搅拌桩水泥土配料比例试验设计

　　水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌2种,是当前用于加固软弱土地基的一种方法，在当前工程实践中得到了广泛应用，其相关的研究也在逐步深入.水泥土桩复合地基具有周期短、见效快、稳定可靠、总沉降小的优点,对于工期短、填土高、地基强度低的情况有其不可取代的价值。然而，水泥土搅拌桩受土质、地质环境影响显着，对于不同地理区域没有统一的设计方案，必须根据当地的实际地质条件进行一系列试验确定相关物理力学参数。本研究以武汉至阳新一级公路阳新县三溪至兴国段（三标段）为背景，对应用水泥土搅拌桩处治淤泥质路基措施的力学参数进行相关必要的试验研究，以期为淤泥质路基的处理实施方案提供理论支持。

　　1 工程简介
　　
　　武阳一级公路三溪至兴国段是阳新县“十二五”重点建设项目，路线起于大广高速三溪互通与沿横线的平叉口，途径阳新的宏卿、沿镇、荻田，至阳新城关富水大桥北岸桥头，其中新建里程13.1km,老路改扩建里程15.9km,该项目按照一级公路标准设计，设计车速80km/h,路基宽度21.5m.路线K13+064-K14+064段路基工程经过大面积水塘，水塘与赵家塘及南坦湖毗邻，水塘内淤泥层最厚0.8m.为了消除公路运营后路基的不稳定因素，必须对淤泥层采取一定的工程措施进行处理，通过技术分析和经济性比较，初步拟定采用水泥土搅拌桩技术实施处治。

　　2 力学作用机理
　　
　　水泥土搅拌桩是通过以水泥、石灰等无机材料作为固化剂，运用搅拌机械与待处理软土进行强制搅拌，随着时间的延续，水泥或石灰与软土发生一系列的物理化学作用，使软土硬结，形成整体性较强、水稳性较好的桩体，通过若干根桩体与桩间挤密土的共同作用，形成比天然地基强度高很多的复合地基，以此达到提高地基承载能力的目的。

　　2.1 水泥加固土的机理
　　软土一般具有孔隙率大、强度低、易压缩以及固结时限长等不良工程特性，通过添加水泥等固化剂形成复合体。首先由于水泥的水化反应不断产生一定量的胶凝结构产物，同时减少了软土中的含水量，然后与被加固软土发生一系列的物理化学反应，最终形成水泥土复合体的结构强度。水泥土复合体形成强度过程复杂，从工程应用实践层面上讲可归纳为下列4种作用：

　　1）水泥的水化作用。水泥自身的水化作用，产生具有胶凝结构的水化产物。

　　2）离子交换作用。通过水泥中的钙离子与土中的钠、钾离子产生离子交换作用，由原来的钠钾土转变为钙土。

　　3）化学激发作用。Ca（OH）2对粘土矿物产生激发作用，与水泥水化产物一起将粘土颗粒凝结成一个整体。

　　4）碳酸化作用。土中的Ca（OH）2与空气中的CO2作用生成CaCO3.

　　2.2 水泥掺入比对水泥土性状的影响
　　水泥土的工程性状主要是指水泥土的物理、力学特征及影响因素。加固后的水泥土重度比原地基土略有增加，并随着水泥掺入比的增大呈微弱递增趋势.

　　水泥掺入量是决定桩身强度和工程造价的主要参数。有关研究资料表明，我国各地区都有本地区的最大掺入量，一般都控制在10%~15%之间。从复合地基作用理论来讲，由于水泥土桩属于柔性或半刚性桩，在桩受荷初期，桩身上部产生垂直应力和弹性变形，随着荷载增加，并逐步向桩下有限范围内传递，同时因桩体之间的相对位移，桩土之间逐步产生摩阻力，由于水泥土桩的传力变形特点，使桩身轴向应力和侧摩阻力沿桩长衰减很快，传递深度不大，即存在临界桩长问题。

　　2.3 水泥土桩复合地基的工程性状
　　水泥土搅拌桩从整体上而言具有与被处理的软土形成复合地基的特性，从个体上而言又兼有桩的特性。因此，在设计计算中既要考虑个体桩的强度，也要考虑桩土复合体的整体承载力。对于个体桩设计计算而言，一般认为水泥土桩属柔性桩，由于柔性桩破坏是以碎裂破坏和刺入破坏为主要破坏形式，因而其桩柱体（或单桩）承载力应分别按桩材料强度和土对桩的支持力（摩擦力+端承力）计算，取两者的小值计算.
　　
　　3 室内试验方案设计
　　
　　本试验采用《水泥土配合比设计规程》JGJ/T233-2011、《公路土工试验规程》JTGE40-2007试验方法相关规定，试验各种材料的用量。按设计配合比准确称量，采用机械拌和，搅拌均匀后制备70.7cm×70.7cm×70.7cm及直径内径61.8mm和高度20mm的试件，试件24h后拆模，拆模后放置于标准养护室内养护至相应的龄期。

　　3.1 材料准备
　　本试验所应用的材料主要有2种，即土料及水泥。试件制作所利用的土料为武阳一级路工程水塘区域现场采集的淤泥质土，并进行密封运输以保证原状土含水量不发生改变，水泥采用黄石华新水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥。

　　3.2 配合比设计
　　配合比设计试验步骤：
　　1）测定土样天然含水率、容重和液塑限。
　　2）测定风干土含水率。
　　3）确定水泥掺入比基准值（15%）。
　　4）选取水灰比（0.5）。
　　5）计算材料用量比例。
　　6）水泥土试配。
　　7）调整和确定水泥土配合比。

　　根据试验目的，确定了3种水泥掺入比分别为12%、15%、18%,同时为了增加水泥土强度，添加外加剂萘系高效减水剂（掺量2%,减水量30%）进行试验。试件按照规范要求放入（20±1）℃水中养护，每种配合比试件分别进行7d、14d、28d和90d龄期的无侧限抗压强度试验和剪切试验。

　　4 试验结果分析
　　
　　4.1 无侧限抗压试验结果分析
　　无侧限抗压强度是水泥土搅拌桩试件的一个重要力学指标，水泥掺入比为12%、15%、18%的3种标准试件分别进行7d、14d、28d、90d养护龄期的无侧限抗压强度计算，试件的无侧限抗压强度计算公式为：fcu=P/A   （1） 式（1）中：fcu---水泥试件的无侧限抗压强度（MPa）；P---破坏荷载（N）；A---试件的横截面积（mm2）。

　　试件抗压强度与养护龄期关系如图1所示。由图1可知，在水灰比一定的情况下，水泥土试件的抗压强度随着水泥掺入量的增加而增加，随着养护龄期的延续而增长，12%、15%、18%水泥掺入比的90d龄期最大抗压强度分别达到0.85MPa、1.22MPa、1.85MPa.这说明水泥加固软土主要是由于水泥与土之间相互的物理化学反应，水泥作为加固剂，掺量越大，与软土的物理化学作用进行得越快，程度越深入，加固作用越大，效果越显着。同时，水泥水化反应减小了土中的水分，有利于土样的固结，从而提高了水泥土的无侧限抗压强度，改善了加固效果.通过乘幂回归分析模型得到了相关函数方程，水泥掺入比为12%的回归方程为y=0.1697x0.3542;掺入比为15%的回归方程为y=0.2923x0.3127;掺入比为18%的回归方程为y=0.4325x0.3195,其中变量y为水泥土试件的无侧限抗压强度（MPa），x为试件养护龄期（d），结果显示相关系数都达到0.99以上，具有强相关性。从工程的要求及经济性来考虑，水泥土搅拌桩施工时的水泥掺入量控制在10%~20%为宜。【图1】

　　
　　4.2 剪切试验结果分析
　　试件进行剪切试验的目的是为了测定水泥土的抗剪强度、内摩擦角和粘聚力，为地基强度和稳定性计算提供基本数据。试验采用常规应变式直剪仪，剪切试验试件直径61.8mm,高度20mm,垂直压力分100、200、300、400kPa共4个等级加载。

　　剪切试验模式为快剪模式，这是为了使室内的试验条件尽可能模拟现场实际加荷状况。由于在软土地基上修筑路堤通常采用快速堆填方式，因此对地基的外部荷载作用加荷速度快，同时软土具有明显的低渗透性特点，则这种条件下的强度和稳定问题是处于不能排水条件下的稳定分析问题。

　　测得试样破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角φ和粘聚力c.剪应力计算公式如下：τ=C1×R（2）式（2）中：τ---剪应力（kPa）；R---量力环中测微表读数（0.01mm）；C1---量力环校正系数（kPa/0.01mm）。

　　计算得到的水泥土试件抗剪强度参数内摩擦角、粘聚力与养护龄期关系分别如图2、图3所示。【图2.图3】
　　
　　图2、图3的关系曲线反映，水泥土试件内摩擦角、粘聚力指标随着试件养护龄期的增长而非线性增大，其中内摩擦角受水泥掺入比、养护龄期的影响不大，最大增量为5°左右，而粘聚力随水泥掺入比增加和养护龄期的延续而增加明显，特别是90d龄期的数值比28d龄期的数值增加了50%以上。通过乘幂回归分析模型得到了相关函数方程，图2反映水泥掺入比为12%、15%、18%的回归方程分别为y=27.255x0.0557,y=27.447x0.0578,y=27.425x0.0636,其中变量y为内摩擦角φ（°），x为试件养护龄期（d），相关系数基本上都达到0.97以上。图3反映了水泥掺入比为12%、15%、18%的回归方程分别为y=16.735x0.5373,y=39.435x0.3949,y=74.46x0.2953,变量y为粘聚力c（kPa），x为试件养护龄期（d），相关系数基本上都达到0.99以上，具有强相关性。

　　5 结论
　　
　　通过对水泥土的力学参数的试验分析，结果表明，水泥土试件的抗压强度随着水泥掺入量的增加和龄期的延续产生了比较大的增幅，同时水泥土的内摩擦角、粘聚力也产生了增长。通过乘幂回归模型得到了相应具有强相关的函数方程，说明试验结果具有很好的无偏性，水泥土搅拌桩的相关力学参数在施工后期和道路运营期还会得到一定的增长。提高了路堤的安全储备，使路堤稳定性增大，从技术层面上讲水泥土搅拌桩具有很好的治理效果。利用水泥土室内力学参数试验结果可进行搅拌桩的复合地基设计参数的确定，以保证设计安全可靠，减少盲目性。

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