水泥搅拌桩加固珠江三角洲地区软土地基适用性探讨

唐 红

(中铁六局集团有限公司，北京 100036)

水泥搅拌桩是用于加固软土地基的一种常见方法，它是利用水泥等材料作为固化剂，在地基一定范围内，采用搅拌设备将软土与固化剂强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理—化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。但是，通过在珠江三角洲地区进行的水泥搅拌桩现场试验表明，加固效果较差。

1 现场试验

1.1 工程地质概况

试验依托于新建广州至珠海铁路SG-5标段工程DK163+450—DK169+300段水泥搅拌桩对软土地基的处理。试验段处于海相堆积平原区，地下水埋深0～0.9 m，地基土依次为①种植土:灰色 ～灰褐色，软塑，含较多植物根系，分布整个蕉林，厚0.7～3.0 m;②淤泥:灰黑色，饱和，流塑，主要由黏粒组成，含有机质，具臭味，含较多贝壳，力学性极差，分布于塘底以下，厚10.0～19.5 m;③淤泥质粉质黏土:灰 ～灰黑色，饱和，流塑，具臭味，力学性差，分布于淤泥之下，厚0～10.0 m;④黏土:褐色、灰白色，主要成分为黏粒，质纯，饱和，软塑，厚 2.5～8.0 m;⑤粗砂:灰白色，主要成分为石英质，含少量的黏性土，饱和，松散～稍密。

1.2 试验安排

为满足现场水泥土无侧限抗压强度不小于1.2 MPa，水泥搅拌桩单桩承载力特征值不小于78 kN的设计文件要求，在水泥搅拌桩正式施工前，在 DK163、DK169区间共组织了多次搅拌桩的试桩试验，以确定工艺参数。试桩桩长12～18 m，桩径φ500 mm。采用PC32.5水泥，水泥掺量分别为50 kg/m、55 kg/m、60 kg/m，水灰比为0.5∶1，试验桩施工采用二喷四搅施工工艺进行。

1.3 试验结果

试验桩结束28 d后，对部分桩进行了取芯和无侧限抗压强度试验，并对6根桩进行了单桩静载试验。从现场取芯情况看，成桩效果连续性、均匀性普遍较好，局部成桩效果较差(桩身无侧限抗压强度如表1所示)。从表1可以看出，随着水泥掺量的增加，桩身的无侧限抗压强度稍有增加，但基本稳定在0.06～0.26 MPa强度值范围内，远远低于设计值1.2 MPa，不能满足设计要求。

表1 DK163、DK169取芯强度试验(无侧限抗压仪)

从6根桩的单桩静载荷试验来看(见表2)，6根桩当加至一定荷载值时，承压板周围土体发生破坏，终止加载，并依据《铁路工程基桩检测技术规程》7.4.2条取破坏荷载的前一级荷载为极限荷载［1］，极限荷载都远＜156 kN(单桩承载力特征值78 kN的2倍)。

表2 单桩抗压静载试验结果统计

2 原因探讨

1)珠江三角洲地区广泛分布淤泥和淤泥质粉质黏土层，这种土具有天然含水量高、孔隙比高、压缩性高、渗透性低、抗剪强度低、变形模量低等特征，搅拌机械的切削搅拌作用实际上不可能将这种土体粉碎，只能切削成一些大小不等的土团。在拌入水泥后，水泥浆将土团包裹，由于淤泥和淤泥质粉质黏土的渗透系数较小，水泥的水化反应仅在土团表面进行。水泥的各种水化物有的自身继续硬化，有的则与其周围具有一定活性的黏土颗粒发生离子交换和团粒化作用，形成一种独特的水泥石骨架结构。

2)对于混凝土来说，当骨料强度小于混凝土的强度时，骨料强度对混凝土强度影响是很大的［2］。与混凝土相比，这种水泥包裹淤泥或淤泥质粉质黏土的结构由于力学性能很差的淤泥或淤泥质粉质黏土团代替了混凝土的骨料，因此，这种结构的强度主要来自水泥石骨架。当水泥石骨架的强度增加时，水泥土的结构强度就会提高。但是，从表1中针对不同水泥掺量的水泥土无侧限抗压强度可以看出，当水泥掺量较小时，水泥与土的反应较弱，水泥土固化程度低，强度离散性也较大且强度值偏低。从理论上来说，增加水泥掺量或提高水泥强度等级或充分搅拌，使土块被粉碎得更小，都会提高水泥土结构强度。但是，这些因素在一定范围内变化时，对提高水泥土结构的强度是有限度的。从表1中的平均强度来看，当水泥掺量从50 kg/m增加至60 kg/m时，对改善水泥土结构强度效果并不明显。

3)珠江三角洲地区的淤泥和淤泥质粉质黏土中富含有机质，由于有机质含量高使土体具有较大的酸性，从而阻碍了水泥水化反应产生的钙离子与组成黏土矿物的二氧化硅和三氧化二铝等进行化学反应，并生成不溶于水的稳定结晶化合物，从而影响了水泥土强度的形成。

4)一般情况下，水泥土的强度随着龄期的增长也会提高，在龄期超过28 d后仍有所增长，当龄期超过3个月后，水泥土的强度增长才趋于稳定。在其他条件相同时，不同龄期的水泥土无侧限抗压强度间关系大致呈线性关系，这些关系式如下［3］

式中 fcu28——28 d无侧限抗压强度;

fcu60——60 d无侧限抗压强度;

fcu90——90 d无侧限抗压强度。

因此，对于无侧限抗压强度在0.06～0.26 MPa强度值范围内的水泥土，采用上式进行计算，在龄期超过90 d时，其强度值范围最高也只能达到0.108～0.468 MPa左右，仍远远低于设计值1.2 MPa，不能满足设计要求。

5)土体含水量对水泥土强度具有很大影响，水泥土的无侧限抗压强度fcu会随着土体含水量的增大而降低。一般情况下，土体含水量每增大10%，则强度可减小10% ～50%［3-4］。因此，对于处于饱和状态的淤泥和淤泥质粉质黏土来说，高含水量无疑在很大程度上影响了水泥土强度的形成。

3 结论

珠江三角洲地区表层土体主要为第四纪人工填土、海相沉积的淤泥、淤泥质粉质黏土、黏土等，呈饱和、流塑或软塑状态，富含有机质，力学性极差。通过对上述试验结果进行分析发现，当水泥掺量较小时，淤泥和淤泥质粉质黏土与水泥搅拌形成的水泥土，加固效果差，强度值远远低于设计值，证明水泥搅拌桩不适合加固珠江三角洲地区软土地基。为此，在新建广州至珠海铁路SG-5标段内，原设计为水泥搅拌桩的大部分地段设计改为桥梁，小部分地段改为预应力管桩。该项研究为在珠江三角洲地区进行软土地基加固设计提供了借鉴。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10218—2008 铁路工程基桩检测技术规程［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［2］杨伯科.混凝土实用新技术手册(第一版)［M］.长春:吉林科学技术出版社.1998.

［3］李彰明.软土地基加固的理论、设计与施工(第一版)［M］.北京:中国电力出版社.2006.

［4］章吉青.深圳前湾 CI塘填海及软基处理效果分析［J］.铁道建筑，2009(10):82-84.