浅谈水泥土搅拌法在水工建筑物地基处理设计中的应用

2022-09-03李翔飞

治淮 2022年8期

李翔飞

一、前言

为了防治水旱灾害并充分合理地利用水资源，以满足人类生产生活的需要，全国各地都因地制宜地修建了一系列水利工程。但由于水工建筑物受自然条件制约多，常建设在河流、湖泊、沼泽等地质情况相对复杂的环境中，地基土层经常会出现淤泥、淤泥质粉质粘土等软弱土层，地基处理尤为重要。为增加地基土层的承载力，保证建筑物的结构安全，工程设计时经常采用换填法、排水固结法、水泥土搅拌法、各种类型的桩法及灌浆法等来加固地基。其中，水泥土搅拌法由于施工工艺简单、施工进度快等优点得到了广泛应用。如何正确地设计运用水泥土搅拌法来加固地基，要熟悉了解水泥加固土的原理。

二、水泥加固土的原理

水泥土搅拌法有拌入水泥浆的湿法和拌入水泥粉的干法两种施工工艺。施工经常使用的普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，这些氧化物又分别组成了硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等不同的水泥矿物。将水泥拌入软土后，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。这些化合物有的自身继续硬化，形成水泥石骨架；有的能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，周围的水溶液就能逐渐达到饱和，当溶液达到饱和后，水分子虽能继续深入颗粒内部，但新生成物已不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成含有凝胶粒子的胶体。这些凝胶粒子的表面积比原来的水泥颗粒大数千倍，因而会产生很大的表面能，有很强的吸附活性，能使较大的土团颗粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，填充各土团之间的空隙，形成坚固的联结。从宏观上来看，水泥土相较于原状土来说，强度会大大提高。由此可见，水在水泥土的固化过程中，扮演着非常重要的角色，既要参与化学反应，生成一系列的水化物，又要作为重要的溶剂、载体，保证凝胶粒子与土团颗粒充分的结合。

由水泥加固土的原理，得出如下结论，水泥土搅拌法中拌入水泥浆的湿法和拌入水泥粉的干法其加固机理本质相同，设计时应按照土层的含水率大小来进行选择。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）要求，当地基土的天然含水量小于30%（黄土含水量小于25%）时，由于不能保证水泥充分水化，故不宜采用粉体搅拌法，即干法。但在实际施工过程中是否一定要按照上述标准来执行，要根据实际的地质环境选择，并以阜南县谢寨排灌站为例进行分析。

三、工程案例分析

谢寨排灌站位于阜南县方集镇境内，大洪河左岸，主要作用为枯水期由大洪河向洪河故道内提水，丰水期由洪河故道向大洪河内排涝。谢寨排灌站设计提水流量10.0m³/s，设3 台1000HDB-60 型潜水混流泵，配套电机450kW，共1350kW；设计排涝流量2.4m³/s，设1 台900ZDB—100 型潜水轴流泵，配套电机200kW，本站装机总容量为1550kW。根据工程地质报告可知，谢寨站拟建场地上部为新近回填及堆积层，下部由第四纪冲积物堆积构成，地层岩性主要由素填土、粉质壤土、淤泥质粉质壤土、砂壤土、细砂组成，地质剖面见图1。

图1 谢寨排灌站工程地质剖面图

由图可知，谢寨排灌站出口段建基面高程为21.20～21.40m，位于第②2层，中粉质壤土（Q4al）层，但在这层土下面，存在第②3层，淤泥质中粉质壤土（Q4

al）层，即软弱下卧层。这层（第②3层）土为饱和、软塑、高压缩性土层，局部还夹有砂壤土，承载力较低，仅为85kPa，且该土层顶面与建基面较近，不满足工程设计需要，故需对此场地进行地基处理。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）可知，水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土（软塑、可塑）、粉土（稍密、中密）、粉细砂（松散、中密）、中粗砂（松散、稍密）、饱和黄土等土层，不适用于含大孤石或障碍物较多且不易清除的杂填土、欠固结的淤泥和淤泥质土、硬塑及坚硬的黏性土、密实的砂类土，以及地下水渗流影响成桩质量的土层。因此，选择水泥土搅拌法处理谢寨排灌站的地基土层。在工法的选择上，根据地质报告中该图层的土工试验结果，这层（第②3层）淤泥质中粉质壤土的含水率最大值为25.6%，最小值为24.5%，平均值为25.1%，小于规范规定的30%，所以，根据规范应选择拌入水泥浆的湿法进行施工。但在实际操作中，施工单位在大面积施打水泥土搅拌桩之前进行了试桩，且对干法和湿法的成桩效果进行了比较。

结果：采用干法施打的Φ500 水泥土桩桩径满足设计要求，桩身结构完整，无断桩、虚桩出现；用铁锹撬击桩身，发现桩身水泥土质地坚硬，难以撬除，初步判断用干法施工的水泥土桩质量较好，满足设计要求。而用湿法施工的水泥土桩桩头部位水泥浆液还未完全凝固，开挖后发现，桩身出现了“夹薄层”现象，即桩身结构不完整，在本土层所夹的砂壤土处未见水泥浆液，从而导致桩身断裂；用铁锹撬击桩身，发现桩身水泥土质地松散，容易撬碎，初步判断用湿法施工的水泥土桩质量较差，不满足设计要求。

通过分析，出现这种现象的原因应有以下三点：

1.含水率。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）的要求，含水率作为一个非常重要的指标，被用于确定水泥土搅拌法的施工工艺。但是根据土的三相组成，含水率还是一个最基本的试验指标，必须在土工实验室通过含水率试验来确定，在野外进行原位测试无法计算出土的含水率。野外勘察作业时，土样从地面以下经取土器取到地面以上，本身所处的外部环境就已经发生了改变，后再经包装、运输，直至送至土工实验室的过程中，无可避免地要受到晾晒、扰动，这些外部因素都会造成土样失水，导致含水率的降低。所以，经土工试验做出的土体的含水率一般比实际土层含水率偏小。

2.水利工程的特殊性。水工建筑物的建设场地不同于房屋建筑、市政建筑等，地质情况相对复杂，且受季节、气候等天气因素影响也较大。阜阳市阜南县地处华北平原，淮河流域。每年五月初至八月底为淮河的丰水期，此时淮河上游来水量较大，水位较高，河床以下所有土层都处于饱和状态，含水率高。其余的月份为枯水期，淮河上游来水量较小，水位较低。除此之外，连续降雨导致河流水位升高也是影响水利工程建设的又一重大因素。因此，水利工程建设周期中，经常会出现勘察、设计时期的水位与施工时期的水位不同，地基土层土体饱和度不同的情况，这是导致土样含水率与实际土层含水率偏差较大的主要原因。

3.土体结构。在水工建筑物地基土层中，经常会遇见淤泥、淤泥质粉质粘土等软弱土层。这类土土质松软，含水率高，渗透系数较小，有时为淤泥质粘土、粉土与粉砂互层，具有清晰的薄层理。因此，这种土质在采用拌入水泥浆的湿法施工时，由于粉土、粉砂层的粘聚力C 值为0，且渗透系数较大，加上施工时泥浆泵需要为水泥浆提供一定的压力，才能使之与桩身外层土体充分结合，这样容易导致水泥浆穿越粉土、粉砂层时流速较快，无法与之进行良好的结合，导致水泥土桩桩身结构不完整，出现了“夹薄层”现象。