横琴滨海软土水泥土配合比试验研究

2022-03-11李文静陈俊伟

广东土木与建筑 2022年2期

刘爽，李文静，陈俊伟，李诚

（1、珠海大横琴城市新中心发展有限公司广东珠海 519031；2、中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉 430063；3、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州 510500）

珠海横琴主要软土层为分布于滨海平原海湾地段的滨海相软土，其工程特性表现为厚度大、压缩性高、透水性低、强度差等［1-3］，海湾地段地表不均匀分布未固结冲填砂，工程建设中常采取排水固结预压和水泥搅拌桩进行软基处理［4-5］，在滨海相软土地基处理方面已有大量研究成果和实践经验［6-9］，其中水泥土配合比试验是重要内容，它可为软基处理设计提供科学合理的设计参数，水泥土抗压强度是常见力学指标，其影响因素众多：水泥掺量、水灰比、龄期、有机质含量、外掺剂等，本文以横琴滨海广泛分布的淤泥、冲填砂为研究对象，进行一系列配合比试验以研究各因素对水泥土抗压强度的影响，以期为横琴滨海地区相关软基处理工程提供借鉴。

1 工程概况

本文采取横琴杧洲隧道工程项目场地上部冲填砂层和下部淤泥层中试样进行配合比试验，横琴杧洲隧道工程隧道穿越马骝洲水道，北岸接环港东路与洪湾大道交叉口，南岸接厚朴道。左线主线隧道长度1 995 m；右线隧道长2 032 m，采用单层双管盾构隧道，盾构管片外径14.5 m，盾构埋深16.0～35.0 m。隧道工程分布有淤泥等软土，软土具较高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度、中～高灵敏度的工程性质，为不良工程地质层，隧道施工时软土层可对坑壁稳定性产生不利影响，易造成土体剪切破坏、支护结构失稳等问题，应对软基进行加固处理措施。

本文试验对象为冲填砂和淤泥层，冲填土层基本遍布马骝洲水道以南区域，主要由粉细砂组成，呈湿～饱和、松散状态，厚度0.80～12.40 m，平均5.23 m，平均标贯击数N=8.39 击，淤泥层在隧道两岸整场分布，有机质含量为2.81%，呈饱和、流塑状态，厚度4.00～50.70 m，平均25.69 m，平均标贯击数N=1.46击。

2 配合比试验

2.1 试样配制方法

本次试验采取项目场地上部冲填砂，其含水率约21.2%，密度约1.57 g∕cm3，采取场地下部淤泥，其含水率约56.1%，密度约1.73 g∕cm3。

本次试验在现场挖取天然状态后土立即封装在厚塑料袋内，按拟定的试验配合比称重后放人搅拌锅内，采用搅拌铲人工拌和均匀；然后在试模内装入一半试料，击振试模50下，紧接着填人其余试料再击50下，最后将试块表面刮平，盖上塑料布，以防水分蒸发。整个拌和与装模时间控制在15 min 之内。水泥土试件的制备数量为每组试件3 个。试块成型1～2 d 拆模并用编号，称重后放人养护室，分别进行各龄期的养护，养护温度20±2℃，湿度不低于75%，养护最后一天饱水24 h，试验制作的部分试块如图1所示。

图1 制备的部分试样Fig.1 Some Prepared Samples

2.2 试验方案

本次试验实施方案如表1 所示，养护到规定龄期后进行无侧限抗压强度试验，每组配合比3 个试块。试样放在试验仪器底座上，在其上缓慢施加轴向力直至试样破坏，如图2所示。

表1 试验方案Tab.1 Test Scheme

图2 试样破坏情况Fig.2 Specimen Failure

3 试验结果及分析

冲填砂水泥土、淤泥水泥土在3种水灰比条件下，不同水泥掺量所对应的各龄期的单轴无侧限抗压强度的变化规律分别如图3⒜～图3⒞、图4⒜～图4⒞所示。

图3 冲填砂水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量的关系Fig.3 Relationship between Unconfined Compressive Strength of Cement Soil of Dredger Fill and Cement Content

图4 淤泥水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量的关系Fig.4 Relationship between Unconfined Compressive Strength of Cement Soil of Silt and Cement Content

由图3 可知，在各级水灰比（0.2～1.0）下，水泥掺量与冲填砂水泥土单轴无侧限抗压强度成正相关关系，本文采用二次多项式函数进行拟合，拟合程度较好，当水灰比为0.2、0.5 时，无侧限抗压强度对水泥掺量的导数随着水泥掺量增大而增大，当水灰比为1.0时，无侧限抗压强度对水泥掺量的导数随着水泥掺量增大而减小，定性描述了水灰比对抗压强度的影响。

由图4 可以看出，淤泥与冲填砂在水泥土固化模式上存在明显区别，对于淤泥水泥土，当水泥掺量由8%增加至15%时，无侧限抗压强度增幅非常小，由15%增加至25%时，抗压强度才显著增加，这种固化模式可能与淤泥成分、含水率、有机质含量等因素存在关系，这为地基处理设计施工提供了重要参数依据。

冲填砂水泥土、淤泥水泥土在4 种水泥掺量条件下，不同水灰比所对应的各龄期的单轴无侧限抗压强度的变化规律分别如图5⒜～图5⒟、图6⒜～图6⒟所示。

图5 冲填砂水泥土无侧限抗压强度与水灰比的关系Fig.5 Relationship between Unconfined Compressive Strength of Cement Soil of Dredger Fill and Water-cement Ratio

图6 淤泥水泥土无侧限抗压强度与水灰比的关系Fig.6 Relationship between Unconfined Compressive Strength of Cement Soil of Silt and Water-cement Ratio

由图5 可以看出，各水泥掺量（8%～25%）下，冲填砂水泥土无侧限抗压强度与水灰比的关系经二次多项式函数拟合后，表现出明显的曲线单峰，峰值对应水灰比在0.5～0.7 附近，这与“无侧限抗压强度与水泥掺量关系曲线”所表现的水灰比与“抗压强度对水泥掺量导数”的关系是相关的。当水灰比超过峰值对应值后，随着水灰比增大，胶体水泥浆浓度降低，水化后多余的游离水分附着在集料上导致胶体与集料粘结面积减小，从而降低水泥土强度。

由图6可以看出，与冲填砂水泥土不同，淤泥水泥土的无侧限抗压强度与水灰比呈反相关关系，说明项目场地淤泥自身含水量（试验淤泥平均含水率56.1%）满足通过水化反应生成充分的胶体，额外的水分会降低水泥土强度。针对项目场地淤泥，可采用干法施工搅拌桩，以达到较高的抗压强度，这反映了综合含水量影响水泥土抗压强度［10-11］，继而影响施工工艺。

冲填砂水泥土、淤泥水泥土不同龄期所对应的各配合比（共12 组）条件下的单轴无侧限抗压强度的变化规律如图7所示。

由图7 可以看出，各配合比下无侧限抗压强度随龄期的增长率变化不大，以下定量说明。

图7 无侧限抗压强度与龄期的关系Fig.7 Relationship between Unconfined Compressive Strength and Age

当水灰比为0.2、0.5、1.0 时，对于冲填砂水泥土，龄期7 d抗压强度平均值约为龄期28 d抗压强度平均值的78%、74%、70%，龄期14 d 抗压强度平均值约为龄期28 d抗压强度平均值的89%、84%、84%。对于淤泥水泥土，龄期7 d 抗压强度平均值约为龄期28 d 抗压强度平均值的69%、65%、66%，龄期14 d 抗压强度平均值约为龄期28 d 抗压强度平均值的81%、80%、82%，表明水灰比对水泥土固化反应速度影响较小。各配合比下无侧限抗压强度随龄期的增长率平均值为0.048。

当水泥掺量为8%、15%、20%、25%时，对于冲填砂水泥土，龄期7 d 抗压强度平均值约为龄期28 d 抗压强度平均值的73%、67%、74%、80%，龄期14 d 抗压强度平均值约为龄期28 d 抗压强度平均值的91%、81%、85%、85%。对于淤泥水泥土，龄期7 d 抗压强度平均值约为龄期28 d 抗压强度平均值的65%、65%、65%、71%，龄期14 d抗压强度平均值约为龄期28 d抗压强度平均值的83%、81%、73%、87%，表明水灰比对水泥土固化反应速度影响亦较小。各配合比下无侧限抗压强度随龄期的增长率平均值为0.040。