水泥土力學(xué)特性隨齡期發(fā)展規(guī)律試驗(yàn)研究

陳 達(dá)，莊 寧，廖迎娣，黃 輝

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 210098)

水泥土攪拌法是以水泥作為固化劑，在地基深處就地將地基土體與固化劑充分?jǐn)嚢?，形成具有足夠?qiáng)度和穩(wěn)定性的水泥土，從而達(dá)到加固軟土地基的目的.水泥土的強(qiáng)度和力學(xué)特性直接關(guān)系到地基加固的效果，且影響因素眾多［1－15］，包括水泥品種、強(qiáng)度等級(jí)、摻入比和齡期等，其中，齡期直接關(guān)系到地基加固設(shè)計(jì)和工程進(jìn)度安排.本文基于我國(guó)東南沿海淤泥土特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)不同水泥品種混拌的水泥土的室內(nèi)配比試驗(yàn)和力學(xué)分析，研究水泥土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系，為類似土質(zhì)的水泥土攪拌法設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用土取自廈門(mén)某沿海區(qū)域，根據(jù)《軟土地基深層攪拌加固法技術(shù)規(guī)程》(YBJ 225－91)規(guī)定，土樣取出后立即切分成2×10－3m3的小塊，用厚聚氯乙烯塑料袋封裝運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，放置于陰涼干燥處的木箱內(nèi)存放，確保試驗(yàn)用土的各項(xiàng)主要物理、力學(xué)性質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)土一致.經(jīng)檢測(cè)土體呈弱堿性，土體中孔隙水對(duì)水泥土具有弱腐蝕性，土中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以下稱含水率)為34.6%，天然重度為14.4 kN/m3，原狀及重塑土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為16.2和4.7 kPa，靈敏度為3.45.

選用抗硫酸鹽水泥(P.MSR 32.5)、膨脹水泥(AEC 32.5)、礦渣硅酸鹽水泥(P.S 32.5)和普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5和P.O 52.5)作為固化劑，試塊尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，水灰比0.8∶1，水泥摻入比為0.20.摻入各種水泥分別制成水泥土試塊5組，每組3個(gè)，各組齡期分別為3，7，14，28和90 d.

試驗(yàn)土和水泥漿經(jīng)充分?jǐn)嚢韬?，采用分層壓?shí)的方法填充到試模中，將試塊表面刮平后蓋上塑料布放置于陰涼處.試塊制作2 d后拆模，放入養(yǎng)護(hù)室(恒溫20℃，濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期.水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，采用應(yīng)變控制方式加載，加載速度在應(yīng)力上升段和下降段分別為0.3和0.5 mm/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1為各種水泥土不同齡期時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線.

圖1 5種水泥土不同齡期的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 Strain-stress curves for the cement-soil samples at different ages

分析圖1可以得出如下結(jié)論:(1)盡管水泥土采用的固化劑水泥種類不同，但齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度發(fā)展的影響規(guī)律大致相同，水泥土試樣均表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性特征，其中，P.MSR 32.5水泥土塑性變形較其他幾種固化劑更為明顯.(2)應(yīng)力應(yīng)變曲線大致可以分為4個(gè)階段:①試塊壓實(shí)階段，隨著試塊表面被加載，應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率也逐漸增大;②線性階段，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢，應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈線性關(guān)系;③塑性變形階段，試塊變形增長(zhǎng)加快，并逐漸達(dá)到強(qiáng)度極限;④軟化階段，變形發(fā)展較快，試塊承載能力逐漸降低至強(qiáng)度極限的50% ～70%;⑤殘余強(qiáng)度階段，試塊表面開(kāi)始破碎開(kāi)裂，承載能力下降緩慢，變形發(fā)展很快，直至試塊完全破壞.(3)隨著齡期的增加，第2階段(線性階段)越來(lái)越明顯，且斜率也越來(lái)越大，水泥土的剛度模量和抗壓強(qiáng)度逐漸增大，但是超過(guò)28 d后剛度模量已無(wú)明顯變化，而抗壓強(qiáng)度在28～90 d之間仍有明顯增長(zhǎng)，表明兩者發(fā)展不同步，所對(duì)應(yīng)的物理、化學(xué)過(guò)程及機(jī)理并不完全一致;第3階段越來(lái)越不明顯，且斜率也越來(lái)越大，水泥土試塊的軸向應(yīng)力在達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)的塑性變形明顯變小，水泥土脆性增大;第4階段變得越來(lái)越陡，水泥土脆性增大，殘余強(qiáng)度相對(duì)于抗壓強(qiáng)度的比值越來(lái)越小.

表1列出了5種水泥土各種齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值.綜合5種水泥土強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展情況可知，摻入比為 0.20 時(shí)，齡期對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系大體為:qu，90∶qu，28∶qu，14∶qu，7∶qu，3=1∶0.65∶0.45∶0.30∶0.15，其中qu，T表示齡期為T(mén)的水泥土抗壓強(qiáng)度.

表1 水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Tab.1 Unconfined compressive strength of the cement-soil

若以90 d水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值，則水泥土3 d強(qiáng)度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的15%左右，即日均強(qiáng)度增長(zhǎng)約為標(biāo)準(zhǔn)值的5%;7 d強(qiáng)度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的30%左右，即3～7 d日均強(qiáng)度增長(zhǎng)約為標(biāo)準(zhǔn)值的4%;14 d強(qiáng)度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的45%左右，即7～14 d日均強(qiáng)度增長(zhǎng)約為標(biāo)準(zhǔn)值的2%;28 d強(qiáng)度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的65%左右，水泥土已經(jīng)具備相當(dāng)強(qiáng)度，14～28 d日均強(qiáng)度增長(zhǎng)約為標(biāo)準(zhǔn)值的1.5%;28～90 d，水泥土強(qiáng)度仍有較大幅度增長(zhǎng)，但是日均強(qiáng)度增長(zhǎng)約為標(biāo)準(zhǔn)值的0.55%.

3 抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

基于水泥土的水化過(guò)程和強(qiáng)度發(fā)展機(jī)理，通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，提出了適用于我國(guó)東南沿海淤泥土層的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系表達(dá)式:

式中:qu1為齡期T1的水泥土抗壓強(qiáng)度，qu2為齡期T2的水泥土抗壓強(qiáng)度.上式成立的條件是摻入比相同、齡期T為3～90 d.

P.MSR 32.5，AEC 32.5，P.S 32.5，P.O 42.5 和P.O 52.5水泥土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與式(1)(以齡期90 d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為qu2)計(jì)算結(jié)果的比較見(jiàn)圖2.可見(jiàn)，式(1)較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了5種水泥土的抗壓強(qiáng)度，具有較強(qiáng)的通用性和適應(yīng)性.值得注意的是，式(1)適用的齡期范圍為3～90 d，對(duì)水泥土后期強(qiáng)度的預(yù)測(cè)可以從3 d開(kāi)始，但是水化反應(yīng)初期的水泥土強(qiáng)度離散性較大，因此在實(shí)際工程中建議使用7 d強(qiáng)度作為預(yù)測(cè)參數(shù).

圖2 水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值比較Fig.2 Comparison between the simulation and test data for cement-soil samples

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于我國(guó)東南沿海淤泥質(zhì)土層，盡管采用的固化劑水泥種類不同，但齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度發(fā)展的影響規(guī)律大致相同.

(2)28 d齡期前，水泥土強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，28 d強(qiáng)度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的65%左右，水泥土已具備相當(dāng)強(qiáng)度;齡期28～90 d，水泥土強(qiáng)度仍有較大增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)速度明顯變緩，工程應(yīng)用中將90 d強(qiáng)度作為水泥土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值符合水泥土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律.

(3)提出的水泥土抗壓強(qiáng)度－齡期關(guān)系式較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了5種水泥土的抗壓強(qiáng)度，具有較強(qiáng)的通用性和適應(yīng)性，在工程實(shí)踐中可以3 d強(qiáng)度為依據(jù)預(yù)測(cè)水泥土后期強(qiáng)度，能夠大大提高施工質(zhì)量控制水平.

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