水泥改良素填土的試驗研究應用

羅明亮，范少峰，杜廣印，王宇虓

(1.深圳市土地投資開發中心，廣東 深圳 518000； 2.深圳市建設工程質量檢測中心，廣東 深圳 518031； 3.東南大學交通學院，江蘇 南京 211189)

1 概述

素填土由于承載力低、固結時間長且壓縮性大，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。當下對改良素填土的力學特性的研究尚不完整，且大多數集中在石灰改良土，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反應來改變土體內部結構，硬化和膠結后的水泥構成了土骨架，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介于普通土與混凝土之間。目前，一些學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作用、素土的物理性質和改良工藝，其中水泥的硬化膠結作用對其強度的貢獻最大。有研究表明[2]，不同土質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構做了分析研究，發現水泥和摻合量與內部等效直徑的結構單元體有關，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]依托現場試驗，根據不同改良土的特性，提出了施工質量控制要點，其中主要控制的施工變量有：改良土的延遲時間、水泥凝結時間、含水率(水的質量分數，下同)、壓實時間等。曹亮等[5]通過設計改良土的正交試驗，對結果進行極差和方差分析，發現水泥含量是影響水泥土抗壓強度的最關鍵變量，水膠比(質量比)對坍落度的影響最大。王兵等[6]認為60 d的期齡可以當作水泥土的擊實設計強度。另外一些學者[7-9]對水泥土的強度提出了不同觀點。宋永軍等[10]結合現場施工，對水泥土的施工時效性進行了研究。

綜上所述，盡管有不少學者對水泥改良土進行了研究，在試驗室內改良效果卓著，但成功用于實際工程的實例不多，對于改良土現場遇到的問題缺乏指導經驗，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場與室內試驗，試驗包括：改良土現場混合配比、動力觸探、反應模量檢測、地基承載力、加州承載比CBR以及無側限抗壓強度等試驗；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、衛星廳及配套設施如聯絡道、滑行道、停機坪、建筑區、物流倉儲區等組成，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，可以縮短工期和節約資金。本次水泥改良土試驗段參與標段有3個施工標。每個施工標負責6個試驗段，共計18個試驗段。

2.2 土質條件及水泥參數

試驗所用土選自現場，顏色為黃褐和灰黃色，干燥，松散狀態，部分呈泥團塊狀，主要由砂土(47%)、粉質黏土(32%)、風化碎屑砂粒(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Cu為31.2，曲率系數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，標準用水量為27.0%。

2.3 水泥土改良試驗方案

現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：按設計要求取現場土，用鏟車及鉤機摻入規定的碎石，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。

技術要點：1)試驗場地選取攪拌樁處理區已施工原設計水泥改良土頂面或堆載預壓處理區已卸載換填原設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，每處不應少于8遍，碾壓遍數為先光面碾壓4遍+振動碾壓2遍+最后光面碾壓2遍。

2.4 現場及室內試驗

現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 現場試驗方案

室內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)、無側限抗壓強度試驗等。

3 試驗結果及分析

3.1 動力觸探檢測結果

輕型動力觸探檢測結果如表3，圖1所示。

表3 輕型動力觸探檢測結果 擊

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

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

3.2 基層面反應模量檢測結果

上、下基層反應模量檢測結果見表4，表5。

表4 上基層反應模量檢測結果 MPa/m

表5 下基層反應模量檢測結果 MPa/m

由表5可知，在試驗段的水泥含量變化范圍之內，水泥含量越高，反應模量檢測值越大；摻入碎石后的水泥改良土反應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模量；填石層的反應模量檢測值略高于未摻入水泥改良土的反應模量檢測值；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 地基承載力結果 kPa

每個段選取3個測試點，其250 kPa荷載下對應的沉降量如表7所示。

表7 地基沉降量監測結果

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其地基承載力不小于140 kPa的要求。

3.4 無側限抗壓結果

分別在第1天和第7天進行現場取樣，然后進行無側限抗壓強度試驗。由圖3可知，無側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 加州承載試驗結果 %

4 結論

通過室內試驗，并結合當地實際工程，參照素土基本物理性質，進行水泥改良土的試驗研究，得到結論如下：

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

2)在試驗段的水泥含量變化范圍之內，水泥含量越高，反應模量檢測值越大；摻入碎石后的水泥改良土反應模量檢測值整體上比未摻入水泥的高；填石層的反應模量檢測值略高于未摻入水泥改良土的反應模量檢測值；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%。