隧道开挖土改良利用试验研究

王新辉

（东南大学建筑设计研究院有限公司 南京210096）

0 前言

随着城市建设的进行，苏州已建成和在建多条隧道，开挖土层主要为第四系全新世至早更新世沉积的疏松沉积物，以黏性土为主，间夹粉（砂）性土。隧道开挖的大量土方如弃之，运距较远，并需场地堆放，既不经济也不环保；如直接利用，工程性质差，不能满足道路填筑要求，故有必要对隧道开挖弃土进行利用试验研究。

20 世纪初，一些经济发达国家在兴建道路、港口、机场等工程中采用了土体固化技术对土体进行改良。20 世纪90年代，国内一些单位开始了固化剂的改性及本土化的研究和探索。王海俊等人［1］研究了安徽地区粉土改良后CBR 值及无侧限抗压强度与龄期及配合比的关系。贾尚华等人［2］利用比强度方法，对石灰水泥土的增强机制进行了研究。张凯华［3］在粉土中掺配不同比例的水泥、砂砾制作试件进行无侧限抗压强度、回弹模量、CBR 试验研究。张瑜等人［4］对加入不同掺合比水泥、石灰后的粉土的改良效果进行了测试。隧道开挖土埋藏较深，土体性质具有特殊性，故有必要对其进行分析并进行改良试验研究。

1 工程地质概况

苏州市区主要位于太湖冲湖积平原区，第四纪以来沉积十分发育，地层呈多沉积韵律特点，河湖、滨海相沉积交替进行，成因比较复杂，但层序清楚。地基土层物理力学指标如表1 所示。

如图1 所示，隧道开挖土层主要为：①-6 素填土、④黏土、⑤-1 粉质黏土、⑤-2 粉土夹粉质黏土、⑥-1粉砂夹粉土和⑥-2 粉砂，④层及以上土层受原道路构筑物影响，土中多夹杂建筑垃圾和生活垃圾，土体不宜利用，可用于绿化带填筑；⑤-2 层和⑥-1 层为过渡层，故隧道开挖可利用的土体类别主要为⑤-1 粉质黏土和⑥-2 粉砂。

图1 典型工程地质剖面Fig.1 Typical Engineering Geological Section

从图2 可看出，⑤-1 层和⑥-2 层差别甚微，不均匀系数Cu分别为6.2 和5.7，曲率系数Cc分别为1.7和1.6，两类土均为均粒土，累计曲线呈台阶状，局部缺乏中间粒径［5］。通过承载比试验，击实次数为98 次，贯入量为2.5 mm 时的承载比值分别为2.2%和2.3%，贯入量为5 mm 时分别为2.0%和2.1%。有机质含量分别为0.24%和0.29%。

表1 地基土层物理力学指标Tab.1 Physical and Mechanical Indicators of Foundation Soil

图2 颗粒级配累计曲线Fig.2 Particle Grading Cumulative Curve

综上表明，开挖利用土体土粒较均匀，主要为粉粒，黏粒（＜0.005 mm）含量较少，一般在15%以内，有机质含量低。粉类土黏粒含量少、塑性指数低、无黏聚性、易液化，压实后具有一定的强度和压缩性，浸水后无明显胀缩性，但强度严重衰减，在公路施工中被列为“不良土”，不能直接用于填筑路基，必须进行改良处理［1，3，6］。

2 土体改良固化机理

目前粉土常用的改良剂有石灰、水泥、粉煤灰等［4］。由于粉土中黏粒含量较少，黏土颗粒无法与石灰充分发生反应，在相同配合比的条件下，掺水泥的效果要优于石灰，具有早期强度高、后期强度增长明显等特点［1］，因此本次土体改良主要采用水泥作为改良剂。

水泥对土体的改良主要是水泥、土和水之间发生了非常复杂的作用，主要有化学作用、离子交换作用、化学激发作用和碳酸化作用［7］，使水泥颗粒得到水化、硬化，使黏土颗粒与水泥、水泥水化物进行离子交换，微粒得到凝聚、结晶，并经过压实，形成一定的结构体强度。

3 土体试验及结果

本次试验分别按照4%、6%、8%的水泥掺量配比进行试验，试验按照《公路土工试验规程》［8］和《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》［9］进行，采用重型击实标准，主要进行了击实试验、承载比试验、7 d 无侧限抗压强度试验。

3.1 击实试验

土粒掺入不同剂量的水泥后，最大干密度和最佳含水量呈比例增长趋势，并且随着水泥掺量的增加，⑤-1 层和⑥-2 层土最大干密度逐渐接近，说明粉砂孔隙率变小，逐渐趋于密实（见图3、图4）。

图3 水泥掺入比与最大干密度关系曲线Fig.3 Curve of Cement Blending Ratio and Maximum Dry Density

3.2 承载比试验

对⑤-1 层和⑥-2 层土不同水泥掺量进行承载比试验，标准养护，龄期为7 d。可以发现，水泥掺量低时，粉质黏土强度高于粉砂强度，粉砂强度随着掺量的增加，强度增长较快（见图5）。

3.3 无侧限抗压强度

对⑤-1 层和⑥-2 层土不同水泥掺量进行无侧限抗压强度试验，压实度提高，抗压强度随着增长，粉砂抗压强度增长速率高于粉质黏土（见图6）。

从以上试验发现，含有一定黏粒的粉质土在水泥掺量较低时，表现出较大的干密度和较高的强度，但当水泥掺量逐步增长时，强度增长速率低于粉砂。水泥掺量低时，水泥骨架作用并不占优，而含有一定黏粒的粉质土反而易于压实，伴随一定的离子交换作用，表现出较高的强度，但随着水泥掺量的增加，骨架作用明显，粉砂强度增长较快。

图4 水泥掺入比与最佳含水量关系曲线Fig.4 Curve of Cement Blending Ratio and Optimum Water Content

图5 水泥掺入比与CBR 值关系曲线Fig.5 Curve of Cement Blending Ratio and CBR Value

图6 水泥掺入比与无侧限抗压强度关系曲线Fig.6 Curve of Cement Blending Ratio and Unconfined Compressive Strength

4 路基填筑对水泥改良土的要求

根据《公路路基设计规范：JTG D30-2015》［10］和《城市道路路基设计规范：CJJ 194-2013》［11］，对于不同层位的路基，要求达到不同的CBR 值，显然对于掺入4%以上水泥的隧道开挖土都远远满足要求，说明采用水泥改良用于路基填筑是可行的，根据文献［1］，适当降低掺量也可满足路基填筑要求。

根据《公路路面基层施工技术细则：JTG/T F20-2015》［12］，水泥稳定材料用于道路路面基层和底基层填筑时，要求7 d 龄期无侧限抗压强度标准Rd在1.0～7.0 MPa 之间，而隧道开挖土8%水泥掺量抗压强度值仅0.8～1.0 MPa，表明该类土用于路面基层、底基层填筑时需要更大的掺量和压实度。虽然增加水泥掺量可提高抗压强度，但高掺量水泥土强度增长并不显著，也不经济。

5 结论

苏州市区隧道开挖土主要为粉质黏土和粉砂，颗粒单一，级配不良，承载比低，不宜直接用于路基填筑。通过4%、6%、8%水泥掺量配比试验，CBR 值提高至70%～160%，无侧限抗压强度达到0.3～1.0 MPa，经改良后可用于路基填筑，但不满足路面基层、底基层强度要求。同时发现，含一定黏粒的粉质土水泥掺量低时强度较高，但随着水泥掺量的增加其强度增长速率低于粉砂。