基于宏观力学和微观孔结构的深水泥搅拌桩均匀性现场测试研究

《Journal of Building Engineering》：Field test research on the uniformity of deep cement mixing columns based on macroscopic mechanics and microporous structure

本研究通过现场试验与实验室检测相结合的方法，系统探究了刀片切割次数、喷浆压力及粉末屏蔽板对深水泥搅拌桩（DCM）均匀性的影响机制。结果表明：刀片切割次数（24次）显著提升桩体抗压强度均匀性，喷浆压力与切割次数存在协同效应，粉末屏蔽板可有效防止水泥粉末扩散，尤其在孔隙率高的土壤中效果显著。基于微观孔隙结构分析，提出了优化施工参数的具体建议。

　　

秦伟龙|万宇|谢敬辰|张定文|王凤成|卢胜杰

东南大学交通学院，中国江苏省南京市211189

摘要

深水泥混合（DCM）柱的均匀性控制一直是岩土工程建造中的关键挑战。本研究采用现场试验和实验室测试相结合的方法，深入探讨了混合柱均匀性的提升及其背后的机制。我们首先关注三个可控因素：叶片切割次数、喷射压力和水泥含量控制。混合柱在现场建造后，在相同条件下进行养护。从这些柱中提取的芯样接受了无约束抗压强度测试、X射线荧光（XRF）分析和扫描电子显微镜（SEM）检测。这种综合方法使我们能够从宏观力学和微观结构的角度全面评估均匀性并分析控制机制。研究发现，叶片切割次数对柱的均匀性影响最大，随着切割次数的增加，均匀性有所提高；然而，当切割次数超过某个临界值后，提升效果趋于平稳，24次切割被认为是最佳次数。此外，喷射压力与叶片切割次数之间存在显著的交互作用，忽视这种交互作用会导致柱的均匀性不佳；将最佳切割次数与0.75 MPa的喷射压力相结合被证明特别有效。另外，使用粉末防护板可以防止水泥粉末扩散到柱体外围，从而确保足够的水泥含量并提高均匀性。这在高孔隙率的土壤中尤为有益，因为安装粉末防护板既必要又经济。为了评估微观均匀性，本研究提出了使用均匀性系数（C_u,p）、曲率系数（C_c,p）、微观孔隙密度（ρ_n）和孔隙率（n）等方法，从而全面分析DCM柱内孔隙的大小和分布。根据研究结果，提出了实际的施工建议。

引言

深水泥混合（DCM）方法因其成本效益、施工便利性、适应性和低环境影响等优点，成为处理软土基础最广泛使用和最有效的技术之一[1]。该方法已在工程实践中得到广泛应用[2],[3],[4]。

混合柱施工的主要质量检查点包括强度、均匀性、长度和垂直度[5],[6],[7]。强度与均匀性之间存在显著相关性。混合越均匀，强度缺陷越少，不同截面的强度变化就越小。这提高了柱的承载能力和变形控制性能[8],[9]。因此，均匀性对于深水泥混合（DCM）施工至关重要。通常通过优化施工设备和施工工艺来提高均匀性[10],[11],[12],[13]。影响均匀性的因素众多，包括混合时间、叶片角度、混合速度、混合次数、水灰比、水泥含量以及土层类型等[14],[15],[16],[17],[18]。

以往的研究主要依赖实验室测试来评估小规模水泥-土壤试样的均匀性，主要关注无约束抗压强度等宏观力学性能。为了验证强度发展的微观机制，采用了微观结构测试方法[19],[20],[21],[22]。然而，实验室测试结果与现场柱体存在一定差异，特别是在高粘土含量的土壤中，现场柱体的均匀性往往不如实验室制备的柱体[23],[24],[25]。建议改进施工技术以加强均匀性控制，并减少因现场特定条件引起的异质性[26]。尽管如此，关于实际现场规模下水泥-土壤混合柱均匀性的研究仍然相对较少。大多数研究仅关注施工参数对柱均匀性的影响，而没有深入探讨其背后的机制。丰富的现场经验表明，叶片切割次数和喷射/灌浆压力是最关键的施工参数，因为它们对DCM柱的均匀性有显著影响。在干喷混合应用中，还需要采取有效措施将水泥粉末限制在预定的柱体区域内[27]。

总之，可控因素包括单点混合次数、水泥浆注入压力和实际水泥含量。单点混合次数指的是混合叶片搅拌柱体的次数，可以通过调整混合时间、叶片速度、穿透速度和拔出速度来控制。水泥浆的注入压力不足或过高都会阻碍水泥的均匀分布，从而影响均匀性。此外，由于土壤类型和施工技术等因素，部分水泥可能在施工过程中落入预定柱体区域之外，导致实际水泥含量降低，进而影响均匀性。现场试验是评估均匀性控制效果的最佳研究方法，而实验室测试在验证微观机制方面具有显著优势。

为了获得更可靠且具有实际意义的关于混合柱均匀性的研究成果，我们采用了一种结合现场试验和实验室测试的研究方法。重要的是，所有用于实验室测试的样本均来自现场按比例建造的试验柱。在本研究中，我们进行了现场试验，以研究叶片切割次数、喷射压力和粉末防护板对DCM均匀性的影响。强度均匀性通过无约束抗压强度（UCS）测试进行评估，而水泥分布均匀性则通过X射线荧光光谱（XRF）进行分析。扫描电子显微镜（SEM）用于观察微观形态和微孔均匀性。基于这些研究结果，我们提出了实用的施工建议。本研究为提高DCM柱的均匀性提供了重要的见解和实用策略，从而有助于提升深混合方法的可靠性和进步。

工程地质条件

现场试验位于中国南通市的东南经济和技术发展区。试验场的土壤主要为粉砂和粉质砂。现场由七个主要的工程地质层组成。土壤层的分布和物理力学参数见表1。试验场的地下水位相对较低，通常在地下1.2至1.5米之间。

叶片切割次数的影响

图4显示了不同叶片切割次数（NBC）下安装的DCM柱的无约束抗压强度（UCS）和变形模量（E_50）。随着NBC的增加，UCS的深度依赖性散布显著减小：NBC=21时UCS范围为0.9–4.0 MPa，NBC=24时缩小到2.0–4.4 MPa，NBC=27时进一步缩小到2.0–3.0 MPa，表明强度均匀性逐渐提高。

UCS和E_50的变异系数（CV）和基尼系数在表3中总结。如表所示，CV和...

结论

深水泥混合（DCM）柱的均匀性控制一直是岩土工程建造中的关键挑战。本研究通过现场试验和实验室测试，深入探讨了混合柱均匀性的提升及其背后的机制。通过对强度、水泥分布和微观孔结构的全面评估，系统研究了DCM柱的均匀性。我们考察了三个关键的可控参数：

作者贡献声明

谢敬辰：资源管理、项目协调。万宇：撰写 – 审稿与编辑。秦伟龙：撰写 – 初稿撰写、数据整理。卢胜杰：调查工作。王凤成：资源协调、调查工作。张定文：撰写 – 审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，也没有任何形式的职业或其他个人利益涉及任何产品、服务或公司，这些利益可能会影响本文所述内容或对手稿“基于宏观力学和微孔结构的深水泥混合柱均匀性现场试验研究”的评审。