水泥土搅拌加固法强度试验研究

常高奇，孟令福

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

工程建设项目遇到复杂地质条件或者特殊性质土的情况越来越多[1]，如存在滑坡、泥石流、软土震陷、软弱地层甚至采空区等影响场地稳定性的不良地质状况[2]，随之对应的地基处理技术也得到长足的发展[3]。特别是在沿江、湖、海的场地，软弱地基土层发育，这类土层通常存在含水率大、孔隙比大、压缩性高、承载力低等不利工程地质条件。对于这类地基，水泥土搅拌加固法[4]在经济效益以及处理效果方面都有较大的优势。水泥土搅拌加固法是用于加固饱和软黏土地基的一种方法，它是在地基土中加入固化物水泥后，再用机械搅拌器械进行机械搅拌，此时，水泥与土混合物在经过一系列的物理化学反应后，形成的水泥土，这种水泥土具有整体性强、水稳定性好并且具有较高强度的地基。水泥土加固法技术发展时间短以及使用频率小，其设计计算方法以及施工工艺有很大的发展空间，属于半理论、半经验的地基处理方法。因此，研究水泥土搅拌加固法对地基处理效果评价、软弱地层强度提升、水泥土强度特性都有重要的理论和实际意义。

为研究水泥土搅拌加固效果，通常在地基处理前，需要取样进行室内试验，为测定水泥土的抗剪以及抗压强度，通常会进行室内的直剪试验以及无侧限抗压强度试验。通过对比地基土和水泥土的抗剪抗压强度，来判断该区水泥土搅拌加固的效果。因此，本文以缅甸仰光某工程地基土为试验研究对象，测定水泥土搅拌加固法的强度提升情况，为今后类似的场地进行水泥土搅拌加固处理提供理论以及试验经验。

1 地层岩性以及分布特征

试验区位于缅甸仰光省，毗邻仰光河，位于冲击平原上。该试验区的软弱地基土层属于全新世湖沼相冲积层，厚度为13.6～26.8 m，该层自上而下分别为淤泥、淤泥质黏土、黏土。淤泥：灰色，流塑状，高塑性，含腐殖质，夹植物根系，土质均匀，层厚2.6～2.7 m，平均标贯击数N＜1.0 击；淤泥质黏土：灰色、青灰色，流塑状，高塑性，含大量朽木及腐殖质，土质不均，层厚7.0～12.5 m，平均标贯击数N=1.9 击。黏土：灰色、青灰色，流塑～软塑状，局部可塑状，高塑性，夹淤泥质土薄层，含少量朽木屑及腐殖质，局部含大量朽木，土质不均，层厚4.0～11.6 m。平均标贯击数N=3.1 击。对该地层土进行室内土工试验，见表1、表2 所示，试验结果显示该层土具有如下特征：

1）含水量高，淤泥、淤泥质黏土、黏土天然含水率平均值分别为58.6 %、49.7 %、49.4 %，液性指数平均值分别为1.61、1.15、0.89；

2）孔隙比大，淤泥、淤泥质黏土、黏土孔隙比平均值分别为1.58、1.36、1.42，饱和度一般都在90 %以上；

3）压缩性大，淤泥、淤泥质黏土、黏土压缩系数平均值分别为1.13、1.08、1.00(单位：MPa-1)，均大于0.5，压缩模量平均值分别为2.32、2.29、2.47(单位：MPa)，均小于4，所以，该层为高压缩性土；

4）渗透性差，淤泥、淤泥质黏土、黏土垂直渗透系数分别为7.1×10-8～2.0×10-7cm/s、1.5×10-8～2.4×10-7cm/s、9.0×10-9～3.1×10-7cm/s，水平渗透系数分别为1.1×10-7～2.9×10-7cm/s、4.4×10-8～4.8×10-7cm/s、2.2×10-8～5.1×10-7cm/s，属于极低渗透性或者实际不透水；

5）强度低，这层土的十字板抗剪强度和室内抗剪强度指标分别见表1、表2 所示，抗剪强度低；淤泥、淤泥质黏土、黏土无侧限抗压强度分别为13.8～20.3、18.3～43.6、18.9～50.3，平均值分别为18.1、24.8、28.3(单位:kPa)，无侧限抗压强度低；

表1 地基土物理和力学指标

表2 地基土抗剪强度指标

6）正常固结土层，前期固结压力大多大于自重压力，少部分土样前期固结压力略小于自重压力，结合区域工程经验，该层为正常固结土；

7）软土震陷，这层土层厚较大，地基承载力为40～60 kPa，等效剪切波速一般Vsr＜140 m/s，地震设防烈度为8 度，不满足承载力大于100 kPa、等效剪切波速大于140 m/s 的条件，应考虑震陷影响。

2 水泥土搅拌加固法室内强度试验

2.1 试验步骤

目前，水泥土室内强度试验并没有统一的操作规程，都是参考现有的岩土试验室的土工试验和岩石（或者建筑材料）强度试验，进行直接剪切的抗剪强度试验以及无侧限条件下的抗压强度试验。水泥土室内强度试验按照以下步骤进行：

1）土样制备

用于制备水泥土的土样有两种选择方法，一种是风干的土样，将现场土样经过风干、碾碎、过筛后获得，在制备水泥土时，添加一定量的水，则获得所需要的含水量的土样。另外一种为“原状”土样，是现场取得样品后立即用密闭的厚层塑料袋进行封装，基本保证土的天然含水率不变，这里的“原状”土样，允许是扰动样，只是含水率保持不变，并不是结构或者构造不变。

2）固化剂的添加

这里的固化剂就是水泥，水泥掺入的量需要在一定的范围内，一般为7 %～20 %。这里的水泥掺入比aw是指掺入的水泥的质量与需要被加固的土的天然质量的比值。另外，为提高水泥的强度或者其他性能，可以加入一定量的外掺剂。

3）搅拌与养护

根据试验的要求，将一定量的水泥、外掺剂、水加入到需要加固的定量土样中，充分搅拌均匀后，分层添加到水泥土试件磨具中，在每层添加后需要震动1 分钟。最后，将试件表面整平后，遮盖塑料布保湿，防止水分过快的蒸发。试件成型后，再根据试验所要求的水泥土养护龄期进行养护。

4）直接剪切试验与单轴无侧限抗压试验

直接剪切试验就是在不同的垂直压力下，施加水平向的剪切力，测得试样破坏时的剪应力，再根据库伦定律确定试样的抗剪强度指标，即黏聚力与摩擦角；单轴无侧限抗压试验就是试验在无侧向约束条件下，在试样垂直方向上施加压力，试样抵抗轴向压应力的极限强度。

为研究水泥土的抗压与抗剪强度，在以下条件下进行试样的制备与试验。第一，制备水泥土的土样采用“原状”土样；第二，固化剂采用普通硅酸盐42.5 级水泥；第三，水泥掺入比aw=17 %，并采用干粉法进行搅拌，即将水泥掺入土样后直接搅拌，不添加水和外掺剂；第四，养护龄期为28 天；第五，水泥土的强度较高，应选择合适的直剪仪与无侧限仪，防止仪器产生大变形而引起的试验误差，本次试验采用岩石直剪仪和无侧限仪，直剪试验的垂直压力有四级，分别为0.11、0.22、0.33、0.44 MPa。

2.2 强度指标与地基土物理力学参数相关关系

水泥土是由水泥与土样均匀搅拌而成，其强度指标则是水泥与土样的强度共同作用的结果[5]，即水泥土的强度指标与所用的水泥强度有关，也与土样的物理力学性质也存在某种关系。本文为研究水泥土强度指标与土样物理力学指标的关系，采用控制变量法，选择多个土样进行试验。

1）水泥土无侧限抗压强度与地基土物理力学参数相关关系通过水泥土的无侧限抗压强度试验与地基土土工试验的成果进行对比，经统计分别得到地基土含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、压缩系数av、压缩模量Es与水泥土无侧限抗压强度′的相关关系，见图1（图中点为实测值，线为拟合曲线）。通过统计分析，得到其拟合回归方程见表3。由图1 可知，水泥土的无侧限抗压强度′随地基土含水率w、孔隙比e0、压缩系数av的增大而变小；随地基土干重度rd、天然重度r、压缩模量Es的增大而变大。说明了水泥土的无侧限抗压强度与这些指标的密切关系，根据地基土含水率w、干重度rd、天然重度r 与的关系，说明地基土的颗粒成分与结构比含水率对′的影响更大。另外，统计地基土的液限、塑限、液性指数与水泥土无侧限抗压强度′的相关关系以及拟合曲线，发现其相关系数绝对值远小于对应的临界相关值，说明′与地基的稠度不存在线性相关，即′的变化受到地基土的稠度变化的影响不大。由表3 中所建立的水泥土无侧限抗压强度的回归方程，这个公式的相关系数绝对值均大于α=0.05时的临界相关值，显著相关，则利用地基土的含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、压缩系数av、压缩模量Es来初步计算水泥土的无侧限抗压强度。

图1 地基土力学参数与水泥土抗压强度相关图

表3 地基土力学参数与水泥土抗压强度经验公式

2）水泥土剪切强度与地基土力学参数关系

通过水泥土的直接剪切强度试验与地基土的土工试验的成果进行对比。经统计分别得到地基土含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0与水泥土直接剪切强度指标黏聚力C′的相关关系，见图2（图中点为实测值，线为拟合曲线）。通过统计分析，得到其拟合回归方程见表4。由图2 中可知，水泥土的黏聚力C′随地基土含水率w、孔隙比e0的增大而变小，随地基土干重度rd、天然重度r 的增大而变大。说明了水泥土的黏聚力C′与这些指标的密切关系，根据地基土含水率w、干重度rd、天然重度r 与黏聚力C′的关系，说明地基土的颗粒成分与结构比含水率对黏聚力C′的影响更大。另外，统计地基土的液限、塑限、液性指数、压缩系数av、压缩模量Es与水泥土的黏聚力C′的相关关系以及拟合曲线，发现其相关系数绝对值远小于对应的临界相关值，说明黏聚力C′与地基的稠度、压缩指标不存在线性相关，即黏聚力C′的变化受到地基土的稠度与压缩指标变化的影响不大。由表4 中所建立的水泥土黏聚力C′的回归方程，这个公式的相关系数绝对值均大于α=0.05时的临界相关值，显著相关，则利用地基土的含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、来初步计算水泥土的黏聚力C′。

表4 地基土力学参数与水泥土黏聚力经验公式

图2 地基土物理参数与水泥土黏聚力相关图

另外，统计地基土的含水率w、干重度rd、天然重度r、孔隙比e0、液限、塑限、液性指数、压缩系数av、压缩模量Es与水泥土摩擦角φ′的相关关系以及拟合曲线，统计发现，水泥土摩擦角φ′在37°～45°之间变化，其相关系数绝对值远小于对应的临界相关值，说明水泥土摩擦角φ′的变化与地基土的物理力学指标的变化影响不大。

2.3 搅拌加固法强度指标增强统计

为研究水泥土搅拌加固法强度指标增强性能，统计分析水泥土与地基土的单轴抗压强度、黏聚力以及水泥土的摩擦角。根据2.2 中的水泥土强度分析可知，水泥土的无侧限抗压强度与直接剪切黏聚力受到地基土物理力学指标的影响，则统计水泥土与地基土的无侧限抗压强度的比值以及水泥土与地基土的黏聚力的比值；水泥土的摩擦角受到地基土物理力学指标影响较小，而且水泥土的摩擦角变化幅度较小，则单独统计水泥土摩擦角以及地基土的摩擦角，统计结果见下表5 所示，表中，为水泥土的单轴抗压强度、qu为地基土的三轴抗压强度、C1为水泥土的黏聚力、为地基土的黏聚力、φ为地基土的摩擦角、'φ为水泥土的摩擦角。根据表5 中统计结果可知，通过水泥土搅拌加固法，地基土的无侧限抗压强度大约提高了106.75 倍、地基土的直接剪切强度指标内聚力大约提高了86.79 倍、地基土的直接剪切强度指标摩擦角大约提高了29.73 倍。但是，根据表5 中对地基土的摩擦角统计，发现其变异系数偏大，即离散型较大，直接通过水泥土与地基土的摩擦角的比值，意义不大，由于水泥土摩擦角变异为0.06，即离散型很小，可直接使用水泥土的摩擦角的统计结果，即41.02°。

表5 水泥土强度指标统计

3 结语

1）工程试验区软弱地基土层是具有含水量高、孔隙比大、压缩性大、渗透性差、强度低的正常固结土层，应考虑软土震陷影响，进行地基处理可考虑使用泥土搅拌加固法。

2）工程试验区软弱地基土层水泥土的无侧限抗压强度Qu′随地基土含水率w、孔隙比e0、压缩系数av的增大而变小，随地基土干重度rd、天然重度r、压缩模量Es的增大而变大；水泥土的黏聚力C′随地基土含水率w、孔隙比e0 的增大而变小，随地基土干重度rd、天然重度r 的增大而变大；水泥土摩擦角φ′的变化与地基土的物理力学指标的变化影响不大。

3）工程试验区软弱地基土层经过水泥土搅拌加固法，无侧限抗压强度大约提高了106.75 倍、直接剪切强度指标内聚力大约提高了86.79 倍，摩擦角提高到了41.02°。

4）建立的针对该工程试验区的软弱地基土层水泥土搅拌加固后水泥土的无侧限抗压强度指标、直接剪切黏聚力与地基土层物理力学指标的回归方程，以及统计水泥土的摩擦角的变化范围以及标准值，可通过地基土的物理力指标初步计算经过水泥土搅拌加固的水泥土的强度指标，也为临近以及类似的工程的水泥土搅拌加固效果提供经验以及可靠性分析支持。