高含水量軟土水泥土強度特性影響因素研究

盧 健

(福建省華榮建設集團有限公司 福建福州 350001)

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高含水量軟土水泥土強度特性影響因素研究

盧 健

(福建省華榮建設集團有限公司 福建福州 350001)

針對福州市沿海濱海高含水量軟土低強度和高壓縮性的問題，在室內采用水泥進行固化配方試驗。對兩種典型軟土，即淤泥和淤泥質粘性土進行固化處理，分析了固化時間、水泥摻量、固化方式和軟土本身含水量對強度的影響。通過試驗研究發現：①在固化齡期的前28d內，水泥土強度增長明顯，速率較大。在28d～90d內強度逐漸增大，但增速降低，后逐漸趨緩，水泥土強度與齡期之間近似呈對數關系。②水泥摻量越高，水泥土強度也越大，但在實際復合地基工程中，水泥摻量不宜過大。③粉噴制作的水泥土強度比漿噴制作的強度高出12%～36%，且隨著固化齡期的增長，提高的比例有所增大。④當水泥摻量較低時，軟土本身含水量越高，制作的水泥土強度越低。

軟土;水泥土;強度

0 引言

我國東南沿海，包括浙江、福建、廣東和廣西等地濱海一帶分布有厚度大、面積廣的軟土，尤其是在海灣水流較緩的地區，這些軟土是在接近于靜水的環境中長期淤積形成的，其突出的特性是含水量高，如某些含水量高達80%。高含水量的軟土工程性質較差，表現為低強度、高壓縮性和低滲透性等，給道路工程的修建帶來危害。為了短期內提高地基承載力，減少地基沉降量，采用水泥攪拌樁加固軟土地基是一種常用的方法。對于水泥攪拌樁的實施效果，一般通過室內試驗測試其加固后的強度，在此方面已有一些研究報道其研究成果[1-4]。但對于高含水量的軟土制作的水泥土強度特性，研究相對較少。其強度的影響因素較多，包括固化齡期、水泥摻量、固化方式、軟土含水量及有機質含量等。因此，本文結合某道路軟土地基采用水泥攪拌樁處理前進行的水泥土試驗測試結果，分析高含水量軟土水泥土的強度特性及其前4種影響因素，為同類工程提供技術參考。

1 工程概況

福州市某道路屬于城市快速路，設計車速為80km/h，雙向六車道。該道路途經濱海軟土地區，軟基長度約為350m，路堤填土高度位于2.4m～3.2m之間。由于工期較緊，且對工后沉降要求嚴格，故經多方論證采用水泥攪拌樁復合地基。根據巖土工程勘察報告，該路基地層主要為：①粉質粘土，黃褐色～灰褐色，潮濕，可塑，局部夾有碎石，厚度為0m～2.4m不等；②淤泥和淤泥質粘性土，灰褐色～灰黑色，可塑～流塑，含水量高，局部夾有砂土透鏡體，厚度為3.7m～8.9m不等；③粉質粘土，灰褐色，可塑～硬塑，含有少量細砂，厚度為2.4～3.5m不等；④強風化花崗巖，深度未揭露。地下水位深度位于1.2m～3.6m之間。對該道路路基影響最大的地層是淤泥和淤泥質粘性土，通過室內土工試驗測試，其主要物理力學性質為：含水量位于43%～77%之間，天然重度位于15.4kN/m3～17.6kN/m3之間，壓縮模量位于1.12MPa～1.71MPa之間，有機質含量為4.1%。

由于該道路地基承載力較低，根據工程經驗該路基軟土的地基承載力僅為50kPa ～75kPa，不能滿足上部填土荷載的要求。該道路工期僅為2年，同時為了縮短工期，降低路基的工后沉降和總沉降，采用水泥攪拌樁進行加固處理。水泥攪拌樁設計樁徑為0.5m，樁距為1.2m，樁長貫穿至整個軟土層底部。為了檢驗高含水量軟土采用水泥的加固效果，工程實施前事先在實驗室進行了水泥土配方試驗，所用的加固材料為普通硅酸鹽425水泥。

2 水泥土試驗方案

試驗的目的在于測試高含水量軟土水泥加固的實施效果、確定水泥土的設計強度及水泥摻量等，根據此目的設計水泥土試驗方案如下。將現場取回的軟土(淤泥和淤泥質粘性土)與水泥(普通硅酸鹽425水泥)充分混合攪拌制作標準試件，設計了四種水泥摻量，分別為8%、12%、15%和20%，其中水泥摻量為水泥質量與被加固土體質量的比值乘以100%。每種水泥摻量的試件分別養護7d、14d、28d、60d、90d時進行無側限抗壓強度試驗。同時為了比較粉噴樁與漿噴樁兩種攪拌形式制作的水泥土強度，本試驗還進行了粉噴和漿噴兩種形式的對比試驗，其中粉噴采用純水泥干粉與軟土進行攪拌固化；漿噴采用水泥漿(水灰比為0.45)與軟土攪拌固化。待水泥與軟土充分攪拌后，倒入試件模子中抹平養護。為了脫模方便，模子內壁事先涂抹一層潤滑油。試件尺寸為7.07cm×7.07cm×7.07cm的標準立方體試塊。試件與模子一同裝入塑料袋內密封，放入標準養護室內(溫度保持在20±2℃)進行養護，養護2～3d時進行脫模，繼續放入標準養護室進行養護。為了減少人為操作的誤差，每個條件的試件均制作3個，取測試結果的平均值作為其代表值。本試驗共進行了240個試件的試驗?？箟簭姸仍囼灢捎萌f能試驗機進行測試，試驗方法嚴格按照《公路土工試驗規程》(JTJ051-93)中的有關規定內容進行。

3 試驗結果與分析

3.1 齡期對抗壓強度的影響

水泥土試件無側限抗壓強度隨固化齡期的關系如圖1所示。從圖中可見，試件強度在90d內緩慢增長，前期大約28d內增長速率較大，28d后有所趨緩。水泥土30d的強度約占90d時的66%～78%。水泥土強度的增長主要是因為隨著時間的持續，水泥與軟土的固體顆粒發生了一系列物理化學反應，這些反應包括水解反應、水化反應和團聚化反應等，并且逐漸反應充分，強度得以提高。實際工程中，我國《建筑地基處理技術規范》(JGJ79-2015)推薦以水泥土90d齡期的強度作為復合地基水泥攪拌樁的設計強度，有的工程工期較緊，這時需要根據齡期對其強度進行預測。本試驗中，從抗壓強度與固化齡期的關系曲線可以看出，兩者近似呈對數關系，可以表示為：

qu=aln(t)+b

(1)

式中，qu為水泥土的抗壓強度，單位為MPa；t為固化齡期，單位為d；a，b為試驗參數。根據圖1中的數據，參數a處于0.56～0.85之間，參數b處于-0.79～-0.53之間。

(a)淤泥制作的水泥土，含水量67.0%

(b)淤泥質粘性土制作的水泥土，含水量55.0%圖1 水泥土抗壓強度與固化齡期的關系

3.2 水泥摻量對抗壓強度的影響

水泥土中的水泥摻量越大，其強度也越高，將試驗中固化齡期為28d、60d和90d時的測試結果匯總于圖2中?？梢?，水泥土抗壓強度與水泥摻量兩者近似呈直線關系，斜率位于0.07～0.10之間。隨著水泥土中水泥摻量的增加，水泥與軟土顆粒之間的物理化學反應越強烈，生成的固化團粒越多，其強度也越高，但在實際的水泥攪拌樁復合地基中，并不是水泥摻量越高越好。這是因為水泥攪拌樁是一種柔性樁，其剛度介于混凝土與軟土之間，在受到上部荷載時，其沉降變形要與軟土相協調，共同發揮作用，形成復合地基共同承擔荷載。相反，若水泥產量過大，則彈性模量增大，相應沉降量較小，此時樁間的軟土不能夠發揮承擔上部荷載的作用，復合地基作用不明顯，反而因水泥用量增大而不夠經濟。因此，根據工程經驗，軟土地基中水泥摻量一般控制在20%以內。

(a)淤泥制作的水泥土，含水量67.0%

(b)淤泥質粘性土制作的水泥土，含水量55.0%圖2 水泥土抗壓強度與水泥摻量的關系

3.3 固化方式對水泥土抗壓強度的影響

水泥土的制作方式，即粉噴和漿噴制作的水泥土強度有所差異。為了檢驗兩種形式的試驗效果，將兩者在不同固化齡期、不同水泥摻量的抗壓強度比值匯總如表1所示?？梢?，粉噴制作的水泥土強度比漿噴制作的強度高出12%～36%，隨著固化齡期的增長，提高的比例有所增大。因此，對于高含水量的軟土，粉噴形式的水泥土強度比漿噴的更高。究其原因，主要是因為粉噴采用的干水泥粉，在與軟土固化時，吸收了其中的水分，使得整體含水量降低，強度得以提高。但在實際工程中，粉噴形式的攪拌樁可能存在水泥粉不夠均勻的問題，導致樁體局部強度過大，某些局部的強度又過小，干水泥粉的流動性要相對較差，特別是在低含水量的軟土中應用時應慎重。

表1 粉噴水泥土與漿噴水泥土抗壓強度的比值

3.4 軟土含水量對水泥土強度的影響

通過比較本試驗中的淤泥和淤泥質粘性土制作的水泥土強度，可以發現當水泥摻量較大時，位于15%和20%時，兩者強度相差不大。但當水泥摻量較小時，如8%和12%時，兩者強度相差較大，表明軟土含水量對于水泥土強度也有一定影響。淤泥的含水量為67.0%，而淤泥質粘性土的含水量為55.0%，前者比后者大12%。當低摻量水泥時，前者強度比后者要小8%～21%。這是因為含水量較高、且水泥摻量較低時，水泥與軟土顆粒之間的物理化學并不充分，軟土里仍有一些顆粒尚未參加團聚化作用，含水量的增大使得土體強度降低。

4 結論

本文針對高含水量的軟土進行了水泥土配方試驗，研究了固化齡期、水泥摻量、制作形式、軟土本身含水量對水泥土強度的影響，主要得到了以下結論：

(1)在固化齡期的前28d內，水泥土強度增長明顯，速率較大。在28d～90d內強度逐漸增大，但增速降低，后逐漸趨緩，水泥土強度與齡期之間近似呈對數關系，可以根據該經驗關系式對其強度進行預測。

(2)水泥摻量越高，水泥土強度也越大，兩者近似呈線性關系，直線斜率在0.07～0.10之間，但在實際復合地基工程中，水泥摻量不宜過大。

(3)粉噴制作的水泥土強度比漿噴制作的強度高出12%～36%，且隨著固化齡期的增長，提高的比例有所增大，但粉噴水泥土可能存在不均勻的問題，特別是在低含水量的軟土中應用時應慎重。

(4)當水泥摻量較低時，軟土本身含水量越高，制作的水泥土強度越低。

[1] 朱大宇.水泥土力學性能的試驗分析[J].建筑材料學報，2006，9(3)：291-296.

[2] 郝巨濤.水泥土材料力學特性的探討[J].巖土工程學報，1991，13(3)：53-59.

[3] 曾勝華，曾娟.低摻量水泥土強度特性試驗研究[J].路基工程，2010，151(4)：17-19.

[4] 楊愛武，杜東菊，趙瑞斌.水泥及其外加劑固化天津海積軟土的試驗研究[J].巖土力學，2007，28(9)：1823-1827.

high water content soft soil research to the influential factors of cement-soil strength characteristics

LUJian

(Fujian Huarong Construction Group Co., Ltd,Fuzhou 350001)

For the problem of low strength and high compressibility of soft soil with high water content in Fuzhou coastal area, cement was used to solidify the soft soil indoor. Two typical soft soil, mud and muddy cohesive soil are solidified. The curing time, cement content, curing method and water content on the strength of cement soil were analyzed. The experimental results show that during the first 28 days of curing age, the strength of cement soil increases obviously and the rate is large. The strength increases gradually in 28 days to 90 days, but the rate decreases gradually, and finally keep stable. The relationship between cement soil strength and age is logarithmic. The higher the cement content, the greater the strength of cement soil, but in the actual composite foundation projects, the cement content should not be too large. The strength of cement soil produced by powder spray is 12%～36% higher than that of pulp spray, and the proportion of is increased with the increase of curing age. When the cement content is low, the strength of cement soil decreases with the increase of water content.

Soft soil; Cement soil; Strength

盧建(1983.1- )，男，高級工程師。

E-mail:2739852643@qq.com

2017-03-20

TU4

A

1004-6135(2017)08-0073-03