深厚软土区域水泥土强度影响因素与变形特征试验研究

赵丁鸿 齐嘉炜 宋永威

（1.中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098；2.北京城建集团有限责任公司，北京 100088）

0 引言

由于城市发展规划的需要，大部分新型建筑设有地下停车场、地下商场等相互连通且具有整体性的地下空间区域，大型基坑的修筑不断增加。在长江流域的软土地区，多数城市建筑是设置一至两层地下室，即挖深4～6 m 的基坑工程[1]。

软土力学性质差，进行基坑支护作业时的难度相对较大、支护成本高。重力式水泥土墙支护结构依靠墙体自重及被动加固区稳定墙体，施工工艺简便、工程造价低廉，应用广泛[2]。

水泥土重力式挡墙可以充分利用水泥土的强度和防渗水性能，既是挡土墙又是防渗帷幕，具有良好的经济效益和社会效益[3]。水泥土墙在水土压力作用下发生的变形主要有墙体水平位移、墙顶前倾、墙底前滑以及几种变形的叠加等，当水泥土挡墙发生剪切破坏时，墙体水平位移还包括一部分挠曲变形[4-5]。

这种支护结构也存在一定问题，一是由于水泥固化土体，对其强度提高有限，一般采用格栅式施工，导致施工所需要的空间范围较大；二是很多基坑工程多位于市区，存在施工场地狭小、距离周边建筑和道路近的特点，基坑位移对周边建筑和道路影响极大，严重者会造成既有建筑结构损坏[6]。还有学者研究了影响混凝土搅拌桩强度的敏感因素[7-8]。

目前深厚软土地区不同深度支护形式的结构及地层协调变形分析研究鲜有报道，本文在以往研究基础上，以武汉湖相沉积软土地区某基坑为背景，研究了影响基坑水泥土墙强度的敏感因素，并通过室内试验进行了多因素耦合下的物理力学参数分析，结合现场监测数据，提出重力式水泥土墙变形控制的有效方法，对进一步研究深厚软土地区此类支护结构的适用性和优化设计具有重要意义。

1 理论分析

水泥土强度作用机理为水泥水化反应和离子交换等作用，即水泥水化反应生成的产物电离分解出来的钙离子与土颗粒表面的离子发生交换。相较于其他因素，水泥掺量对水泥土的作用等同于固化剂的作用。普遍研究认为，随着水泥掺量的增加，固化后的产物强度将有所增加。随着水泥固化时间的增加，水泥土内进行水化反应的时间会更加充足，导致其结构更加密实，进而提高了强度。

随着水灰质量比的增加，其中增加的自由水会影响土颗粒之间的连结，进而降低强度。当水灰质量比过小时，水泥将不能与水充分发生水化反应，将无法产生大量的水化产物，土体性能得不到有效的改善。其他参数不变的情况下，当水泥强度增加一个等级时，固化产物的强度也会相应有所增长。

2 水泥土强度试验方法思路

施工工艺、被加固土的基本特性、水泥浆配合比等因素均会对重力式水泥土墙的强度造成不同程度的影响，从而影响成桩质量。为了进一步了解软土地区水泥土抗压强度的特性，进行了如图1 所示的室内试验研究。

图1 试验方法思路

现场取样并测量初始含水率，计算出不同配比数据（见表1）。采用不同标号水泥（P·O 32.5 和P·O 42.5）、不同水灰质量比（1.0、1.4 和2.0）以及不同水泥掺量（5%、10%、15%、20%）在试验28 d 和90 d时的无侧限抗压强度。

表1 现场取土样的物理性质指标

通过模拟现场实际施工过程，采用改装电锤搅拌试样。待均匀搅拌后，采用刮刀将试样分层填入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 试模，保证试样密实填满试模，最后用板刷抹平表面。制备好的试样（见图2），静置24 h 后脱模，在标养箱内对其养护合格后进行强度检测。

图2 制作水泥土试块

3 水泥土强度影响因素分析

详细记录各组试块的强度检测结果，并通过对比分析，得出不同因素对其强度的影响程度。

无侧限抗压强度试验实物见图3、结果数据见表2。

表2 强度试验数据

图3 无侧限抗压强度检测

通过对比不同水灰质量比的水泥土强度，并进行曲线优化后可得到曲线图见图4。

图4 不同水灰质量比下强度曲线

对图4 进行分析对比，其他因素不变的情况下，水泥掺量在5%～15%的变化范围内，强度曲线可简化为线性曲线；在15%～20%的区间内，曲线幅度有所减缓。其他因素不变的情况下，随着水泥强度等级的提高，相应水泥土的强度有所增长。

通过调整横坐标显示数据，对比不同水泥掺量的水泥土强度，并进行曲线优化后可得曲线图见图5。

图5 不同水泥掺量下强度曲线

对图5 进行分析对比，其他因素不变的情况下，水灰质量比在1.0～2.0 的变化范围内，强度曲线表现为逐步减小的趋势。考虑现场实际操作，应适当控制水灰质量比的数值，因为当其过小时浆液无法从压浆管中流出，导致搅拌不均匀，影响其强度的发挥。

通过综合水灰质量比、水泥掺量、水泥标号和养护龄期的多种因素，绘制3D 曲面统计图（见图6）进而分析不同因素对水泥土强度的影响。

图6 不同参数-强度3D 曲面统计图

通过分析对比3D 曲面统计图，可以知道当选用合适的水泥等级、水灰质量比和水泥掺量，固化后的水泥土强度将会得到充分的发挥。在其他因素不变的情况下，28～90 d 的养护期间，强度增长幅度可达35%以上；水泥提高一个强度等级，相应固化后的产物强度增加约30%～50%。

4 水泥土墙变形分析

选择合理的土方开挖方式对基坑的变形有较为重要的影响。采用信息化施工和动态控制的方法，按照分层分段、对称均衡的原则进行开挖，并结合现场实际情况对开挖步骤和方法进行适当调整[9-10]。

武汉某基坑一次性开挖到底见图7，在基坑开挖过程中遇到了以下问题：未分层开挖；开挖时不注意保护墙体，开挖坡脚时损坏水泥土墙，严重者甚至造成墙身断裂，局部结构破坏易造成墙身部分土体脱落、防水效果差等不良影响；一次性开挖长度超过100 m。

图7 一次性开挖到底区域

通过对基坑进行变形监测，发现重力式水泥土墙支护结构顶部变形（水平位移、垂直位移）随基坑开挖逐渐增大，卸载过大过快对结构变形将造成巨大且不可逆行的变形影响；累计变形在同一长边大致呈现出中间大两头小的现象，体现了基坑的尺寸效应对基坑变形的影响；累计变形走势均大致相同呈“弓字型”分布，由顶部至底部逐渐减小，其中顶部变形最大（见图8）。

图8 支护结构顶部不同监测点水平位移累计值

对水泥土重力式墙进行分析，发现水泥土搅拌桩体强度、完整性、均匀性是深厚软土重力墙变形控制的重点。当基坑水平位移持续增长时，可采用较为刚性的防护措施[11]。通过现场实际验证发现，采用斜抛撑方案进行补充支护（见图9），对基坑支护变形的控制取得了良好的效果。

图9 斜抛撑示意图

5 结论

通过对影响水泥土强度的不同因素进行对比试验，以及对水泥土墙变形分析现场验证，得出以下结论：

（1）其他因素不变的情况下，水泥掺量在5%～15%的变化范围内，强度曲线可简化为线性曲线；在15%～20%的区间内，曲线幅度有所减缓。其他因素不变的情况下，随着水泥强度等级的提高，相应水泥土的强度有所增长。

（2）水灰质量比在1.0～2.0 的变化范围内，强度曲线表现为逐步减小的趋势。考虑现场实际操作，应适当控制水灰质量比的数值，因为当其过小时浆液无法从压浆管中流出，导致搅拌不均匀，影响其强度的发挥。

（3）在其他因素不变的情况下，28～90 d 的养护期间，强度增长幅度可达35%以上；水泥提高一个强度等级，相应固化后的产物强度增加约30%～50%。

（4）一步到底的开挖方式对重力式水泥土墙支护结构变形影响较大，极大可能造成重力式水泥土墙发生倾覆破坏，进而威胁基坑安全。采用斜抛撑方案对基坑进行补充支护，可以取得较好的效果。