不同因素對水泥攪拌樁強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

曹支才，王光輝

(1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710000；2.中北工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司)

濕陷性黃土具有流變性強(qiáng)以及壓縮性較高、承載能力較低等特性，為了盡可能避免濕陷性黃土對公路整體質(zhì)量的影響，在施工過程中必須加強(qiáng)對濕陷性黃土地基的處理，目前經(jīng)常采用的處治措施為水泥攪拌樁法，即采用專門的攪拌機(jī)械設(shè)備對固化劑、軟土進(jìn)行就地?cái)嚢瑁浲猎谒嗟淖饔孟伦優(yōu)樗嗉庸掏?，水穩(wěn)性和整體性得到一定程度的提高。

多年來，廣大工程師們針對濕陷性黃土及水泥攪拌樁加固地基進(jìn)行了大量的研究工作。雒億平基于濕陷性黃土的工程特性,針對現(xiàn)有濕陷性黃土地基處理方法所存在的缺陷，創(chuàng)新性地提出了灰土墊層與防滲膜相結(jié)合的聯(lián)合地基處理方法，并對該復(fù)合地基進(jìn)行了深入探討，不僅對復(fù)合地基力的相互作用、變形及效應(yīng)做了研究，而且分析了防滲膜鋪設(shè)深度對復(fù)合地基應(yīng)力應(yīng)變的影響；鞠興華等依托某高速公路工程，通過現(xiàn)場試驗(yàn)檢測，確定了水泥粉煤灰攪拌樁處理飽和黃土地基的可行性，為地基處理方案提供有效依據(jù)；宋修廣等通過埋設(shè)土壓力盒實(shí)測樁土應(yīng)力比，分析了水泥土攪拌樁復(fù)合地基中樁土應(yīng)力比的主要影響因素；秦世偉等分析了養(yǎng)護(hù)條件對水泥土攪拌法改善淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度、變形特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在不同養(yǎng)護(hù)條件下，同一水泥摻入量下水中養(yǎng)護(hù)的水泥土強(qiáng)度值是軟土養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度的兩倍，并且水中養(yǎng)護(hù)試件的變形能力、破壞時(shí)的應(yīng)變以及殘余強(qiáng)度等皆強(qiáng)于其余二者?？梢姡袊鴩鴥?nèi)水泥土攪拌樁復(fù)合地基技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，目前對有關(guān)水泥攪拌固結(jié)黃土的工程應(yīng)用較多，但固結(jié)過程涉及的土體受力變化研究較少。

陜西吳定高速公路K83+905～K85+070為濕陷性黃土段，地基采用水泥攪拌樁加固處理，該段路基位于H85滑坡Ⅱ區(qū)影響范圍內(nèi)，且路基左側(cè)地表為虛填土，下部為淤泥質(zhì)土層，地下水對混凝土鹽類結(jié)晶及硫酸鹽(含巖地層)具有弱侵蝕性。該路段利用水泥和粉煤灰(二灰)成型水泥攪拌樁增強(qiáng)強(qiáng)度?；诖?，該文開展水泥攪拌樁實(shí)施過程中的力學(xué)特性試驗(yàn)，分析水泥粉煤灰摻入比、水泥強(qiáng)度等級、養(yǎng)護(hù)方式以及含水率變化對水泥攪拌樁力學(xué)性能的影響，闡明吳定高速公路典型濕陷性黃土路基進(jìn)行水泥攪拌樁加固時(shí)的強(qiáng)度變化規(guī)律，以便為其他地區(qū)類似的地基加固提供參考。

1 材料與試驗(yàn)

相關(guān)試驗(yàn)方法依據(jù)JGJ/T 233-2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行。

1.1 試驗(yàn)材料

(1)土樣

試驗(yàn)所用土樣為測試路段地面1 m以下的濕陷性黃土。

將所采集的土樣經(jīng)過風(fēng)干、碾碎、過5 mm篩，其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 土樣的物理力學(xué)性能

(2)二灰

水泥為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為32.5級和42.5級。所使用的粉煤灰為某電廠所產(chǎn)。二灰的質(zhì)量配比為水泥∶粉煤灰=2∶1。水泥及粉煤灰的相關(guān)指標(biāo)如表2、3所示。

表2 采用水泥的相關(guān)指標(biāo)

表3 采用粉煤灰的相關(guān)指標(biāo) %

1.2 試件制備

按水灰比為0.55，水泥粉煤灰比為2∶1，水泥粉煤灰占黃土的比例(二灰摻入比)為6%、11%、15%、18%、20%和25%成型試件。試件為邊長70.7 mm的立方體。

不同二灰摻入比下水泥與粉煤灰用量見表4，嚴(yán)格按照規(guī)程要求制備試件，每批試件一次攪拌成型。

表4 不同二灰摻入比下水泥與粉煤灰用量

1.3 試驗(yàn)方案

(1)二灰摻入比對水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響

已有研究發(fā)現(xiàn)，在黃土中添加水泥雖然能夠增強(qiáng)黃土的強(qiáng)度，但也存在一個(gè)臨界添加量，當(dāng)水泥摻量低于10%時(shí)，二者的固化反應(yīng)較弱，增強(qiáng)效果并不明顯，因此一般添加量都為10%～20%。此外，養(yǎng)護(hù)時(shí)間以及原狀土的不同也是影響黃土強(qiáng)度增強(qiáng)的重要因素，養(yǎng)護(hù)齡期不同，黃土強(qiáng)度的增強(qiáng)率不同，原狀土不同，增強(qiáng)率也不一樣。

為了探究二灰摻入比對水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響，將二灰摻入比分別定為6%、11%、15%、18%、20%、25%進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表5所示。

表5 試驗(yàn)1詳細(xì)方案

(2)水泥強(qiáng)度等級對水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響

水泥強(qiáng)度等級對水泥攪拌樁的強(qiáng)度有一定的影響，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對32.5與42.5級兩種強(qiáng)度等級的水泥進(jìn)行水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)(ISO法)，用以檢驗(yàn)水泥強(qiáng)度。

選用32.5和42.5級兩個(gè)強(qiáng)度等級的普通硅酸鹽水泥進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比，黃土含水量為30%，其詳細(xì)方案如表6所示。

表6 試驗(yàn)2詳細(xì)方案

(3)養(yǎng)護(hù)方式對水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響

不同的養(yǎng)護(hù)方式對水泥攪拌樁的強(qiáng)度也有不同的影響，目前主要的養(yǎng)護(hù)方式有3種，分別是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、水中養(yǎng)護(hù)、軟土養(yǎng)護(hù)，三者養(yǎng)護(hù)溫度區(qū)別不大，都為20 ℃左右，主要區(qū)別在于養(yǎng)護(hù)的地點(diǎn)不同，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)是將試件放入塑料袋中密封，水中養(yǎng)護(hù)是將試件放在水中養(yǎng)護(hù)，軟土養(yǎng)護(hù)是將試件放在土中養(yǎng)護(hù)。

該文采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)兩種方式，水泥為標(biāo)號32.5級的普通硅酸鹽水泥，詳細(xì)試驗(yàn)方案如表7所示。

表7 試驗(yàn)3詳細(xì)方案

(4)含水率對水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響

試件養(yǎng)護(hù)時(shí)置于不同濕度的條件下，使其內(nèi)部含水率不同，當(dāng)試件發(fā)生破壞時(shí)，測定此時(shí)試件的含水率，探究破壞時(shí)試件含水率與試件無限側(cè)抗壓強(qiáng)度之間的影響關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 二灰摻入比對水泥攪拌樁的強(qiáng)度影響

試樣不同養(yǎng)護(hù)齡期下，不同二灰摻入比的水泥攪拌樁強(qiáng)度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 二灰摻入比與水泥攪拌樁強(qiáng)度關(guān)系圖

從圖1可以看出：二灰的摻入能夠有效地增強(qiáng)水泥攪拌樁的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，當(dāng)二灰摻入比小于10%時(shí)，水泥固化反應(yīng)較弱，強(qiáng)度增強(qiáng)十分有限，當(dāng)摻入比為10%～20%時(shí)，由于水泥量的增加，固化反應(yīng)變強(qiáng)，強(qiáng)度增長十分明顯，且當(dāng)摻入比大于20%后，水泥攪拌樁強(qiáng)度增長速率變緩，但仍持續(xù)增強(qiáng)。在試驗(yàn)的4個(gè)齡期中，齡期越長，強(qiáng)度越大。

分析圖1的數(shù)據(jù)，顯然二灰摻加得越多，水泥攪拌樁的強(qiáng)度越高，但是在實(shí)際工程中，如果二灰摻入比過高，那么經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)降低，且實(shí)際工程中往往不需要過高的強(qiáng)度，因此，在實(shí)際工程中，需要綜合考慮強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)的關(guān)系，從而確定實(shí)際的摻入量。

2.2 水泥強(qiáng)度等級對水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響

2.2.1 水泥強(qiáng)度校驗(yàn)結(jié)果

水泥分別為32.5和42.5級的普通硅酸鹽水泥，為測試水泥是否合格滿足試驗(yàn)要求，現(xiàn)進(jìn)行水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，測試其3 d和28 d的抗壓和抗折強(qiáng)度，結(jié)果如表8所示。

表8 水泥各齡期強(qiáng)度值

將表8中的試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范值進(jìn)行對比，強(qiáng)度均滿足要求，說明所用水泥合格，能夠滿足試驗(yàn)要求。

2.2.2 結(jié)果分析

將42.5級普通硅酸鹽水泥攪拌土與32.5級普通硅酸鹽水泥攪拌土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對比分析，圖2為養(yǎng)護(hù)齡期分別為28 d和90 d時(shí)，不同強(qiáng)度等級水泥攪拌黃土強(qiáng)度對比。

圖2 不同強(qiáng)度等級水泥攪拌樁強(qiáng)度對比

由圖2可以看出：42.5級的水泥攪拌樁強(qiáng)度明顯要好于32.5級的水泥攪拌樁強(qiáng)度。

(1)當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，32.5級的水泥攪拌樁隨著二灰摻入比的增大，強(qiáng)度也持續(xù)增大，且基本成正比例。42.5級水泥攪拌樁隨著二灰摻入比的增大，當(dāng)摻入比為10%～20%時(shí)，強(qiáng)度增長較快，當(dāng)摻入比到達(dá)20%以后，強(qiáng)度增長速度急劇下降，強(qiáng)度基本平緩到達(dá)穩(wěn)定。

(2)當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為90 d時(shí)，32.5、42.5級的水泥攪拌樁均隨著二灰摻入比的增大，強(qiáng)度持續(xù)增大。42.5級的水泥攪拌樁強(qiáng)度比32.5級的水泥攪拌樁強(qiáng)度增加40%～60%。

在實(shí)際工程中，更高強(qiáng)度的要求可以通過提高水泥攪拌樁中水泥的等級來實(shí)現(xiàn)，具有減少水泥用量，利于加固土體流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 養(yǎng)護(hù)方式對水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響

水泥強(qiáng)度等級為32.5級，二灰摻量為6%、11%、15%、18%、20%、25%；養(yǎng)護(hù)齡期均為28 d時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)方式的水泥攪拌樁強(qiáng)度對比

由圖3可知：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的水泥攪拌樁試件整體上強(qiáng)度要低于水中養(yǎng)護(hù)的試件，但二者增長的速率幾乎一致。水中養(yǎng)護(hù)試件抗壓強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件抗壓強(qiáng)度平均高50%～90%。

對7 d水中養(yǎng)護(hù)水泥攪拌樁與28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比，結(jié)果見圖4。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)方式、齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度交叉對比

由圖4可以看出：① 當(dāng)二灰摻量為6%～15%時(shí)，水泥攪拌樁試件7 d水中養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度與28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度相差不大;② 當(dāng)二灰摻量為18%～25%時(shí)，水泥攪拌樁試件28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度相當(dāng)于7 d水中養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的兩倍。

由此可得：當(dāng)二灰摻入比較小時(shí)，不同的養(yǎng)護(hù)方式對攪拌樁的強(qiáng)度影響較大，而隨著摻入比的增大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間的長短對攪拌樁強(qiáng)度影響變大。

2.4 含水率對水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響

水泥攪拌樁進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)齡期T=28 d的條件下，不同含水率w=25%、30%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 不同含水量對強(qiáng)度的影響

從圖5可看出：當(dāng)二灰摻入比為15%以下時(shí)，含水率為25%和30%的水泥攪拌樁強(qiáng)度增長趨勢基本相同，含水率為25%的水泥攪拌樁強(qiáng)度大約為含水率為30%的水泥攪拌樁強(qiáng)度的兩倍，當(dāng)二灰摻入比為20%左右時(shí)，強(qiáng)度增長變快，此后增長變緩。水泥攪拌樁含水率越高，密度越小，強(qiáng)度越低。

3 結(jié)論

(1)水泥攪拌樁的強(qiáng)度隨水泥、粉煤灰摻量的增加而增大，水泥、粉煤灰的適宜摻量為12%～20%，此時(shí)水泥攪拌樁的強(qiáng)度增加明顯。當(dāng)兩者摻入比分別為12%和20%，養(yǎng)護(hù)齡期為90 d時(shí)，水泥攪拌樁強(qiáng)度分別是原狀土的40倍和80倍，對濕陷性黃土的處理效果明顯。

(2)通過提高水泥的強(qiáng)度等級，能夠明顯提高水泥攪拌樁的強(qiáng)度，且增長率超過50%以上，因此，實(shí)際施工中可以通過提高水泥強(qiáng)度等級來有效提高水泥攪拌樁的強(qiáng)度，進(jìn)而有效提高濕陷性黃土的處理效果。

(3)水泥、粉煤灰摻入量較小時(shí)，養(yǎng)護(hù)方式對水泥攪拌樁的強(qiáng)度影響較大，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的水泥攪拌樁強(qiáng)度明顯低于水中養(yǎng)護(hù)條件下的水泥攪拌樁強(qiáng)度；水泥、粉煤灰摻入量較大時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期的長短對水泥攪拌樁的強(qiáng)度影響較大；水泥、粉煤灰摻入比相同時(shí)，含水率較低的試件在受到破壞后，相對含水率較高的試件仍然具有較高的強(qiáng)度，因此，施工過程中應(yīng)重視水泥、粉煤灰的摻入量和水泥攪拌樁的養(yǎng)生環(huán)境，確保濕陷性黃土地基得到有效處理。