石灰和水泥改良過濕土在鉆前工程中的應(yīng)用

李 祥 譚樹成 楊仕波

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

以宜賓市興文縣某鉆前工程為例，該平臺(tái)持力層土質(zhì)為粉質(zhì)粘土，工程新修ZJ70，ZJ50鉆機(jī)基礎(chǔ)兩套；新修井場(chǎng)面積105 m×80 m，挖方工作量：挖硬土7 034.4 m3，挖耕植土(淤泥)2 660 m3，土質(zhì)改良11 475 m3。新建公路0.141 km；改建公路2.735 km，集液池、空鉆池容積2 000 m，儲(chǔ)存池2 000 m3。

平臺(tái)整個(gè)處于水田之中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，地基承載力特征值kfp應(yīng)大于120 kPa，但通過標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)，該平臺(tái)持力層地基承載力僅為50 kPa。

根據(jù)粘性土的定名規(guī)則，通過取樣檢測(cè)得知平臺(tái)土樣為低液限粉質(zhì)粘土。稠度指數(shù)的范圍為0.02～0.40[4]。

根據(jù)過濕土的定義：0

表1 液塑限實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)錘擊實(shí)驗(yàn)，該平臺(tái)過濕土最佳含水率為13.7%，但現(xiàn)場(chǎng)取土土樣平均含水率為35.2%，有較大的可塑性，透水性小而吸水能力強(qiáng)，毛細(xì)現(xiàn)象十分明顯，能長(zhǎng)期保存水分，影響土的性質(zhì)。

并且根據(jù)地勘報(bào)告，擬建場(chǎng)地屬山間緩坡地貌，緩坡上分布梯田，平臺(tái)總體地勢(shì)東北高西南低，地面最大相對(duì)高差約11.76 m。場(chǎng)地地下水類型主要分為賦存于粉質(zhì)黏土中的上層滯水，石灰?guī)r中的裂隙水；地表水主要為溝塘水，灌溉水，分布在溝塘附近。

2 過濕土改良方案

根據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]“7.2軟弱地基的利用與處理”的要求，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。通過對(duì)理論方案：表面清淤、堆砌預(yù)壓、復(fù)合地基、強(qiáng)夯、震動(dòng)壓實(shí)、換填、化學(xué)添加、晾曬、換季施工、局部區(qū)域加抗滑樁和基礎(chǔ)梁等進(jìn)行了篩選對(duì)比。符合現(xiàn)場(chǎng)施工條件及工期要求的方案唯有化學(xué)添加劑這一方案。根據(jù)施工成本及當(dāng)?shù)卦牧线\(yùn)輸情況，施工方?jīng)Q定采用石灰、混凝土作為化學(xué)添加劑的原料，但其具體摻入比例需通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證來確定。

3 作用原理

此方案的原理是通過摻入不同適當(dāng)比例的生石灰和水泥，將兩種物質(zhì)拌合進(jìn)土壤中。以此降低土壤含水率，改變土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)力，形成有多種強(qiáng)度結(jié)構(gòu)主體的復(fù)合物，從而使平臺(tái)地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1 生石灰在土壤中的作用

生石灰在土壤中主要發(fā)生膠體反應(yīng)、凝膠反應(yīng)、碳化反應(yīng)、結(jié)晶四種反應(yīng)。其原理是通過以上反應(yīng)使生石灰與土壤中的水分產(chǎn)生水化熱，蒸發(fā)水分，與土壤形成多種結(jié)構(gòu)形態(tài)和晶體，加強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低塑性，降低土壤中的含水量。

3.2 水泥在土壤中的作用

1)物理反應(yīng)。

在水泥加固土的過程中，物理反應(yīng)主要會(huì)發(fā)生土體密度增大、水泥水化產(chǎn)物的微加筋和膠凝等現(xiàn)象。

2)化學(xué)反應(yīng)。

水泥固化土壤的化學(xué)反應(yīng)有兩方面：一方面是水泥本身成分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，另一方面是土體與水泥中的某些成分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

4 土工試驗(yàn)

4.1 液塑限實(shí)驗(yàn)

4.1.1配比

1)在不摻入水泥的情況下，石灰與風(fēng)干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

2)在不摻入石灰的情況下，水泥與風(fēng)干土的重量比分別為3%，4%，5%，6%。

3)在水泥摻入量3%～4%的情況下，石灰與風(fēng)干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

4)在水泥摻入量5%～6%的情況下，石灰與風(fēng)干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

4.1.2實(shí)驗(yàn)方法

風(fēng)干土、水泥、石灰分別過粒徑0.74 mm的篩，按以上預(yù)定配比攪拌均勻，利用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定改良處理后土的液限與塑限。

4.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)繪制折線圖，從圖1～圖4可以看出，過濕土隨著生石灰、水泥及石灰水泥添加劑摻灰量的增加(0%～12%)，液限降低越來越明顯，塑限在水泥的作用中，提升幅度更大。綜合來看，摻灰量越大，塑限和液限的變量越大，當(dāng)水泥摻入5%～6%，生石灰摻入12%時(shí)，過濕土的液限及塑限表現(xiàn)出最佳狀態(tài)。

4.2 錘擊實(shí)驗(yàn)

4.2.1配比

1)在不摻入水泥的情況下，生石灰與風(fēng)干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

2)在不摻入石灰的情況下，水泥與風(fēng)干土的重量比分別為3%，4%，5%，6%。

3)在水泥摻入量3%～4%的情況下，生石灰與風(fēng)干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

4)在水泥摻入量5%～6%的情況下，生石灰與風(fēng)干土的重量比分別為0%，6%,8%,10%,12%。

4.2.2實(shí)驗(yàn)方法

擊實(shí)類型為重型擊實(shí)，先將風(fēng)干土和生石灰拌勻，再加水?dāng)嚢瑁乖嚇映浞纸櫍缓筮M(jìn)行擊實(shí)。

4.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制折線圖，可以從圖5，圖6看出，在土料中摻入生石灰、水泥和石灰水泥混合劑均降低了其最大干密度并且提高了最佳含水率。其中生石灰在摻入12%時(shí)最大干密度最低，但在生石灰摻入12%、水泥摻入6%時(shí)，土料的最佳含水率達(dá)到最高(20.5%)。

4.3 摻灰后的含水量損失

4.3.1實(shí)驗(yàn)方法及配比

為了測(cè)試生石灰對(duì)土樣土的減水效果，按原狀土含水(35.2%)制備土樣，在密閉的塑料袋內(nèi)燜料6 h～8 h，向各份土樣中按比例(0%，3%，4%，5%，6%，8%，10%，12%)分別摻入生石灰、水泥及石灰水泥混合劑(水泥：3%～4%，5%～6%)并攪拌均勻，敞開塑料袋口讓其充分反應(yīng)，最后再測(cè)定其含水量。

4.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由圖7～圖10可以看出：在土料土中分別摻入生石灰、水泥及石灰水泥添加劑后，隨著摻量的增大，含水量逐漸降低。同時(shí)，經(jīng)過摻灰后未擊實(shí)的含水量和擊實(shí)后的最佳含水量的對(duì)比，摻灰后的含水量和擊實(shí)后的最佳含水量差距在2%～3%以內(nèi)為較為合適的摻灰比例。

當(dāng)生石灰摻量在12%、水泥摻量在3%～6%時(shí)，均能滿足要求。但當(dāng)生石灰摻量在12%、水泥摻量在5%～6%，實(shí)測(cè)含水率和最佳含水率有最好的效果。考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)過濕土含水率可能大于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，決定放棄生石灰12%、水泥3%～4%這組配比(該組配合比實(shí)際含水率和最佳含水率差值剛好為3)，采用生石灰12%、水泥5%～6%的配比進(jìn)行施工。

5 碾壓試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)規(guī)范要求：試驗(yàn)鋪土厚度：30 cm，50 cm。

碾壓遍數(shù)：靜壓2遍，振動(dòng)4遍；靜壓2遍，振動(dòng)6遍；靜壓2遍，振動(dòng)8遍。

5.2 試驗(yàn)比例

1)摻灰比例為:生石灰12%、水泥5%，鋪土厚度為50 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降4.1 cm～0.1 cm，壓實(shí)度為95.5%～96.2%。

2)摻灰比例為:生石灰12%、水泥5%，鋪土厚度為30 cm，分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降3.5 cm～0.1 cm，壓實(shí)度為95.7%～96.3%。

3)摻灰比例為:生石灰12%、水泥6%，鋪土厚度為50 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降4 cm～0 cm，壓實(shí)度為96%～96.7%。

4)摻灰比例為:生石灰12%、水泥6%，鋪土厚度為30 cm，在分別碾壓4遍、5遍、6遍、8遍的情況下，沉降3.4 cm～0.1 cm，壓實(shí)度為96.8%～97.9%。

5.3 結(jié)果與分析

5.3.1摻灰比例分析

由碾壓試驗(yàn)的結(jié)果可以看出：當(dāng)摻灰比為生石灰12%、水泥6%時(shí)，壓實(shí)度基本達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的97%的要求，與室內(nèi)土工試驗(yàn)的分析結(jié)果一致。

5.3.2松鋪厚度分析

根據(jù)碾壓試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)采用生石灰12%、水泥6%的摻入比例進(jìn)行碾壓試驗(yàn)時(shí)，松鋪50 cm時(shí)，在靜壓2遍+振動(dòng)碾壓6遍后其壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。而在松鋪30 cm厚時(shí)，在靜壓2遍+振動(dòng)碾壓6遍后其壓實(shí)度即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故碾壓參數(shù)中的鋪土厚度選擇為松鋪30 cm。

5.4 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)碾壓試驗(yàn)及結(jié)果分析后確定的碾壓施工參數(shù)為：碾壓設(shè)備為18 t壓路機(jī)，樺犁翻2次，路拌機(jī)拌和4次，摻灰比例為生石灰12%、水泥6%，松鋪厚度為30 cm，碾壓方式為靜壓2遍+振動(dòng)碾壓6遍，壓路機(jī)行走速度小于2 km/h。

6 施工工藝控制

為切實(shí)加強(qiáng)施工工藝控制，使檢測(cè)時(shí)取用土樣的最大干密度與實(shí)際工程情況更加接近，在施工中應(yīng)采取以下有效措施：

1)確定石灰劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線：每收進(jìn)一批石灰，不僅要對(duì)其進(jìn)行化學(xué)分析，還要重新確定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2)備料：生石灰塊應(yīng)在使用前7 d～10 d充分消解，消解后的石灰應(yīng)保持一定的濕度，不得產(chǎn)生揚(yáng)塵，也不可過濕成團(tuán)。如果土壤水分過高，宜采用二次摻灰拌合法。先摻入1%～2%消解后的石灰拌合后，燜灰1 d～2 d，土壤塑性指數(shù)與含水量降低之后，再按要求摻入剩下部分的生石灰。

3)灰土及水泥的拌合：灰土的比例應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行配置。基礎(chǔ)墊層的灰土必須經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)斗進(jìn)行稱量，嚴(yán)格控制其配合比。拌合時(shí)至少翻拌三次，拌合好的灰土顏色應(yīng)均勻一致。

4)基坑(槽)底或基土表面應(yīng)清理干凈。特別是槽邊掉下的虛土，風(fēng)吹入的樹葉、塑料袋等垃圾雜物。

通過采取上述措施，有效地控制了石灰比例和壓實(shí)度，提高了質(zhì)量，縮短了施工工期。

7 結(jié)語

通過對(duì)水泥、石灰改良過濕土進(jìn)行試驗(yàn)研究及實(shí)際應(yīng)用后得出了以下結(jié)論：

1)生石灰的摻入能有效改善過濕土的物理力學(xué)性質(zhì)，可以使其滿足壩體填料的要求；在那些土壤天然含水量較高、稠度低、難以達(dá)到規(guī)范壓實(shí)度特點(diǎn)的多雨，潮濕地區(qū)，采用生石灰進(jìn)行處理比較合適；

2)生石灰和水泥在過濕土中的反應(yīng)過程是十分復(fù)雜的，不僅有其自身的水解水化反應(yīng)，而且與土體中的三相之間也存在物理化學(xué)反應(yīng)。在這些物理化學(xué)反應(yīng)和外部機(jī)械壓實(shí)的共同作用下，呈松散狀態(tài)的土顆粒逐漸形成較致密的整體，使土體的物理力學(xué)性能得到良好的改善；

3)過濕土摻入水泥后，其塑限、最優(yōu)含水量顯著增加，說明摻灰土相較于未摻灰土在同樣的含水量條件下更容易從塑性狀態(tài)進(jìn)入半固結(jié)狀態(tài)，更容易壓實(shí)，從而達(dá)到施工中壓實(shí)度的要求。