劉 數(shù) 田 波 陳家吉 袁譽(yù)飛

中國(guó)建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665

水泥改良土是一種性能較好且比較廉價(jià)的土工改良材料。它通過機(jī)械拌和使原狀土與水泥充分混合，經(jīng)過適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)期，成為一種具有一定力學(xué)強(qiáng)度和耐久性能的土工改良材料，可以廣泛地應(yīng)用于水利、交通和建筑等各類土木工程中。

水泥改良土的原理：少量水泥摻入土中，水泥分布在所有土的空隙中，并與空隙中的水發(fā)生反應(yīng)形成水泥水化產(chǎn)物，水泥水化產(chǎn)物連成骨架構(gòu)成了堅(jiān)固的核心，借以約束土粒，達(dá)到改良土的性質(zhì)。赫佐格指出，在蒙脫土中，低劑量水泥的應(yīng)力應(yīng)變特性表明，水泥首先在土中構(gòu)成核心，當(dāng)水泥用量增加時(shí)，水泥則成為骨架結(jié)構(gòu)，在2.5%的水泥用量時(shí)便構(gòu)成了連續(xù)的骨架結(jié)構(gòu)[1]。

武慶祥等[2]研究表明，石灰改良土、水泥改良土均能得到較好的改良效果，石灰改良土最佳配比在4%～6%范圍內(nèi)，超過該配比后，石灰摻量的進(jìn)一步增加對(duì)其各項(xiàng)性能的改善效果不明顯；但水泥改良土的改良效果隨著水泥摻量的增加而增大，且增大的速率變緩。雖然水泥改良土技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)很成熟了，但為尋求經(jīng)濟(jì)、高效的施工方法，現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)土的性質(zhì)開展一系列試驗(yàn)。

1 工程概況

省道S374線霞山百蓬—麻章田寮村段改建工程（湛江大道）位于湛江市郊區(qū)，為雙向8車道一級(jí)公路兼市政主干道。一合同段第一項(xiàng)目經(jīng)理部管段位于湛江市霞山區(qū)，起訖里程K0＋000—K7＋240。全線分布高液限土段落較多，挖方路段路床范圍內(nèi)土需進(jìn)行超挖回填合格材料；低填淺挖段普遍地下水位較高。設(shè)計(jì)給出了路床填筑改良土的方案。

湛江大道建設(shè)項(xiàng)目水泥改良土主要用于低填、淺挖路段及部分路段下路床，總工程量為17.8萬 m3。主要土源的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)：液限38%，塑限23%，塑性指數(shù)15，96區(qū)CBR值14.4%，最大干密度1.97 g/cm3，最佳含水率8.3%，自由膨脹率0.14%，為砂性土。采用水泥對(duì)該土源進(jìn)行改良來滿足路床填筑的設(shè)計(jì)要求[3]。

2 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)與施工

水泥改良土試驗(yàn)段為K0＋400—K0＋600段左半幅，長(zhǎng)度200 m，平均處理寬度24 m。該段路基為低填淺挖段，下路床為水泥改良土，厚度90 cm。共分4層填筑，每層壓實(shí)層厚22.5 cm。水泥改良土斷面如圖1所示。

圖1 水泥改良土斷面示意

通過土工試驗(yàn)得出了3%、4%、5%水泥摻量下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目上對(duì)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知，3%、4%、5%水泥摻量均符合設(shè)計(jì)要求，但3%水泥摻量時(shí)改良土施工難度較高；考慮到施工難度、成本控制等因素，最終選用4%水泥的改良土作為路床填筑材料。

現(xiàn)場(chǎng)采用路拌法進(jìn)行改良土施工，松鋪厚度28.5 cm，根據(jù)運(yùn)土車每車裝料方量（16 m3），用石灰撒出9 m×6 m（縱向×橫向）的網(wǎng)格線；采用水泥撒布機(jī)進(jìn)行水泥撒布，在水泥撒布前，先用26 t壓路機(jī)將整平的填土靜壓一遍，確保水泥撒布時(shí)不產(chǎn)生較大車轍，從而影響水泥土拌和均勻性。

水泥撒布機(jī)速度控制在5～8 km/h，1 m2路基的水泥撒布量＝土的干密度×1 m2土路基的體積×水泥占比＝18 kg，施工時(shí)采用鐵盤檢測(cè)水泥撒布量。撒布完成后用旋耕機(jī)拌和一遍，拌和深度應(yīng)達(dá)到底部，相鄰拌和重疊為10～20 cm，拌和時(shí)要指派專人跟機(jī)進(jìn)行挖驗(yàn)，每間隔10～20 m挖驗(yàn)一處，檢查拌和是否到底。對(duì)于拌和不到底的段落應(yīng)重新拌和。

在干拌結(jié)束時(shí)檢測(cè)含水率，如果混合料的含水率不足，應(yīng)用噴管式灑水車補(bǔ)充灑水。水泥拌和均勻后，進(jìn)行灰劑量檢測(cè)〔EDTA（乙二胺四乙酸二鈉）滴定法〕，驗(yàn)證拌和均勻性及水泥用量。整平后，當(dāng)混合料的含水率在預(yù)期含水率范圍時(shí)，立即用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的96%時(shí)，直接進(jìn)行靜壓收面一遍。

3 改良土壓實(shí)質(zhì)量試驗(yàn)與結(jié)果分析

在試驗(yàn)段施工期間，前期施工質(zhì)量難以控制，含水率、拌和均勻度、壓實(shí)質(zhì)量、板結(jié)效果等都未達(dá)到預(yù)期效果，現(xiàn)采集試驗(yàn)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 含水率對(duì)改良土施工的影響

由于改良土質(zhì)為砂性土，且土體天然含水率較高，高溫天氣下砂性土在運(yùn)輸及攤鋪過程中表層土5～10 cm處含水率損失較大，攤鋪到分層下部的土體含水率仍然較高，土體在改良施工的時(shí)候其含水率分層較為明顯，完成拌和后含水率仍然存在較大的不均勻性。為了控制改良后填土的含水率，天然土體在運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)攤鋪完成后取不同深度的填土，確定其含水率是否存在較大差異，對(duì)于存在較大差異的填土進(jìn)行初次的素土拌和，保證改良之前土質(zhì)含水率基本均勻。

拌和水泥后的改良土體，測(cè)定其施工含水率，初次試驗(yàn)以最佳含水率8.3%控制，但以該含水率控制時(shí)，改良土施工出現(xiàn)無法板結(jié)、碾壓后填土仍為松散狀態(tài)、壓實(shí)度達(dá)不到96%的壓實(shí)要求等問題。不同含水率對(duì)壓實(shí)度的影響曲線如圖2所示。

圖2 不同含水率對(duì)壓實(shí)度的影響曲線

由圖2和現(xiàn)場(chǎng)觀察可知，當(dāng)含水率＜10.0%時(shí)，路基改良土的板結(jié)效果較差，改良土施工整體不能達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度96%的要求；當(dāng)10.0%≤含水率＜11.5%時(shí)，路基改良土的板結(jié)效果良好但不能滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度96%的要求；當(dāng)11.5%≤含水率≤12.5%時(shí)，路基改良土的板結(jié)效果極好且滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度96%的要求；當(dāng)含水率＞12.5%時(shí)，路基改良土的壓實(shí)度開始下降。

因此，改良土施工除考慮水泥水化吸水、自然揮發(fā)等含水損失需提高填料含水率2%～3%外，還應(yīng)在此基礎(chǔ)上提高填料含水率1%～2%，才能保證填料結(jié)合良好，改良土壓實(shí)效果更好，即在試驗(yàn)最佳含水率8.3%的基礎(chǔ)上，增加3%左右的含水率，施工拌和含水率建議控制在11.5%～12.5%。

3.2 改良土施工時(shí)長(zhǎng)對(duì)改良土施工的影響

因?yàn)楣杷猁}水泥的終凝時(shí)間不長(zhǎng)于6.5 h，因此改良土施工時(shí)長(zhǎng)不得大于6.5 h。為提高機(jī)械使用率、加快施工進(jìn)度，對(duì)不同施工時(shí)長(zhǎng)下的壓實(shí)效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

現(xiàn)場(chǎng)采取最佳試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行，即含水率11.5%～12.5%、26 t壓路機(jī)的機(jī)械組合，松鋪厚度28.5 cm，弱振1遍和強(qiáng)振7遍，水泥采用初凝時(shí)間大于3 h、終凝時(shí)間不晚于6.5 h的P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽緩凝水泥。僅控制撒布水泥至碾壓完成的時(shí)間，不同施工時(shí)長(zhǎng)對(duì)壓實(shí)度的影響曲線如圖3所示。

圖3 不同施工時(shí)長(zhǎng)對(duì)壓實(shí)度的影響曲線

由圖3可知，當(dāng)施工時(shí)長(zhǎng)≤4.5 h時(shí)，改良土施工壓實(shí)效果較好，滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)施工時(shí)長(zhǎng)≥4.5 h時(shí)，這時(shí)的碾壓會(huì)對(duì)已凝結(jié)的改良土結(jié)構(gòu)造成破壞，壓實(shí)度反而降低。撒布水泥至碾壓完成的時(shí)間應(yīng)控制在4.5 h內(nèi)，可以達(dá)到良好的壓實(shí)效果。

3.3 水泥拌和均勻度對(duì)改良土施工的影響

水泥拌和的均勻度對(duì)水泥改良土施工的影響也較為突出，均勻度較差的地段板結(jié)效果較差，無法整體板結(jié)，局部松散，壓實(shí)質(zhì)量無法得到保障。

改善拌和均勻度的措施為：在試驗(yàn)過程中，先控制填土松鋪厚度，準(zhǔn)確計(jì)算出每平方米水泥撒布量；采用水泥撒布機(jī)控制水泥撒布均勻性；撒布完成后進(jìn)行拌和，拌和機(jī)械選用拌和深度與松鋪厚度基本一致的路拌機(jī)，為保證均勻性，還應(yīng)進(jìn)行二次拌和[4-6]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過在省道S374線霞山百蓬—麻章田寮村段改建工程工程中采用水泥進(jìn)行路床土的改良實(shí)踐，總結(jié)出了以下經(jīng)驗(yàn)。

1）最佳工藝參數(shù)：采用推土機(jī)粗平、平地機(jī)精平、26 t壓路機(jī)碾壓、撒布機(jī)撒布水泥、旋耕機(jī)拌和、灑水車灑水的機(jī)械組合，填土松鋪厚度28.5 cm，靜壓1遍，弱振1遍，強(qiáng)振7遍，靜壓1遍收光。項(xiàng)目采用最佳工藝參數(shù)施工，路基土外觀表面平整，沒有出現(xiàn)明顯碾壓輪跡，22.5 cm深度土的壓實(shí)度滿足96%的要求。

2）采用最佳碾壓組合，滿足設(shè)計(jì)要求和便于施工控制，又能達(dá)到最低成本控制的要求，4%水泥改良土現(xiàn)場(chǎng)施工含水率建議控制在11.5%～12.5%。

3）因水泥凝結(jié)時(shí)間影響，水泥改良土必須一次成形，對(duì)成形后的水泥土進(jìn)行二次補(bǔ)壓，會(huì)造成水泥土結(jié)構(gòu)的破壞。為了實(shí)現(xiàn)在水泥終凝前完成施工，須采取快速攤鋪、快速整平、碾壓密實(shí)的施工方法。研究表明，為了達(dá)到良好的壓實(shí)效果，撒布水泥至碾壓完成的時(shí)間應(yīng)控制在4.5 h內(nèi)。

4）水泥改良土施工采用撒布機(jī)及路拌機(jī)保證改良土的拌和均勻性，很大程度上保證了改良土的施工質(zhì)量，同時(shí)工作效率得到明顯提升。