水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗分析

陳中學，李文廣，任 濤，梁 鵬

(1.重慶市交通規(guī)劃勘察設計院， 重慶 401121； 2.重慶市交通工程質(zhì)量檢測有限公司， 重慶 401121)

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水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗分析

陳中學1，李文廣1，任 濤2，梁 鵬1

(1.重慶市交通規(guī)劃勘察設計院， 重慶 401121； 2.重慶市交通工程質(zhì)量檢測有限公司， 重慶 401121)

通過室內(nèi)重塑土試樣無側(cè)限抗壓強度試驗，探討在不同水泥標號、不同水泥摻量、不同齡期、不同軟土條件下水泥土無側(cè)限抗壓強度發(fā)展規(guī)律。試驗結果表明：齡期對水泥土無側(cè)限抗壓強度的提高比水泥摻量的影響更明顯；425普通硅酸鹽水泥對軟土無側(cè)限抗壓強度的改善效果由好到差依次為粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥。325礦渣硅酸鹽水泥對于淤泥土地基處理效果明顯好于425普通硅酸鹽水泥。以武漢某道路工程為依托，通過室內(nèi)正交試驗，考慮水泥土無側(cè)限抗壓強度的相關因素，找出影響粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥強度的主要影響因素，以便在工程中盡可能獲得最好的軟土加固效果。

水泥土；抗壓強度；水泥摻量；齡期；軟土

水泥土是依靠機械力攪拌或射流沖切，把地基的天然軟土與水泥漿(或粉)混拌在一起形成樁體或墻體，從而加固軟土地基。影響水泥土強度的因素較多，許多學者對此已進行了較為深入的研究。 例如，F(xiàn)isher、Kawasaki等[1-2]分析了粘性土中摻入不同水泥的力學特性；鄭剛、宮必寧等[3-4]對水泥土攪拌樁的承載力及水泥加固土的物理力學性質(zhì)等進行了研究。然而，每個實際工程均有其自身的特點，故影響水泥土強度的主要因素不盡相同。地下連續(xù)墻是常見深基坑處理措施之一，而墻體經(jīng)常采用水泥土，其力學性能決定了基坑支護的效果[5-7]。目前，大部分學者均對水泥摻量、水泥標號、齡期、外加劑等因素影響進行了研究。本文根據(jù)現(xiàn)場施工條件，探討水泥土無側(cè)限抗壓強度時除考慮上述因素外還考慮了軟土本身的影響。國內(nèi)研究資料表明，多數(shù)學者認為水泥摻量是水泥土強度影響的主要因素，而本文基于正交試驗結果，認為水泥摻量對粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥無側(cè)限抗壓強度提高程度不盡相同。

本文以武漢市某道路工程為依托，對水泥土強度的影響因素展開研究，旨在找出各因素對水泥土強度的影響程度，以便能在施工中抓住主要控制因素，保證工程質(zhì)量。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)及氣候概況

武漢市某道路工程全長約440 m。場地主要為菜地，地形較平坦，現(xiàn)狀地面高程一般約在17～18 m。場地地貌單元屬湖泊堆積平原，相當于長江一級階地。

武漢市屬于我國東南季風氣候區(qū)，具有夏季炎熱、冬季寒冷、降水充沛等主要氣候特點，年平均氣溫15.9 ℃,極端最高氣溫41.3 ℃，極端最低氣溫-18 ℃。多年平均降雨量1 261.2 mm，降雨多集中在6—8月，占全年總降雨量的41%。最大年降水量 2 107.1 mm，最大日降水量332.6 mm，年平均雨水蒸發(fā)量為1 447.9 mm，年平均絕對濕度為16.4 mb，濕度系數(shù)為0.90，大氣影響急劇深度為1.35 m。

1.2 水文地質(zhì)概況

在勘探孔勘探揭示的深度范圍內(nèi)，該道路工程場地地基土主要由人工填土、全新統(tǒng)湖積相淤泥、一般粘性土及沖洪積相粗礫砂構成，下伏白堊-上第三系粉砂質(zhì)泥巖。

場地地表水位標高17.20 m。在勘探孔揭示的深度范圍內(nèi)，該道路工程沿線地下水主要為上層滯水和承壓水。上層滯水主要賦存于場地上部人工填土中，場地主要接受大氣降水、灌溉用水入滲補給，對工程施工影響較小，施工時可及時抽排疏干處理。施工勘察期間，測得上層滯水水位標高為16.30～17.30 m，承壓水主要賦存于粗礫砂層中，對工程影響較小。因此，本文結合場地沿線周邊環(huán)境地質(zhì)條件并按照GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》有關規(guī)定，判定沿線地表水及地下水對混凝土結構、鋼筋混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結構有弱腐蝕性。

2 水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗

2.1 試驗目的

通過室內(nèi)配制水泥土，對其開展無側(cè)限抗壓強度試驗，以獲得在不同水泥含量及不同齡期下水泥土的無側(cè)限抗壓強度，從而為武漢市某道路工程水泥土軟土地基處理提供理論指導。

2.2 試驗設備

試驗使用南京電力自動化設備總廠生產(chǎn)的SJ-1 A.G型應變控制式三軸剪切儀，如圖1所示。試驗過程如圖2所示。

圖1 SJ-1A.G 型三軸剪切儀

圖2 試驗過程

2.3 試驗設計參數(shù)

土樣：淤泥、粘土、淤泥質(zhì)粘土。

水泥摻量：50、55和60 kg/m。

水泥漿水灰比：0.50。

試驗齡期：7、14和28 d。

2.4 試驗方法

對地面以下1.5 m淤泥、4.0 m粘土、5.5 m淤泥質(zhì)粘土等3種土進行水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗用水泥為425號普通硅酸鹽水泥，以及用于對比的325號礦渣硅酸鹽水泥。拌和水為自來水。

具體試驗過程如下：1) 按照50、55和60 kg/m計算，將現(xiàn)場所取并保濕的土樣放入塑料盆中備用；2) 分別稱適量的水泥和拌和水，采用水灰比為0.5的水泥漿倒入濕土盆中；3) 用鐵鏟初拌，人工揉和拌勻，分3層裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm鐵模內(nèi)，每層用20 mm×40 mm×200 mm木塊搗實20次，最后刮平表面，并蓋上塑料薄膜；4) 2 d后拆膜，拆模后將土樣置于溫度為(20±2)℃的水中養(yǎng)護至試驗齡期。本次試驗進行3組平行試驗。

2.5 試驗結果

淤泥、粘土、淤泥質(zhì)粘土中加入425號普通硅酸鹽水泥土的試驗結果見表1～3。淤泥中加入325礦渣硅酸鹽水泥土的試驗結果見表4。影響水泥土攪拌樁抗壓強度的因素包括土樣性質(zhì)、水泥摻量、水泥強度等級、水灰比、齡期等。

采用南京電力自動化設備總廠生產(chǎn)的SJ-1A.G型應變控制式三軸剪切儀進行試驗，每0.05 mm變形記錄試驗壓力。每種不同水泥含量及養(yǎng)護時間水泥土試樣進行3次平行試驗，試樣為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體，試驗結果如圖3所示。

表1 不同水泥含量及齡期水泥土(淤泥)強度

圖3 不同齡期不同水泥含量水泥土(淤泥)應力-應變關系曲線

水泥摻量/(kg·m-1)不同齡期(d)下的水泥土(粘土)無側(cè)限抗壓強度/MPa71428500.4950.6000.867550.5700.9470.953600.7601.1301.677

表3 不同水泥含量及齡期水泥土(淤泥質(zhì)粘土)強度

3 試驗結果分析

3.1 水泥摻量的影響

由表1可知，對于水灰比為0.50，淤泥配置的水泥土試件，當水泥摻量從50 kg/m增至55 kg/m再至60kg/m時，其7d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.130 MPa增至0.150 MPa再至0.257 MPa，分別增大15.4%和98%；其14d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.187 MPa增至0.203 MPa再至0.260 MPa，分別增大8.6%和39%；其28 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.207 MPa增至0.230 MPa再至0.300 MPa，分別增大11%和45%。

表4 不同水泥含量及齡期水泥土(淤泥中加入325號礦渣硅酸鹽水泥)強度

由表2可知，對于水灰比為0.50，粘土配置的水泥土試件，當水泥摻量從50 kg/m增至55 kg/m再至60 kg/m時，其7 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.495 MPa增至0.570 MPa再至0.760 MPa，分別增大15%和54%；其14 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.600 MPa增至0.947 MPa再至1.130 MPa，分別增大58%和88%；其28 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.867 MPa增至0.953 MPa再至1.677 MPa，分別增大10%和92%。

由表3可知，對于水灰比為0.50，淤泥質(zhì)粘土配置的水泥土試件，當水泥摻量從50 kg/m增至55 kg/m再至60 kg/m時，其7 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.217 MPa增至0.220 MPa再至0.300 MPa，分別增大1.4%和38%；其14 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.293 MPa增至0.363 MPa再至0.377 MPa，分別增大24%和29%；其28 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.553 MPa增至0.583 MPa再至0.583 MPa，分別增大5.4%和5.4%。

由以上分析可知，隨著水泥摻量增大，各試件的無側(cè)限抗壓強度也隨之越大。水泥對軟土的加固主要是由于水泥與土之間會產(chǎn)生物理、化學反應所致，包括水泥水解和水化反應、硬凝反應、水泥與軟土之間的離子交換和團?；饔谩Ｋ嘧鳛榧庸虅?，其摻量越大，與軟土的物理化學作用進行得越快，程度越深入，則其對軟土的加固作用就越大，效果就越顯著。同時，水泥摻入軟土中可減小土樣的含水量，有利于土樣固結，從而可提高水泥土的無側(cè)限抗壓強度，改善加固效果。

3.2 水泥種類的影響

由表1、表4可知，對于水灰比為0.50，淤泥配置的水泥土試件，當水泥摻量從50 kg/m增至55 kg/m再至60 kg/m時，采用325礦渣硅酸鹽水泥的試件比采用425普通硅酸水泥的試件其7 d齡期無側(cè)限抗壓強度分別增加186.9%、173.3%、98.4%；其14 d齡期無側(cè)限抗壓強度分別增加213.9%、269%、219.2%；其28 d齡期無側(cè)限抗壓強度分別增加289.8%、476.9%、374.3%。

由以上分析可知，325礦渣硅酸鹽水泥對淤泥的加固效果明顯好于425普通硅酸鹽水泥，水泥種類對不同土的加固效果亦有差別。

3.3 齡期影響

由表1可知，對于水灰比為0.50，淤泥配置的水泥土試件，當水泥摻量為50 kg/m時，其7、14和28 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.130 MPa增至0.187 MPa再至0.207 MPa，分別增大44%和59%；當水泥摻量為55 kg/m時，其7、14和28 d齡期從0.150 MPa增至0.203 MPa再至0.230 MPa，分別增大35.3%和53%；當水泥摻量為60 kg/m時，其7、14和28 d齡期從0.257 MPa增至0.260 MPa再至0.300 MPa，分別增大1.1%和17%。對于水灰比為0.50，粘土配置的水泥土試件，當水泥摻量為50 kg/m 時，其7、14和28 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.495 MPa增至0.600 MPa再至0.867 MPa，分別增大21%和75%；當水泥摻量為55 kg/m時，其7、14和28 d齡期從0.570 MPa增至0.947 MPa再至0.953 MPa，分別增大66%和67%；當水泥摻量為60 kg/m時，其7、14和28 d齡期從0.760 MPa增至1.130 MPa再至1.677 MPa，分別增大49%和121%。對于水灰比為0.50，淤泥質(zhì)粘土配置的水泥土試件，當水泥摻量為50 kg/m時，其7、14和28 d齡期無側(cè)限抗壓強度從0.217 MPa增至0.293 MPa再至0.553 MPa，分別增大35%和155%；當水泥摻量為55 kg/m時，其7、14和28 d齡期從0.220 MPa增至0.363 MPa再至0.583 MPa，分別增大65%和165%；當水泥摻量為60 kg/m時，其7、14和28 d齡期從0.300 MPa增至0.377 MPa再至0.583 MPa，分別增大26%和94%。

由上述分析可知，當其它條件相同時，水泥土無側(cè)限抗壓強度隨齡期增長而增大。水泥作為一種水硬性材料，在有水的條件下，其熟料礦物與水發(fā)生水化反應，形成水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物凝聚產(chǎn)生強度。水泥早期水化非常迅速，當水泥顆粒與水接觸后，水化反應立即開始。水泥顆粒外層首先水化，當水化進行到一定程度后，水化產(chǎn)物包裹其表面，致使內(nèi)部未水化的水泥核心進一步水化變得困難，水化速度大大降低，導致水泥完全水化需要相當長的時間。由此可見，水泥水化是一個長期過程。隨著水泥不斷水化，水泥土的強度不斷增長。水泥加固軟土的基本原理是基于水泥加固土的物理、化學反應。水泥土中，由于水泥摻量較少，水泥的水解和水化反應是在具有一定活性的介質(zhì)土圍繞下進行的，導致硬化速度緩慢且作用復雜，從而致使水泥土強度增長過程比較緩慢。另外，水泥硬凝反應、水泥與軟土之間的離子交換和團?；饔靡彩且粋€長期過程，因此致使水泥土強度增長過程比較緩慢。

3.4 軟土本身的影響

考慮到土樣本身含水量、有機質(zhì)含量和pH值等因素對水泥土無側(cè)限抗壓強度也有影響，因此水泥對土的加固效果存在明顯差異。當水泥土配合比相同時，其強度隨土樣天然含水量降低而增大。研究表明，當土樣含水量在50%～85%范圍內(nèi)變化時，含水量每降低10%，水泥土強度可提高30%～50%；有機質(zhì)含量少的水泥土強度比有機質(zhì)含量高的水泥土強度高得多。有機質(zhì)的存在致使土層具有較大的含水量和塑性、較大的膨脹性和低滲透性，并使土層具有一定的酸性，阻礙水泥水化反應和土樣固結，影響水泥土強度增長。

綜上所述，隨著水泥含量增大和齡期增長，水泥土無側(cè)限抗壓強度也有所增大。但對于淤泥質(zhì)土而言，水泥摻量的增加對水泥土強度增加不明顯。

4 結論

本文對武漢某道路工程水泥土強度進行了試驗研究，得出如下結論：

1) 影響水泥土攪拌樁抗壓強度的因素包括水泥摻量、齡期和土樣性質(zhì)等。

2) 淤泥、粘土及淤泥質(zhì)粘土摻加不同強度的硅酸鹽水泥所形成的水泥土其無側(cè)限抗壓強度隨水泥用量增加而增大，隨齡期增長而增大。就本次試驗而言，齡期對水泥土無側(cè)限抗壓強度的提高比水泥摻量的影響更明顯。

3) 對于425號普通硅酸鹽水泥而言，相同水泥摻量及相同齡期條件下，水泥對粘土無側(cè)限抗壓強度的改善效果最佳，淤泥質(zhì)粘土次之，淤泥的改善效果最差。

4) 淤泥中摻加325號礦渣硅酸鹽水泥時，水泥含量和水泥土養(yǎng)護時間對水泥土的無側(cè)限抗壓強度影響都較大。325號礦渣硅酸鹽水泥對于淤泥土地基處理效果明顯好于425號普通硅酸鹽水泥。

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Unconfined Compressive Strength Test Analysis for Cement Soil

CHEN Zhongxue1, LI Wenguang1, REN Tao2, LIANG Peng1

Through indoor unconfined compressive strength test on remodeled soil sample, we explore development rule of unconfined compressive strength of cement soil of different cement grade, different cement content, different age, and different soft soil conditions. The test results show that the cement age has more significant influence to unconfined compressive strength of cement soil than that of cement content; 425 common Portland cement's meliorating effect to unconfined compressive strength of cement soil, from good to bad, is clay, sludge soil, sludge. For sludge soil, 325 slag Portland cement has much better treatment effect than that of 425 common Portland cement. Based on certain road project in Wuhan City, by indoor orthogonal test, with related factors for unconfined compressive strength of cement soil considered, we find out major influence factors for clay, sludge soil and sludge strength, so to acquire best soft soil reinforcement during project construction.

Cement soil; compressive strength; cement content; age; soft soil

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.002

2016-06-06

陳中學(1978-)，男，湖北省當陽市人，博士，高工。

1009-6477(2016)05-0004-05

U414

A