室內(nèi)外水泥土強度實驗對比

1.室內(nèi)外實驗數(shù)據(jù)對比分析

由室內(nèi)外實驗結(jié)果可知，水泥土室內(nèi)外實驗強度的差異很大，室外樁身芯樣強度普遍低于室內(nèi)試驗設(shè)計值，差值范圍在0.1~0.88MPa，土層1的強度間最大差值為0.88MPa，平均差值為0.2MPa；土層2的強度間最大差值為0.86MPa，平均差值為0.4MPa.計算實例選自文獻[5]，在現(xiàn)場取土做室內(nèi)水泥土試驗和樁身芯樣強度檢測的實測值.對比分析室內(nèi)外實驗數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：（1）分別擬合水泥土抗壓強度與水泥摻入比、養(yǎng)護齡期的關(guān)系圖1、2，結(jié)果表明水泥土強度隨摻入比的增加而顯著增強，當(dāng)摻入比大于20%時，強度增長明顯減緩，研究表明水泥摻入比控制在7%~20%為宜[6-9].強度隨養(yǎng)護齡期的增長而增強，早期強度增長速率顯著提高，但后期增長較緩慢[10,11].土層1對應(yīng)的水泥土強度高于土層2的，說明水泥摻入比、養(yǎng)護齡期及土的類別是其強度的主要影響因素.（2）將土層1、2對應(yīng)的室內(nèi)外水泥土強度作比繪圖得圖3、4，發(fā)現(xiàn)對于同一土層，甚至相同深度的樁身芯樣強度離散性較大，土層1的室內(nèi)外水泥土強度均較土層2的要高，說明土質(zhì)特性對水泥土強度影響很大，是引起室內(nèi)外水泥土強度差異的原因之一.現(xiàn)場樁身強度的平均值顯著低于室內(nèi)值，摻入比設(shè)計值為20%對應(yīng)的水泥土樁身強度平均值僅僅相當(dāng)于16%，甚至12%左右的室內(nèi)設(shè)計值對應(yīng)的強度，可見樁身水泥實際摻入比低于室內(nèi)設(shè)計值是引起差異的主因.（3）將不同土層深度不同樁號對應(yīng)的樁身強度與相同條件下室內(nèi)結(jié)果對比，如圖5.發(fā)現(xiàn)同一樁體不同深度的樁身強度不相同，不同樁體的同一深度的樁身強度也不同，且普遍低于相同摻入比的室內(nèi)試驗強度.說明工程現(xiàn)場樁身水泥土較室內(nèi)試驗，攪拌均勻程度低，導(dǎo)致樁身的各部分水泥摻入比不一致，這是引起兩者差異的主要原因.（4）通過擬合樁身芯樣強度與室內(nèi)試驗強度的比值，如圖6.除個別點外，該比值均小于1，但土層1、2對應(yīng)芯樣平均值與室內(nèi)強度的比值較接近1，說明在室內(nèi)外試驗結(jié)果間設(shè)定一個折減系數(shù)γ，即樁身芯樣強度均值與室內(nèi)試驗結(jié)果的比值.針對本工程中的粉質(zhì)粘土對應(yīng)的水泥土強度折減系數(shù)γ=0.45~1，可均值0.867；對于淤泥、淤泥質(zhì)粘土，γ=0.4~1.3，均值為0.71.考慮到樁身下部的強度較差，對樁身整體強度的影響最大，所以在施工時對樁身下部的水泥摻量應(yīng)適當(dāng)增大.（5）根據(jù)現(xiàn)場抽芯取樣觀察，樁身水泥土均勻性較差（如圖7），發(fā)現(xiàn)同一樁身的上下各部分實際拌入的水泥不同；相同水泥設(shè)計摻入比的不同樁號，其樁身的攪拌均勻程度及摻入比離散性較大，在實驗結(jié)果中充分表現(xiàn)為同一組芯樣強度值離散性較大，存在個別較高的強度值但普遍低于相同條件下對應(yīng)的室內(nèi)水泥土強度，這也說明攪拌均勻程度及摻入比的差異是主因.

2.室內(nèi)外強度差異理論分析

規(guī)范[1]規(guī)定水泥攪拌樁處理軟基時，先做室內(nèi)水泥土配合比試驗，確定合適的水泥摻入比等參數(shù)后，再依據(jù)90d齡期的試塊強度標準值來計算單樁豎向承載力.室內(nèi)強度實驗常采用原狀土與水泥機械攪拌均勻后，裝入試模振搗成形，選擇標準養(yǎng)護或水中養(yǎng)護，直至規(guī)定90d齡期并測得其強度，使其與現(xiàn)場條件下的強度更相近.但實際上兩種條件下的強度存在較大的差異，水泥土室內(nèi)試驗強度偏高的現(xiàn)象普遍存在.設(shè)計時常采用規(guī)范中通長樁體強度的定值，樁頂至樁底的樁身強度是相同的.但根據(jù)實際情況及本文的檢測結(jié)果，樁身上下各部分的強度是不同的.水泥土強度在室內(nèi)和現(xiàn)場條件下實驗結(jié)果差異的客觀存在[2,3,13]，主要原因有攪拌均勻程度不同、水泥摻入比不一致、土質(zhì)特性離散大和試驗方法局限性等方面.從水泥土作用機理可知水泥土攪拌不勻?qū)@著降低其強度，而室內(nèi)試樣拌合的均勻程度遠遠高于現(xiàn)場試樣的.國外研究表明，工程現(xiàn)場條件下水泥土樁的攪拌均勻程度對其強度影響顯著[14,15].工程現(xiàn)場中水泥土攪拌均勻程度的影響因素主要有：現(xiàn)場施工機械設(shè)備、工藝落后和樁體強度質(zhì)檢方法不完善[2-4].國內(nèi)工程實踐中，由于機械攪拌、切削水泥土不夠充分，使水泥與未被切削的粘土團攪拌不勻，并形成包裹土團的水泥漿，而土團內(nèi)部沒有水泥漿，由此硬化形成的水泥石強度較低.而根據(jù)水泥土硬化機理可知，水泥土強度主要來源于水泥的水解和水化反應(yīng)形成的水泥石骨架，水泥土攪拌均勻程度差，樁體內(nèi)水泥摻入比不一致，各部位強度也不同.存在土團內(nèi)實際水泥摻入比小于設(shè)計值，而樁身強度取決于各部位強度的最低值，使得現(xiàn)場樁身強度低于室內(nèi)試驗強度.作者在現(xiàn)場鉆孔取芯時發(fā)現(xiàn)普遍存在水泥土攪拌不均勻的芯樣，如圖7.此外，研究發(fā)現(xiàn)在施工過程中，常產(chǎn)生冒漿現(xiàn)象[2-4]，大量水泥漿冒出地表，使地表隆起大量的水泥土，造成現(xiàn)場樁體的實際水泥摻入比小于室內(nèi)實驗摻入比，水泥土強度因而降低.雖然室內(nèi)實驗土樣為原狀土，但受限于取土深度和采樣點不足且土質(zhì)特性離散大，使有些土樣代表性不強，和現(xiàn)場土質(zhì)條件不一致.水泥土作用機理表明，土性類別是水泥土強度的主要影響因素.試驗方法的局限性，尤其是室內(nèi)實驗的制樣方法、養(yǎng)護條件及擾動的原狀土與工程現(xiàn)場實際不盡相同.室內(nèi)試驗制樣多采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體試件，而現(xiàn)場鉆芯取樣試塊尺寸多為圓柱體，不能忽視水泥土試樣形狀尺寸效應(yīng)的影響[12]；養(yǎng)護條件一般選擇標準養(yǎng)護(溫度保持在20±2℃之間，濕度保持在90%以上)或室溫下水中養(yǎng)護，而現(xiàn)場樁周軟土中水會形成水壓差補給加固土體，現(xiàn)場水泥土的養(yǎng)護條件與室內(nèi)水養(yǎng)相似，而與標準養(yǎng)護存在一定差異.根據(jù)水泥土加固機理中碳酸化作用，室內(nèi)養(yǎng)護的溫度、濕度及與空氣的接觸程度較工程現(xiàn)場，更有利于提高其強度；原狀土采樣數(shù)量的局限性及取土造成的擾動影響都降低了土質(zhì)的代表性，從而對兩者強度的對比也有一定影響.水泥土室內(nèi)外實驗的制樣方法、形狀尺寸及養(yǎng)護條件的不一致，說明試驗方法的局限性也是引起室內(nèi)外水泥土強度差異的原因之一.

3.存在的問題及改善措施

1）攪拌樁承載力的計算方法改進

水泥土樁復(fù)合地基單樁豎向承載力按現(xiàn)有規(guī)范[1]計算方法，原則上取下列二式中較小值（略）：式（1）、（2）中:Rp為攪拌樁的單樁承載力（KN）；qu為與攪拌樁樁身配比相同的室內(nèi)水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強度平均值（kPa）；Ap為攪拌樁單樁截面積（m2）；f為樁側(cè)土平均摩阻力（kPa）；Rsb為樁端土承載力（kPa）；ε為樁身強度折減系數(shù)，ε=0.35~0.5；α為樁端土承載力折減系數(shù)，α=0.5；D、L分別為莊徑、樁長（m）.規(guī)范設(shè)計主要依據(jù)室內(nèi)實驗強度，沒有考慮室內(nèi)實驗強度與現(xiàn)場強度間客觀存在的差異，使室內(nèi)水泥土強度在工程實際中存在安全隱患.因此，在考慮式(1)(2)的基礎(chǔ)上，再聯(lián)合考慮現(xiàn)場芯樣強度計算單樁豎向承載力式（3）中qu為現(xiàn)場鉆孔取芯的芯樣水泥土(Φ70×100)無側(cè)限抗壓強度，工程現(xiàn)場試樁時可取得該值，并換算至90d標準齡期強度；δ為折減系數(shù)，降低因現(xiàn)場鉆孔取芯擾動對芯樣強度的影響，本工程中對淤泥質(zhì)粘土可取0.65[4].按現(xiàn)場水泥土強度設(shè)計的思想，將室內(nèi)試驗與現(xiàn)場芯樣強度相結(jié)合，提出聯(lián)合(1)(2)(3)式計算并取最小值的改進計算式（4），避免室內(nèi)水泥土強度設(shè)計與現(xiàn)場施工質(zhì)量脫節(jié)的弊端，有效解決了因?qū)嶒瀼姸群同F(xiàn)場強度差異帶來的工程問題.因此，攪拌樁復(fù)合地基承載力也可以用下式計算（略）：式（4）中β為樁間土承載力折減系數(shù)，當(dāng)樁間土為硬土?xí)r，β=0.1~0.4；當(dāng)樁間土為軟土?xí)r，β=0.5~1.0；當(dāng)不考慮樁間軟土的作用時，β=0；m為置換率；Rs為樁間天然地基承載力（kPa）.