水泥土攪拌樁室內(nèi)試驗(yàn)研究

范凌燕

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410132)

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水泥土攪拌樁室內(nèi)試驗(yàn)研究

范凌燕

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410132)

摘要:結(jié)合黔張常鐵路項(xiàng)目對(duì)水泥土進(jìn)行一系列的室內(nèi)研究試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥土的重度較原狀土有所增加，幅度為1.7%~7.4%。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而增大，破壞模式為脆性破壞，呈現(xiàn)倒三角錐形。水泥土的壓縮模量隨著齡期和摻入比的增大而增加。研究成果可為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水泥土；重度；液、塑限；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；固結(jié)；破壞模式

近幾年來(lái)，我國(guó)高速公路、高速鐵路發(fā)展迅速，建設(shè)過(guò)程中難免會(huì)遇見(jiàn)軟弱地基，水泥加固土是軟弱地基處理的常用方法[1]。水泥加固土具有最大限度的利用原位土，攪拌時(shí)無(wú)振動(dòng)和無(wú)噪聲，對(duì)環(huán)境影響較小，加固形式靈活、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有費(fèi)用低、施工方便、作業(yè)面小等優(yōu)越性，因此發(fā)展前景樂(lè)觀。歐明喜等[2]通過(guò)水泥土三軸疲勞試驗(yàn)，得出了水泥摻量、加載頻率和循環(huán)周數(shù)對(duì)水泥土疲勞特性的影響規(guī)律；王星華[3]對(duì)水泥土固化過(guò)程進(jìn)行了微觀研究；周麗萍等[4]研究了粉質(zhì)黏土水泥土，提出了這種土在單軸受壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的本構(gòu)方程，并分析了影響因素。阮波等[5-6]研究了不同類(lèi)型土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素和作用機(jī)理。本文結(jié)合黔張常鐵路項(xiàng)目，探討水泥土物理力學(xué)特性，并分析強(qiáng)度的影響因素。研究不同的水泥摻量、不同的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和固結(jié)特性的影響，結(jié)果可為室外的水泥土攪拌樁工程提供參考。

1試驗(yàn)研究

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的土取自黔張常某鐵路項(xiàng)目，其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。水泥選取為425號(hào)的普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.2　試驗(yàn)方案

由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的水泥攪拌樁樁徑為0.5 m，設(shè)計(jì)的水泥摻入比為55 kg/m,折算成濕土摻入比aw(見(jiàn)式(1)所示)為13.7%，按照設(shè)計(jì)要求水灰比為1.0，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3所示。

(1)

式中：aw為濕土摻入比，%；mc為水泥質(zhì)量，kg；ms為濕土質(zhì)量，kg。

表1　原狀土物理力學(xué)性質(zhì)

表2　水泥的物理力學(xué)指標(biāo)

表3　試驗(yàn)方案

為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，其中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和固結(jié)試驗(yàn)各采用3個(gè)平行試樣，取其平均值作為該小組的結(jié)果。試樣的測(cè)得值與平均值之差超過(guò)平均值的±15%時(shí)，則該組試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，按余下試驗(yàn)的測(cè)得值算得平均值，若一組試樣的個(gè)數(shù)不足2個(gè)時(shí)，則該組試驗(yàn)結(jié)果作廢，須重做滿足要求。

1.3　試樣制備

土樣風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩，然后按照上述的3種水泥摻入比、水灰比和含水率要求分別稱(chēng)取適量的水泥、水。按照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T233-2011)[8]規(guī)定：將風(fēng)干土和水泥先拌合均勻，加水并攪拌至20 min。將水泥漿拌合物分兩次插倒、振實(shí)、刮平制作成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊和直徑為61.8 mm高度為20 mm的環(huán)刀圓柱體試樣。經(jīng)過(guò)24h之后進(jìn)行脫模，標(biāo)號(hào)后放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為:溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度≥95%，養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用WDW-50型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程中速率控制在10 mm/min。由于水泥土變形較小，故壓縮試驗(yàn)采用GDZ-2三聯(lián)高強(qiáng)固結(jié)儀，加載序列為100，200，400，800，1 600和3 200 kPa。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1　水泥土密度和液塑限試驗(yàn)

用天平稱(chēng)取試樣質(zhì)量，用量積法測(cè)量體積，然后計(jì)算單位體積的質(zhì)量。液塑限則采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)得，試驗(yàn)結(jié)果列于表4。

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水泥土的重度大于原狀土的重度。一般情況下，大約增長(zhǎng)1.7%~7.4%，因此水泥土重度的增加未對(duì)下面的土層產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力和附加沉降。液限、塑限均較原狀土有所增加，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，塑限指數(shù)越大。

2.2　無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

當(dāng)水泥遇到土中的水時(shí)，水泥中的礦物成分與水發(fā)生一系列水解水化，通過(guò)水泥和土質(zhì)之間的離子交換、團(tuán)?；⒛饔玫纫幌盗形锢砘瘜W(xué)反應(yīng)，生成氫氧化物和含水鹽化合物等，形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的凝膠物，減少了土體的含水量，增加了土顆粒之間的黏聚力，使土體的強(qiáng)度和壓縮模量提高，從而達(dá)到加固地基的目的。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4　各組試驗(yàn)的密度和液塑限

表5　各組試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

水泥的摻入比對(duì)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示，從圖中可以看出，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥的摻入比的增加而增長(zhǎng)，與原狀土相比，其強(qiáng)度提高5.66~13.86倍，所以加固效果顯著。在實(shí)際工程中，水泥摻量不能太多也不能太少。若太多，則形成的水泥土強(qiáng)度很大，其壓縮模量也比較高，其構(gòu)成的水泥土攪拌樁在外部荷載的作用下，樁體本身承載的荷載較多，位移相對(duì)較小，而樁周土壓縮模量小，承擔(dān)的荷載較小，從而樁土的應(yīng)力比較大，不利于復(fù)合地基的整體穩(wěn)定性。若太少，水泥土強(qiáng)度不高，樁體的承載能力較低，同時(shí)在實(shí)際過(guò)程中考慮經(jīng)濟(jì)的原因。

圖1　無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻入比關(guān)系Fig.1 Relationship between UCS and the mixing ratio

表5和圖2反映了養(yǎng)護(hù)齡期和水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變長(zhǎng)，其強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)，特別是在28 d增長(zhǎng)幅度顯著提高?，F(xiàn)行規(guī)范[8-9]規(guī)定，水泥土的性能指標(biāo)宜以90 d齡期的試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。以14 d的為例，10.7%，13.7%和16.7%的摻入比的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為90 d的0.46~0.52，28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為90 d的0.59~0.64。

圖2　無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系Fig.2 Relationship between UCS and age

在試驗(yàn)結(jié)束后觀察試樣在單軸受壓狀態(tài)下的典型破壞模式，可以發(fā)現(xiàn)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的破壞形式主要為脆性破壞。在水泥摻入量較高，養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)的情況下，試樣破壞形式呈倒三角錐形；而在摻入量較低養(yǎng)護(hù)齡期較短的情況下則表現(xiàn)為斜向剪切破壞，會(huì)出現(xiàn)明顯的剪切面。試樣的脆性破壞的典型照片如圖3所示。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，水泥土在不同的水泥摻入比情況下，齡期越長(zhǎng)，孔隙比越小，這是因?yàn)闀r(shí)間越久，水泥與土顆粒間的水解和水化作用就越明顯，生成的硅酸鈣、硅鋁酸鈣和膠凝物也就充斥在土顆粒中，其強(qiáng)度自然而然就越高，沉降變形也就越低。壓縮系數(shù)av<0.1，說(shuō)明水泥土屬于低壓縮性土。在齡期相同的情況下，壓縮模量Es1-2隨著水泥摻入比的增大而增大；在水泥摻入比相同的情況下，壓縮模量Es1-2隨著齡期的增大而增大，壓縮系數(shù)

av則相反。由此可知，隨著時(shí)間的推遲，水泥的水化完成，則壓縮性也逐步降低。

圖3　水泥土典型的脆性破壞模式Fig.3 Cement-soil typical brittle failure mode

2.3　固結(jié)試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖6所示。

(a)aw=10.7%；(b)aw=13.7%； (c)aw=16.7%圖4　不同水泥摻入比下的e-P曲線圖Fig.4 E-P curves under the different cement mixing ratio

摻入比/%10.713.716.7齡期/d142890142890142890壓縮系數(shù)av0.0810.0620.0560.0750.0590.0470.0620.0450.043壓縮模量Es1-221.65128.19131.36822.73430.09338.68538.68539.95244.013

3結(jié)論

1)摻入一定配比的水泥后，水泥土的重度一般有所增加，幅度為1.7%~7.4%。

2)水泥土試樣在單軸受壓情況下主要表現(xiàn)為脆性破壞。在高摻入比和長(zhǎng)齡期的情況下主要呈現(xiàn)2個(gè)倒三角錐形式。

3)水泥土屬于低壓縮性土，在水泥摻入比一定時(shí)，齡期越長(zhǎng)，壓縮模量Es1-2越大，同時(shí)壓縮模量Es1-2隨著摻入比的增大而增大。

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(編輯蔣學(xué)東)

Experimental study on cement-soil mixing pile

FAN Linyan

(School of Luqiao Engineering, Hunan Communication Polytechnic，Changsha 410132，China)

Abstract:A series of indoor test were completed according to the research on cement-soil based on Qian Zhang Chang Railway project.The results indicate that soil with a amount of cement can increase unit weight by1.7~7.4times.The UCS increases significantly with the increase of mixing ratio.Damage model is brittle failure, and nobla cone was found.The compression modulus of cement-treated soil increases with the increase of age and mixing ratio.This study is of conference value in the construction and design of other similar projects.

Key words:cement soil; unit weight; liquid and plastic limit; UCS; consolidation; failure mode

通訊作者：范凌燕(1973-)，女，湖南邵陽(yáng)人，從事巖土和建材教學(xué)與研究；E-mail:704697157@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50678175)

收稿日期：2015-03-10

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2015)06-1374-05