工法桩是强制搅拌水泥系固化剂与地基土，在水泥固化土未结硬前，植入H型钢，形成一道具有一定强度和刚度的围护结构。工法桩止水效果好、对周围环境影响小，但由于变形较大，难以用于深大基坑。地下连续墙利用特种挖槽机械挖出基槽，并在内灌浆，形成一道止水围护结构。地下连续墙抗渗性好、可用于多种地质条件，但造价高、消耗资源多和对周围环境影响较大 ^[1]。济南R1线演马庄西站采用水泥复合土组合桩与水泥土桩咬合的围护结构替代工法桩和地下连续墙，不但发挥水泥复合土经济、原位土利用率高、环境影响小和耐久等优点，而且充分贯彻地下工程产业化和绿色地铁的方针。新型咬合桩作为围护结构一方面要满足地表沉降、抗倾覆、整体稳定性和基坑抗隆起的要求，通过计算选用合理的配筋可满足要求;另一方面还需满足施工工艺要求，即达到设计强度，水泥复合土凝结时间≤3h，容重满足方形预制桩植桩和性能良好的要求。

　　 拌制混凝土过程中，当原材料中的含泥量及泥块含量>2.5%，减水剂的作用将急剧降低，甚至影响混凝土强度。水泥复合土以现场旋挖的粉质黏土为原材料，含泥量及泥块含量一般>50%，远高于减水剂的容许范围，减水剂很难发挥作用 ^[2]。为满足施工工艺要求，水泥土流动度需达到180～200mm，黏土矿物中钠基蒙脱石、钙基蒙脱石、伊利石和高岭石所需用水量分别为水泥浆用水量的12.9,2.6,1.4,1.3倍，导致水泥复合土的水灰比相对较大，强度和抗渗性难以满足要求。适量掺加粉煤灰和生石灰可降低水灰比，满足强度和抗渗性要求 ^[3]。本文取用济南R1线演马庄西站地下10m处粉质黏土，研究不同水泥掺入比、粉煤灰掺量、生石灰掺量和聚羧酸减水剂掺量对水泥复合土的力学性能影响，分析水泥复合土强度形成的基本理论，为水泥复合土的应用提供理论基础。

　　 选用P·O 42.5水泥，物理力学性能指标和X射线荧光光谱分析结果如表1,2所示，符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》要求。

　　 济南R1线工程演马庄西站地下10m处粉质黏土(8)层的物理力学性质如表3所示 ^[4]。

　　 钙质Ⅰ级生石灰，X射线荧光光谱分析结果如表4所示，符合GB 1594—2013《建筑石灰》要求。

　　 选用Ⅱ级粉煤灰，物理力学性能指标和X射线荧光光谱分析结果如表5,6所示，符合GB/T50146—2014《粉煤灰混凝土应用技术规范》要求。

　　 选用的自来水符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》要求。

　　 本试验根据JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》 ^[5]，确定水泥土原材料及配合比。参照GB/T 1346—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》 ^[6]、JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》 ^[7]、JC/T 986—2005《水泥基灌浆材料》 ^[8]和JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》 ^[5]，测试试件流动度、凝结时间和无侧限抗压强度。

　　 本试验粉质黏土掺量800kg/m³，水泥掺入比分别为10%,20%,30%,40%,50%，粉煤灰掺量分别为水泥掺量的0,10%,20%,30%,40%，生石灰掺量分别为水泥掺量的0,10%,20%,30%,40%，聚羧酸减水剂掺量分别为水泥掺量的0,1.2%,2.4%,3.6%,4.8%，调整水泥复合土流动度为140～180mm时确定用水量。通过测试水泥复合土的流动度、凝结时间和无侧限抗压强度，研究水泥掺入比、粉煤灰掺量、生石灰掺量和聚羧酸减水剂掺量对水泥复合土凝结时间、流动度和无侧限抗压强度的影响。正交试验的水泥复合土配合比及用水量如表7所示。

　　 水泥复合土的工作性能如表8所示，由表8可知，水泥复合土的相对密度约1.8，现场试桩情况表明该水泥复合土可正常完成方形预制桩的植桩;水泥复合土凝结时间≥3h，满足施工工艺要求。

　　 编号为1,5,10,15,20,25的水泥复合土无侧限抗压强度如表9所示。对水泥复合土的7,28,90d无侧限抗压强度进行权重分析，结果如表10～12所示。

　　 结合表10～12可以看出，对水泥复合土无侧限抗压强度各因素的影响次序为:水泥掺入比>粉煤灰掺量>生石灰掺量>聚羧酸减水剂掺量。水泥掺入比是影响最大的因素，随着水泥掺入比的增大，水泥复合土无侧限抗压强度逐渐提高;聚羧酸减水剂对水泥复合土的无侧限抗压强度影响极小。通过各因素对水泥复合土无侧限抗压强度的影响，得出较好的试验方案是:水泥掺入比为50%，粉煤灰掺量40%，生石灰掺量30%，不掺加聚羧酸减水剂。地铁车站基坑止水帷幕一般采用高压旋喷桩，28d强度达3.25MPa即满足设计要求。配合比13,17,19～25均可达到3.25MPa，本次拟选用配合比13，经现场取芯测得无侧限抗压强度3.5MPa，与试验结果较吻合。

　　 水泥掺入比对水泥复合土无侧限抗压强度的影响如图1所示。由图1可知，水泥复合土养护龄期和流动度相同时，水泥复合土的无侧限抗压强度随水泥掺入比的增大而增大，无侧限抗压强度大致呈线性增长。

　　 水泥复合土强度与孔隙中的CaO和OH^-浓度有较强的正相关关系 ^[9]。流动度相同时，随着水泥掺入比的增大，水泥复合土孔隙中的CaO和OH^-浓度增大，将更快生成更多的CSH，缩短水泥复合土凝结时间。

　　 水泥水化热力学公式:

　　 水泥复合土是由水泥水化生成的水化硅酸钙、水化硫铝酸钙等黏结土粒，构成的粒状·镶嵌·胶结空间结构。水泥水化产物的胶结作用和水化产物Ca(OH)₂与土中活性物质的硬凝作用是水泥复合土强度的主要来源 ^[9]，由于土颗粒的物理吸附作用，在几小时内，黏土便可吸附土重约3%的Ca²⁺;土质胶体吸附的阳离子可与Ca²⁺和OH^-进行离子交换，土中活性物质的硬凝作用将不断消耗Ca²⁺，水泥复合土中发生的3种物化作用，将大量消耗水泥水化生成的Ca²⁺和OH^{- [10]}。由水泥水化的热力学公式可知，钙硅比和OH^-浓度的下降导致无法正常生成CSH。在相同的土样中，相同量的土样消耗Ca²⁺和OH^-是相同的，即土样硬凝作用提供相同的强度。因此，水泥复合土强度的差异归结于水泥水化产物的胶结作用。

　　 硬凝作用:

　　 CSH是水泥最主要的水化产物，同时也是水泥基复合材料最主要的强度来源。CSH分为CSH(Ⅰ)和CSH(Ⅱ)，CSH(Ⅱ)在实验室中至少需要150d龄期才能生成。因此，水泥复合土在90d龄期内以CSH(Ⅰ)为主，CSH(Ⅰ)是硅氧四面体长链构成的层状结构，根据硅氧四面体的连接方式和个数可分为Q⁰,Q¹,Q²,Q³,Q⁴，且CSH(Ⅰ)主要以Q¹,Q²形式存在 ^[12]。IR,NMR测试结果表明，随着钙硅比的增加，Q¹(812～818cm^-1)和Q²(970～984cm^-1)的波峰移动到低波数，说明钙硅比增加导致CSH(Ⅰ)的聚合度减小，即CSH四面体链解体变短 ^[13,14]。Gmira等 ^[15]合成低钙硅比(0.9)的CSH，并分析CSH纳米级结构，TEM图表明CSH为致密较有序的层状结构;SEM和TEM测试结果表明，当硅钙比≥1.0时，CSH结构疏松，从鱼鳞状逐渐向针棒状演变，衍射条纹从规则的层状晶格条纹演变成扭曲的晶格线，说明随着硅钙比的增加，CSH层状结构逐渐瓦解成疏松的针棒状结构，且有序程度降低 ^[16]。因此，随水泥掺入比的增大，引起水泥复合土中硅钙比的减小，从而CSH演变成致密有序的层状结构，提高水泥复合土的无侧限抗压强度。

　　 由图2可知，当水泥复合土养护龄期和流动度相同时，无侧限抗压强度随粉煤灰和生石灰掺量的增大而增大。

　　 粉煤灰和生石灰的粒径远小于黏土颗粒，0.5～300μm的粉煤灰和1μm生石灰填充黏土颗粒空隙，增强土体密实度，提高水泥复合土强度。这是水泥复合土无侧限抗压强度随粉煤灰和生石灰掺量增大而增大的一个原因。但粉煤灰含有的球形玻璃体表面存在SiO₂和SiO₃·Al₂O₃稳定的双层保护层，只有当土体PH达13.2，且介质中必须存在Ca(OH)₂时，粉煤灰才会进行火山灰作用。SEM测试结果表明:单掺粉煤灰的水泥复合土第28d时，粉煤灰水化不充分，仅起形态效应和微集料效应 ^[17]。

　　 水泥水化生成物含约20%的Ca(OH)₂，完全可满足火山灰作用的要求。在黏土-水泥-水-粉煤灰体系中，黏土、水泥与粉煤灰对Ca(OH)₂存在竞争吸附关系，由于土颗粒的物理吸附作用，在几小时内，黏土便可吸附土重约3%的Ca²⁺，水化反应及火山灰作用很难进行。

　　 粉煤灰活性激发主要有水热活化、机械磨细和碱性激发3种方式，由于水对玻璃体的侵蚀作用归结于H⁺和玻璃体的交换，如式(3)所示，作用微弱。本文通过添加生石灰利用碱性激发原理促进火山灰活性，作用机理如式(4)所示，可显著激发粉煤灰碱性。当Ca(OH)₂浓度>2mol/L，水泥水化的CSH凝胶才能聚合成水化硅酸钙 ^[18]。SEM测试结果表明:复掺粉煤灰和生石灰的水泥复合土第28d时，粉煤灰玻璃体表面分布絮状水化产物，生石灰可激发火山灰作用 ^[14]。

　　 由图3可知，当水泥复合土养护龄期和流动度相同时，无侧限抗压强度随聚羧酸减水剂掺量的增大并没有明显变化。

　　 粉质黏土中主要的矿物有蒙脱石、高岭石和伊利石 ^[19]。蒙脱石是2∶1型层状硅酸盐矿物，中间层是铝氧八面体，外层是硅氧四面体，通过弱范德华力相连，吸湿性强，易于晶体置换和吸附负离子;高岭石是1∶1型层状硅酸盐矿物，硅氧四面体和相间通过强范德华力相连，晶格稳定，阳离子和水无法进入晶格内部;伊利石是含水层状结构的2∶1型层状硅酸盐矿物，结构与蒙脱石相似，通过强氢键相连。

　　 黏土矿物颗粒带电负性，为保证矿物颗粒电中性，在静电引力作用下，黏土颗粒表面形成双电层结构。其中，扩散层会与聚羧酸减水剂的阴离子(RCOO^-)反应，生成难溶于水的络合物，聚羧酸减水剂被大量消耗。蒙脱石、高岭石和伊利石对聚羧酸减水剂的5min吸附率分别是75%,45%,30%,30%，远大于水泥的10%，这是水泥复合土中聚羧酸减水剂不起作用的主要原因 ^[20]。蒙脱石的晶体间连接力较弱，具有很强的吸水性，经聚羧酸减水剂处理后的钙基蒙脱石红外光谱图中出现—CH₂—的反对称伸缩振动峰和CH₃—对称伸缩振动峰，且层间距变大，证实钙基蒙脱石对聚羧酸减水剂发生层间吸附和表面吸附，蒙脱石的层间吸附是导致蒙脱石对聚羧酸减水剂吸附量大的主要原因。

　　 参照JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，提出预测复掺粉煤灰和生石灰的水泥复合土无侧限抗压强度公式，并验证该公式的有效性。

　　 控制水泥土流动度在140～180mm，单掺水泥的水泥复合土7,28,90d无侧限抗压强度如表13所示。

　　 考虑粉煤灰和生石灰的作用机理，引入粉煤灰影响系数(γ_f)和生石灰影响系数(γ_ql)描述对水泥复合土无侧限抗压强度的影响，如表14所示。

　　 复掺粉煤灰和生石灰的水泥复合土无侧限抗压强度，可按下式计算:

　　 式中:γ_f，γ_ql分别为粉煤灰影响系数和生石灰影响系数，按表14选用;f_cu为单掺无侧限抗压强度，按表13选用;f_cu,fl分别为复掺粉煤灰和生石灰的无侧限抗压强度(MPa)。

　　 1)水泥复合土组合桩克服工法桩不适宜深大基坑和地下连续墙环保代价高的缺点，不但发挥水泥复合土经济、原位土利用率高、环境影响小和耐久等优点，而且充分贯彻地下工程产业化和绿色地铁的方针。

　　 2)随着水泥掺入比、粉煤灰掺量和生石灰掺量的增加，水泥复合土的无侧限抗压强度增大，各因素影响次序为:水泥掺入比>粉煤灰掺量>生石灰掺量>聚羧酸减水剂掺量。

　　 3)相比单掺水泥的水泥土，复掺粉煤灰和生石灰的水泥复合土无侧向抗压强度较高，主要是因为在黏土-水泥-粉煤灰-生石灰-水体系中增强3种化学作用(水泥水化、离子交换和火山灰作用)和物理填充作用，主要归结于生石灰提供的Ca(OH)₂，一方面促进水泥水化和粉煤灰火山灰反应，另一方面黏土矿物通过离子交换作用得到充足的Ca²⁺，促进胶凝作用;粉煤灰和生石灰填充黏土颗粒的空隙，提高密实度。

　　 4)由于黏土矿物对聚羧酸减水剂的层间吸附和双电层吸附，使大部分聚羧酸减水剂被吸附，从而水泥复合土的无侧限抗压强度随聚羧酸减水剂掺量的增大并没有明显变化。