何勝黨

（招商局漳州開發(fā)區(qū)有限公司，福建 漳州 363105）

0 引言

利用疏浚吹填土圍海造地是緩解土資源緊張的有效手段，近十幾年來我國(guó)圍海造地面積超過1000 km2。圍海造地建造海上圍埝和護(hù)岸多采用拋石斜坡堤和吹填砂被堤形式，需要使用大量的中粗砂或塊石等建筑材料，工程造價(jià)高昂。為此，在天津和連云港地區(qū)開發(fā)出了一種新型圍埝形式[1-3]，利用低摻量的水泥拌合土（水泥摻量為原地基土質(zhì)量的8%）替代砂石材料作為圍埝堤心取得了成功。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工需求，對(duì)低摻量的水泥拌合土的工程特性進(jìn)行了研究。

1 研究方法

以往對(duì)低摻量水泥拌合土工程性質(zhì)的研究主要集中在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素方面，對(duì)其表觀特征的研究相對(duì)較少[4-6]。為此，根據(jù)實(shí)際工程需要，采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)重點(diǎn)研究低摻量水泥拌合土的表觀特征及稠度，詳細(xì)分析坍落度法、微型十字板強(qiáng)度檢驗(yàn)法和貫入試驗(yàn)法表征其稠度的優(yōu)缺點(diǎn)；通過室內(nèi)試驗(yàn)重點(diǎn)研究其與原地基土、高摻量水泥攪拌土在物理力學(xué)特性上的差異，便于工程人員對(duì)其物理力學(xué)特性能夠充分了解并合理利用。

2 試驗(yàn)用基本材料

原地基土、水、水泥經(jīng)攪拌即可形成低摻量水泥拌合土。為便于與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程的試驗(yàn)結(jié)果相比較，室內(nèi)試驗(yàn)所用原地基土以及海水也取自工程現(xiàn)場(chǎng)所在地，試驗(yàn)用原地基土主要為淤泥質(zhì)黏土、淤泥，其主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。水泥采用淺野牌P.O 32.5普通硅酸鹽水泥，同現(xiàn)場(chǎng)工程使用的水泥品牌一致。

表1 拌合前原地基土的主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 1 Key indicators of the original-ground soil before mixing

3 試驗(yàn)成果

3.1 表觀特征

低摻量水泥拌合土與拌合前的原淤泥質(zhì)土在結(jié)構(gòu)和狀態(tài)方面有很大的不同。拌合前的原淤泥質(zhì)土為軟塑～流塑態(tài)，為了使拌合土具有更好的流動(dòng)性，在原地基土中加入一定量的水，然后加入水泥漿進(jìn)行拌合（水泥漿的水灰比為0.8）。

隨著時(shí)間的推移，盡管拌合土的含水率和重度基本沒有變化，但拌合土的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)發(fā)生了很大的變化；剛拌合好的水泥拌合土呈流塑狀態(tài)，便于充灌施工?，F(xiàn)場(chǎng)也是利用該狀態(tài)快速充灌形成堤心，見圖1。

圖1 充灌施工Fig.1 Irrigation construction

拌合1 h后，水泥的初凝基本完成，低摻量水泥拌合土由流塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浰軤顟B(tài)，現(xiàn)場(chǎng)施工可以利用該時(shí)間段對(duì)圍埝堤心通過踩壓的方式進(jìn)行整平，必要時(shí)可進(jìn)行補(bǔ)充灌。

拌合10 h后，水泥的終凝基本完成，這時(shí)低摻量水泥拌合土由軟塑狀態(tài)向可塑狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變，在24 h以內(nèi)形成一定的強(qiáng)度，成為塊狀結(jié)構(gòu)，見圖2。這種塊狀結(jié)構(gòu)具有一定的黏結(jié)強(qiáng)度，抗風(fēng)浪和抗沖刷能力較強(qiáng)，在一定時(shí)間內(nèi)可保持很好的完整性，給圍埝護(hù)坡施工帶來了時(shí)間上的極大便利。

圖2 拌合土24 h以后的狀態(tài)Fig.2 Cement soil state after 24 h

低摻量水泥拌合土由于水泥摻量低，拌合過程中又摻入了一定量的水，因此含水率高，孔隙率大，重度小，呈一定的蜂窩狀。

3.2 攪拌初期的稠度特征

拌合土形成初期的稠度是拌合土充灌施工最關(guān)鍵的影響因素之一，稠度越大，形成的拌合土強(qiáng)度越高，但施工的難度也越大。主要表現(xiàn)在拌合土充灌管道容易堵塞、模袋不易充滿和整平。如果降低稠度，拌合土的強(qiáng)度又將受到一定影響，因此選擇合適的充灌稠度對(duì)施工是非常重要的。

對(duì)于拌合土的稠度評(píng)價(jià)目前還沒有一個(gè)合適的辦法，由于拌合土的形成初期處于半流動(dòng)狀態(tài)，同流泥相比具有一定的強(qiáng)度，但是與淤泥質(zhì)土相比，強(qiáng)度又非常小。稠度大小的主要影響因素在于拌合土含水量的大小以及水泥摻入量、固化時(shí)間等。為了保證拌合土的強(qiáng)度，水泥的摻入量是不宜再降低的，因此調(diào)節(jié)稠度的最簡(jiǎn)單的方法是在拌合土形成時(shí)適量添加水分，增加拌合土的含水量，從而增加形成初期的和易性和流動(dòng)性。

為了找到現(xiàn)場(chǎng)充灌拌合土稠度的檢驗(yàn)辦法，采取了3種評(píng)價(jià)方法，其一是借用混凝土的坍落度法，其二是采用微型十字板進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)，其三是貫入試驗(yàn)。以下分別就這3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說明。

3.2.1 坍落度法

試驗(yàn)方法參照混凝土的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行，分別進(jìn)行了原狀土樣擾動(dòng)后的坍落度試驗(yàn)和土樣中添加水泥后的拌合土的坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 坍落度與含水量變化關(guān)系Fig.3 Relationship of slumps changes with water content

試驗(yàn)結(jié)果表明，在同等含水量條件下，拌合土的坍落度值比原地基土擾動(dòng)后的值小，當(dāng)含水量達(dá)到60%左右，拌合土的坍落度值增長(zhǎng)幅度很快，當(dāng)拌合土的含水量在70%～80%時(shí)坍落度值均超過15 cm，用坍落度方法已很難來評(píng)價(jià)稠度。

3.2.2 微型十字板檢驗(yàn)法

微型十字板法是檢驗(yàn)超軟土剪切強(qiáng)度的主要手段之一，國(guó)外的研究較多，我國(guó)主要集中在部分高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)。該方法最大的優(yōu)勢(shì)在于操作方便，讀數(shù)直觀；主要缺陷在于測(cè)試點(diǎn)小、只能測(cè)試表面軟土的強(qiáng)度、需要測(cè)試的代表點(diǎn)數(shù)量不能太少。

試驗(yàn)結(jié)果表明，拌合土充灌前的最佳剪切強(qiáng)度值一般在30 kPa以內(nèi)，如果剪切強(qiáng)度大，充灌效率將會(huì)受到一定影響。

3.2.3 貫入試驗(yàn)法

為了方便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拌合土稠度檢測(cè)，曾試制一個(gè)簡(jiǎn)單儀器，其下為平底的圓形探頭，通過剛性的連接桿與測(cè)力環(huán)連接，測(cè)力環(huán)的另一側(cè)連接操作手柄。通過測(cè)試拌合土貫入阻力來確定其強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)將探頭輕輕壓入拌合土中，觀察測(cè)力環(huán)受力后的變形量，以計(jì)算貫入時(shí)的貫入阻力做為稠度的衡量方法。

拌合土的初期強(qiáng)度非常低，貫入阻力也比較小，該方法在室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，由于拌合土的均勻性較好，雖然測(cè)出來的拌合土強(qiáng)度值不高，數(shù)據(jù)基本上具有一定的規(guī)律性；在現(xiàn)場(chǎng)施工檢測(cè)時(shí)原計(jì)劃采用該方案進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，但施工過程中發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)離散性非常大。經(jīng)分析，主要原因在于貫入速度和貫入垂直方向在現(xiàn)場(chǎng)很難把握，后來在施工中沒有采用該方法。

綜合3種檢驗(yàn)方法，對(duì)拌合土形成初期的稠度最大的影響因素為拌合土的含水量，只要在攪拌過程中保持土、固化材料、水的比例基本不變，現(xiàn)場(chǎng)拌合土的稠度基本上穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)。

3.3 物理力學(xué)特征

由于拌合土中摻入了一定量的水泥，水泥與水和地基土通過水化反應(yīng)、離子交換和碳酸化反應(yīng)等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成多種水化產(chǎn)物，并釋放水化熱，使其結(jié)構(gòu)和狀態(tài)發(fā)生較大的變化，從而與原地基土在物理力學(xué)性質(zhì)上有較大的不同，且隨著水泥摻量的增加，這種差異也有明顯變化。

3.3.1 物理特征

原地基土主要為淤泥質(zhì)黏土和淤泥，含水率為40%～70%，重度為15.5～17.8 kN/m3，孔隙比為1.0～1.9；低摻量水泥拌合土的含水率為65%～120%，高于原地基土的含水率，重度為14.5～15.7 kN/m3，低于原地基土的重度，孔隙比為2.0～4.0，大于原地基土的孔隙比。對(duì)該地區(qū)高摻量水泥攪拌土的性質(zhì)進(jìn)行分析，水泥攪拌樁施工時(shí)只是按照一定的水灰比將水泥漿摻入到原地基土中，不再額外摻加水，因此總的摻水量要少于低摻量水泥拌合土，且由于水泥摻量高（水泥摻量為原地基土質(zhì)量的20%），水化反應(yīng)要消耗大量的水，且釋放出大量的水化熱，所以含水率比原地基土小，密度也比原地基土大，詳見表2。

表2 拌合土與原地基土的指標(biāo)對(duì)比Table 2 Indicator contrast of the cement soil and the original-ground soil

3.3.2 強(qiáng)度特征

高摻量水泥攪拌土水泥摻量較高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也很高，14 d齡期可達(dá)0.7～0.9MPa，90 d齡期高達(dá)1.5～2.5MPa，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)破壞形式表現(xiàn)為脆性破壞。低摻量水泥拌合土由于水泥摻入量低，所以其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要比高摻量水泥攪拌土小得多，現(xiàn)場(chǎng)成型室內(nèi)標(biāo)養(yǎng)條件下14 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般只有0.23MPa左右。盡管如此，其強(qiáng)度同原地基土相比還是有了很大程度的提高，破壞形式盡管表現(xiàn)為塑性破壞，但破壞時(shí)的變形量很小。隨著拌合土中的含水量降低或水泥摻量適量增加，這種破壞特征逐漸由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)化。

在直剪快剪強(qiáng)度方面，低摻量水泥拌合土更接近于老黏土的一些特性，但是其直剪強(qiáng)度要比一般老黏土的強(qiáng)度大一些，通過對(duì)多組室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，28 d齡期的拌合土黏聚力在58 kPa左右，內(nèi)摩擦角在29°左右，見圖4。

圖4 低摻量水泥拌合土室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果（28 d齡期）Fig.4 Indoor shear test results of the cement soil with low additions（28 d age）

3.3.3 變形特性

淤泥及淤泥質(zhì)黏土的壓縮e-P曲線常表現(xiàn)為“雙曲線”型，前期較低固結(jié)壓力下孔隙比減小幅度較大，隨著固結(jié)壓力的增加，孔隙比減小幅度變小。低摻量水泥拌合土由于強(qiáng)度有了明顯提高，物理力學(xué)性質(zhì)也有了較大變化，壓縮e-P曲線同常規(guī)淤泥及淤泥質(zhì)黏土相比也有明顯不同，不再呈現(xiàn)“雙曲線”型，而是基本為直線，且在150～200 kPa的荷重下出現(xiàn)一個(gè)明顯向下的拐點(diǎn)，見圖5。

圖5 120 d齡期的拌合土壓縮試驗(yàn)曲線Fig.5 compression test curve of the cement soil in 120 d age

4 結(jié)語

1）低摻量水泥拌合土剛拌合好時(shí)呈流塑狀態(tài)，拌合1 h后逐漸由流塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浰軤顟B(tài)，非常便于拌合土的沖灌施工和整平。

2）影響低摻量水泥拌合土形成初期稠度的主要因素為拌合土的含水量，只要在攪拌過程中保持原地基土、固化材料、水的比例基本不變，現(xiàn)場(chǎng)拌合土的稠度基本上穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)。

3）低摻量水泥拌合土盡管其強(qiáng)度同高摻量水泥攪拌土相比有一定的差距，但是同原地基土相比，已經(jīng)有了較大程度的提高，基本滿足作為堤心材料的需要。

4）低摻量水泥拌合土的壓縮曲線同常規(guī)淤泥及淤泥質(zhì)黏土相比明顯不同，壓縮e-P曲線基本為直線，且存在一個(gè)明顯向下的拐點(diǎn)。

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