室内外水泥土强度实验对比研究

室内外水泥土强度实验对比

1.室内外实验数据对比分析

由室内外实验结果可知，水泥土室内外实验强度的差异很大，室外桩身芯样强度普遍低于室内试验设计值，差值范围在0.1~0.88MPa，土层1的强度间最大差值为0.88MPa，平均差值为0.2MPa；土层2的强度间最大差值为0.86MPa，平均差值为0.4MPa.计算实例选自文献[5]，在现场取土做室内水泥土试验和桩身芯样强度检测的实测值.对比分析室内外实验数据，可以得到以下结论：（1）分别拟合水泥土抗压强度与水泥掺入比、养护龄期的关系图1、2，结果表明水泥土强度随掺入比的增加而显著增强，当掺入比大于20%时，强度增长明显减缓，研究表明水泥掺入比控制在7%~20%为宜[6-9].强度随养护龄期的增长而增强，早期强度增长速率显著提高，但后期增长较缓慢[10,11].土层1对应的水泥土强度高于土层2的，说明水泥掺入比、养护龄期及土的类别是其强度的主要影响因素.（2）将土层1、2对应的室内外水泥土强度作比绘图得图3、4，发现对于同一土层，甚至相同深度的桩身芯样强度离散性较大，土层1的室内外水泥土强度均较土层2的要高，说明土质特性对水泥土强度影响很大，是引起室内外水泥土强度差异的原因之一.现场桩身强度的平均值显著低于室内值，掺入比设计值为20%对应的水泥土桩身强度平均值仅仅相当于16%，甚至12%左右的室内设计值对应的强度，可见桩身水泥实际掺入比低于室内设计值是引起差异的主因.（3）将不同土层深度不同桩号对应的桩身强度与相同条件下室内结果对比，如图5.发现同一桩体不同深度的桩身强度不相同，不同桩体的同一深度的桩身强度也不同，且普遍低于相同掺入比的室内试验强度.说明工程现场桩身水泥土较室内试验，搅拌均匀程度低，导致桩身的各部分水泥掺入比不一致，这是引起两者差异的主要原因.（4）通过拟合桩身芯样强度与室内试验强度的比值，如图6.除个别点外，该比值均小于1，但土层1、2对应芯样平均值与室内强度的比值较接近1，说明在室内外试验结果间设定一个折减系数γ，即桩身芯样强度均值与室内试验结果的比值.针对本工程中的粉质粘土对应的水泥土强度折减系数γ=0.45~1，可均值0.867；对于淤泥、淤泥质粘土，γ=0.4~1.3，均值为0.71.考虑到桩身下部的强度较差，对桩身整体强度的影响最大，所以在施工时对桩身下部的水泥掺量应适当增大.（5）根据现场抽芯取样观察，桩身水泥土均匀性较差（如图7），发现同一桩身的上下各部分实际拌入的水泥不同；相同水泥设计掺入比的不同桩号，其桩身的搅拌均匀程度及掺入比离散性较大，在实验结果中充分表现为同一组芯样强度值离散性较大，存在个别较高的强度值但普遍低于相同条件下对应的室内水泥土强度，这也说明搅拌均匀程度及掺入比的差异是主因.

2.室内外强度差异理论分析

规范[1]规定水泥搅拌桩处理软基时，先做室内水泥土配合比试验，确定合适的水泥掺入比等参数后，再依据90d龄期的试块强度标准值来计算单桩竖向承载力.室内强度实验常采用原状土与水泥机械搅拌均匀后，装入试模振捣成形，选择标准养护或水中养护，直至规定90d龄期并测得其强度，使其与现场条件下的强度更相近.但实际上两种条件下的强度存在较大的差异，水泥土室内试验强度偏高的现象普遍存在.设计时常采用规范中通长桩体强度的定值，桩顶至桩底的桩身强度是相同的.但根据实际情况及本文的检测结果，桩身上下各部分的强度是不同的.水泥土强度在室内和现场条件下实验结果差异的客观存在[2,3,13]，主要原因有搅拌均匀程度不同、水泥掺入比不一致、土质特性离散大和试验方法局限性等方面.从水泥土作用机理可知水泥土搅拌不匀将显著降低其强度，而室内试样拌合的均匀程度远远高于现场试样的.国外研究表明，工程现场条件下水泥土桩的搅拌均匀程度对其强度影响显著[14,15].工程现场中水泥土搅拌均匀程度的影响因素主要有：现场施工机械设备、工艺落后和桩体强度质检方法不完善[2-4].国内工程实践中，由于机械搅拌、切削水泥土不够充分，使水泥与未被切削的粘土团搅拌不匀，并形成包裹土团的水泥浆，而土团内部没有水泥浆，由此硬化形成的水泥石强度较低.而根据水泥土硬化机理可知，水泥土强度主要来源于水泥的水解和水化反应形成的水泥石骨架，水泥土搅拌均匀程度差，桩体内水泥掺入比不一致，各部位强度也不同.存在土团内实际水泥掺入比小于设计值，而桩身强度取决于各部位强度的最低值，使得现场桩身强度低于室内试验强度.作者在现场钻孔取芯时发现普遍存在水泥土搅拌不均匀的芯样，如图7.此外，研究发现在施工过程中，常产生冒浆现象[2-4]，大量水泥浆冒出地表，使地表隆起大量的水泥土，造成现场桩体的实际水泥掺入比小于室内实验掺入比，水泥土强度因而降低.虽然室内实验土样为原状土，但受限于取土深度和采样点不足且土质特性离散大，使有些土样代表性不强，和现场土质条件不一致.水泥土作用机理表明，土性类别是水泥土强度的主要影响因素.试验方法的局限性，尤其是室内实验的制样方法、养护条件及扰动的原状土与工程现场实际不尽相同.室内试验制样多采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试件，而现场钻芯取样试块尺寸多为圆柱体，不能忽视水泥土试样形状尺寸效应的影响[12]；养护条件一般选择标准养护(温度保持在20±2℃之间，湿度保持在90%以上)或室温下水中养护，而现场桩周软土中水会形成水压差补给加固土体，现场水泥土的养护条件与室内水养相似，而与标准养护存在一定差异.根据水泥土加固机理中碳酸化作用，室内养护的温度、湿度及与空气的接触程度较工程现场，更有利于提高其强度；原状土采样数量的局限性及取土造成的扰动影响都降低了土质的代表性，从而对两者强度的对比也有一定影响.水泥土室内外实验的制样方法、形状尺寸及养护条件的不一致，说明试验方法的局限性也是引起室内外水泥土强度差异的原因之一.

3.存在的问题及改善措施

1）搅拌桩承载力的计算方法改进

水泥土桩复合地基单桩竖向承载力按现有规范[1]计算方法，原则上取下列二式中较小值（略）：式（1）、（2）中:Rp为搅拌桩的单桩承载力（KN）；qu为与搅拌桩桩身配比相同的室内水泥土试块的无侧限抗压强度平均值（kPa）；Ap为搅拌桩单桩截面积（m2）；f为桩侧土平均摩阻力（kPa）；Rsb为桩端土承载力（kPa）；ε为桩身强度折减系数，ε=0.35~0.5；α为桩端土承载力折减系数，α=0.5；D、L分别为庄径、桩长（m）.规范设计主要依据室内实验强度，没有考虑室内实验强度与现场强度间客观存在的差异，使室内水泥土强度在工程实际中存在安全隐患.因此，在考虑式(1)(2)的基础上，再联合考虑现场芯样强度计算单桩竖向承载力式（3）中qu为现场钻孔取芯的芯样水泥土(Φ70×100)无侧限抗压强度，工程现场试桩时可取得该值，并换算至90d标准龄期强度；δ为折减系数，降低因现场钻孔取芯扰动对芯样强度的影响，本工程中对淤泥质粘土可取0.65[4].按现场水泥土强度设计的思想，将室内试验与现场芯样强度相结合，提出联合(1)(2)(3)式计算并取最小值的改进计算式（4），避免室内水泥土强度设计与现场施工质量脱节的弊端，有效解决了因实验强度和现场强度差异带来的工程问题.因此，搅拌桩复合地基承载力也可以用下式计算（略）：式（4）中β为桩间土承载力折减系数，当桩间土为硬土时，β=0.1~0.4；当桩间土为软土时，β=0.5~1.0；当不考虑桩间软土的作用时，β=0；m为置换率；Rs为桩间天然地基承载力（kPa）.