水泥土攪拌法加固淤泥質(zhì)黏土的試驗(yàn)研究

秦世偉，陸小鋒，張國軍

(上海大學(xué) 土木工程系，上海市 200444)

1 前言

水泥攪拌法加固軟土是選用一定比例的水泥(添加外加劑)作為固化劑，通過專門的攪拌機(jī)械，將原狀土與固化劑(漿液或粉體)攪拌，使原狀土固化成為具有整體性和抗?jié)B性能等的水泥加固土。由于水泥攪拌法的經(jīng)濟(jì)實(shí)用、對環(huán)境影響小及施工靈活等優(yōu)點(diǎn)，該法被廣泛用于公路、基坑工程等領(lǐng)域的軟土地基加固、止水帷幕及淺基坑圍墻支護(hù)中。

隨著水泥攪拌樁(墻)的廣泛應(yīng)用，眾多學(xué)者對其研究也漸漸深入，Chew、曹智國及張本蛟等分析了水泥摻量、圍壓及養(yǎng)護(hù)齡期對水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律；徐曉東等分析不同偏高嶺土摻量對水泥土強(qiáng)度的影響，為水泥土性能的改良提供理論基礎(chǔ)；李建軍等利用單軸抗壓試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)以及水泥土梁的彎曲試驗(yàn)，分析了水泥土變形模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系；黃雨等從試驗(yàn)土的化學(xué)成分與物理微結(jié)構(gòu)等微觀角度分析水泥土加固效果差異的微觀機(jī)理及其形成原因，加固后的土體在物理微結(jié)構(gòu)上的差異而導(dǎo)致加固土體強(qiáng)度表現(xiàn)的不同；閆楠等采用天然海水作為腐蝕介質(zhì)對水泥土進(jìn)行浸泡，通過微型貫入試驗(yàn)、SEM試驗(yàn)等多種手段研究水泥土強(qiáng)度的分布規(guī)律和衰減過程，得出水泥土的衰減是由于侵蝕性離子抑制水泥土強(qiáng)度增長和促使水泥土強(qiáng)度降低的共同結(jié)果，以Ca2+的含量證明水泥土強(qiáng)度。

然而，以上研究均局限于解決水泥土的物理化學(xué)性質(zhì)，且不充分考慮現(xiàn)場施工條件以及設(shè)計(jì)的要求。而目前相關(guān)規(guī)范對水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)要求，水泥土攪拌樁(墻)28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于0.8 MPa。該文通過養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的水泥攪拌法加固淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究水泥摻入量、養(yǎng)護(hù)條件對水泥土強(qiáng)度及變形特征的影響規(guī)律，為水泥土的設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

制備水泥土試塊的土樣取自上海某基坑的第④1層淤泥質(zhì)黏土。土樣參照上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-37-2012《巖土工程勘察規(guī)范》進(jìn)行試驗(yàn)，上海地區(qū)④1層灰色淤泥質(zhì)黏土屬淺海相沉積，主要由細(xì)粒土組成，孔隙比大、高壓縮性、靈敏度高。一般埋置在地下3～20 m，地下水為潛水類型，天然含水量45%～70%，大于其液限，呈流塑狀態(tài)，滲透系數(shù)k=7.05×10-7cm/s左右。土中含云母及有機(jī)質(zhì)，該土質(zhì)地下水對水泥土有微腐蝕性。深度為6～15 m淤泥質(zhì)黏土具有絮狀片狀結(jié)構(gòu)。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際勘察數(shù)據(jù)，土樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1、2。

試驗(yàn)采用的水泥為上海工程常用P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥作為固化劑。制備的水泥土試塊規(guī)格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)操作流程按照J(rèn)TJ/T233-2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行。淤泥質(zhì)黏土從基坑現(xiàn)場取回后立即進(jìn)行配制試驗(yàn)，以免土樣含水率發(fā)生變化。水泥摻入比根據(jù)上海工程施工經(jīng)驗(yàn)選取，具體aw為10%、12%、14%、16%、18%以及20%，制備立方體試塊。其中，每一種養(yǎng)護(hù)條件下，每個(gè)水泥摻入比制備5個(gè)平行試塊。水灰比參考當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)值，取0.5。配制好的水泥漿液進(jìn)行人工攪拌，不封閉攪拌，有5%～8%的水泥漿液流失，模擬施工中的冒漿。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下靜置48 h后拆模，將試件分3種條件養(yǎng)護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱)、水中養(yǎng)護(hù)[用塑料薄膜將試件密封浸入(20±2)℃的水中養(yǎng)護(hù)]、軟土養(yǎng)護(hù)(將試件養(yǎng)護(hù)在恒溫室內(nèi)的淤泥質(zhì)黏土中)。由于工程工期的限制，設(shè)計(jì)時(shí)以齡期28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，故養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)28 d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。單軸抗壓試驗(yàn)采用CTM-8050微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，以0.05 kN/s的加荷速率連續(xù)均勻地加荷，直至試件壓縮變形為15%時(shí)的荷載為破壞荷載。

表1 試驗(yàn)土樣物理力學(xué)性質(zhì)

表2 原土中水的化學(xué)性質(zhì)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水泥摻入比對水泥土強(qiáng)度的影響

單軸受力狀態(tài)下水泥土的強(qiáng)度是課題研究的基礎(chǔ)和重要參數(shù)，水泥土的單軸抗壓強(qiáng)度qu是指水泥土在無側(cè)限條件下抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。對90個(gè)水泥土試件樣品進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測得在不同養(yǎng)護(hù)條件及不同水泥摻入比的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

從表3可得：水中養(yǎng)護(hù)水泥土試件(以下簡稱水養(yǎng)試件)的水泥土強(qiáng)度值離散性小。軟土養(yǎng)護(hù)水泥土試件(以下簡稱土養(yǎng)試件)在低水泥摻入比時(shí)水泥土抗壓強(qiáng)度值離散性小，水泥摻入比大時(shí)離散性大，其原因是在軟土養(yǎng)護(hù)條件下有較多不可控制的因素。試驗(yàn)研究結(jié)果指出，當(dāng)其他條件相同時(shí)，密封后水養(yǎng)水泥土試件的水泥土強(qiáng)度符合GB/T 50783-2012《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》中水泥土的抗壓強(qiáng)度和水泥摻入比兩者間呈冪函數(shù)關(guān)系，但軟土養(yǎng)護(hù)的水泥土試件的水泥土強(qiáng)度應(yīng)乘以折減系數(shù)α。

表3 水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)測值

(1)

式中：α在軟土養(yǎng)護(hù)時(shí)取0.80～0.88，水中養(yǎng)護(hù)試件取1.0～1.1。

3種養(yǎng)護(hù)條件下水泥土的抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖1所示。

圖1 3種養(yǎng)護(hù)條件下水泥摻入比與水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，水泥土抗壓強(qiáng)度隨著水泥土摻入比的增加而增加。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)的水泥土試件(以下簡稱標(biāo)養(yǎng)試件)，水泥土抗壓強(qiáng)度增長速率的變化較多，而水養(yǎng)試件在水泥摻入比較低時(shí)，其強(qiáng)度增長較為明顯，增長幅度最大，反之，土養(yǎng)試件在水泥摻入比aw≤12%時(shí)水泥土抗壓強(qiáng)度增長幅度最小，且土樣試件水泥土抗壓強(qiáng)度增長速率相對緩慢。當(dāng)水泥摻入比aw=10%～20%，對于水養(yǎng)試件和土養(yǎng)試件，水泥土抗壓強(qiáng)度和水泥摻入比的關(guān)系呈線性關(guān)系，并且前者曲線的斜率大于后者，即水泥土的物理化學(xué)反應(yīng)程度更高。

對于標(biāo)養(yǎng)試件的水泥土抗壓強(qiáng)度，其增長速率變化規(guī)律不一致，這主要是因?yàn)樵嚰B(yǎng)護(hù)過程中人為干擾因素較多，水泥土的碳化作用以及結(jié)晶作用不一致，導(dǎo)致標(biāo)養(yǎng)試件的抗壓強(qiáng)度離散性較大。

3.2 養(yǎng)護(hù)條件對水泥土強(qiáng)度的影響

從圖1還可以看出：不同養(yǎng)護(hù)條件的水泥土抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加有明顯的差別，而且水泥土強(qiáng)度增長速率的變化不一樣。相同水泥摻入比條件下，水養(yǎng)試件水泥土抗壓強(qiáng)度最大，土養(yǎng)試件強(qiáng)度最小，并且兩者間的差值隨水泥摻入比的增加而增大，前者大約是后者的2倍。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果：在水泥摻入比aw=10%～20%范圍內(nèi)，軟土養(yǎng)護(hù)水泥土試件和密封后水養(yǎng)水泥土試件的水泥土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系為:

fcu,w=βfcu,c+a

(2)

式中：fcu,w為水養(yǎng)試件的水泥土強(qiáng)度；fcu,c為土養(yǎng)試件的水泥土強(qiáng)度；β為系數(shù)，其取值范圍為1.9～2.2，水泥摻入比較低時(shí)取下限；a為在一定圍壓下的取值參數(shù)。

水養(yǎng)試件比標(biāo)養(yǎng)試件的水泥土抗壓強(qiáng)度大，兩者的差值基本上是一個(gè)定值。水養(yǎng)試件在水壓條件下，水泥土試件中的黏土顆粒團(tuán)粒化作用增強(qiáng)，促使水泥土的膠結(jié)能力提高。同時(shí)，在圍壓作用下水泥土中的孔隙減少，水泥顆粒和土顆粒間的連接更為緊密，水泥土骨架作用更為明顯，從而提高了水泥土抗壓強(qiáng)度。

當(dāng)水泥摻入比aw=16%時(shí)，土養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)條件下水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖2所示，兩者的曲線變化趨勢相同，但標(biāo)養(yǎng)試件與土養(yǎng)試件的水泥土抗壓強(qiáng)度相差近2倍。

對于每一種水泥土，水泥土強(qiáng)度主要來源于下面5類物理化學(xué)作用：水泥的水解和水化反應(yīng)、硬凝反應(yīng)、團(tuán)粒化作用、結(jié)晶作用以及碳化作用。水泥熟料遇水后水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣和氫氧化鈣等水溶液，然后凝結(jié)，硬化結(jié)晶。同時(shí)，水化產(chǎn)物又與土顆粒發(fā)生一系列的離子交換、硬凝作用等物理化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步生成水化硅酸鈣及水化硫鋁酸鈣等水化產(chǎn)物。此后，水化產(chǎn)物形成凝膠體結(jié)晶硬化，由于其具有很高的黏結(jié)能力，有效地黏結(jié)土粒形成水泥-土結(jié)構(gòu)，從而形成水泥土網(wǎng)狀性骨架結(jié)構(gòu)。水泥的水解和水化析出Ca2+，致使土粒周圍水溶液中陽離子的原子價(jià)位提高，受土粒負(fù)電荷所形成電場的靜電引力增強(qiáng)，進(jìn)而平衡土粒負(fù)電荷所需陽離子和極性水分子的數(shù)量減少，即與土粒表面負(fù)電荷構(gòu)成的雙電層變薄，其結(jié)果致使土顆粒間及水泥顆粒和土顆粒間的連接增強(qiáng)，顆粒間團(tuán)?；?，從而減少了水泥土的孔隙。因此，對于標(biāo)養(yǎng)的水泥土試件，其水化產(chǎn)物數(shù)量更多，水泥土的孔隙更少，從而致使標(biāo)養(yǎng)水泥土試件抗壓強(qiáng)度高于土養(yǎng)試件。

圖2 aw=16%時(shí)土養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)水泥土的抗壓強(qiáng)度曲線

3.3 水泥土變形特征的影響因素

圖3為不同水泥摻入比的水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖3 水泥摻入比對水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

從圖3可以得出：不同水泥摻入比下，曲線的變化趨勢相同，隨水泥摻入比增加，曲線上升階段越陡，屈服后的曲線下降越明顯。當(dāng)水泥摻入比aw=10%～20%時(shí)，同一養(yǎng)護(hù)條件下，隨著水泥摻入比增加，水泥土峰值應(yīng)力越大，破壞時(shí)的應(yīng)變值越小，極限割線模量增大，脆性增大。水泥土破壞時(shí)的應(yīng)變值大致為3.5%～4.5%。相較于水泥土強(qiáng)度的變化，隨著水泥摻入比的變化，其變形特征表現(xiàn)不明顯。并且，當(dāng)水泥摻入比aw=10%～14%時(shí)，水泥土破壞后的殘余強(qiáng)度趨于某個(gè)值；同時(shí)，當(dāng)水泥摻入比aw=14%～20%時(shí)，水泥土破壞后的殘余強(qiáng)度也將趨于某一個(gè)值。這主要是水泥土顆粒形成的骨架作用，隨著水泥含量的增加，水泥土抵抗變形的能力增強(qiáng)。同一養(yǎng)護(hù)條件下，水泥摻入比越高，其破壞應(yīng)變越低，脆性性能越明顯。

圖4為水泥摻入比aw=16%時(shí)，土養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)條件下水泥土的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系。

圖4 aw=16%時(shí)土養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)下水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

從圖4可知：不同養(yǎng)護(hù)條件下，曲線的變化趨勢基本相同，同一水泥摻入比標(biāo)養(yǎng)試件的極限抗壓強(qiáng)度明顯高于土養(yǎng)試件水泥土，但前者上升曲線表現(xiàn)更陡峭，下降階段的曲線應(yīng)力值變化更為明顯。土養(yǎng)試件水泥土破壞時(shí)的曲線表現(xiàn)平緩，破壞應(yīng)變的變化幅度為3.0%～4.5%，水泥土屈服后曲線下降不明顯，漸漸趨于穩(wěn)定值，水泥土塑性變形大。并且，根據(jù)曲線變化趨勢，標(biāo)養(yǎng)試件和土養(yǎng)試件屈服后的曲線越來越接近，這表明相同水泥摻入比下，水泥土的殘余強(qiáng)度值相差不大。標(biāo)養(yǎng)試件在水泥土抗壓強(qiáng)度以及變形特征方面與土養(yǎng)水泥土試件差別較大，標(biāo)養(yǎng)水泥土試件極限應(yīng)力值大，塑性變形小，試樣破壞表現(xiàn)更硬脆。這主要是由于土養(yǎng)試件在軟土的有機(jī)質(zhì)、水分及黏土礦物成分等作用下，破壞了水泥土顆粒以及水泥水解和水化反應(yīng)，降低了土顆粒團(tuán)?；饔?，從而水泥土顆粒數(shù)量減少，形成骨架的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)不連續(xù)，骨架作用能力降低，則土粒間黏聚力作用就較為明顯。在淤泥質(zhì)黏土的養(yǎng)護(hù)條件下，有機(jī)質(zhì)的富里酸等微腐蝕性對水泥水化產(chǎn)物進(jìn)行分解，從而使水泥石骨架含量減少，因此其容許塑性變形較大，脆性破壞減少。同時(shí)，淤泥質(zhì)黏土中含水量相對較多，水泥土試塊中黏土顆粒的黏聚力提高，水泥固化淤泥試件脆性減少。故軟土中水分和有機(jī)質(zhì)的增加使得水泥水化產(chǎn)物對水泥土強(qiáng)度中的作用能力降低，進(jìn)而提高水泥土塑性性能。

圖5為水泥摻入比aw=16%時(shí)水養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)條件下水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖5 aw=16%時(shí)水養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)下水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由圖5可得：水養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)水泥土強(qiáng)度、變形關(guān)系有較為明顯的區(qū)別。兩曲線的初始階段變化不大，標(biāo)養(yǎng)試件的水泥土變形曲線上升趨勢更為快速，曲線更陡，峰值應(yīng)變后曲線急速下降。水養(yǎng)水泥土試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為峰值應(yīng)力提高，極限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)，破壞時(shí)的應(yīng)變值增大，變形模量減小。這表明水養(yǎng)試件水泥土峰值應(yīng)變值更大，峰值后曲線變化較為平緩，其變形特征由脆性破壞向塑性破壞發(fā)展。并且，水養(yǎng)水泥土試件屈服后，曲線變化相比標(biāo)養(yǎng)水泥土試件小，水泥土的殘余強(qiáng)度大，甚至接近標(biāo)養(yǎng)水泥土的峰值強(qiáng)度，表明水泥土破壞后還具有抵抗破壞變形的能力。這主要是在水養(yǎng)條件下圍壓提高了黏土顆粒團(tuán)?；饔茫嗤恋酿ぞ哿υ鰪?qiáng)。并且水泥土試塊孔隙較少，增大了水泥土顆粒間的內(nèi)摩擦角作用，從而增強(qiáng)了水泥土的殘余強(qiáng)度。

綜上分析，隨著水泥摻入比的變化，水泥土的極限割線模量、破壞應(yīng)變及殘余強(qiáng)度等變化不大，即水泥摻入比對水泥土的變形特征影響較小。

水泥土試樣在軟土養(yǎng)護(hù)時(shí)，由于淤泥質(zhì)土中有機(jī)質(zhì)含量、含水量及黏土礦物成分等因素影響，水泥土試件變形模量較小，水泥土的破壞形式呈塑性破壞。

水泥土試樣在水中養(yǎng)護(hù)，其物理化學(xué)反應(yīng)過程作用較突出，無論是水泥土的抗壓強(qiáng)度，亦或塑性變形、殘余強(qiáng)度等，其工程性能優(yōu)點(diǎn)皆優(yōu)于土養(yǎng)及標(biāo)養(yǎng)水泥土試件。

4 結(jié)論

(1)水泥攪拌法加固淤泥質(zhì)黏土，在水泥摻入比aw=10%～20%時(shí)，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加而增大。但水泥摻入量aw≥20%，軟土養(yǎng)護(hù)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長速率減緩。

(2)由于實(shí)際工程中，使用水泥土攪拌法加固軟土需取樣養(yǎng)護(hù)及強(qiáng)度檢測，其試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)乘以折減系數(shù)0.5～0.8，低水泥摻入量取上值。

(3)在相同養(yǎng)護(hù)條件下，淤泥質(zhì)黏土的水泥土，當(dāng)水泥摻入比aw=10%～12%和aw=14%～20%時(shí)，水泥土試件的殘余強(qiáng)度漸漸趨于同一值，并且水泥土試件的變形特征在軟土養(yǎng)護(hù)條件下，其變化較小，有利于水泥土的變形破壞。