曹支才，王光輝

(1.陜西省交通建設(shè)集團公司，陜西 西安 710000；2.中北工程設(shè)計咨詢有限公司)

濕陷性黃土具有流變性強以及壓縮性較高、承載能力較低等特性，為了盡可能避免濕陷性黃土對公路整體質(zhì)量的影響，在施工過程中必須加強對濕陷性黃土地基的處理，目前經(jīng)常采用的處治措施為水泥攪拌樁法，即采用專門的攪拌機械設(shè)備對固化劑、軟土進行就地攪拌，軟土在水泥的作用下變?yōu)樗嗉庸掏粒€(wěn)性和整體性得到一定程度的提高。

多年來，廣大工程師們針對濕陷性黃土及水泥攪拌樁加固地基進行了大量的研究工作。雒億平基于濕陷性黃土的工程特性,針對現(xiàn)有濕陷性黃土地基處理方法所存在的缺陷，創(chuàng)新性地提出了灰土墊層與防滲膜相結(jié)合的聯(lián)合地基處理方法，并對該復(fù)合地基進行了深入探討，不僅對復(fù)合地基力的相互作用、變形及效應(yīng)做了研究，而且分析了防滲膜鋪設(shè)深度對復(fù)合地基應(yīng)力應(yīng)變的影響；鞠興華等依托某高速公路工程，通過現(xiàn)場試驗檢測，確定了水泥粉煤灰攪拌樁處理飽和黃土地基的可行性，為地基處理方案提供有效依據(jù)；宋修廣等通過埋設(shè)土壓力盒實測樁土應(yīng)力比，分析了水泥土攪拌樁復(fù)合地基中樁土應(yīng)力比的主要影響因素；秦世偉等分析了養(yǎng)護條件對水泥土攪拌法改善淤泥質(zhì)黏土強度、變形特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在不同養(yǎng)護條件下，同一水泥摻入量下水中養(yǎng)護的水泥土強度值是軟土養(yǎng)護試塊強度的兩倍，并且水中養(yǎng)護試件的變形能力、破壞時的應(yīng)變以及殘余強度等皆強于其余二者。可見，中國國內(nèi)水泥土攪拌樁復(fù)合地基技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，目前對有關(guān)水泥攪拌固結(jié)黃土的工程應(yīng)用較多，但固結(jié)過程涉及的土體受力變化研究較少。

陜西吳定高速公路K83+905～K85+070為濕陷性黃土段，地基采用水泥攪拌樁加固處理，該段路基位于H85滑坡Ⅱ區(qū)影響范圍內(nèi)，且路基左側(cè)地表為虛填土，下部為淤泥質(zhì)土層，地下水對混凝土鹽類結(jié)晶及硫酸鹽(含巖地層)具有弱侵蝕性。該路段利用水泥和粉煤灰(二灰)成型水泥攪拌樁增強強度?；诖耍撐拈_展水泥攪拌樁實施過程中的力學(xué)特性試驗，分析水泥粉煤灰摻入比、水泥強度等級、養(yǎng)護方式以及含水率變化對水泥攪拌樁力學(xué)性能的影響，闡明吳定高速公路典型濕陷性黃土路基進行水泥攪拌樁加固時的強度變化規(guī)律，以便為其他地區(qū)類似的地基加固提供參考。

1 材料與試驗

相關(guān)試驗方法依據(jù)JGJ/T 233-2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》進行。

1.1 試驗材料

(1)土樣

試驗所用土樣為測試路段地面1 m以下的濕陷性黃土。

將所采集的土樣經(jīng)過風(fēng)干、碾碎、過5 mm篩，其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 土樣的物理力學(xué)性能

(2)二灰

水泥為普通硅酸鹽水泥，強度等級為32.5級和42.5級。所使用的粉煤灰為某電廠所產(chǎn)。二灰的質(zhì)量配比為水泥∶粉煤灰=2∶1。水泥及粉煤灰的相關(guān)指標如表2、3所示。

表2 采用水泥的相關(guān)指標

表3 采用粉煤灰的相關(guān)指標 %

1.2 試件制備

按水灰比為0.55，水泥粉煤灰比為2∶1，水泥粉煤灰占黃土的比例(二灰摻入比)為6%、11%、15%、18%、20%和25%成型試件。試件為邊長70.7 mm的立方體。

不同二灰摻入比下水泥與粉煤灰用量見表4，嚴格按照規(guī)程要求制備試件，每批試件一次攪拌成型。

表4 不同二灰摻入比下水泥與粉煤灰用量

1.3 試驗方案

(1)二灰摻入比對水泥攪拌樁強度的影響

已有研究發(fā)現(xiàn)，在黃土中添加水泥雖然能夠增強黃土的強度，但也存在一個臨界添加量，當水泥摻量低于10%時，二者的固化反應(yīng)較弱，增強效果并不明顯，因此一般添加量都為10%～20%。此外，養(yǎng)護時間以及原狀土的不同也是影響黃土強度增強的重要因素，養(yǎng)護齡期不同，黃土強度的增強率不同，原狀土不同，增強率也不一樣。

為了探究二灰摻入比對水泥攪拌樁強度的影響，將二灰摻入比分別定為6%、11%、15%、18%、20%、25%進行試驗，具體試驗方案如表5所示。

表5 試驗1詳細方案

(2)水泥強度等級對水泥攪拌樁強度的影響

水泥強度等級對水泥攪拌樁的強度有一定的影響，為了保證試驗結(jié)果的準確性，需對32.5與42.5級兩種強度等級的水泥進行水泥膠砂強度試驗(ISO法)，用以檢驗水泥強度。

選用32.5和42.5級兩個強度等級的普通硅酸鹽水泥進行無側(cè)限抗壓強度對比，黃土含水量為30%，其詳細方案如表6所示。

表6 試驗2詳細方案

(3)養(yǎng)護方式對水泥攪拌樁強度的影響

不同的養(yǎng)護方式對水泥攪拌樁的強度也有不同的影響，目前主要的養(yǎng)護方式有3種，分別是標準養(yǎng)護、水中養(yǎng)護、軟土養(yǎng)護，三者養(yǎng)護溫度區(qū)別不大，都為20 ℃左右，主要區(qū)別在于養(yǎng)護的地點不同，標準養(yǎng)護是將試件放入塑料袋中密封，水中養(yǎng)護是將試件放在水中養(yǎng)護，軟土養(yǎng)護是將試件放在土中養(yǎng)護。

該文采用標準養(yǎng)護和水中養(yǎng)護兩種方式，水泥為標號32.5級的普通硅酸鹽水泥，詳細試驗方案如表7所示。

表7 試驗3詳細方案

(4)含水率對水泥攪拌樁強度的影響

試件養(yǎng)護時置于不同濕度的條件下，使其內(nèi)部含水率不同，當試件發(fā)生破壞時，測定此時試件的含水率，探究破壞時試件含水率與試件無限側(cè)抗壓強度之間的影響關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 二灰摻入比對水泥攪拌樁的強度影響

試樣不同養(yǎng)護齡期下，不同二灰摻入比的水泥攪拌樁強度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 二灰摻入比與水泥攪拌樁強度關(guān)系圖

從圖1可以看出：二灰的摻入能夠有效地增強水泥攪拌樁的無側(cè)限抗壓強度，當二灰摻入比小于10%時，水泥固化反應(yīng)較弱，強度增強十分有限，當摻入比為10%～20%時，由于水泥量的增加，固化反應(yīng)變強，強度增長十分明顯，且當摻入比大于20%后，水泥攪拌樁強度增長速率變緩，但仍持續(xù)增強。在試驗的4個齡期中，齡期越長，強度越大。

分析圖1的數(shù)據(jù)，顯然二灰摻加得越多，水泥攪拌樁的強度越高，但是在實際工程中，如果二灰摻入比過高，那么經(jīng)濟效益將會降低，且實際工程中往往不需要過高的強度，因此，在實際工程中，需要綜合考慮強度以及經(jīng)濟的關(guān)系，從而確定實際的摻入量。

2.2 水泥強度等級對水泥攪拌樁強度的影響

2.2.1 水泥強度校驗結(jié)果

水泥分別為32.5和42.5級的普通硅酸鹽水泥，為測試水泥是否合格滿足試驗要求，現(xiàn)進行水泥膠砂強度試驗，測試其3 d和28 d的抗壓和抗折強度，結(jié)果如表8所示。

表8 水泥各齡期強度值

將表8中的試驗結(jié)果與規(guī)范值進行對比，強度均滿足要求，說明所用水泥合格，能夠滿足試驗要求。

2.2.2 結(jié)果分析

將42.5級普通硅酸鹽水泥攪拌土與32.5級普通硅酸鹽水泥攪拌土進行無側(cè)限抗壓強度試驗對比分析，圖2為養(yǎng)護齡期分別為28 d和90 d時，不同強度等級水泥攪拌黃土強度對比。

圖2 不同強度等級水泥攪拌樁強度對比

由圖2可以看出：42.5級的水泥攪拌樁強度明顯要好于32.5級的水泥攪拌樁強度。

(1)當養(yǎng)護齡期為28 d時，32.5級的水泥攪拌樁隨著二灰摻入比的增大，強度也持續(xù)增大，且基本成正比例。42.5級水泥攪拌樁隨著二灰摻入比的增大，當摻入比為10%～20%時，強度增長較快，當摻入比到達20%以后，強度增長速度急劇下降，強度基本平緩到達穩(wěn)定。

(2)當養(yǎng)護齡期為90 d時，32.5、42.5級的水泥攪拌樁均隨著二灰摻入比的增大，強度持續(xù)增大。42.5級的水泥攪拌樁強度比32.5級的水泥攪拌樁強度增加40%～60%。

在實際工程中，更高強度的要求可以通過提高水泥攪拌樁中水泥的等級來實現(xiàn)，具有減少水泥用量，利于加固土體流動的優(yōu)點。

2.3 養(yǎng)護方式對水泥攪拌樁強度的影響

水泥強度等級為32.5級，二灰摻量為6%、11%、15%、18%、20%、25%；養(yǎng)護齡期均為28 d時，標準養(yǎng)護和水中養(yǎng)護試件的無側(cè)限抗壓強度如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護方式的水泥攪拌樁強度對比

由圖3可知：標準養(yǎng)護條件下的水泥攪拌樁試件整體上強度要低于水中養(yǎng)護的試件，但二者增長的速率幾乎一致。水中養(yǎng)護試件抗壓強度比標準養(yǎng)護試件抗壓強度平均高50%～90%。

對7 d水中養(yǎng)護水泥攪拌樁與28 d標準養(yǎng)護下的試件無側(cè)限抗壓強度進行對比，結(jié)果見圖4。

圖4 不同養(yǎng)護方式、齡期無側(cè)限抗壓強度交叉對比

由圖4可以看出：① 當二灰摻量為6%～15%時，水泥攪拌樁試件7 d水中養(yǎng)護的強度與28 d標準養(yǎng)護的強度相差不大;② 當二灰摻量為18%～25%時，水泥攪拌樁試件28 d標準養(yǎng)護的強度相當于7 d水中養(yǎng)護強度的兩倍。

由此可得：當二灰摻入比較小時，不同的養(yǎng)護方式對攪拌樁的強度影響較大，而隨著摻入比的增大，養(yǎng)護時間的長短對攪拌樁強度影響變大。

2.4 含水率對水泥攪拌樁強度的影響

水泥攪拌樁進行標準養(yǎng)護，在養(yǎng)護齡期T=28 d的條件下，不同含水率w=25%、30%的無側(cè)限抗壓強度如圖5所示。

圖5 不同含水量對強度的影響

從圖5可看出：當二灰摻入比為15%以下時，含水率為25%和30%的水泥攪拌樁強度增長趨勢基本相同，含水率為25%的水泥攪拌樁強度大約為含水率為30%的水泥攪拌樁強度的兩倍，當二灰摻入比為20%左右時，強度增長變快，此后增長變緩。水泥攪拌樁含水率越高，密度越小，強度越低。

3 結(jié)論

(1)水泥攪拌樁的強度隨水泥、粉煤灰摻量的增加而增大，水泥、粉煤灰的適宜摻量為12%～20%，此時水泥攪拌樁的強度增加明顯。當兩者摻入比分別為12%和20%，養(yǎng)護齡期為90 d時，水泥攪拌樁強度分別是原狀土的40倍和80倍，對濕陷性黃土的處理效果明顯。

(2)通過提高水泥的強度等級，能夠明顯提高水泥攪拌樁的強度，且增長率超過50%以上，因此，實際施工中可以通過提高水泥強度等級來有效提高水泥攪拌樁的強度，進而有效提高濕陷性黃土的處理效果。

(3)水泥、粉煤灰摻入量較小時，養(yǎng)護方式對水泥攪拌樁的強度影響較大，標準養(yǎng)護條件下的水泥攪拌樁強度明顯低于水中養(yǎng)護條件下的水泥攪拌樁強度；水泥、粉煤灰摻入量較大時，養(yǎng)護齡期的長短對水泥攪拌樁的強度影響較大；水泥、粉煤灰摻入比相同時，含水率較低的試件在受到破壞后，相對含水率較高的試件仍然具有較高的強度，因此，施工過程中應(yīng)重視水泥、粉煤灰的摻入量和水泥攪拌樁的養(yǎng)生環(huán)境，確保濕陷性黃土地基得到有效處理。