吹填土場地加固中水泥土施工技術(shù)試驗研究

郁亮，吳文虎，孫常海

（中交浚浦建筑科技（上海）有限公司，上海 201601）

0 引言

振華重工長興智能港口裝備產(chǎn)業(yè)項目位于上海市長興島，其工程建設(shè)場地主要為吹填土構(gòu)成，土質(zhì)松軟。在自動化總裝場地單項工程中，設(shè)計采用水泥土施工技術(shù)對吹填土場地進(jìn)行加固。目前對于水泥土的研究有很多，其基本的力學(xué)性能[1-6]和實際工程應(yīng)用價值[7-10]已經(jīng)得到了充分地證明。而實際工程中，水泥土應(yīng)用效果受多方因素影響，如碾壓施工前場地的含水率難以控制，導(dǎo)致工程應(yīng)用中難以達(dá)到試驗室水泥土最大干密度；碾壓施工過程持續(xù)時間較長，且延遲擊實時長對水泥土壓實后強(qiáng)度影響較大；碾壓施工工藝不成熟，場地收面效果和壓實度難以控制。因此，為保證工程質(zhì)量，本文將從施工前場地的含水率控制、延遲擊實時長對水泥土壓實后強(qiáng)度的影響及碾壓施工工藝對場地收面效果和壓實度的影響3 個方面分別對水泥土施工技術(shù)進(jìn)行試驗研究。

1 材料參數(shù)

工程中設(shè)計選用的水泥型號為P·S·A32.5，初凝時間為340 min，終凝時間為480 min。

通過對工程現(xiàn)場的素土進(jìn)行液塑限、篩分和擊實試驗，得到素土的各項材料參數(shù)見表1。

表1 素土材料參數(shù)Table 1 Material parameters of plain soil

2 土方含水率控制

結(jié)合施工時間及工況，采取第1 天灑水—靜置12 h—第2 天制作水泥土的方式進(jìn)行施工。考慮到水分蒸發(fā)等因素影響，為使原土方在撒布水泥拌和前達(dá)到最佳含水率，先進(jìn)行土方含水率控制試驗，以掌握土方含水率的控制方法。

2.1 試驗思路

土方含水率控制方法的思路為：首先，第1天在原土上劃分7 個相同大小的1 m×1 m 地塊，對其中6 個地塊（1 個地塊不灑水，作為對照組）分別灑水。通過計算得出不同灑水量，以使各地塊達(dá)到不同含水率。然后靜置12 h，第2 天測量各地塊的含水率變化情況。最后，通過擬合得到第2 天土方含水率與第1 天灑水量的關(guān)系。

2.2 劃分地塊

在原有土地的同一區(qū)域上劃分7 個1 m×1 m地塊，并編號為WC0—WC6，其中WC0 為不灑水對照組，WC1—WC6 為灑水試驗組。為減小地塊間含水率的相互影響，相鄰地塊邊緣距離1 m，如圖1 所示。

圖1 含水率控制試驗地塊劃分Fig.1 Division of water content control test plots

2.3 灑水

為計算理想狀態(tài)下各地塊需要的灑水量，灑水后的目標(biāo)土方含水率θga可表示為：

式中：θga為灑水后的目標(biāo)土方含水率，%；ma為灑水后單位體積土壤的質(zhì)量，g；ms為單位體積原土的烘干后質(zhì)量，g；m為單位體積原土的質(zhì)量，g；mw為單位體積原土的灑水質(zhì)量，g；θg為土方含水率，%。經(jīng)測量，第1 天原土方含水率θg01為3%。

可得到試驗地塊的需灑水量Vw：

式中：Vw為單位體積原土需灑水量，L；ρw為水的密度，取1 kg/L。

土的最大干密度為1.68 g/cm3，取計算壓實厚度0.25 m，則ms=（1 m×1 m×0.25 m）×1 680 kg/m3=420 kg 。同時，根據(jù)式（2）可計算出WC1—WC6地塊所需的第1 天灑水量，如表2 所示。

表2 含水率控制試驗地塊編號Table 2 Number of water content control test plots

2.4 含水率監(jiān)測及分析

第2 天對7 個地塊的含水率進(jìn)行再次測量，得到第2 天土方含水率如表3 所示。

表3 各試驗地塊的第2 天土方含水率Table 3 Next day soil water content of each test plot

根據(jù)表3 中各地塊的含水率變化情況，采用三次多項式擬合的方法對試驗地塊2 個時間點含水率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到試驗地塊第1 天含水率與第2 天含水率的關(guān)系方程如式（3）。

式中：Y為第2 天土方含水率，%；X為第1 天土方含水率，%。多項式方程及試驗監(jiān)測的含水率關(guān)系如圖2 所示。

圖2 試驗地塊含水率控制曲線Fig.2 Water content control curve of test plot

根據(jù)擬合曲線計算各地塊第2 天含水率，其結(jié)果與試驗監(jiān)測值之間誤差最大為1.5%。綜上，可認(rèn)為式（3）能準(zhǔn)確反映試驗地塊第1 天含水率在3%～30%時，第1 天含水率與第2 天含水率的關(guān)系。

3 延遲擊實時間影響研究

通過現(xiàn)有文獻(xiàn)[6]得知，延遲擊實時間對水泥土最大干密度影響顯著。實際施工時，從水泥加入土中到最終碾壓完畢大約需要4 h?，F(xiàn)有水泥加入土中3 h 以內(nèi)完成擊實的室內(nèi)擊實試驗，顯然這不足以代表現(xiàn)場施工場地的擊實后最大干密度及抗壓強(qiáng)度。所以需通過試驗確定延遲擊實時間對水泥土最大干密度及7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.1 延遲擊實試驗結(jié)果及分析

水泥土設(shè)計7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度需不小于0.5 MPa，現(xiàn)對3%、6%和9%水泥摻量的水泥土分別進(jìn)行不同時間段的擊實試驗，得到3 種水泥土的最大干密度隨延遲擊實時間變化情況如表4—表6所示。

表4 3%水泥摻量的水泥土的延遲擊實試驗的檢測數(shù)據(jù)Table 4 Test data of delay compaction test of cementsolidified soil with 3%cement content

表5 6%水泥摻量的水泥土的延遲擊實試驗的檢測數(shù)據(jù)Table 5 Test data of delay compaction test of cementsolidified soil with 6%cement content

表6 9%水泥摻量的水泥土的延遲擊實試驗的檢測數(shù)據(jù)Table 6 Test data of delay compaction test of cementsolidified soil with 9%cement content

根據(jù)表4—表6，可得到3%、6%和9%水泥摻量的水泥土最大干密度隨延遲擊實時間的變化情況，如圖3 所示。

圖3 最大干密度與延遲擊實時間關(guān)系曲線Fig.3 Curves of maximum dry density and delay compaction time

圖3 中，3%、6%和9%水泥摻量水泥土的最大干密度隨延遲擊實時間的變化趨勢一致，呈現(xiàn)為水泥土的最大干密度隨延遲擊實時間的延長而減小，且減小的趨勢隨延遲擊實時間的延長有所降低。此外可以看出，水泥土最大干密度隨水泥摻量的提高而增大，但增大效率有所降低。因此認(rèn)為，適當(dāng)提高水泥摻量和縮短延遲擊實時間可有效提高水泥土的最大干密度。

3.2 7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果分析

對3%、6%和9%水泥摻量的水泥土在不同擊實時段擊實后，得到的水泥土試塊，分別進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果如表7 所示。

表7 水泥土7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 7 7 d unconfined compressive strength of cement-solidified soil

根據(jù)表7 可得到3%、6%和9%水泥摻量水泥土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨延遲擊實時間的變化情況，如圖4 所示。

圖4 中，3%、6%和9%水泥摻量水泥土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨延遲擊實時間延長而降低。在延遲擊實時間為0 時，即撒布水泥后立即擊實，3%、6%和9%水泥摻量水泥土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到最高，分別為0.97 MPa、1.1 MPa 和1.19 MPa，其強(qiáng)度差值為0.22 MPa；在延遲擊實時間為4 h 時，即撒布水泥后靜置4 h 時再進(jìn)行擊實，3%、6%和9%水泥摻量水泥土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.54 MPa、0.6 MPa 和0.63 MPa，其強(qiáng)度差值為0.09 MPa?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨延遲擊實時間的延長，水泥土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受水泥摻量的影響越小。3%、6%和9%水泥摻量水泥土延遲4 h 擊實，其7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別降低44.3%、45.5%和47.1%?？梢钥闯?，水泥摻量提高，水泥土7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨延遲擊實時間延長而減低的幅度越大。根據(jù)設(shè)計需求，3%水泥摻量的水泥土在4 h 內(nèi)完成擊實，其7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.5 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4 碾壓工藝

水泥土的碾壓擊實為施工過程中的重要工藝，直接影響場地的表觀及物理性能。為此，制定2種碾壓施工方案，通過試驗擇優(yōu)選用。

4.1 碾壓方案

碾壓遵循先快后慢原則，碾壓過程連續(xù)緊湊，并保證在水泥初凝前完成碾壓。碾壓時，嚴(yán)禁壓路機(jī)在碾壓中和已成型的路基上掉頭或急剎。根據(jù)使用機(jī)械以及施工工序的不同，制定2 種碾壓施工方案，碾壓順序及遍數(shù)為：

方案1（普通壓路機(jī)碾壓）：16 t 壓路機(jī)靜壓1遍（輪跡搭接40 cm）→16 t 壓路機(jī)弱振1 遍（輪跡搭接半輪）→16 t 壓路機(jī)弱振1 遍（輪跡搭接40 cm）→16 t 壓路機(jī)弱振1 遍→普通壓路機(jī)收面。

方案2（膠輪碾壓）：16 t 壓路機(jī)靜壓1 遍（輪跡搭接40 cm）→16 t 壓路機(jī)弱振1 遍（輪跡搭接半輪）→16 t 壓路機(jī)弱振1 遍（輪跡搭接40 cm）→16 t壓路機(jī)弱振1 遍→膠輪壓路機(jī)收面。

4.2 碾壓結(jié)果及分析

根據(jù)上述研究，實際選用3%水泥摻量的水泥土，延遲擊實時長4 h，經(jīng)2 種施工方案碾壓后的場地收面效果如圖5 所示。

從圖5 可以看出，方案1 的場地收面效果不理想，裂紋明顯，最大裂紋寬度達(dá)4 mm；方案2的場地裂紋細(xì)且少，最大裂紋寬度僅1.5 mm，其場地收面效果對比方案1 有較大提升。綜上，針對水泥摻量3%的水泥土延遲4 h 擊實，采用膠輪碾壓后的場地收面效果更好。

2 種方案施工后的壓實度檢測情況見表8 和表9。

表8 方案1 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)Table 8 Field test data of scheme 1

表9 方案2 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)Table 9 Field test data of scheme 2

根據(jù)表8 和表9 中2 種碾壓方案的碾壓后土方壓實度可以算出，方案1 的平均壓實度為93.95%，方案2 的平均壓實度為94.75%，即采用膠輪碾壓的方案2 壓實效果更好。

5 結(jié)語

本文基于實際工程需求，通過試驗研究了土方的含水率控制方法、延遲擊實時間對水泥土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響和碾壓工藝對水泥土壓實度的影響。根據(jù)試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

1） 通過試驗以及多項式擬合得到了灑水后和施工前2 個時間點土方含水率之間的關(guān)系，為工程提供了施工依據(jù)。此外，本文中提出的對土方的含水率控制方法可為今后工程提供設(shè)計依據(jù)和施工方法。

2） 水泥土的最大干密度隨延遲擊實時間的延長而減小，隨水泥摻量的提高而增大，即提高水泥摻量和縮短延遲擊實時間可有效提高水泥土的最大干密度和抗壓強(qiáng)度。結(jié)合本工程設(shè)計強(qiáng)度要求，決定選用水泥摻量為3%的水泥土對場地進(jìn)行加固。

3） 對2 種場地碾壓施工工藝進(jìn)行試驗對比，結(jié)果顯示膠輪碾壓的施工方案場地收面效果更好，且壓實度更穩(wěn)定，因此在水泥土施工過程中，建議采用膠輪碾壓。

本項目通過對水泥土施工技術(shù)的研究與應(yīng)用，證明了水泥土施工工藝用于加固吹填土場地的可靠性，同時保證了本項目的施工質(zhì)量。振華重工長興智能港口裝備產(chǎn)業(yè)項目中，水泥土的壓實度、7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測全部合格，道堆場地已交驗完成。希望本文中采用的土方含水率控制方法、延遲擊實試驗方法以及碾壓工藝參數(shù)可對今后類似工程提供參考。