艾志偉， 羅嗣海， 曾 勇， 鄧通發(fā)，3

（1. 江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌330000；3.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州510006）

0 引 言

水泥土攪拌樁在加固處理軟弱地基工程中被廣泛采用，它是指就地原位將軟土和水泥等固化劑強(qiáng)制攪拌，通過土、水及水泥間發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，硬化形成具有一定整體性、水穩(wěn)性和足夠強(qiáng)度的水泥土加固體，來提高軟土的強(qiáng)度. 由于具有施工工期短、無公害、成本低及加固效果好等特點(diǎn)，常用于加固處理淤泥、淤泥質(zhì)土及砂性土等各種成因的軟土[1]. 但隨著攪拌樁工程事故的增多，水泥攪拌樁的應(yīng)用遭設(shè)計(jì)、業(yè)主和建設(shè)部門的質(zhì)疑[2-4]. 現(xiàn)有的攪拌樁設(shè)計(jì)理論遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，尤其是樁體承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法不夠完善，僅僅根據(jù)室內(nèi)配比水泥土試塊強(qiáng)度和樁側(cè)摩阻力來計(jì)算，卻較少聯(lián)合采用現(xiàn)場條件下水泥土芯樣強(qiáng)度輔助計(jì)算. 目前，對水泥土室內(nèi)外抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對比分析的研究很少. 文中根據(jù)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對比分析水泥土在室內(nèi)配比試驗(yàn)和現(xiàn)場條件下芯樣強(qiáng)度的差異，指出其中的原因及存在的問題，同時(shí)對樁基承載力計(jì)算方法和水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)方法提出相應(yīng)的改善措施.

1 室內(nèi)外抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 室內(nèi)水泥土配比試驗(yàn)

室內(nèi)土樣為高速公路典型路段的原狀土， 采用挖機(jī)現(xiàn)場取土樣，根據(jù)勘察資料各土性質(zhì)參數(shù)見表1.為使室內(nèi)外試驗(yàn)條件更相近， 以濕土樣的天然含水率和密度為依據(jù)制樣，水泥土的含水率不做調(diào)整. 原狀土以土層及基本物理性質(zhì)為依據(jù)分成2 組， 每組土樣中水泥摻入比均為8%、12%、16%和20%，共8 組. 試塊形狀尺寸選擇70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體，以水泥土容重作為控制指標(biāo)制樣，機(jī)械攪拌均勻后，振搗成形并養(yǎng)護(hù)1 d 后，使其有一定硬度再脫模養(yǎng)護(hù)，選擇標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期7 d、30 d、45 d 和60 d. 至齡期前取出試塊浸水2 d 后，使其養(yǎng)護(hù)條件更接近工程實(shí)際，做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，水泥土強(qiáng)度以試塊強(qiáng)度的平均值為準(zhǔn)，結(jié)果見表2.

1.2 水泥土攪拌樁芯樣強(qiáng)度試驗(yàn)

水泥土芯樣取自水泥摻入比設(shè)計(jì)值為20 %的成樁60 d 的攪拌樁，以不同樁號、不同樁身深度為依據(jù)多點(diǎn)取樣，按樁號、樁身深度及土層來分組編號，依次對應(yīng)室內(nèi)試驗(yàn)的水泥土試樣. 為增強(qiáng)與室內(nèi)配比試驗(yàn)的可比性，同樣選取有代表性的芯樣浸水2 d 后再做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表3.

表1 原狀土基本物理性質(zhì)

表2 室內(nèi)試驗(yàn)水泥土抗壓強(qiáng)度

表3 室外樁身芯樣抗壓強(qiáng)度

2 室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)對比

2.1 室內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

由室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥土室內(nèi)外試驗(yàn)強(qiáng)度的差異很大，室外樁身芯樣強(qiáng)度普遍低于室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)值，差值范圍在0.1～0.88 MPa，土層1 的強(qiáng)度間最大差值為0.88 MPa， 平均差值為0.2 MPa；土層2 的強(qiáng)度間最大差值為0.86 MPa， 平均差值為0.4 MPa. 計(jì)算實(shí)例選自文獻(xiàn)[5]，在現(xiàn)場取土做室內(nèi)水泥土試驗(yàn)和樁身芯樣強(qiáng)度檢測的實(shí)測值.對比分析室內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：

圖1 水泥摻入比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

（1）分別擬合水泥土抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系圖1、圖2，結(jié)果表明水泥土強(qiáng)度隨摻入比的增加而顯著增強(qiáng)，當(dāng)摻入比大于20%時(shí)，強(qiáng)度增長明顯減緩， 研究表明水泥摻入比控制在7%～20%為宜[6-9]. 強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增強(qiáng)，早期強(qiáng)度增長速率顯著提高， 但后期增長較緩慢[10-11]. 土層1對應(yīng)的水泥土強(qiáng)度高于土層2 的， 說明水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期及土的類別是其強(qiáng)度的主要影響因素.

圖2 養(yǎng)護(hù)齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系（土層2）

（2）將土層1、2 對應(yīng)的室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度作比繪圖得圖3、圖4，發(fā)現(xiàn)對于同一土層，甚至相同深度的樁身芯樣強(qiáng)度離散性較大，土層1 的室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度均較土層2 的要高，說明土質(zhì)特性對水泥土強(qiáng)度影響很大，是引起室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度差異的原因之一. 現(xiàn)場樁身強(qiáng)度的平均值顯著低于室內(nèi)值， 摻入比設(shè)計(jì)值為20 %對應(yīng)的水泥土樁身強(qiáng)度平均值僅僅相當(dāng)于16 %，甚至12 %左右的室內(nèi)設(shè)計(jì)值對應(yīng)的強(qiáng)度，可見樁身水泥實(shí)際摻入比低于室內(nèi)設(shè)計(jì)值是引起差異的主因.

圖3 室內(nèi)外試驗(yàn)強(qiáng)度對比（土層1）

圖4 室內(nèi)外試驗(yàn)強(qiáng)度對比（土層2）

（3）將不同土層深度不同樁號對應(yīng)的樁身強(qiáng)度與相同條件下室內(nèi)結(jié)果對比， 如圖5. 發(fā)現(xiàn)同一樁體不同深度的樁身強(qiáng)度不相同，不同樁體的同一深度的樁身強(qiáng)度也不同，且普遍低于相同摻入比的室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度. 說明工程現(xiàn)場樁身水泥土較室內(nèi)試驗(yàn)，攪拌均勻程度低，導(dǎo)致樁身的各部分水泥摻入比不一致，這是引起兩者差異的主要原因.

圖5 不同樁號室內(nèi)外試驗(yàn)強(qiáng)度對比

（4）通過擬合樁身芯樣強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度的比值，如圖6. 除個(gè)別點(diǎn)外，該比值均小于1，但土層1、2 對應(yīng)芯樣平均值與室內(nèi)強(qiáng)度的比值較接近1，說明在室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果間設(shè)定一個(gè)折減系數(shù)γ，即樁身芯樣強(qiáng)度均值與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的比值. 針對本工程中的粉質(zhì)粘土對應(yīng)的水泥土強(qiáng)度折減系數(shù)γ=0.45～1，均值為0.867；對于淤泥、淤泥質(zhì)粘土，γ=0.4～1.3， 均值為0.71. 考慮到樁身下部的強(qiáng)度較差，對樁身整體強(qiáng)度的影響最大，所以在施工時(shí)對樁身下部的水泥摻量應(yīng)適當(dāng)增大.

圖6 芯樣與室內(nèi)的強(qiáng)度比值

（5）根據(jù)現(xiàn)場抽芯取樣觀察，樁身水泥土均勻性較差（如圖7），發(fā)現(xiàn)同一樁身的上下各部分實(shí)際拌入的水泥不同； 相同水泥設(shè)計(jì)摻入比的不同樁號， 其樁身的攪拌均勻程度及摻入比離散性較大，在試驗(yàn)結(jié)果中充分表現(xiàn)為同一組芯樣強(qiáng)度值離散性較大，存在個(gè)別較高的強(qiáng)度值但普遍低于相同條件下對應(yīng)的室內(nèi)水泥土強(qiáng)度，這也說明攪拌均勻程度及摻入比的差異是主因.

圖7 現(xiàn)場水泥土芯樣

2.2 室內(nèi)外強(qiáng)度差異理論分析

規(guī)范[1]規(guī)定水泥攪拌樁處理軟基時(shí)，先做室內(nèi)水泥土配合比試驗(yàn)，確定合適的水泥摻入比等參數(shù)后， 再依據(jù)90 d 齡期的試塊強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值來計(jì)算單樁豎向承載力. 室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)常采用原狀土與水泥機(jī)械攪拌均勻后，裝入試模振搗成形，選擇標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或水中養(yǎng)護(hù)，直至規(guī)定90 d 齡期并測得其強(qiáng)度，使其與現(xiàn)場條件下的強(qiáng)度更相近. 但實(shí)際上兩種條件下的強(qiáng)度存在較大的差異，水泥土室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度偏高的現(xiàn)象普遍存在.

設(shè)計(jì)時(shí)常采用規(guī)范中通長樁體強(qiáng)度的定值，樁頂至樁底的樁身強(qiáng)度是相同的. 但根據(jù)實(shí)際情況及文中的檢測結(jié)果，樁身上下各部分的強(qiáng)度是不同的. 水泥土強(qiáng)度在室內(nèi)和現(xiàn)場條件下試驗(yàn)結(jié)果差異的客觀存在[2,3,12]，主要原因有攪拌均勻程度不同、水泥摻入比不一致、土質(zhì)特性離散大和試驗(yàn)方法局限性等方面. 從水泥土作用機(jī)理可知水泥土攪拌不勻?qū)@著降低其強(qiáng)度，而室內(nèi)試樣拌合的均勻程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)場試樣的. 國外研究表明，工程現(xiàn)場條件下水泥土樁的攪拌均勻程度對其強(qiáng)度影響顯著[13-14]. 工程現(xiàn)場中水泥土攪拌均勻程度的影響因素主要有：現(xiàn)場施工機(jī)械設(shè)備、工藝落后和樁體強(qiáng)度質(zhì)檢方法不完善[2-4]. 國內(nèi)工程實(shí)踐中，由于機(jī)械攪拌、切削水泥土不夠充分，使水泥與未被切削的粘土團(tuán)攪拌不勻，并形成包裹土團(tuán)的水泥漿，而土團(tuán)內(nèi)部沒有水泥漿，由此硬化形成的水泥石強(qiáng)度較低. 而根據(jù)水泥土硬化機(jī)理可知，水泥土強(qiáng)度主要來源于水泥的水解和水化反應(yīng)形成的水泥石骨架，水泥土攪拌均勻程度差， 樁體內(nèi)水泥摻入比不一致，各部位強(qiáng)度也不同. 存在土團(tuán)內(nèi)實(shí)際水泥摻入比小于設(shè)計(jì)值，而樁身強(qiáng)度取決于各部位強(qiáng)度的最低值，使得現(xiàn)場樁身強(qiáng)度低于室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度. 作者在現(xiàn)場鉆孔取芯時(shí)發(fā)現(xiàn)普遍存在水泥土攪拌不均勻的現(xiàn)象.

此外，研究發(fā)現(xiàn)在施工過程中，常產(chǎn)生冒漿現(xiàn)象[2-4]，大量水泥漿冒出地表，使地表隆起大量的水泥土，造成現(xiàn)場樁體的實(shí)際水泥摻入比小于室內(nèi)試驗(yàn)摻入比，水泥土強(qiáng)度因而降低. 雖然室內(nèi)試驗(yàn)土樣為原狀土，但受限于取土深度和采樣點(diǎn)不足且土質(zhì)特性離散大，使有些土樣代表性不強(qiáng)，和現(xiàn)場土質(zhì)條件不一致. 水泥土作用機(jī)理表明，土性類別是水泥土強(qiáng)度的主要影響因素. 試驗(yàn)方法的局限性，尤其是室內(nèi)試驗(yàn)的制樣方法、養(yǎng)護(hù)條件及擾動(dòng)的原狀土與工程現(xiàn)場實(shí)際不盡相同. 室內(nèi)試驗(yàn)制樣多采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的立方體試件，而現(xiàn)場鉆芯取樣試塊尺寸多為圓柱體，不能忽視水泥土試樣形狀尺寸效應(yīng)的影響[15]；養(yǎng)護(hù)條件一般選擇標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度保持在20±2 ℃之間，濕度保持在90 %以上)或室溫下水中養(yǎng)護(hù)，而現(xiàn)場樁周軟土中水會(huì)形成水壓差補(bǔ)給加固土體，現(xiàn)場水泥土的養(yǎng)護(hù)條件與室內(nèi)水養(yǎng)相似， 而與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)存在一定差異. 根據(jù)水泥土加固機(jī)理中碳酸化作用，室內(nèi)養(yǎng)護(hù)的溫度、 濕度及與空氣的接觸程度較工程現(xiàn)場，更有利于提高其強(qiáng)度；原狀土采樣數(shù)量的局限性及取土造成的擾動(dòng)影響都降低了土質(zhì)的代表性，從而對兩者強(qiáng)度的對比也有一定影響. 水泥土室內(nèi)外試驗(yàn)的制樣方法、 形狀尺寸及養(yǎng)護(hù)條件的不一致，說明試驗(yàn)方法的局限性也是引起室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度差異的原因之一.

3 存在的問題及改善措施

3.1 攪拌樁承載力的計(jì)算方法改進(jìn)

水泥土樁復(fù)合地基單樁豎向承載力按現(xiàn)有規(guī)范[1]計(jì)算方法，原則上取下列二式中較小值：

式（1）、式（2）中:RP為攪拌樁的單樁承載力（kN）；qu為與攪拌樁樁身配比相同的室內(nèi)水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值（kPa）；AP為攪拌樁單樁截面積（m2）； f 為樁側(cè)土平均摩阻力（kPa）；Rsb為樁端土承載力 （kPa）； η 為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，η=0.35～0.5；α 為樁端土承載力折減系數(shù)，α=0.5；D、L分別為樁徑、樁長（m）.

規(guī)范設(shè)計(jì)主要依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度，沒有考慮室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度與現(xiàn)場強(qiáng)度間客觀存在的差異，使室內(nèi)水泥土強(qiáng)度在工程實(shí)際中存在安全隱患. 因此，在考慮式(1)、式(2)的基礎(chǔ)上，再聯(lián)合考慮現(xiàn)場芯樣強(qiáng)度計(jì)算單樁豎向承載力：

式（3）中：qu為現(xiàn)場鉆孔取芯的芯樣水泥土（Φ70 mm×100 mm）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，工程現(xiàn)場試樁時(shí)可取得該值，并換算至90 d 標(biāo)準(zhǔn)齡期強(qiáng)度；ζ 為折減系數(shù)，降低因現(xiàn)場鉆孔取芯擾動(dòng)對芯樣強(qiáng)度的影響，本工程中對淤泥質(zhì)粘土可取0.65[4].

按現(xiàn)場水泥土強(qiáng)度設(shè)計(jì)的思想，將室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場芯樣強(qiáng)度相結(jié)合，提出聯(lián)合式(1）（2）（3）式計(jì)算并取最小值的改進(jìn)計(jì)算式（4），避免室內(nèi)水泥土強(qiáng)度設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工質(zhì)量脫節(jié)的弊端，有效解決了因試驗(yàn)強(qiáng)度和現(xiàn)場強(qiáng)度差異帶來的工程問題. 因此，攪拌樁復(fù)合地基承載力也可以用下式計(jì)算：

式（4）中： β 為樁間土承載力折減系數(shù)，當(dāng)樁間土為硬土?xí)r，β=0.1～0.4； 當(dāng)樁間土為軟土?xí)r，β=0.5～1.0； 當(dāng)不考慮樁間軟土的作用時(shí)，β=0；m 為置換率；Rs為樁間天然地基承載力（kPa）.

3.2 水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化

水泥土室內(nèi)試驗(yàn)是確定水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)及施工現(xiàn)場配合比的重要依據(jù). 根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場條件下水泥土強(qiáng)度的差異現(xiàn)象分析，綜合考慮工程實(shí)際及易操作性，對強(qiáng)度測試的試驗(yàn)方法提出一些改善建議，完善統(tǒng)一水泥土試驗(yàn)操作規(guī)程，從而增強(qiáng)qu在公式（1）和（3）取值的可比性. 試驗(yàn)土樣要采用原狀土，考慮到工程地質(zhì)土層深度和地域分布的不均勻性，對同一土質(zhì)，至少要選三個(gè)采樣點(diǎn)取樣， 并盡早做水泥土強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn). 在室內(nèi)試塊形狀尺寸的選擇上，目前比較混亂，主要有立方體、圓柱體及棱柱試塊等[14]，見表4，而現(xiàn)有規(guī)范對水泥土芯樣的尺寸選用標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一[15]，見表5.

表4 水泥土室內(nèi)試驗(yàn)試樣形狀尺寸

表5 水泥土室外樁身芯樣形狀尺寸

文中綜合考慮了技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，建議直接在工藝試樁中， 成樁7d 后鉆芯取樣作無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的芯樣，鉆芯取樣的尺寸要求：采用以鉆取芯樣的實(shí)際直徑尺寸及控制高徑比為1:（1～2）的圓柱體. 水泥土攪拌樁芯樣一般分為破碎狀，100 mm 以下的短柱狀與100 mm 以上的長柱狀[2-6].所以， 水泥土強(qiáng)度室內(nèi)外試驗(yàn)均選用Φ70 mm×（70～140） mm 的圓柱體試樣，減小評判誤差. 根據(jù)現(xiàn)場抽芯結(jié)果， 樁身均勻性在不同土層相差較大，所以在攪拌樁的上、中、下部位分別取芯樣一組，每組取3 個(gè)樣，做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).

4 結(jié) 論

在軟土樁基工程中，對比分析水泥土室內(nèi)配合比試驗(yàn)與現(xiàn)場樁身芯樣強(qiáng)度試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1） 水泥土強(qiáng)度的主要影響因素有土的類別、水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)條件及齡期和水泥土的攪拌均勻性等.

（2） 水泥土強(qiáng)度室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果差異客觀存在，表現(xiàn)為室外樁身強(qiáng)度普遍偏低，主要是由室外水泥土樁身攪拌均勻程度差、 水泥實(shí)際摻入比偏低、現(xiàn)場土質(zhì)特性離散大和試驗(yàn)方法局限性等因素引起的. 通過對比分析，得到室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果乘上一個(gè)折減系數(shù)γ， 近似等于樁身強(qiáng)度. 針對本工程中的粉質(zhì)粘土對應(yīng)的水泥土強(qiáng)度折減系數(shù)γ=0.45～1， 均值為0.867； 對于淤泥、 淤泥質(zhì)粘土，γ=0.4～1.3，均值為0.71.

（4）提出改進(jìn)水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)程的建議：采用原狀土，取樣時(shí)選擇三個(gè)以上采樣點(diǎn)；以水泥土容重作為控制指標(biāo)制樣， 統(tǒng)一選用Φ70 mm×（70～140） mm 的圓柱體試塊； 采用機(jī)械攪拌并振搗成形；優(yōu)先選擇水養(yǎng)至規(guī)定齡期，更符合工程實(shí)際.

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