室內外水泥土強度實驗對比

1.室內外實驗數據對比分析

由室內外實驗結果可知，水泥土室內外實驗強度的差異很大，室外樁身芯樣強度普遍低于室內試驗設計值，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]，在現場取土做室內水泥土試驗和樁身芯樣強度檢測的實測值.對比分析室內外實驗數據，可以得到以下結論：（1）分別擬合水泥土抗壓強度與水泥摻入比、養護齡期的關系圖1、2，結果表明水泥土強度隨摻入比的增加而顯著增強，當摻入比大于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對應的水泥土強度高于土層2的，說明水泥摻入比、養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對應的室內外水泥土強度作比繪圖得圖3、4，發現對于同一土層，甚至相同深度的樁身芯樣強度離散性較大，土層1的室內外水泥土強度均較土層2的要高，說明土質特性對水泥土強度影響很大，是引起室內外水泥土強度差異的原因之一.現場樁身強度的平均值顯著低于室內值，摻入比設計值為20%對應的水泥土樁身強度平均值僅僅相當于16%，甚至12%左右的室內設計值對應的強度，可見樁身水泥實際摻入比低于室內設計值是引起差異的主因.（3）將不同土層深度不同樁號對應的樁身強度與相同條件下室內結果對比，如圖5.發現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試驗強度.說明工程現場樁身水泥土較室內試驗，攪拌均勻程度低，導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對應芯樣平均值與室內強度的比值較接近1，說明在室內外試驗結果間設定一個折減系數γ，即樁身芯樣強度均值與室內試驗結果的比值.針對本工程中的粉質粘土對應的水泥土強度折減系數γ=0.45~1，可均值0.867；對于淤泥、淤泥質粘土，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適當增大.（5）根據現場抽芯取樣觀察，樁身水泥土均勻性較差（如圖7），發現同一樁身的上下各部分實際拌入的水泥不同；相同水泥設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，在實驗結果中充分表現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的室內水泥土強度，這也說明攪拌均勻程度及摻入比的差異是主因.

2.室內外強度差異理論分析

規范[1]規定水泥攪拌樁處理軟基時，先做室內水泥土配合比試驗，確定合適的水泥摻入比等參數后，再依據90d齡期的試塊強度標準值來計算單樁豎向承載力.室內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，選擇標準養護或水中養護，直至規定90d齡期并測得其強度，使其與現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，水泥土室內試驗強度偏高的現象普遍存在.設計時常采用規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.但根據實際情況及本文的檢測結果，樁身上下各部分的強度是不同的.水泥土強度在室內和現場條件下實驗結果差異的客觀存在[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將顯著降低其強度，而室內試樣拌合的均勻程度遠遠高于現場試樣的.國外研究表明，工程現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].工程現場中水泥土攪拌均勻程度的影響因素主要有：現場施工機械設備、工藝落后和樁體強度質檢方法不完善[2-4].國內工程實踐中，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，而土團內部沒有水泥漿，由此硬化形成的水泥石強度較低.而根據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形成的水泥石骨架，水泥土攪拌均勻程度差，樁體內水泥摻入比不一致，各部位強度也不同.存在土團內實際水泥摻入比小于設計值，而樁身強度取決于各部位強度的最低值，使得現場樁身強度低于室內試驗強度.作者在現場鉆孔取芯時發現普遍存在水泥土攪拌不均勻的芯樣，如圖7.此外，研究發現在施工過程中，常產生冒漿現象[2-4]，大量水泥漿冒出地表，使地表隆起大量的水泥土，造成現場樁體的實際水泥摻入比小于室內實驗摻入比，水泥土強度因而降低.雖然室內實驗土樣為原狀土，但受限于取土深度和采樣點不足且土質特性離散大，使有些土樣代表性不強，和現場土質條件不一致.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，尤其是室內實驗的制樣方法、養護條件及擾動的原狀土與工程現場實際不盡相同.室內試驗制樣多采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體試件，而現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的影響[12]；養護條件一般選擇標準養護(溫度保持在20±2℃之間，濕度保持在90%以上)或室溫下水中養護，而現場樁周軟土中水會形成水壓差補給加固土體，現場水泥土的養護條件與室內水養相似，而與標準養護存在一定差異.根據水泥土加固機理中碳酸化作用，室內養護的溫度、濕度及與空氣的接觸程度較工程現場，更有利于提高其強度；原狀土采樣數量的局限性及取土造成的擾動影響都降低了土質的代表性，從而對兩者強度的對比也有一定影響.水泥土室內外實驗的制樣方法、形狀尺寸及養護條件的不一致，說明試驗方法的局限性也是引起室內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

水泥土樁復合地基單樁豎向承載力按現有規范[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水泥土試塊的無側限抗壓強度平均值（kPa）；Ap為攪拌樁單樁截面積（m2）；f為樁側土平均摩阻力（kPa）；Rsb為樁端土承載力（kPa）；ε為樁身強度折減系數，ε=0.35~0.5；α為樁端土承載力折減系數，α=0.5；D、L分別為莊徑、樁長（m）.規范設計主要依據室內實驗強度，沒有考慮室內實驗強度與現場強度間客觀存在的差異，使室內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)的基礎上，再聯合考慮現場芯樣強度計算單樁豎向承載力式（3）中qu為現場鉆孔取芯的芯樣水泥土(Φ70×100)無側限抗壓強度，工程現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，降低因現場鉆孔取芯擾動對芯樣強度的影響，本工程中對淤泥質粘土可取0.65[4].按現場水泥土強度設計的思想，將室內試驗與現場芯樣強度相結合，提出聯合(1)(2)(3)式計算并取最小值的改進計算式（4），避免室內水泥土強度設計與現場施工質量脫節的弊端，有效解決了因實驗強度和現場強度差異帶來的工程問題.因此，攪拌樁復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，當樁間土為硬土時，β=0.1~0.4；當樁間土為軟土時，β=0.5~1.0；當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）.