渦河蒙城樞紐建設(shè)工程換填水泥土材料強(qiáng)度及干縮性能試驗(yàn)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(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300000）

我國(guó)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(yè)的發(fā)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(shù)大等特性，抗沖刷能力差，極易發(fā)生滲透變形，因此，通常需要穩(wěn)定處理和改良，以滿足工程需求，其中水泥土換填是一種應(yīng)用較為廣泛的地基處理方式，而換填水泥土的強(qiáng)度及干縮性是水泥土材料的兩個(gè)重要特性。

本文以渦河蒙城樞紐建設(shè)工程為背景，為了模擬工程現(xiàn)場(chǎng)的碾壓施工工藝，采用振動(dòng)臺(tái)結(jié)合壓重塊的方式進(jìn)行試樣制備，詳細(xì)論述了試驗(yàn)工藝，針對(duì)換填水泥土材料的強(qiáng)度及干縮性能，分析水泥土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及水泥土配合比對(duì)強(qiáng)度的影響，揭示水泥土干縮現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理與規(guī)律，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

渦河蒙城樞紐建設(shè)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(jié)制閘和船閘組成，樞紐多基坑，其中船閘開挖深度17.5m，節(jié)制閘開挖深度12m，上、下游引航道基坑6.61m、12.4m，同時(shí)工程天然基礎(chǔ)為皖北粉細(xì)砂透水地基。

為保證工程安全，根據(jù)設(shè)計(jì)，節(jié)制閘和船閘基礎(chǔ)處理采用水泥土換填。節(jié)制閘基礎(chǔ)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(shè)計(jì)要求壓實(shí)度0.98。

船閘基礎(chǔ)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(dǎo)航墻基礎(chǔ)，換填厚度1.0～1.2m，設(shè)計(jì)要求壓實(shí)度0.96。

2 原材料及試樣制備

2.1 原材料

試驗(yàn)采用的土樣原材料包括兩種，分別為輕粉質(zhì)壤土（選用船閘部位地基土樣，以下簡(jiǎn)稱輕土），重粉質(zhì)壤土（選用節(jié)制閘部位地基土樣，以下簡(jiǎn)稱重土），大致對(duì)應(yīng)土工分類標(biāo)準(zhǔn)中的低塑性粘土或者中塑性粘土。

水泥選用散裝32.5 級(jí)粉煤灰硅酸鹽水泥。

2.2 土樣的預(yù)處理

將工程現(xiàn)場(chǎng)取得的土樣分別取樣進(jìn)行烘干和晾曬，得到烘干土和風(fēng)干土，并分別測(cè)試原濕土及風(fēng)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(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)前對(duì)風(fēng)干土的含水率可再次測(cè)量以保證實(shí)際用水量的穩(wěn)定。

2.3 土樣的基本性質(zhì)

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）對(duì)輕土和重土分別進(jìn)行了物理性質(zhì)、顆粒組成、界限粒徑、界限系數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)的測(cè)試，結(jié)果顯示，兩種土的性質(zhì)區(qū)別不大，重土的細(xì)顆粒略多，重土原始無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為42.5kPa，輕土原始無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為40.3kPa。

2.4 水泥土的配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)工程前期進(jìn)行的最大干密度試驗(yàn)顯示，輕粉質(zhì)壤土水泥摻量10%的水泥土最大干密度為1.72g/cm3，對(duì)應(yīng)最佳含水率為19.8%；重粉質(zhì)壤土水泥摻量10%的水泥土最大干密度為1.73g/cm3，對(duì)應(yīng)最佳含水率為18.2%。因此，配合比以此為基礎(chǔ)進(jìn)行各原材料的用量計(jì)算，并上下變動(dòng)水泥用量3%，即選用7%、10%、13%的水泥用量進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

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(zhǔn)，即1.548×19.8%=0.307kg，以上為按干料計(jì)的基礎(chǔ)配比，當(dāng)所用土為風(fēng)干土?xí)r，由于風(fēng)干土中含有2.3%的水，所以，所用風(fēng)干土的質(zhì)量為1.548/（1-2.3%）=1.585kg，用水量需要扣除風(fēng)干土中已經(jīng)含有的水，實(shí)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(xiàn)場(chǎng)的碾壓施工工藝，采用振動(dòng)臺(tái)結(jié)合壓重塊的方式進(jìn)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(dòng)臺(tái)上，開始逐層加入水泥土，分3 層震動(dòng)碾壓，每層厚度為20mm，震動(dòng)碾壓時(shí)間為30s，碾壓最后一層時(shí)，試模套上套模，防止水泥土溢出。碾壓結(jié)束后，用刮刀將多余料刮去，整平表面，并做上編號(hào)，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)2d 后拆模，拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（相對(duì)濕度＞95%，溫度20±2℃）養(yǎng)護(hù)至需要的齡期。

2.6 壓實(shí)度校核

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

3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

制作試件為邊長(zhǎng)50mm 的立方體，每組3 個(gè)，試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期（7d、28d、56d）后，取出用覆蓋保濕，采用水泥膠砂抗壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。

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

此外，隨齡期延長(zhǎng)，水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)，28d 后基本穩(wěn)定，增加變緩；隨著水泥用量的增加，水泥土強(qiáng)度增加明顯，7d 時(shí)，隨著水泥用量提高，強(qiáng)度增加基本線性，28d 后，水泥用量增加對(duì)強(qiáng)度影響更大，說明在13%的水泥用量時(shí)，水泥土強(qiáng)度發(fā)展更好。

4 干縮試驗(yàn)

水泥土的干燥收縮較大，為研究不同水泥摻量下，不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)其干縮的影響，以及不同試件尺寸的影響，對(duì)兩種土進(jìn)行了干燥收縮試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)方法

采用40mm×40mm×160mm 的小試件進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)齡期的對(duì)比，即試件拆模后，分別在標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d，養(yǎng)護(hù)期滿后再放入干縮室（相對(duì)濕度60%、溫度20±2℃），基礎(chǔ)測(cè)長(zhǎng)在拆模后即開始，在測(cè)長(zhǎng)時(shí)，同步進(jìn)行稱重，以獲得試件的質(zhì)量變化。

尺寸影響試驗(yàn)采用100mm×100mm×315mm 的大試件做對(duì)比，同樣在試件制作過程中埋入不銹鋼測(cè)頭，測(cè)長(zhǎng)采用測(cè)長(zhǎng)儀進(jìn)行。重土和輕土各對(duì)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(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)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(yǎng)護(hù)齡期、干燥齡期關(guān)系曲線圖?？傮w來看，水泥土的干燥收縮率隨干燥齡期延長(zhǎng)而增大，7d 前收縮率迅速增大，7d 后減緩，14d 后趨于穩(wěn)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(yǎng)護(hù)齡期、干燥齡期關(guān)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(jìn)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(yuǎn)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(duì)水泥土干縮的影響

選擇MZ2 和MQ2 兩組水泥土配比，標(biāo)養(yǎng)時(shí)間選為3d，采用100mm×100mm×315mm 的大試件進(jìn)行干縮變形試驗(yàn)，結(jié)果顯示，與小試件相比，大試件由于體積較大，在干燥環(huán)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?？傮w來說，對(duì)于水泥土而言，試件尺寸對(duì)干縮率的測(cè)量結(jié)果影響較小，因此沒有必要采用大試件。

5 結(jié)論

本文結(jié)合渦河蒙城樞紐建設(shè)工程水泥土換填施工，針對(duì)換填水泥土材料的強(qiáng)度及干縮性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，主要獲得了以下結(jié)論：

（1）采用邊長(zhǎng)50mm 的立方體試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著水泥用量的增加，水泥土強(qiáng)度增加明顯，7d 時(shí)，隨著水泥用量提高，強(qiáng)度增加基本線性，28d 后，水泥用量增加對(duì)強(qiáng)度影響更大。

（2）水泥土的干燥收縮率隨齡期延長(zhǎng)而增大，7d 前收縮率迅速增大，7d 后減緩，14d 后趨于穩(wěn)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(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)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(huán)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■