水泥固化淤泥質(zhì)土-砂混合軟土的工程特性研究

劉平平,許燕賓,艾志偉,鄧通發(fā)

（1.江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院,江西贛州341000;2.贛州博達(dá)公路有限公司,江西贛州341000；3.浙江省建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,杭州310012）

水泥固化淤泥質(zhì)土-砂混合軟土的工程特性研究

劉平平1,許燕賓2,艾志偉3,鄧通發(fā)1

（1.江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院,江西贛州341000;2.贛州博達(dá)公路有限公司,江西贛州341000；3.浙江省建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,杭州310012）

以井睦高速花崗巖地區(qū)的水泥固化淤泥質(zhì)土-砂混合土為研究對象，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了含砂水泥固化土的工程特性，得出了含砂量和齡期對其強(qiáng)度和變形特性的影響機(jī)制.試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥摻入比一定時(shí)，增加含砂量，含砂水泥固化土強(qiáng)度呈峰值點(diǎn)趨勢增長，即存在最優(yōu)含砂量且具有隨水泥摻入比增加而增大的內(nèi)在規(guī)律；當(dāng)水泥摻入比為12%和20%時(shí)的最優(yōu)含砂量分別是30%和40%.水泥固化土的應(yīng)力應(yīng)變曲線均存在明顯的峰值，屬加工軟化型；含砂量對其強(qiáng)度和變形特性的作用機(jī)制主要是置換作用、團(tuán)?；疤畛渥饔?、約束作用、減水作用和分散作用，說明采用水泥固化淤泥質(zhì)土-砂混合軟土具有優(yōu)越性.

水泥土；含砂量；混合土；強(qiáng)度

0 引言

含砂水泥固化土是一種多相復(fù)合材料，主要由淤泥-砂混合軟土、水泥和水?dāng)嚢杌旌隙?加強(qiáng)含砂水泥固化土強(qiáng)度及變形特性的研究，具有較高的工程實(shí)踐意義.廖建春和蘭凱等[1-2]通過對工程現(xiàn)場水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)研究，指出摻入一定量砂對水

泥土的改良作用較大，強(qiáng)度較高.范曉秋和劉鑫等[3-4]通過在淤泥質(zhì)水泥土中摻入標(biāo)準(zhǔn)砂的強(qiáng)度試驗(yàn)表明，摻入一定量的標(biāo)準(zhǔn)砂，可顯著提高其強(qiáng)度，并指出摻砂對水泥的水化反應(yīng)有一定的延緩作用.王海龍和赫文秀等[5-6]探討?zhàn)ね?河砂-水泥固化土的工程特性，也得出類似的結(jié)論.王樹娟等[7]通過對摻河砂的水泥固化土試驗(yàn)研究，認(rèn)為增加摻砂量，水泥土抗壓強(qiáng)度隨之增大；在圍壓條件下，其偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線峰態(tài)較明顯，屬軟化型.目前，對摻入河砂或標(biāo)準(zhǔn)砂的水泥固化土力學(xué)特性有一定的研究，但摻入不同砂料特性的水泥固化土力學(xué)特性會(huì)存在一定的差異[8-9].而在全風(fēng)化花崗巖地區(qū)，專門研究淤泥質(zhì)土-砂混合軟土水泥固化后的工程特性的較少.

基于井睦高速公路中水泥攪拌樁處理淤泥質(zhì)土-砂混合軟土復(fù)合地基，邱模清，鄧通發(fā)等[10-11]對淤泥質(zhì)土-砂混合軟土進(jìn)行了固結(jié)和剪切實(shí)驗(yàn)研究，筆者將在他們的基礎(chǔ)上通過加入固化劑對混合軟土進(jìn)行一系列無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探討含砂量對水泥固化土工程特性的影響，以達(dá)到提高水泥固化土強(qiáng)度，降低工程造價(jià)的目的，為工程中水泥攪拌樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)及施工提供一定的參考依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料土取自井睦高速公路某標(biāo)段地基深處的淤泥質(zhì)土-砂混合軟土，先進(jìn)行篩分并分選出粗粒組砂和細(xì)粒淤泥質(zhì)土，再按照不同混合比例重塑土-砂混合土試樣，其混合土性質(zhì)與邱模清，鄧通發(fā)等[10-11]文獻(xiàn)一致，采用普通硅酸鹽水泥P.O32.5對混合土進(jìn)行固化，水泥基本參數(shù)見表1.

表1 P.O32.5普通硅酸鹽水泥基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

為研究淤泥質(zhì)土-砂混合軟土水泥固化后的工程特性，定義粗顆組砂與混合土的干質(zhì)量之比為含砂量（S），含砂量設(shè)計(jì)為0%、10%、20%、30%、40%、50%和70%等7組；水泥摻入比選用12%和20%，水灰比為0.6；齡期采用3 d、7 d、14 d、28 d和60 d等5個(gè)不同齡期組合.綜合考慮到我國水泥土強(qiáng)度評價(jià)體系的現(xiàn)狀，選用長×寬×高為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊.本次無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)步驟如下：

1）采用質(zhì)量控制法計(jì)算各摻料質(zhì)量，根據(jù)設(shè)定的含砂量，配制含水率為35%的土-砂混合土，再摻入相應(yīng)的水泥漿液并攪拌均勻.

2）將含砂水泥固化土分層振搗成型，制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊.成型后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)1~2 d后，保證其達(dá)到一定的硬度后再脫模并編號，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)溫度控制在（20±2）℃，濕度95%以上）到規(guī)定齡期；其中各編號含義為：C-水泥摻入比，S-含砂量，T-齡期，如C12S30T28即表示水泥摻入比為12%、含砂量為30%且齡期為28 d的含砂水泥固化土試塊.

3）采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，控制應(yīng)變速率為1.6 mm/min，每個(gè)配比的試塊均進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，減小試驗(yàn)誤差.

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

在不同含砂量、不同齡期下，相應(yīng)水泥摻入比的水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值見表2.由于水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素較多[12]，為有效分析某一組成材料對其強(qiáng)度的影響機(jī)制，采用控制單因素變量法進(jìn)行對比分析.

表2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 含砂水泥固化土強(qiáng)度特性分析

1）含砂量對抗壓強(qiáng)度的影響.圖1是水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含砂量的關(guān)系曲線.

由圖1可知：在不同齡期下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含砂量增加呈峰值點(diǎn)趨勢增長.其增長趨勢可分為兩個(gè)階段：在12%的水泥摻入比下，當(dāng)含砂量由0%增至30%時(shí)，強(qiáng)度顯著提高，且在含砂量為30%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大；繼續(xù)增加含砂量至70%時(shí)，強(qiáng)度有所下降，但降幅較小，仍高于相應(yīng)的不含砂水泥固化土的強(qiáng)度.

結(jié)合圖1（a）、（b）可得出：水泥摻入比為12%時(shí)的最優(yōu)含砂量約為30%，水泥摻入比為20%時(shí)的最優(yōu)含砂量約為40%，說明水泥摻入比一定時(shí)，在最優(yōu)含砂量下的抗壓強(qiáng)度最大，增加水泥摻入比時(shí)，最優(yōu)含砂量隨之增加.這是由于砂顆粒作為含砂水泥固化土中的粗骨料，水泥水化物的膠結(jié)作用使土砂顆粒形成骨架，強(qiáng)度明顯提高.所以含砂量對強(qiáng)度變形有改善作用，但改善幅度易受水泥摻入比的影響.一定水泥摻入比下，增加含砂量，水泥膠砂骨架結(jié)構(gòu)增多，強(qiáng)度增大.當(dāng)含砂量增至最優(yōu)含砂量時(shí)，骨架結(jié)構(gòu)最多，整體密實(shí)性最好，強(qiáng)度達(dá)到最大.超過最優(yōu)含砂量時(shí)，膠結(jié)物不足以全面膠結(jié)砂顆粒骨架，砂-砂接觸界面增加，微孔隙增多，顆粒間的聯(lián)結(jié)將由原粘性土的握裹力和粘結(jié)力轉(zhuǎn)為砂顆粒間的接觸摩擦力和咬合力，加荷時(shí)容易發(fā)生滑移破壞，從而使強(qiáng)度逐漸降低.但增加水泥摻入比后，水化膠結(jié)物增多，能夠膠結(jié)更多的砂顆粒骨架，強(qiáng)度相應(yīng)顯著提高，即最優(yōu)含砂量增加.

2）齡期對抗壓強(qiáng)度的影響．齡期與含砂水泥固化抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，如圖2所示，水泥土強(qiáng)度隨齡期的延長而急劇增長.

圖1 不同水泥摻入比下抗壓強(qiáng)度與含砂量的關(guān)系

圖2 不同水泥摻入比下抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

齡期很短（<7 d）時(shí)，強(qiáng)度很低，但增速較大；繼續(xù)延長齡期時(shí)，強(qiáng)度隨齡期幾乎呈線性急劇增長，齡期為7 d~28 d時(shí)，不同含砂量條件下，延長齡期，水泥固化土抗壓強(qiáng)度近似線性增長，且增幅有所不同.水泥摻入比為12%下，含砂量為30%時(shí)對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比為20%時(shí)不含砂的水泥固化土強(qiáng)度較接近.說明要達(dá)到相同強(qiáng)度，含砂混合軟土需要的水泥摻量較不含砂軟土的要低，可通過適當(dāng)調(diào)整含砂量來降低水泥摻入比；當(dāng)齡期增至60 d時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大，且后期增長趨勢仍較大.根據(jù)水泥土固化機(jī)理可知，齡期越長，生成的水泥水化物越多，土-砂-水泥顆粒間膠結(jié)作用越強(qiáng)，多余的水化物填充孔隙，使得含砂水泥固化土整體性和密實(shí)性較好，從而提高固化土的強(qiáng)度.

通過擬合對比分析發(fā)現(xiàn)，齡期與抗壓強(qiáng)度具有較好的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，見下式：

式（1）中：qu為不同齡期下含砂水泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，/MPa；齡期T=7 d、14 d、28 d、60 d；a、b分別為回歸系數(shù).

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到水泥摻入比為12%時(shí)對應(yīng)的擬合結(jié)果，見圖3和表3.

圖3 C12時(shí)不同含砂量下齡期與強(qiáng)度的關(guān)系

表3 C12時(shí)不同含砂量下齡期與強(qiáng)度的擬合關(guān)系式

2.2 含砂水泥固化土變形特性分析

1）含砂水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線．含砂水泥固化土是典型的非均質(zhì)、各向異性體，具有非線性特征[13-14]，實(shí)驗(yàn)得到典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖4.

由圖4可知：隨著含砂量增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線尖峰態(tài)逐漸顯著，彈性變形階段逐漸變陡，破壞應(yīng)變逐漸減小，脆性特征越明顯；當(dāng)含砂量增至最優(yōu)含砂量時(shí)，強(qiáng)度最大，變形模量最大，破壞應(yīng)變較??；超過最優(yōu)含砂量后，強(qiáng)度和變形模量降低，破壞應(yīng)變減小，此時(shí)脆性特征最明顯.由于含砂水泥固化土的強(qiáng)度是個(gè)增長的過程，使其表征為脆性體和彈塑體間的變形特征，屬加工軟化類型材料，強(qiáng)度變形包括初始壓密、彈性變形、塑性屈服和應(yīng)變軟化等4個(gè)階段.

2）含砂水泥固化土的破壞特征.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在軸向壓力達(dá)到一定水平時(shí)，試塊出現(xiàn)一種“崩潰式”的脆性破壞，試塊四周水泥土碎屑不斷脫落，甚至由于裂縫貫穿破壞形成兩個(gè)對頂?shù)慕清F形破壞體，如圖5；破壞后的裂縫或破壞面呈圓弧狀，破壞面上出現(xiàn)凸凹不平的現(xiàn)象，甚至可以觀察到突起的破壞面上有較大粒徑的砂粒，說明砂料對強(qiáng)度有增強(qiáng)作用.

圖4 含砂水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線（T=28 d）

圖5 兩個(gè)對頂?shù)慕清F形破壞面

破壞應(yīng)變與含砂量的關(guān)系，見圖6.由圖6可知：破壞應(yīng)變隨含砂量的變化在最優(yōu)含砂量處均出現(xiàn)拐點(diǎn)；當(dāng)齡期較短（≤14 d）時(shí)，破壞應(yīng)變先略有增大后急劇減小此時(shí)破壞應(yīng)變值分布在2%~3.5%范圍內(nèi)，當(dāng)齡期較長（≥28 d）時(shí)，增加含砂量，破壞應(yīng)變隨之逐漸減小，含砂量超過最優(yōu)含砂量時(shí)對應(yīng)

的破壞應(yīng)變降幅明顯減緩，變化很??；當(dāng)齡期達(dá)到60 d時(shí)，水泥摻入比為12%時(shí)對應(yīng)的破壞應(yīng)變變化幅度較小，分布在1%~1.5%之間.

引入材料斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)理論[15－16]研究，可認(rèn)為水泥固化土是由大量的膠結(jié)桿組成的，如圖7所示.通過建立膠結(jié)桿損傷模型，可較好的描述試驗(yàn)中水泥固化土的破壞特征.

圖6 不同水泥摻入比下含砂量與破壞應(yīng)變的關(guān)系

圖7 膠結(jié)桿彈性完全損傷模型

剛制作的水泥固化土屬于一種非飽和土[17－18]，為主要包含固相、液相、氣相及收縮膜的多相體.水泥固化土固化過程中，大量生成各種結(jié)晶物，使固化土膠結(jié)成密實(shí)的整體，土體內(nèi)顆粒間的連接強(qiáng)度決定了其整體的強(qiáng)度.結(jié)合膠結(jié)桿模型和裂縫擴(kuò)展機(jī)理闡釋破壞特征：剛開始加荷，水泥固化土中原有微裂縫閉合，由于壓力較小不足以使膠結(jié)桿損傷(斷裂)而產(chǎn)生新的裂縫；當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到一定水平時(shí)，原有的微裂縫尖端應(yīng)力較集中，使相鄰膠結(jié)桿發(fā)生損傷變形至斷裂，擴(kuò)展為較大的裂縫；當(dāng)壓應(yīng)力逼近最大破壞應(yīng)力時(shí)，大量膠結(jié)桿迅速斷裂，裂縫開始貫穿；繼續(xù)加荷時(shí)，裂縫破裂面上的膠結(jié)桿全部斷裂，出現(xiàn)貫通的裂縫，試塊破壞甚至出現(xiàn)崩潰.

3）含砂水泥固化土的作用機(jī)理．目前，水泥土的固化機(jī)理研究較成熟，但有關(guān)含砂水泥固化土的研究相對較少，文中就含砂量對水泥固化土強(qiáng)度變形特性的影響機(jī)制進(jìn)行闡述.水泥固化淤泥-砂混合軟土，可將砂看作粗骨料，水泥作為膠結(jié)料，通過水泥水化反應(yīng)生成的膠結(jié)物先將粘土顆粒聯(lián)結(jié)，砂顆粒被膠結(jié)物質(zhì)包裹形成土砂團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而提高了含砂水泥固化土的強(qiáng)度.具體體現(xiàn)在對細(xì)粒土體的置換作用、團(tuán)粒化及填充作用、減水作用及對破壞面的約束作用，雖然砂顆粒對水泥固化土強(qiáng)度變形特性有改善作用，但也存在一些負(fù)面效應(yīng).因

為砂顆粒屬于無粘性散粒體材料，聯(lián)結(jié)力很小，所以具有分散作用.當(dāng)含砂量過高時(shí)，大量砂顆粒間直接接觸，砂-砂弱相界面增多，分散并降低了土-砂-水泥漿體三相界面的膠結(jié)能力.試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)含砂量超過最優(yōu)含砂量時(shí)，強(qiáng)度開始降低.此外，砂料還會(huì)延緩水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行[19]，對早期水泥固化土的強(qiáng)度影響較大.

因此，水泥摻入比一定時(shí)，隨著含砂量的增加，由于置換作用、團(tuán)粒化及填充作用、減水作用和約束作用增強(qiáng)，強(qiáng)度顯著提高；達(dá)到最優(yōu)含砂量時(shí)，各增強(qiáng)作用明顯高于分散作用，強(qiáng)度增長最大；當(dāng)含砂量超過最優(yōu)含砂量后，此時(shí)水泥水化物不足以膠結(jié)所有的砂顆粒，團(tuán)粒化及填充作用降低，分散作用較大，從而使強(qiáng)度降低.由試驗(yàn)可知，最優(yōu)含砂量具有隨水泥摻入比增加而增大的內(nèi)在規(guī)律，這是因?yàn)樵黾铀鄵饺氡群?，水化產(chǎn)物增多，能夠膠結(jié)更多的砂顆粒，減弱了分散作用，從而使強(qiáng)度繼續(xù)提高.

3 結(jié)論

通過對水泥固化淤泥質(zhì)土-砂混合軟土做的一系列無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了不同含砂量和不同水泥滲入比對混合土強(qiáng)度及變形的影響.得出以下結(jié)論：

1）含砂水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線屬加工軟化類型，主要包括初始壓密、彈性變形、塑性屈服和應(yīng)變軟化等4個(gè)階段.

2）隨含砂量的增加，含砂水泥固化土強(qiáng)度呈峰值點(diǎn)趨勢增長，說明存在最優(yōu)含砂量，即在該含砂量下，強(qiáng)度最高，破壞應(yīng)變較??；試驗(yàn)得出最優(yōu)含砂量具有隨水泥摻入比增加而增大的內(nèi)在規(guī)律；當(dāng)水泥摻入比為12%和20%時(shí)的最優(yōu)含砂量分別是30%和40%.

3）在軟基工程中，采用水泥攪拌樁加固處理淤泥質(zhì)土-砂混合軟土具有優(yōu)越性；對于加固不含砂的軟土?xí)r，也可通過在水泥漿液中摻入適量的砂料來提高強(qiáng)度，為軟土地基處理工程提供一條新途徑.

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Research on the cured properties of cement stabilized silty soil&sand mixed soft soil

LIU Pingping1,XU Yanbin2,AI Zhiwei3，DENG Tongfa1
(1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000，China; 2.Ganzhou Boda Highway Co.Ltd,Ganzhou 341000,China;3.Zhejiang Construction Investment Group Co.Ltd,Hangzhou 310012,China)

Through unconfined compression test,this paper studies the engineering properties of the cured cement silty soil and sand mixed soil in Jing-Mu highway granite areas.Results show the effects of the sand content and the age on its strength and deformation.Experimental results show that：when the cement ratio is constant,the strength growth of sand cement stabilized soil is the peak point of trend,that is,it has the optimal amount of sand and it increases with the increasing cement ratio;when the cement ratio is 12%,the optimal amount of sand is 30%and when the cement ratio is 20%the optimal amount of sand is 40%.The stress strain curve of the cement stabilized soil exists obvious peaks,belonging to soften processing type;the effects of sand content on the strength and deformation characteristics are mainly replacement,pelletization,padding, constraints,and the roles of water reduction and dispersion,which shows that the cement solidified silty soilsand mixed soft soil has the superiority.

cement stabilized soil;sand content;composite soil;strength

TU43

A

2014-07-01

江西省交通廳科技資助項(xiàng)目（2012C0004）；江西省交通廳科技資助項(xiàng)目（2012C0003）

劉平平（1988-），男，碩士研究生，主要從事巖土工程、地基處理等方面的研究，E-mail：304480970@qq.com.

鄧通發(fā)（1980-），男，副教授，主要從事巖土工程等方面的研究，E-mail：dbdtf@163.com.

2095-3046（2014）05-0045-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.05.009