阮永芬，楊 冰，吳 龍，劉克文，朱 強

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,昆明 650500;2.中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，武漢 430074； 3.云南建投第一勘察設(shè)計有限公司，昆明 650031；4.中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100)

0 引 言

滇池湖相沉積的泥炭質(zhì)土有機質(zhì)含量高，屬于特殊的區(qū)域性軟土，極差的工程特性[1-2]對泥炭質(zhì)土場地上的工程設(shè)計及施工產(chǎn)生了非常大的影響，出現(xiàn)很多工程事故，需對其進(jìn)行處理才能滿足工程需要。對湖相泥炭質(zhì)土改良劑方面的研究成為了熱點[3-4]。

改良劑的種類很多，工程上常用水泥作為改良劑[5-7]。蔣卓吟等[8]研究水泥、固化劑的用量及齡期對固化泥炭土強度增長的影響規(guī)律。李琳等[9]確定了最佳固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)配合比方案:水泥6%、石灰6%、石膏粉0.5%。桂躍等[10]提出利用微生物技術(shù)制備原生菌高濃度菌液，用來加快土中有機質(zhì)分解速率，實現(xiàn)在較短時間內(nèi)顯著降低有機質(zhì)含量、改善土工程性質(zhì)的目的。但存在外加劑種類少、基本都是基于室內(nèi)試驗、只選擇一個工點的泥炭質(zhì)土進(jìn)行試驗研究的問題。同時微生物改良雖選擇多個場地泥炭質(zhì)土進(jìn)行室內(nèi)試驗，通過分解泥炭質(zhì)土有機質(zhì)中腐殖酸來變相提高強度，但改良后的強度并沒有明顯增長，時間成本及改良成本都較高。

針對以上問題，本文選擇3個場地的泥炭質(zhì)土，通過添加水泥、氫氧化鈉、三乙醇胺、硫酸鈉、氯化鈉、粉煤灰、石灰、聚羧酸高效減水劑、西卡等11種外加劑，進(jìn)行23種配合比方案，選擇兩種水灰比進(jìn)行試驗，對在不同齡期下室內(nèi)拌制土樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，選擇出最佳改良效果的配合比方案，按選出的水灰比配制漿液，通過三軸深攪法將漿液拌入泥炭質(zhì)土場地，在不同齡期下取樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，同時也在現(xiàn)場進(jìn)行圓錐輕型動力觸探試驗，研究最佳外加劑配合比下的實際工程應(yīng)用效果。

1 泥炭質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

室內(nèi)試驗土樣取自地鐵5號線的金海新區(qū)及興體路站基坑，現(xiàn)場試驗土樣取自錦慧中心。幾個取土場地及統(tǒng)計分析站點位置如圖1所示。

圖1 取土位置圖Fig.1 Location map of earth collection

從各基坑位置取土后用塑料保鮮袋包裹，密封儲存于實驗室待用。原狀泥炭質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。由表1可知：泥炭質(zhì)土的含水量(w)高，平均值在100%～280%；密度(ρ)較大；孔隙比(e)較大，平均值在3～7；有機質(zhì)含量(wu)高，平均值在17%～58%；液限(Il)和塑限(Ip)大；抗剪強度指標(biāo)，粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)低；無側(cè)限抗壓強度(qu)較低[11]。

表1 泥炭質(zhì)土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of peat soil

2 實 驗

2.1 室內(nèi)改良試驗

在金海新區(qū)及興體路站點基坑處取泥炭質(zhì)土進(jìn)行室內(nèi)改良試驗。選取顆粒粗大且廉價的工業(yè)廢料如粉煤灰來改善泥炭質(zhì)土含水量高的缺陷，同時采用可促進(jìn)水泥水化速度的早強劑如硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺、氫氧化鈉，以及可生成凝膠材料提高土體強度的石灰[12]，6種添加劑配合普通硅酸鹽水泥來完成對土樣的改良試驗，大量研究表明水泥摻入量為25%(文中各用量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))適宜[8,13]。

由于泥炭質(zhì)土的特殊性，室內(nèi)無法配制重塑土樣?，F(xiàn)場施工時，水泥漿和濕土進(jìn)行攪拌，為了模擬現(xiàn)場施工情況，試樣制作時，每組取原狀濕泥炭質(zhì)土質(zhì)量5 kg，摻入不同配合比化學(xué)添加劑，控制其水灰比，人工一次均勻攪拌成型，稱取每個試件所需改良土，分層裝入試模內(nèi)予以壓實。同組試件質(zhì)量的極差不超過質(zhì)量平均值的3%。將混合料密封悶料24 h放入濕度為95%、溫度為20 ℃的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。然后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，平行試驗3個，以0.03～0.08 kN/s的速率連續(xù)均勻加荷，直至試件破壞，記錄破壞荷載，平行試驗的極差不超過20%。不同摻量配合比方案如表2所示。

表2 9種外加劑配合比試驗方案及無側(cè)限抗壓強度Table 2 Test plans of 9 kinds of admixtures and unconfined compressive strength

續(xù)表

為了測試更多的外加劑改良土方案，又在興體路站的5～12 m深處取泥炭質(zhì)土進(jìn)行不同配合比試驗，方案(1)～(5)在水泥中摻入減水劑：聚羧酸和西卡YP-1、SP-1、SP-2，方案(6)～(11)采用早強劑硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺，方案(12)～(14)添加輔助膠凝材料消石灰(氫氧化鈣)及粉煤灰，共采用9種外加劑14種配合比進(jìn)行室內(nèi)改良試驗，水灰比均為1 ∶1，對比分析不同類型添加劑加固效果。外加劑配合比試驗方案及7 d、28 d養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如表3所示。

表3 14種外加劑配合比試驗方案及無側(cè)限抗壓強度Table 3 Test plans of 14 kinds of admixtures and unconfined compressive strength

2.2 現(xiàn)場改良試驗

為進(jìn)一步驗證室內(nèi)試驗研究出的改良泥炭質(zhì)土的最佳改良劑配合比方案在實際工程中的應(yīng)用效果，選擇建筑場地錦慧中心的泥炭質(zhì)土進(jìn)行改良試驗，并對改良后土體進(jìn)行現(xiàn)場及室內(nèi)試驗。從前面試驗結(jié)果分析得出，摻入25%水泥、6%生石灰及早強劑改良效果最好，所以采用42.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比控制在1.0～1.2，水泥摻入量為25%，早強劑+減水劑為水泥用量的3%，生石灰用量為水泥用量的5%～8%。

采用三軸深攪機對現(xiàn)場攪拌深度范圍內(nèi)的素填土、有機質(zhì)黏土、泥炭質(zhì)土及粉土4層土加入配制漿液進(jìn)行攪拌，并嚴(yán)格控制攪拌機下沉及提升速度在0.5～1.0 m/min以內(nèi)，注漿泵壓力控制0.8～1.0 MPa進(jìn)行不間斷供漿，漿液流量為90 L/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 室內(nèi)改良試驗結(jié)果及分析

對按要求配制好的土樣，根據(jù)養(yǎng)護(hù)齡期要求取樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，研究不同外加劑配合比、水灰比和養(yǎng)護(hù)齡期下改良泥炭質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度qu的變化規(guī)律，從而得到最佳外加劑配合比方案。不同外加劑摻量配合比方案及無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如表2所示，表2中的齡期增幅是用齡期60 d的qu值減去7 d齡期的所得。根據(jù)表2試驗結(jié)果，得到不同外加劑配合比、水灰比和齡期下改良泥炭質(zhì)土qu的變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 無側(cè)限抗壓強度與齡期的關(guān)系Fig.2 Relationship between unconfined compressive strength and age

圖3 無側(cè)限抗壓強度與水灰比的關(guān)系Fig.3 Relationship between unconfined compressive strength and water-cement ratio

從圖2及表2中都可看出，改良土的qu都隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增大，隨著齡期的增加，達(dá)到28 d時無側(cè)限抗壓強度趨于平緩。這是因為水泥不斷進(jìn)行水解水化反應(yīng)，水泥加固主要是由水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與土中活性物質(zhì)火山灰發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生膠結(jié)作用使土體強度提高，固化過程包括水泥水化和水解以及水泥水化產(chǎn)物與土顆粒相互作用兩個方面[13-15]。

(1)水泥水化和水解

硅酸鹽水泥主要包括提高早期強度的硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、增強后期強度的硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、促進(jìn)早凝的鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)、促進(jìn)早期強度但強度低、含量較少的鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和硫酸鈣(CaSO4)等[16]。水泥在加固土體時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)如下：

2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

(1)

反應(yīng)(1)生成強度高的凝膠形態(tài)水化硅酸鈣和晶體狀氫氧化鈣。

2(3CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(2)

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

(3)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+ 2Ca(OH)2→3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O

(4)

土顆粒周圍吸附著水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，形成緊密的網(wǎng)狀，使水泥土強度提高。

(2)土顆粒與水化產(chǎn)物作用

水泥生成水化產(chǎn)物后，一方面繼續(xù)與土體反應(yīng)生成使強度提高的物質(zhì)，另一方面凝結(jié)硬化，構(gòu)成水泥土骨架。主要的作用力包括火山灰反應(yīng)，硅酸鈣類及鋁酸鈣類水化產(chǎn)物晶體與土顆粒結(jié)合形成牢固的空間聯(lián)結(jié)，土體強度得以提高[17]。水泥中的Ca2+、Al3+與腐殖酸發(fā)生反應(yīng)生成鈣、鋁鍵等復(fù)合體，影響了水泥固化效果，但強度整體處于上升趨勢，說明隨著養(yǎng)護(hù)齡期不斷增加，有機質(zhì)的影響會逐漸減弱[18]。

無側(cè)限抗壓強度均在60 d時最大，但增幅不一致，從7 d到60 d，方案7的強度增幅最大，達(dá)到612.52 kPa；在相同配合比條件下水灰比對改良土的qu值影響也大，如圖3所示，改良劑配合比相同時，水灰比為1 ∶1的方案3、5的改良土的qu明顯高于水灰比為0.6 ∶1的方案4、6。從表2也可看出，方案3的qu明顯高于方案4，最大差100.58 kPa發(fā)生在齡期為14 d時，方案5的qu明顯高于方案6，最大差176.56 kPa發(fā)生在齡期為60 d時，而在方案8、9中，又是水灰比為0.6 ∶1的qu高，平均提高284.75 kPa。水灰比代表了一種分散相體積的大小，水灰比高代表水泥中空間大，較為分散，隨著水泥水化的進(jìn)行，水化產(chǎn)物逐漸搭接形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[19]。因此，隨著齡期增加，qu隨水灰比增加而減小，水灰比相同時，水泥摻量的影響也非常明顯。

通過以上比較分析可知，影響改良土的因素有很多。比較9種外加劑配合比方案改良后土樣的qu值，方案5即25%水泥+6%生石灰+1%粉煤灰的改良劑配合比最好。邵玉芳等[20]的研究結(jié)果表明，通過添加工業(yè)廢料粉煤灰可較好地消除胡敏酸及富里酸對水泥土的影響。尤其在土樣含水量大的情況下，粉煤灰可有效地改善這一情況[21]。其次是摻入25%水泥的方案2，且都隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，qu提高最明顯，方案5的qu的齡期增幅達(dá)到432.90 kPa，盡管方案2的qu齡期增幅較小，但在泥炭質(zhì)土中加入25%的水泥后，在齡期小于28 d以前qu值在所有方案中最高，只是齡期為60 d時，方案5的qu最高，其次是方案7，第3才到只加水泥的方案2。

在地鐵的站點，對于盾構(gòu)始發(fā)、接受洞口段以及盾構(gòu)施工過程中，都對加固(改良)土提出其無側(cè)限抗壓強度qu需大于等于1 MPa的要求，所以方案2、5及7都滿足要求，但方案5最好。另外在對加固土強度要求不是很高的情況下，單一摻入水泥對泥炭質(zhì)土的改良效果也可以，加入水泥qu提高很快，但水泥摻入量不得小于25%，如方案1中，盡管水泥摻量已經(jīng)達(dá)到20%，但隨養(yǎng)護(hù)齡期增長，qu提高并不大，在9種方案中，qu均最低，但水泥摻量超過25%后，強度提高，但提高幅度有所緩和，說明25%時水泥水化反應(yīng)達(dá)到峰值。如果把水泥與其他外加劑混合對泥炭質(zhì)土進(jìn)行改良，qu會隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而提高更多，如方案5。

從表3中可知，28 d養(yǎng)護(hù)齡期的強度高于7 d，28 d后的qu除方案(8)外，都不小于150 kPa，改良后土體qu都比原狀土提高很多，前5種添加減水劑的改良方案經(jīng)過28 d的養(yǎng)護(hù)后qu均提高了10～20 kPa，但方案(2)中qu增長為0 kPa，與方案(1)相比方案(2)的聚羧酸含量卻提高了0.5%，這是由于聚羧酸減水劑含量增加后，水泥顆粒表面吸附的聚羧酸減水劑分子抑制其早期水化反應(yīng)，同時大量未吸附的分子又與Ca2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，使水泥顆粒更難發(fā)生水化。

方案(6)～(11)在水泥中添加早強劑對土進(jìn)行改良，當(dāng)水泥含量保持在20%或26%時，不斷增加早強劑的含量，qu降低，添加早強劑后縮短了水泥水化誘導(dǎo)期，加快了水泥的反應(yīng)，當(dāng)硫酸鈉、氯化鈉、三乙醇胺摻量分別為2%、0.5%、0.05%時出現(xiàn)峰值，在過量摻入早強劑時qu不再提高。而隨著齡期增長，方案(11)的qu增加最大，達(dá)到了30 kPa，強電解質(zhì)提高水泥中的離子強度，促進(jìn)水泥的反應(yīng)，同時硫酸鈉與水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成石膏和氫氧化鈉，溶液pH值升高，促進(jìn)粉煤灰溶解，當(dāng)硫酸鈉摻量達(dá)2%以上時，可有效減緩粉煤灰對水泥水化早期的抑制作用[22]。

表2與表3相比，表2中改良劑的配合比方案中，水泥摻量基本都高于表3，而其他外加劑的摻量都低于表3，qu值都高于表3。在表3中，方案(14)的qu最大，其和表2中方案5、6、7使用的外加劑材料基本相同，qu值在兩個表中均最大，說明生石灰或消石灰(氫氧化鈣)、水泥和粉煤灰的外加劑組合對泥炭質(zhì)土改良效果最好[23]。添加石灰后發(fā)生消化放熱反應(yīng)使土膨脹擠密，同時與空氣或土中的CO2反應(yīng)生成CaCO2和MgCO3，具有微結(jié)晶性能的產(chǎn)物使土粒聯(lián)結(jié)，也可產(chǎn)出與水泥類似的膠凝物質(zhì)，提高水泥土的強度，加入一定量的石灰可改變土的黏結(jié)性，增強土粒間的結(jié)合，形成土骨架，但加入的石灰過量后會破壞土顆粒原始膠結(jié)能力，強度下降[24]。表2中方案5、6、7中粉煤灰摻量為1%，但在表3的方案(14)中增加到16%，qu沒有增大，粉煤灰在與泥炭質(zhì)土反應(yīng)時會生成較多金屬氧化物，不同于水泥，無法生成能使土體穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)物質(zhì)，所以粉煤灰的摻入對改良土的強度影響不明顯[25]。

結(jié)合兩地試驗研究可以看出，添加水泥對泥炭質(zhì)土的改良起著至關(guān)重要的作用，配合其他外加劑改良土體，能有效提高其強度。

3.2 現(xiàn)場改良試驗結(jié)果及分析

對經(jīng)過攪拌改良后的4層土，采用輕型圓錐動力觸探試驗分別檢測成樁后3 d、7 d、14 d、28 d的錘擊數(shù)。由于14 d及28 d齡期的攪拌樁因樁身強度太高，動力觸探試驗無法貫入，故取消試驗。試驗結(jié)果如表4所示，表中為動力觸探的平均擊數(shù)。

從表4可看出，經(jīng)過改良后每一層土體的動力觸探擊數(shù)都提高很多，與其他土層相比，泥炭質(zhì)土改良后動力觸探擊數(shù)提高最大，即改良后的土體強度增長很快，改良效果較好。養(yǎng)護(hù)3 d的擊數(shù)提高232%，是原來土層的3.32倍，7 d時提高598%，是原來土層的6.98倍。養(yǎng)護(hù)7 d時，按擊數(shù)提高的幅值由大到小排序，分別為泥炭質(zhì)土、有機質(zhì)土、粉土及素填土。從選用添加劑的機理分析，水泥主要與土中的有機質(zhì)反應(yīng)，所以對粉土及素填土改良效果不大，而泥炭質(zhì)土具有含水率高、密度大等特點，早強劑、生石灰又可以很好地改良這一性狀，所以泥炭質(zhì)土比有機質(zhì)土強度提高大。

表4 輕型圓錐動力觸探試驗結(jié)果Table 4 Results of light cone dynamic penetration tests

對成樁后7 d、14 d、28 d的深層攪拌樁采用薄壁取土器鉆芯法取樣。鉆芯取樣法，如泥炭質(zhì)土是在其深度范圍的攪拌樁體上、中、下部位，每一處鉆孔取樣6件，進(jìn)行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗后取平均值。室內(nèi)qu試驗的結(jié)果如表5所示，表5中分別給出14 d及28 d齡期的qu與7 d齡期相比提高的幅值。

表5 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果Table 5 Results of unconfined compressive strength tests

從表5中可看出，攪拌樁加入外加劑進(jìn)行攪拌改良后，無論哪一種土層中僅14 d養(yǎng)護(hù)齡期的qu都已大于1 MPa，強度提高非?？?，提高幅值都超過了200%。與表2及表3中改良后土體的無側(cè)限抗壓強度測試值相比，qu都提高很多，改良效果比室內(nèi)試驗的效果好。因為現(xiàn)場攪拌與室內(nèi)攪拌試驗相比，現(xiàn)場取出改良后的泥炭質(zhì)土已經(jīng)不完全是泥炭質(zhì)土中加入外加劑，采用三軸攪拌設(shè)備對加入場地中的漿液進(jìn)行兩噴三攪時，已經(jīng)帶入上下的填土、有機質(zhì)土及粉土進(jìn)入泥炭質(zhì)土中進(jìn)行拌和、置換，所以強度提高很快，遠(yuǎn)高于室內(nèi)改良后的土體強度值。

4 結(jié) 論

(1)土體強度隨齡期的延長而增大，齡期大于28 d時，強度增長效果最佳。

(2)外加劑中，水泥含量決定了湖相泥炭質(zhì)土的改良效果,將42.5普通硅酸鹽水泥摻入量維持在25%時效果最好。

(3)通過比較23種配合比方案改良土體的無側(cè)限抗壓強度，在摻入比為25%水泥+6%生石灰+1%粉煤灰，水灰比為1 ∶1時，強度最大時達(dá)到1 171.38 kPa。

(4)通過室內(nèi)試驗得到最佳配合比方案，即42.5普通硅酸鹽水泥摻量為25%，生石灰摻量為5%～8%，早強劑+減水劑為水泥用量的3%，水灰比為1 ∶1。

(5)試驗場地對泥炭質(zhì)土的改良效果存在差異，現(xiàn)場對泥炭質(zhì)土進(jìn)行攪拌時，會把相鄰?fù)馏w帶入攪拌、置換，改良后土體強度提高非常大，使得現(xiàn)場改良處理效果比室內(nèi)改良試驗效果好。