水泥土搅拌桩实体强度检测方法研究

2020-06-11刘华强黄根民蔡一平

岩土工程技术 2020年3期

刘华强黄根民蔡一平蔡雷

(1.江苏省水利科学研究院，江苏扬州 225002；2.宿迁市水利局，江苏宿迁 223800)

0 引言

水泥土搅拌桩诞生于20世纪40年代，目前已广泛使用于建筑、交通、水利等工程建设中[1-4]。它是以水泥为固化剂主剂，通过特制的深层搅拌机械，将固化剂和地基软土强制搅拌，由固化剂和软土间产生一系列物理化学反应，使软土硬化成具有整体性、水稳定性和一定强度的固状柱体。其中，使用水泥浆与软土搅拌形成的柱状固体称为搅拌桩(湿法)，使用水泥粉体与软土搅拌的柱状固体称为粉喷桩(干法)。水泥土搅拌桩主要用于承受竖向荷载的建筑复合地基和承受水平荷载兼止水的基坑支护结构。在水利工程中，还广泛使用诸如多头小直径深层搅拌桩防渗墙、高喷截渗墙等型式的水泥土桩体防渗体系。目前，国内针对水泥土搅拌桩相关的设计、施工、验收等规范中对检测都有相应的要求条款，但无相应的检测技术规范。本文就水泥土搅拌桩验收中的实体质量评定所涉及到的桩体强度及取芯检测等相关问题提出相应的建议。

1 抗压强度试验

水泥土的无侧限抗压强度是反映水泥土搅拌桩实体强度的一个重要指标，真实地反映水泥土的实际强度相当重要。当前水泥土搅拌桩强度的检测方法主要是现场取芯，然后加工成直径100 mm或70 mm的圆柱体，而水泥土的施工配合比试验所用的标准试件尺寸为70.7 mm的立方体，两者在形状和尺寸上存在较大的差异。

试验采用P·O 42.5水泥，其物理力学性质见表1。

分别针对淤泥质土和砂土进行研究。采用70.7 mm立方体标准试模和高径比1∶1的φ70.7 mm、φ100 mm圆柱体三种形式，水泥掺入质量比设定为12%、15%、18%，水灰质量比选择0.5、1.0、1.5三种。每组试件中，每个尺寸为6个试件，一共18个，同时考虑3种水灰质量比、3个掺入比及2种土性，共计324个试件。配置水泥土的土料物理性质见表2、表3。

表1 水泥物理力学性质

表2 淤泥质土的物理性质

表3 砂土的物理性质

图1、图2为水泥土试样的破坏形态，无论是立方体还是圆柱体试样的破坏基本都呈现一定的裂纹状。水泥土试样的破坏是按照从试样内部的微裂纹开始，到众多的微裂纹相互贯通形成宏观裂纹，再到试样整体破坏这样一个渐进过程进行的。水泥土在达到最大荷载前，微裂纹的发展是由整个水泥土结构储存能量的释放引起的，存储的能量大小随着水泥土尺寸的不同而存在某些差异。

图1 立方体抗压破坏形态

图2 圆柱体抗压破坏形态

具体试验结果见图3、图4。从图中可以看出，在相同掺入比时，随着水灰质量比的增大，水泥土的无侧限抗压强度在减小，说明试验结果合理可靠。

图3 淤泥土28 d无侧限抗压强度柱状图

图4 砂土28 d无侧限抗压强度柱状图

图5 φ70.7圆柱体-70.7立方体无侧限抗压强度散点图

图6 φ100圆柱体-70.7立方体无侧限抗压强度散点图

考虑到水泥土搅拌桩施工及检测中存在的各种不利因素，上述不同尺寸之间的误差修正基本可以忽略，建议直接使用直径100 mm的芯样进行评定，从试验结果来看，更为接近标准试件结果，并且偏于安全。从样品获取角度讲，相比较70 mm而言，100 mm直径也更容易保证样品的完整。

2 桩身取芯试验

桩身强度的真实反映建立在取芯成果真实可靠的基础之上，因此必须保证工程现场抽取的芯样能够真实反映桩基工程的施工质量，并具有代表性。结合以往的工程经验，建议在取芯位置、设备以及技术人员三个方面予以重点关注。

(1)钻孔位置

钻孔位置宜确定在偏离桩中心5～10 cm位置，垂直度的问题导致偏离中心太远无法保证钻孔有效，而桩中心位置由于施工工艺的问题应尽量避免。

(2)设备及过程控制

水泥土桩强度不高(一般在0.5～2.0 MPa)，采用普通地质钻机可满足要求。但正是由于水泥土强度不高，而取芯工作又是带水作业，钻机在作业过程中容易导致芯样的破坏，因此建议采用双管单动钻具。同时要严格控制操作的进尺速度和单次进尺深度。图7为同一工程的2次取芯效果，龄期15 d。可见进尺速度和进尺深度的重要。单次进尺深度不宜超过1 m，严格限制不能超过1.5 m。这对保证芯样质量十分重要，而实际工作中由于片面对经济效益的追求和操作工人理论认知上的欠缺，也往往最容易忽视。提升取样器时要做到平稳，切勿陡然升降或碰撞孔壁，以免土样失落、破坏。水泥土的强度评定规范中规定以90 d强度为准，然而在水利工程中往往涉及防洪度汛问题，工期难以满足，通常要求做28 d检测，水泥土低强度慢增长的特点要求在实际取芯工作中更加严格注意以上问题。

图7 不同进尺速度、进尺长度条件下的水泥土取芯效果

(3)芯样描述工作和现场对芯样完整程度的判定

一组取样工作完成后，现场技术人员必须对芯样的完整程度进行直观地判定。这是取芯工作完美的最后一道工作。技术人员根据取芯率可直观判断本次工作是否有效，同时对芯样的外观进行感官上的技术描述。包括外观特征、气味、密实程度、均匀性、硬度和状态等。对有特殊要求的钻进深度可超过施工桩长0.5 m，并取出桩底土样进行描述记录，据此确定实际桩长和端承情况。选取的芯样应及时密封保存(可以用塑料薄膜紧裹芯样)，保证天然含水量和原状结构，并作出详细标记后送交试验室进行试验。搬运芯样时应采取措施防止水泥土受到扰动和挤压，最大限度保证样品原状性的完整。