水泥搅拌桩法在处治新旧路基差异沉降中的应用

彭振宇

（山西交科公路勘察设计院，山西太原 030006）

水泥搅拌桩法在处治新旧路基差异沉降中的应用

彭振宇

（山西交科公路勘察设计院，山西太原 030006）

针对改扩建公路工程中新旧路基差异沉降问题，对水泥搅拌桩处理方法进行研究。在归纳分析水泥土加固原理的基础上，通过室内试验分析了影响水泥土搅拌桩强度的主要因素。结果表明，随着水泥掺入比的增大，水泥土的强度逐渐增强；水泥土的强度在水泥掺入比为10%～15%时增长幅度最大。通过某公路加宽工程采用水泥搅拌桩法处治软基的应用实例，得出水泥搅拌桩法可有效处治新旧路基差异沉降。

公路；水泥搅拌桩；路基；差异沉降

改扩建公路工程是在原有道路的基础上进行加宽、拼接，由于新旧路基的差异沉降，如不对加宽路基，特别是跨越软土区域的扩宽路基进行处理，很容易造成新旧路面的开裂及路堤沉陷。

水泥搅拌桩法利用搅拌机械将水泥固化剂与软土进行搅拌，水泥与软土在搅拌过程中发生一系列化学及物理反应，提高软土的强度、水稳定性及整体性。该方法施工简便、施工速度快、无噪音、不排土、不排污，国外已将其大范围应用于软基处治。该文在分析水泥土加固机理、水泥搅拌桩强度影响因素的基础上，通过工程实例研究水泥搅拌桩法用于改扩建工程中软基处治的效果。

1 水泥土的加固原理

水泥搅拌桩法将水泥作为固化剂，在水泥与软土混合搅拌过程中会发生一系列复杂的物理和化学反应。普通硅酸盐水泥中主要含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O34种氧化物，各种氧化物的含量见表1。水泥土在水解、水化过程中会不断释放热量并形成新的水化产物，其强度变化随着反应的进行具有层次性。

表1　水泥中的氧化物含量

1.1水泥的水解和水化反应

水泥中的氧化物CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3在水泥颗粒表面反应生成3CaO.SiO2、3CaO.Al2O3、4CaO.Al2O3.Fe2O3和CaSO4等矿物，其含量见表2。这些矿物在拌和过程中会与软土中的水发生水解和水化反应，生成Ca（OH）2、CaO.2SiO2.3 H2O、CaO.Al2O3.6H2O、CaO.Fe2O3.6H2O等化合物。

表2　水泥土中主要化合物的含量

（1）3CaO.SiO2在水泥中含量最高，在水化过程中使水泥迅速凝结硬化，是影响强度大小的决定因素。其化学反应式如下：

（2）2CaO.SiO2在水化过程中产生的水化物早期强度低，后期强度高；水化反应时间长，可延续到几年甚至几十年。其化学反应式如下：

（3）3CaO.Al2O3水化速度最快，在不加缓凝剂的情况下会发生早凝现象。其化学反应式如下：

（4）4CaO.Al2O3.Fe2O3的水化速度是一个逐渐降低的过程，能促进早期强度的形成。其化学反应式如下：

（5）CaSO4与3CaO.Al2O3一起反应，生成化合物“水泥杆菌”，将软土中的大量自由水以结晶水的形式析出，使其自由水含量减少，从而增强水泥的性能，提高水泥的强度。其化学反应式如下：

1.2硬凝反应

水化后的水泥，溶液中会存在大量Ca2+离子，Ca2+离子与溶液中的Na+、K+离子进行离子交换反应，当Ca2+离子达到一定数量后，就会与软土中的SiO2、Al2O3发生反应，生成稳定的不溶于水的结晶化合物。随着这些结晶化合物的硬化，不仅能增加水泥土的强度，同时具有很强的水稳定性。

1.3团粒化作用

水泥发生水化反应后会生成一种凝胶离子，其比表面积往往比原水泥颗粒大1 000多倍。随着比表面积的增大，面积能和吸附能力迅速增大。因此，水泥土里的小土团被吸附，进一步结合成大土团，形成团粒结构。同时土团间的空隙被填满，各团粒之间形成坚固的连接，进而增加水泥土的强度。

团粒化作用与离子交换同时发生，团粒化作用的同时，水泥与土体之间会发生大量离子交换。因此，硬凝反应将水泥水化后的产物与黏土颗粒连接起来成为一个系统。

1.4碳酸化作用

空气中和水中的CO2能与水泥水化产物中的Ca（OH）2发生碳酸化反应，生成不溶于水的化合物CaCO3。其反应方程式如下：

碳酸化反应能增加水泥土的强度，但增加幅度较小，速度也慢。

2 影响水泥土搅拌桩强度的主要因素

2.1水泥掺入比的影响

水泥掺入比是指水泥土中水泥质量与软土质量的比值。拟定3组不同水泥掺入比，在不同水泥强度等级下进行试验，标准养护龄期过后测试水泥土的抗压强度，结果见表3。

由表3可知：随着水泥掺入比的增大，水泥土的强度逐渐增强。水泥土的强度在水泥掺入比为10%～15%时增长幅度最大。因此，在工程应用中将水泥掺入比控制在10%～15%，既能在保证强度的前提下节约水泥用量，使施工成本最小，还能保证工程质量。

表3　不同水泥掺入比对水泥土强度的影响

2.2养护龄期的影响

对水泥掺入比分别为7%、10%、15%的试块进行养护，测定其不同龄期下的抗压强度，结果见表4和图1。

表4　不同养护龄期对水泥土强度的影响

图1　水泥土龄期与抗压强度的关系

由图1可知：随着龄期的增大，水泥土的抗压强度逐渐增大。标准养护龄期28 d后，其抗压强度仍在增加，直到龄期达到60 d时，水泥土的抗压强度曲线才趋于平缓。以水泥掺入比7%为例，龄期28 d时的抗压强度为0.57 MPa，而龄期180 d时的抗压强度为1.394 MPa，约为28 d时的2.4倍。水泥掺入比为10%时，龄期为180 d时的水泥土抗压强度约为28 d时的2.3倍。说明随着龄期的增加，水泥土抗压强度逐渐增长，到龄期180 d时达到临界点；同时水泥掺入比越大，相同龄期下水泥土强度越大，增长趋势越大。

2.3水泥强度等级的影响

由表3可知：水泥标号为42.5的试块的28 d抗压强度比标号32.5的同龄期抗压强度提高30%～50%。说明随着水泥强度等级的增大，水泥土抗压强度提高。

2.4土体中含水量对抗压强度的影响

利用正交试验法测定6组不同含水量下混合料的28 d抗压强度，结果见表5。由表5可知：混合料的28 d抗压强度随着土体中含水量的增大而减小。当含水量由46%增加到154%时，28 d抗压强度由2 317 kPa减少到262 k Pa。说明土样中含水量增加10%，其抗压强度会减低10%～48%。

3 工程应用实例

3.1工程概况

某一级公路由原双向四车道加宽为双向六车道。该工程跨越软土区域较广，地表覆盖层多为第四土系，少见基岩外露。其中K810+320—345处于软土区域，根据地质勘测资料，该区域淤泥深度为6.7～9.2 m，采用水泥搅拌桩法处治软基。水泥标号为42.5，水泥搅拌桩的直径为50 cm，长度为8.9～11.8 m，桩间距为1.1～1.5 m，采用正三角形布置。水泥搅拌桩桩身28 d强度大于1.0 MPa，整桩采用复喷工艺。

表5　含水量与抗压强度的关系

3.2沉降观测

水泥搅拌桩施工完成后，选取4个具有代表性的横断面K810+325、K810+330、K810+335、K810+340埋设沉降板进行沉降观测，实测结果见表6。

由表6可知：路基沉降在施工预压期后已趋于平稳，实测沉降数据都在设计范围内，达到设计要求。说明水泥搅拌桩可有效控制改扩建公路中新旧路基的差异沉降，并可用于软基处治中，具有重要工程应用价值。

表6　水泥搅拌桩沉降观测结果

4 结论

（1）水泥土在水解、水化过程中会不断释放热量并形成新的水化产物，其强度变化随着反应的进行具有层次性。

（2）随着水泥掺入比的增大，水泥土的强度逐渐增强；水泥土的强度在水泥掺入比为10%～15%时增长幅度最大。

（3）水泥水化后发生的硬凝反应和土体间的团粒化作用能大幅增加水泥土的强度；碳酸化反应能增加水泥土的强度，但增加幅度较小、速度较慢。

（4）随着龄期的增大，水泥土的抗压强度逐渐增大。标准养护龄期28 d后，其抗压强度仍在增长，龄期达到180 d时水泥土的抗压强度增长才趋于平缓。

（5）土样的28 d抗压强度随着土体中含水量的增大而减小，土样中含水量增加10%，其抗压强度降低10%～48%。

（6）水泥搅拌桩可有效控制改扩建公路中新旧路基差异沉降，可处治软基，具有重要工程价值。

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2016-03-04