珠江三角洲软土固化后力学特性研究

肖 旺，郭全元，钟仕兴

（广东省铁路规划设计研究院有限公司 广州 510600）

0 引言

近年来，在粤港澳大湾区战略发展背景下，大湾区珠江三角洲软土地区的基础设施建设不断推进，沿海地区软土分布广泛，软土厚度较大。软土具有天然孔隙比大、天然含水率大于液限、抗剪强度低、压缩性高、低透水性和高流变性等特点［1-4］。

广州南沙区位于珠江河口与伶仃洋的交汇处，为珠江三角洲冲积平原的前沿地带，在长期的河流和海潮的综合作用下，该地区沉积了深厚的海陆交互相软黏土夹粉细砂层，软土区域的地基承载力低、沉降变形较大，厚度通常为20～40 m，在中等荷载下的地基沉降可达2.0～5.0 m，存在明显的差异沉降，其不良地质特性在珠江三角洲地区十分突出，一直是工程建设地基处理的难题之一。为确保工程质量以及积累南沙软土处理施工技术，对南沙区软土的力学特性及加固后的力学强度研究具有重要意义。

深基坑开挖后基坑坑底多为深厚软土层，承载力低，桩基施工机械无法进入，软土基坑坑底就地固化法很好地解决了该问题。其清淤弃方量小，直接对基坑坑底软土进行就地固化处理。本文以广州南沙庆盛地区软土基坑工程为研究对象，研究软土固化强度与水泥掺量、养护龄期、水灰比的关系，并通过统计与回归相结合的方法，建立软土固化后力学性能指标与无侧限抗压强度间的回归关系，可用于指导现场试验中，得到适宜的施工工艺。

1 广州南沙软土的物理力学性质

在勘察阶段对南沙庆盛地区淤泥和淤泥质软土的物理力学性质进行了统计和分析，得出南沙软土物理力学、抗剪强度指标统计结果。南沙地区软土具有以下一些典型工程特性（见表1）。

表1 南沙软土力学参数指标Tab.1 Mechanical Parameters of Nansha Soft Soil

⑴天然含水量高、天然孔隙比大：南沙地区软土的含水量接近或超过液限，饱和度一般大于90%，液限在35%～60%之间，液性指数大于1.0。淤泥的孔隙比一般大于1.2。

⑵压缩性高、抗剪强度低：压缩模量为1.3～5.3 MPa，为高压缩性土，c和φ较小，黏聚力一般小于7 kPa，内摩擦角小于10°。

⑶渗透性低：南软土的透水性能弱，并且其渗透系数量级为（1×10-2）～（1×10-3）m∕d，对土体的排水固结很不利。

⑷灵敏度高：具有显著的结构性，土体在扰动后强度剧烈降低，外力干扰停止后，随着时间的增长，软土强度逐渐恢复。

⑸承载力低：南沙地区地基承载力一般为20～100 kPa，统计平均值为60 kPa。这说明了南沙的软土地基强度低。

从以上的分析很明显地看出，南沙软土具有典型的“三高三低”的特点，如果要在这样的软弱地基上进行工程建设，进行软基处理势在必行。

2 工程概况

某基坑工程位于广州市南沙区东涌镇，处于珠江三角洲的腹部，该工程住宅楼拟设2层地下室，基坑1层地下室部位基坑深度为3.25 m，2 层部位深度8.75 m。基坑埋深范围及基底以下土层主要为淤泥及淤泥质土，厚度可达26 m，为深厚软土层，其下依次为砂黏土层、圆砾层及基岩。

在基坑坑底将固化剂利用搅拌设备掺入坑底软土中，如图1所示，搅拌后固化形成位于基坑坑底中央的1～3 m厚度硬壳层，使承载力分布均匀。

图1 现场基坑坑底就地固化Fig.1 In-situ Curing of Pit Bottom

3 就地固化机理分析

就地浅层固化处理方法使用石灰、水泥、工业废料以及其他添加剂等固化材料，对地基土进行原位改良处理，使其一定深度范围内的软土固化形成较高强度的土体，以满足使用要求。就地固化处理系统过程如图2～3所示。其基本原理为形成一定厚度的硬壳层后，达到地基承载力等要求［5-7］。该方法具有处理速度快、承载力可满足不同要求以及可与各种深层处理方法结合处理的优点。

图2 就地固化处理系统Fig.2 Schematic of Local Curing System

图3 边固化边推进示意图Fig.3 Schematic Diagram of Advancing while Curing

4 室内固化配比强度试验

为研究就地固化在软土的处理效果，通过室内试验研究不同固化剂类型（100%水泥、95%水泥+5%石灰）、不同固化剂参量针对特定土的固化效果，通过统计与回归相结合的方法建立抗剪强度指标、压缩性指标与无侧限抗压强度与之间的回归关系，探索软土固化后力学性质之间的内在规律性。

4.1 无侧限抗压强度试验

4.1.1 试验过程

将试件安放在试验机下垫板中心，试件的承压面与成型面垂直，在试件的承压面与实验仪器之间放置一定厚度钢板作为承压板，使试件均衡受压。

启动试验机后，以一定速率连续均匀对试件加荷，直至试件破坏后记录破坏荷载，如图4所示。

图4 无侧限抗压试验试样破坏特征Fig.4 Failure Characteristics of Specimens in Unconfined Compression Test

4.1.2 试验结果

试件的无侧限抗压强度应按下式计算：

式中：fcu为水泥土试件的无侧限抗压强度（MPa），精确至0.01 MPa；P为破坏荷载（N）；A为试件的横截面积（mm2）。

从图5～图6 可以看出：水泥土无侧限抗压强度也随着固化剂掺量的增加而逐渐增加，且水灰比越小，增加的趋势就越明显。在实际工程中，低水灰比时，通过提高固化剂掺量的形式来提高水泥土的无侧限抗压强度是比较经济有效的措施，而高水灰比时，则不宜采取该措施。

图5 不同掺量无侧限抗压强度随龄期变化曲线（W/C=0.5）Fig.5 Unconfined Compressive Strength Variation Curve with Age of Different Dosage（W/C=0.5）

图6 不同掺量无侧限抗压强度随水灰比变化曲线（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%石灰的配比组合相较于100%水泥的配比组合能够有效提高水泥土的无侧限抗压强度，同等条件下，其对水泥土无侧限抗压强度的提升效果约为10%～40%。

4.2 直接剪切试验

4.2.1 试验过程

采用应变控制式直剪仪对每组配比的4个试样分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa荷载作用下进行直接剪切试验。当剪切位移达到某一特定值时，剪切面突然贯通，试样表现为塑性或脆性剪切破坏，如图7所示。

图7 直剪试验水泥土试样破坏特征Fig.7 Failure Characteristics of Cement Soil Samples in Direct Shear Test

4.2.2 试验结果剪应力应按下式计算：

以抗剪强度σ为纵坐标，垂直单位压力P为横坐标，将每个试件的最大剪应力点绘在坐标纸上，将其线形回归成一条直线。此直线的倾角应为摩擦角φ；纵坐标上的截距应为黏聚力c。

从图8～图9 可以看出：水泥土的黏聚力随着固化剂掺量的增加有一定的增加趋势，随水灰比的增大有一定的减小趋势。

图9 不同掺量剪切强度随水灰比变化曲线（T=28 d）Fig.9 Shear Strength Variation Curve with water Cement Ratio of Different Dosage（T=28 d）

图10 显示水泥土黏聚力与无侧限抗压强度之间存在较强的线形关系，100%水泥和95%水泥+5%石灰两种配比组合情况下，黏聚力与无侧限抗压强度之间的线性关系分别为：c=171.25fcu+28.92，R2=0.92、c=168.11fcu+20.85，R2=0.96。

图10 水泥土黏聚力与无侧限抗压强度关系拟合Fig.10 Relationship between Soil-cement Cohesion and Unconfined Compressive Strengthfitting

4.3 压缩试验

4.3.1 试验过程

压缩试验主要是检测水泥土在侧限与轴向排水条件下的孔隙比和压力的关系，即e～P曲线，并以此计算水泥土的压缩系数、压缩模量等，判断水泥土的压缩性。测定方法按照《土工试验方法标准：GB∕T 50123—2019》［8］第6.2节的规定执行。

压缩试验每种配比制备3个环刀试件，环刀内径为61.8 mm，高度为20 mm。加压等级为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，最后一级压力应大于水泥土上覆土层自重压力与附加压力之和，并测定每级压力下试件的变形量。

4.3.2 试验结果

式中：Es为某压力范围内的压缩模量。

从图11 可以看出：在相同水灰比条件下，固化剂掺量越高，水泥土压缩模量随龄期的增长速率越快。

图11 不同掺量水泥土压缩模量随龄期变化曲线Fig.11 Curve of Compression Modulus of Soil-cement with Different Dosage with Age

图12 显示水泥土压缩模量Es与无侧限抗压强度fcu存在如下的线性关系：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。

图12 水泥土压缩模量与无侧限抗压强度关系拟合Fig.12 Fitting Diagram of Relation between Compression Modulus of Soil-cement and Unconfined Compressive Strength

5 结语

本文首先对南沙地区深厚软土的物理力学性能指标进行了详细的分析和研究，验证了南沙地区软土的“三高三低”工程特性，研究了室内固化配比强度试验软土固化后的力学特性发展规律，并通过统计与回归相结合的方法建立了软土力学性能指标与无侧限抗压强度间的回归关系，为南沙深厚软土地基加固、就地固化提供指导依据。

⑴加入固化剂可提高软土其无侧限抗压强度、抗剪强度、压缩性指标等力学参数指标。

⑵相同条件下，加入5%的石灰能够提高水泥土的无侧限抗压强度、抗剪强度、压缩性指标。

⑶相同水灰比条件下，低水灰比（W∕C=0.5、1.0）时，水泥土无侧限抗压强度、抗剪强度、压缩性指标随固化剂掺量的增加而增加得较为明显，高水灰比（W∕C=1.5、2.0）时，这种增加趋势相对较弱。

⑷相同固化剂掺量条件下，随着水灰比的逐渐增大，其对水泥土无侧限抗压强度、抗剪强度、压缩性指标的削减作用逐渐减弱。

⑸水泥土黏聚力、压缩模量与无侧限抗压强度之间存在较强的线性拟合关系。