水泥加固海相淤泥室内配比试验与现场工艺试桩

深层水泥搅拌法(简称DCM法)是一种以水泥或水泥基固化材料为黏结剂，与软弱地基土在原位置强制进行搅拌混合，利用化学固化作用在地基中形成坚固稳定土的施工方法，它具有在短时间内得到高强度的改良地基、构筑物沉降很小、废土少、抗震性出色、对周边环境的影响较小等优点[1]。DCM法的适用范围涵盖陆地和水上建(构)筑物，包括护岸地基、建筑物地基、路堤地基、挡土结构地基等加固、以及砂土液化处治等方面。

基于DCM法的一系列优点，1975—2010年日本使用深层搅拌法加固的土体总体积达到7 000万m3以上[2]。在20世纪90年代，深层搅拌法也在美国、东南亚和中欧得到应用推广[3]。

2016年，在香港首次采用湿法DCM法应用于机场扩建工程的海相淤泥质软土地基加固，使用水泥作为胶凝材料加固含水量高、孔隙比高、强度低的软弱海相沉积土。为验证用水泥提高和改进香港海相淤泥工程特性的可行性，进行了水泥和海相淤泥土的室内配合比试验和现场工艺试桩。

1原状土性能参数

根据该地区区域地质勘察资料及土质分析，海相淤泥的特征如下：1)坑口组海相淤泥组成该海域的海相沉积层[4]；2)沉积物主要包括非常软弱-软弱的灰色、均匀性较好的黏土质粉土或黏土，局部揭露砂夹层和贝壳碎屑物(粒径0.1～20 mm)。海相淤泥的主要物理力学和化学成分见表 1。

表1海相淤泥的物理力学和化学特性统计值土颗粒含量砾石∕%砂粒∕%粉粒∕%黏粒∕%淤泥厚度∕m液限wL∕%塑限wp∕%塑性指数Ip天然含水率w∕ %孔隙比 ∕%干密度ρd∕(g·cm-3)化学组分有机质含量∕%pH值最小值.最大值平均值.

2室内配合比试验

2.1试验方法设计

依据JGS 0821—2009《日本无压实稳定土土样的制备和养护规程》[5]，开展本项目水泥土室内配合比试验。室内水泥土搅拌的详细搅拌与试验步骤如图1所示，在室内配合比试验中，水泥土标准试样的制作、养护和强度试验按下列步骤进行：现场原状土取样；在试验室将原状土混合均匀化；按设计的水灰比制备水泥浆，将原状土和水泥浆混合以制备均匀的水泥土，成型前将试样静置一段时间，将水泥土填充至模具中，采用手动振动和插捣的方式完成试样的制备，然后养护至28、56和90 d，分别测试不同龄期的无侧限抗压强度。

图1室内水泥土搅拌试验流程

2.2室内配合比试验参数的选取

针对本项目的海相淤泥开展室内配合比试验研究，设计4种不同的水泥掺量：220、240、260和290 kgm3(水泥掺量定义：每立方米原状土中掺入水泥的质量)，并测试3种不同的养护龄期(28、56和90 d)对应的水泥土无侧限抗压强度(简称UCS)。所掺拌的海相淤泥的天然含水率为56%～92%，采用的水泥符合欧洲标准EN的普通硅酸盐水泥加固(型号：欧标EN 197-1-CEM I，强度等级class 52.5),水灰比为0.9。

2.3试验结果分析

水泥改良软土的加固机理如图2所示，包括4个步骤：胶凝材料的水化反应、离子交换反应、水泥水化产物的形成和火山灰反应产物的形成。水泥土的强度受诸多因素影响，主要包括原状土的性质、水泥掺量、养护龄期等。

图2水泥土加固机理

2.3.1水泥掺量对水泥土UCS的影响

由图3可知，3种养护龄期(28、56和90 d)条件下，对于原状土含水率为56%～92%，水泥掺量D对室内水泥土无侧限抗压强度qul的影响较为显著，试验结果表明水泥土的无侧限抗压强度随水泥掺量的增加而有效增长。当水泥掺量为220、240、260和290 kgm3时，28 d室内水泥土强度qul28平均值分别为1.48、1.79、2.28和2.58 MPa；56 d室内水泥土强度qul56平均值分别为1.86、2.03、2.68和2.91 MPa，增幅分别为26%、13%、18%和13%； 90 d室内水泥土强度qul90平均值分别为2.16、2.53、3.10和3.3 MPa，增幅分别为46%、41%、36%和21%。4种水泥掺量对应的28 d室内水泥土强度qul28，高于设计强度1.2 MPa(28 d龄期)占比分别为91.7%、100%、100%和100%。

图3不同龄期水泥土强度UCS和水泥掺量的关系

根据项目设计要求，水泥土设计无侧限抗压强度UCS值(28 d龄期)为1.2 MPa，基于室内配合比试验的检测结果，3种水泥掺量(240、260和290 kgm3)对应的28 d强度均100%大于设计强度，因此将3种水泥掺量中最低水泥掺量240 kgm3作为现场DCM工艺试桩的水泥掺量。

2.3.2养护龄期对水泥土UCS的影响

由图4可知，养护龄期对水泥土强度的影响，试验结果表明，水泥掺量为220～290 kgm3时，经水泥稳定的海相淤泥的强度随养护龄期的增长而显著增大。

文章来源：《湿法冶金》 网址: http://www.sfyjzz.cn/qikandaodu/2021/0302/426.html