橫琴濱海軟土水泥土配合比試驗(yàn)研究

劉 爽，李文靜，陳俊偉，李 誠(chéng)

（1、珠海大橫琴城市新中心發(fā)展有限公司 廣東珠海 519031；2、中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063；3、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

珠海橫琴主要軟土層為分布于濱海平原海灣地段的濱海相軟土，其工程特性表現(xiàn)為厚度大、壓縮性高、透水性低、強(qiáng)度差等［1-3］，海灣地段地表不均勻分布未固結(jié)沖填砂，工程建設(shè)中常采取排水固結(jié)預(yù)壓和水泥攪拌樁進(jìn)行軟基處理［4-5］，在濱海相軟土地基處理方面已有大量研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［6-9］，其中水泥土配合比試驗(yàn)是重要內(nèi)容，它可為軟基處理設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，水泥土抗壓強(qiáng)度是常見(jiàn)力學(xué)指標(biāo)，其影響因素眾多：水泥摻量、水灰比、齡期、有機(jī)質(zhì)含量、外摻劑等，本文以橫琴濱海廣泛分布的淤泥、沖填砂為研究對(duì)象，進(jìn)行一系列配合比試驗(yàn)以研究各因素對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，以期為橫琴濱海地區(qū)相關(guān)軟基處理工程提供借鑒。

1 工程概況

本文采取橫琴杧洲隧道工程項(xiàng)目場(chǎng)地上部沖填砂層和下部淤泥層中試樣進(jìn)行配合比試驗(yàn)，橫琴杧洲隧道工程隧道穿越馬騮洲水道，北岸接環(huán)港東路與洪灣大道交叉口，南岸接厚樸道。左線主線隧道長(zhǎng)度1 995 m；右線隧道長(zhǎng)2 032 m，采用單層雙管盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)管片外徑14.5 m，盾構(gòu)埋深16.0～35.0 m。隧道工程分布有淤泥等軟土，軟土具較高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度、中～高靈敏度的工程性質(zhì)，為不良工程地質(zhì)層，隧道施工時(shí)軟土層可對(duì)坑壁穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，易造成土體剪切破壞、支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問(wèn)題，應(yīng)對(duì)軟基進(jìn)行加固處理措施。

本文試驗(yàn)對(duì)象為沖填砂和淤泥層，沖填土層基本遍布馬騮洲水道以南區(qū)域，主要由粉細(xì)砂組成，呈濕～飽和、松散狀態(tài)，厚度0.80～12.40 m，平均5.23 m，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=8.39 擊，淤泥層在隧道兩岸整場(chǎng)分布，有機(jī)質(zhì)含量為2.81%，呈飽和、流塑狀態(tài)，厚度4.00～50.70 m，平均25.69 m，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=1.46擊。

2 配合比試驗(yàn)

2.1 試樣配制方法

本次試驗(yàn)采取項(xiàng)目場(chǎng)地上部沖填砂，其含水率約21.2%，密度約1.57 g∕cm3，采取場(chǎng)地下部淤泥，其含水率約56.1%，密度約1.73 g∕cm3。

本次試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)挖取天然狀態(tài)后土立即封裝在厚塑料袋內(nèi)，按擬定的試驗(yàn)配合比稱重后放人攪拌鍋內(nèi)，采用攪拌鏟人工拌和均勻；然后在試模內(nèi)裝入一半試料，擊振試模50下，緊接著填人其余試料再擊50下，最后將試塊表面刮平，蓋上塑料布，以防水分蒸發(fā)。整個(gè)拌和與裝模時(shí)間控制在15 min 之內(nèi)。水泥土試件的制備數(shù)量為每組試件3 個(gè)。試塊成型1～2 d 拆模并用編號(hào)，稱重后放人養(yǎng)護(hù)室，分別進(jìn)行各齡期的養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度20±2℃，濕度不低于75%，養(yǎng)護(hù)最后一天飽水24 h，試驗(yàn)制作的部分試塊如圖1所示。

圖1 制備的部分試樣Fig.1 Some Prepared Samples

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)實(shí)施方案如表1 所示，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組配合比3 個(gè)試塊。試樣放在試驗(yàn)儀器底座上，在其上緩慢施加軸向力直至試樣破壞，如圖2所示。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Test Scheme

圖2 試樣破壞情況Fig.2 Specimen Failure

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

沖填砂水泥土、淤泥水泥土在3種水灰比條件下，不同水泥摻量所對(duì)應(yīng)的各齡期的單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律分別如圖3?～圖3?、圖4?～圖4?所示。

圖3 沖填砂水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系Fig.3 Relationship between Unconfined Compressive Strength of Cement Soil of Dredger Fill and Cement Content

圖4 淤泥水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系Fig.4 Relationship between Unconfined Compressive Strength of Cement Soil of Silt and Cement Content

由圖3 可知，在各級(jí)水灰比（0.2～1.0）下，水泥摻量與沖填砂水泥土單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，本文采用二次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合程度較好，當(dāng)水灰比為0.2、0.5 時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)水泥摻量的導(dǎo)數(shù)隨著水泥摻量增大而增大，當(dāng)水灰比為1.0時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)水泥摻量的導(dǎo)數(shù)隨著水泥摻量增大而減小，定性描述了水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖4 可以看出，淤泥與沖填砂在水泥土固化模式上存在明顯區(qū)別，對(duì)于淤泥水泥土，當(dāng)水泥摻量由8%增加至15%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅非常小，由15%增加至25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度才顯著增加，這種固化模式可能與淤泥成分、含水率、有機(jī)質(zhì)含量等因素存在關(guān)系，這為地基處理設(shè)計(jì)施工提供了重要參數(shù)依據(jù)。

沖填砂水泥土、淤泥水泥土在4 種水泥摻量條件下，不同水灰比所對(duì)應(yīng)的各齡期的單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律分別如圖5?～圖5?、圖6?～圖6?所示。

圖5 沖填砂水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系Fig.5 Relationship between Unconfined Compressive Strength of Cement Soil of Dredger Fill and Water-cement Ratio

圖6 淤泥水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系Fig.6 Relationship between Unconfined Compressive Strength of Cement Soil of Silt and Water-cement Ratio

由圖5 可以看出，各水泥摻量（8%～25%）下，沖填砂水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系經(jīng)二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合后，表現(xiàn)出明顯的曲線單峰，峰值對(duì)應(yīng)水灰比在0.5～0.7 附近，這與“無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系曲線”所表現(xiàn)的水灰比與“抗壓強(qiáng)度對(duì)水泥摻量導(dǎo)數(shù)”的關(guān)系是相關(guān)的。當(dāng)水灰比超過(guò)峰值對(duì)應(yīng)值后，隨著水灰比增大，膠體水泥漿濃度降低，水化后多余的游離水分附著在集料上導(dǎo)致膠體與集料粘結(jié)面積減小，從而降低水泥土強(qiáng)度。

由圖6可以看出，與沖填砂水泥土不同，淤泥水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比呈反相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明項(xiàng)目場(chǎng)地淤泥自身含水量（試驗(yàn)淤泥平均含水率56.1%）滿足通過(guò)水化反應(yīng)生成充分的膠體，額外的水分會(huì)降低水泥土強(qiáng)度。針對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地淤泥，可采用干法施工攪拌樁，以達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度，這反映了綜合含水量影響水泥土抗壓強(qiáng)度［10-11］，繼而影響施工工藝。

沖填砂水泥土、淤泥水泥土不同齡期所對(duì)應(yīng)的各配合比（共12 組）條件下的單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖7所示。

由圖7 可以看出，各配合比下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)率變化不大，以下定量說(shuō)明。

圖7 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig.7 Relationship between Unconfined Compressive Strength and Age

當(dāng)水灰比為0.2、0.5、1.0 時(shí)，對(duì)于沖填砂水泥土，齡期7 d抗壓強(qiáng)度平均值約為齡期28 d抗壓強(qiáng)度平均值的78%、74%、70%，齡期14 d 抗壓強(qiáng)度平均值約為齡期28 d抗壓強(qiáng)度平均值的89%、84%、84%。對(duì)于淤泥水泥土，齡期7 d 抗壓強(qiáng)度平均值約為齡期28 d 抗壓強(qiáng)度平均值的69%、65%、66%，齡期14 d 抗壓強(qiáng)度平均值約為齡期28 d 抗壓強(qiáng)度平均值的81%、80%、82%，表明水灰比對(duì)水泥土固化反應(yīng)速度影響較小。各配合比下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)率平均值為0.048。

當(dāng)水泥摻量為8%、15%、20%、25%時(shí)，對(duì)于沖填砂水泥土，齡期7 d 抗壓強(qiáng)度平均值約為齡期28 d 抗壓強(qiáng)度平均值的73%、67%、74%、80%，齡期14 d 抗壓強(qiáng)度平均值約為齡期28 d 抗壓強(qiáng)度平均值的91%、81%、85%、85%。對(duì)于淤泥水泥土，齡期7 d 抗壓強(qiáng)度平均值約為齡期28 d 抗壓強(qiáng)度平均值的65%、65%、65%、71%，齡期14 d抗壓強(qiáng)度平均值約為齡期28 d抗壓強(qiáng)度平均值的83%、81%、73%、87%，表明水灰比對(duì)水泥土固化反應(yīng)速度影響亦較小。各配合比下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)率平均值為0.040。

4 結(jié)論

⑴項(xiàng)目場(chǎng)地沖填砂、淤泥的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系模式明顯不同，沖填砂水泥土抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而明顯增大，而淤泥水泥土抗壓強(qiáng)度需在水泥摻量大于15%后才表現(xiàn)出明顯增幅。

⑵被處理軟土的綜合含水量對(duì)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有重要影響，項(xiàng)目場(chǎng)地淤泥含水率高，可優(yōu)先使用干法施工水泥攪拌樁。

⑶對(duì)于項(xiàng)目場(chǎng)地沖填砂，水灰比與水泥土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線表明，水灰比存在最優(yōu)值，其值可取0.5左右。

⑷水灰比和水泥摻量對(duì)水泥土固化反應(yīng)速度影響較小，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在7～28 d內(nèi)基本呈線性增長(zhǎng)。