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(河海大學(xué) a. 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室；b.巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098)

1 研究背景

水泥攪拌樁是軟基處理中常用的處理方法，通過將水泥與地基土原位攪拌成水泥土圓柱體，與周圍土體共同形成復(fù)合地基，從而提高地基的穩(wěn)定性和承載力[1-2]。水泥攪拌樁具有錨固效果較好、施工快速、造價低、噪音小的優(yōu)點，且對相鄰建筑物無不利影響，其在軟弱地基加固中具有廣闊的發(fā)展前景[3-4]。目前，水泥攪拌樁質(zhì)量檢測方法主要存在28 d齡期鉆孔取芯法、靜載試驗法、靜力觸探法和標(biāo)貫法[5]，本領(lǐng)域研究人員結(jié)合具體工程背景亦提出許多不同的檢測方法[6-8]。大量工程實踐表明，現(xiàn)有檢測方法均偏重于檢測樁體某一方面指標(biāo)以間接反映水泥攪拌樁質(zhì)量，不僅存在較大片面性，而且具有養(yǎng)護(hù)齡期長、檢測費用高、檢測過程過于繁瑣的不足[9]。

水泥含量是水泥攪拌樁質(zhì)量的直接控制指標(biāo)，在室內(nèi)配合比試驗滿足要求前提下，若水泥攪拌樁施工中水泥含量滿足要求且攪拌均勻，樁的質(zhì)量一般就能達(dá)到要求。有效檢測樁體水泥含量對于控制水泥攪拌樁質(zhì)量有重要意義。檢測水泥含量的方法有很多，其中EDTA滴定法具有原理簡單、檢測成本低、檢測速度快捷和檢測精度較高的優(yōu)點，并且能夠較好地反映水泥穩(wěn)定土的拌合均勻性，在公路工程中已得到廣泛應(yīng)用。但是規(guī)范中EDTA滴定法僅僅適用公路工程水泥穩(wěn)定材料的水泥含量檢測[10]。因此，本文根據(jù)水泥攪拌樁的特點，分析各個因素的影響機(jī)理及規(guī)律，提出改進(jìn)EDTA滴定法用于攪拌樁水泥含量的檢測。

EDTA滴定法檢測水泥含量優(yōu)點之一在于快速檢測。運用于水泥攪拌樁施工中，還缺乏合適的取樣裝置能夠在樁身范圍內(nèi)連續(xù)取出水泥土漿液。若采用鉆芯取樣，水泥土在終凝前具有一定流動性，取土困難，同時成本相對較大。而常用的軟土取樣器往往偏重于取出原狀的軟土，取土裝置較為復(fù)雜。因此，本文設(shè)計研發(fā)出管式側(cè)開閉口軟土取土裝置，在水泥攪拌樁施工完成后及水泥土漿液初凝之前，沿水泥攪拌樁深度方向進(jìn)行樁芯取樣，結(jié)合提出的改進(jìn)EDTA法檢測其水泥含量，分析水泥攪拌樁施工質(zhì)量，最終形成一種無損、快速檢測水泥攪拌樁質(zhì)量的方法。

2 水泥含量檢測方法原理

2.1 EDTA滴定法原理

EDTA滴定法基本原理是用10%的NH4Cl弱酸溶出水泥土中的Ca2+，然后用EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液中的絡(luò)合物固定水溶液中游離Ca2+，通過EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量確定與之對應(yīng)的水泥劑量[10]。EDTA法具有原理簡單、檢測成本低、檢測速度快和檢測精度高等優(yōu)點[11]，而且可以較好檢測水泥與土的拌合均勻性。目前常規(guī)EDTA滴定法在水泥穩(wěn)定土的填料水泥劑量的檢測中已得到廣泛運用，但運用于水泥攪拌樁水泥含量檢測，則存在一定的限制因素。

2.2 EDTA滴定法用于水泥攪拌樁檢測的影響因素及改進(jìn)

2.2.1 齡期的影響

規(guī)范中EDTA滴定法適用于在水泥終凝之前的水泥含量測定[10]，而水泥攪拌樁的質(zhì)量檢測一般要等到水泥土凝固后進(jìn)行取芯檢測，顧小安等[12]研究表明，齡期對EDTA滴定法檢測精度影響很大。主要原因分析如下：隨著水泥土水解水化反應(yīng)的進(jìn)行，可浸取Ca2+逐漸形成CSH等穩(wěn)定結(jié)構(gòu)物，NH4Cl溶液溶解Ca2+總量減少；同時隨著齡期增加，水泥與土顆粒凝結(jié)成團(tuán)，檢測時顆粒粒徑增加，比表面積相應(yīng)減少，規(guī)范中10%NH4Cl對Ca2+的溶解率減少，測定的EDTA消耗量隨著齡期的增加而減少。對于水泥土養(yǎng)護(hù)齡期的影響，顧小安等[12-14]在研究中提出了不同齡期修正方法。

通過以上分析，本試驗配制不同摻量的水泥土測定各個齡期的EDTA消耗量如圖1所示。其中齡期對數(shù)坐標(biāo)中，EDTA消耗量與齡期近似表現(xiàn)為對數(shù)線性關(guān)系。圖2為對應(yīng)于各個養(yǎng)護(hù)齡期的EDTA消耗量標(biāo)準(zhǔn)曲線?，F(xiàn)場試驗時，通過EDTA隨齡期衰減方程，計算出相應(yīng)齡期的EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線，將試樣EDTA消耗量代入該標(biāo)準(zhǔn)曲線即可得到該試樣的水泥含量。

圖1 水泥土的EDTA消耗量隨齡期的衰減圖

圖2 EDTA消耗量標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2.2 土層的影響

水泥攪拌樁成樁過程中往往通過多個土層，土層成分和性質(zhì)存在較大差異。水泥攪拌樁攪拌成樁后，水泥與土之間發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，水泥水化產(chǎn)生的Ca2+部分被黏土顆粒吸附交換，部分參與水泥水化反應(yīng)形成CSH等膠凝物質(zhì)，故不同土層的土由于黏粒含量、細(xì)度等物理化學(xué)性質(zhì)不同，摻加相同量的水泥，EDTA消耗量不同，對于穿越多個土層的水泥攪拌樁應(yīng)采用相應(yīng)土層的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行檢測。圖3為本試驗的2個土層土的EDTA消耗量隨時間的變化曲線，從中可以看出2類不同的土層EDTA消耗量在相同養(yǎng)護(hù)齡期條件下存在一定差別，說明土層性質(zhì)對水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行和水化產(chǎn)物的生成均存在一定影響，但土層產(chǎn)生的影響隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而逐漸減小。

圖3 不同種類土EDTA消耗量隨時間變化曲線

2.2.3 養(yǎng)護(hù)條件的影響

現(xiàn)場水泥攪拌樁是在封閉地下環(huán)境中成樁形成強(qiáng)度，不同的溫度、濕度、土壓力等條件會影響水泥土水化反應(yīng)，從而影響檢測精度。為模擬現(xiàn)場情況，試驗過程中將標(biāo)準(zhǔn)試驗樣脫模成型后埋在相應(yīng)土層的原裝素土中，對于地下水位以下的土層需保持素土表面浸水，再將標(biāo)準(zhǔn)樣和素土密封放在溫度為20℃、相對濕度為90%的地下室內(nèi)，達(dá)到相應(yīng)齡期后，進(jìn)行EDTA滴定試驗，根據(jù)試驗結(jié)果繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.2.4 含水率的影響

水泥攪拌樁現(xiàn)場施工中土層及水位等地質(zhì)條件較為復(fù)雜，不同深度處土層含水率往往變化很大，同時由于取樣過程中浸水、蒸發(fā)、環(huán)境等因素的影響，也會一定程度上導(dǎo)致土樣含水率變化，這與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)樣含水率存在一定的差別，并對試驗精度產(chǎn)生一定的影響。土樣含水率較大時，一定量土樣中水泥含量則相對減少。為降低含水率影響，試驗過程中采用100 g干土EDTA的消耗量指標(biāo)，繪制水泥含量標(biāo)定曲線圖。換算關(guān)系為：100 g干土EDTA消耗量=100 g濕土EDTA消耗量×(1+含水率)。

2.2.5 水泥種類的影響

沈衛(wèi)國等[15]提出水泥品種會影響到試驗結(jié)果。不同種類水泥的組成成分、石膏摻量和水泥細(xì)度等有較大變化，影響到水泥的水解水化過程和結(jié)構(gòu)形式，且成分差異導(dǎo)致鈣含量不同。所以采用EDTA滴定法檢測水泥攪拌樁水泥摻量時應(yīng)研究水泥種類對檢測結(jié)果的影響。為研究水泥種類對EDTA滴定法的影響，試驗采用普通硅酸鹽C42.5和C32.5進(jìn)行試驗，試驗用土為粉土，水泥摻量為25%。在不同齡期時分別對不同水泥品種水泥土進(jìn)行EDTA滴定試驗。試驗結(jié)果如圖4。

圖4 不同水泥種類試樣在不同齡期時的EDTA消耗量

由圖4可知水泥品種對EDTA消耗量有較大影響，采用水泥C42.5制取的試樣EDTA消耗量大于水泥C32.5制取試樣的EDTA消耗量。不同水泥品種水泥的化學(xué)成分、鈣離子含量、水泥的水解水化速率不同，在氯化銨溶液中的溶解過程存在差異，一定齡期時可溶解的鈣離子量不同，在一定程度上影響了EDTA的消耗量。水泥攪拌樁水泥摻量檢測時應(yīng)考慮水泥種類對檢測結(jié)果的影響，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線時取現(xiàn)場攪拌樁使用的水泥，現(xiàn)場水泥品種改變時，需要重新制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.3 取土裝置的設(shè)計研發(fā)

(a)取樣器取土管

(b)實物圖

傳統(tǒng)取土裝置存在對軟土采樣率低、取樣深度難以確定、操作效率低等缺點。本文研究中根據(jù)水泥攪拌樁現(xiàn)場取樣和水泥含量滴定試驗的特點及要求，研發(fā)了一種管式側(cè)開閉口軟土取土裝置，可以一次性在水泥攪拌樁目標(biāo)深度范圍內(nèi)間隔20 cm取樣。取土裝置由管體部分及鉆頭組成，示意圖及實物圖如圖5所示，取土管由若干節(jié)類似于靜力觸探桿的取土管組成，每節(jié)取土管長100 cm。每節(jié)取土管設(shè)置5個取土器，且相鄰取土器間隔20 cm，取土器上開有長方形進(jìn)土孔，孔上安裝有活動門。取土?xí)r，利用靜力觸探設(shè)備將取土管下壓和提升，其中取土器下壓到土層過程中，活動門保持關(guān)閉狀態(tài)，在取土器上提過程中，活動門打開，土樣進(jìn)入取土器內(nèi)。每個取土器間相互隔離，以保證水泥攪拌樁樁芯樣的代表性。

2.4 現(xiàn)場取樣測定水泥含量

水泥攪拌樁施工完成后，使用研制的取土裝置取出試樣，滴定得出不同深度土樣EDTA標(biāo)準(zhǔn)液的消耗量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線圖即可確定不同深度處樁芯樣的水泥含量。根據(jù)樁芯水泥含量滴定結(jié)果，繪制水泥含量隨深度的變化曲線圖，分析各個深度水泥含量和拌合均勻性，判斷水泥攪拌樁成樁質(zhì)量，反饋指導(dǎo)施工。

3 應(yīng)用實例

本文通過楊林船閘工程水泥攪拌試驗樁水泥含量檢測現(xiàn)場試驗，驗證了水泥含量檢測方法在評價水泥土攪拌樁成樁質(zhì)量的準(zhǔn)確性和適用性。

3.1 工程概況

楊林船閘擬采用水泥攪拌樁法處理軟弱地基及加固斜坡式護(hù)岸。地質(zhì)勘察報告提供的該場地主要加固的土層為1-2(Q4al) 淤泥質(zhì)黏土(層頂面埋深1.2～4.3 m，一般厚度16.0～19.9 m)和1-2b(Q4al)淤泥(層厚1.5～9.0 m)。水泥攪拌試驗樁設(shè)計樁徑為700 mm，樁長為20.8 m，樁間距1.0 m。固化劑選用強(qiáng)度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.55。

3.2 試驗成果及分析

楊林船閘水泥攪拌樁設(shè)計水泥含量為20%，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計值0.84 MPa，利用管式側(cè)開閉口軟土取土裝置獲取樁芯土樣，首先測定3 h齡期水泥含量，獲得3 h齡期水泥含量豎向分布如圖6所示。試驗過程中，由于氯化銨對水泥土的溶解能力有限，水泥含量大于30%時，試驗精度會存在一定程度的降低[16]，當(dāng)計算得到水泥含量大于35%時，試驗結(jié)果仍按35%進(jìn)行統(tǒng)計。

圖6 齡期3 h樁水泥含量檢測成果

根據(jù)圖6中3 h齡期水泥含量檢測結(jié)果，整樁平均水泥含量為21.5%，0～3 m樁體水泥含量低于設(shè)計值，3～6 m土體水泥含量較高，基本大于35%，10 m以下樁體土體水泥含量波動大，最小值4.7%，最大值大于5.0%，平均水泥含量為18.1%。由此可以看出，水泥攪拌樁施工過程中，存在水泥漿上浮和攪拌不均勻的質(zhì)量問題，特別是上層樁體的漿液上浮以及深層樁體水泥摻量不均勻問題。針對檢測結(jié)果，建議采取調(diào)整施工工藝、加強(qiáng)復(fù)攪、改進(jìn)攪拌刀具等措施，提高拌合均勻性。

圖7為改進(jìn)攪拌工藝后，28 d齡期水泥攪拌樁鉆芯取樣水泥摻量分布圖和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線圖。取芯結(jié)果表明，試驗樁整樁水泥含量分布較為均勻，最大32.1%，最小量17.1%，平均值為21.9%，同時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.29～1.70 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計值0.86 MPa的要求。水泥摻量檢測和強(qiáng)度檢測結(jié)果吻合，其中圖8為檢測的12根水泥攪拌樁水泥摻量和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖，即水泥土攪拌樁實際無側(cè)限強(qiáng)度與水泥摻量基本保持正相關(guān)關(guān)系，可以通過水泥攪拌樁中水泥劑量檢測方法評價水泥攪拌樁成樁質(zhì)量以及樁體強(qiáng)度是否滿足要求。

(a) 樁水泥摻量檢測成果

(b) 樁芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖8 28 d樁芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系

4 結(jié) 論

(1) 用測定水泥含量的方法控制水泥攪拌樁施工質(zhì)量，該方法將水泥含量和拌合均勻性作為水泥攪拌樁質(zhì)量評判指標(biāo)，能夠直觀、定量反映水泥攪拌樁施工質(zhì)量。

(2) 借助于管式側(cè)開閉口軟土取土裝置獲取水泥土漿液，可以檢測攪拌樁樁身任意處水泥含量及拌合均勻性，不會降低攪拌樁樁身的強(qiáng)度和止水性能，并且現(xiàn)場操作方便，費用低。

(3) 水泥含量檢測法克服了傳統(tǒng)取芯檢測中的齡期限制，在實際運用中，既可在施工初期用該法對試驗樁進(jìn)行質(zhì)量檢驗，及時反饋分析和適時調(diào)整施工工藝，也可以在施工后期用該法對施工樁進(jìn)行抽檢，評估施工質(zhì)量。

(4) 該方法彌補了常規(guī)檢測方法的不足，配合其他測試方法，可以綜合反映水泥攪拌樁的質(zhì)量，成為水泥攪拌樁質(zhì)量檢驗的一條新途徑。

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