洞庭湖區(qū)淤泥質(zhì)黏土水泥土力學(xué)性能試驗研究*

阮慶，阮波，曾元，溫凱，李賢超

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075)

淤泥類軟土具有含水率高，孔隙比大，壓縮性高，滲透性低和固結(jié)系數(shù)小等特性，這些特性決定了淤泥類軟土無法直接作為天然地基。水泥土具有水硬、高強、低壓縮性、低滲透性等特性?？紤]到水泥土和淤泥質(zhì)黏土的特性，可以采用水泥改良淤泥質(zhì)黏土形成淤泥質(zhì)黏土水泥土，以改善淤泥質(zhì)黏土的力學(xué)性能，達到滿足工程對承載力、壓縮和滲透等特性的要求。國內(nèi)外學(xué)者對水泥土力學(xué)性能研究已經(jīng)做了大量的工作。Bagheri等［1］對粉砂水泥土進行固結(jié)不排水三軸試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，研究了粉砂水泥土的強度和力學(xué)特性;Kyu等［2］對水泥固化高嶺土進行試驗研究，得出水泥可以增加水泥固化土的強度，但降低了在排水固結(jié)條件下試樣的軸向應(yīng)變;Antonio等［3］通過對無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果作定量分析，得出了水泥摻入比和砂土孔隙率在不同狀態(tài)和應(yīng)力條件下對砂土水泥土強度的影響;Ramy等［4］通過無側(cè)限抗壓強度試驗研究軟黏土水泥土的力學(xué)性能隨著水泥摻入比不同和養(yǎng)護齡期增加的變化趨勢;周麗萍等［5－6］對粉質(zhì)黏土水泥土的力學(xué)性質(zhì)進行試驗研究得出水泥土無側(cè)限抗壓強度、應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系的變化規(guī)律;潘林有等［7－8］對黏土水泥土抗壓強度進行室內(nèi)正交試驗研究，得到水泥土力學(xué)性能的影響因素及變化規(guī)律。目前，國內(nèi)外學(xué)者對砂土、高嶺土、粉質(zhì)黏土、黏土等土類水泥改良土力學(xué)性能的研究的較多，對淤泥質(zhì)黏土水泥土的力學(xué)性能研究較少，至于前者的力學(xué)性能與后者的力學(xué)性能是否相同，目前還缺乏深入的比較分析。本文在前人對水泥土力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖南洞庭湖區(qū)某高速公路淤泥質(zhì)黏土軟基處理工程，對淤泥質(zhì)黏土水泥土的力學(xué)性能進行室內(nèi)試驗研究，研究成果可以供工程實踐參考，也可以供分析比較淤泥質(zhì)黏土水泥土與其他土質(zhì)水泥土的力學(xué)性能。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 材料

試驗采用湖南洞庭湖區(qū)某高速公路軟基淤泥質(zhì)黏土，其原狀土的主要物理力學(xué)指標見表1。水泥為Po.32.5級普通硅酸鹽水泥，水泥的物理力學(xué)指標見表2。水為自來水。

表1 原狀土的主要物理力學(xué)指標Table 1 Geotechnical index properties of the undisturbed soil

表2 水泥的物理力學(xué)指標Table 2 Some characteristics of cements used for preparing specimens

1.2 試驗設(shè)計

規(guī)范［9］規(guī)定對豎向承載的水泥土強度取90 d齡期試件的立方體無側(cè)限抗壓強度平均值，對承受水平荷載的水泥土強度宜取28 d齡期試塊強度的立方體無側(cè)限抗壓強度平均值，所以試驗中研究淤泥質(zhì)黏土水泥土的力學(xué)性能時選取無側(cè)限抗壓強度為研究對象，然后根據(jù)無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，對淤泥質(zhì)黏土水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線、變形模量、破壞模式等有關(guān)典型力學(xué)性能方面進行研究。

按照規(guī)范要求，采用尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試模，進行水泥土室內(nèi)配比試驗，水泥摻入比分別為10%，15%，20%，25%，30%，35%和40%，含水率取60%，70%，80%和90%，養(yǎng)護齡期取7，14，28，60 和 90 d，即進行 140組試驗，每組制作6個平行試樣，共計制作840個試樣。水泥土試樣到達規(guī)定的齡期后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，取每組6個平行試樣的抗壓強度平均值作為該組試樣對應(yīng)的配合比和齡期的無側(cè)限抗壓強度值。其中，水泥摻入比和含水率均是以風(fēng)干土的質(zhì)量為基數(shù)進行計算，水泥摻入比計算見公式(1)。

式中:aw為水泥摻入比;mc為水泥質(zhì)量;ms為淤泥質(zhì)黏土的風(fēng)干土質(zhì)量。

1.3 試樣制備

首先將土樣風(fēng)干、碾碎，并過孔徑為5 mm的標準篩，然后取篩分后的干土進行試驗。試驗時先按照每組試驗的設(shè)計配合比，分別稱取6個試樣所需的干土、水泥和水，然后先將風(fēng)干土和水泥均勻混合，再灑水攪拌直至均勻，攪拌時間控制在15 min左右。

試樣成型前，在試模內(nèi)表面涂一薄層機油，防止試樣和試模黏接，有利于拆模。裝樣時先向試模內(nèi)裝一半試料，然后按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗且插搗15次，在插搗底層拌合物時，搗棒插到試模底部，插搗上層時，搗棒貫穿該層后插入下一層5～15 mm，插搗時保持插棒豎直，插搗后再用刮刀沿試模內(nèi)壁插拔數(shù)次。之后，把該試模放在振動臺上振實2 min，振實后拌合物應(yīng)高于試模上沿口。最后，刮除試模頂部多余的水泥土，刮平后蓋上塑料薄膜，防止水分蒸發(fā)過快。

24 h后進行拆模、編號，然后放入養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護條件為:溫度為(20±2)℃，相對濕度≥95%。

當某組試件到了規(guī)定的養(yǎng)護齡期，取出該組的6個平行試件，采用微機控制電子萬能試驗機按照規(guī)范要求進行水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

對140組試驗結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，含水率為70%，80%和90%時養(yǎng)護齡期、水泥摻入比對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響、水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系變化規(guī)律、水泥土無側(cè)限抗壓強度與變形模量的關(guān)系均與含水率為60%時的大致相同，水泥摻入比為25%時含水率對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響與水泥摻入比為25%時的基本相同，所以選取具有代表性的含水率為60%水泥土的試驗結(jié)果進行水泥土無側(cè)限抗壓強度影響因素、應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律以及變形模量分析，而選取具有代表性的水泥摻入比為25%水泥土的試驗結(jié)果進行含水率對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響分析。

2.1 各因素對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響

2.1.1 養(yǎng)護齡期對水泥土的無側(cè)限抗壓強度的影響

含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表3，養(yǎng)護齡期與含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線見圖1。

表3 含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果Table 3 UCS of cement stabilized soil for 60%moisture content at different curing day MPa

圖1 養(yǎng)護齡期與含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線Fig.1 Curing period versus UCS of cement stabilized soil for 60%moisture content

分析表3和圖1發(fā)現(xiàn)，水泥土無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增大，其中前期抗壓強度增長的速率較大，后期較小。另外，由表3可以發(fā)現(xiàn)，28 d齡期的無側(cè)限抗壓強度是90 d齡期的無側(cè)限抗壓強度的55% ～73%，說明水泥土的后期抗壓強度增長量仍然很大。

2.1.2 水泥摻入比對水泥土的無側(cè)限抗壓強度的影響

根據(jù)表3繪制水泥摻入比與含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 水泥摻入比與含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線Fig.2 Cement ratio versus UCS of cement stabilized soil for 60%moisture content

分析表3和圖2可以發(fā)現(xiàn)，水泥摻入比為10%，15%，20%，25%，30%和35%的強度分別是水泥摻入比為40%強度的9% ～34%，29% ～40%，42% ～50%，56% ～61%，69% ～71%和84%～87%，說明水泥土無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻入比的增加而增加。另外，還可以發(fā)現(xiàn)水泥土抗壓強度增長速率隨著水泥摻入比的增加而增大。

2.1.3 含水率對水泥土的無側(cè)限抗壓強度的影響

水泥摻入比為25%的水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表4，含水率與水泥摻入比為25%的水泥土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線見圖3。

表4 水泥摻入比為25%的水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果Table 4 Unconfined compressive strength of cement stabilized soil for 25%cement content MPa

結(jié)合表4和圖3可以看出，水泥土無側(cè)限抗壓強度隨著含水率的增加而減小，減小速率是逐漸減小。含水率為70%，80%和90%的強度是含水率為60%強度的69% ～83%，51% ～63%和41%～50%?？梢?，含水率不同，水泥土強度變化的幅值比較明顯。因此，從機理上講，在一定范圍內(nèi)，采用水泥固化含水率高的淤泥質(zhì)黏土，強度提高的效果更顯著。

圖3 含水率與水泥摻入比為25%的水泥土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線Fig.3 Moisture content versus UCS of cement stabilized soil for 25%cement ratio

2.2 水泥土的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

2.2.1 水泥土應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線變化規(guī)律

在以往試驗中，研究人員大多數(shù)選取齡期為28 d的試驗數(shù)據(jù)進行應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系分析［10－12］。結(jié)合表3含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，選取具有代表性的含水率為60%，齡期為60 d的不同水泥摻入比的水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，進行水泥土應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系分析，其應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線見圖4。

圖4 含水率為60%，齡期為60 d水泥土應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress versus strain of cement stabilized soil for 60%moisture content at 60 curing days

從圖4可以看出，各水泥摻入比的水泥土應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線大致可以分為4個階段。

第1階段為加載初始階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增加，應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線近似成線性關(guān)系，并隨著水泥摻入比的增大，這種線性關(guān)系也來也越來越明顯，而且直線的斜率也逐漸增大，即應(yīng)力隨著應(yīng)變增長的速率逐漸增大。

第2階段為塑性上升階段，在應(yīng)力接近峰值時，應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線出現(xiàn)明顯的彎曲，逐漸偏離直線，應(yīng)力逐漸增大。隨著水泥摻入比的增大，塑性上升階段的斜率也逐漸增大，但到達應(yīng)力峰值附近，斜率卻減小。

第3階段為應(yīng)力～應(yīng)變下降階段，當達到應(yīng)力峰值后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小，而且隨著水泥摻入比的增加，這種減小的趨勢逐漸明顯。

第4階段為應(yīng)力～應(yīng)變進入殘余強度階段，當各應(yīng)力～應(yīng)變曲線下降階段應(yīng)力減小到某一值后，應(yīng)力～應(yīng)變曲線趨于一條直線，雖然應(yīng)力變化不大，但是應(yīng)變?nèi)匀辉谠黾?，說明試件產(chǎn)生了較大的塑性變形。另外，結(jié)合試驗過程中試件變形情況可以發(fā)現(xiàn)，當試件破壞時，試件仍可以承受一定的壓力，說明此時試件仍然存在有殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變。

2.2.2 水泥土變形模量分析

在實際工程中，水泥土的變形參數(shù)常用變形模量E50來衡量，其中E50指應(yīng)力為無側(cè)限抗壓強度的50%對應(yīng)的水泥土的割線模量［10］。含水率為60%，齡期為60 d的水泥土無側(cè)限抗壓強度與變形模量的關(guān)系計算結(jié)果見表5。

表5 含水率為60%、齡期為60 d的無側(cè)限抗壓強度與變形模量的關(guān)系Table 5 Unconfined compressive strength(qu)versus deformation modulus E50of cement stabilized soil for 60%moisture content at 60 curing days MPa

從表5中可得出:對于某一齡期，水泥土的變形模量隨著水泥土的無側(cè)限抗壓強度的增大而增大;E50/qu隨著無側(cè)限抗壓強度的增加而增加;對于60 d齡期的淤泥質(zhì)黏土水泥土的變形模量一般用E50=(33～74)qu來估算。

2.3 水泥土試樣的破壞模式

在試驗過程中，觀察試件單軸受壓變形可以發(fā)現(xiàn)，含水率高、水泥摻入比低、齡期短的試件呈現(xiàn)塑性破壞;含水率低、水泥摻入比高、齡期長的試件呈現(xiàn)塑性破壞。塑性破壞典型照片見圖5，脆性破壞的典型照片見圖6。

圖5 水泥土塑性破壞Fig.5 Plastic fracture of cement stabilized soil

圖6 水泥土脆性破壞Fig.6 Fragile fracture of cement stabilized soil

3 結(jié)論

(1)淤泥質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增大，隨著水泥摻入比的增大而增大，隨著含水率的增大而減小。

(2)根據(jù)水泥土應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線，將應(yīng)力隨應(yīng)變的變化分為了4個階段。

(3)通過對水泥土變形模量E50與無側(cè)限抗壓強度qu關(guān)系的分析，得到了某一齡期水泥土的變形模量E50的變化規(guī)律及其變化范圍估計式。

(4)含水率高、水泥摻入比低、齡期短的試件呈現(xiàn)塑性破壞;含水率低、水泥摻入比高、齡期長的試件呈現(xiàn)塑性破壞。

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