福州扰动软土水泥改良性能试验研究

杜长铃，黄顺佩，朱尚明，甘 鑫，陈华军

(1.中电建铁路建设投资集团有限公司，北京 100070;2.中国水利水电第七工程局有限公司，成都 611730;3.武汉理工大学，武汉 430070;4.日昇创意景观规划设计湖北有限公司，武汉 430074)

福州市南港道大桥与福州地铁6号线壶井站-万寿站区间隧道交汇工程，施工的高架桥桩基桩径2.2 m、桩长达88 m，与邻近在建地铁隧道最小间距仅2.1 m，桩基与地铁隧道近接段地质软土厚达35 m。由于软土具有高压缩性、低强度、低渗透性、流变性及触变性，在工程建设中极易被扰动而造成不利的环境变形，因此考虑在施工过程中同时对扰动软土进行固化改性，提高其强度，以满足变形控制要求。

目前各土的抗剪强度特性影响因素中，水泥改良对土的抗剪强度特性影响研究较少，部分学者通过对一定水泥掺量比例的水泥改良膨胀土进行室内直剪试验和三轴压缩试验，研究表明：水泥的掺入能有效提高改良膨胀土的黏聚力和内摩擦角[1-3]。吴刚等[4]对掺入不同水泥比和不同的养护龄期的河积软土进行压缩试验表明：应力相同的前提下，随着水泥掺量和龄期的增大，应变会越来越小，强度会越来越大。李永彪等[5]和梁勇等[6]认为随着水泥掺量的增加，水泥改良膨胀土的内摩擦角会逐渐增大，之后又逐渐变缓直至稳定；而膨胀土的粘聚力也会随着水泥的增加而增加。内摩擦角的增大趋势为先快后慢，而粘聚力增大的趋势先慢后快,然后逐渐减慢。闫奇等[7]通过直剪及滤纸法试验建立了某边坡黏土含水率不同情况下的基质吸力变化函数，得到不同含水率对应的不同基质吸力对非饱和黏土的抗剪强度的影响规律。曹志翔等[8]使用叠环式剪切试验机进行不同含水率砂土的直剪试验，表明砂土在较低法向应力作用及某特定含水率情况下有利于土体抗剪强度的提升。

目前大多数研究主要集中在重塑土或原状土剪切速率对土的抗剪强度特性的影响，对扰动重塑后及水泥改性后的抗剪强度特征的研究甚少，探究土的抗剪强度特征影响因素方面，也只是含水率、干密度、围压、固结状态等单一因素的影响规律。论文以福州原状软土、重塑软土及水泥改性土为对象，分别以不同的剪切速率进行直剪试验，探究福州软土的抗剪强度变化规律，为软土地区加固设计提供借鉴。

1 试验方案与试样制备

1.1 土样及试样制备

原状土试样取自福州新城高速公路南港道大桥与地铁6号线隧道交汇处地铁隧道顶板到底板高程中间段，土样呈灰黑色，淤泥、淤泥质土、粉质黏土为主，呈现饱和、软塑-软可塑状态，含少量贝壳和云母类物质，属于福州地区典型的海相沉积软土。原状土试样严格按照土试样等级Ⅰ级的标准取出置于环刀中，进行基本物理试验，其基本物理指标如表1所示。

表1 原状土基本物理指标

试验用1%、2%水泥土样制备不同扰动程度的土样，采用原状土在室外风干后碾碎过0.45 mm土工筛的重塑土、型号为525硅酸盐的水泥、食用盐、水作为材料，在重塑土中加入水泥，具体制备方法如下：1)将以上所述混合料充分混合搅拌均匀后置于环刀中，采用压样法进行压实，再加入适量的水并置于潮湿的环境中达到初凝。2)土样置于流动的水中1 d，将食用盐粒全部溶解随水流带走。3)将试样抽气饱和，并将所有试样养护3 d后进行试验。

人工制备结构性土的配比如表2所示。

表2 人工制备结构性土的配比

1.2 试验方法

饱和的土样从饱和器中取出后缓慢从环刀中推入剪切盒中待土样加垂直压力固结100 min后进行直接剪切试验，根据《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)确保饱和。原状土样、重塑土样、水泥掺量为1%、2%的人工结构性土各有四组土样，每组制备六个试样，分别在剪切速率为 0.2 mm/min、0.8mm/min、1.6 mm/min、2.4 mm/min和法向应力为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的条件下进行直接剪切试验。

2 水泥掺量对扰动土强度性能的改良效果

2.1 直接剪切强度

根据剪切位移与剪应力关系曲线无明显的剪应力峰值，取剪切位移为4 mm时对应的剪应力作为抗剪强度值，对4组法向应力为200 kPa、300 kPa、400 kPa试验数据进行拟合，结果如图1、图2所示。在相同的法向应力条件下，随着水泥掺量的增加，抗剪强度值也随之增大。原状土与重塑土黏聚力大小变化范围为0～12.57 kPa，2%水泥土、1%水泥土，重塑土黏聚力减少幅值分别为21.0%、81.1%、100%。原状土与重塑土内摩擦角大小变化范围为10.29°～11.22°，2%水泥土、1%水泥土，重塑土内摩擦角减少量分别为0.075°、0.241°、0.927°，扰动程度对内摩擦角的影响范围小，出现这种现象的原因是：引起内摩擦角变化的大小主要受土颗粒形态、大小、结构以及密实度的影响[9]，而水泥改性土重构了土颗粒间的胶结作用，并没有改变土颗粒的形态和大小，所以内摩擦角只在10.29°～11.22°小区域变化。

2.2 剪切速率影响

根据规范标准，在剪应力和剪切位移关系曲线上取峰值点或稳定值作为抗剪强度值，对于没有明显峰值点，取剪切位移为4 mm时对应的剪应力作为抗剪强度值。对不同剪切速率下的各组试验数据进行拟合，绘制土体抗剪强度包线，如图3所示。原状土、2%水泥土、1%水泥土与重塑土内摩擦角φ和剪切速率v的关系曲线如图4(a)，原状土、2%水泥土、1%水泥土、重塑土的内摩擦角从剪切速率变化范围0.2～2.4 mm/min分别减小了44.7%、39.1%、36.6%、29.9%，原状土内摩擦角受剪切速率的影响更加明显，随着剪切速率的增加内摩擦角减少幅度增大，原状土在2.4 mm/min剪切速率下内摩擦角小于重塑土的内摩擦角。

各土样黏聚力c和剪切速率v的关系曲线见图4(b)，原状土的黏聚力在各剪切速率下均大于重塑土的黏聚力，随着剪切速率的增加差值分别为6.53 kPa、13.1 kPa、10.9 kPa、19.3 kPa；2%水泥掺量土的黏聚力在各剪切速率下均大于1%水泥掺量土的黏聚力，随着剪切速率的增加差值分别为2.73 kPa、4.24 kPa、5.00 kPa、4.01 kPa，呈逐渐增大的趋势；随着剪切速率的增加，黏聚力均出现先增大后降低再增大的现象。两种水泥土与原状土、重塑土的黏聚力随着剪切速率的增加表现处相似的规律。黏聚力从产生原因上分析[3]，主要有结合水的联结作用、矿物质的胶结作用、毛细水的连结作用及化学健力等。饱和土含水率降低时土粒周围的结合水厚度变薄，孔隙率降低，土颗粒间的距离变短，水膜胶结作用力加强，宏观上表现为黏聚力增加。由于原状土有很强的结构性弱化了这方面的影响，重塑土的黏聚力则表现为随着剪切速率的增加而减少。

3 结 论

a.从原状土、2%水泥改性土、1%水泥改性土到重塑土，内摩擦角和黏聚力均随着扰动程度的增加呈现减小的趋势，原状土与重塑土黏聚力大小变化范围为0～7.05 kPa，内摩擦角在10.29°～11.22°区域变化。水泥掺量为1%时改性土接近重塑土的剪切力学特征，随着水泥掺入比增加到2%，改性土接近原状土的剪切力学特征。

b.随着剪切速率的增加，原状土的内摩擦角在0.2～2.4 mm/min剪切速率范围内减小了44.7%，2%水泥掺量土减少了39.1%，1%水泥掺量土减少了36.6%，重塑土减少了29.9%。原状土在2.4 mm/min剪切速率下内摩擦角小于重塑土的内摩擦角。

c.原状土的黏聚力在各剪切速率下均大于重塑土的黏聚力，随着剪切速率的增加差值分别为6.53 kPa、13.1 kPa、10.9 kPa、19.3 kPa；2%水泥掺量土的黏聚力在各剪切速率下均大于1%水泥掺量土的黏聚力，随着剪切速率的增加差值分别为2.73 kPa、4.24 kPa、5.00 kPa、4.01 kPa，呈逐渐增大的趋势;随着剪切速率的增加，黏聚力均出现先增大后降低再增大的现象。