨季与非雨季对水泥搅拌桩配合比选择的重要影响。此次研究结论将应用于项目其他段落相同土壤条件中，并通过后续试验完善进一步推广至整个马东铁项目以及东南亚地区其他拟建或在建项目，以有效节约施工成本，提高施工质量。