淤泥质土条件下深层搅拌法软基处理适应性分析

唐福来

(广东水电二局股份有限公司， 广州 511340)

水泥土一般指由软土地基中的天然土与水泥混合形成的有一定的固结强度和形状的固化物。通过特制的搅拌设备在地基深处就地将软土和水泥等固化剂强制拌和，使松散土体形成坚硬稳定的水泥土凝结体，从而提高地基的强度和增大变形模量。

试验目的是为了验证深层搅拌法在该场地地质条件下的适应性[1-2]，试验所用土样取自韩江某水利工程闸坝地基，场地地层分布至上而下主要为中粗砂、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土及淤泥质粉细砂、中细砂等。

水泥土的室内试验研究工作主要包括了土样的物理力学性质试验、水泥的物理力学性能试验、水泥掺入比为15%、18%、21%的水泥土在14 d、28 d、90 d龄期的抗压、抗剪强度试验。土样分别为淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土、含泥质粉细砂，选用32.5R普通硅酸盐水泥作为固化剂。

1 试验所用材料性能试验[3-4]

试验所用的水泥为32.5R普通硅酸盐水泥，其细度、凝结时间和安定性合格，3 d和28 d抗折强度分别为5.6 MPa和7.9 MPa，大于规范规定的3.5 MPa和5.5 MPa；3 d和28 d抗压强度分别为33.0 MPa和42.5 MPa，大于规范规定的16.0 MPa和32.5 MPa。

对所取土样进行常规试验、压缩试验、剪切强度试验等(见表1、表2),由试验结果可知：淤泥质土为高含水量、高液限的高压缩性土，地基土抗剪切强度低。

表1 场地地基土物理力学性质统计(平均值)

表2 地基土抗剪强度试验成果

另外，因场地表层出露淤泥质土的地层普遍含有较多的腐木和腐殖质，选取了3个土样进行化学分析(见表3，土样定名为高液限淤泥质粉质粘土且含较多腐木和腐殖质)。从分析结果看，pH值为4.14～4.46，呈酸性，根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)中关于场地土对混凝土结构的腐蚀性评价方法，工程的环境类别属于Ⅲ类，场地土层对混凝土具有泛酸性腐蚀，腐蚀强度属中等。

表3 土样化学分析成果

2 水泥土的配制

试验所用土样分别有高液限淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土和含泥质粉细砂3种。对试验用的土样用5 mm筛筛去其中的夹杂物，加水调整至天然含水量，放置24 h后进行配合比试验。水泥用量依据土的体积按掺入比15%、18%、21%分别计算、称量掺入，采用人工拌和，装模捣实后用塑料薄膜覆盖试件，以防止水分蒸发过快。2 d后拆模，将试件放置于温度为22℃、相对湿度不小于95%的养护室养护至试验龄期。

3 室内水泥土配比试验及工程桩抽芯试验结果对比及分析

在水泥土养护至7 d、28 d、90 d时，分别进行了无侧限抗压强度和抗剪强度试验(见表4所示),表5是坝基采用深层搅拌法加固后抽芯检验[5]结果。

表4 室内水泥土试验成果 MPa

表5 搅拌桩抽芯检验成果(水泥掺入比18%)

通过对室内和搅拌桩工程施工[3-4,6]桩抽芯样本试验结果对比，可见同岩性地层水泥土90 d标准强度基本接近，工程桩的强度普遍偏低，应该与室内拌和与工程施工搅拌的均匀程度不同有关。

对表4与表5数据进行分析，影响水泥土强度的因素主要包括土样性质、水泥掺入量、水泥土的龄期、水泥的强度等级、水灰比、外加剂等。本次实验没有添加外加剂，水泥也是同一标号和品牌，因此从土样性质、水泥掺入量、水泥土的龄期、水泥的强度等级等因素进行分析。

3.1 土样性质的影响

由表4中数据可知：采用含泥质粉细砂和水泥配制的水泥土强度比淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土配制要高。由于淤泥质粉质粘土中含较多的有机质成分，强度又比淤泥质粘土低，并且在试块表面可看到轻微开裂、膨松现象。但90 d龄期的配比强度仍在1.39～1.93 MPa之间，可满足一般工程的需要(不同岩性的水泥土时间—强度曲线如图1～图3所示)。

图1 淤泥质粉质粘土水泥土强度—时间曲线示意

图2 淤泥质粘土水泥土强度—时间曲线示意

图3 含泥质粉砂水泥土强度—时间曲线示意

有机质含量较高的软土，一般具有比较大的水容性和塑性，同时具有比较大的膨胀性和低渗透性，多数土层还有一定的酸性。这些因素都会阻碍水泥的水化反应从而影响水泥土强度的增长。不同土样水泥土强度的差异与水泥土的物理化学反应过程所形成凝结体的软硬有关，在砂性地层中，反应过程主要是水泥本身的水解与水化反应过程，结果是水泥石与砂颗粒固结成为一体，形成较高强度的水泥石凝结体。而用粘性土、淤泥或淤泥质土拌和的水泥土，反应过程比较复杂，通常除了水泥本身的水解与水化反应过程外，还包括粘土颗粒与水泥水化物的作用，主要有离子交换与团粒化作用、水泥土硬凝反应过程、碳酸化作用等，随着反应过程的不断深入，水化硅酸钙等水化物不断发育、充填孔隙、粘结颗粒，较长时间才使松散土体形成较为坚硬的水泥土或灰土凝结体，因此，采用此类土体配制的水泥土试块强度增长的过程十分缓慢。同时，水泥土或灰土凝结体的强度一般比水泥石凝结体的强度要低，这也是为什么砂性土拌制的水泥土强度比粘性土拌制的强度高的原因。

采用淤泥质粉质粘土配制的试块表面可看到轻微开裂、膨松现象，是由于泛酸性腐蚀属于分解型腐蚀，通过与水泥石的水化产物反应生成没有凝胶能力的产物因而出现松散、开裂现象，同时，使水泥土的强度降低，甚至破坏，破坏的程度主要决定于pH值与水泥土本身的抗渗性。水泥土相对于普通混凝土通常渗透性大，含水量高，抗渗性能较差[7]，因此，酸性场地对水泥土的侵蚀应比普通混凝土严重。

3.2 水泥掺入量的影响

水泥掺入量大小直接影响到水泥土的强度。从采用淤泥质粉质粘土拌制的水泥土来看，水泥掺入比由15%增加到21%，7 d龄期水泥土强度由0.47 MPa增长至0.79 MPa，提高了68%，90 d龄期水泥土强度由1.39 MPa增长至1.93 MPa，提高了38.8%；淤泥质粘土水泥土水泥掺入比由15%增加到21%，7 d龄期水泥土强度由0.64 MPa增长至0.89 MPa，提高了39%，90 d龄期水泥土强度由2.03 MPa增长至2.76 MPa，提高了36%；以泥质粉细砂拌制的水泥土，水泥掺入比由15%增加到21%，7 d龄期水泥土强度由2.42 MPa增长至3.84 MPa，提高了58.7%，90 d龄期水泥土强度由3.93 MPa增长至6.14 MPa，提高了56.2%，强度的增加更加明显。可见，水泥土强度的增长是随着水泥掺入比的增大而提高，不同土质形成的水泥土其强度增加幅度也不同。但是，从掺入比15%增加到18%时的强度与从18%增加到21%时的强度相比，淤泥质类土的强度增长并不成正比，增长有放慢的趋势，砂类土中则基本成正比，甚至有较大增长的趋势，这应该与土样中含淤质成分的比例有关。因此，在实际应用过程中应根据土质的情况选用最佳的水泥掺入比，以便取得更好的经济效益。

3.3 龄期对水泥土的的影响

由试验结果水泥掺入比为15%时，淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土7 d龄期的强度为90 d时的33.8%和31.5%，28 d龄期的强度为90 d时的59.7%和70%，粉细砂则分别是56%和84.2%；水泥掺入比为18%时，淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土7 d龄期的强度为90 d时的39.5%和31.8%，28 d龄期的强度为90 d时的62.9%和64.5%，粉细砂则分别是64.5%和85.7%；而当水泥掺入比为21%时，淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土7 d龄期的强度为90 d时的40.9%和47.1%，28 d龄期的强度为90 d时的62.7%和68.5%，粉细砂则分别是62.5%和90.9%。

由此可见，砂性土的水泥土强度比粘性土增长速度快，主要与水泥石形成快慢有关。对于砂性土，水泥石形成主要是水泥的水解和水化反应过程，其过程一般在28 d左右或稍长一点时间即可完成，因此，采用泥质粉细砂拌制的水泥土28 d强度即接近90 d龄期强度的90%左右。而采用粘性土拌和的水泥土，硬凝反应过程则比较复杂，通常除了水泥本身的水解与水化反应过程外，还包括粘土颗粒与水泥水化物的作用，如离子交换与团粒化作用、水泥土的硬凝反应过程、碳酸化作用等，其过程需要几个月甚至几年时间才能完成。从图1～图3中曲线所显示的趋势来看，有机质含量比较高的淤泥质粉质粘土的抗压强度在龄期达到28 d后仍有比较大的增长，且增长的速率比淤泥质粘土要大。图3所反映的含泥粉细砂水泥土强度增长情况，在28 d以后增长速度已明显放慢。

3.4 水泥土抗剪强度与抗压强度的关系

从试验结果看，对于淤泥质粉质粘土，不同掺入比在龄期为7 d时水泥土的抗剪强度与抗压强度之比为8.7%～10.3%，龄期为28 d时水泥土的抗剪强度与抗压强度之比为8.8%～10.4%，龄期为90 d时水泥土的抗剪强度与抗压强度之比为9.5%～10.4%，抗剪强度是抗压强度的1/10左右；淤泥质粘土也有类似的情况，不同掺入比在龄期为7 d时水泥土的抗剪强度与抗压强度之比为8.8%～10.4%，龄期为28 d时水泥土的抗剪强度与抗压强度之比为9.3%～10.4%，龄期为90 d时水泥土的抗剪强度与抗压强度之比为9.6%～10.9%，虽然下限有所增大，但抗剪强度仍然是抗压强度的1/10左右。不过，对于含泥粉细砂，水泥土的抗剪强度值明显偏高，不同掺入比在龄期为7 d时水泥土的抗剪强度与抗压强度之比为16.3%～18.2%，龄期为28 d时水泥土的抗剪强度与抗压强度之比为12.5%～15.1%，龄期为90 d时水泥土的抗剪强度与抗压强度之比为12.5%～15.4%。

因此，可以近似地认为，对于以软弱粘性土配制的水泥土，其存在着抗剪强度大致是抗压强度的1/10左右的关系，抗剪切能力比较差。

4 深层搅拌法处理软土地基的几个问题探讨

4.1 淤泥质土条件下桩的承载力问题

试验结果表明，采用淤泥质粉质粘土配制的试块表面可看到轻微开裂、膨松现象，水泥土早期强度低，90 d的水泥土强度比同掺入比的砂性土固结体强度低，依据《软土地基深层搅拌加固法技术规程》(YBJ225-91)及相关文献[3-4，8]，深层搅拌桩单桩承载力估算：

(1)

式中:

qu——与搅拌桩桩身加固土配比相同的室内加固土试块的无侧限抗压强度,kPa；

η——强度的折减系数，一般可取0.25～0.33，这里取0.25；

Ap——搅拌桩的截面积,m2。

代入表4数据及其他相应的数据，估算该岩土条件下3种水泥掺入量深层搅拌桩单桩承载力最低值Nd(见表6所示)。

由表6数据可见，在掺入比为15%时，该工程淤泥质粉质粘土的单桩承载力估算值仅为109 kN，一般的建筑物的承载力需求都比较难以满足，因此，对于承载力要求比较高和工后沉降比较小的建筑软土地基，在无更好软基处理方法条件下，从桩的布置间距等方面进行考虑，应进一步对复合地基和工后沉降进行验算[9-10]，同时，建筑物施工过程及完成后，应定期进行沉降位移观测并及时分析原因[11-12]。

4.2 水泥掺入比的确定

水泥掺入比的选择原则，既要满足软基处理效果的要求，又需考虑经济合理性，对于本工程，由试验数据可见，在设计要求单桩承载力达到120 kN的条件下，应充分考虑地层岩性的分布，对于砂性土，选取低于15%的掺入比即能达到处理效果，淤泥质粉质粘土的掺入比则要取得偏高。本工程考虑淤泥类土厚土及分布比较广，选取水泥掺入比为18%。

4.3 搅拌桩挡土墙的应用

试验结果表明，对于淤泥质土条件下的水泥土抗剪强度近似为抗压强度的1/10，抗剪强度大多数为小数量级，因此，在此条件下，对于深基坑，单排的搅拌桩几乎起不到挡土墙的作用，建议慎用，否则，建议设计为重力式挡墙或格构式挡墙，同时要严格计算挡墙的稳定性。

5 结语

本文针对某工程的地基处理需要，对淤泥质土与含泥质沙性土通过不同水泥掺入比拌和形成的水泥土，在不同龄期条件下水泥土强度的对比，分析了水泥土强度的影响因素，土样性质、水泥掺入量、水泥土的龄期等均对水泥土的强度有较大影响，土质是其中的决定性因素，因此，在工程实践中，要根据不同的地质条件选用合适的水泥掺入比，对于含腐殖质较多的泛酸性淤泥质土地基，无论是复合地基还是挡土墙，均应进行充分论证。