隧道開挖土改良利用試驗(yàn)研究

王新輝

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 南京210096）

0 前言

隨著城市建設(shè)的進(jìn)行，蘇州已建成和在建多條隧道，開挖土層主要為第四系全新世至早更新世沉積的疏松沉積物，以黏性土為主，間夾粉（砂）性土。隧道開挖的大量土方如棄之，運(yùn)距較遠(yuǎn)，并需場(chǎng)地堆放，既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保；如直接利用，工程性質(zhì)差，不能滿足道路填筑要求，故有必要對(duì)隧道開挖棄土進(jìn)行利用試驗(yàn)研究。

20 世紀(jì)初，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家在興建道路、港口、機(jī)場(chǎng)等工程中采用了土體固化技術(shù)對(duì)土體進(jìn)行改良。20 世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)一些單位開始了固化劑的改性及本土化的研究和探索。王?？〉热耍?］研究了安徽地區(qū)粉土改良后CBR 值及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期及配合比的關(guān)系。賈尚華等人［2］利用比強(qiáng)度方法，對(duì)石灰水泥土的增強(qiáng)機(jī)制進(jìn)行了研究。張凱華［3］在粉土中摻配不同比例的水泥、砂礫制作試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、CBR 試驗(yàn)研究。張瑜等人［4］對(duì)加入不同摻合比水泥、石灰后的粉土的改良效果進(jìn)行了測(cè)試。隧道開挖土埋藏較深，土體性質(zhì)具有特殊性，故有必要對(duì)其進(jìn)行分析并進(jìn)行改良試驗(yàn)研究。

1 工程地質(zhì)概況

蘇州市區(qū)主要位于太湖沖湖積平原區(qū)，第四紀(jì)以來沉積十分發(fā)育，地層呈多沉積韻律特點(diǎn)，河湖、濱海相沉積交替進(jìn)行，成因比較復(fù)雜，但層序清楚。地基土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。

如圖1 所示，隧道開挖土層主要為：①-6 素填土、④黏土、⑤-1 粉質(zhì)黏土、⑤-2 粉土夾粉質(zhì)黏土、⑥-1粉砂夾粉土和⑥-2 粉砂，④層及以上土層受原道路構(gòu)筑物影響，土中多夾雜建筑垃圾和生活垃圾，土體不宜利用，可用于綠化帶填筑；⑤-2 層和⑥-1 層為過渡層，故隧道開挖可利用的土體類別主要為⑤-1 粉質(zhì)黏土和⑥-2 粉砂。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面Fig.1 Typical Engineering Geological Section

從圖2 可看出，⑤-1 層和⑥-2 層差別甚微，不均勻系數(shù)Cu分別為6.2 和5.7，曲率系數(shù)Cc分別為1.7和1.6，兩類土均為均粒土，累計(jì)曲線呈臺(tái)階狀，局部缺乏中間粒徑［5］。通過承載比試驗(yàn)，擊實(shí)次數(shù)為98 次，貫入量為2.5 mm 時(shí)的承載比值分別為2.2%和2.3%，貫入量為5 mm 時(shí)分別為2.0%和2.1%。有機(jī)質(zhì)含量分別為0.24%和0.29%。

表1 地基土層物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and Mechanical Indicators of Foundation Soil

圖2 顆粒級(jí)配累計(jì)曲線Fig.2 Particle Grading Cumulative Curve

綜上表明，開挖利用土體土粒較均勻，主要為粉粒，黏粒（＜0.005 mm）含量較少，一般在15%以內(nèi)，有機(jī)質(zhì)含量低。粉類土黏粒含量少、塑性指數(shù)低、無黏聚性、易液化，壓實(shí)后具有一定的強(qiáng)度和壓縮性，浸水后無明顯脹縮性，但強(qiáng)度嚴(yán)重衰減，在公路施工中被列為“不良土”，不能直接用于填筑路基，必須進(jìn)行改良處理［1，3，6］。

2 土體改良固化機(jī)理

目前粉土常用的改良劑有石灰、水泥、粉煤灰等［4］。由于粉土中黏粒含量較少，黏土顆粒無法與石灰充分發(fā)生反應(yīng)，在相同配合比的條件下，摻水泥的效果要優(yōu)于石灰，具有早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯等特點(diǎn)［1］，因此本次土體改良主要采用水泥作為改良劑。

水泥對(duì)土體的改良主要是水泥、土和水之間發(fā)生了非常復(fù)雜的作用，主要有化學(xué)作用、離子交換作用、化學(xué)激發(fā)作用和碳酸化作用［7］，使水泥顆粒得到水化、硬化，使黏土顆粒與水泥、水泥水化物進(jìn)行離子交換，微粒得到凝聚、結(jié)晶，并經(jīng)過壓實(shí)，形成一定的結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度。

3 土體試驗(yàn)及結(jié)果

本次試驗(yàn)分別按照4%、6%、8%的水泥摻量配比進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》［8］和《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》［9］進(jìn)行，采用重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，主要進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)、7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

土粒摻入不同劑量的水泥后，最大干密度和最佳含水量呈比例增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且隨著水泥摻量的增加，⑤-1 層和⑥-2 層土最大干密度逐漸接近，說明粉砂孔隙率變小，逐漸趨于密實(shí)（見圖3、圖4）。

圖3 水泥摻入比與最大干密度關(guān)系曲線Fig.3 Curve of Cement Blending Ratio and Maximum Dry Density

3.2 承載比試驗(yàn)

對(duì)⑤-1 層和⑥-2 層土不同水泥摻量進(jìn)行承載比試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，齡期為7 d?？梢园l(fā)現(xiàn)，水泥摻量低時(shí)，粉質(zhì)黏土強(qiáng)度高于粉砂強(qiáng)度，粉砂強(qiáng)度隨著摻量的增加，強(qiáng)度增長(zhǎng)較快（見圖5）。

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

對(duì)⑤-1 層和⑥-2 層土不同水泥摻量進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，壓實(shí)度提高，抗壓強(qiáng)度隨著增長(zhǎng)，粉砂抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率高于粉質(zhì)黏土（見圖6）。

從以上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含有一定黏粒的粉質(zhì)土在水泥摻量較低時(shí)，表現(xiàn)出較大的干密度和較高的強(qiáng)度，但當(dāng)水泥摻量逐步增長(zhǎng)時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率低于粉砂。水泥摻量低時(shí)，水泥骨架作用并不占優(yōu)，而含有一定黏粒的粉質(zhì)土反而易于壓實(shí)，伴隨一定的離子交換作用，表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度，但隨著水泥摻量的增加，骨架作用明顯，粉砂強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。

圖4 水泥摻入比與最佳含水量關(guān)系曲線Fig.4 Curve of Cement Blending Ratio and Optimum Water Content

圖5 水泥摻入比與CBR 值關(guān)系曲線Fig.5 Curve of Cement Blending Ratio and CBR Value

圖6 水泥摻入比與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.6 Curve of Cement Blending Ratio and Unconfined Compressive Strength

4 路基填筑對(duì)水泥改良土的要求

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D30-2015》［10］和《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：CJJ 194-2013》［11］，對(duì)于不同層位的路基，要求達(dá)到不同的CBR 值，顯然對(duì)于摻入4%以上水泥的隧道開挖土都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求，說明采用水泥改良用于路基填筑是可行的，根據(jù)文獻(xiàn)［1］，適當(dāng)降低摻量也可滿足路基填筑要求。

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則：JTG/T F20-2015》［12］，水泥穩(wěn)定材料用于道路路面基層和底基層填筑時(shí)，要求7 d 齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Rd在1.0～7.0 MPa 之間，而隧道開挖土8%水泥摻量抗壓強(qiáng)度值僅0.8～1.0 MPa，表明該類土用于路面基層、底基層填筑時(shí)需要更大的摻量和壓實(shí)度。雖然增加水泥摻量可提高抗壓強(qiáng)度，但高摻量水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)并不顯著，也不經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)論

蘇州市區(qū)隧道開挖土主要為粉質(zhì)黏土和粉砂，顆粒單一，級(jí)配不良，承載比低，不宜直接用于路基填筑。通過4%、6%、8%水泥摻量配比試驗(yàn)，CBR 值提高至70%～160%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.3～1.0 MPa，經(jīng)改良后可用于路基填筑，但不滿足路面基層、底基層強(qiáng)度要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，含一定黏粒的粉質(zhì)土水泥摻量低時(shí)強(qiáng)度較高，但隨著水泥摻量的增加其強(qiáng)度增長(zhǎng)速率低于粉砂。