珠江三角洲軟土固化后力學(xué)特性研究

肖 旺，郭全元，鐘仕興

（廣東省鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510600）

0 引言

近年來，在粵港澳大灣區(qū)戰(zhàn)略發(fā)展背景下，大灣區(qū)珠江三角洲軟土地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，沿海地區(qū)軟土分布廣泛，軟土厚度較大。軟土具有天然孔隙比大、天然含水率大于液限、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、低透水性和高流變性等特點(diǎn)［1-4］。

廣州南沙區(qū)位于珠江河口與伶仃洋的交匯處，為珠江三角洲沖積平原的前沿地帶，在長期的河流和海潮的綜合作用下，該地區(qū)沉積了深厚的海陸交互相軟黏土夾粉細(xì)砂層，軟土區(qū)域的地基承載力低、沉降變形較大，厚度通常為20～40 m，在中等荷載下的地基沉降可達(dá)2.0～5.0 m，存在明顯的差異沉降，其不良地質(zhì)特性在珠江三角洲地區(qū)十分突出，一直是工程建設(shè)地基處理的難題之一。為確保工程質(zhì)量以及積累南沙軟土處理施工技術(shù)，對南沙區(qū)軟土的力學(xué)特性及加固后的力學(xué)強(qiáng)度研究具有重要意義。

深基坑開挖后基坑坑底多為深厚軟土層，承載力低，樁基施工機(jī)械無法進(jìn)入，軟土基坑坑底就地固化法很好地解決了該問題。其清淤棄方量小，直接對基坑坑底軟土進(jìn)行就地固化處理。本文以廣州南沙慶盛地區(qū)軟土基坑工程為研究對象，研究軟土固化強(qiáng)度與水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、水灰比的關(guān)系，并通過統(tǒng)計(jì)與回歸相結(jié)合的方法，建立軟土固化后力學(xué)性能指標(biāo)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度間的回歸關(guān)系，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場試驗(yàn)中，得到適宜的施工工藝。

1 廣州南沙軟土的物理力學(xué)性質(zhì)

在勘察階段對南沙慶盛地區(qū)淤泥和淤泥質(zhì)軟土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，得出南沙軟土物理力學(xué)、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。南沙地區(qū)軟土具有以下一些典型工程特性（見表1）。

表1 南沙軟土力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Mechanical Parameters of Nansha Soft Soil

⑴天然含水量高、天然孔隙比大：南沙地區(qū)軟土的含水量接近或超過液限，飽和度一般大于90%，液限在35%～60%之間，液性指數(shù)大于1.0。淤泥的孔隙比一般大于1.2。

⑵壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低：壓縮模量為1.3～5.3 MPa，為高壓縮性土，c和φ較小，黏聚力一般小于7 kPa，內(nèi)摩擦角小于10°。

⑶滲透性低：南軟土的透水性能弱，并且其滲透系數(shù)量級為（1×10-2）～（1×10-3）m∕d，對土體的排水固結(jié)很不利。

⑷靈敏度高：具有顯著的結(jié)構(gòu)性，土體在擾動后強(qiáng)度劇烈降低，外力干擾停止后，隨著時(shí)間的增長，軟土強(qiáng)度逐漸恢復(fù)。

⑸承載力低：南沙地區(qū)地基承載力一般為20～100 kPa，統(tǒng)計(jì)平均值為60 kPa。這說明了南沙的軟土地基強(qiáng)度低。

從以上的分析很明顯地看出，南沙軟土具有典型的“三高三低”的特點(diǎn)，如果要在這樣的軟弱地基上進(jìn)行工程建設(shè)，進(jìn)行軟基處理勢在必行。

2 工程概況

某基坑工程位于廣州市南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)，處于珠江三角洲的腹部，該工程住宅樓擬設(shè)2層地下室，基坑1層地下室部位基坑深度為3.25 m，2 層部位深度8.75 m?；勇裆罘秶盎滓韵峦翆又饕獮橛倌嗉坝倌噘|(zhì)土，厚度可達(dá)26 m，為深厚軟土層，其下依次為砂黏土層、圓礫層及基巖。

在基坑坑底將固化劑利用攪拌設(shè)備摻入坑底軟土中，如圖1所示，攪拌后固化形成位于基坑坑底中央的1～3 m厚度硬殼層，使承載力分布均勻。

圖1 現(xiàn)場基坑坑底就地固化Fig.1 In-situ Curing of Pit Bottom

3 就地固化機(jī)理分析

就地淺層固化處理方法使用石灰、水泥、工業(yè)廢料以及其他添加劑等固化材料，對地基土進(jìn)行原位改良處理，使其一定深度范圍內(nèi)的軟土固化形成較高強(qiáng)度的土體，以滿足使用要求。就地固化處理系統(tǒng)過程如圖2～3所示。其基本原理為形成一定厚度的硬殼層后，達(dá)到地基承載力等要求［5-7］。該方法具有處理速度快、承載力可滿足不同要求以及可與各種深層處理方法結(jié)合處理的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 就地固化處理系統(tǒng)Fig.2 Schematic of Local Curing System

圖3 邊固化邊推進(jìn)示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Advancing while Curing

4 室內(nèi)固化配比強(qiáng)度試驗(yàn)

為研究就地固化在軟土的處理效果，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同固化劑類型（100%水泥、95%水泥+5%石灰）、不同固化劑參量針對特定土的固化效果，通過統(tǒng)計(jì)與回歸相結(jié)合的方法建立抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮性指標(biāo)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與之間的回歸關(guān)系，探索軟土固化后力學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在規(guī)律性。

4.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)過程

將試件安放在試驗(yàn)機(jī)下墊板中心，試件的承壓面與成型面垂直，在試件的承壓面與實(shí)驗(yàn)儀器之間放置一定厚度鋼板作為承壓板，使試件均衡受壓。

啟動試驗(yàn)機(jī)后，以一定速率連續(xù)均勻?qū)υ嚰雍桑敝猎嚰茐暮笥涗浧茐暮奢d，如圖4所示。

圖4 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)試樣破壞特征Fig.4 Failure Characteristics of Specimens in Unconfined Compression Test

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：fcu為水泥土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa），精確至0.01 MPa；P為破壞荷載（N）；A為試件的橫截面積（mm2）。

從圖5～圖6 可以看出：水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨著固化劑摻量的增加而逐漸增加，且水灰比越小，增加的趨勢就越明顯。在實(shí)際工程中，低水灰比時(shí)，通過提高固化劑摻量的形式來提高水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是比較經(jīng)濟(jì)有效的措施，而高水灰比時(shí)，則不宜采取該措施。

圖5 不同摻量無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線（W/C=0.5）Fig.5 Unconfined Compressive Strength Variation Curve with Age of Different Dosage（W/C=0.5）

圖6 不同摻量無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水灰比變化曲線（T=28 d）Fig.6 The Unconfined Compressive Strength Varies with Water Cement Ratio with Different Dosage（T=28 d）

采用95%水泥+5%石灰的配比組合相較于100%水泥的配比組合能夠有效提高水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，同等條件下，其對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升效果約為10%～40%。

4.2 直接剪切試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)過程

采用應(yīng)變控制式直剪儀對每組配比的4個試樣分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa荷載作用下進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。當(dāng)剪切位移達(dá)到某一特定值時(shí)，剪切面突然貫通，試樣表現(xiàn)為塑性或脆性剪切破壞，如圖7所示。

圖7 直剪試驗(yàn)水泥土試樣破壞特征Fig.7 Failure Characteristics of Cement Soil Samples in Direct Shear Test

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果剪應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

以抗剪強(qiáng)度σ為縱坐標(biāo)，垂直單位壓力P為橫坐標(biāo)，將每個試件的最大剪應(yīng)力點(diǎn)繪在坐標(biāo)紙上，將其線形回歸成一條直線。此直線的傾角應(yīng)為摩擦角φ；縱坐標(biāo)上的截距應(yīng)為黏聚力c。

從圖8～圖9 可以看出：水泥土的黏聚力隨著固化劑摻量的增加有一定的增加趨勢，隨水灰比的增大有一定的減小趨勢。

圖9 不同摻量剪切強(qiáng)度隨水灰比變化曲線（T=28 d）Fig.9 Shear Strength Variation Curve with water Cement Ratio of Different Dosage（T=28 d）

圖10 顯示水泥土黏聚力與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間存在較強(qiáng)的線形關(guān)系，100%水泥和95%水泥+5%石灰兩種配比組合情況下，黏聚力與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的線性關(guān)系分別為：c=171.25fcu+28.92，R2=0.92、c=168.11fcu+20.85，R2=0.96。

圖10 水泥土黏聚力與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系擬合Fig.10 Relationship between Soil-cement Cohesion and Unconfined Compressive Strengthfitting

4.3 壓縮試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)過程

壓縮試驗(yàn)主要是檢測水泥土在側(cè)限與軸向排水條件下的孔隙比和壓力的關(guān)系，即e～P曲線，并以此計(jì)算水泥土的壓縮系數(shù)、壓縮模量等，判斷水泥土的壓縮性。測定方法按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB∕T 50123—2019》［8］第6.2節(jié)的規(guī)定執(zhí)行。

壓縮試驗(yàn)每種配比制備3個環(huán)刀試件，環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高度為20 mm。加壓等級為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，最后一級壓力應(yīng)大于水泥土上覆土層自重壓力與附加壓力之和，并測定每級壓力下試件的變形量。

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

式中：Es為某壓力范圍內(nèi)的壓縮模量。

從圖11 可以看出：在相同水灰比條件下，固化劑摻量越高，水泥土壓縮模量隨齡期的增長速率越快。

圖11 不同摻量水泥土壓縮模量隨齡期變化曲線Fig.11 Curve of Compression Modulus of Soil-cement with Different Dosage with Age

圖12 顯示水泥土壓縮模量Es與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu存在如下的線性關(guān)系：100%水泥配比，Es=7.15fcu+13.95，R2=0.75；95%水泥+5%石灰配比，Es=8.13fcu+12.56，R2=0.71。

圖12 水泥土壓縮模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系擬合Fig.12 Fitting Diagram of Relation between Compression Modulus of Soil-cement and Unconfined Compressive Strength

5 結(jié)語

本文首先對南沙地區(qū)深厚軟土的物理力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，驗(yàn)證了南沙地區(qū)軟土的“三高三低”工程特性，研究了室內(nèi)固化配比強(qiáng)度試驗(yàn)軟土固化后的力學(xué)特性發(fā)展規(guī)律，并通過統(tǒng)計(jì)與回歸相結(jié)合的方法建立了軟土力學(xué)性能指標(biāo)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度間的回歸關(guān)系，為南沙深厚軟土地基加固、就地固化提供指導(dǎo)依據(jù)。

⑴加入固化劑可提高軟土其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、壓縮性指標(biāo)等力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

⑵相同條件下，加入5%的石灰能夠提高水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、壓縮性指標(biāo)。

⑶相同水灰比條件下，低水灰比（W∕C=0.5、1.0）時(shí)，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、壓縮性指標(biāo)隨固化劑摻量的增加而增加得較為明顯，高水灰比（W∕C=1.5、2.0）時(shí)，這種增加趨勢相對較弱。

⑷相同固化劑摻量條件下，隨著水灰比的逐漸增大，其對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、壓縮性指標(biāo)的削減作用逐漸減弱。

⑸水泥土黏聚力、壓縮模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間存在較強(qiáng)的線性擬合關(guān)系。