渦河蒙城樞紐建設工程換填水泥土材料強度及干縮性能試驗研究

孫 勇 侯英偉 翟登攀

（1.安徽省蒙城縣水利局 蒙城 233500 2.中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300000）

我國沿海和江河沖擊平原大量分布粉砂土，近年來隨著水利水電事業的發展，很多大型水閘樞紐工程修建在粉砂地基覆蓋層上。粉砂具有無粘性、壓縮性小、滲透系數大等特性，抗沖刷能力差，極易發生滲透變形，因此，通常需要穩定處理和改良，以滿足工程需求，其中水泥土換填是一種應用較為廣泛的地基處理方式，而換填水泥土的強度及干縮性是水泥土材料的兩個重要特性。

本文以渦河蒙城樞紐建設工程為背景，為了模擬工程現場的碾壓施工工藝，采用振動臺結合壓重塊的方式進行試樣制備，詳細論述了試驗工藝，針對換填水泥土材料的強度及干縮性能，分析水泥土強度發展規律及水泥土配合比對強度的影響，揭示水泥土干縮現象的內在機理與規律，具有一定的指導意義。

1 工程概況

渦河蒙城樞紐建設工程位于安徽省亳州市蒙城縣渦河干流上，樞紐工程主要建筑物由節制閘和船閘組成，樞紐多基坑，其中船閘開挖深度17.5m，節制閘開挖深度12m，上、下游引航道基坑6.61m、12.4m，同時工程天然基礎為皖北粉細砂透水地基。

為保證工程安全，根據設計，節制閘和船閘基礎處理采用水泥土換填。節制閘基礎水泥土換填部位：閘室底板、上游鋪蓋、消力池上段、上下游翼墻及空箱岸墻底部，換填面積約2.73 萬m2，換填厚度1.0～1.7m，設計要求壓實度0.98。

船閘基礎水泥土換填部位：上閘首及閘室底板，換填厚度1.0m；上游鋪蓋及導航墻基礎，換填厚度1.0～1.2m，設計要求壓實度0.96。

2 原材料及試樣制備

2.1 原材料

試驗采用的土樣原材料包括兩種，分別為輕粉質壤土（選用船閘部位地基土樣，以下簡稱輕土），重粉質壤土（選用節制閘部位地基土樣，以下簡稱重土），大致對應土工分類標準中的低塑性粘土或者中塑性粘土。

水泥選用散裝32.5 級粉煤灰硅酸鹽水泥。

2.2 土樣的預處理

將工程現場取得的土樣分別取樣進行烘干和晾曬，得到烘干土和風干土，并分別測試原濕土及風干土的含水率。將原濕土晾干后，碾碎，并過5mm圓孔篩，裝袋密封保存，以便用于后續試驗，試驗前對風干土的含水率可再次測量以保證實際用水量的穩定。

2.3 土樣的基本性質

依據《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）對輕土和重土分別進行了物理性質、顆粒組成、界限粒徑、界限系數、無側限抗壓強度、滲透系數的測試，結果顯示，兩種土的性質區別不大，重土的細顆粒略多，重土原始無側限抗壓強度為42.5kPa，輕土原始無側限抗壓強度為40.3kPa。

2.4 水泥土的配合比設計

根據工程前期進行的最大干密度試驗顯示，輕粉質壤土水泥摻量10%的水泥土最大干密度為1.72g/cm3，對應最佳含水率為19.8%；重粉質壤土水泥摻量10%的水泥土最大干密度為1.73g/cm3，對應最佳含水率為18.2%。因此，配合比以此為基礎進行各原材料的用量計算，并上下變動水泥用量3%，即選用7%、10%、13%的水泥用量進行配合比設計。

以輕土摻加10%水泥為例，每升水泥土含有干土為1.72×90%=1.548kg，則水泥用量為1.548×10%=0.155kg，用水以最佳含水率為準，即1.548×19.8%=0.307kg，以上為按干料計的基礎配比，當所用土為風干土時，由于風干土中含有2.3%的水，所以，所用風干土的質量為1.548/（1-2.3%）=1.585kg，用水量需要扣除風干土中已經含有的水，實際用水量為0.307-1.585×2.3%=0.270kg，其他配比以此類推，所有配合比見表1。

表1 水泥土的配合比表

2.5 試樣制備

為了模擬工程現場的碾壓施工工藝，采用振動臺結合壓重塊的方式進行試樣制備，壓重塊為高度為61mm 的不銹鋼塊，截面尺寸按試件尺寸加工。

將需要的試模放置在振動臺上，開始逐層加入水泥土，分3 層震動碾壓，每層厚度為20mm，震動碾壓時間為30s，碾壓最后一層時，試模套上套模，防止水泥土溢出。碾壓結束后，用刮刀將多余料刮去，整平表面，并做上編號，放置在標準養護箱中養護2d 后拆模，拆模后放入標準養護室（相對濕度＞95%，溫度20±2℃）養護至需要的齡期。

2.6 壓實度校核

為校核上述制備試樣的壓實度，對2d 后拆模的立方體試件進行取樣，測試兩種土立方體試件的濕重和干重，并計算含水率、干密度和壓實度，測試結果顯示，試件的壓實度均在94%以上，重土由于用水量較少，壓實較困難，因此壓實度略低，總體來說，該試件制備方法是可行的。

3 無側限抗壓強度試驗

制作試件為邊長50mm 的立方體，每組3 個，試件養護至規定齡期（7d、28d、56d）后，取出用覆蓋保濕，采用水泥膠砂抗壓試驗機進行強度試驗。

試驗結果顯示，與土樣無側限抗壓強度比，加入水泥后，水泥土的抗壓強度明顯增加，重土隨水泥摻量的增加，水泥土抗壓強度為原狀土樣抗壓強度的36～76 倍，輕土隨水泥摻量的增加，水泥土抗壓強度為原狀土樣抗壓強度的40～85 倍。此外，由于重土的用水量略低，壓實度略低，因此強度較輕土略低，但總體接近，土品種對于無側限抗壓強度幾乎無影響。

此外，隨齡期延長，水泥土強度增長，28d 后基本穩定，增加變緩；隨著水泥用量的增加，水泥土強度增加明顯，7d 時，隨著水泥用量提高，強度增加基本線性，28d 后，水泥用量增加對強度影響更大，說明在13%的水泥用量時，水泥土強度發展更好。

4 干縮試驗

水泥土的干燥收縮較大，為研究不同水泥摻量下，不同養護齡期對其干縮的影響，以及不同試件尺寸的影響，對兩種土進行了干燥收縮試驗。

4.1 試驗方法

采用40mm×40mm×160mm 的小試件進行不同養護齡期的對比，即試件拆模后，分別在標養室養護3d、7d、14d，養護期滿后再放入干縮室（相對濕度60%、溫度20±2℃），基礎測長在拆模后即開始，在測長時，同步進行稱重，以獲得試件的質量變化。

尺寸影響試驗采用100mm×100mm×315mm 的大試件做對比，同樣在試件制作過程中埋入不銹鋼測頭，測長采用測長儀進行。重土和輕土各對比相同水泥用量下不同尺寸試件的干縮率。

4.2 干縮率試驗結果分析

4.2.1 水泥摻量、養護齡期對水泥土干縮的影響

圖1為水泥土試件干燥收縮率與水泥用量、養護齡期、干燥齡期關系曲線圖。總體來看，水泥土的干燥收縮率隨干燥齡期延長而增大，7d 前收縮率迅速增大，7d 后減緩，14d 后趨于穩定，總體收縮率在9000×10-6～15000×10-6之間。

圖1 水泥土試件干燥收縮率與養護齡期、干燥齡期關系曲線圖

隨著水泥用量增加，各齡期的收縮率降低，其原因有兩方面，一方面水泥顆粒水化后，堵塞了土壤顆粒的孔隙，使得水分散失減少，進而收縮率降低，另一方面，水泥水化形成的水泥石，彈性模量較高，收縮率遠小于土，水泥用量增加后，限制了土的收縮，因此，水泥摻量增加后，水泥土的收縮降低。

4.2.2 尺寸對水泥土干縮的影響

選擇MZ2 和MQ2 兩組水泥土配比，標養時間選為3d，采用100mm×100mm×315mm 的大試件進行干縮變形試驗，結果顯示，與小試件相比，大試件由于體積較大，在干燥環境下失水較慢，因此早期收縮率較小，但14d 后，隨著失水的加劇，大試件的干縮率與小試件已無差別，甚至略大。總體來說，對于水泥土而言，試件尺寸對干縮率的測量結果影響較小，因此沒有必要采用大試件。

5 結論

本文結合渦河蒙城樞紐建設工程水泥土換填施工，針對換填水泥土材料的強度及干縮性能進行了室內試驗研究，主要獲得了以下結論：

（1）采用邊長50mm 的立方體試件進行無側限抗壓強度試驗，結果表明，隨著水泥用量的增加，水泥土強度增加明顯，7d 時，隨著水泥用量提高，強度增加基本線性，28d 后，水泥用量增加對強度影響更大。

（2）水泥土的干燥收縮率隨齡期延長而增大，7d 前收縮率迅速增大，7d 后減緩，14d 后趨于穩定，總體收縮率在9000～15000×10-6之間；隨著水泥用量增加，各齡期的收縮率降低；養護時間延長對降低水泥土的收縮有利。

（3）與小試件相比，大試件由于體積較大，在干燥環境下失水較慢，因此早期收縮率較小，但14d 后，隨著失水的加劇，大試件的干縮率與小試件已無差別，甚至略大■