土质特性对水泥土搅拌桩桩身强度增长机制分析

土质特性对水泥土搅拌桩桩身强度增长机制分析
贾尚华;赵春风;赵程
【摘要】As for the non-uniform soil layers where cement-soil mixing pile was driven, the reinforcing mechanism of cement-soil mixing pile in different soil layers were analyzed. Based on the laboratory data on pile core unconfined compressive strength that has been verified through a engineering practice, the strength changing characteristics of the mixing pile in different layers were analyzed in order to explain the reinforcing mechanism for the strength of cement-soil mixing pile.%针对水泥土搅拌桩所处场地土层不单一,探讨了不同类型的土质下的水泥土搅拌桩桩身强度增长固化机制.通过一个工程实例的桩身芯样无侧限抗压强度实验数据,分析了各类土段搅拌桩桩身强度变化特征,来说明水泥土搅拌桩桩身强度的增长机制.
【期刊名称】《港工技术》
【年(卷),期】2015(052)003
【总页数】4页(P98-101)
【关键词】水泥土搅拌桩;无侧限抗压强度;土质
【作者】贾尚华;赵春风;赵程
【作者单位】同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092;同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092;同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092;同济大学地下建筑与工程系,上海 200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU473.1+2
引言
水泥土搅拌桩是利用水泥粉或水泥浆作固化剂, 通过特制的深层搅拌机械, 在加固
深度内将软土和水泥粉或水泥浆强制拌和，形成的具有整体性、水稳定性和足够强度的一种柔性桩体[1]。

水泥土的原料包括：土、水泥、水以及外加剂等材料。

强
度指标是水泥土搅拌桩最重要的参数，作为水泥土最主要的组成材料—土，对水
泥土强度大小起控制作用。

目前国内外学者对水泥土各个方面的研究取得较为重要的成果，并且已经成功应用到实际工程中[2-5]。

杨凤灵等[6]对郑州市区某工程场地的实测水泥土搅拌桩钻芯强度分析，得出土质条件对水泥土强度影响较大，研究表明水泥土强度随土体颗粒的增大而增大；欧阳克连[7]等通过室内实验对粉土、
黏土、淤泥质土为主料的水泥土进行了强度研究，研究表明水泥参量、龄期、土质、pH值对水泥土强度有影响，其中土质是非常重要的因素，粉土为主料的水泥土强度最高，黏土其次，淤泥质土最低。

深层搅拌桩施工时，由于场地土层并非单一，绝大多数会遇到多种类型的土，不同类型土段的搅拌桩桩身强度固化机制并不相同，表现出强度等力学特性的增长规律也不同，因此研究土质对搅拌桩桩身强度的影响特性较为重要，对工程实际具有定性的指导意义。

1 水泥土搅拌桩桩身凝固增长机制分析
水泥土搅拌桩适用于软弱土层加固，而软弱地层的成因通常与地河流、湖泊、海洋的地质作用相关，因此搅拌桩大量应用于沿海、河流三角洲等地带。

软土地层处理深度范围内以黏性土层、淤泥质类土层居多，砂土层较少，搅拌桩主要的目的是改善淤泥质土、粘性土层承载力不足的缺陷，因此水泥土搅拌桩常遇的土质为黏土、
淤泥土等，粉土和砂土较少。

1.1 土类成分分析
土体成分复杂，根据现有岩土体勘察类规范等，颗粒粒径大于0.075 mm的含量
大于50 %，且颗粒含量大于2 mm的不超过50 %的土体定义为砂土，颗粒含量
大于2 mm超过50 %的土为砾类土。

土质学研究表明：大于0.075 mm的颗粒
绝大多数都是由原岩碎裂形成的颗粒，保留原岩的性质，不易和水中其他物质发生物化反应。

而小于0.075 mm的颗粒，尤其是小于0.02 mm的土颗粒（黏粒）包含大量的黏土矿物，代表性的黏土矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石和蛭石等[8]。

黏土矿物稳定性较差，化学成分与原岩相差较远，对水及水中的化学成分较为敏感，易吸水，易发生物化作用。

1.2 砂质类水泥土土固化机理分析
砂质类水泥土、砂浆和混凝土都属于水泥类固化材料，其强度主要来源于水泥的水化作用。

含泥量的增加严重降低了砂浆和混凝土强度（见图1），砂浆和混凝土中含的“泥”通常为粒径小于0.075 mm的粉、黏粒成分。

实际工程场地中的砂土
中包含大量粉、黏粒，甚至包含有机质，但从土体的地质形成原因来看，砂土一般由于河流、水网的搬运、沉积作用形成，水流快，沉积下来的土体颗粒大，相反就颗粒小。

河流沉积作用下形成的土体一般分选性良好，通常平均粒径大的砂质类土要比平均粒径小的砂质类土包含的粉、黏粒要少，即在砂浆和混凝土中称为“泥”的物质要少。

因此一般情况下，平均粒径越大，形成的水泥土强度也越大，文献[9]水泥土搅拌桩的实测数据证实了这一点。

图1 含泥量对水泥类固化材料强度的影响
可见水泥土搅拌桩固化砂土与砂浆的固化机理类似，降低砂质水泥土强度的主要因素就是砂土中包含的粉、黏粒，与砂浆、混凝土中砂含泥量对对砂浆强度降低的作用类似。

1.3 黏性类水泥土土固化机制分析
尽管黏性类水泥土与砂浆、混凝土一样都属于水泥类固化材料，但是黏性土中成分复杂，对水泥固化作用有较大影响。

水泥水化形成的水泥石是砂浆、混凝土形成强度的基石，其形成需要一个相对稳定的高碱性环境。

普通硅酸盐水泥水化产物中包含约20 %的氢氧化钙[10]，其为水泥固化作用提供必要的高碱性条件，而黏性类
土中含有的有机质显酸性，严重影响水泥的水化作用，此外黏土颗粒较小，水泥水化产物包裹所有土体颗粒较为困难，在土体中容易形成低强度的“土团”，降低了水泥土的强度。

因此为了保证黏性类水泥土搅拌桩桩身具有较高的强度，必须保证水泥水化作用正常进行，并且应充分搅拌，水泥掺量不应该太小。

黏土类水泥土强度的另一个影响因素是土体中黏土矿物含量。

黏土矿物能够吸收土体溶液中Ca2+离子，进行离子交换作用，降低了土体颗粒与颗粒之间的结合水膜，增强了土粒之间的粘结，促使黏土团粒化，增强了水泥土的强度。

其次黏土矿物含量越高，土体中游离的氧化硅、氧化铝含量就越高。

游离氧化硅、氧化铝可以与水泥水化作用的产物氢氧化钙发生火山灰反应，见下列公式，生成水泥水化产物来提高水泥土强度。

但是这两种作用和有机质显酸性一样也要消耗水泥水化生成的氢氧化钙，影响了水泥正常水化，进而影响强度。

基于以上原因可知：要使黏性类水泥土中水化作用正常发挥，水泥土中的水泥掺量具有一个“最小掺量临界值”。

图2[11]为某粘性土为主料的低掺量水泥土强度随水泥掺量的变化曲线，可见水泥掺量对土体的粘结强度并没有太多的改变，因此可断定水泥的水化作用不正常，没有起到应有的作用，而在 1.5%处存在一个明显的拐点，掺量大于 1.5%后水泥土强度快速增长，水泥的水化作用才正常发挥。

图2 水泥土粘聚力与水泥掺量的关系
水泥土中生成氢氧化钙含量对水泥土的稳定性至关重要，此外其含量决定了水泥土中水泥掺量的“最小掺量临界值”。

水泥的水化作用是一个正逆平衡作用，一旦水泥土中碱性不足，生成水化物随之会分解，严重降低水泥土强度[12]。

为了充分发挥水泥土中水泥的水化作用，可以通过掺加氢氧化钙等方式保证水泥土中碱性环境，提高水泥土强度。

图3[13]为水泥掺量恒为3 %，水泥土强度随氢氧化钙掺量变化的关系图。

可见土质黏性越强，氢氧化钙对水泥土强度的促进作用越明显，对于砂土和粉质黏土 3%的水泥掺量产生氢氧化钙足以能保证土料中氢氧化钙的消耗，因此再掺加氢氧化钙对强度影响甚微。

图3 氢氧化钙与水泥土强度的关系
综上，为了保证水泥土搅拌桩工程质量，黏性类水泥土搅拌桩水泥掺量不能低于某一临界值，这个临界值因土体有机质含量，土体颗粒细度等密切相关。

黏土矿物中的游离氧化硅、氧化铝的火山灰作用有增强水泥土搅拌桩桩身强度的作用，而黏土矿物吸收大量的氢氧化钙又抑制了水泥土搅拌桩桩身强度的增长，因此对于黏性类土水泥土强度预测需要考虑土样中有机质、pH值、黏土矿物含量、颗粒平均细度等因素。

2 实例分析
试验场地为上海市某小区改扩建工程，场地地面标高在4.01～4.64 m，深度在40.45 m以内的土层属全新世（Q4）沉积物，主要黏性土、淤泥质土以及粉土组成。

试验场地地层描述见表1。

表1 土层描述层号土层名称层厚/m 土层描述①1 填土 2.6 土质松散不均匀，0～1.5 m为杂填土，含碎石、碎砖等。

其下为素填土，夹植物根等杂物。

②1 粉质黏土 0.9 褐黄色，可塑—软塑状，含氧化铁锈斑及铁锰质结核，上硬下软，局部夹少量粉土、黏土②3 砂质粉土 3.3 灰色，松散状，土质不均匀，含云母、夹少量黏性土，场地内局部分布。

④ 淤泥质黏土 8.2 灰色，流塑状，土质软弱，
压缩性高，含云母、有机质，夹薄层粉砂。

⑤1 淤泥质粉质黏土 7.4 灰色，流塑—软塑状，含云母、有机质，底部夹层状粉性土。

⑤2 黏质粉土夹粉质黏土 1 2.6 灰色，稍密—中密状，土质不均匀，含云母，夹少量腐植物及少量粉砂，局部夹黏性土。

地基加固采用水泥土搅拌桩，搅拌桩采用双轴、三轴和五轴搅拌工艺。

双轴水泥土搅拌桩水泥掺量为13 %，水灰比为0.65；三轴搅拌桩水泥掺量为20 %，水灰比为1.5；五轴搅拌桩水泥掺量为13 %，水灰比为 0.8。

通过钻性法取 7、14、28 d的芯样，芯样从现场送到实验室后，在48 h内经过切割加工，在WDW-600微机控制电子万能试验机上进行无侧限抗压强度试验。

试验结果见图4。

图4 不同土体类型中搅拌桩桩身水泥土平均强度对比
由图4可知，除了填土强度较高外，其他各类土段的搅拌桩桩身强度相差较小，总体上颗粒粗的水泥土略微比颗粒细的水泥土强度高。

龄期为7天时，由于水泥水化作用不完全，各类土段的搅拌桩桩身强度均较低，并且土质对强度的影响不能显现出来；14天时，填土段桩身强度较大，粉质黏土和砂质粉土段桩身强度明显高过了 3种淤泥性质的土，这是因为淤泥性质的土细颗粒较多，离子交换作用和火山灰作用活跃，消耗了大量的氢氧化钙，水泥水化作用正常发挥所需的碱性环境较差，因此强度较低；28天时，砂质粉土和粉质黏土段的桩身强度依然比3种淤泥性质土的强度要高，但是强度差别明显降低，强度追上了粉质黏土和砂质粉土，可见淤泥性质类土中随着水泥水化数量不断增大，氢氧化钙数量得到了补充，水泥水化作用所需的碱性环境得以改善，并且火山灰作用也增强了，因此淤泥性质土段中的桩身强度增长速度加快了。

综合分析，粉质黏土和砂质粉土段桩身前期强度增长速度快，后期慢，淤泥性质类土段桩身前期慢后期缓慢。

规范要求检测水泥土强度采用的龄期为90天，混凝土采用的为 28天。

这是因为水泥土中水泥的水化要比混凝土要慢，养护到 90天后强度增长速度才缓慢下来，
趋于稳定，而混凝土养护 28天时强度基本稳定。

可见土体颗粒越小，搅拌桩桩身强度增长期越长；颗粒越大，桩身强度增长期越短。

3 结论
水泥土搅拌桩是处理软土地基常用的处理方式之一，其桩身强度大小与土质条件密切相关。

砂质土段桩身强度增长规律具备水泥砂浆部分特征，砂土中含有的粉、黏粒越多，强度越低。

粉质土、黏性土段以及淤泥质土段的搅拌桩桩身强度的影响因素较为复杂，与土体的pH值、有机质含量、黏土矿物含量及成分、粒径等有关。

但总体上黏土矿物含量多的淤泥质类土、黏土段搅拌桩与粉质类土相比，桩身前期强度较低，后期强度高，体现出了粒径越小的土体其离子交换作用、火山灰作用越活跃的规律，消耗的氢氧化钙数量也越大，导致水泥前期水化作用不能充分发挥。

参考文献：
[1] 张士乔,龚晓南,曾国熙.水泥土桩复合地基固结分析[J].水利学报,1991:32-37.
[2] 张雷,王晓雪,叶勇,等.水泥土抗渗性能室内试验研究[J].岩土力,2006,S2:1192-1196.
[3] 薛慧君,申向东,邹春霞,等.水泥土早期力学性能影响因素分析[J].硅酸盐通
报,2014,08:2056-2062.
[4] 贾尚华,申向东,解国梁.石灰-水泥复合土增强机制研究[J].岩土力
学,2011,S1:382-387.
[5] 徐超,董天林,叶观宝.水泥土搅拌桩法在连云港海相软土地基中的应用[J].岩土力学,2006,03:495-498.
[6] 杨凤灵,吴燕.土质条件对水泥土桩桩身强度影响的分析[J].华北水利水电学院学报,2006,04:82-84.
[7] 欧阳克连,宁宝宽.水泥土强度影响因素的研究[J].中外公路,2009,04:189-191.
[8] 刘红军,主编.土质学与土力学[M].北京：北京大学出版社,2013.
[9] 杨凤灵,吴燕.土质条件对水泥土桩桩身强度影响的分析[J].华北水利水电学院学报,2006,04:82-84.
[10] 柯国军,主编.土木工程材料（第2版）[M].北京：北京大学出版社,2012.
[11] 曾胜华,曾娟.低掺量水泥土强度特性试验研究[J].路基工程,2010,04:17-19.
[12] 黄新,周国钧.水泥加固土硬化机理初探[J].岩土工程学报,1994,01:62-68.
[13] 赵振亚,申向东,贾尚华.Ca(OH)2对低掺量水泥土的强度影响[J].土木建筑与环境工程,2012,S1:170-173.。