1,前言
深层搅拌法是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂,通过特制的深层搅拌机械装置,在地基深处就地将软土和固化剂强制拌和,利用固化剂和软土之间所发生的一系列物理一化学反应,使软土硬结成具整体性水稳定性和一定强度的优质地基或地下挡土构筑物的地基处理方法。
它具有施工简便、无振动、无噪音、对环境无污染及加固费用低廉特点,因此是一种最常见的地基处理方法。软土在我国东部沿海沿江地区广泛分布,随着近年来工程建设事业的发展,在软土地基上建设的工程项目越来越多,因此软土地基处理问题越来越受到技术人员的重视。用粉喷或湿喷法加固软土地基时,在设计或施工之前要进行室内水泥土配合比试验,本文即是通过对某高速公路工程地基软土进行室内试验研究的基础上对试验成果加以分析,提出对水泥土强度问题的一些观点。
2、水泥固化软土的机理
水泥加水后的物理化学变化过程可分为三个阶段溶解阶段、胶化阶段、结晶阶段,经过一系列的变化过程最终生成一些细分散状的胶体物质悬浮于水中。在这一系列反应过程中起主要作用的是水解生成的氢氧化钙电离生成的Ca2+。
溶解阶段主要发生水泥的水解水化反应,生成细分散状态的胶体析出胶化阶段水泥水解水化生成的凝胶粒子有的自身硬化,形成水泥石骨架,有的则与其周围的具有一定活性的粘粒反应,这种反应即所谓的离子交换团粒化作用和硬凝反应,同时,土中含量最高的SiO2遇水后,形成硅酸胶体微粒,其表面吸附有Na+或Ka+,有强烈的吸附活性,且由于团粒化作用而产生很大的表面能使较大的土团粒进一步结合起来,形成水泥土的团粒结构,并封闭土团之间的空隙,形成坚固的连结,宏观上使水泥土强度进一步提高结晶阶段水化反应深人进行,在碱性环境中发生化学反应生成不溶于水的稳定结晶化合物铝酸钙水化物、硅酸水合物及钙黄石水化物等,这些新生的化合物在水中和空气中逐渐硬化,增大了水泥土强度,而且由于其结构致密,水分子不易侵入,从而使水泥土具有足够的水稳性。
至于碳酸化反应,由于土中CO2的含量很少,且反应缓慢,其固化效果不予考虑。若加人石膏粉,则会生成硫酸铝酸钙、钙矾石等,有助于水泥土强度的增长。钙矾石一方面因固相体积膨胀填充水泥土部分空隙,降低了混合体的孔隙量,另一方面由于其针状或柱状晶体在孔隙中相互交叉,和水泥硅酸钙等一起形成空间结构,因而提高了加固土的强度。
3、工程实例
3.1土层工程地质性质某高速公路沿线广泛分布有海相软土,本次试验选取部分标段软土进行室内水泥土配合比试验。现将试验所选土样的物理力学指标统计如表所示。
3.2室内水泥配合比试验
进行水泥土室内无侧限抗压强度试验应把现场取来的土样与水泥分别称重,参照《公路土工试验规程》JTJ051-93的规定,制成7.07cm×7.07cm×7.07cm的水泥土试块,放人标准养护室(温度保持在20±2℃之间,湿度保持在90%以上),分别养护7d、28d、90d。每种试块3组,每组3块。样品达到相应龄期后,即可在液压试验机上进行无侧限抗压强度试验,并把所得试验结果换算成压强值统计如表2（注：表1、2中土样序号顺序相对应）所示。
3.3水泥土无侧限强度与龄期的关系。
如果以7d前为初期,7~28d为中期,28~90d为后期,90d以后为远期,则可得出强度随龄期增长曲线大致可分为以下三种类型初期缓慢中期较快型（A型）；前期较快中期缓慢型（B型）；缓慢增长型（C型）。造成这种现象的原因是由于反应速度不均匀所致,具体分析如下：
粘土、亚粘土的强度随龄期的增长曲线为A型,其增长曲线如图1所示。这是由于其枯粒含量较多,粘粒周围形成牢固的双电层,加之土的渗透系数小,不利于离子的迁移,而起初水泥在水中水解引起土中阳离子浓度增高,阳离子首先与粘较周围双电层发生作用,破坏双电层其后才发生一系列物理化学反应,因而初期强度增长缓慢,碑霭反应反应的进行双电层完全被破坏后,水泥与土粒之间既可进行充分因而中期反应速度加快。
淤泥质粘土的强度随龄期的增长曲线为B型,其增长曲线如图2所示。这是由于孔隙比大,水化离子有充足的作用空间与土颗粒反应,反应速度较快,因而前期强度增长较快,随着反应的进行,水化离子周围创圈强度与期的关系型未反应的土颠粒越来越少,从而反应速度减慢。砂土、亚砂土的强度随龄期的增长曲线为C型,其增长曲线如图3所示。这是由于砂性土渗透系数较大,与水泥作用的机理类似建筑上的水泥砂浆,反应速度较均匀,因此其强度增长是持续缓慢进行的,并且强度增长速率逐渐减缓。
当然水泥土强度不可能无限增长,大量研究表明,水泥土龄期三个月以上远期强度增长越来越缓慢,最终趋于稳定值。
（2）水泥土无侧限抗压强度与土的界限含水量的关系。
从总的趋势来看对于相同的水泥掺入量,其强度随液限或塑限的增加呈先减小后增大趋势（如图4、5所示）,在塑限约等于23或液限约等于45时强度达到最小值。图4、5中7天龄期曲线出现与28、90天龄期曲线相反的趋势,分别在塑限约为21或液限约为时达到强度最大值,这是由于软土与水泥之间的物理化学反应尚未充分进行,因此7天龄期曲线不能代表水泥土强度的增长趋势。
界限含水量反映反映土由一种状态转到另一种状态的临界含水量。液限是土的固态与塑性状态的界限含水量塑限是土的塑性状态与流动状态的界限含水量。这两个指标值越大说明土的结合水的可能含量越大,粘粒周围的双电层结构中的反离子层厚度也越大。由于含水量越大水泥土强度越低,则水泥土的强度随这两个指标值的增大呈下降趋势水泥与粘粒发生作用首先需要破坏粘粒周围的双电层结构,反离子层厚度越大,需要越多的阳离子,水泥与粘粒发生作用过程中起主要作用的是Ca2+,用于破坏反离子层的Ca2+增加,则用于加固软土的Ca2+减少,因而不利于水泥土强度的增长,而土中粘粒的多寡造成这种不利因家影响程度的强弱,这两方面因素综合作用的结果,就使得水泥土无侧限抗压强度与液限、塑限的关系如图4、5所示的结果。
（3）水泥土无侧限抗压强度与土塑性指数的关系。
从总的趋势来看,对于相同的水泥掺人量,其强度随软土的塑性指数的增大呈先增大后减小的趋势（如图6所示）,在塑性指数约等于20时达到最大值。
塑性指数是指液限与塑限的差值,在一定程度上,塑性指数综合反映了粘性土及其组成的基本特征。该指标值越大说明土处于塑性状态的含水量范围越大,即就是说塑性指数与土中结合水的可能含量有关,而结合水越多粘粒周围的双电层结构中的反离子层厚度也越大,因而水泥与粘粒发生作用过程中破坏粘粒周围的双电层结构所需的阳离子越多,水泥与粘粒发生作用过程中起主要作用的是Ca2+,用于破坏反离子层的Ca2+增加,则用于加固软土的Ca2+减少,因而不利于水泥土强度的增长,因而塑性指数大到一定程度反而不利于水泥土强度增长。
（4）水泥土无侧限抗压强度与孔隙比的关系。
从总的趋势来看,对于相同的水泥掺人量,其强度随土的孔隙比的增大而呈下降趋势（如图7所示）,这种现象可以从土的三相体系构成得到解释。众所周知,土是由固相、液相、气相构成的三相体系,孔隙比越大则液相气相所占比例越高。水泥加固软土一方面是通过一系列物理化学反应形成相对坚固的骨架,另一方面起着填充软土中孔隙的作用,孔隙比越大的软土,达到一定强度所需要的填充物也越多因而对于相同的掺灰量,孔隙比越大其强度越低。
4、结论
通过以上的试验与分析,本文得出以下几点结论：
（1） 水泥土的强度随龄期逐渐增大,增长速度逐渐趋缓,最终趋于定值,通过室内水泥土配合比试验可以给出三种不同类型的强度增长曲线,即粘土、亚粘土的强度随龄期的增长曲线初期缓慢中期较快型淤泥质粘土的强度随龄期的增长曲线为初期较快中期缓慢型砂土、亚砂土的强度随龄期的增长曲线为缓慢增长型。
（2） 水泥土强度与土的颗粒成分、液限、塑限、液性指数以及孔隙比都有关。一般来说砂性土固化后强度大于枯性土水泥土无侧限抗压强度随土的液限或塑限的增加呈先减小后增大的趋势,在塑约等于23,液限约等于45时强度达到最小值水泥土无侧限抗压强度随塑性指数的增加呈先增大后减小的趋势,在塑性指数约等于20是达到最大值水泥土无侧限抗压强度随孔隙比的增大而呈下降趋势。建议对于液限、塑限、液性指数以及孔隙比较大的土,宜选用较高的掺灰比进行配合比试验,以选取符合设计及施工要求的最优加固方案。
（3） 影响水泥土强度的因素很多,一般情况下,掺灰比越大水泥土强度越高,但是对于不同的土应结合其各种因素包括地下水化学成分以及土的和易性,综合分析并进行必要的试验,以确定满足要求的最佳接灰量。
综上所述,选择合理的水泥掺量极为重要,最好经过室内试验,提供较佳配比强度参数,既满足设计要求,又经济合理。高速公路建设是一项投资巨大的项目,在高速公路软土地基处理的设计和施工中做好水泥土室内配合比试验尤为重要。
