深厚軟土區域水泥土強度影響因素與變形特征試驗研究

趙丁鴻 齊嘉煒 宋永威

（1.中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098；2.北京城建集團有限責任公司，北京 100088）

0 引言

由于城市發展規劃的需要，大部分新型建筑設有地下停車場、地下商場等相互連通且具有整體性的地下空間區域，大型基坑的修筑不斷增加。在長江流域的軟土地區，多數城市建筑是設置一至兩層地下室，即挖深4～6 m 的基坑工程[1]。

軟土力學性質差，進行基坑支護作業時的難度相對較大、支護成本高。重力式水泥土墻支護結構依靠墻體自重及被動加固區穩定墻體，施工工藝簡便、工程造價低廉，應用廣泛[2]。

水泥土重力式擋墻可以充分利用水泥土的強度和防滲水性能，既是擋土墻又是防滲帷幕，具有良好的經濟效益和社會效益[3]。水泥土墻在水土壓力作用下發生的變形主要有墻體水平位移、墻頂前傾、墻底前滑以及幾種變形的疊加等，當水泥土擋墻發生剪切破壞時，墻體水平位移還包括一部分撓曲變形[4-5]。

這種支護結構也存在一定問題，一是由于水泥固化土體，對其強度提高有限，一般采用格柵式施工，導致施工所需要的空間范圍較大；二是很多基坑工程多位于市區，存在施工場地狹小、距離周邊建筑和道路近的特點，基坑位移對周邊建筑和道路影響極大，嚴重者會造成既有建筑結構損壞[6]。還有學者研究了影響混凝土攪拌樁強度的敏感因素[7-8]。

目前深厚軟土地區不同深度支護形式的結構及地層協調變形分析研究鮮有報道，本文在以往研究基礎上，以武漢湖相沉積軟土地區某基坑為背景，研究了影響基坑水泥土墻強度的敏感因素，并通過室內試驗進行了多因素耦合下的物理力學參數分析，結合現場監測數據，提出重力式水泥土墻變形控制的有效方法，對進一步研究深厚軟土地區此類支護結構的適用性和優化設計具有重要意義。

1 理論分析

水泥土強度作用機理為水泥水化反應和離子交換等作用，即水泥水化反應生成的產物電離分解出來的鈣離子與土顆粒表面的離子發生交換。相較于其他因素，水泥摻量對水泥土的作用等同于固化劑的作用。普遍研究認為，隨著水泥摻量的增加，固化后的產物強度將有所增加。隨著水泥固化時間的增加，水泥土內進行水化反應的時間會更加充足，導致其結構更加密實，進而提高了強度。

隨著水灰質量比的增加，其中增加的自由水會影響土顆粒之間的連結，進而降低強度。當水灰質量比過小時，水泥將不能與水充分發生水化反應，將無法產生大量的水化產物，土體性能得不到有效的改善。其他參數不變的情況下，當水泥強度增加一個等級時，固化產物的強度也會相應有所增長。

2 水泥土強度試驗方法思路

施工工藝、被加固土的基本特性、水泥漿配合比等因素均會對重力式水泥土墻的強度造成不同程度的影響，從而影響成樁質量。為了進一步了解軟土地區水泥土抗壓強度的特性，進行了如圖1 所示的室內試驗研究。

圖1 試驗方法思路

現場取樣并測量初始含水率，計算出不同配比數據（見表1）。采用不同標號水泥（P·O 32.5 和P·O 42.5）、不同水灰質量比（1.0、1.4 和2.0）以及不同水泥摻量（5%、10%、15%、20%）在試驗28 d 和90 d時的無側限抗壓強度。

表1 現場取土樣的物理性質指標

通過模擬現場實際施工過程，采用改裝電錘攪拌試樣。待均勻攪拌后，采用刮刀將試樣分層填入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 試模，保證試樣密實填滿試模，最后用板刷抹平表面。制備好的試樣（見圖2），靜置24 h 后脫模，在標養箱內對其養護合格后進行強度檢測。

圖2 制作水泥土試塊

3 水泥土強度影響因素分析

詳細記錄各組試塊的強度檢測結果，并通過對比分析，得出不同因素對其強度的影響程度。

無側限抗壓強度試驗實物見圖3、結果數據見表2。

表2 強度試驗數據

圖3 無側限抗壓強度檢測

通過對比不同水灰質量比的水泥土強度，并進行曲線優化后可得到曲線圖見圖4。

圖4 不同水灰質量比下強度曲線

對圖4 進行分析對比，其他因素不變的情況下，水泥摻量在5%～15%的變化范圍內，強度曲線可簡化為線性曲線；在15%～20%的區間內，曲線幅度有所減緩。其他因素不變的情況下，隨著水泥強度等級的提高，相應水泥土的強度有所增長。

通過調整橫坐標顯示數據，對比不同水泥摻量的水泥土強度，并進行曲線優化后可得曲線圖見圖5。

圖5 不同水泥摻量下強度曲線

對圖5 進行分析對比，其他因素不變的情況下，水灰質量比在1.0～2.0 的變化范圍內，強度曲線表現為逐步減小的趨勢?？紤]現場實際操作，應適當控制水灰質量比的數值，因為當其過小時漿液無法從壓漿管中流出，導致攪拌不均勻，影響其強度的發揮。

通過綜合水灰質量比、水泥摻量、水泥標號和養護齡期的多種因素，繪制3D 曲面統計圖（見圖6）進而分析不同因素對水泥土強度的影響。

圖6 不同參數-強度3D 曲面統計圖

通過分析對比3D 曲面統計圖，可以知道當選用合適的水泥等級、水灰質量比和水泥摻量，固化后的水泥土強度將會得到充分的發揮。在其他因素不變的情況下，28～90 d 的養護期間，強度增長幅度可達35%以上；水泥提高一個強度等級，相應固化后的產物強度增加約30%～50%。

4 水泥土墻變形分析

選擇合理的土方開挖方式對基坑的變形有較為重要的影響。采用信息化施工和動態控制的方法，按照分層分段、對稱均衡的原則進行開挖，并結合現場實際情況對開挖步驟和方法進行適當調整[9-10]。

武漢某基坑一次性開挖到底見圖7，在基坑開挖過程中遇到了以下問題：未分層開挖；開挖時不注意保護墻體，開挖坡腳時損壞水泥土墻，嚴重者甚至造成墻身斷裂，局部結構破壞易造成墻身部分土體脫落、防水效果差等不良影響；一次性開挖長度超過100 m。

圖7 一次性開挖到底區域

通過對基坑進行變形監測，發現重力式水泥土墻支護結構頂部變形（水平位移、垂直位移）隨基坑開挖逐漸增大，卸載過大過快對結構變形將造成巨大且不可逆行的變形影響；累計變形在同一長邊大致呈現出中間大兩頭小的現象，體現了基坑的尺寸效應對基坑變形的影響；累計變形走勢均大致相同呈“弓字型”分布，由頂部至底部逐漸減小，其中頂部變形最大（見圖8）。

圖8 支護結構頂部不同監測點水平位移累計值

對水泥土重力式墻進行分析，發現水泥土攪拌樁體強度、完整性、均勻性是深厚軟土重力墻變形控制的重點。當基坑水平位移持續增長時，可采用較為剛性的防護措施[11]。通過現場實際驗證發現，采用斜拋撐方案進行補充支護（見圖9），對基坑支護變形的控制取得了良好的效果。

圖9 斜拋撐示意圖

5 結論

通過對影響水泥土強度的不同因素進行對比試驗，以及對水泥土墻變形分析現場驗證，得出以下結論：

（1）其他因素不變的情況下，水泥摻量在5%～15%的變化范圍內，強度曲線可簡化為線性曲線；在15%～20%的區間內，曲線幅度有所減緩。其他因素不變的情況下，隨著水泥強度等級的提高，相應水泥土的強度有所增長。

（2）水灰質量比在1.0～2.0 的變化范圍內，強度曲線表現為逐步減小的趨勢?？紤]現場實際操作，應適當控制水灰質量比的數值，因為當其過小時漿液無法從壓漿管中流出，導致攪拌不均勻，影響其強度的發揮。

（3）在其他因素不變的情況下，28～90 d 的養護期間，強度增長幅度可達35%以上；水泥提高一個強度等級，相應固化后的產物強度增加約30%～50%。

（4）一步到底的開挖方式對重力式水泥土墻支護結構變形影響較大，極大可能造成重力式水泥土墻發生傾覆破壞，進而威脅基坑安全。采用斜拋撐方案對基坑進行補充支護，可以取得較好的效果。