加固高含水量含有机质淤泥质土的设计优化分析

摘 要：通过某码头护岸工程采用高压旋喷注浆法（简称旋喷桩）加固淤泥质土的工程案例，讨论旋喷桩加固高含水量含有机质淤泥土的不足和提出采用粉喷桩配合新的固化材料加固此类淤泥质土的设计，为类似项目设计提供借鉴。

关键词：旋喷桩 粉喷桩 复合地基 有机质 综合含水量

1.前言

海南省某码头位于滨海地带。其护岸局部段设计采用高压旋喷桩进行加固处理，以满足护岸的抗滑稳定性。处理土层为淤泥质珊瑚礁和淤泥质粉质粘土。淤泥质珊瑚礁的含水量大，淤泥质粉质粘土含水量大且含有机质。目前，国内外没有专门针对高压旋喷桩加固淤泥质珊瑚礁土的工程研究，对高压旋喷桩加固含有机质淤泥质土质的研究也不多。

2.工程概况及地质条件

护岸加固工程，主要通过高压旋喷注浆法来提高土层的物理力学指标，达到提高护岸抗滑稳定性的目的。根据地质勘查报告，需加固土层自上而下为：

（1）淤泥质珊瑚礁：层厚平均7.42m。灰色，浅灰色，松散状，主要由淤泥质土夹杂珊瑚礁碎块及中粗砂等组成，珊瑚礁碎块含量约占30～80%，局部中粗砂含量较高。

（2）淤泥质粉质粘土：层厚平均7.19m。灰色，灰黑色，流塑～软塑，含腐殖质，粘性一般，干强度中等，中等韧性，土质不均，局部夹粉细砂薄层（表1）。

3.高压旋喷桩设计

本加固工程主要是通过提高土层（淤泥质珊瑚礁、淤泥质粉质粘土）的物理力学指标来提高护岸抗滑稳定性。施工图见图1。

（1）高压旋喷桩的主要设计参数如下：旋喷桩水泥用量不少于200kg/m，普通硅酸盐水泥强度等级为PO32.5，早强剂氯化钙掺入量不少于水泥用量的0.2%。

（2）现场试桩典型施工。现场试验的目的主要是确定成桩的直径和喷射的技术参数（喷嘴直径、提升和旋转速度等）以及加固体的强度。

（3）钻芯法检测结果。检测旋喷桩桩身完整性及桩身力学性质指标。检测结论为：本次共检测4根高压旋喷桩。根据勘察报告，桩所处地质从上至下为回填中粗砂、淤泥质珊瑚礁、淤泥质粉质粘土和粉质粘土。从钻芯试验情况来看，旋喷桩成桩28d后，中粗砂层胶结较好；淤泥质珊瑚礁层均没有与水泥浆形成胶结状态，不含水泥土。淤泥质粉质粘土层芯样胶结较差，少部分水泥土呈软弱柱状，大部分呈块状、松散状；粉质粘土层胶结情况较好。综上所述，桩身完整性、均匀性和连续性较差。不能满足设计要求。芯样图见（图2）。

4.旋喷桩成桩影响因素分析

影响旋喷桩质量的因素主要有①拟加固原状土的土质和特性；②水泥等固化料的成分、种类和掺合量；③养护环境条件及龄期；④拟加固原状土的含水量、渗透性和施工工艺及水泥浆的水灰比。结合工程实际情况分析得出，影响本工程旋喷桩成桩质量的因素主要有以下二种：

（1）土的综合含水量。综合含水量是原状土所含水量和水泥浆液中水量的集合，对水泥土物化反应有较大影响。土中的充足水分为水泥进行水化反应及与土进行化学反应提供了潮湿的环境，但过量的水反而不利于水泥土强度的增长。据有关研究表明，水泥加固土的28d龄期的最佳综合含水量平均在30%。本工程拟加固淤泥质珊瑚礁和淤泥质粉质粘土长期处于海平面以下，含水量分别为42.76%和40.93%。由于水泥土物化反应过程中的综合含水量包括天然软土中的含水量和加固灌入水泥浆中的水量，因此加固后的水泥土综合含水量均在45%以上。加固土中多余的水分无法通过蒸发和渗透等途径排出，加固体中多余出来的水量会留在水泥土加固体中，阻碍了水泥土强度的发育和提高。

（2）土的化学性质。淤泥质粉质粘土层呈灰色，灰黑色，流塑～软塑，含腐殖质。有机质对于淤泥的固化效果有明显的影响，主要是由于淤泥中的有机质能延缓水泥水化的过程，并能破坏水泥土结构的形成。使土样具有酸性，这些因素都阻碍水化反应的进行。从检测结果来看，在淤泥质粉质粘土中的桩体，其完整性、均匀性及连续性均较差，远不能满足设计要求值。对有机质含量高的软土，单纯用水泥加固的效果较差。

5.设计优化思路

（1）降低土的综合含水量。研究表明，当水泥土配比相同时，其强度随土样的天然含水量的降低而增大，当土的含水量在50%～80%之间变化时，含水量每降低10%，水泥土强度可提高30%。日本曾进行过一组试验，在饱和粘土中分别加入相当于干土重30%的水泥粉、水泥浆、生石灰三种不同的固化剂。养护21d后，经强度试验得出：加固土中掺水泥粉的水泥土试样是掺水泥浆试样强度的2～3倍，见图3。粉喷桩不会增加原状土的含水量，且在水化反应中消耗原状土中的水，综合含水量降低。粉喷桩的成桩效果和强度会比同条件下浆喷桩好。

（2）降低土中有机质对成桩的影响。据范昭平等研究表明，对于有机含量较高的淤泥进行固化处理时，采用水泥石膏复合型固化材料的固化效果要明显高于采用单一水泥的固化效果。有机质含量较高淤泥的石膏最佳掺入比要大于有机质含量较低的淤泥，并且，石膏对于有机质含量较高的淤泥的固化强度的提高效果更加显著。试验表明，石膏的增强作用与石膏的掺入量关系密切。不同的土质对应不同的掺入比。一般为水泥用量的20%，也有低于20%和高于30%。最佳掺入比需经过室内试验（必要时配合现场试验）确定。

（3）水泥标号对强度的影响。水泥土的无侧线抗压强度随水泥强度标号的提高而提高，有试验表明当水泥标号从PO32.5提高到PO42.5，则水泥土的强度可以提高30%～50%。

6.粉喷桩设计思路

加固的目的是为满足规范对护岸抗滑稳定性要求，故采取以下设计思路：

（1）根据土质条件、固化剂掺量、室内配比试验资料和现场工程经验确定水泥掺入量及有关施工参数。

（2）根据桩土面积置换率，计算复合地基的粘聚力和内摩擦角。并按新的土层参数计算护岸抗滑安全系数。

（3）根据桩土面积置换率，进行桩的平面布置。

7.粉喷桩设计参数

（1）确定桩径为500mm，正方形布置。粉喷桩施工断面图见图4。

（2）确定28d龄期抽芯强度为1.2MPa。

（3）水泥采用PO42.5。设计置换率为19.6%，水泥掺入量为80kg/m。

（4）需先确定淤泥质粉质粘土层有机质含量，再结合室内试验和现场试验确定石膏的掺入量。

8.结论

（1）虽然高压旋喷桩处理技术较成熟，世界范围内的工程案例也较多，但是处理一些高含水量、含有机质的软弱土层时效果较差，达不到设计要求。因而，处理高含水量、含有机质淤泥的方法可以由浆喷法改为粉喷法。在这种条件下，粉喷法的效果优于浆喷法。

（2）对高含水量、含有机质的淤泥进行加固处理时，采用水泥-石膏复合型固化材料的固化效果要明显高于采用单一水泥的固化效果。据范昭平等研究发现，有机质含量越高，石膏的作用也显著。

参考文献：

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