用测定水泥含量的方法控制水泥搅拌桩施工质量的研究

2014-05-09王保田宋为广杜妍平

交通科技 2014年1期

毛宁王保田宋为广杜妍平

（1.江苏省交通运输厅航道局南京 210004； 2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室南京 210098；3.河海大学岩土工程科学研究所南京 210098）

水泥搅拌桩是软基处理中常用的处理方法，它是将水泥与地基土原位搅拌成水泥土圆柱体，与周围土体共同形成复合地基，以提高地基的稳定性和承载力［1］。水泥搅拌桩也可做成连续的地下水泥土壁墙和水泥土块体以承受荷载或隔水［2］。该技术因其锚固效果较好，施工快速，造价低，噪音小，对相邻建筑物无不利影响，在软弱地基加固中具有广阔的发展前景［3］。目前，水泥搅拌桩的质量检测方法有28 d后钻孔取心法、静载试验法、静力触探法和标贯法［4］等检测方法。实践证明，上述检测方法均偏重于检测桩体某一方面指标以间接反映水泥搅拌桩质量，不仅存在一定的片面性，而且龄期长，费用高，过程繁琐［5］。

事实上，水泥含量和水泥土搅拌的均匀程度是水泥搅拌桩成桩质量的直接指标。水泥搅拌桩在搅拌过程中若水泥含量满足设计要求且搅拌均匀，桩的质量一般能达到要求；水泥搅拌桩在成桩后6 h内水泥土浆液具有一定的流动性，利用这一特性，可以方便取样检验。基于以上2点认识，笔者设计研发出管式侧开闭口软土取土装置，在水泥搅拌桩施工完成后及水泥土浆液初凝之前取出水泥土浆液，并提出改进EDTA法检测其水泥含量，分析水泥搅拌桩施工质量，探讨了一种无损、快速检测水泥搅拌桩质量的方法。

1 水泥含量检测方法原理

1.1 取土装置的设计研发

传统取土装置存在对软土采样率低，取样深度难以确定，操作效率低等缺点。根据本文试验的特点，研发了一种管式侧开闭口软土取土装置。该装置可以一次性在水泥搅拌桩目标深度范围内每隔20 c m取样，取土装置由管体部分及钻头组成，见图1～2。取土管由若干节类似于静力触探杆的取土管（每节取土管长100 c m）组成。每节取土管含有5个取土器，每个取土器间隔20 c m，取土器上开有长方形进土孔，在孔上安装有活动门。取土时，利用静力触探设备将取土管下压和提升。取土器下压到土层里时，活动门关闭；在取土器上提过程中，活动门打开，土样进入取土器内。每个取土器间相互隔离，保证取样独立。

图1 取样器取土管示意图

图2 取样器取土管图

1.2 改进EDTA滴定法检测水泥含量

EDTA滴定法测量水泥含量的原理是利用综合剂乙二胺四乙酸盐与水泥土中的Ca2＋发生综合反应，通过EDTA的消耗量计算钙离子含量来获得水泥含量。常规EDTA滴定法仅适用于水泥稳定土的填料水泥剂量的检测［6］，水泥搅拌桩的质量检测一般要等到施工28 d后才进行取心检测，龄期较长，并且水泥搅拌桩往往分布于不同土层，含水率变化很大。针对上述影响因素，改进EDTA滴定法以适应水泥搅拌桩的水泥含量检测。具体试验内容如下：

（1）准备标准曲线。取水泥搅拌桩深度范围内不同土层的土样，为模拟现场条件，将土调匀至天然含水率。配制掺量为12%，15%，18%，20%，22%，25%的水泥改性土，将试样密封并放在温度为20℃，环境湿度为90%的地下室内养护成型。分别在养护1，3，6，12，24 h和3，7，14，28 d后，称取100 g不同掺量的标准样，用EDTA滴定法得到各个标准样的EDTA消耗量，并同时测定含水率。为了消除含水率对试验的影响，本试验采用100 g干土EDTA的消耗量指标绘制水泥含量标定曲线图。换算关系为：100 g干土EDTA消耗量＝100 g湿土EDTA消耗量×（1＋含水率）。得到相应龄期的100 g干土EDTA水泥含量标准曲线，见图3。

图3 EDTA消耗量标准曲线

（2）现场取样测定水泥含量。水泥搅拌桩施工完成后，使用研制的取土装置取土，滴定得出不同深度土样EDTA标准液的消耗量，用标准曲线图即可查得心样的水泥含量。绘制水泥含量随深度的变化曲线图，分析各个深度水泥含量和拌和均匀性，判断水泥搅拌桩成桩质量，反馈施工。

2 应用实例

通过杨林船闸工程水泥搅拌试验桩试验，验证了水泥含量检测的准确性和适用性。

2.1 工程概况

杨林船闸为三级船闸，设计最大船舶等级为1 000 t，拟采用水泥搅拌桩法处理上、下游引航道软弱地基及加固下游斜坡式护岸。岩土工程勘察报告提供的该场地主要加固的土层为1-2（Q4al）淤泥质粘土（层顶面埋深1.2～4.3 m，一般厚度16.0～19.9 m）和1-2b（Q4al）淤泥（层厚1.5～9.0 m）。水泥搅拌试验桩设计桩径为700 mm，桩长为20.8 m，桩间距1.0 m。固化剂选用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥，水灰比为0.55。

2.2 试验成果及分析

图4为水泥搅拌桩搅拌结束后利用管式侧开闭口软土取土装置取土、龄期为3 h的水泥含量检测成果图，该桩设计水泥含量20%。由于氯化铵对水泥土的溶解能力有限，水泥剂量大于30%时，试验精度会降低［7］，计算得到水泥含量大于35%时本文按35%计。

图4 龄期3 h桩水泥含量检测成果图

由图4可见，整桩平均水泥含量为21.5%；0～3 m桩体水泥含量低于设计值；3～6 m土体水泥含量较高，基本大于35%；10 m以下桩体土体水泥含量波动大，最小值4.7%，最大值大于5.0%，平均水泥含量为18.1%。通过分析，认为存在水泥浆上浮和搅拌不均匀的质量问题，建议改进施工工艺，提高拌和均匀性。

图5和图6为水泥搅拌桩成桩后龄期28 d的钻心取样水泥含量分布图和无侧限抗压强度曲线图。

图5 龄期28 d桩水泥含量随深度分布图

图6 龄期28 d桩心样无侧限抗压强度图

该桩无侧限强度设计值为0.84 MPa，水泥含量设计值为20%，每隔1 m取1个试样进行检测。取心结果表明，桩2～9 m处的无侧限抗压强度为2.57～2.69 MPa，远远大于设计值0.87 MPa，对应水泥含量较高，大于35%；0～20 m处的无侧限抗压强度较低，小于0.5 MPa，其对应的水泥含量偏低，平均13.8%。

检测结果表明，水泥含量检测和强度检测结论一致。综合心样强度检测和水泥含量检测结果可以判断该桩强度达不到要求的原因，即搅拌桩下部搅拌时水泥浆上浮，导致转体上部水泥富集，下部水泥偏少，并且拌和不均匀。针对检测结果，建议采取调整施工工艺，加强复搅，改进搅拌刀具等措施。