室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)對(duì)比

1.室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

由室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，水泥土室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度的差異很大，室外樁身芯樣強(qiáng)度普遍低于室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)值，差值范圍在0.1~0.88MPa，土層1的強(qiáng)度間最大差值為0.88MPa，平均差值為0.2MPa；土層2的強(qiáng)度間最大差值為0.86MPa，平均差值為0.4MPa.計(jì)算實(shí)例選自文獻(xiàn)[5]，在現(xiàn)場(chǎng)取土做室內(nèi)水泥土試驗(yàn)和樁身芯樣強(qiáng)度檢測(cè)的實(shí)測(cè)值.對(duì)比分析室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：（1）分別擬合水泥土抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系圖1、2，結(jié)果表明水泥土強(qiáng)度隨摻入比的增加而顯著增強(qiáng)，當(dāng)摻入比大于20%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯減緩，研究表明水泥摻入比控制在7%~20%為宜[6-9].強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增強(qiáng)，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速率顯著提高，但后期增長(zhǎng)較緩慢[10,11].土層1對(duì)應(yīng)的水泥土強(qiáng)度高于土層2的，說(shuō)明水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期及土的類(lèi)別是其強(qiáng)度的主要影響因素.（2）將土層1、2對(duì)應(yīng)的室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度作比繪圖得圖3、4，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一土層，甚至相同深度的樁身芯樣強(qiáng)度離散性較大，土層1的室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度均較土層2的要高，說(shuō)明土質(zhì)特性對(duì)水泥土強(qiáng)度影響很大，是引起室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度差異的原因之一.現(xiàn)場(chǎng)樁身強(qiáng)度的平均值顯著低于室內(nèi)值，摻入比設(shè)計(jì)值為20%對(duì)應(yīng)的水泥土樁身強(qiáng)度平均值僅僅相當(dāng)于16%，甚至12%左右的室內(nèi)設(shè)計(jì)值對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，可見(jiàn)樁身水泥實(shí)際摻入比低于室內(nèi)設(shè)計(jì)值是引起差異的主因.（3）將不同土層深度不同樁號(hào)對(duì)應(yīng)的樁身強(qiáng)度與相同條件下室內(nèi)結(jié)果對(duì)比，如圖5.發(fā)現(xiàn)同一樁體不同深度的樁身強(qiáng)度不相同，不同樁體的同一深度的樁身強(qiáng)度也不同，且普遍低于相同摻入比的室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度.說(shuō)明工程現(xiàn)場(chǎng)樁身水泥土較室內(nèi)試驗(yàn)，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(guò)擬合樁身芯樣強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度的比值，如圖6.除個(gè)別點(diǎn)外，該比值均小于1，但土層1、2對(duì)應(yīng)芯樣平均值與室內(nèi)強(qiáng)度的比值較接近1，說(shuō)明在室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果間設(shè)定一個(gè)折減系數(shù)γ，即樁身芯樣強(qiáng)度均值與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的比值.針對(duì)本工程中的粉質(zhì)粘土對(duì)應(yīng)的水泥土強(qiáng)度折減系數(shù)γ=0.45~1，可均值0.867；對(duì)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(qiáng)度較差，對(duì)樁身整體強(qiáng)度的影響最大，所以在施工時(shí)對(duì)樁身下部的水泥摻量應(yīng)適當(dāng)增大.（5）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際拌入的水泥不同；相同水泥設(shè)計(jì)摻入比的不同樁號(hào)，其樁身的攪拌均勻程度及摻入比離散性較大，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中充分表現(xiàn)為同一組芯樣強(qiáng)度值離散性較大，存在個(gè)別較高的強(qiáng)度值但普遍低于相同條件下對(duì)應(yīng)的室內(nèi)水泥土強(qiáng)度，這也說(shuō)明攪拌均勻程度及摻入比的差異是主因.

2.室內(nèi)外強(qiáng)度差異理論分析

規(guī)范[1]規(guī)定水泥攪拌樁處理軟基時(shí)，先做室內(nèi)水泥土配合比試驗(yàn)，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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)計(jì)算單樁豎向承載力.室內(nèi)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)常采用原狀土與水泥機(jī)械攪拌均勻后，裝入試模振搗成形，選擇標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或水中養(yǎng)護(hù)，直至規(guī)定90d齡期并測(cè)得其強(qiáng)度，使其與現(xiàn)場(chǎng)條件下的強(qiáng)度更相近.但實(shí)際上兩種條件下的強(qiáng)度存在較大的差異，水泥土室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度偏高的現(xiàn)象普遍存在.設(shè)計(jì)時(shí)常采用規(guī)范中通長(zhǎng)樁體強(qiáng)度的定值，樁頂至樁底的樁身強(qiáng)度是相同的.但根據(jù)實(shí)際情況及本文的檢測(cè)結(jié)果，樁身上下各部分的強(qiáng)度是不同的.水泥土強(qiáng)度在室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)條件下實(shí)驗(yàn)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(yàn)方法局限性等方面.從水泥土作用機(jī)理可知水泥土攪拌不勻?qū)@著降低其強(qiáng)度，而室內(nèi)試樣拌合的均勻程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)場(chǎng)試樣的.國(guó)外研究表明，工程現(xiàn)場(chǎng)條件下水泥土樁的攪拌均勻程度對(duì)其強(qiáng)度影響顯著[14,15].工程現(xiàn)場(chǎng)中水泥土攪拌均勻程度的影響因素主要有：現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械設(shè)備、工藝落后和樁體強(qiáng)度質(zhì)檢方法不完善[2-4].國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中，由于機(jī)械攪拌、切削水泥土不夠充分，使水泥與未被切削的粘土團(tuán)攪拌不勻，并形成包裹土團(tuán)的水泥漿，而土團(tuán)內(nèi)部沒(méi)有水泥漿，由此硬化形成的水泥石強(qiáng)度較低.而根據(jù)水泥土硬化機(jī)理可知，水泥土強(qiáng)度主要來(lái)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(qiáng)度也不同.存在土團(tuán)內(nèi)實(shí)際水泥摻入比小于設(shè)計(jì)值，而樁身強(qiáng)度取決于各部位強(qiáng)度的最低值，使得現(xiàn)場(chǎng)樁身強(qiáng)度低于室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度.作者在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯時(shí)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(guò)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(chǎng)樁體的實(shí)際水泥摻入比小于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)摻入比，水泥土強(qiáng)度因而降低.雖然室內(nèi)實(shí)驗(yàn)土樣為原狀土，但受限于取土深度和采樣點(diǎn)不足且土質(zhì)特性離散大，使有些土樣代表性不強(qiáng)，和現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)條件不一致.水泥土作用機(jī)理表明，土性類(lèi)別是水泥土強(qiáng)度的主要影響因素.試驗(yàn)方法的局限性，尤其是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的制樣方法、養(yǎng)護(hù)條件及擾動(dòng)的原狀土與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不盡相同.室內(nèi)試驗(yàn)制樣多采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體試件，而現(xiàn)場(chǎng)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(hù)條件一般選擇標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(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(hù)，而現(xiàn)場(chǎng)樁周軟土中水會(huì)形成水壓差補(bǔ)給加固土體，現(xiàn)場(chǎng)水泥土的養(yǎng)護(hù)條件與室內(nèi)水養(yǎng)相似，而與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)存在一定差異.根據(jù)水泥土加固機(jī)理中碳酸化作用，室內(nèi)養(yǎng)護(hù)的溫度、濕度及與空氣的接觸程度較工程現(xiàn)場(chǎng)，更有利于提高其強(qiáng)度；原狀土采樣數(shù)量的局限性及取土造成的擾動(dòng)影響都降低了土質(zhì)的代表性，從而對(duì)兩者強(qiáng)度的對(duì)比也有一定影響.水泥土室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)的制樣方法、形狀尺寸及養(yǎng)護(hù)條件的不一致，說(shuō)明試驗(yàn)方法的局限性也是引起室內(nèi)外水泥土強(qiáng)度差異的原因之一.

3.存在的問(wèn)題及改善措施

1）攪拌樁承載力的計(jì)算方法改進(jìn)

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(jì)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)（m）.規(guī)范設(shè)計(jì)主要依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度，沒(méi)有考慮室內(nèi)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度與現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度間客觀存在的差異，使室內(nèi)水泥土強(qiáng)度在工程實(shí)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(chǎng)芯樣強(qiáng)度計(jì)算單樁豎向承載力式（3）中qu為現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯的芯樣水泥土(Φ70×100)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，工程現(xiàn)場(chǎng)試樁時(shí)可取得該值，并換算至90d標(biāo)準(zhǔn)齡期強(qiáng)度；δ為折減系數(shù)，降低因現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯擾動(dòng)對(duì)芯樣強(qiáng)度的影響，本工程中對(duì)淤泥質(zhì)粘土可取0.65[4].按現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度設(shè)計(jì)的思想，將室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)芯樣強(qiáng)度相結(jié)合，提出聯(lián)合(1)(2)(3)式計(jì)算并取最小值的改進(jìn)計(jì)算式（4），避免室內(nèi)水泥土強(qiáng)度設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量脫節(jié)的弊端，有效解決了因?qū)嶒?yàn)強(qiáng)度和現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度差異帶來(lái)的工程問(wèn)題.因此，攪拌樁復(fù)合地基承載力也可以用下式計(jì)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(shí)，β=0；m為置換率；Rs為樁間天然地基承載力（kPa）.