新型软土固化剂对淤泥质软基固化效果研究

 新型软土固化剂对淤泥质软基固化效果研究

罗洁1  舒本安2  刘宪林3

1 佛山市建盈发展有限公司  佛山 528000

2. 佛山市交通科技有限公司  佛山 528000

3. 广西新祥高速公路有限公司  崇左 532201

摘要：本文开展了不同水泥掺量与不同新型软土固化剂掺量的室内对比试验与室外试桩试验，并结合不同搅拌工艺，研究新型软土固化剂对流塑性淤泥质软土地基固化效果的影响。试验结果表明：在相同掺量条件下，无论是室内对比还是室外试桩，新型软土固化剂对流塑性淤泥质软土地基的固化效果均优于水泥。搅拌工艺为四搅时，搅拌桩的成桩效果最佳。不同新型软土固化剂掺量条件下，固化材料成桩完整性优异，且随掺量的增加桩体抗压强度呈增长趋势，为保障强度富余系数及施工保障率，建议新型软土固化剂的掺量控制在50kg/m以上。

关键词：流塑性淤泥质软土；新型软土固化剂；固化效果；搅拌工艺

Research on Solidification Effect of a New Type of Soft Soil Hardener on Muddy Soft Soil Foundation

LUO Jie 1, SHU BenAn 2, LIU XianLin 3

(1. Foshan Jianying Development Co., Ltd., Foshan 528000; 2. Foshan Transportation Science and Technology Co Ltd., Foshan 528000; 3.Guangxi Xinxiang Expressway Co Ltd., Chongzuo 532201)

Abstract:In this paper, the indoor comparative test and outdoor pile test of different cement content and different content of new type of soft soil hardener were carried out, and the influence of new type of soft soil hardener on the consolidation effect of rheoplastic mucky soil foundation was studied in combination with different mixing technology.The test results show that the improvement effect of new type of soft soil hardener on the rheoplastic mucky soil foundation is better than that of cement under the same dosage, no matter in the indoor contrast test or the outdoor pile test. When the mixing technology is four mixing, the pile forming effect of the mixing pile is the best. Under the condition of different dosage of new type of soft soil hardener, the solidified material has excellent pile forming integrity, and the compressive strength of soil increases with the increase of dosage. In order to ensure the strength surplus coefficient and construction guarantee rate, it is recommended that the mixing amount of new type of soft soil hardener be controlled above 50kg/m.

Key word:rheoplastic mucky soil; new type of soft soil hardener; solidification effect; mixing technology

在工程建设领域中，土体固化剂作为专门用以固结土体的工程材料，在国内外被广泛应用。传统水泥材料固化剂可有效改善软土的土体特性，提高普通软土地基的地基强度[1-3]。但研究与工程实践表明[4-6]

，对于含水量高、有机质含量高、孔隙比大的流塑性淤泥质软土，以掺入常规掺量的水泥时，流塑性淤泥质软土地基固化后的强度偏低，施工过程中会出现难以成桩的现象，固化效果不明显；当以增加水泥掺量的方式提高水泥土强度时，则导致软基处理工程造价较高。

由于传统水泥材料固化剂在流塑性淤泥质软土地基中应用中存在上述不足，研究一种新型固化材料用以改善流塑性淤泥质软土性质，具有非常重要的现实意义。

近年来，国内外学者在新型软土固化材料的研发与应用方面取得了许多有益成果[7-16]。为评估新型软土固化剂在淤泥质软土地基中的固化效果，进一步推动新型软土固化剂的工程应用发展，本文通过设计室内配合比试验、室外试桩试验来对比传统水泥材料固化剂与新型软土固化剂对淤泥质软土地基的固化强度影响，探索不同搅拌工艺对成桩完整性影响，分析新型软土固化剂的掺量对淤泥质软土固化作用规律，并在此基础上初步确定当设计桩径一定时，可应用于工程实践的新型软土固化剂掺量。

1试验原材料与方案

1.1 试验原材料

（1）水泥：试验采用的水泥为PO.42.5普通硅酸盐水泥，其性能指标见表1：

（2）新型软土固化剂：采用佛山市交通科技有限公司自主研发的新型软土固化剂，材料符合CJ/T 526-2018《软土固化剂》性能指标要求，具体指标列于表2。

（3）淤泥质软土：淤泥质软土的土工参数如表3所示。

表1 水泥的组成成分（%）

Tab.1 Composition of cement (%)

表2新型软土固化剂性能指标

Tab.2 Performance index of new type of soft soil hardener

表3 淤泥土土工参数

Tab.3 Geotechnical parameters of mucky soil

1.2 试验方案

本试验以设计桩径为0.5m开展相关研究。

1.2.1室内配合比验证试验

在试桩试验前对水泥材料与新型软土固化剂材料开展了室内配合比验证试验。设计水胶比为0.6，并根据《水泥土配合比设计规程》JGJT 233-2011规范要求，采用水泥胶砂搅拌机（如图1）搅拌设备，在保障土壤浆液理想均匀性情况下进行固化效果对比验证。分别研究水泥掺量15%（相当于搅拌桩50kg/m）、19%（相当于搅拌桩65kg/m）时，新型软土固化剂掺量为15%（相当于搅拌桩50kg/m）时，水泥、新型软土固化剂的初始流动性、高温稳定性与土体的固化强度。

1.2.2搅拌工艺对成桩完整性影响试验

以新型软土固化搅拌桩为研究对象，分别采用两搅、四搅、六搅工艺开展试验，研究搅拌工艺对流塑性淤泥质软土地基固化效果的影响。搅拌设备如图2所示。

1.2.3 室外试桩对比试验

基于室内材料配合比验证结果与搅拌工艺的对淤泥质软土固化效果的影响情况，进一步开展水泥搅拌桩与新型软土固化搅拌桩现场试验验证，分别研究了当设计桩径为0.5m时，水泥掺量和新型软土固化剂掺量为65kg/m和80kg/m情况时，使用最优搅拌工艺，不同龄期下水泥搅拌桩与新型软土固化搅拌桩的桩体抗压强度。并以掺量为65kg/m的水泥搅拌桩与新型软土固化搅拌桩为研究对象，研究水泥搅拌桩与新型软土固化搅拌桩不同层位下（上、中、下层）的成桩均匀性。

1.2.4新型软土固化剂掺量影响试验

采用最优搅拌工艺，研究设计桩径为0.5m时，新型软土固化剂掺量为50kg/m、65kg/m、80kg/m、100kg/m情况下新型软土固化搅拌桩的桩体抗压强度，并确定最优掺量。

表4 室内固化效果对比表

Tab.4 Comparison table of indoor curing effect

3结果与分析

3.1室内验证试验结果分析

由表4结果可知，在室内高速拌和及最优均匀度条件下，水泥掺量为50kg/m时，28d无侧限抗压强度无法满足固化强度设计要求，当水泥掺量为65kg/m时，28d无侧限抗压强度可达到规范及设计基本要求，但其流动性和28d无侧限抗压强度富余度较低。新型软土固化剂掺量为50kg/m时，流动性、7d、28d无侧限抗压强度均具备较好的性能富余度。

通过对比试验结果可知，新型软土固化剂渗透流动性满足施工性能要求，且效果优于水泥。以掺量为50kg/m的新型软土固化剂与65kg/m的水泥为研究对象，新型软土固化剂初始流动度较水泥提升了44%，高温稳定性较水泥提升了67%。新型软土固化剂可更好的渗入淤泥质软土孔隙中发挥固化作用，且浆液稳定性好，堵管风险低，更适合高温环境下的泵送。

新型软土固化剂对淤泥质软土固化效果优于水泥。以掺量同为50kg/m新型软土固化剂与水泥为研究对象，新型软土固化剂固化土早期强度较水泥提升了175%，后期强度较水泥提升了167%，表明新型软土固化剂固化土具备缩短搅拌桩施工周期的潜力，同时新型软土固化剂固化土的室内强度远超设计要求，存在降低掺量的可能性。

3.2搅拌工艺对成桩完整性影响分析

由表5的试验结果可知，搅拌工艺为两搅、四搅、六搅时，所有新型软土固化搅拌桩的成桩完整性均表现优异。两搅工艺：成桩完整性良好，由于降低了钻进速度且增大了泵流量，导致施工时出现反浆现象，施工效率为34.6min；四搅工艺：成桩完整性良好，施工过程正常，施工时未出现反浆、抱钻，施工效率满足要求，为36.2min；六搅工艺：成桩完整性良好，施工过程正常，但单桩施工时间长，施工效率降低，为50.7min。

表5.搅拌工艺对成桩质量的影响

Tab.5 Influence of mixing process on pile forming quality

新型软土固化搅拌桩所有芯样的完整性均表现优异。新型软土固化搅拌桩将固化材料掺量降低至50kg/m时仍具有优异的成桩完整性。常规水泥搅拌桩断面常出现土与水化产物间的明显界限，搅拌均匀性和芯样均质性较差。新型软土固化搅拌桩截面未发现明显软土与水化产物界限，搅拌均匀性良好，断面均质情况如图3所示。

由试验结果可知，采用四搅工艺不仅可以保障施工质量，且不影响施工效率，并在一定程度上改善了传统水泥搅拌桩在淤泥土和高粘性土等不良土质，在施工过程中发生的抱钻与反浆现象。四搅工艺对成桩完整性与成桩质量的提升起了重要的作用。

3.3室外试桩对比试验结果分析

当桩径为0.5m，水泥掺量为65kg/m、80kg/m时，新型软土固化剂掺量为65kg/m、80kg/m时，使用四搅搅拌工艺，水泥搅拌桩与新型软土固化搅拌桩在不同龄期下的抗压强度如图4所示（其中SN代表水泥，XX代表新型软土固化剂）。

水泥搅拌桩、新型软土固化搅拌桩的桩体抗压强度随着掺量的增加不断增加。掺量相同时，新型软土固化搅拌桩无论早期还是后期强度均高于设计要求，且显著高于水泥搅拌桩。当掺量为65kg/m时，新型软土固化搅拌桩早期与后期强度均较水泥搅拌桩分别提升了119%与87%。；掺量为80kg/m时，早期与后期强度提升了70%与43.8%。当新型软土固化剂掺量为65kg/m时，不同龄期下的新型软土固化搅拌桩的抗压强度均高于掺量为80kg/m的水泥搅拌桩，由此可见与水泥相比，新型软土固化剂对淤泥质软土的抗压强度更高，固化效果更佳。

图4不同材料掺量下抗压强度变化规律

Fig.4 Change law of compressive strength under different material content

以65kg/m掺量的水泥搅拌桩与新型软土固化搅拌桩为研究对象，分析其成桩均匀性。不同龄期下单桩不同层位抗压强度如图5所示（其中SN代表水泥，XX代表新型软土固化剂，1、2、3分别代表上、中、下层）。

图5不同层位桩体强度示意图

Fig.5 Schematic diagram of pile strength at different layers

65kg/m掺量情况下，水泥搅拌桩上、中、下三层芯样的56d、70d抗压强度为均值1.63MPa与2.43MPa，新型软土固化搅拌桩上、中、下三层芯样的56d抗压强度均值为3.3MPa与4.56MPa。当56d龄期时，新型软土固化搅拌桩的各层芯样的抗压强度浮动不超过均值的10%，水泥搅拌桩的各层芯样的抗压强度浮动不超过19%；当70d龄期时，新型软土固化搅拌桩的各层芯样的抗压强度浮动不超过均值的25%，水泥搅拌桩的各层芯样的抗压强度浮动不超过39%。由试验结果可知，新型软土固化桩的单桩上、中、下层的抗压强度差异小，均匀性较好。

3.3新型软土固化剂掺量对抗压强度的影响分析

当桩径为0.5m，新型软土固化剂掺量（50kg/m、65kg/m、80kg/m、100kg/m）对淤泥质软土路基强度的影响结果如图6所示。所有新型软土固化搅拌桩的后期强度显著高于设计强度，龄期为14d时，抗压强度就已超过设计强度（28d无侧限抗压强度不小于0.8MPa）。

图6新型软土固化剂的掺量对抗压强度的影响

Fig.6 Influence of content of new type of soft soil hardenerl on compressive strength

由图6可知，随着龄期的增加，新型软土固化桩的抗压强度不断增加，其中50kg/m掺量的新型软土固化桩14d早期强度和56d后期强度分别为0.92MPa和3.03MPa，56d较14d提升了229%。

当新型软土固化桩龄期相同时，抗压强度随着新型软土固化剂的掺量增加而增加。65kg/m、80kg/m和100kg/m掺量的新型软土固化桩较50kg/m掺量的强度分别提升8%、22%和43%。

不同掺量条件下新型软土固化剂成桩完整性良好，并随掺量增加呈增长趋势，考虑强度富余系数及施工保障率，当设计桩径为0.5m时，建议新型软土固化剂的掺量应控制在50kg/m以上。

4 结论

本文开展了不同掺量情况下的水泥材料与新型软土固化剂对淤泥质软土固化效果影响的室内试验及室外试桩试验，探究了新型软土固化剂掺量与搅拌工艺对淤泥质软基的固化效果影响，明确新型软土固化剂的最低掺量。结论如下：

1）四搅工艺可在一定程度上改善了传统水泥搅拌桩在淤泥土、高粘性土等不良土质施工过程中发生的抱钻、反浆现象，明显提升了成桩完整性与成桩质量。

2）当掺量与搅拌工艺相同的情况下，不同龄期下的新型软土固化搅拌桩的抗压强度均高于水泥搅拌桩。掺量为65kg/m时，新型软土固化搅拌桩的后期强度较水泥搅拌桩提升了87.5%。与水泥相比，新型软土固化剂对淤泥质软土的强度更高，固化效果更佳，且单桩上、中、下层抗压强度差异小，均匀性好。

3）新型软土固化搅拌桩的芯样成桩完整性均表现优异。随着龄期的增加，新型软土固化搅拌桩的抗压强度不断增加。相同龄期条件下，抗压强度随着新型软土固化剂的掺量增加而增加。新型软土固化搅拌桩具有早强高强性，当掺量50kg/m时，14d强度达到0.92MPa，超过设计要求，后期强度也显著高于设计要求。当设计桩径为0.5m时，建议新型软土固化剂的掺量控制在50kg/m以上。

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基金项目：交通运输行业重点科技项目（编号：2020-MS1-003）

作者简介：罗洁（1996-），女，硕士研究生。