有机质土对水泥搅拌桩质量的影响探讨

侯令强

【摘 要】文章以桂林某建设场地为实例,该地基土中有机质含量较高,采用水泥搅拌桩进行地基处理不理想,通过分析有机质土对水泥搅拌桩的影响机理,找出水泥搅拌桩失败的原因,提出了在有机质土地层采用水泥搅拌桩应采取的措施. 【期刊名称】《矿产与地质》 【年(卷),期】2010(024)003 【总页数】4页(P271-274)

【关键词】水泥搅拌桩;有机质土;固结;抗压强度;地基承载力 【作 者】侯令强

【作者单位】桂林矿产地质研究院,广西,桂林,1004 【正文语种】中 文

水泥搅拌桩具有施工工艺简单、造价低、噪音小、振动小、环境污染较小等特点,被广泛应用于软土的地基加固处理。但是,在实际应用中也有部分场地采用水泥搅拌桩失败,其原因多为软土中有机质含量较高,导致水泥土不固结,强度低。本文结合桂林市某学校新建一栋教学楼工程实例,找出水泥搅拌桩失败的原因,分析有机质土对水泥搅拌桩的影响机理,提出在有机质土地层采用水泥搅拌桩应采取的措施。 该教学楼,建筑面积为8460m2,楼高6层。建设场地地貌属山前冲洪积平原,地势较平坦,场地原为鱼塘,后经人工填土而成。

根据现场钻探资料,结合室内土工试验及原位测试试验结果,现将该场地土层划分为

三层[1],每层土的物理力学指标统计见表1。场地内有机质土主要为灰褐色-灰黑色,具腥嗅味,为鱼塘沉积,呈软塑-流塑状态,具有高压缩性。分布不均匀,层位标高多在-3.1～-5.7m 之间。有机质含量为5.2%～9.8%。场地下部基岩为泥岩,坚硬,强风化-微风化,基岩面埋深一般为8～11m。

该建设场地内普遍存在软弱地基土层。人工填土、有机质土及软塑粘土层组合厚度较大,不利于开挖清除,且基岩面上多分布软塑-流塑状粘土层,厚度较大,承载力较低,所以该场地不适宜采用天然地基浅基础。另外,场地附近有1栋上世纪90年代兴建的建筑物,抗震性较差,为了避免对周边建筑物的影响,本次设计采用了没有振动的水泥搅拌桩进行地基加固处理。 该场地水泥搅拌桩的设计参数如下:

设计要求处理后的复合地基承载力特征值fspk≥180kPa。桩径Φ=600mm,桩周土平均侧阻力特征值qs=14kPa,处理后桩间土承载力特征值fsk=60kPa,桩端地基土未经修正的承载力特征值qp=500kPa,搅拌桩桩身水泥土试块标准养护90d立方体抗压强度平均值fcu取1600kPa。处理深度:以硬塑粘土或泥岩层为桩端持力层,桩身进入硬塑粘土不小于1.0m,平均桩长l=10.0m。单桩竖向承载力Rdk=135.6kN,实际布桩面积置换率m=39.5%。 3.1 存在的问题

对水泥搅拌桩复合地基进行竣工验收时发现以下的质量问题。

(1)水泥搅拌桩施工是在开挖后的基坑进行的,基坑底面标高为-2.1m。地质资料揭示该场地存在0.3～1.6m厚的有机质土,有机质土分布的标高多在-3.1～-5.7m,部分地段有机质土出露于基坑表面。验收时发现有很多搅拌桩为灰黑色,桩观感质量差,手指按可见指印,承载力较低。

(2)部分桩周边有1～3cm 水泥固结环圈。日光照晒后高压缩性的有机质土收缩较大,桩周边裂缝明显。

(3)人站立在有机质土的桩上有摇动感。

(4)通过人工开挖探察,有机质土桩段水泥土无固结,但含水量有所减少。没有有机质土的桩段水泥土固结。

3.2 对水泥搅拌桩体取芯进行质量检测

(1)在-2.1～-3.0m 地段,地层多为灰褐色,有机质含量较少,水泥土固结较好,强度较高。但有部分桩为灰黑色,有机质含量较高,水泥土固结较差,强度较低。

(2)在-3.1～-5.7m 地段,地层多为灰黑色,有机质含量高,水泥土固结差,观感似无水泥,与桩间有机质土对比含水量减少,芯样为可塑-软塑状态,结构松散,局部有块状水泥固结物。因强度低,无法截取芯样进行抗压强度试验。

(3)在-5.7m至基岩面多为灰褐色,没有发现有机质土,水泥土固结好,强度高,说明下部不存在有机质土的桩段质量是良好的。 4.1 土层中有机质的影响

因土层中有机质的存在,使得采用水泥搅拌桩进行地基加固处理的质量不合格,这是因为有机质能够与水泥矿物发生一系列化学作用,阻碍水泥水化产物的晶体生长,不利于水泥土强度的增长。土中的有机质含量越高,粘粒含量越大,越不利于结晶物质的形成,使结晶物质小而少,水泥土的结构也越疏松。

为了确定有机质对水泥搅拌桩成桩质量的影响,选取有机质含量不同的代表性土样各4份进行试验。将每份土样分成3小份,分别用于有机质含量测定、水泥土直接剪切试验和无侧限抗压强度试验。土样的有机质含量测定采用重铬酸钾容量法,用于直接剪切试验和无侧限抗压强度试验的水泥土试样标准养护90d。试验数据(表2)。

从表2中可以看出,随着有机质含量的增加,软土经水泥加固后的试样的粘聚力增大,内摩擦角减小。水泥土无侧限抗压强度呈下降趋势,试验证明,有机质含量越大,水泥搅拌桩加固软土的力学性能越差。

4.2 软土含水率的影响

由于该建设场地原为鱼塘,后经填土整平而成。并且在距离场地约5m处还存在一个鱼塘。所以该场地地基土层的含水量较高。而地基土层的含水量对水泥搅拌桩的质量影响很大。根据前人研究成果[3],以不同的水泥掺入比(Cw)在不同的含水率下进行试验,将得到的水泥土无侧限抗压强度数据及对应的含水率数据绘制成关系曲线(如图1)。

根据图1,可以发现如下规律:

(1)水泥掺入比一定时,水泥土的无侧限抗压强度随着土中含水率的变化而变化:当水泥掺入比小于15%时,水泥土的无侧限抗压强度随着土中含水率的降低而增大;当水泥掺入比大于15%时,含水率与无侧限抗压强度曲线存在一个峰值,与土颗粒压实试验呈现出相似的规律。

(2)水泥掺入比较小时,水比水泥更容易充填土颗粒之间的空隙,导致水泥不能与土颗粒充分混合,从而影响水泥土的强度。

(3)水泥掺入比较大时,水泥土中的含水率存在最优值,使水泥浆具有较好的流动性,水泥颗粒有良好的水化环境,能更充分地填充土颗粒之间的空隙,从而增加其强度;含水率继续增加超过最优值后,水不仅会占据土颗粒之间的更多空隙,且会使水泥土中Ca2+、OH-、SiO2-3 离子的浓度降低,水化环境变得不利于水泥的水化反应,减缓了桩体强度的形成,从而使桩体强度和单桩承载力降低。

由此可以看出,在水泥搅拌桩施工中,含水率对桩体强度和单桩承载力有着重要的影响。该场地有机质土层的含水量较高,降低了水泥土的强度,为此次水泥搅拌桩质量事故的原因之一。

4.3 没有遵循先试桩后施工的原则

水泥搅拌桩施工前应根据设计进行工艺性试桩,数量不得少于2根[2]。当场地内存在有机质土时,更应先试桩,确定采用水泥搅拌桩的适宜性。

4.4 施工质量差

现场钻芯检测表明,水泥搅拌桩桩身水泥土固结度差、连续性差、强度低。从搅拌桩技术方面看,搅拌叶片的切削只能把土切成粘土团块与泥浆,水泥浆拌入后,土团块之间的孔隙被水泥浆充填,硬化后为强度较高的水泥石,而粘土团块内部却没有与水泥产生作用,仍保持强度很低的软土性质,形成水泥石包裹土团块的水泥土结构。这种结构由于土团块强度低,致使桩身强度低。 4.5 水泥搅拌桩成桩检测

本次没有按照规范要求在成桩3天内,使用轻型动力触探进行检测[2],检查每米桩身的均匀性,判断桩身强度。以至整个工程水泥搅拌桩施工结束才发现质量差,造成较大的经济损失,延误了工期。

为了提高有机质土地段水泥搅拌桩的质量,采取有机质土分成5份进行试验。1份用于有机质含量的测定,另4份分别加入10%的生石灰、10%的粉煤灰、5%的盐(N aCl)、3%的水玻璃,然后每份掺入15%的水泥充分搅拌后制作成试块,并标准养护90d。然后测试水泥土的无侧限抗压强度,试验结果见表3。

从试验数据可以看出,加入粉煤灰的水泥土强度最高,加入盐(N aCl)的水泥土强度其次,加入生石灰的水泥土强度也有所提高,而加入水玻璃的水泥土强度提高不明显。粉煤灰对水泥土强度的增强作用主要表现在3个方面[4]。

(1)活性成分水化效应。水泥水化开始后,Ca(OH)2的浓度不断增加,直至饱和并析出Ca(OH)2晶体。由于掺入粉煤灰,其中细小的、可溶性的SiO2和A l2O3首先与吸附在其表面的Ca(OH)2进行水化反应,它在Ca(OH)2膜层和粉煤灰颗粒界面处进行,这就是所谓的“火山灰反应”。主要水化产物有:水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙以及水化铁酸钙等。随着水化的深入,水化反应向颗粒内部进行,生成更多的水化物并不断充填其孔隙,水化过程一直持续到反应物不足,水化产物充满整个空间才停止。

(2)微粒形态效应。粉煤灰是煤粉在高温燃烧过程中形成的颗粒,颗粒很细,多数为玻璃微珠。有机质土也为团粒结构,在与水泥浆搅拌过程中不易破坏而使水泥不能均匀的分散在有机质土中,影响加固效果。粉煤灰的玻璃微珠结构可减小内摩阻力、解开原团粒,使水泥土内部结构更均匀,水化反应更有效、彻底。同时,粉煤灰还有减水作用。因此,合适的粉煤灰掺量可有效的改善施工质量。

(3)微粒填充效应粉煤灰的颗粒充填于水泥土颗粒间的空隙中,一方面通过活性成分水化作用的影响,生成新的物质,堵塞毛细管孔道,减少了大孔数量;另一方面非活性成分的挤密、填充使水泥土更加密实。

由于不同地区土层中易溶盐的含量各不相同,加入添加剂对水泥土强度的提高也会有所不同,所以,在采用水泥搅拌桩时应先采取有机质土试样加入添加剂进行试验,选取最能提高水泥土强度的添加剂或外掺剂。

在处理泥炭土、有机质土、塑性指数Ip>25的粘土、地下水具有腐蚀性的地基土层时,应慎重采用水泥土搅拌桩[2],可优先考虑其它桩型。如果受场地条件,必须采用水泥搅拌桩,则应采取有效措施,加强质量管理,以避免出现质量事故。 (1)对于存在有机质土的场地,应加强勘察工作,详细了解有机质土的厚度、物理力学性质、有机质的含量及易溶盐的含量。

(2)在进行水泥土搅拌桩设计前,应先采取有机质土试样与水泥按一定的掺入比搅拌制作成试块,测试其28d的强度。为了提高水泥土强度,可以加入添加剂进行试验,选取建设场地最适合的添加剂。

(3)也可以先试桩,先施工几根桩进行载荷试验,测试采用水泥搅拌桩进行地基加固处理的效果。

(4)加强施工过程中的质量管理,在水泥搅拌桩成桩3天内,使用轻型动力触探进行检测,检查桩身均匀程度,判断桩身强度。成桩7天后,采用浅部开挖桩头(深度宜超过停浆面下0.5m),目测检查搅拌的均匀性,观察水泥土的凝结情况,量测成桩直径。发

现质量问题应立即停工,采取一定的措施进行处理或改用其它桩型。

【相关文献】

[1] 中华人民共和国建设部 GB 50021—2001岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[2] 中华人民共和国建设部JGJ79-2002.建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002. [3] 杨大伟.土质对水泥深层搅拌桩强度的影响因素分析[J].交通标准化,2009,196(9):196-198. [4] 韩利光,陈永光.红粘土地区深层搅拌桩粉煤灰对水泥土强度的影响[J].广东地质,2006(9).