水泥改良素填土的試驗研究應(yīng)用

羅明亮，范少峰，杜廣印，王宇虓

(1.深圳市土地投資開發(fā)中心，廣東 深圳 518000； 2.深圳市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，廣東 深圳 518031； 3.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 211189)

1 概述

素填土由于承載力低、固結(jié)時間長且壓縮性大，不能直接作為持力層使用。為提高素填土的強度以及減小其壓縮性，通常需要添加固化劑進行改良。當(dāng)下對改良素填土的力學(xué)特性的研究尚不完整，且大多數(shù)集中在石灰改良土，對于水泥改良素填土的研究相對較少。

水泥土的改良是通過化學(xué)反應(yīng)來改變土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，硬化和膠結(jié)后的水泥構(gòu)成了土骨架，增加了土體的黏聚力和抗剪性能，進而提高地基的承載力，通常水泥改良土的性質(zhì)介于普通土與混凝土之間。目前，一些學(xué)者對水泥改良土進行了研究。黃新等[1]對水泥固化作用做了大量試驗，研究結(jié)果表明：影響水泥改良土的強度的原因主要有水泥硬化膠結(jié)作用、素土的物理性質(zhì)和改良工藝，其中水泥的硬化膠結(jié)作用對其強度的貢獻最大。有研究表明[2]，不同土質(zhì)對改良效果影響也很大，其強度差距可達一倍左右。張齊齊等[3]對水泥改良土的微觀結(jié)構(gòu)做了分析研究，發(fā)現(xiàn)水泥和摻合量與內(nèi)部等效直徑的結(jié)構(gòu)單元體有關(guān)，水泥用量越大，其孔隙度和土顆粒分形維度越小。王躍民等[4]依托現(xiàn)場試驗，根據(jù)不同改良土的特性，提出了施工質(zhì)量控制要點，其中主要控制的施工變量有：改良土的延遲時間、水泥凝結(jié)時間、含水率(水的質(zhì)量分數(shù)，下同)、壓實時間等。曹亮等[5]通過設(shè)計改良土的正交試驗，對結(jié)果進行極差和方差分析，發(fā)現(xiàn)水泥含量是影響水泥土抗壓強度的最關(guān)鍵變量，水膠比(質(zhì)量比)對坍落度的影響最大。王兵等[6]認為60 d的期齡可以當(dāng)作水泥土的擊實設(shè)計強度。另外一些學(xué)者[7-9]對水泥土的強度提出了不同觀點。宋永軍等[10]結(jié)合現(xiàn)場施工，對水泥土的施工時效性進行了研究。

綜上所述，盡管有不少學(xué)者對水泥改良土進行了研究，在試驗室內(nèi)改良效果卓著，但成功用于實際工程的實例不多，對于改良土現(xiàn)場遇到的問題缺乏指導(dǎo)經(jīng)驗，基于此，試驗依托深圳機場擴建工程項目，對水泥改良土的效果和機理進行分析與研究。對不同配比的水泥改良土進行了現(xiàn)場與室內(nèi)試驗，試驗包括：改良土現(xiàn)場混合配比、動力觸探、反應(yīng)模量檢測、地基承載力、加州承載比CBR以及無側(cè)限抗壓強度等試驗；研究了不同的水泥和碎石摻量對改良土性質(zhì)的影響。

2 試驗概況

2.1 工程概況

項目依托于深圳機場T4航站擴建項目，由T4航站樓主體、衛(wèi)星廳及配套設(shè)施如聯(lián)絡(luò)道、滑行道、停機坪、建筑區(qū)、物流倉儲區(qū)等組成，總占地面積約430萬m2。深圳機場軟基處理工程項目軟基處理共分為多個標(biāo)段。工程中使用了多個軟基處理方法，有灌注樁加樁基蓋板、水泥攪拌樁、堆載預(yù)壓、水泥改良土和填石層壓實等，工程填石方量約182萬m3，鑒于開山石料源緊張，所需購買資金巨大，故采用水泥改良土來代替填石層，可以縮短工期和節(jié)約資金。本次水泥改良土試驗段參與標(biāo)段有3個施工標(biāo)。每個施工標(biāo)負責(zé)6個試驗段，共計18個試驗段。

2.2 土質(zhì)條件及水泥參數(shù)

試驗所用土選自現(xiàn)場，顏色為黃褐和灰黃色，干燥，松散狀態(tài)，部分呈泥團塊狀，主要由砂土(47%)、粉質(zhì)黏土(32%)、風(fēng)化碎屑砂粒(12%)、石英長礫砂(6%)及其他(3%)組成。其天然平均含水率為16%，有效粒徑d10為0.52 mm，不均勻系數(shù)Cu為31.2，曲率系數(shù)Ce為3.9。

水泥采用普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5R，初凝時間為135 min，終凝時間為177 min，標(biāo)準(zhǔn)用水量為27.0%。

2.3 水泥土改良試驗方案

現(xiàn)場改良土分兩層施工，上基層和下基層，每層厚度0.5 m，其改良土配比如表1所示。

表1 現(xiàn)場改良土配比方案 %

改良水泥土施工工藝：1)水泥改良土施工順序：按設(shè)計要求取現(xiàn)場土，用鏟車及鉤機摻入規(guī)定的碎石，初步形成混合碎石土，將該土虛鋪至場地，虛鋪厚度控制在0.3 m，摻入不同百分比的水泥。2)壓實處理：20 t～22 t振動壓路機，碾壓工序為先光面碾壓4遍+振動碾壓2遍+最后光面碾壓2遍。

技術(shù)要點：1)試驗場地選取攪拌樁處理區(qū)已施工原設(shè)計水泥改良土頂面或堆載預(yù)壓處理區(qū)已卸載換填原設(shè)計水泥改良土頂面位置，各試驗段面積不小于400 m2；2)要求填土和水泥改良土分層填筑，各層虛鋪土厚度不大于 0.3 m；3)水泥材料等級按原設(shè)計；4)水泥改良土攪拌可采用路拌機、廠拌，保證攪拌均勻；5)碾壓機具可選用光面振動碾；6)填筑試驗時，記錄碾壓遍數(shù)，每處不應(yīng)少于8遍，碾壓遍數(shù)為先光面碾壓4遍+振動碾壓2遍+最后光面碾壓2遍。

2.4 現(xiàn)場及室內(nèi)試驗

現(xiàn)場試驗分別進行輕型動力觸探、重型動力觸探、載荷板試驗等，具體試驗方案如表2所示。

表2 現(xiàn)場試驗方案

室內(nèi)分別進行加州承載比(CBR)試驗、基本物理試驗(含水率、液塑限、密度等)、無側(cè)限抗壓強度試驗等。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 動力觸探檢測結(jié)果

輕型動力觸探檢測結(jié)果如表3，圖1所示。

表3 輕型動力觸探檢測結(jié)果 擊

由圖1可知，在試驗段的水泥含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)變化范圍之內(nèi)，輕型動力觸探的擊數(shù)變化不大。

由圖2可知，在試驗段的碎石含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)變化范圍之內(nèi)，碎石的含量對重型動力觸探的擊數(shù)有所影響，提高10%的碎石含量，觸探擊數(shù)約增加25%。

3.2 基層面反應(yīng)模量檢測結(jié)果

上、下基層反應(yīng)模量檢測結(jié)果見表4，表5。

表4 上基層反應(yīng)模量檢測結(jié)果 MPa/m

表5 下基層反應(yīng)模量檢測結(jié)果 MPa/m

由表5可知，在試驗段的水泥含量變化范圍之內(nèi)，水泥含量越高，反應(yīng)模量檢測值越大；摻入碎石后的水泥改良土反應(yīng)模量檢測值整體上比未摻入水泥的高，說明摻入碎石會提高改良土的反應(yīng)模量；填石層的反應(yīng)模量檢測值略高于未摻入水泥改良土的反應(yīng)模量檢測值；水泥摻合量在10%，碎石摻量在20%時，該層的平均反應(yīng)模量最大，可達171.1 MPa/m。

3.3 地基承載力檢測

為簡便研究，截取C段上下層進行分析，該段試驗結(jié)果如表6所示。從表6中可以看出，在水泥含量10%的情況下，每增加10%的碎石含量，地基承載力約增大250 kPa；下基層的承載能力要比上基層大。

表6 地基承載力結(jié)果 kPa

每個段選取3個測試點，其250 kPa荷載下對應(yīng)的沉降量如表7所示。

表7 地基沉降量監(jiān)測結(jié)果

從表7可以看出水泥對其沉降量影響較小，而碎石影響較大。在所有的地基承載力檢測中，其特征值均大于250 kPa，滿足機場飛行場道區(qū)其地基承載力不小于140 kPa的要求。

3.4 無側(cè)限抗壓結(jié)果

分別在第1天和第7天進行現(xiàn)場取樣，然后進行無側(cè)限抗壓強度試驗。由圖3可知，無側(cè)限抗壓強度檢測值隨著水泥含量的增加有略微的提高；在同一配比的情況下，制樣7 d的無側(cè)限抗壓強度檢測值明顯高于制樣1 d時的檢測值，其強度增幅大約為1倍。

3.5 加州承載比試驗

加州承載比試驗結(jié)果如表8所示，由表8可知，每增加2%的水泥含量，2.5 mm 時承載比(CBR)大約增加6.3%。

表8 加州承載試驗結(jié)果 %

4 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H工程，參照素土基本物理性質(zhì)，進行水泥改良土的試驗研究，得到結(jié)論如下：

1)在試驗段的水泥含量變化范圍之內(nèi)，輕型動力觸探的擊數(shù)變化不大，碎石的含量對重型動力觸探的擊數(shù)有所影響，提高10%的碎石含量，觸探擊數(shù)約增加25%。

2)在試驗段的水泥含量變化范圍之內(nèi)，水泥含量越高，反應(yīng)模量檢測值越大；摻入碎石后的水泥改良土反應(yīng)模量檢測值整體上比未摻入水泥的高；填石層的反應(yīng)模量檢測值略高于未摻入水泥改良土的反應(yīng)模量檢測值；水泥摻合量在10%，碎石摻量在20%時，該層的平均反應(yīng)模量最大，可達171.1 MPa/m。

3)水泥含量為10%時，每增加10%的碎石含量地基承載力約增大250 kPa；下基層的承載能力要比上基層大。

4)水泥改良土的無側(cè)限抗壓強度檢測值隨著水泥含量的增加有略微的提高；在同一配比的情況下，制樣7 d的無側(cè)限抗壓強度檢測值明顯高于制樣1 d時的檢測值，其強度增幅大約為1倍。

5)每增加2%的水泥含量，2.5 mm時的CBR大約增加6.3%。