石灰和水泥改良过湿土在钻前工程中的应用

李 祥 谭树成 杨仕波

(四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司，四川 成都 610000)

1 工程概况

以宜宾市兴文县某钻前工程为例，该平台持力层土质为粉质粘土，工程新修ZJ70，ZJ50钻机基础两套；新修井场面积105 m×80 m，挖方工作量：挖硬土7 034.4 m3，挖耕植土(淤泥)2 660 m3，土质改良11 475 m3。新建公路0.141 km；改建公路2.735 km，集液池、空钻池容积2 000 m，储存池2 000 m3。

平台整个处于水田之中，根据设计要求，地基承载力特征值kfp应大于120 kPa，但通过标准贯入实验，该平台持力层地基承载力仅为50 kPa。

根据粘性土的定名规则，通过取样检测得知平台土样为低液限粉质粘土。稠度指数的范围为0.02～0.40[4]。

根据过湿土的定义：0

表1 液塑限实验结果

根据锤击实验，该平台过湿土最佳含水率为13.7%，但现场取土土样平均含水率为35.2%，有较大的可塑性，透水性小而吸水能力强，毛细现象十分明显，能长期保存水分，影响土的性质。

并且根据地勘报告，拟建场地属山间缓坡地貌，缓坡上分布梯田，平台总体地势东北高西南低，地面最大相对高差约11.76 m。场地地下水类型主要分为赋存于粉质黏土中的上层滞水，石灰岩中的裂隙水；地表水主要为沟塘水，灌溉水，分布在沟塘附近。

2 过湿土改良方案

根据GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[5]“7.2软弱地基的利用与处理”的要求，并结合现场实际情况。通过对理论方案：表面清淤、堆砌预压、复合地基、强夯、震动压实、换填、化学添加、晾晒、换季施工、局部区域加抗滑桩和基础梁等进行了筛选对比。符合现场施工条件及工期要求的方案唯有化学添加剂这一方案。根据施工成本及当地原材料运输情况，施工方决定采用石灰、混凝土作为化学添加剂的原料，但其具体掺入比例需通过实验和现场验证来确定。

3 作用原理

此方案的原理是通过掺入不同适当比例的生石灰和水泥，将两种物质拌合进土壤中。以此降低土壤含水率，改变土壤内部结构，提高粘结力，形成有多种强度结构主体的复合物，从而使平台地基承载力达到设计要求。

3.1 生石灰在土壤中的作用

生石灰在土壤中主要发生胶体反应、凝胶反应、碳化反应、结晶四种反应。其原理是通过以上反应使生石灰与土壤中的水分产生水化热，蒸发水分，与土壤形成多种结构形态和晶体，加强土壤结构强度降低塑性，降低土壤中的含水量。

3.2 水泥在土壤中的作用

1)物理反应。

在水泥加固土的过程中，物理反应主要会发生土体密度增大、水泥水化产物的微加筋和胶凝等现象。

2)化学反应。

水泥固化土壤的化学反应有两方面：一方面是水泥本身成分发生的化学反应，另一方面是土体与水泥中的某些成分发生的化学反应。

4 土工试验

4.1 液塑限实验

4.1.1配比

1)在不掺入水泥的情况下，石灰与风干土的重量比分别为0%，6%,8%,10%,12%。

2)在不掺入石灰的情况下，水泥与风干土的重量比分别为3%，4%，5%，6%。

3)在水泥掺入量3%～4%的情况下，石灰与风干土的重量比分别为0%，6%,8%,10%,12%。

4)在水泥掺入量5%～6%的情况下，石灰与风干土的重量比分别为0%，6%,8%,10%,12%。

4.1.2实验方法

风干土、水泥、石灰分别过粒径0.74 mm的筛，按以上预定配比搅拌均匀，利用液塑限联合测定仪测定改良处理后土的液限与塑限。

4.1.3实验结果及分析

通过实验收集的数据绘制折线图，从图1～图4可以看出，过湿土随着生石灰、水泥及石灰水泥添加剂掺灰量的增加(0%～12%)，液限降低越来越明显，塑限在水泥的作用中，提升幅度更大。综合来看，掺灰量越大，塑限和液限的变量越大，当水泥掺入5%～6%，生石灰掺入12%时，过湿土的液限及塑限表现出最佳状态。

4.2 锤击实验

4.2.1配比

1)在不掺入水泥的情况下，生石灰与风干土的重量比分别为0%，6%,8%,10%,12%。

2)在不掺入石灰的情况下，水泥与风干土的重量比分别为3%，4%，5%，6%。

3)在水泥掺入量3%～4%的情况下，生石灰与风干土的重量比分别为0%，6%,8%,10%,12%。

4)在水泥掺入量5%～6%的情况下，生石灰与风干土的重量比分别为0%，6%,8%,10%,12%。

4.2.2实验方法

击实类型为重型击实，先将风干土和生石灰拌匀，再加水搅拌，使试样充分浸润，然后进行击实。

4.2.3实验结果及分析

通过实验数据绘制折线图，可以从图5，图6看出，在土料中掺入生石灰、水泥和石灰水泥混合剂均降低了其最大干密度并且提高了最佳含水率。其中生石灰在掺入12%时最大干密度最低，但在生石灰掺入12%、水泥掺入6%时，土料的最佳含水率达到最高(20.5%)。

4.3 掺灰后的含水量损失

4.3.1实验方法及配比

为了测试生石灰对土样土的减水效果，按原状土含水(35.2%)制备土样，在密闭的塑料袋内焖料6 h～8 h，向各份土样中按比例(0%，3%，4%，5%，6%，8%，10%，12%)分别掺入生石灰、水泥及石灰水泥混合剂(水泥：3%～4%，5%～6%)并搅拌均匀，敞开塑料袋口让其充分反应，最后再测定其含水量。

4.3.2实验结果及分析

由图7～图10可以看出：在土料土中分别掺入生石灰、水泥及石灰水泥添加剂后，随着掺量的增大，含水量逐渐降低。同时，经过掺灰后未击实的含水量和击实后的最佳含水量的对比，掺灰后的含水量和击实后的最佳含水量差距在2%～3%以内为较为合适的掺灰比例。

当生石灰掺量在12%、水泥掺量在3%～6%时，均能满足要求。但当生石灰掺量在12%、水泥掺量在5%～6%，实测含水率和最佳含水率有最好的效果。考虑到施工现场过湿土含水率可能大于实验数据，决定放弃生石灰12%、水泥3%～4%这组配比(该组配合比实际含水率和最佳含水率差值刚好为3)，采用生石灰12%、水泥5%～6%的配比进行施工。

5 碾压试验

5.1 试验参数

根据规范要求：试验铺土厚度：30 cm，50 cm。

碾压遍数：静压2遍，振动4遍；静压2遍，振动6遍；静压2遍，振动8遍。

5.2 试验比例

1)掺灰比例为:生石灰12%、水泥5%，铺土厚度为50 cm，在分别碾压4遍、5遍、6遍、8遍的情况下，沉降4.1 cm～0.1 cm，压实度为95.5%～96.2%。

2)掺灰比例为:生石灰12%、水泥5%，铺土厚度为30 cm，分别碾压4遍、5遍、6遍、8遍的情况下，沉降3.5 cm～0.1 cm，压实度为95.7%～96.3%。

3)掺灰比例为:生石灰12%、水泥6%，铺土厚度为50 cm，在分别碾压4遍、5遍、6遍、8遍的情况下，沉降4 cm～0 cm，压实度为96%～96.7%。

4)掺灰比例为:生石灰12%、水泥6%，铺土厚度为30 cm，在分别碾压4遍、5遍、6遍、8遍的情况下，沉降3.4 cm～0.1 cm，压实度为96.8%～97.9%。

5.3 结果与分析

5.3.1掺灰比例分析

由碾压试验的结果可以看出：当掺灰比为生石灰12%、水泥6%时，压实度基本达到设计规定的97%的要求，与室内土工试验的分析结果一致。

5.3.2松铺厚度分析

根据碾压试验统计结果，当采用生石灰12%、水泥6%的掺入比例进行碾压试验时，松铺50 cm时，在静压2遍+振动碾压6遍后其压实度达不到设计要求。而在松铺30 cm厚时，在静压2遍+振动碾压6遍后其压实度即可达到设计要求，故碾压参数中的铺土厚度选择为松铺30 cm。

5.4 试验结论

根据碾压试验及结果分析后确定的碾压施工参数为：碾压设备为18 t压路机，桦犁翻2次，路拌机拌和4次，掺灰比例为生石灰12%、水泥6%，松铺厚度为30 cm，碾压方式为静压2遍+振动碾压6遍，压路机行走速度小于2 km/h。

6 施工工艺控制

为切实加强施工工艺控制，使检测时取用土样的最大干密度与实际工程情况更加接近，在施工中应采取以下有效措施：

1)确定石灰剂量标准曲线：每收进一批石灰，不仅要对其进行化学分析，还要重新确定相应的标准曲线。

2)备料：生石灰块应在使用前7 d～10 d充分消解，消解后的石灰应保持一定的湿度，不得产生扬尘，也不可过湿成团。如果土壤水分过高，宜采用二次掺灰拌合法。先掺入1%～2%消解后的石灰拌合后，焖灰1 d～2 d，土壤塑性指数与含水量降低之后，再按要求掺入剩下部分的生石灰。

3)灰土及水泥的拌合：灰土的比例应根据设计要求进行配置。基础垫层的灰土必须经过标准斗进行称量，严格控制其配合比。拌合时至少翻拌三次，拌合好的灰土颜色应均匀一致。

4)基坑(槽)底或基土表面应清理干净。特别是槽边掉下的虚土，风吹入的树叶、塑料袋等垃圾杂物。

通过采取上述措施，有效地控制了石灰比例和压实度，提高了质量，缩短了施工工期。

7 结语

通过对水泥、石灰改良过湿土进行试验研究及实际应用后得出了以下结论：

1)生石灰的掺入能有效改善过湿土的物理力学性质，可以使其满足坝体填料的要求；在那些土壤天然含水量较高、稠度低、难以达到规范压实度特点的多雨，潮湿地区，采用生石灰进行处理比较合适；

2)生石灰和水泥在过湿土中的反应过程是十分复杂的，不仅有其自身的水解水化反应，而且与土体中的三相之间也存在物理化学反应。在这些物理化学反应和外部机械压实的共同作用下，呈松散状态的土颗粒逐渐形成较致密的整体，使土体的物理力学性能得到良好的改善；

3)过湿土掺入水泥后，其塑限、最优含水量显著增加，说明掺灰土相较于未掺灰土在同样的含水量条件下更容易从塑性状态进入半固结状态，更容易压实，从而达到施工中压实度的要求。