水泥深层搅拌桩(湿法）室内试验研究

李凤云

（珠海交通工程技术有限公司，广东 珠海 519000）

1 引言

水泥深层搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过搅拌机械在地基深处将软土和固化剂强制拌和，利用固化剂和软土之间的物理及化学反应，使软土固结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基或地下挡土构筑物[1]。深层水泥搅拌桩适用于加固淤泥、淤泥质土、黏土、粉质黏土、粉土等地基，特别适用于含水量大于30%的各类软土地基，最大加固深度可达20 m。

水泥深层搅拌桩具有无振动、无噪声、无环境污染和费用低廉等优点，被广泛应用于工业与民用建筑、市政、道路、港口以及地下挡土构筑物中。20世纪70年代中期，国外（日本、瑞士）开始在加固工程中实际应用水泥深层搅拌桩技术，我国于80年代在工程领域正式采用。

水泥深层搅拌桩施工前，必须进行室内试验，针对被加固土的性质，选择合适的固化剂和外掺剂，并确定合适的室内配合比，为现场试桩提供可靠的数据，并为搅拌桩施工提供依据。

室内试验前，首先要进行现场调查，查明加固区域内最软土层的天然含水量、酸碱度（pH）、主要矿物成分、腐殖质及有机质的含量等。当采用水下深层水泥搅拌法处理偏酸性软土、泥炭土和腐殖质或有机质含量较高的软土、地下水具有侵蚀性的软基时，应在工程建设前通过试验分析其加固效果。

水泥土的抗压强度宜取28 d或90 d龄期的立方体抗压强度，影响水泥土强度的因素主要有土质、水泥品种及强度等级、外掺剂、龄期、水泥掺加量等。

2 室内配合比设计

2.1 原材

1）水泥：选用江门海螺水泥有限公司生产的P·O52.5R、P·O42.5R、P·C32.5R水泥，按照相关规范分别对其物理力学性能进行了检测，检测结果如下：

P·O52.5R水泥标准稠度用水量为27.4%；初凝时间为140 min，终凝时间为172 min；3 d抗折强度为6.7 MPa，3 d抗压强度为35.2 MPa；28 d抗折强度为8.4 MPa，28 d抗压强度为54.7 MPa；P·O42.5R水泥标准稠度用水量为26.9%；初凝时间为152 min，终凝时间为189 min；3 d抗折强度为5.8 MPa，3 d抗压强度为31.8 MPa；28 d抗折强度为7.8 MPa，28 d抗压强度为49.1 MPa；P·C32.5R水泥标准稠度用水量为26.7%；初凝时间为163 min，终凝时间为195 min；3d抗折强度为5.0 MPa，3d抗压强度为22.9 MPa；28 d抗折强度为6.7 MPa，28 d抗压强度为38.9 MPa。

2）土样：珠海大道扩建工程1标段现场原状土，经检测，pH值为7.10，有机质含量为2.30%，硫酸根含量为1.02 g/kg，天然含水率为63.2%，天然密度为1.62 g/cm3，风干土的含水率为2.1%；

3）水：现场施工用水，pH值为7.12（与现场土样pH值相符），其他指标经检测满足混凝土拌和用水技术要求。

2.2 配合比设计依据

JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》中要求，水泥土的每种配合比宜进行7 d、28 d和90 d三种龄期的试验。无特殊要求的工程，水泥土的性能指标宜以90 d龄期的试验结果为准；有特殊要求的工程，水泥土的性能指标可按设计要求执行[2]。

2.3 试验数据分析

2.3.1 水泥掺量与强度的关系分析

设定水灰比为0.60；水泥掺量按10%、12%、14%、16%、18%分别配制；检测其7 d、28 d、90 d抗压强度。

采用P·C32.5R水泥，水泥掺量与抗压强度关系如图1所示；采用P·O42.5R水泥，水泥掺量与抗压强度关系如图2所示。

图1 水泥掺量与抗压强度关系图（P·C32.5R）

图2 水泥掺量与抗压强度关系图（P·O42.5R）

从图1、图2可看出，无论采用哪个规格的水泥，水泥土试件立方体抗压强度均随着水泥掺量的增加而呈线性增大，与水泥品种无关。可见，水泥作为一种固化剂，掺加量越大，加固效果就会越好。

2.3.2 水泥强度等级与水泥土立方体抗压强度的关系

水灰比设定为0.60，水泥掺量设定为16%。同一环境条件下，分别用P·O52.5R、P·O42.5R、P·C32.5R水泥制作立方体抗压强度试件，检测其7 d、28 d、90 d抗压强度。水泥强度等级与水泥土立方体抗压强度的关系如图3所示。

图3 水泥强度等级与水泥土立方体抗压强度的关系图

从图3可看出，在水泥掺量和水灰比一定的情况下，水泥强度等级越高，水泥土的立方体抗压强度就越高，水泥土加固效果就越好。

沿海地区深层淤泥土的含水量和有机质含量较大，而有机质使土层具有较大的水容量和塑性、较大的膨胀性和低渗透性，且土层具有一定的酸性，这些都阻碍了水泥水化反应的进行，造成加固后的土质强度一般较低。选用强度等级低的水泥，通过加大水泥用量进行施工时，桩身强度和质量往往不能满足设计要求，而强度高的水泥单价又高，因此，综合经济因素考虑，宜优先选用P·O42.5R及以上强度等级的水泥。

可见水泥强度等级的选择，除考虑满足设计要求外，还需与经济要素相结合。

2.3 .3龄期与立方体抗压强度的关系分析

水泥掺量14%、18%；成型7 d、14 d、28 d、56 d、90 d立方体抗压强度试件。

P·C32.5R水泥，龄期与立方体抗压强度关系见图4；P·O42.5R水泥，龄期与立方体抗压强度关系如图5所示。

图4 龄期与立方体抗压强度关系图（P·C32.5R）

图5 龄期与立方体抗压强度关系图（P·O42.5R）

从图4、图5可看出，水泥土的抗压强度随着龄期的增大而增大，呈对数关系。因水泥搅拌桩中水泥的掺量较小，水泥的硬化速度缓慢，故水泥土的强度增长较缓慢，室内试验只检测至90 d龄期的抗压强度，实际强度在90 d后仍在不断增长。

2.3.4 水灰比与强度的关系

水泥掺量选用14%；水灰比分别选用0.50、0.55、0.60；分别测其不同龄期的抗压强度。

水泥选用P·C32.5R时，水灰比与强度的关系如图6所示；水泥选用P·O42.5R时，水灰比与强度的关系如图7所示。

图6 水灰比与强度的关系图

图7 水灰比与强度的关系图

从图6、图7可看出，水灰比和强度存在一定的相关性，水灰比越小强度越大。但在实际施工中水灰比太小，会造成土层搅拌不匀，浆液无法压进。虽然水灰比大容易搅拌均匀，但是水灰比过大时强度和成桩质量不能保证。

2.4 地下水中硫酸盐含量高的情况

珠海为沿海地区，部分地区地下水中含有大量的硫酸盐，为提高水泥土的抗侵蚀性，分别选用普通水泥和高抗硫酸盐水泥成型水泥土试块进行抗硫酸盐侵蚀试验（水泥经检测均满足相应的标准规范要求，按同一配合比制作水泥土试块，浸泡在1.5%的硫酸钠溶液中）。

江门海螺P·C32.5R、P·O42.5R水泥成型试块，在28 d和34 d内全部开裂、膨胀和破坏；英德海螺P·C32.5R、P·O42.5R水泥成型试块，在26 d和35 d内全部开裂、膨胀和破坏；英德海螺42.5高抗硫酸盐水泥成型试块，在90 d内未出现任何破坏迹象。

从试验结果可以看出来，使用普通水泥拌制的水泥土试件受硫酸盐侵蚀时容易发生开裂、膨胀、崩坏，丧失强度；选用抗硫酸盐侵蚀的水泥，可以使水泥土产生的结晶膨胀物控制在一定范围之内，则可大大提高水泥土的抗侵蚀性。

3 结语

因为水泥土的强度与水泥的掺量、水泥的强度等级、龄期、水灰比密切相关，所以，施工前必须进行室内配合比设计等相关试验，根据室内配合比设计资料进行现场试桩，以取得满足设计和施工要求、满足现场实际使用的机械设备、经济实用的施工配合比。对海水渗入的沿海地区，应选用抗硫酸盐水泥，以提高水泥深层搅拌桩的抗侵蚀性。