吹填土场地加固中水泥土施工技术试验研究.pdf

吹填土场地加固中水泥土施工技术试验研究郁亮，吴文虎，孙常海（中交浚浦建筑科技（上海）有限公司，上海201601）摘要：为提高在吹填土场地中，水泥土施工技术的应用效能，以上海地区吹填土场地加固工程为依托，设计了含水率控制方法，通过试验研究了延迟击实时间和碾压方式对水泥土应用效果的影响。试验结果中，延迟击实时间超过4 h，水泥土7 d无侧限抗压强度降低44.3%47.1%，故工程中延迟击实时间不应超过4 h。对比了2种碾压方式下的场地收面效果和压实度，确定了最佳碾压施工工艺。文中研究的成果不仅可为本工程建设提供支撑，也可为同类工程施工及质量控制提供借鉴。关键词：水泥土；最佳含水率；延迟击实；碾压施工技术中图分类号：U655.4；TU472文献标志码：B文章编号：2095-7874（2024）03-0075-05doi：10.7640/zggwjs202403014Experimental study on cement-solidified soil construction technologyin reinforcement of dredger fill siteYU Liang,WU Wen-hu,SUN Chang-hai（CCCC JunPu Architecture Technology(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 201601,China）Abstract：In order to improve the application efficiency of cement-solidified soil construction technology in dredger fill site,awater content control method was designed based on the reinforcement project of dredger fill site in Shanghai.The effects ofdelayed compaction time and rolling method on the application effect of cement-solidified soil were studied throughexperiments.In the test results,the 7 d unconfined compressive strength of cement-solidified soil will decreases by 44.3%-47.1%when the delayed compaction time exceeds 4 hours.So the delayed compaction time in engineering should not exceed 4hours.By comparing the surface finishing effect and compaction degree of the site under two rolling methods,the optimal rollingconstruction process was determined.The research results can provide support for the construction of this project,and providereference for the construction and quality control of similar projects.Key words：cement-solidified soil;optimal water content;delayed compaction;rolling construction technology中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第3期2024年3月Vol.44No.3Mar.2024收稿日期：2023-09-11修回日期：2023-12-01作者简介：郁亮（1975），男，江苏南通人，高级工程师，副总经理，港航工程专业。E-mail：0引言振华重工长兴智能港口装备产业项目位于上海市长兴岛，其工程建设场地主要为吹填土构成，土质松软。在自动化总装场地单项工程中，设计采用水泥土施工技术对吹填土场地进行加固。目前对于水泥土的研究有很多，其基本的力学性能1-6和实际工程应用价值7-10已经得到了充分地证明。而实际工程中，水泥土应用效果受多方因素影响，如碾压施工前场地的含水率难以控制，导致工程应用中难以达到试验室水泥土最大干密度；碾压施工过程持续时间较长，且延迟击实时长对水泥土压实后强度影响较大；碾压施工工艺不成熟，场地收面效果和压实度难以控制。因此，为保证工程质量，本文将从施工前场地的含水率控制、延迟击实时长对水泥土压实后强度的影响及碾压施工工艺对场地收面效果和压实度的影响3个方面分别对水泥土施工技术进行试验研究。1材料参数工程中设计选用的水泥型号为PSA32.5，初凝时间为340 min，终凝时间为480 min。中国港湾建设2024年第3期图2试验地块含水率控制曲线Fig.2Water content control curve of test plot试验地块含水率多项式拟合曲线WC0WC1WC2WC3WC4WC5WC6302520151050201050X/%152530通过对工程现场的素土进行液塑限、筛分和击实试验，得到素土的各项材料参数见表1。2土方含水率控制结合施工时间及工况，采取第1天洒水静置12 h第2天制作水泥土的方式进行施工。考虑到水分蒸发等因素影响，为使原土方在撒布水泥拌和前达到最佳含水率，先进行土方含水率控制试验，以掌握土方含水率的控制方法。2.1试验思路土方含水率控制方法的思路为：首先，第1天在原土上划分7个相同大小的1 m伊1 m地块，对其中6个地块（1个地块不洒水，作为对照组）分别洒水。通过计算得出不同洒水量，以使各地块达到不同含水率。然后静置12 h，第2天测量各地块的含水率变化情况。最后，通过拟合得到第2天土方含水率与第1天洒水量的关系。2.2划分地块在原有土地的同一区域上划分7个1 m伊1 m地块，并编号为WC0WC6，其中WC0为不洒水对照组，WC1WC6为洒水试验组。为减小地块间含水率的相互影响，相邻地块边缘距离1 m，如图1所示。2.3洒水为计算理想状态下各地块需要的洒水量，洒水后的目标土方含水率兹ga可表示为：兹ga=（ma-msms）伊100%=（m+mw-msms）伊100%=兹g+mwms伊100%（1）式中：兹ga为洒水后的目标土方含水率，%；ma为洒水后单位体积土壤的质量，g；ms为单位体积原土的烘干后质量，g；m为单位体积原土的质量，g；mw为单位体积原土的洒水质量，mw=兹ga-兹g100%伊ms，g；兹g为土方含水率，%。经测量，第1天原土方含水率兹g01为3%。可得到试验地块的需洒水量Vw：Vw=mw籽w=（兹ga-兹g）/100%伊ms籽w（2）式中：Vw为单位体积原土需洒水量，L；籽w为水的密度，取1 kg/L。土的最大干密度为1.68 g/cm3，取计算压实厚度0.25 m，则ms=（1 m伊1 m伊0.25 m）伊1 680 kg/m3=420 kg。同时，根据式（2）可计算出WC1WC6地块所需的第1天洒水量，如表2所示。2.4含水率监测及分析第2天对7个地块的含水率进行再次测量，得到第2天土方含水率如表3所示。根据表3中各地块的含水率变化情况，采用三次多项式拟合的方法对试验地块2个时间点含水率之间的关系进行拟合，得到试验地块第1天含水率与第2天含水率的关系方程如式（3）。Y=0.622 58+0.674 91X+0.012 79X2-0.004 2X3（3）式中：Y为第2天土方含水率，%；X为第1天土方含水率，%。多项式方程及试验监测的含水率关系如图2所示。表1素土材料参数Table 1Material parameters of plain soil项目液限/%塑限/%塑性指数最大干密度/（gcm-3）最佳含水率/%参数值35.921.814.11.6816.5图1含水率控制试验地块划分Fig.1Division of water content control test plotsWC0WC1WC2WC3WC4WC5WC61 m1 m1 m1 m1 m1 m表2含水率控制试验地块编号Table 2Number of water content control test plots项目WC0 WC1 WC2 WC3 WC4 WC5 WC6目标含水率/%351015202530第1天洒水量/（Lm-2）08.429.450.471.492.4 113.4表3各试验地块的第2天土方含水率Table 3Next day soil water content of each test plot项目WC0 WC1 WC2 WC3 WC4 WC5 WC6第2天土方含水率/%2.84.28.212.315.818.921.076窑窑2024年第3期表43%水泥掺量的水泥土的延迟击实试验的检测数据Table 4Test data of delay compaction test of cement-solidified soil with 3%cement content水泥掺量/%延迟击实时间/h最大干密度/（gcm-3）最佳含水率/%301.9216.511.8916.621.8616.831.8417.041.8217.0表56%水泥掺量的水泥土的延迟击实试验的检测数据Table 5Test data of delay compaction test of cement-solidified soil with 6%cement content根据拟合曲线计算各地块第2天含水率，其结果与试验监测值之间误差最大为1.5%。综上，可认为式（3）能准确反映试验地块第1天含水率在3%30%时，第1天含水率与第2天含水率的关系。3延迟击实时间影响研究通过现有文献6得知，延迟击实时间对水泥土最大干密度影响显著。实际施工时，从水泥加入土中到最终碾压完毕大约需要4 h。现有水泥加入土中3 h以内完成击实的室内击实试验，显然这不足以代表现场施工场地的击实后最大干密度及抗压强度。所以需通过试验确定延迟击实时间对水泥土最大干密度及7 d无侧限抗压强度的影响，以指导现场施工。3.1延迟击实试验结果及分析水泥土设计7 d无侧限抗压强度需不小于0.5MPa，现对3%、6%和9%水泥掺量的水泥土分别进行不同时间段的击实试验，得到3种水泥土的最大干密度随延迟击实时间变化情况如表4表6所示。根据表4表6，可得到3%、6%和9%水泥掺量的水泥土最大干密度随延迟击实时间的变化情况，如图3所示。图3中，3%、6%和9%水泥掺量水泥土的最大干密度随延迟击实时间的变化趋势一致，呈现为水泥土的最大干密度随延迟击实时间的延长而减小，且减小的趋势随延迟击实时间的延长有所降低。此外可以看出，水泥土最大干密度随水泥掺量的提高而增大，但增大效率有所降低。因此认为，适当提高水泥掺量和缩短延迟击实时间可有效提高水泥土的最大干密度。3.27 d无侧限抗压强度试验结果分析对3%、6%和9%水泥掺量的水泥土在不同击实时段击实后，得到的水泥土试块，分别进行7 d无侧限抗压强度试验，试验结果如表7所示。根据表7可得到3%、6%和9%水泥掺量水泥土的7 d无侧限抗压强度随延迟击实时间的变化情况，如图4所示。图4中，3%、6%和9%水泥掺量水泥土的7d无侧限抗压强度随延迟击实时间延长而降低。在延迟击实时间为0时，即撒布水泥后立即击实，3%、6%和9%水泥掺量水泥土的7 d无侧限抗压水泥掺量/%延迟击实时间/h最大干密度/（gcm-3）最佳含水率/%02.0016.811.9617.021.9217.031.8917.241.8717.26表69%水泥掺量的水泥土的延迟击实试验的检测数据Table 6Test data of delay compaction test of cement-solidified soil with 9%cement content水泥掺量/%延迟击实时间/h最大干密度/（gcm-3）最佳含水率/%02.0517.012.0017.221.9517.231.9217.441.8917.49图3最大干密度与延迟击实时间关系曲线Fig.3Curves of maximum dry density and delaycompaction time水泥土（3%水泥掺量）水泥土（6%水泥掺量）水泥土（9%水泥掺量）2.12.01.91.81.71.61.5310延迟击实时间/h24表7水泥土7 d无侧限抗压强度Table 77 d unconfined compressive strength ofcement-solidified soil水泥掺量/%各延迟击实时间对应的水泥土7 d无侧限抗压强度/MPa0 h1 h2 h3 h4 h30.970.810.680.600.5461.100.910.760.670.6091.190.990.830.710.63郁亮，等：吹填土场地加固中水泥土施工技术试验研究77中国港湾建设2024年第3期水泥土（3%水泥掺量）水泥土（6%水泥掺量）水泥土（9%水泥掺量）1.21.00.80.60.40.2310延迟击实时间/h240.5 MPa图47 d无侧限抗压强度与延迟时间关系Fig.4Relationship between 7 d unconfined compressivestrength and delay time强度分别达到最高，分别为0.97 MPa、1.1 MPa和1.19 MPa，其强度差值为0.22 MPa；在延迟击实时间为4 h时，即撒布水泥后静置4 h时再进行击实，3%、6%和9%水泥掺量水泥土的7 d无侧限抗压强度分别为0.54 MPa、0.6 MPa和0.63 MPa，其强度差值为0.09 MPa。可以发现，随延迟击实时间的延长，水泥土的7 d无侧限抗压强度受水泥掺量的影响越小。3%、6%和9%水泥掺量水泥土延迟4 h击实，其7 d无侧限抗压强度分别降低44.3%、45.5%和47.1%。可以看出，水泥掺量提高，水泥土7 d无侧限抗压强度随延迟击实时间延长而减低的幅度越大。根据设计需求，3%水泥掺量的水泥土在4 h内完成击实，其7 d无侧限抗压强度大于0.5 MPa，满足强度要求。4碾压工艺水泥土的碾压击实为施工过程中的重要工艺，直接影响场地的表观及物理性能。为此，制定2种碾压施工方案，通过试验择优选用。4.1碾压方案碾压遵循先快后慢原则，碾压过程连续紧凑，并保证在水泥初凝前完成碾压。碾压时，严禁压路机在碾压中和已成型的路基上掉头或急刹。根据使用机械以及施工工序的不同，制定2种碾压施工方案，碾压顺序及遍数为：方案1（普通压路机碾压）：16 t压路机静压1遍（轮迹搭接40 cm）寅16 t压路机弱振1遍（轮迹搭接半轮）寅16 t压路机弱振1遍（轮迹搭接40cm）寅16 t压路机弱振1遍寅普通压路机收面。方案2（胶轮碾压）：16 t压路机静压1遍（轮迹搭接40 cm）寅16 t压路机弱振1遍（轮迹搭接半轮）寅16 t压路机弱振1遍（轮迹搭接40 cm）寅16 t压路机弱振1遍寅胶轮压路机收面。4.2碾压结果及分析根据上述研究，实际选用3%水泥掺量的水泥土，延迟击实时长4 h，经2种施工方案碾压后的场地收面效果如图5所示。从图5可以看出，方案1的场地收面效果不理想，裂纹明显，最大裂纹宽度达4 mm；方案2的场地裂纹细且少，最大裂纹宽度仅1.5 mm，其场地收面效果对比方案1有较大提升。综上，针对水泥掺量3%的水泥土延迟4 h击实，采用胶轮碾压后的场地收面效果更好。2种方案施工后的压实度检测情况见表8和表9。根据表8和表9中2种碾压方案的碾压后土方压实度可以算出，方案1的平均压实度为93.95%，方案2的平均压实度为94.75%，即采用胶轮碾压的方案2压实效果更好。图5场地收面效果图Fig.5Renderings of site finishing（b）方案2（a）方案1表8方案1现场检测数据Table 8Field test data of scheme 1表9方案2现场检测数据Table 9Field test data of scheme 2试点编号含水量/%干密度/（gcm-3）压实度/%117.11.5293.5216.91.5093.0316.91.5094.5416.81.5894.8试点编号含水量/%干密度/（gcm-3）压实度/%117.01.5094.8216.61.5895.1317.21.5294.7417.11.5694.478窑窑2024年第3期5结语本文基于实际工程需求，通过试验研究了土方的含水率控制方法、延迟击实时间对水泥土7 d无侧限抗压强度的影响和碾压工艺对水泥土压实度的影响。根据试验结果得出以下结论：1）通过试验以及多项式拟合得到了洒水后和施工前2个时间点土方含水率之间的关系，为工程提供了施工依据。此外，本文中提出的对土方的含水率控制方法可为今后工程提供设计依据和施工方法。2）水泥土的最大干密度随延迟击实时间的延长而减小，随水泥掺量的提高而增大，即提高水泥掺量和缩短延迟击实时间可有效提高水泥土的最大干密度和抗压强度。结合本工程设计强度要求，决定选用水泥掺量为3%的水泥土对场地进行加固。3）对2种场地碾压施工工艺进行试验对比，结果显示胶轮碾压的施工方案场地收面效果更好，且压实度更稳定，因此在水泥土施工过程中，建议采用胶轮碾压。本项目通过对水泥土施工技术的研究与应用，证明了水泥土施工工艺用于加固吹填土场地的可靠性，同时保证了本项目的施工质量。振华重工长兴智能港口装备产业项目中，水泥土的压实度、7 d无侧限抗压强度检测全部合格，道堆场地已交验完成。希望本文中采用的土方含水率控制方法、延迟击实试验方法以及碾压工艺参数可对今后类似工程提供参考。参考文献：1刘俊霞，张晶，曹玉鹏，等.基于水灰比指数的水泥土无侧限抗压强度J.中国港湾建设，2023，43（6）：1-5.LIU Jun-xia,ZHANG Jing,CAO Yu-peng,et al.Unconfined com原pressive strength of cement-solidified soil based on water-cementratio indexJ.China Harbour Engineering,2023,43(6):1-5.2陈昌富，吕晨阳，蔡焕，等.不同应力养护条件对水泥土力学性能影响试验研究J/OL.铁道科学与工程学报，2023-06-09.https：/ 93344rzmPHC9JPb_clPIYqdHzmBFIoWzrUdPNxSJQ=&uniplatform=NZKPT.CHEN Chang-fu,L譈 Chen-yang,CAI Huan,et al.Experimentalstudy on mechanical properties of cement soil under different stresscuring conditionsJ/OL.Journal of Railway 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