彭振宇

（山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030006）

水泥攪拌樁法在處治新舊路基差異沉降中的應(yīng)用

彭振宇

（山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030006）

針對(duì)改擴(kuò)建公路工程中新舊路基差異沉降問(wèn)題，對(duì)水泥攪拌樁處理方法進(jìn)行研究。在歸納分析水泥土加固原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了影響水泥土攪拌樁強(qiáng)度的主要因素。結(jié)果表明，隨著水泥摻入比的增大，水泥土的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；水泥土的強(qiáng)度在水泥摻入比為10%～15%時(shí)增長(zhǎng)幅度最大。通過(guò)某公路加寬工程采用水泥攪拌樁法處治軟基的應(yīng)用實(shí)例，得出水泥攪拌樁法可有效處治新舊路基差異沉降。

公路；水泥攪拌樁；路基；差異沉降

改擴(kuò)建公路工程是在原有道路的基礎(chǔ)上進(jìn)行加寬、拼接，由于新舊路基的差異沉降，如不對(duì)加寬路基，特別是跨越軟土區(qū)域的擴(kuò)寬路基進(jìn)行處理，很容易造成新舊路面的開(kāi)裂及路堤沉陷。

水泥攪拌樁法利用攪拌機(jī)械將水泥固化劑與軟土進(jìn)行攪拌，水泥與軟土在攪拌過(guò)程中發(fā)生一系列化學(xué)及物理反應(yīng)，提高軟土的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及整體性。該方法施工簡(jiǎn)便、施工速度快、無(wú)噪音、不排土、不排污，國(guó)外已將其大范圍應(yīng)用于軟基處治。該文在分析水泥土加固機(jī)理、水泥攪拌樁強(qiáng)度影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)工程實(shí)例研究水泥攪拌樁法用于改擴(kuò)建工程中軟基處治的效果。

1 水泥土的加固原理

水泥攪拌樁法將水泥作為固化劑，在水泥與軟土混合攪拌過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)。普通硅酸鹽水泥中主要含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O34種氧化物，各種氧化物的含量見(jiàn)表1。水泥土在水解、水化過(guò)程中會(huì)不斷釋放熱量并形成新的水化產(chǎn)物，其強(qiáng)度變化隨著反應(yīng)的進(jìn)行具有層次性。

表1　水泥中的氧化物含量

1.1水泥的水解和水化反應(yīng)

水泥中的氧化物CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3在水泥顆粒表面反應(yīng)生成3CaO.SiO2、3CaO.Al2O3、4CaO.Al2O3.Fe2O3和CaSO4等礦物，其含量見(jiàn)表2。這些礦物在拌和過(guò)程中會(huì)與軟土中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成Ca（OH）2、CaO.2SiO2.3 H2O、CaO.Al2O3.6H2O、CaO.Fe2O3.6H2O等化合物。

表2　水泥土中主要化合物的含量

（1）3CaO.SiO2在水泥中含量最高，在水化過(guò)程中使水泥迅速凝結(jié)硬化，是影響強(qiáng)度大小的決定因素。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

（2）2CaO.SiO2在水化過(guò)程中產(chǎn)生的水化物早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高；水化反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，可延續(xù)到幾年甚至幾十年。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

（3）3CaO.Al2O3水化速度最快，在不加緩凝劑的情況下會(huì)發(fā)生早凝現(xiàn)象。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

（4）4CaO.Al2O3.Fe2O3的水化速度是一個(gè)逐漸降低的過(guò)程，能促進(jìn)早期強(qiáng)度的形成。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

（5）CaSO4與3CaO.Al2O3一起反應(yīng)，生成化合物“水泥桿菌”，將軟土中的大量自由水以結(jié)晶水的形式析出，使其自由水含量減少，從而增強(qiáng)水泥的性能，提高水泥的強(qiáng)度。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

1.2硬凝反應(yīng)

水化后的水泥，溶液中會(huì)存在大量Ca2+離子，Ca2+離子與溶液中的Na+、K+離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)，當(dāng)Ca2+離子達(dá)到一定數(shù)量后，就會(huì)與軟土中的SiO2、Al2O3發(fā)生反應(yīng)，生成穩(wěn)定的不溶于水的結(jié)晶化合物。隨著這些結(jié)晶化合物的硬化，不僅能增加水泥土的強(qiáng)度，同時(shí)具有很強(qiáng)的水穩(wěn)定性。

1.3團(tuán)?；饔?/p>

水泥發(fā)生水化反應(yīng)后會(huì)生成一種凝膠離子，其比表面積往往比原水泥顆粒大1 000多倍。隨著比表面積的增大，面積能和吸附能力迅速增大。因此，水泥土里的小土團(tuán)被吸附，進(jìn)一步結(jié)合成大土團(tuán)，形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。同時(shí)土團(tuán)間的空隙被填滿，各團(tuán)粒之間形成堅(jiān)固的連接，進(jìn)而增加水泥土的強(qiáng)度。

團(tuán)粒化作用與離子交換同時(shí)發(fā)生，團(tuán)?；饔玫耐瑫r(shí)，水泥與土體之間會(huì)發(fā)生大量離子交換。因此，硬凝反應(yīng)將水泥水化后的產(chǎn)物與黏土顆粒連接起來(lái)成為一個(gè)系統(tǒng)。

1.4碳酸化作用

空氣中和水中的CO2能與水泥水化產(chǎn)物中的Ca（OH）2發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成不溶于水的化合物CaCO3。其反應(yīng)方程式如下：

碳酸化反應(yīng)能增加水泥土的強(qiáng)度，但增加幅度較小，速度也慢。

2 影響水泥土攪拌樁強(qiáng)度的主要因素

2.1水泥摻入比的影響

水泥摻入比是指水泥土中水泥質(zhì)量與軟土質(zhì)量的比值。擬定3組不同水泥摻入比，在不同水泥強(qiáng)度等級(jí)下進(jìn)行試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期過(guò)后測(cè)試水泥土的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知：隨著水泥摻入比的增大，水泥土的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。水泥土的強(qiáng)度在水泥摻入比為10%～15%時(shí)增長(zhǎng)幅度最大。因此，在工程應(yīng)用中將水泥摻入比控制在10%～15%，既能在保證強(qiáng)度的前提下節(jié)約水泥用量，使施工成本最小，還能保證工程質(zhì)量。

表3　不同水泥摻入比對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

2.2養(yǎng)護(hù)齡期的影響

對(duì)水泥摻入比分別為7%、10%、15%的試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測(cè)定其不同齡期下的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4和圖1。

表4　不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

圖1　水泥土齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1可知：隨著齡期的增大，水泥土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期28 d后，其抗壓強(qiáng)度仍在增加，直到齡期達(dá)到60 d時(shí)，水泥土的抗壓強(qiáng)度曲線才趨于平緩。以水泥摻入比7%為例，齡期28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度為0.57 MPa，而齡期180 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度為1.394 MPa，約為28 d時(shí)的2.4倍。水泥摻入比為10%時(shí)，齡期為180 d時(shí)的水泥土抗壓強(qiáng)度約為28 d時(shí)的2.3倍。說(shuō)明隨著齡期的增加，水泥土抗壓強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，到齡期180 d時(shí)達(dá)到臨界點(diǎn)；同時(shí)水泥摻入比越大，相同齡期下水泥土強(qiáng)度越大，增長(zhǎng)趨勢(shì)越大。

2.3水泥強(qiáng)度等級(jí)的影響

由表3可知：水泥標(biāo)號(hào)為42.5的試塊的28 d抗壓強(qiáng)度比標(biāo)號(hào)32.5的同齡期抗壓強(qiáng)度提高30%～50%。說(shuō)明隨著水泥強(qiáng)度等級(jí)的增大，水泥土抗壓強(qiáng)度提高。

2.4土體中含水量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

利用正交試驗(yàn)法測(cè)定6組不同含水量下混合料的28 d抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知：混合料的28 d抗壓強(qiáng)度隨著土體中含水量的增大而減小。當(dāng)含水量由46%增加到154%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度由2 317 kPa減少到262 k Pa。說(shuō)明土樣中含水量增加10%，其抗壓強(qiáng)度會(huì)減低10%～48%。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1工程概況

某一級(jí)公路由原雙向四車道加寬為雙向六車道。該工程跨越軟土區(qū)域較廣，地表覆蓋層多為第四土系，少見(jiàn)基巖外露。其中K810+320—345處于軟土區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，該區(qū)域淤泥深度為6.7～9.2 m，采用水泥攪拌樁法處治軟基。水泥標(biāo)號(hào)為42.5，水泥攪拌樁的直徑為50 cm，長(zhǎng)度為8.9～11.8 m，樁間距為1.1～1.5 m，采用正三角形布置。水泥攪拌樁樁身28 d強(qiáng)度大于1.0 MPa，整樁采用復(fù)噴工藝。

表5　含水量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.2沉降觀測(cè)

水泥攪拌樁施工完成后，選取4個(gè)具有代表性的橫斷面K810+325、K810+330、K810+335、K810+340埋設(shè)沉降板進(jìn)行沉降觀測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知：路基沉降在施工預(yù)壓期后已趨于平穩(wěn)，實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。說(shuō)明水泥攪拌樁可有效控制改擴(kuò)建公路中新舊路基的差異沉降，并可用于軟基處治中，具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

表6　水泥攪拌樁沉降觀測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）水泥土在水解、水化過(guò)程中會(huì)不斷釋放熱量并形成新的水化產(chǎn)物，其強(qiáng)度變化隨著反應(yīng)的進(jìn)行具有層次性。

（2）隨著水泥摻入比的增大，水泥土的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；水泥土的強(qiáng)度在水泥摻入比為10%～15%時(shí)增長(zhǎng)幅度最大。

（3）水泥水化后發(fā)生的硬凝反應(yīng)和土體間的團(tuán)?；饔媚艽蠓黾铀嗤恋膹?qiáng)度；碳酸化反應(yīng)能增加水泥土的強(qiáng)度，但增加幅度較小、速度較慢。

（4）隨著齡期的增大，水泥土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期28 d后，其抗壓強(qiáng)度仍在增長(zhǎng)，齡期達(dá)到180 d時(shí)水泥土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)才趨于平緩。

（5）土樣的28 d抗壓強(qiáng)度隨著土體中含水量的增大而減小，土樣中含水量增加10%，其抗壓強(qiáng)度降低10%～48%。

（6）水泥攪拌樁可有效控制改擴(kuò)建公路中新舊路基差異沉降，可處治軟基，具有重要工程價(jià)值。

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2016-03-04