水泥土攪拌加固法強度試驗研究

常高奇，孟令福

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

工程建設項目遇到復雜地質條件或者特殊性質土的情況越來越多[1]，如存在滑坡、泥石流、軟土震陷、軟弱地層甚至采空區等影響場地穩定性的不良地質狀況[2]，隨之對應的地基處理技術也得到長足的發展[3]。特別是在沿江、湖、海的場地，軟弱地基土層發育，這類土層通常存在含水率大、孔隙比大、壓縮性高、承載力低等不利工程地質條件。對于這類地基，水泥土攪拌加固法[4]在經濟效益以及處理效果方面都有較大的優勢。水泥土攪拌加固法是用于加固飽和軟黏土地基的一種方法，它是在地基土中加入固化物水泥后，再用機械攪拌器械進行機械攪拌，此時，水泥與土混合物在經過一系列的物理化學反應后，形成的水泥土，這種水泥土具有整體性強、水穩定性好并且具有較高強度的地基。水泥土加固法技術發展時間短以及使用頻率小，其設計計算方法以及施工工藝有很大的發展空間，屬于半理論、半經驗的地基處理方法。因此，研究水泥土攪拌加固法對地基處理效果評價、軟弱地層強度提升、水泥土強度特性都有重要的理論和實際意義。

為研究水泥土攪拌加固效果，通常在地基處理前，需要取樣進行室內試驗，為測定水泥土的抗剪以及抗壓強度，通常會進行室內的直剪試驗以及無側限抗壓強度試驗。通過對比地基土和水泥土的抗剪抗壓強度，來判斷該區水泥土攪拌加固的效果。因此，本文以緬甸仰光某工程地基土為試驗研究對象，測定水泥土攪拌加固法的強度提升情況，為今后類似的場地進行水泥土攪拌加固處理提供理論以及試驗經驗。

1 地層巖性以及分布特征

試驗區位于緬甸仰光省，毗鄰仰光河，位于沖擊平原上。該試驗區的軟弱地基土層屬于全新世湖沼相沖積層，厚度為13.6～26.8 m，該層自上而下分別為淤泥、淤泥質黏土、黏土。淤泥：灰色，流塑狀，高塑性，含腐殖質，夾植物根系，土質均勻，層厚2.6～2.7 m，平均標貫擊數N＜1.0 擊；淤泥質黏土：灰色、青灰色，流塑狀，高塑性，含大量朽木及腐殖質，土質不均，層厚7.0～12.5 m，平均標貫擊數N=1.9 擊。黏土：灰色、青灰色，流塑～軟塑狀，局部可塑狀，高塑性，夾淤泥質土薄層，含少量朽木屑及腐殖質，局部含大量朽木，土質不均，層厚4.0～11.6 m。平均標貫擊數N=3.1 擊。對該地層土進行室內土工試驗，見表1、表2 所示，試驗結果顯示該層土具有如下特征：

1）含水量高，淤泥、淤泥質黏土、黏土天然含水率平均值分別為58.6 %、49.7 %、49.4 %，液性指數平均值分別為1.61、1.15、0.89；

2）孔隙比大，淤泥、淤泥質黏土、黏土孔隙比平均值分別為1.58、1.36、1.42，飽和度一般都在90 %以上；

3）壓縮性大，淤泥、淤泥質黏土、黏土壓縮系數平均值分別為1.13、1.08、1.00(單位：MPa-1)，均大于0.5，壓縮模量平均值分別為2.32、2.29、2.47(單位：MPa)，均小于4，所以，該層為高壓縮性土；

4）滲透性差，淤泥、淤泥質黏土、黏土垂直滲透系數分別為7.1×10-8～2.0×10-7cm/s、1.5×10-8～2.4×10-7cm/s、9.0×10-9～3.1×10-7cm/s，水平滲透系數分別為1.1×10-7～2.9×10-7cm/s、4.4×10-8～4.8×10-7cm/s、2.2×10-8～5.1×10-7cm/s，屬于極低滲透性或者實際不透水；

5）強度低，這層土的十字板抗剪強度和室內抗剪強度指標分別見表1、表2 所示，抗剪強度低；淤泥、淤泥質黏土、黏土無側限抗壓強度分別為13.8～20.3、18.3～43.6、18.9～50.3，平均值分別為18.1、24.8、28.3(單位:kPa)，無側限抗壓強度低；

表1 地基土物理和力學指標

表2 地基土抗剪強度指標

6）正常固結土層，前期固結壓力大多大于自重壓力，少部分土樣前期固結壓力略小于自重壓力，結合區域工程經驗，該層為正常固結土；

7）軟土震陷，這層土層厚較大，地基承載力為40～60 kPa，等效剪切波速一般Vsr＜140 m/s，地震設防烈度為8 度，不滿足承載力大于100 kPa、等效剪切波速大于140 m/s 的條件，應考慮震陷影響。

2 水泥土攪拌加固法室內強度試驗

2.1 試驗步驟

目前，水泥土室內強度試驗并沒有統一的操作規程，都是參考現有的巖土試驗室的土工試驗和巖石（或者建筑材料）強度試驗，進行直接剪切的抗剪強度試驗以及無側限條件下的抗壓強度試驗。水泥土室內強度試驗按照以下步驟進行：

1）土樣制備

用于制備水泥土的土樣有兩種選擇方法，一種是風干的土樣，將現場土樣經過風干、碾碎、過篩后獲得，在制備水泥土時，添加一定量的水，則獲得所需要的含水量的土樣。另外一種為“原狀”土樣，是現場取得樣品后立即用密閉的厚層塑料袋進行封裝，基本保證土的天然含水率不變，這里的“原狀”土樣，允許是擾動樣，只是含水率保持不變，并不是結構或者構造不變。

2）固化劑的添加

這里的固化劑就是水泥，水泥摻入的量需要在一定的范圍內，一般為7 %～20 %。這里的水泥摻入比aw是指摻入的水泥的質量與需要被加固的土的天然質量的比值。另外，為提高水泥的強度或者其他性能，可以加入一定量的外摻劑。

3）攪拌與養護

根據試驗的要求，將一定量的水泥、外摻劑、水加入到需要加固的定量土樣中，充分攪拌均勻后，分層添加到水泥土試件磨具中，在每層添加后需要震動1 分鐘。最后，將試件表面整平后，遮蓋塑料布保濕，防止水分過快的蒸發。試件成型后，再根據試驗所要求的水泥土養護齡期進行養護。

4）直接剪切試驗與單軸無側限抗壓試驗

直接剪切試驗就是在不同的垂直壓力下，施加水平向的剪切力，測得試樣破壞時的剪應力，再根據庫倫定律確定試樣的抗剪強度指標，即黏聚力與摩擦角；單軸無側限抗壓試驗就是試驗在無側向約束條件下，在試樣垂直方向上施加壓力，試樣抵抗軸向壓應力的極限強度。

為研究水泥土的抗壓與抗剪強度，在以下條件下進行試樣的制備與試驗。第一，制備水泥土的土樣采用“原狀”土樣；第二，固化劑采用普通硅酸鹽42.5 級水泥；第三，水泥摻入比aw=17 %，并采用干粉法進行攪拌，即將水泥摻入土樣后直接攪拌，不添加水和外摻劑；第四，養護齡期為28 天；第五，水泥土的強度較高，應選擇合適的直剪儀與無側限儀，防止儀器產生大變形而引起的試驗誤差，本次試驗采用巖石直剪儀和無側限儀，直剪試驗的垂直壓力有四級，分別為0.11、0.22、0.33、0.44 MPa。

2.2 強度指標與地基土物理力學參數相關關系

水泥土是由水泥與土樣均勻攪拌而成，其強度指標則是水泥與土樣的強度共同作用的結果[5]，即水泥土的強度指標與所用的水泥強度有關，也與土樣的物理力學性質也存在某種關系。本文為研究水泥土強度指標與土樣物理力學指標的關系，采用控制變量法，選擇多個土樣進行試驗。

1）水泥土無側限抗壓強度與地基土物理力學參數相關關系通過水泥土的無側限抗壓強度試驗與地基土土工試驗的成果進行對比，經統計分別得到地基土含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、壓縮系數av、壓縮模量Es與水泥土無側限抗壓強度′的相關關系，見圖1（圖中點為實測值，線為擬合曲線）。通過統計分析，得到其擬合回歸方程見表3。由圖1 可知，水泥土的無側限抗壓強度′隨地基土含水率w、孔隙比e0、壓縮系數av的增大而變小；隨地基土干重度rd、天然重度r、壓縮模量Es的增大而變大。說明了水泥土的無側限抗壓強度與這些指標的密切關系，根據地基土含水率w、干重度rd、天然重度r 與的關系，說明地基土的顆粒成分與結構比含水率對′的影響更大。另外，統計地基土的液限、塑限、液性指數與水泥土無側限抗壓強度′的相關關系以及擬合曲線，發現其相關系數絕對值遠小于對應的臨界相關值，說明′與地基的稠度不存在線性相關，即′的變化受到地基土的稠度變化的影響不大。由表3 中所建立的水泥土無側限抗壓強度的回歸方程，這個公式的相關系數絕對值均大于α=0.05時的臨界相關值，顯著相關，則利用地基土的含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、壓縮系數av、壓縮模量Es來初步計算水泥土的無側限抗壓強度。

圖1 地基土力學參數與水泥土抗壓強度相關圖

表3 地基土力學參數與水泥土抗壓強度經驗公式

2）水泥土剪切強度與地基土力學參數關系

通過水泥土的直接剪切強度試驗與地基土的土工試驗的成果進行對比。經統計分別得到地基土含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0與水泥土直接剪切強度指標黏聚力C′的相關關系，見圖2（圖中點為實測值，線為擬合曲線）。通過統計分析，得到其擬合回歸方程見表4。由圖2 中可知，水泥土的黏聚力C′隨地基土含水率w、孔隙比e0的增大而變小，隨地基土干重度rd、天然重度r 的增大而變大。說明了水泥土的黏聚力C′與這些指標的密切關系，根據地基土含水率w、干重度rd、天然重度r 與黏聚力C′的關系，說明地基土的顆粒成分與結構比含水率對黏聚力C′的影響更大。另外，統計地基土的液限、塑限、液性指數、壓縮系數av、壓縮模量Es與水泥土的黏聚力C′的相關關系以及擬合曲線，發現其相關系數絕對值遠小于對應的臨界相關值，說明黏聚力C′與地基的稠度、壓縮指標不存在線性相關，即黏聚力C′的變化受到地基土的稠度與壓縮指標變化的影響不大。由表4 中所建立的水泥土黏聚力C′的回歸方程，這個公式的相關系數絕對值均大于α=0.05時的臨界相關值，顯著相關，則利用地基土的含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、來初步計算水泥土的黏聚力C′。

表4 地基土力學參數與水泥土黏聚力經驗公式

圖2 地基土物理參數與水泥土黏聚力相關圖

另外，統計地基土的含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、液限、塑限、液性指數、壓縮系數av、壓縮模量Es與水泥土摩擦角φ′的相關關系以及擬合曲線，統計發現，水泥土摩擦角φ′在37°～45°之間變化，其相關系數絕對值遠小于對應的臨界相關值，說明水泥土摩擦角φ′的變化與地基土的物理力學指標的變化影響不大。

2.3 攪拌加固法強度指標增強統計

為研究水泥土攪拌加固法強度指標增強性能，統計分析水泥土與地基土的單軸抗壓強度、黏聚力以及水泥土的摩擦角。根據2.2 中的水泥土強度分析可知，水泥土的無側限抗壓強度與直接剪切黏聚力受到地基土物理力學指標的影響，則統計水泥土與地基土的無側限抗壓強度的比值以及水泥土與地基土的黏聚力的比值；水泥土的摩擦角受到地基土物理力學指標影響較小，而且水泥土的摩擦角變化幅度較小，則單獨統計水泥土摩擦角以及地基土的摩擦角，統計結果見下表5 所示，表中，為水泥土的單軸抗壓強度、qu為地基土的三軸抗壓強度、C1為水泥土的黏聚力、為地基土的黏聚力、φ為地基土的摩擦角、'φ為水泥土的摩擦角。根據表5 中統計結果可知，通過水泥土攪拌加固法，地基土的無側限抗壓強度大約提高了106.75 倍、地基土的直接剪切強度指標內聚力大約提高了86.79 倍、地基土的直接剪切強度指標摩擦角大約提高了29.73 倍。但是，根據表5 中對地基土的摩擦角統計，發現其變異系數偏大，即離散型較大，直接通過水泥土與地基土的摩擦角的比值，意義不大，由于水泥土摩擦角變異為0.06，即離散型很小，可直接使用水泥土的摩擦角的統計結果，即41.02°。

表5 水泥土強度指標統計

3 結語

1）工程試驗區軟弱地基土層是具有含水量高、孔隙比大、壓縮性大、滲透性差、強度低的正常固結土層，應考慮軟土震陷影響，進行地基處理可考慮使用泥土攪拌加固法。

2）工程試驗區軟弱地基土層水泥土的無側限抗壓強度Qu′隨地基土含水率w、孔隙比e0、壓縮系數av的增大而變小，隨地基土干重度rd、天然重度r、壓縮模量Es的增大而變大；水泥土的黏聚力C′隨地基土含水率w、孔隙比e0 的增大而變小，隨地基土干重度rd、天然重度r 的增大而變大；水泥土摩擦角φ′的變化與地基土的物理力學指標的變化影響不大。

3）工程試驗區軟弱地基土層經過水泥土攪拌加固法，無側限抗壓強度大約提高了106.75 倍、直接剪切強度指標內聚力大約提高了86.79 倍，摩擦角提高到了41.02°。

4）建立的針對該工程試驗區的軟弱地基土層水泥土攪拌加固后水泥土的無側限抗壓強度指標、直接剪切黏聚力與地基土層物理力學指標的回歸方程，以及統計水泥土的摩擦角的變化范圍以及標準值，可通過地基土的物理力指標初步計算經過水泥土攪拌加固的水泥土的強度指標，也為臨近以及類似的工程的水泥土攪拌加固效果提供經驗以及可靠性分析支持。