閩南地區(qū)水泥土工程特性實驗

楊 楓， 畢賢順， 羅才松

(福建工程學院 土木工程系，福州 350108)

閩南地區(qū)水泥土工程特性實驗

楊 楓， 畢賢順， 羅才松

(福建工程學院 土木工程系，福州 350108)

為研究閩南地區(qū)常見土體制作的水泥土的工程特性，將淤泥、粉質(zhì)黏土和粉砂分別與一定量的水泥漿混合制備水泥土試樣，測定水泥土重度、強度、壓縮模量、應(yīng)力－應(yīng)變及滲透系數(shù)。結(jié)果表明:三種土體制備的水泥土重度比原狀土提高1%～7%，水泥土攪拌樁形成的復合地基不會對下部土體產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力和附加沉降。當水泥摻量由5%增大至20%時，淤泥、粉質(zhì)黏土和粉砂制備的水泥土強度依次增大，增大幅度為原狀土的1～2倍;水泥彈性模量也增大，與水泥摻量近似指數(shù)關(guān)系;滲透系數(shù)減小。當荷載較小時，水泥土應(yīng)力－應(yīng)變近似直線關(guān)系，當荷載超過了極限強度時，水泥土進入塑性變形階段，破壞時存在殘余應(yīng)變。水泥土齡期由28 d增至60 d，其強度增長12%～36%。該研究為水泥土工程提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

水泥土;水泥摻量;工程特性;養(yǎng)護齡期

水泥土加固是常用的地基處理方法之一。水泥土即利用攪拌機械將水泥與原位土體強制拌和，通過水泥與土之間發(fā)生的一系列物理化學反應(yīng)，使原位土體變成具有高強度、低壓縮性和低滲透性的水泥穩(wěn)定土［1］。有關(guān)水泥土工程特性的實驗研究已有諸多報道，相關(guān)文獻大都集中于研究水泥土的無側(cè)限抗壓強度及其與影響因素之間的關(guān)系［2－6］。水泥土重度、壓縮模量、滲透系數(shù)等其他參數(shù)，在水泥土工程如水泥土復合地基沉降計算、水泥土支護樁研究中，也非常重要，然而這方面的參數(shù)測試相對缺乏。筆者利用閩南地區(qū)常見的三種土體制備水泥土，測定其重度、強度、應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系、壓縮性參數(shù)和滲透系數(shù)，為水泥土工程提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗材料

閩南沿海一帶廣泛分布有海相沉積的深厚淤泥，淤泥厚度不均，從幾米至二十幾米。淤泥含水量大，強度低，壓縮性高，通常采用水泥攪拌樁處理。淤泥表層或內(nèi)部夾有粉質(zhì)黏土層、砂土層和砂土透鏡體，同一根水泥攪拌樁，可能由三種土體組成。為研究不同土體對水泥土性質(zhì)的影響，在某工地采取三種土體進行實驗，土體自地表向下依次為:(1)粉質(zhì)黏土層，厚0～1.4 m，黃褐色，可塑，局部夾有少量植物根系和碎石;(2)淤泥層，厚1.4～9.8 m，灰黑色，流塑～軟塑，局部夾有薄層砂土透鏡體;(3)粉砂層，厚9.8～11.5 m，中密～密實;(4)花崗巖基巖，深度未揭穿。各土層主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 實驗土體的基本物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of soil in test

1.2 試樣制備

實驗所用水泥土試樣的水泥摻量(α)分別取5%、10%、15%和20%，將制備好的水泥漿(水灰比為1∶0.5)分別與淤泥、粉質(zhì)黏土和粉砂混合，并攪拌均勻，然后裝入兩種規(guī)格的PVC管模。一種管模內(nèi)徑為4.5 cm，高度為9.0 cm，其制作的水泥土試樣用于測試無側(cè)限抗壓強度;第二種規(guī)格的PVC管模內(nèi)徑為84.8 mm，高度為100 mm，制作水泥土試樣后，選用內(nèi)徑為61.6 mm的環(huán)刀切取部分試樣，用于測量重度、壓縮模量和滲透系數(shù)。試樣均第2 d脫模，裝入塑料袋密封后，放入養(yǎng)護室內(nèi)進行標準養(yǎng)護。

1.3 實驗方法

根據(jù)SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》，水泥土重度采用環(huán)刀法測定，強度采用無側(cè)限抗壓儀測定，壓縮參數(shù)通過室內(nèi)壓縮實驗測定，滲透系數(shù)通過變水頭滲透實驗測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥土重度

當水泥摻量分別為5%、10%、15%和20%時，淤泥、粉質(zhì)黏土和粉砂制備的水泥土重度如圖1所示。可以看出，水泥土的重度比原狀土的提高1% ～7%。一般情況下，復合地基水泥摻量控制在20%以內(nèi)。室內(nèi)實驗測試的水泥土重度比現(xiàn)場形成的略大，這是因為水泥土在現(xiàn)場固化過程中體積略微膨脹。因此，實際場地中水泥土重度比原狀土的大，比例一般控制在7%以內(nèi)，形成的復合地基不會對下覆土體產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力和附加沉降。

圖1 三種土體的水泥土重度Fig.1 Gravity of cement-soil made from three types of soil

2.2 水泥土強度

2.2.1 相同齡期

取水泥土齡期t=28 d的強度作為水泥土設(shè)計強度，則不同水泥摻量的水泥土無側(cè)限抗壓強度(qu)見圖2?？梢钥闯觯凵爸谱鞯乃嗤翉姸茸畲?，粉質(zhì)黏土的居中，淤泥制作的最小;水泥摻量越大，水泥土強度也越大，當水泥摻量由5%增大至20%時，水泥土強度增大1～2倍。這是因為水泥摻量增大，水化反應(yīng)生成的硅酸鈣管狀纖維等膠結(jié)物質(zhì)增多，顆粒之間的黏結(jié)強度和摩擦性能均提高，膠結(jié)物質(zhì)充斥于水泥土孔隙內(nèi)，使其密實度增大，整體強度提高。

圖2 三種水泥土強度Fig.2 Strength of cement-soil made from three types of soil

2.2.2 不同齡期

工程中一般以水泥土28 d齡期時的強度作為設(shè)計強度，而實際情況下，水泥土在28 d后強度仍有一定幅度的增長。實驗測試了水泥摻量為10%和15%、齡期為28 d和60 d時的水泥土強度，結(jié)果見表2。

表2 水泥土齡期對強度的影響Table 2 Influence of cement-soil age to strength

由表2可見，齡期由28 d增至60 d，強度增長12%～36%?？梢?，齡期對水泥土工程性質(zhì)也有影響，齡期越長，水泥與土體的水化反應(yīng)程度越高，水化產(chǎn)物與膠結(jié)物質(zhì)逐漸增多，團粒化作用逐漸增強，結(jié)構(gòu)密實，水泥土工程性質(zhì)整體上變得良好。根據(jù)文獻［6］，水泥土從28 d齡期增至60 d齡期時，強度增長20% ～22%;文獻［5－6］中的實驗也表明水泥土強度在28 d齡期后仍有一定幅度的增長，所以取28 d齡期的強度作為設(shè)計強度偏保守。若工期較緊，使得短期內(nèi)水泥土形成較高強度，可使用早強水泥，或在水泥土中摻入適量添加劑，常用的如石膏、粉煤灰、水玻璃、三乙醇胺、氯化鈣、碳酸鈣等。

雖然水泥土強度隨水泥土摻量增大而增大，但在軟基處理中，并非水泥摻量越高越好。水泥摻量提高，水泥土的強度和壓縮模量均增大，在上部荷載作用下沉降量較小，導致水泥土樁周圍土體沉降也較小，樁周土承載力難以發(fā)揮出來，樁土應(yīng)力比較大，復合地基共同承擔荷載性能降低，工程造價提高。通常水泥摻量控制在8%～20%以內(nèi)。

2.3 水泥土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

實驗發(fā)現(xiàn)，不同水泥摻量和齡期的水泥土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系基本類似，故以淤泥制備的水泥土為例，其齡期(t)為28 d，水泥摻量分別為10%和20%時的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系見圖3。由圖3可以看出，水泥土在受壓過程中，當荷載較小時，應(yīng)力－應(yīng)變近似直線關(guān)系，當荷載超過了極限強度時，水泥土進入塑性變形階段，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大，應(yīng)力迅速減小;水泥土破壞時，存在殘余應(yīng)變，整個應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系與混凝土的類似。由圖3也可得出，水泥摻量分別為10%和20%時的彈性模量(線性階段內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之比)分別為2.5×103和4.8×103MPa。

圖3 水泥土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Relationship between stress and strain of cement-soil

2.4 水泥土壓縮模量

當水泥土齡期為28 d時，三種土體制備的水泥土壓縮模量測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種水泥土壓縮模量Fig.4 Compression module of cement-soil made from three types of soil

由圖可以看出，水泥摻量越高，水泥土壓縮模量越大，當水泥摻量由5%增大至10%時，壓縮模量提高20%左右;當水泥摻量由10%提高至20%時，壓縮模量提高60%～90%。水泥土壓縮模量與水泥摻量近似指數(shù)關(guān)系，且粉砂制備的水泥土壓縮模量最大，粉質(zhì)黏土的居中，淤泥的最小。三種土體制備的水泥土壓縮模量，一方面取決于土體本身的壓縮性，另一方面，取決于土體顆粒與水泥水化反應(yīng)的程度、水化產(chǎn)物類型、充填孔隙的大小等。水泥摻量越大，水化作用越明顯，產(chǎn)生的硅酸鈣管狀纖維等膠結(jié)物質(zhì)越多，密實度越大，壓縮性越小。

2.5 水泥土滲透系數(shù)

齡期為28 d時三種土體制備的水泥土滲透系數(shù)見表3?？梢钥闯觯S著水泥摻量的增大，三種土體制備的水泥土滲透系數(shù)均減小。水泥摻量由0增大至20%時，淤泥制備的水泥土的滲透系數(shù)降低一個數(shù)量級;粉質(zhì)黏土和粉砂制備的水泥土的滲透系數(shù)降低兩個數(shù)量級。滲透系數(shù)降低主要是由于水泥與土體水化反應(yīng)生成的硅酸鈣管狀纖維等膠結(jié)物質(zhì)充填了土體孔隙，使得土體的孔隙比減小，密實度增大，滲透性降低。淤泥的滲透系數(shù)較低，制作的水泥土滲透性也最低，砂土滲透系數(shù)較大，制作的水泥土滲透系數(shù)在三者中最大。淤泥制作的水泥土滲透系數(shù)最低達到1.0×10－8cm/s，與文獻［3］得到的“水泥土滲透系數(shù)在一般工程應(yīng)用的水泥摻入量范圍內(nèi)存在一個極限值，為1.0×10－8cm/s”相一致。

表3 水泥土滲透系數(shù)與水泥摻量的關(guān)系Table 3 Relationship between permeability coefficient and cement content

由上述分析知，水泥土的工程性質(zhì)，包括重度、強度、彈性模量、壓縮模量和滲透系數(shù)，受水泥摻量與土體種類影響。同一土樣，水泥摻量越高，水化反應(yīng)生成的膠結(jié)物質(zhì)越多，孔隙比越小，密實度越大，強度和壓縮模量越高，這一結(jié)論與文獻［3－6］中的結(jié)論一致。土體種類對水泥土性質(zhì)有重要影響。土體由砂土過渡到淤泥，其顆粒越來越小，制作的水泥土強度與壓縮模量越來越低，同一水泥摻量下，淤泥制作的水泥土強度約是砂土的50%，粉質(zhì)黏土制作的水泥土強度約是砂土的70%～80%。

3 結(jié)論

(1)淤泥、粉質(zhì)黏土和粉砂制備的水泥土重度比原狀土提高1%～7%，水泥土攪拌樁不會對下部土體產(chǎn)生過大附加應(yīng)力和附加沉降。

(2)水泥摻量越高，水泥土強度越大，當水泥摻量由5%增大至20%時，水泥土強度增大1～2倍。粉砂制作的水泥土強度最大，粉質(zhì)黏土的居中，淤泥制作的最小。

(3)當荷載較小時，水泥土應(yīng)力－應(yīng)變近似直線關(guān)系，當荷載超過了極限強度時，水泥土進入塑性變形階段，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大，應(yīng)力迅速減小，破壞時存在殘余應(yīng)變。

(4)水泥摻量越高，水泥土壓縮模量越大，當水泥摻量由5%增大至10%時，壓縮模量提高20%左右;當水泥摻量由10%提高至20%時，壓縮模量提高60%～90%。

(5)水泥土從28 d增至60 d時強度增長12%～36%，實際工程中水泥土以28 d齡期的強度作為設(shè)計強度偏于保守?？紤]樁土共同承擔上部荷載的特性，水泥摻量不宜過高。

［1］徐至鈞，曹名葆.水泥土攪拌法處理地基［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004:5－23.

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Engineering properties test of cement-soil at south of Fujian province

YANG Feng， BI Xianshun， LUO Caisong
(Department of Civil Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China)

This paper is an effort to investigate the properties of three common kinds of cement-soil by adding a certain amount of cement to mud，silt clay and silt sand common at South of Fujian Province，respectively，to make the cement-soil samples and measure the engineering properties of cement-soil.The result shows that cement-soil made from mud，silt clay，and silt sand has the gravity 1% ～7%higher than does original soil，thus preventing cement mixing pile from producing excessive additional stress and additional settlement.A 5%to 20%increases in cement content trigger the increases in strength of cement-soil made from mud，silt clay and silt sand them，with the range going 1～2 times as much as the original soil.The elastic modulus of cement-soil increases with cement content，with exponent relationship，while the permeability coefficient decreases.A smaller load gives rises to approximate linear relationship in the stress-strain of cement-soil.The load greater than the ultimate strength results in the cement-soil’s entering into plastic deformation stage，leaving residual strain due to destruction.A 28 d to 60 d increase in cement soil age shows a 12%to 36%increase in its strength.The study could provide the basic data for the cement-soil engineering.

cement-soil;cement content;engineering properties;curing age

TU472

A

1671－0118(2012)05－0506－04

2012－06－26

福建省高校服務(wù)海西建設(shè)重點項目(GY－HX09008)

楊 楓(1972－)，男，福建省寧德人，講師，碩士，研究方向:土木工程施工、檢測與測試，E-mail:9548102@163.com。

(編輯 荀海鑫)