吹填土場地加固中水泥土施工技術試驗研究

郁亮，吳文虎，孫常海

（中交浚浦建筑科技（上海）有限公司，上海 201601）

0 引言

振華重工長興智能港口裝備產業項目位于上海市長興島，其工程建設場地主要為吹填土構成，土質松軟。在自動化總裝場地單項工程中，設計采用水泥土施工技術對吹填土場地進行加固。目前對于水泥土的研究有很多，其基本的力學性能[1-6]和實際工程應用價值[7-10]已經得到了充分地證明。而實際工程中，水泥土應用效果受多方因素影響，如碾壓施工前場地的含水率難以控制，導致工程應用中難以達到試驗室水泥土最大干密度；碾壓施工過程持續時間較長，且延遲擊實時長對水泥土壓實后強度影響較大；碾壓施工工藝不成熟，場地收面效果和壓實度難以控制。因此，為保證工程質量，本文將從施工前場地的含水率控制、延遲擊實時長對水泥土壓實后強度的影響及碾壓施工工藝對場地收面效果和壓實度的影響3 個方面分別對水泥土施工技術進行試驗研究。

1 材料參數

工程中設計選用的水泥型號為P·S·A32.5，初凝時間為340 min，終凝時間為480 min。

通過對工程現場的素土進行液塑限、篩分和擊實試驗，得到素土的各項材料參數見表1。

表1 素土材料參數Table 1 Material parameters of plain soil

2 土方含水率控制

結合施工時間及工況，采取第1 天灑水—靜置12 h—第2 天制作水泥土的方式進行施工?？紤]到水分蒸發等因素影響，為使原土方在撒布水泥拌和前達到最佳含水率，先進行土方含水率控制試驗，以掌握土方含水率的控制方法。

2.1 試驗思路

土方含水率控制方法的思路為：首先，第1天在原土上劃分7 個相同大小的1 m×1 m 地塊，對其中6 個地塊（1 個地塊不灑水，作為對照組）分別灑水。通過計算得出不同灑水量，以使各地塊達到不同含水率。然后靜置12 h，第2 天測量各地塊的含水率變化情況。最后，通過擬合得到第2 天土方含水率與第1 天灑水量的關系。

2.2 劃分地塊

在原有土地的同一區域上劃分7 個1 m×1 m地塊，并編號為WC0—WC6，其中WC0 為不灑水對照組，WC1—WC6 為灑水試驗組。為減小地塊間含水率的相互影響，相鄰地塊邊緣距離1 m，如圖1 所示。

圖1 含水率控制試驗地塊劃分Fig.1 Division of water content control test plots

2.3 灑水

為計算理想狀態下各地塊需要的灑水量，灑水后的目標土方含水率θga可表示為：

式中：θga為灑水后的目標土方含水率，%；ma為灑水后單位體積土壤的質量，g；ms為單位體積原土的烘干后質量，g；m為單位體積原土的質量，g；mw為單位體積原土的灑水質量，g；θg為土方含水率，%。經測量，第1 天原土方含水率θg01為3%。

可得到試驗地塊的需灑水量Vw：

式中：Vw為單位體積原土需灑水量，L；ρw為水的密度，取1 kg/L。

土的最大干密度為1.68 g/cm3，取計算壓實厚度0.25 m，則ms=（1 m×1 m×0.25 m）×1 680 kg/m3=420 kg 。同時，根據式（2）可計算出WC1—WC6地塊所需的第1 天灑水量，如表2 所示。

表2 含水率控制試驗地塊編號Table 2 Number of water content control test plots

2.4 含水率監測及分析

第2 天對7 個地塊的含水率進行再次測量，得到第2 天土方含水率如表3 所示。

表3 各試驗地塊的第2 天土方含水率Table 3 Next day soil water content of each test plot

根據表3 中各地塊的含水率變化情況，采用三次多項式擬合的方法對試驗地塊2 個時間點含水率之間的關系進行擬合，得到試驗地塊第1 天含水率與第2 天含水率的關系方程如式（3）。

式中：Y為第2 天土方含水率，%；X為第1 天土方含水率，%。多項式方程及試驗監測的含水率關系如圖2 所示。

圖2 試驗地塊含水率控制曲線Fig.2 Water content control curve of test plot

根據擬合曲線計算各地塊第2 天含水率，其結果與試驗監測值之間誤差最大為1.5%。綜上，可認為式（3）能準確反映試驗地塊第1 天含水率在3%～30%時，第1 天含水率與第2 天含水率的關系。

3 延遲擊實時間影響研究

通過現有文獻[6]得知，延遲擊實時間對水泥土最大干密度影響顯著。實際施工時，從水泥加入土中到最終碾壓完畢大約需要4 h?，F有水泥加入土中3 h 以內完成擊實的室內擊實試驗，顯然這不足以代表現場施工場地的擊實后最大干密度及抗壓強度。所以需通過試驗確定延遲擊實時間對水泥土最大干密度及7 d 無側限抗壓強度的影響，以指導現場施工。

3.1 延遲擊實試驗結果及分析

水泥土設計7 d 無側限抗壓強度需不小于0.5 MPa，現對3%、6%和9%水泥摻量的水泥土分別進行不同時間段的擊實試驗，得到3 種水泥土的最大干密度隨延遲擊實時間變化情況如表4—表6所示。

表4 3%水泥摻量的水泥土的延遲擊實試驗的檢測數據Table 4 Test data of delay compaction test of cementsolidified soil with 3%cement content

表5 6%水泥摻量的水泥土的延遲擊實試驗的檢測數據Table 5 Test data of delay compaction test of cementsolidified soil with 6%cement content

表6 9%水泥摻量的水泥土的延遲擊實試驗的檢測數據Table 6 Test data of delay compaction test of cementsolidified soil with 9%cement content

根據表4—表6，可得到3%、6%和9%水泥摻量的水泥土最大干密度隨延遲擊實時間的變化情況，如圖3 所示。

圖3 最大干密度與延遲擊實時間關系曲線Fig.3 Curves of maximum dry density and delay compaction time

圖3 中，3%、6%和9%水泥摻量水泥土的最大干密度隨延遲擊實時間的變化趨勢一致，呈現為水泥土的最大干密度隨延遲擊實時間的延長而減小，且減小的趨勢隨延遲擊實時間的延長有所降低。此外可以看出，水泥土最大干密度隨水泥摻量的提高而增大，但增大效率有所降低。因此認為，適當提高水泥摻量和縮短延遲擊實時間可有效提高水泥土的最大干密度。

3.2 7 d 無側限抗壓強度試驗結果分析

對3%、6%和9%水泥摻量的水泥土在不同擊實時段擊實后，得到的水泥土試塊，分別進行7 d無側限抗壓強度試驗，試驗結果如表7 所示。

表7 水泥土7 d 無側限抗壓強度Table 7 7 d unconfined compressive strength of cement-solidified soil

根據表7 可得到3%、6%和9%水泥摻量水泥土的7 d 無側限抗壓強度隨延遲擊實時間的變化情況，如圖4 所示。

圖4 中，3%、6%和9%水泥摻量水泥土的7 d 無側限抗壓強度隨延遲擊實時間延長而降低。在延遲擊實時間為0 時，即撒布水泥后立即擊實，3%、6%和9%水泥摻量水泥土的7 d 無側限抗壓強度分別達到最高，分別為0.97 MPa、1.1 MPa 和1.19 MPa，其強度差值為0.22 MPa；在延遲擊實時間為4 h 時，即撒布水泥后靜置4 h 時再進行擊實，3%、6%和9%水泥摻量水泥土的7 d 無側限抗壓強度分別為0.54 MPa、0.6 MPa 和0.63 MPa，其強度差值為0.09 MPa?？梢园l現，隨延遲擊實時間的延長，水泥土的7 d 無側限抗壓強度受水泥摻量的影響越小。3%、6%和9%水泥摻量水泥土延遲4 h 擊實，其7 d 無側限抗壓強度分別降低44.3%、45.5%和47.1%?？梢钥闯?，水泥摻量提高，水泥土7 d 無側限抗壓強度隨延遲擊實時間延長而減低的幅度越大。根據設計需求，3%水泥摻量的水泥土在4 h 內完成擊實，其7 d 無側限抗壓強度大于0.5 MPa，滿足強度要求。

4 碾壓工藝

水泥土的碾壓擊實為施工過程中的重要工藝，直接影響場地的表觀及物理性能。為此，制定2種碾壓施工方案，通過試驗擇優選用。

4.1 碾壓方案

碾壓遵循先快后慢原則，碾壓過程連續緊湊，并保證在水泥初凝前完成碾壓。碾壓時，嚴禁壓路機在碾壓中和已成型的路基上掉頭或急剎。根據使用機械以及施工工序的不同，制定2 種碾壓施工方案，碾壓順序及遍數為：

方案1（普通壓路機碾壓）：16 t 壓路機靜壓1遍（輪跡搭接40 cm）→16 t 壓路機弱振1 遍（輪跡搭接半輪）→16 t 壓路機弱振1 遍（輪跡搭接40 cm）→16 t 壓路機弱振1 遍→普通壓路機收面。

方案2（膠輪碾壓）：16 t 壓路機靜壓1 遍（輪跡搭接40 cm）→16 t 壓路機弱振1 遍（輪跡搭接半輪）→16 t 壓路機弱振1 遍（輪跡搭接40 cm）→16 t壓路機弱振1 遍→膠輪壓路機收面。

4.2 碾壓結果及分析

根據上述研究，實際選用3%水泥摻量的水泥土，延遲擊實時長4 h，經2 種施工方案碾壓后的場地收面效果如圖5 所示。

從圖5 可以看出，方案1 的場地收面效果不理想，裂紋明顯，最大裂紋寬度達4 mm；方案2的場地裂紋細且少，最大裂紋寬度僅1.5 mm，其場地收面效果對比方案1 有較大提升。綜上，針對水泥摻量3%的水泥土延遲4 h 擊實，采用膠輪碾壓后的場地收面效果更好。

2 種方案施工后的壓實度檢測情況見表8 和表9。

表8 方案1 現場檢測數據Table 8 Field test data of scheme 1

表9 方案2 現場檢測數據Table 9 Field test data of scheme 2

根據表8 和表9 中2 種碾壓方案的碾壓后土方壓實度可以算出，方案1 的平均壓實度為93.95%，方案2 的平均壓實度為94.75%，即采用膠輪碾壓的方案2 壓實效果更好。

5 結語

本文基于實際工程需求，通過試驗研究了土方的含水率控制方法、延遲擊實時間對水泥土7 d無側限抗壓強度的影響和碾壓工藝對水泥土壓實度的影響。根據試驗結果得出以下結論：

1） 通過試驗以及多項式擬合得到了灑水后和施工前2 個時間點土方含水率之間的關系，為工程提供了施工依據。此外，本文中提出的對土方的含水率控制方法可為今后工程提供設計依據和施工方法。

2） 水泥土的最大干密度隨延遲擊實時間的延長而減小，隨水泥摻量的提高而增大，即提高水泥摻量和縮短延遲擊實時間可有效提高水泥土的最大干密度和抗壓強度。結合本工程設計強度要求，決定選用水泥摻量為3%的水泥土對場地進行加固。

3） 對2 種場地碾壓施工工藝進行試驗對比，結果顯示膠輪碾壓的施工方案場地收面效果更好，且壓實度更穩定，因此在水泥土施工過程中，建議采用膠輪碾壓。

本項目通過對水泥土施工技術的研究與應用，證明了水泥土施工工藝用于加固吹填土場地的可靠性，同時保證了本項目的施工質量。振華重工長興智能港口裝備產業項目中，水泥土的壓實度、7 d 無側限抗壓強度檢測全部合格，道堆場地已交驗完成。希望本文中采用的土方含水率控制方法、延遲擊實試驗方法以及碾壓工藝參數可對今后類似工程提供參考。