水泥土攪拌樁強(qiáng)度檢測(cè)的技術(shù)研究論文
摘 要：對(duì)水泥土攪拌樁取芯試樣強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的原因進(jìn)行分析并描述了一下目前的行業(yè)現(xiàn)狀，同時(shí)提出了一些解決方法和新的檢測(cè)方法的建議。
關(guān)鍵詞：強(qiáng)度；水泥土；地質(zhì)；齡期
水泥土攪拌樁無(wú)論作為被動(dòng)土加固還是止水帷幕，在目前的工程中被大量應(yīng)用，其樁體質(zhì)量的檢測(cè)方法主要有水泥土抗壓試塊、鉆芯取樣等�？傮w上來(lái)看，水泥土試塊檢測(cè)合格率極高，幾乎100%，其能否真實(shí)地反映水泥土攪拌樁的實(shí)際強(qiáng)度還存在爭(zhēng)議；現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣是目前認(rèn)可的能比較實(shí)在地反映攪拌樁實(shí)際強(qiáng)度、長(zhǎng)度、連續(xù)性、均勻性的檢測(cè)方法，但往往出現(xiàn)的情況是所得的試樣強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)及規(guī)范的要求。文章就鉆芯取樣所得試樣達(dá)不到要求的原因進(jìn)行分析，并且探尋一些解決方法和新的檢測(cè)方法。
1 鉆芯試樣強(qiáng)度的離散性
靜安區(qū)60#地塊工程，坑內(nèi)加固采用摻量20%的水泥土攪拌樁，設(shè)計(jì)28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.0MPa�，F(xiàn)場(chǎng)取芯進(jìn)行了4次，分別位于4個(gè)區(qū)域：
上述幾次水泥土攪拌樁的施工過(guò)程、施工質(zhì)量、材料使用等都符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，但取芯結(jié)果仍舊未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的1MPa。從結(jié)論看“0.4～5.4”，數(shù)據(jù)的離散性很大，可見(jiàn)齡期對(duì)強(qiáng)度的影響較大，結(jié)合其他上海地區(qū)的工程中數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)現(xiàn)同樣的情況，28d齡期的芯樣真實(shí)強(qiáng)度基本都達(dá)不到1MPa，基本維持在0.5MPa左右，但90d齡期的試件基本可以達(dá)到1MPa的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。
2 水泥土強(qiáng)度的原理
水泥土攪拌樁樁體強(qiáng)度是水泥、水、土三者的相互作用以及受到土質(zhì)條件、樁身齡期影響后的共同結(jié)果。
2.1 水泥石骨架作用
水泥與土拌和后，水泥礦物所含的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣先與水進(jìn)行水解和水化反應(yīng)，同時(shí)從溶液中分解出氫氧化鈣并形成其它具有膠結(jié)能力水化物，如：水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣等水化物。上述水化物在土的空隙中相互交織搭接，將土顆粒包裹連接起來(lái)，使土逐漸喪失了原有的塑性等性質(zhì)，并隨著時(shí)間的推移形成漿狀體凝結(jié)硬化，形成水泥石骨架，使加固的樁體形成一定強(qiáng)度。
2.2 離子交換及團(tuán)粒化作用
在水泥水化后的膠體中，Ca（OH）2和Ca2+，（OH）-共存。而粘土礦物以SiO2為骨架而合成的板狀或針狀的結(jié)晶是其主要構(gòu)成部分，通常其表面會(huì)帶有Na+和K+等離子。析出的Ca2+離子會(huì)與土中的Na+、K+離子進(jìn)行當(dāng)量吸附交換，其結(jié)果使大量的土粒形成較大的土團(tuán)。由于水泥水化生成物Ca（OH）2具有強(qiáng)烈的吸附活性，而使這些較大的土團(tuán)粒進(jìn)一步結(jié)合起來(lái)，形成水泥土的鏈條狀結(jié)構(gòu)，有封閉土團(tuán)間孔隙的作用，形成穩(wěn)定的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。
2.3 硬凝反應(yīng)
隨著水泥水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的`Ca2+，當(dāng)Ca2+的數(shù)量超過(guò)上述離子交換的需要量后，則在堿性的環(huán)境中與組成粘土礦物的部分SiO2和AlO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶礦物。
2.4 碳酸化作用
水泥水化生成的Ca（OH）2，除了與粘土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外，還可以進(jìn)一步與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3晶體，Ca（OH）2與土中的活性SiO2和Al2O3作用生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣。
2.5 土質(zhì)情況
水泥的水化物需要在強(qiáng)堿介質(zhì)中才能硬化。當(dāng)水泥穩(wěn)定含粉粒和粘粒較多和塑性指數(shù)較大的粘性土?xí)r，氫氧化鈣首先與粉粒和粘粒作用致使堿性介質(zhì)不能順利形成，從而妨礙水泥水化物的正常硬化，繼而強(qiáng)度降低。
2.6 養(yǎng)護(hù)齡期
水泥的水化作用和固結(jié)作用會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸完成，所以水泥土的強(qiáng)度會(huì)隨著齡期的長(zhǎng)短而有所不同。28天時(shí)水泥土的抗壓強(qiáng)度等于養(yǎng)護(hù)齡期為7天時(shí)的1.4倍；水泥土的強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而提高，一般當(dāng)齡期超過(guò)28天后仍有明顯增長(zhǎng)；當(dāng)齡期超過(guò)90天后，水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸趨于平緩。
3 28d齡期芯樣普遍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的原因分析
3.1 地質(zhì)條件導(dǎo)致水泥硬化緩慢
由上段可知水泥的凝硬即水泥水化物的固結(jié)需要在堿性介質(zhì)內(nèi)完成，若加固區(qū)的土質(zhì)為塑性指數(shù)較大的粘性土，則水泥中的氫氧化鈣首先與粉粒和粘粒作用致使堿性介質(zhì)不能順利形成，從而妨礙水泥水化物的正常硬化。本人參考了靜安寺多座地鐵站的地質(zhì)報(bào)告，地質(zhì)情況大致如下表所示，這類土層分布的情況在上海城區(qū)也很有代表性。從中可以發(fā)現(xiàn)以一個(gè)25m深的基坑來(lái)說(shuō)，攪拌樁加固區(qū)一般都處于飽和粘土層中，該土層塑性指數(shù)大，土顆粒粒徑細(xì)小，勢(shì)必致使堿性介質(zhì)不能順利形成，從而妨礙水泥水化物的正常硬化。
蘇州部分地區(qū)的地質(zhì)情況就與上海大不相同，以蘇州地鐵2號(hào)線為例，其地質(zhì)情況如下表所示，可見(jiàn)蘇州地鐵攪拌樁加固區(qū)位于砂性以及粉性土中，該土層塑性指數(shù)一般均小于10，當(dāng)時(shí)蘇州地鐵公司取芯的結(jié)果為合格。從開(kāi)挖后的情況看，加固體“堅(jiān)硬”、“有型”，還造成了開(kāi)挖困難。
3.2 齡期不到導(dǎo)致強(qiáng)度不夠
從前文芯樣表格也可看出，齡期90天以上與齡期28天和60天的芯樣強(qiáng)度差距很大。可見(jiàn)加固樁體的強(qiáng)度在如靜安區(qū)的地質(zhì)條件下需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
從最后2次取芯所得的60#地塊工程水泥土攪拌樁芯樣來(lái)看，外觀濕軟，手觸能留下指印，強(qiáng)度很低。但將芯樣剝開(kāi)，從內(nèi)部來(lái)看，水泥摻入土體的紋路，散發(fā)的水泥漿氣味等又可以判定水泥摻量并非是完全造假；眾所周知的將水泥土芯樣放置一邊吹風(fēng)后，其強(qiáng)度馬上又可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的幾倍�？梢�(jiàn)28d齡期對(duì)于攪拌樁芯樣來(lái)說(shuō)，不足以使其發(fā)展到應(yīng)有的強(qiáng)度。
3.3 取芯隊(duì)伍人員良莠不齊，設(shè)備落后
目前建筑市場(chǎng)上有很多掛靠在檢測(cè)單位下專業(yè)取芯隊(duì)伍，從他們的實(shí)際操作來(lái)看，大部分并不能達(dá)到“專業(yè)”二字的要求。在取芯的過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)不同深度所需的鉆機(jī)鉆速、鉆壓、鉆進(jìn)速度等，都是憑以往經(jīng)驗(yàn)，并沒(méi)有一套明確的操作標(biāo)準(zhǔn)，遇到熟練工，取芯率就高，反之則只能“多取幾個(gè)地方”。甚至有些人員的職業(yè)操守也存在問(wèn)題，一根完整芯樣取上來(lái)后，竟然人為地將其弄斷。取芯的設(shè)備也為一般引孔的鉆機(jī)，沒(méi)有封底裝置，“落芯”現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。
4 解決方法和新的檢測(cè)方法的探討
針對(duì)地質(zhì)條件影響水泥硬凝的情況，可以借鑒水泥穩(wěn)定土中摻加少量石灰以增加混合料強(qiáng)度的方法，根據(jù)工程所在地的實(shí)際地質(zhì)情況，必要時(shí)可事先做試驗(yàn)，在攪拌樁所用的水泥漿中摻入增加堿性卻又不與粘性土顆粒產(chǎn)生作用的添加劑，使攪拌樁注入土體中的溶液能順利形成堿性介質(zhì)，使水泥的硬凝具備條件。
現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)圖紙中均要求水泥土攪拌樁28d鉆芯取樣，且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到1MPa以上。應(yīng)當(dāng)組織專業(yè)單位及專家就齡期以及強(qiáng)度進(jìn)行探討，從真實(shí)、可行的角度來(lái)確定不同地質(zhì)，不同地區(qū)的取芯齡期以及強(qiáng)度要求。
同時(shí)應(yīng)當(dāng)制定切實(shí)可行的取芯施工技術(shù)規(guī)范，取芯隊(duì)伍的資質(zhì)條件，人員的上崗資格、操作規(guī)程等。
在日本，對(duì)于水泥土攪拌樁的檢測(cè)采用“現(xiàn)場(chǎng)水泥土漿液取樣強(qiáng)度試驗(yàn)”的方法以驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)水泥土施工質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求。即將取樣機(jī)固定于攪拌樁機(jī)的刀盤上，直接現(xiàn)場(chǎng)深層取漿，隨后將漿液進(jìn)行養(yǎng)護(hù)檢測(cè)，得出檢測(cè)結(jié)果。此類方法在上海解放日?qǐng)?bào)大廈工程中已得到應(yīng)用，只是局限于取漿機(jī)未普及，無(wú)法推廣使用。但這個(gè)方法避免了現(xiàn)行取芯過(guò)程中對(duì)芯樣的損傷，能比較真實(shí)地反映攪拌樁樁體質(zhì)量，值得推廣。
在國(guó)內(nèi)，還有一種利用地質(zhì)雷達(dá)反射波法和工程地震面波法檢測(cè)樁體質(zhì)量的方法，其原理有點(diǎn)類似樁基的低應(yīng)變檢測(cè)，同時(shí)具備簡(jiǎn)便、快捷、經(jīng)濟(jì)的有點(diǎn)，同樣值得推廣。
5 結(jié)語(yǔ)
水泥土攪拌樁的強(qiáng)度檢測(cè)是地下工程中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，上文所言希望能夠拋磚引玉，集思廣益，使攪拌樁強(qiáng)度檢測(cè)真正的規(guī)范起來(lái)，為以后的工程打下良好的基礎(chǔ)。
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