SMW (soil mixing wall) 工法桩于1976年在日本问世, 是以多轴搅拌机钻进时在钻头处喷出水泥浆与地基土混合搅拌, 在水泥土未硬结前插入型钢作为应力补强材料, 形成一道连续的具有一定强度和刚度的地下墙体。相关规范^[1]明确SMW工法桩适用于填土、淤泥质土、黏性土、粉土和砂性土等地质, 具有成本低、污染少等优点, 适应于建设节约型社会和发展循环经济需要, 因此得到了越来越广泛的应用。

近年来, 很多学者对水泥土强度进行了很多研究, 其中陈甦等^[2]分析了水泥黑土无侧限抗压强度和弹性模量随水泥掺入比及龄期的变化规律;潘林有^[3]通过黏土和淤泥质水泥土室内试验, 总结出在相同条件下, 黏土水泥土强度大于淤泥质水泥土;朱廷忠等^[4]通过试验得出了水泥土立方体强度、轴心抗压强度和变形模量按黏土、粉质黏土、粉土的顺序由大逐渐减小的规律;焦志斌等^[5]结合深层搅拌法加固在淤泥质酸性土的施工, 发现了酸性土质对水泥土强度有减弱的影响;何开胜^[6]分析了搅拌桩出现质量问题的原因有工艺不合理、管理混乱等, 并提出了改进措施。但针对广东江河冲积地质淤泥质黏土层和粉细砂层中SMW工法桩水泥土强度的研究还较少, 水泥土搅拌桩水泥掺入比一般为12%~15%, 水灰比为0.5~0.8^[7]。SMW工法桩桩径一般为850mm, 水泥掺入比为20%, 水灰比为1.5~2.0, 所以SMW工法桩与普通搅拌桩施工参数有所不同, 由于SMW工法桩水泥土中需插入型钢, 且对型钢起着握裹和防止侧向移动作用, 因此有必要对SMW工法桩水泥土成桩性状进行研究。

为研究SMW工法桩在淤泥质黏土和粉细砂中的成桩性状, 本试验选取东莞市石碣镇合信广场基坑工程, 通过施工现场改变SMW工法桩的水泥掺入比, 抽芯监测淤泥质黏土层和粉细砂层水泥土的无侧限抗压强度、干密度以及选用原状土在实验室模拟现场制作试样并测出强度。分析不同水灰比、水泥掺入比、龄期、土质对水泥土强度的影响以及通过对比现场试样和实验室试样的强度, 探讨施工工艺对水泥土强度的影响因素, 为SMW工法桩在广东江河冲积地质条件下的应用提供参考。

合信广场基坑工程开挖深度为9.75m, 采用SMW工法桩施工, 工程场地是典型的广东江河冲积地质, 地质剖面如图1所示。淤泥质黏土呈软塑状, 干密度为1.718g/cm³, 含水率为27.28%;粉细砂呈松散状, 干密度为1.710g/cm³, 含水率为31.98%。地下水p H=6.58~6.63, 对混凝土以及钢筋具有微腐蚀性, 水位埋深为0.6~1.9m, 淤泥质黏土层与粉细砂层都处于地下水位以下。

施工现场采用复合硅酸盐水泥P·C32.5R, 本次现场试验在SMW工法桩施工时控制水灰比为1.5, 改变水泥掺入比9%~19%, 并在28d和120d后抽芯获得淤泥质黏土层和粉细砂层的水泥土试样, 加工成ф40mm、高80mm的试样, 使用TSZ-1型应变控制式三轴仪进行无侧限抗压强度试验, 抗压速率取2.4mm/min。抗压试验结束后通过蜡封法测出水泥土干密度, 与抗压强度进行对比。

水泥土室内试验参照规范^[8]进行, 从现场的淤泥质黏土以及粉细砂原状土取样, 为了与现场土质含水率保持一致, 原状土没有风干过筛。水泥同样采用复合硅酸盐水泥P·C32.5R。试样尺寸为40mm×40mm×80mm, 制作水泥掺入比和对应的水灰比如表1所示。将水泥和水搅拌成水泥浆后倒入原状土, 在搅拌机中充分搅拌后装入试模并采用机械振捣, 每组配合比各3个试样。为了模拟施工现场地下水环境, 在3d后拆模, 并将试样淹没在水中养护, 龄期为28, 60, 90, 120d时取出进行无侧限抗压强度试验。为了与现场试验对比, 试验仪器分别选用WD-20KE精密型电子万能材料试验机和TSZ-1型应变控制式三轴仪, 在相同抗压速率下, 2种仪器测得的抗压强度结果基本一致。结果如表1所示。

图2a, 2b是水泥掺入比分别为12%和15%时, 淤泥质黏土水泥土和粉细砂水泥土无侧限抗压强度与水灰比的关系。从图2a中可以看出淤泥质黏土水泥土的强度在水灰比为1.5时, 其抗压强度最大为2.0MPa, 水灰比为1.3和1.7的水泥土抗压强度分别只有水灰比为1.5时强度的90%和25%, 因此淤泥质黏土水泥土的最佳水灰比为1.5。式 (1) 为淤泥质黏土水泥土无侧限抗压强度f_cu与水灰比ω按二次抛物线进行回归分析, 相关系数R=1。

图2b中可以看出:当水泥掺入比为12%和15%时, 粉细砂水泥土无侧限抗压强度在水灰比为1.5时出现峰值。说明粉细砂水泥土的最佳水灰比是1.5。将粉细砂水泥土无侧限抗压强度f_cu与水灰比ω按二次抛物线进行回归分析得到式 (2) , 相关系数R=1。

以上试验结果表明淤泥质黏土水泥土和粉细砂水泥土的最佳水灰比都是1.5, 水灰比取大了会导致水量过多, 水泥浆中Ca (OH) ₂浓度降低, 从而降低了水泥土的晶体结构强度, 使水泥土强度降低;而水灰比取得较小会使水量不足, 使水泥浆中的Ca (OH) ₂缺乏水化反应的环境而无法充分与土体发生反应, 导致强度降低。

图3a, 3b是水灰比为1.5时, 淤泥质黏土、粉细砂水泥土无侧限抗压强度与水泥掺入比的关系。从图3a可以看出:淤泥质黏土水泥土在水泥掺入比由12%增大至18%过程中每增加1%, 强度增大0.1MPa, 水泥掺入比为18%时强度最高为2.47MPa, 说明水泥掺入比从12%增大至18%, 水泥与土的物理化学作用进行得越快, 对土的加固作用越明显, 但超过18%后, 强度增长不明显, 因此淤泥质黏土水泥土的最佳水泥掺入比为18%。图3a中90d淤泥质黏土水泥土在18%~21%范围出现强度下降的原因是试验搅拌过程中淤泥质黏土的含水率较低, 土中没有充分的水与水泥发生水化反应, 试样难以致密成型, 内部存在空隙, 导致抗压强度下降^[9]。

图3b表明掺入比从12%增长到15%时, 粉细砂水泥土强度增长缓慢, 15%时最高为2.1MPa。在掺入比从15%逐渐增加至21%过程中, 强度逐渐降低, 掺入比为21%时强度平均仅为0.5MPa, 出现强度下降的原因是:在粉细砂中掺入水泥浆的机理与水泥砂浆类似, 水泥砂浆抗压强度会随着砂灰比的增大而增大^[10]。过量的掺入水泥会降低水泥土中粉细砂的比例, 导致砂灰比变小, 当砂灰比从6.8降低至5.8时, 粉细砂水泥土强度平均降低2.5倍。所以在水灰比为1.5时, 粉细砂水泥土的最佳水泥掺入比为15%。

在黏土、淤泥土等软土的搅拌桩水泥土试验中, 水灰比一般约为1.0, 水泥土强度随着水泥掺入比的增加而增大, 而本次试验水灰比取1.5, 粉细砂无黏聚力, 松散状且细度模数小, 掺入水泥浆后流动性变大, 容易发生泌水现象, 粉细砂与水泥结合的强度除了应考虑水泥掺入比, 还与水灰比和砂灰比的取值有很大关系。本试验中粉细砂水泥土在水泥掺入比从15%增大至22%时强度出现下降段, 说明在水灰比为1.5时, 当水泥掺入比超过17%后, 砂灰比对水泥土强度的影响大于水泥掺入比对强度的影响, 具体影响程度需通过更多试验得出。

水泥掺入比为15%~21%时, 淤泥质黏土水泥土无侧限抗压强度大于粉细砂水泥土;水泥掺入比为12%~15%时, 后者大于前者。说明在水灰比为1.5时, 粉细砂水泥土和淤泥质黏土水泥土要达到最大强度, 对水泥掺入比的需求是不同的。

图4a, 4b是水灰比为1.5时淤泥质黏土水泥土和粉细砂水泥土强度与龄期的关系。从图4a中可以看出:淤泥质黏土水泥土与粉细砂水泥土的无侧限抗压强度随时间的增长而提高, 淤泥质黏土水泥土28, 60, 90, 120d的龄期强度比为1∶1.5∶2.0∶2.2。说明淤泥质黏土水泥土90d内强度增长速度较快, 90d至120d龄期强度增长不明显。式 (3) 为淤泥质黏土水泥土强度f_cu与龄期T的对数函数拟合, 相关系数R值接近0.97。

从图4b中可以看出:掺入比为18%和21%时, 粉细砂水泥土28, 60, 90, 120d的龄期强度比为1∶1.3∶1.6∶1.8, 120d龄期强度不超过1.0MPa, 说明在水环境中, 掺入比过大, 随龄期的增长, 水泥与粉细砂结合成骨架结构的速率依旧缓慢。掺入比为12%和15%时, 强度比为1∶3.5∶5.2∶6.1。说明在掺入比为18%和21%时, 28d龄期的后期强度增长不明显, 而在最佳水泥掺入比为12%和15%时, 28d后的水泥土强度仍有增长, 且增长速度较快。对粉细砂水泥土掺入比为12%和15%的强度f_cu随龄期T增长进行对数函数拟合如式 (4) , 相关系数R值接近0.99。

粉细砂水泥土28d龄期强度比淤泥质黏土水泥土小, 粉细砂水泥土在最佳水泥掺入比时, 28d后强度增长速度比淤泥质黏土水泥土要快, 但粉细砂无黏聚力, 细度模数较小, 所以在水泥掺入比介于12%和21%时, 粉细砂与水泥结合成水泥土的强度小于淤泥质黏土。

水泥土强度是由水泥水化后产生的胶凝物质填充到土的孔隙中, 增强了土体颗粒之间产生的黏结力。由于早期的水化产物包裹了土体颗粒表面, 使得内部未水化的水泥需要随着养护龄期的增长才能反应得更完全, 水泥土强度也会逐渐变大。研究表明水泥土固化约需要90d才完成, 本试验淤泥质黏土水泥土90d强度完成约91%, 粉细砂水泥土约86%, 也符合此规律。

图5a, 5b分别是水灰比为1.5时, 现场与实验室内淤泥质黏土水泥土和粉细砂水泥土在不同水泥掺入比下的强度对比。从图5a可以看出:现场与室内淤泥质黏土水泥土在水泥掺入比为10%~18%范围内都是随着掺入比的增大而增大。28d从现场抽芯的淤泥质黏土水泥土强度比实验室内28d的强度要低, 从施工现场观察, 出现这种现象的原因有:①现场水泥土搅拌没有室内水泥土搅拌均匀, 水泥土强度离散程度大;②实验室制作的试样在自来水中养护, 而现场地下水具有腐蚀性, 降低了现场水泥土的强度^[11];③搅拌机施工注浆时由于水泥浆返浆到地面上, 造成水泥掺入比减少;④获取芯样时水泥土损伤, 强度降低。

图5b中可以看出现场28, 120d龄期粉细砂水泥土强度与实验室内28, 120d龄期强度基本相等, 但现场实际水泥掺入比比实验室内掺入比要大。原因为:粉细砂的渗透性较大, 现场泵送过量的水泥浆会由于返浆或流失到周围的土体中, 导致一部分水泥未参与粉细砂水泥土的反应。

图6表明水泥土的无侧限抗压强度随着干密度的增大逐渐增大的规律, 其中淤泥质黏土水泥土抗压强度在干密度为1.5~1.9g/cm³时, 每增大0.1g/cm³增加0.3MPa;粉细砂水泥土抗压强度在干密度为1.6~2.0g/cm³时, 每增大0.1g/cm³增加0.6MPa。因为水泥土的干密度越大, 单位体积内土颗粒质量越大, 土体越密实, 相互之间的黏结程度越好, 抗压强度也越大。

1) 水灰比的变化对淤泥质黏土水泥土和粉细砂水泥土的强度有很大影响, 在水灰比为1.5时强度均最高。

2) 为起到更好的加固效果, SMW工法桩设计不应要求整根桩的水泥掺入比取为21%, 过大的水泥掺入比反而会降低粉细砂水泥土的强度, 并且增加成本, 施工时钻杆下放至淤泥质黏土层中水泥掺入比宜控制在18%, 考虑水泥浆在粉细砂中的流失, 粉细砂层中水泥掺入比宜控制在15%~18%。

3) 水泥土强度随龄期增长而增长, 淤泥质黏土在28d后强度仍有增长, 粉细砂水泥土在最佳水泥掺入比时28d后强度增长明显, 90d时强度增长基本完成。

4) 水泥土干密度与抗压强度存在正相关关系。

5) 分析了现场施工SMW工法桩水泥土强度比实验室内水泥土强度小的原因, 可以掺入外加剂减少地下水的腐蚀对水泥土强度的减弱作用以及加快水泥土的固结速度。