深层搅拌桩加固昆明泥炭质土的试验研究

张 帆 李向红 孙 伟 王志良 丁祖德 李永迪

1. 上海隧道工程有限公司 上海 201108；2. 昆明理工大学 云南 昆明 650031

1 概述

泥炭质土是经过长期演化而形成的，是腐殖质、动植物残体与矿物成分掺杂的特殊土壤。天然泥炭质土一般呈酸性，pH值为6左右，具有高孔隙率、高含水率、高压缩性、高有机质含量、低容重、低强度等特征。泥炭质土广泛分布于昆明及其周边区域，滇池作为盆地内湖泊沉积区，是性状典型、层厚较深、纵向分布多样的泥炭质土覆盖区域[1]。近年来，随着昆明城市建设的快速发展，轨道交通、高速公路、铁路工程及市政道路等基础设施项目日趋增多，大量工程建设穿越泥炭质土层是不可避免的。由于泥炭质土的特殊工程特性，将其作为承载地基的工程，易发生失稳、沉降过大等问题，故须对其进行加固处 理[2-4]。因此，对深层搅拌桩加固泥炭质土的力学性质进行试验研究，具有非常重要的理论和工程应用价值。

深层搅拌桩作为软土地基加固的常用方法，通常以水泥作为主要固化剂，利用水泥与土体之间的物理、物理化学或化学作用，使土体形成具有一定强度和水稳定性的水泥加固土[5]。水泥中含有大量的Si4＋、Ca2＋及其他离子，在水泥土固化结构形成过程中，这些离子所构成的矿物熟料作为反应物反应之后最终形成水化产物，一方面加强自身的胶结强度，另一方面持续水化生成的结晶物质作为固化土骨料支撑结构。

泥炭质土层中富含的有机质会对水泥土强度产生不利的影响。其中，Ca2＋容易被胡敏酸（泥炭质土中有机质的主要成分之一）消耗并产生沉淀[6]，而沉淀物无法为固化土强度提供支持。同时，富里酸（泥炭质土中有机质的另一种主要成分）一方面附着于水泥表面，导致水化反应难以发生，另一方面对含铝水化产物（水化铁铝酸钙、水化铝酸钙等）具有较强的分解能力[7]，导致水泥胶凝硬化受阻，强度低且硬化时间被延长。因此，将水泥作为固化剂加固泥炭土地基时，加固后的土体强度往往难以达到预期目的。宁波某中学宿舍采用水泥搅拌桩复合地基，由于局部含有高达15%的有机质，致使复合地基静载试验标准值仅为75 kPa，远小于其设计取值[8]。在江门滨江大道的施工过程中，局部地段由于泥炭土的存在导致水泥搅拌桩无法成形，无法达到设计标准[9]。大理开发区某8幢住宅的泥炭质土地基采用深搅法处理，最大沉降达857 mm，影响其正常使用[10]。

为提高水泥固化泥炭土的强度，本文结合昆明市轨道交通2号线某车站坑底加固工程，开展深层搅拌桩加固泥炭质土的试验及加固效果比较研究。将无侧限抗压强度作为评价泥炭质土加固效果的指标，考虑泥炭质土不同深度、施工工况及固化剂方案等因素的影响，分析泥炭质土的固化机理，为泥炭质土地区的地基加固处理提供借鉴。

2 泥炭质土加固地层的基本物理指标

昆明市轨道交通2号线某车站深层搅拌桩加固工程，加固深度范围内土层的分布情况依次为：人工填土（厚约6.0 m）、粉质黏土（厚约2.0 m）、泥炭质土（厚约3.0 m）、粉砂（厚约6.0 m）、泥炭质土（厚约2.0 m）、粉砂（厚约4.0 m）、泥炭质土（厚约2.0 m）、粉质黏土（厚约1.8 m）、泥炭质土（厚约2.5 m）。

针对加固范围内不同深度的泥炭质土进行了室内试验，得到各土层的物理力学指标，如表1所示。由表1可知：该土层具有天然容重小（11.9～13.1 kN/m3）、孔隙比大（2.90～4.39）、天然含水率高（155.5%～241.8%）、有机质含量高（35.5%～74.3%）、压缩系数大（3.23～ 4.33 MPa-1）等特点，工程性质较差、承载力较低，对工程沉降、稳定性影响显著。

表1 不同深度泥炭质土的基本物理参数

不同埋深泥炭质土（18、24、27 m）过0.075 mm水筛后，剩余质量均小于原质量的5%。为便于分析泥炭土的加固效果，采用LS3-320激光粒度仪对粒径≤0.075 mm的泥炭质土样进行了粒径分析，所得粒径级配曲线如图1所示。

图1 不同埋深泥炭质土粒径级配曲线

由于泥炭质土的平均粒径较小，故要提高水泥固化土的强度，包裹泥炭质土团粒所需水泥浆液量较大。在深层搅拌作用下，泥炭质土可以与相邻土层进行置换，如粉砂层、粉质黏土层等，能够提高加固土层的平均粒径，增强加固效果。

3 试验方法

通过现场钻芯对深层搅拌桩试验加固场地进行取样，钻芯圆柱直径为80 mm（图2）。

将试块的无侧限抗压强度作为评价其加固效果的指标，对加固28 d后的固化泥炭质土试样，采用万能试验机进行室内试验加载（图3），并用Test Expert version3.6数据收集系统进行数据采集。

考虑到试样强度的形状和尺寸效应及现场取出芯样的具体形状和尺寸[11]，压缩试样取为高径比等于1.0的圆柱体试件，以便于统计试件的形状和尺寸。为确保试件的高径比为1，芯样切割时应保持固定，锯切平面保证与芯样轴线垂直（图4）。

图2 现场取样

图3 试样压缩过程

图4 试件切割

将水泥作为主要固化剂，氯化钠作为外加剂，分析泥炭质土层深层搅拌桩加固后的力学特征。为分析不同水泥强度等级对加固泥炭质土的效果，分别选用P·O 42.5和 P·O 52.5的东骏牌水泥，其掺入量为天然土体质量的30%。为分析外加剂氯化钠对固化泥炭质土的影响，选取掺入量为5.5%和无掺入量2种情况进行试验。考虑泥炭质土加固的实际情况及深层搅拌桩施工工艺的影响，选取六喷六搅和八喷八搅2种施工工艺。

4 试验结果分析

不同埋深的昆明泥炭质土具有不同的物质组成及物理力学性质，为研究深层搅拌桩对不同埋深泥炭质土的加固效果，对埋深分别为18、24 m和27 m的加固泥炭质土样（P·O 42.5水泥＋NaCl＋8搅），进行了无侧限抗压强度试验，试验结果如图5所示。

图5 不同埋深加固泥炭质土的无侧限抗压强度

由图5可知，随着泥炭质土埋置深度的增加，其地应力也逐渐增加，固化土体的强度也不断增大，深层搅拌桩加固效果越好。土体埋深从18 m增加至27 m，加固泥炭质土强度从2.56 MPa增大至3.80 MPa，增加48.4%，均远大于设计值。

针对本文所提出的不同加固工况条件下，埋深为24 m的土体试样，分别进行了无侧限抗压强度试验，试验结果如图6所示。由图6可知，对于不同的深层搅拌桩施工工艺，由于八喷八搅的方案比六喷六搅喷射次数多，水泥浆与土体混合更加充分，故其加固效果要明显优于六喷六搅。对于“42.5水泥＋NaCl＋8搅”的方案，其加固后的强度比“42.5水泥＋NaCl＋6搅”的方案增加了12.8%。对于不同水泥强度等级的影响，水泥强度等级越高，其加固泥炭质土的效果越好，“52.5水泥＋NaCl＋8搅”加固方案的固化泥炭质土强度要大于“42.5水泥＋NaCl＋8搅”方案，其无侧限抗压强度增加了10.0%。而早强剂NaCl对深层搅拌桩加固泥炭质土的影响并不显著。

图6 不同工况下加固泥炭质土的无侧限抗压强度

图7为室内泥炭质土加固试验与现场深层搅拌桩试验的应力-变形曲线对比。由图7可知，现场深层搅拌桩试验的无侧限抗压强度要远大于室内加固试验。深层搅拌桩加固试验，一方面由于深层搅拌的置换作用，能够有效降低泥炭质土中的有机质含量，从而限制了其对水泥水化反应的抑制作用，提高了加固土体的强度；另一方面泥炭质土的孔隙率非常大，深层搅拌置换作用能够对加固土体进行有效填充，从而达到物理加固的效果。

图7 典型加固泥炭土试样应力-变形曲线对比

将两者的应力-位移变形曲线进行对比可以发现，室内加固试样表现出无侧限抗压强度低、竖向压缩量大且塑性变形显著的特点；而现场深层搅拌桩加固试验则无侧限抗压强度高、加固效果较好，在达到抗压强度前，应力与变形近似呈线性关系，达到抗压强度后应力迅速下降，表现为脆性破坏。

5 结语

结合昆明市轨道交通2号线某车站坑底深层搅拌桩加固工程，将无侧限抗压强度作为评价其加固效果的指标，考虑泥炭质土埋置深度、水泥强度等级、深层搅拌桩施工工艺等因素的影响，探讨了昆明泥炭质土层的加固效果，得到以下结论：

1）随着泥炭质=土埋置深度的增加，其地应力逐渐增加，固化土体的强度也相应增大，深层搅拌桩的加固效果也越好。

2）对于不同深层搅拌桩的施工工艺，由于八喷八搅的方案比六喷六搅喷射次数多，水泥浆与土体的混合更加充分，加固效果要明显优于六喷六搅，其加固后的强度增加了12.8%。

3）水泥强度等级越高，其加固泥炭质土的效果越好，“52.5水泥＋NaCl＋8搅”加固方案的固化泥炭质土强度要大于“42.5水泥＋NaCl＋8搅”方案，其无侧限抗压强度增加了10.0%。

4）现场深层搅拌桩试验的无侧限抗压强度要远大于室内加固试验。室内加固试样表现出强度低、压缩量大且塑性变形显著的特点；而深层搅拌桩加固试样则表现为脆性破坏，在达到抗压强度前，应力与变形近似呈线性关系。