摘要
马来西亚东海岸铁路项目拟采用水泥搅拌桩加固滨海深厚泥炭土地基，该工法的关键是确定水泥配合比和添加剂。针对滨海泥炭土有机质含量高、环境酸性强等特点，开展泥炭土的物理力学试验，设计并实施多组配合比和影响因素下水泥土室内单轴压缩试验。试验结果表明：当水灰比从 0.5 增加到 0.9，平均抗压强度减小了 0.35 MPa；加入矿粉的固化效果较差，而加入粉煤灰或石膏后效果明显 ；加入固化剂后，7 d 强度出现增长，早期强度平均增加了 189.29%；与普通硅酸盐水泥相比，抗硫酸盐水泥对泥炭土的固化效果增加了 9.5%；对比软可塑粉质黏土，该技术对泥炭土的固化效果更佳，平均抗压强度增加了 127%。
Abstract
The cement mixing pile is used to reinforce the deep peat soil foundation in Malaysia's east coast railway construction. The key in this project is to determine the cement mix proportion and additives. Considering the high organic matter content and strong environmental acidity of coastal peat soil, physical and mechanical tests of peat soil and laboratory uniaxial compression tests of cement soil under different mix proportions and influencing factors were conducted. Test results show that the mean compressive strength decreases by 0.35 MPa with the increase in cement-water from 0.5 to 0.9. Adding mineral powder gives a relatively poor curing effect while adding fly ash or gypsum contributes an obvious improvement. The curing agent increases the early strength by about 189.29% with strength beginning to increase from 7 d. Compared with ordinary Portland cement, sulfate-resistant cement increases the curing effect on peat soil by 9.5%, and this technique shows a better curing effect on peat soil with an increase of the mean compressive strength by 127% compared with soft plastic silty clay.
Keywords
0 引言
水泥搅拌桩是目前加固各种成因饱和软黏土最成熟、最常见的处理方法[1-4]，常用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土等软弱地基的加固[5-7]。水泥搅拌桩以不同水泥为加固剂，利用混合设备将其与原位地基土强制混合，使软土和加固剂发生一系列反应，减少土中的自由水量，生成强度较高的水合物，将软土硬化为具有一定强度的优质地基，以满足上部建筑物的支撑力及变形要求[8-10]。滨海相软土场地形成的水泥土加固体自形成起即受到腐蚀介质的侵蚀[11]，特别是当存在泥炭土这类由腐殖质和矿物质组成的特殊土时，由于泥炭土具有高含水率、孔隙比、压缩性、流变性和有机质含量以及低强度等特点[12-14]，与其他软土有显著区别，存在比较明显的强度衰减、渗透性增大等劣化现象，其固化机理和影响因素较普通软黏土地基更为复杂，值得进一步深入研究[15-18]。马来西亚东海岸铁路项目所在地区的地质情况较差，且富含泥炭土，为了工程的安全开展，保证工程质量，需要对现场泥炭土性质进行分析，为后续设计和施工提供参考。因此，本文基于马来西亚东海岸铁路项目，对滨海泥炭土腐蚀场地的侵蚀特征进行调查研究，原位开挖现场土样，开展泥炭土的物理性质试验，实施多组配合比和影响因素下水泥土室内单轴压缩试验，系统研究滨海相场地形成的水泥土固化机理及影响因素。
1 工程概况及工程地质条件
1.1 工程概况
马来西亚东海岸铁路项目位于西马来西亚半岛，沿线软基处置长度超过 200 km，滨海区域泥炭土层广泛分布，厚度主要集中在 10~20 m，局部厚度达到 40 m。泥炭土层中有机质含量高、厚度不均匀且存在夹层，地质条件复杂。通过设计综合比对，拟采用深层水泥搅拌桩法处置泥炭土地基。为确定不同地质条件和处理深度的水泥搅拌桩施工参数及处理效果，选取 5 个分部试桩段落，现场原位开挖代表性土样，进行泥炭土的物理力学试验和室内配比试验，为设计和施工提供相关技术参数。
1.2 泥炭土的物理性质试验
原位取样后，开展表层腐殖土及淤泥质粉质黏土的有机物含量测试以及淤泥质粉质黏土的液限及塑限测试，结果如表1 所示。对于有机质含量大于 10% 的泥炭土，对应的 pH 值为 5~6，呈酸性。
2 固化机理
泥炭土主要成分是有机质（如植物残体、腐殖质、微生物等）和其他无机成分（如矿物质、水分和空气等）。其中，植物残体是最主要的有机成分，经过分解作用后，形成了腐殖质[19]，腐殖质含有丰富的有机物质（如蛋白质、糖类、脂肪等），泥炭土中的矿物质主要来自土壤中的沉积物和降解的岩石（如硅酸盐、钾、钙、镁、铁等）。
表1 土的物理性质
Table1 Physical properties of soil
水泥水解和水化反应、黏粒与水化物反应（包括离子交换、团粒化作用及凝硬反应）和碳酸化反应这 3 个过程是水泥土固化过程中主要发生的。生成物主要有氢氧化钙[Ca（OH）2]、硅酸钙水化物（C—S— H）、铝酸钙水化物（C—A—H）、铁铝酸钙水化物 （C—A—F）及碳酸钙（CaCO3）等。
2.1 水泥的水解和水化反应
水泥颗粒与水分子相互作用，发生一系列化学反应，通过和水反应形成具有胶结作用的化学键并与其他离子物理交联并固化，再通过与硅酸盐等进行水化反应生成其他必要物质，最终形成硬化混凝土。
2.2 黏土颗粒与水泥水化物的作用
水泥搅拌桩的黏粒与水泥水化物之间形成物理交联，同时，黏土颗粒作为辅助，可以催化水泥水化作用，且黏土颗粒具有吸附能力，具有分散均匀并促进早期水化反应的效果。相互作用增强了水泥搅拌桩强度和耐久性，提高其抗裂性能、抗渗能力、耐久性和承载能力[20]。
2.3 碳酸作用
水泥与土搅拌混合过程中，水泥和含有二氧化碳的空气发生碳酸化反应，会释放钙离子从而降低 pH 值，有腐蚀作用，还会产生二氧化碳气泡导致空隙率增加。碳酸化会分解水泥中主要生成的硅酸钙，导致材料强度等性能下降，对结构承载能力造成影响。
3 不同影响因素和配合比的试验研究
3.1 试验方案及方法
制备水泥土试样前，先对土样进行预处理。首先去除土中杂质，混合后加入一定量海水，其中海水中主要无机盐的质量分数为 Cl- （19.10 g/kg）、Na+ （10.62 g/kg）、SO4 2- （2.66 g/kg）、Mg2+ （1.28 g/kg）、 Ca2+ （0.40 g/kg）和 K+ （0.38 g/kg），然后使用混合搅拌机进行搅拌，将含水率调至液限。然后，取出调制后的适量土样与水泥及外加剂搅拌形成水泥土后立即放入试验室进行养护（图1）。水泥土试样的直径为 25 mm，高度为 75 mm。不同试验组的养护时间分别为 7 d、14 d、28 d 和 56 d。对达到养护时间的试样实施单轴压缩试验，相同配合比进行 3~4 组平行试验，以提高试验结果准确度。
为研究水泥搅拌桩处理泥炭土的固化机理及影响因素，选择水灰比、水泥掺量、外加剂、水泥种类和土的种类 5 个因素进行分析，不同工况描述见表2。
图1 水泥土试样和单轴压缩试验
Figure1 Cement-soil sample and axial compressive tests
表2 工况描述
Table2 Description of operation condition
3.2 水灰比的影响
选取桩号 CH217+898 的弱泥炭土，水泥掺量为 24%，无外加剂，采用普通硅酸盐水泥，在水灰比为 0.5 和 0.9 时，不同龄期试件的抗压强度测试结果如图2 所示。
图2 不同水灰比对水泥土强度的影响
Figure2 Variation of cement-soil strength under different water-cement ratios
由图2 可知：对于水灰比为 0.5 的水泥土，随着养护时间的增加，其强度增长缓慢，而水灰比为 0.9 时，其强度随养护时间的增加而增加。总体上，两种水灰比加固下的强度经过 28 d 的养护时间均有所增长，水灰比为 0.5 和 0.9 的平均抗压强度分别为 1.41 MPa 和 1.06 MPa。水灰比的增加对水泥土的平均抗压强度有不利影响，当水灰比从 0.5 增加到 0.9 后，28 d 养护时间下的水泥土平均强度降低了 24.82%。
3.3 水泥掺量的影响
选取弱泥炭质土，无外加剂，采用普通硅酸盐水泥，在水灰比为 0.5 时，不同水泥掺量下试样的抗压强度结果如下。
（1）研究水泥掺量是总掺量的 100% 时，不同水泥掺量（25%、30%、35% 和 40%）对强度的影响。
图3 为不同水泥掺量对泥炭土强度的影响变化曲线（只含水泥，不含矿粉）。
图3 不同水泥掺量对泥炭土强度的影响
Figure3 Variation of cement-soil strength under different cement content
由图3 可知：随着水泥掺量的增加，其强度呈现增长或下降两种不同变化规律。掺量为 25% 和 30% 时，水泥土的抗压强度随养护时间的增长而增加。而掺量为 35% 和 40% 时，抗压强度随养护时间的增加有下降的现象。对于掺量为 25%、30%、35% 和 40% 的水泥土，56 d 抗压强度比 28 d 抗压强度分别增加了 29.0%、1.3%、21.6% 和-4.1%。可以看出，对于滨海泥炭土，30% 的水泥掺量是增加水泥土抗压强度的最优掺量。
（2）加入矿粉后[m（水泥）∶m（矿粉）=9∶1]，不同水泥掺量（25%、30%、35% 和 40%）对强度的影响。
图4 为加入矿粉后不同水泥掺量对泥炭土强度的影响变化曲线。
图4 加入矿粉后不同水泥掺量对泥炭土强度的影响变化曲线
Figure4 Variation of cement-soil strength under different cement content after addition of mineral powder
由图4 可知：随着水泥掺量的增加，其强度同样呈现增长或下降两种不同变化规律。掺量为 25% 时，随着养护时间增加，水泥土强度变化较小，56 d 的强度仅增加了 0.007 MPa。掺量为 35% 的水泥土抗压强度随养护时间的变化与掺量为 25% 的相似，但该水泥土到达 56 d养护时间后，强度增加了 0.130 MPa。掺量为 30% 时，水泥土随着养护时间增加，其抗压强度先增加后减小，到达 56 d 养护时间时，其抗压强度仅仅增加了 0.056 MPa，而对于掺量有 40% 的水泥土抗压强度随养护时间的变化与掺量为 30% 的相反，最终抗压强度仅增加 0.070 MPa。对于掺量为 25%、 30%、35% 和 40% 的水泥土，56 d 抗压强度比 28 d 抗压强度分别增加了-9.2%、-27.1%、-15.0% 和 81.9%。可以看出：25%~35% 水泥掺量时，加入矿粉后水泥土的抗压强度在前期有所增长，28 d 后有减小，而在 40% 水泥掺量下的水泥土，加入矿粉后出现相反趋势，28 d 后强度增长。
（3）加入粉煤灰后[m（水泥）∶m（粉煤灰）= 9∶1]，不同水泥掺量（30%、35% 和 40%）对强度的影响。
图5 为加入粉煤灰后不同水泥掺量对泥炭土强度的影响变化曲线。
图5 加入粉煤灰后不同水泥掺量对泥炭土强度的影响变化曲线
Figure5 Variation of cement-soil strength under different cement content after addition of fly ash
由图5 可知：加入粉煤灰后，随养护时间的增加，水泥土的抗压强度不断增长。同时，随着水泥掺量的增加，其强度不断增长。掺量为 40% 的水泥土在不同的养护时间的抗压强度表现较好，平均强度从 0.89 增加到 1.03 MPa。与未加粉煤灰相比，加入粉煤灰之后，28 d 后的强度得到了增长，从 0.81 增加到 1.03 MPa。加入粉煤灰具有减水作用，可减少需水量，提高密实性、流动性和塑性，考虑到泥炭土中含水量较大，粉煤灰对泥炭土强度影响较小。以 30% 水泥掺量为例，与没有加入粉煤灰相比，加入粉煤灰后 14 d 和 28 d的水泥土强度降低 24%~25%。
（4）加入石膏后[m（水泥）∶m（石膏）=6∶4]，不同水泥掺量（30%、35% 和 40%）对强度的影响。
图6 为加入石膏后不同水泥掺量对泥炭土强度的影响变化曲线。
图6 加入石膏后不同水泥掺量对泥炭土强度的影响变化曲线
Figure6 Variation of cement-soil strength under different cement content after addition of gypsum
由图6 可知：加入石膏后，随养护时间的增加，水泥土的抗压强度不断增长。随着掺量的增加，其强度不断增长。掺量为 40% 的水泥土在不同的养护时间的强度表现较好，平均强度出现增长趋势，从 0.95 增加到 1.21 MPa。与未加石膏相比，加入石膏之后，水泥土在 28 d 后的强度得到了增长，从 0.81 增加到 1.21 MPa。
3.4 外加剂的影响
采用水泥类型为 OPC52.5 且水灰比为 0.35，研究不同外加剂（固化剂和减水剂）对泥炭土强度的影响。图7 为不同外加剂在不同养护期龄对泥炭土强度影响的变化曲线。
图7 不同外加剂对泥炭土强度的影响
Figure7 Variation of cement-soil strength under different additives
由图7 可知：当加入 5% 的固化剂后，加固效果显著，14 d 强度基本已经稳定，而没有加固化剂的组，其强度随养护时间的增加而增加，28 d后，其强度仍可继续增长。28 d养护时间时的水泥土的平均抗压强度为 0.85 MPa。与不加固化剂的相比，加入固化剂后，7 d 强度出现增长，早期强度平均增加了 189.29%。
3.5 水泥种类的影响
图8 为泥炭土在不同水泥类型（16% 掺量）加固下的强度变化曲线。材料条件为：OPC52.5 和 0.5 的水灰比。
图8 泥炭土在不同水泥类型（16% 掺量）加固下的强度变化
Figure8 Variation of peat soil strength under different cements (cement content of 16%)
由图8 可知：普通硅酸盐水泥（OPC）和抗硫酸盐水泥（SRC）加固下的泥炭土，其强度随着养护时间的增加而增长。养护时间从 7 d 增加到 28 d 时，普通硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥加固的泥炭土强度分别增长 48.12% 和 55.24%。普通硅酸盐水泥和抗硫酸盐水泥加固的泥炭土的平均强度分别为 0.68 MPa 和 0.75 MPa。由于泥炭土的有机质含量较高，对土有腐蚀效果。与普通硅酸盐水泥相比，抗硫酸盐水泥对泥炭土的固化效果增加了 9.5%。
3.6 土的类型的影响
图9 为水泥掺量为 16% 时不同土质的水泥土强度变化情况。材料条件为：OPC52.5和 0.5的水灰比。
图9 不同土质的水泥土强度变化曲线
Figure9 Variation of cement-soil strength under different soil properties
由图9 可知：① 对于软可塑粉质黏土，7 d、14 d 和 28 d 养护时间的强度分别为 1.55 MPa、2.04 MPa 和 2.64 MPa；对于泥炭土，7 d、14 d 和 28 d 养护时间的强度分别为 4.09 MPa、4.97 MPa 和 5.08 MPa。与软可塑粉质黏土相比，泥炭土的平均抗压强度增加了127%。在养护期间，环境中腐蚀离子会作用于水泥土，养护时间越长，水泥土被侵蚀的时间越长；② 对于软可塑粉质黏土，其抗压强度稳步增长，曲线斜率基本不变。而对于泥炭土，在 14 d养护时间之后，强度增长速率明显下降，这是因为泥炭土中所含有机物含量较高，腐蚀性较强所导致。水泥土的强度衰减与环境中侵蚀性离子密切相关，未来需要进一步研究[21]。
4 结论
针对滨海泥炭土有机质含量高、环境酸性强等特点，开展泥炭土的物理力学试验，设计并实施多组配合比和影响因素下水泥土室内单轴压缩试验。得出如下主要结论：
（1）水灰比的增加对水泥土的平均抗压强度有不利影响，当水灰比从 0.5 增加到 0.9 后，平均抗压强度减小了 0.35 MPa 且 28 d 养护时间下的水泥土平均强度降低了 24.82%。
（2）30% 的水泥掺量对水泥土的平均抗压强度增长最明显。加入矿粉在增加水泥土抗压强度方面较差，而加入粉煤灰或石膏效果明显。固化剂对水泥土的早期强度具有明显作用，早期强度平均增加了 189.29%。
（3）与普通硅酸盐水泥相比，抗硫酸盐水泥对泥炭土的固化效果增加了 9.5%。与软可塑粉质黏土相比，该技术对泥炭土的固化效果更佳，平均抗压强度增加了 127%。
（4）采用水泥搅拌桩加固泥炭土地基时应考虑不同因素的影响，注意有机质和环境酸性物质，结合现场施工特点，重视并长期监测水泥土强度衰减过程，为该类型地基处治工法选取、设计和施工提供重要参考依据。
