水泥改良素填土的试验研究应用

罗明亮，范少峰，杜广印，王宇虓

(1.深圳市土地投资开发中心，广东 深圳 518000； 2.深圳市建设工程质量检测中心，广东 深圳 518031； 3.东南大学交通学院，江苏 南京 211189)

1 概述

素填土由于承载力低、固结时间长且压缩性大，不能直接作为持力层使用。为提高素填土的强度以及减小其压缩性，通常需要添加固化剂进行改良。当下对改良素填土的力学特性的研究尚不完整，且大多数集中在石灰改良土，对于水泥改良素填土的研究相对较少。

水泥土的改良是通过化学反应来改变土体内部结构，硬化和胶结后的水泥构成了土骨架，增加了土体的黏聚力和抗剪性能，进而提高地基的承载力，通常水泥改良土的性质介于普通土与混凝土之间。目前，一些学者对水泥改良土进行了研究。黄新等[1]对水泥固化作用做了大量试验，研究结果表明：影响水泥改良土的强度的原因主要有水泥硬化胶结作用、素土的物理性质和改良工艺，其中水泥的硬化胶结作用对其强度的贡献最大。有研究表明[2]，不同土质对改良效果影响也很大，其强度差距可达一倍左右。张齐齐等[3]对水泥改良土的微观结构做了分析研究，发现水泥和掺合量与内部等效直径的结构单元体有关，水泥用量越大，其孔隙度和土颗粒分形维度越小。王跃民等[4]依托现场试验，根据不同改良土的特性，提出了施工质量控制要点，其中主要控制的施工变量有：改良土的延迟时间、水泥凝结时间、含水率(水的质量分数，下同)、压实时间等。曹亮等[5]通过设计改良土的正交试验，对结果进行极差和方差分析，发现水泥含量是影响水泥土抗压强度的最关键变量，水胶比(质量比)对坍落度的影响最大。王兵等[6]认为60 d的期龄可以当作水泥土的击实设计强度。另外一些学者[7-9]对水泥土的强度提出了不同观点。宋永军等[10]结合现场施工，对水泥土的施工时效性进行了研究。

综上所述，尽管有不少学者对水泥改良土进行了研究，在试验室内改良效果卓著，但成功用于实际工程的实例不多，对于改良土现场遇到的问题缺乏指导经验，基于此，试验依托深圳机场扩建工程项目，对水泥改良土的效果和机理进行分析与研究。对不同配比的水泥改良土进行了现场与室内试验，试验包括：改良土现场混合配比、动力触探、反应模量检测、地基承载力、加州承载比CBR以及无侧限抗压强度等试验；研究了不同的水泥和碎石掺量对改良土性质的影响。

2 试验概况

2.1 工程概况

项目依托于深圳机场T4航站扩建项目，由T4航站楼主体、卫星厅及配套设施如联络道、滑行道、停机坪、建筑区、物流仓储区等组成，总占地面积约430万m2。深圳机场软基处理工程项目软基处理共分为多个标段。工程中使用了多个软基处理方法，有灌注桩加桩基盖板、水泥搅拌桩、堆载预压、水泥改良土和填石层压实等，工程填石方量约182万m3，鉴于开山石料源紧张，所需购买资金巨大，故采用水泥改良土来代替填石层，可以缩短工期和节约资金。本次水泥改良土试验段参与标段有3个施工标。每个施工标负责6个试验段，共计18个试验段。

2.2 土质条件及水泥参数

试验所用土选自现场，颜色为黄褐和灰黄色，干燥，松散状态，部分呈泥团块状，主要由砂土(47%)、粉质黏土(32%)、风化碎屑砂粒(12%)、石英长砾砂(6%)及其他(3%)组成。其天然平均含水率为16%，有效粒径d10为0.52 mm，不均匀系数Cu为31.2，曲率系数Ce为3.9。

水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级42.5R，初凝时间为135 min，终凝时间为177 min，标准用水量为27.0%。

2.3 水泥土改良试验方案

现场改良土分两层施工，上基层和下基层，每层厚度0.5 m，其改良土配比如表1所示。

表1 现场改良土配比方案 %

改良水泥土施工工艺：1)水泥改良土施工顺序：按设计要求取现场土，用铲车及钩机掺入规定的碎石，初步形成混合碎石土，将该土虚铺至场地，虚铺厚度控制在0.3 m，掺入不同百分比的水泥。2)压实处理：20 t～22 t振动压路机，碾压工序为先光面碾压4遍+振动碾压2遍+最后光面碾压2遍。

技术要点：1)试验场地选取搅拌桩处理区已施工原设计水泥改良土顶面或堆载预压处理区已卸载换填原设计水泥改良土顶面位置，各试验段面积不小于400 m2；2)要求填土和水泥改良土分层填筑，各层虚铺土厚度不大于 0.3 m；3)水泥材料等级按原设计；4)水泥改良土搅拌可采用路拌机、厂拌，保证搅拌均匀；5)碾压机具可选用光面振动碾；6)填筑试验时，记录碾压遍数，每处不应少于8遍，碾压遍数为先光面碾压4遍+振动碾压2遍+最后光面碾压2遍。

2.4 现场及室内试验

现场试验分别进行轻型动力触探、重型动力触探、载荷板试验等，具体试验方案如表2所示。

表2 现场试验方案

室内分别进行加州承载比(CBR)试验、基本物理试验(含水率、液塑限、密度等)、无侧限抗压强度试验等。

3 试验结果及分析

3.1 动力触探检测结果

轻型动力触探检测结果如表3，图1所示。

表3 轻型动力触探检测结果 击

由图1可知，在试验段的水泥含量(质量分数，下同)变化范围之内，轻型动力触探的击数变化不大。

由图2可知，在试验段的碎石含量(质量分数，下同)变化范围之内，碎石的含量对重型动力触探的击数有所影响，提高10%的碎石含量，触探击数约增加25%。

3.2 基层面反应模量检测结果

上、下基层反应模量检测结果见表4，表5。

表4 上基层反应模量检测结果 MPa/m

表5 下基层反应模量检测结果 MPa/m

由表5可知，在试验段的水泥含量变化范围之内，水泥含量越高，反应模量检测值越大；掺入碎石后的水泥改良土反应模量检测值整体上比未掺入水泥的高，说明掺入碎石会提高改良土的反应模量；填石层的反应模量检测值略高于未掺入水泥改良土的反应模量检测值；水泥掺合量在10%，碎石掺量在20%时，该层的平均反应模量最大，可达171.1 MPa/m。

3.3 地基承载力检测

为简便研究，截取C段上下层进行分析，该段试验结果如表6所示。从表6中可以看出，在水泥含量10%的情况下，每增加10%的碎石含量，地基承载力约增大250 kPa；下基层的承载能力要比上基层大。

表6 地基承载力结果 kPa

每个段选取3个测试点，其250 kPa荷载下对应的沉降量如表7所示。

表7 地基沉降量监测结果

从表7可以看出水泥对其沉降量影响较小，而碎石影响较大。在所有的地基承载力检测中，其特征值均大于250 kPa，满足机场飞行场道区其地基承载力不小于140 kPa的要求。

3.4 无侧限抗压结果

分别在第1天和第7天进行现场取样，然后进行无侧限抗压强度试验。由图3可知，无侧限抗压强度检测值随着水泥含量的增加有略微的提高；在同一配比的情况下，制样7 d的无侧限抗压强度检测值明显高于制样1 d时的检测值，其强度增幅大约为1倍。

3.5 加州承载比试验

加州承载比试验结果如表8所示，由表8可知，每增加2%的水泥含量，2.5 mm 时承载比(CBR)大约增加6.3%。

表8 加州承载试验结果 %

4 结论

通过室内试验，并结合当地实际工程，参照素土基本物理性质，进行水泥改良土的试验研究，得到结论如下：

1)在试验段的水泥含量变化范围之内，轻型动力触探的击数变化不大，碎石的含量对重型动力触探的击数有所影响，提高10%的碎石含量，触探击数约增加25%。

2)在试验段的水泥含量变化范围之内，水泥含量越高，反应模量检测值越大；掺入碎石后的水泥改良土反应模量检测值整体上比未掺入水泥的高；填石层的反应模量检测值略高于未掺入水泥改良土的反应模量检测值；水泥掺合量在10%，碎石掺量在20%时，该层的平均反应模量最大，可达171.1 MPa/m。

3)水泥含量为10%时，每增加10%的碎石含量地基承载力约增大250 kPa；下基层的承载能力要比上基层大。

4)水泥改良土的无侧限抗压强度检测值随着水泥含量的增加有略微的提高；在同一配比的情况下，制样7 d的无侧限抗压强度检测值明显高于制样1 d时的检测值，其强度增幅大约为1倍。

5)每增加2%的水泥含量，2.5 mm时的CBR大约增加6.3%。