水泥土攪拌加固法強(qiáng)度試驗(yàn)研究

常高奇，孟令福

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220）

引言

工程建設(shè)項(xiàng)目遇到復(fù)雜地質(zhì)條件或者特殊性質(zhì)土的情況越來越多[1]，如存在滑坡、泥石流、軟土震陷、軟弱地層甚至采空區(qū)等影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)狀況[2]，隨之對應(yīng)的地基處理技術(shù)也得到長足的發(fā)展[3]。特別是在沿江、湖、海的場地，軟弱地基土層發(fā)育，這類土層通常存在含水率大、孔隙比大、壓縮性高、承載力低等不利工程地質(zhì)條件。對于這類地基，水泥土攪拌加固法[4]在經(jīng)濟(jì)效益以及處理效果方面都有較大的優(yōu)勢。水泥土攪拌加固法是用于加固飽和軟黏土地基的一種方法，它是在地基土中加入固化物水泥后，再用機(jī)械攪拌器械進(jìn)行機(jī)械攪拌，此時，水泥與土混合物在經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)后，形成的水泥土，這種水泥土具有整體性強(qiáng)、水穩(wěn)定性好并且具有較高強(qiáng)度的地基。水泥土加固法技術(shù)發(fā)展時間短以及使用頻率小，其設(shè)計計算方法以及施工工藝有很大的發(fā)展空間，屬于半理論、半經(jīng)驗(yàn)的地基處理方法。因此，研究水泥土攪拌加固法對地基處理效果評價、軟弱地層強(qiáng)度提升、水泥土強(qiáng)度特性都有重要的理論和實(shí)際意義。

為研究水泥土攪拌加固效果，通常在地基處理前，需要取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，為測定水泥土的抗剪以及抗壓強(qiáng)度，通常會進(jìn)行室內(nèi)的直剪試驗(yàn)以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。通過對比地基土和水泥土的抗剪抗壓強(qiáng)度，來判斷該區(qū)水泥土攪拌加固的效果。因此，本文以緬甸仰光某工程地基土為試驗(yàn)研究對象，測定水泥土攪拌加固法的強(qiáng)度提升情況，為今后類似的場地進(jìn)行水泥土攪拌加固處理提供理論以及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

1 地層巖性以及分布特征

試驗(yàn)區(qū)位于緬甸仰光省，毗鄰仰光河，位于沖擊平原上。該試驗(yàn)區(qū)的軟弱地基土層屬于全新世湖沼相沖積層，厚度為13.6～26.8 m，該層自上而下分別為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土。淤泥：灰色，流塑狀，高塑性，含腐殖質(zhì)，夾植物根系，土質(zhì)均勻，層厚2.6～2.7 m，平均標(biāo)貫擊數(shù)N＜1.0 擊；淤泥質(zhì)黏土：灰色、青灰色，流塑狀，高塑性，含大量朽木及腐殖質(zhì)，土質(zhì)不均，層厚7.0～12.5 m，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=1.9 擊。黏土：灰色、青灰色，流塑～軟塑狀，局部可塑狀，高塑性，夾淤泥質(zhì)土薄層，含少量朽木屑及腐殖質(zhì)，局部含大量朽木，土質(zhì)不均，層厚4.0～11.6 m。平均標(biāo)貫擊數(shù)N=3.1 擊。對該地層土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，見表1、表2 所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示該層土具有如下特征：

1）含水量高，淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土天然含水率平均值分別為58.6 %、49.7 %、49.4 %，液性指數(shù)平均值分別為1.61、1.15、0.89；

2）孔隙比大，淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土孔隙比平均值分別為1.58、1.36、1.42，飽和度一般都在90 %以上；

3）壓縮性大，淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土壓縮系數(shù)平均值分別為1.13、1.08、1.00(單位：MPa-1)，均大于0.5，壓縮模量平均值分別為2.32、2.29、2.47(單位：MPa)，均小于4，所以，該層為高壓縮性土；

4）滲透性差，淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土垂直滲透系數(shù)分別為7.1×10-8～2.0×10-7cm/s、1.5×10-8～2.4×10-7cm/s、9.0×10-9～3.1×10-7cm/s，水平滲透系數(shù)分別為1.1×10-7～2.9×10-7cm/s、4.4×10-8～4.8×10-7cm/s、2.2×10-8～5.1×10-7cm/s，屬于極低滲透性或者實(shí)際不透水；

5）強(qiáng)度低，這層土的十字板抗剪強(qiáng)度和室內(nèi)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別見表1、表2 所示，抗剪強(qiáng)度低；淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為13.8～20.3、18.3～43.6、18.9～50.3，平均值分別為18.1、24.8、28.3(單位:kPa)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度低；

表1 地基土物理和力學(xué)指標(biāo)

表2 地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

6）正常固結(jié)土層，前期固結(jié)壓力大多大于自重壓力，少部分土樣前期固結(jié)壓力略小于自重壓力，結(jié)合區(qū)域工程經(jīng)驗(yàn)，該層為正常固結(jié)土；

7）軟土震陷，這層土層厚較大，地基承載力為40～60 kPa，等效剪切波速一般Vsr＜140 m/s，地震設(shè)防烈度為8 度，不滿足承載力大于100 kPa、等效剪切波速大于140 m/s 的條件，應(yīng)考慮震陷影響。

2 水泥土攪拌加固法室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)步驟

目前，水泥土室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)并沒有統(tǒng)一的操作規(guī)程，都是參考現(xiàn)有的巖土試驗(yàn)室的土工試驗(yàn)和巖石（或者建筑材料）強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)行直接剪切的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)以及無側(cè)限條件下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。水泥土室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：

1）土樣制備

用于制備水泥土的土樣有兩種選擇方法，一種是風(fēng)干的土樣，將現(xiàn)場土樣經(jīng)過風(fēng)干、碾碎、過篩后獲得，在制備水泥土?xí)r，添加一定量的水，則獲得所需要的含水量的土樣。另外一種為“原狀”土樣，是現(xiàn)場取得樣品后立即用密閉的厚層塑料袋進(jìn)行封裝，基本保證土的天然含水率不變，這里的“原狀”土樣，允許是擾動樣，只是含水率保持不變，并不是結(jié)構(gòu)或者構(gòu)造不變。

2）固化劑的添加

這里的固化劑就是水泥，水泥摻入的量需要在一定的范圍內(nèi)，一般為7 %～20 %。這里的水泥摻入比aw是指摻入的水泥的質(zhì)量與需要被加固的土的天然質(zhì)量的比值。另外，為提高水泥的強(qiáng)度或者其他性能，可以加入一定量的外摻劑。

3）攪拌與養(yǎng)護(hù)

根據(jù)試驗(yàn)的要求，將一定量的水泥、外摻劑、水加入到需要加固的定量土樣中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，分層添加到水泥土試件磨具中，在每層添加后需要震? 分鐘。最后，將試件表面整平后，遮蓋塑料布保濕，防止水分過快的蒸發(fā)。試件成型后，再根據(jù)試驗(yàn)所要求的水泥土養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

4）直接剪切試驗(yàn)與單軸無側(cè)限抗壓試驗(yàn)

直接剪切試驗(yàn)就是在不同的垂直壓力下，施加水平向的剪切力，測得試樣破壞時的剪應(yīng)力，再根據(jù)庫倫定律確定試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即黏聚力與摩擦角；單軸無側(cè)限抗壓試驗(yàn)就是試驗(yàn)在無側(cè)向約束條件下，在試樣垂直方向上施加壓力，試樣抵抗軸向壓應(yīng)力的極限強(qiáng)度。

為研究水泥土的抗壓與抗剪強(qiáng)度，在以下條件下進(jìn)行試樣的制備與試驗(yàn)。第一，制備水泥土的土樣采用“原狀”土樣；第二，固化劑采用普通硅酸鹽42.5 級水泥；第三，水泥摻入比aw=17 %，并采用干粉法進(jìn)行攪拌，即將水泥摻入土樣后直接攪拌，不添加水和外摻劑；第四，養(yǎng)護(hù)齡期為28 天；第五，水泥土的強(qiáng)度較高，應(yīng)選擇合適的直剪儀與無側(cè)限儀，防止儀器產(chǎn)生大變形而引起的試驗(yàn)誤差，本次試驗(yàn)采用巖石直剪儀和無側(cè)限儀，直剪試驗(yàn)的垂直壓力有四級，分別為0.11、0.22、0.33、0.44 MPa。

2.2 強(qiáng)度指標(biāo)與地基土物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)關(guān)系

水泥土是由水泥與土樣均勻攪拌而成，其強(qiáng)度指標(biāo)則是水泥與土樣的強(qiáng)度共同作用的結(jié)果[5]，即水泥土的強(qiáng)度指標(biāo)與所用的水泥強(qiáng)度有關(guān)，也與土樣的物理力學(xué)性質(zhì)也存在某種關(guān)系。本文為研究水泥土強(qiáng)度指標(biāo)與土樣物理力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系，采用控制變量法，選擇多個土樣進(jìn)行試驗(yàn)。

1）水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與地基土物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)關(guān)系通過水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與地基土土工試驗(yàn)的成果進(jìn)行對比，經(jīng)統(tǒng)計分別得到地基土含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、壓縮系數(shù)av、壓縮模量Es與水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度′的相關(guān)關(guān)系，見圖1（圖中點(diǎn)為實(shí)測值，線為擬合曲線）。通過統(tǒng)計分析，得到其擬合回歸方程見表3。由圖1 可知，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度′隨地基土含水率w、孔隙比e0、壓縮系數(shù)av的增大而變??；隨地基土干重度rd、天然重度r、壓縮模量Es的增大而變大。說明了水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與這些指標(biāo)的密切關(guān)系，根據(jù)地基土含水率w、干重度rd、天然重度r 與的關(guān)系，說明地基土的顆粒成分與結(jié)構(gòu)比含水率對′的影響更大。另外，統(tǒng)計地基土的液限、塑限、液性指數(shù)與水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度′的相關(guān)關(guān)系以及擬合曲線，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)絕對值遠(yuǎn)小于對應(yīng)的臨界相關(guān)值，說明′與地基的稠度不存在線性相關(guān)，即′的變化受到地基土的稠度變化的影響不大。由表3 中所建立的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的回歸方程，這個公式的相關(guān)系數(shù)絕對值均大于α=0.05時的臨界相關(guān)值，顯著相關(guān)，則利用地基土的含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、壓縮系數(shù)av、壓縮模量Es來初步計算水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖1 地基土力學(xué)參數(shù)與水泥土抗壓強(qiáng)度相關(guān)圖

表3 地基土力學(xué)參數(shù)與水泥土抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式

2）水泥土剪切強(qiáng)度與地基土力學(xué)參數(shù)關(guān)系

通過水泥土的直接剪切強(qiáng)度試驗(yàn)與地基土的土工試驗(yàn)的成果進(jìn)行對比。經(jīng)統(tǒng)計分別得到地基土含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0與水泥土直接剪切強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力C′的相關(guān)關(guān)系，見圖2（圖中點(diǎn)為實(shí)測值，線為擬合曲線）。通過統(tǒng)計分析，得到其擬合回歸方程見表4。由圖2 中可知，水泥土的黏聚力C′隨地基土含水率w、孔隙比e0的增大而變小，隨地基土干重度rd、天然重度r 的增大而變大。說明了水泥土的黏聚力C′與這些指標(biāo)的密切關(guān)系，根據(jù)地基土含水率w、干重度rd、天然重度r 與黏聚力C′的關(guān)系，說明地基土的顆粒成分與結(jié)構(gòu)比含水率對黏聚力C′的影響更大。另外，統(tǒng)計地基土的液限、塑限、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)av、壓縮模量Es與水泥土的黏聚力C′的相關(guān)關(guān)系以及擬合曲線，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)絕對值遠(yuǎn)小于對應(yīng)的臨界相關(guān)值，說明黏聚力C′與地基的稠度、壓縮指標(biāo)不存在線性相關(guān)，即黏聚力C′的變化受到地基土的稠度與壓縮指標(biāo)變化的影響不大。由表4 中所建立的水泥土黏聚力C′的回歸方程，這個公式的相關(guān)系數(shù)絕對值均大于α=0.05時的臨界相關(guān)值，顯著相關(guān)，則利用地基土的含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、來初步計算水泥土的黏聚力C′。

表4 地基土力學(xué)參數(shù)與水泥土黏聚力經(jīng)驗(yàn)公式

圖2 地基土物理參數(shù)與水泥土黏聚力相關(guān)圖

另外，統(tǒng)計地基土的含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、液限、塑限、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)av、壓縮模量Es與水泥土摩擦角φ′的相關(guān)關(guān)系以及擬合曲線，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，水泥土摩擦角φ′在37°～45°之間變化，其相關(guān)系數(shù)絕對值遠(yuǎn)小于對應(yīng)的臨界相關(guān)值，說明水泥土摩擦角φ′的變化與地基土的物理力學(xué)指標(biāo)的變化影響不大。

2.3 攪拌加固法強(qiáng)度指標(biāo)增強(qiáng)統(tǒng)計

為研究水泥土攪拌加固法強(qiáng)度指標(biāo)增強(qiáng)性能，統(tǒng)計分析水泥土與地基土的單軸抗壓強(qiáng)度、黏聚力以及水泥土的摩擦角。根據(jù)2.2 中的水泥土強(qiáng)度分析可知，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與直接剪切黏聚力受到地基土物理力學(xué)指標(biāo)的影響，則統(tǒng)計水泥土與地基土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值以及水泥土與地基土的黏聚力的比值；水泥土的摩擦角受到地基土物理力學(xué)指標(biāo)影響較小，而且水泥土的摩擦角變化幅度較小，則單獨(dú)統(tǒng)計水泥土摩擦角以及地基土的摩擦角，統(tǒng)計結(jié)果見下表5 所示，表中，為水泥土的單軸抗壓強(qiáng)度、qu為地基土的三軸抗壓強(qiáng)度、C1為水泥土的黏聚力、為地基土的黏聚力、φ為地基土的摩擦角、'φ為水泥土的摩擦角。根據(jù)表5 中統(tǒng)計結(jié)果可知，通過水泥土攪拌加固法，地基土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大約提高了106.75 倍、地基土的直接剪切強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力大約提高了86.79 倍、地基土的直接剪切強(qiáng)度指標(biāo)摩擦角大約提高了29.73 倍。但是，根據(jù)表5 中對地基土的摩擦角統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其變異系數(shù)偏大，即離散型較大，直接通過水泥土與地基土的摩擦角的比值，意義不大，由于水泥土摩擦角變異為0.06，即離散型很小，可直接使用水泥土的摩擦角的統(tǒng)計結(jié)果，即41.02°。

表5 水泥土強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計

3 結(jié)語

1）工程試驗(yàn)區(qū)軟弱地基土層是具有含水量高、孔隙比大、壓縮性大、滲透性差、強(qiáng)度低的正常固結(jié)土層，應(yīng)考慮軟土震陷影響，進(jìn)行地基處理可考慮使用泥土攪拌加固法。

2）工程試驗(yàn)區(qū)軟弱地基土層水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Qu′隨地基土含水率w、孔隙比e0、壓縮系數(shù)av的增大而變小，隨地基土干重度rd、天然重度r、壓縮模量Es的增大而變大；水泥土的黏聚力C′隨地基土含水率w、孔隙比e0 的增大而變小，隨地基土干重度rd、天然重度r 的增大而變大；水泥土摩擦角φ′的變化與地基土的物理力學(xué)指標(biāo)的變化影響不大。

3）工程試驗(yàn)區(qū)軟弱地基土層經(jīng)過水泥土攪拌加固法，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大約提高了106.75 倍、直接剪切強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力大約提高了86.79 倍，摩擦角提高到了41.02°。

4）建立的針對該工程試驗(yàn)區(qū)的軟弱地基土層水泥土攪拌加固后水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)、直接剪切黏聚力與地基土層物理力學(xué)指標(biāo)的回歸方程，以及統(tǒng)計水泥土的摩擦角的變化范圍以及標(biāo)準(zhǔn)值，可通過地基土的物理力指標(biāo)初步計算經(jīng)過水泥土攪拌加固的水泥土的強(qiáng)度指標(biāo)，也為臨近以及類似的工程的水泥土攪拌加固效果提供經(jīng)驗(yàn)以及可靠性分析支持。