水泥土力學及變形特性研究

梅畢祥

（南昌金開集團， 江西 南昌 330029）

0 引言

筆者最近參與了一種新樁型“旋噴攪拌加勁抗拔樁”的工作機理和計算方法的研究工作。該樁型樁身主要由高壓旋噴水泥土樁體構(gòu)成，樁體內(nèi)配置了多個鋼制構(gòu)件，包括高強度鋼絞線、錨板(或稱壓力分散板)、防腐鋼管及鋼制樁頭等。

為了更好地探究該樁型的工作機理，首先必須對水泥土材料的力學和變形特性進行深入的了解。另一方面，如同鋼絞線-混凝土粘結(jié)強度與混凝土抗壓強度相關一樣，鋼絞線-水泥土之間的粘結(jié)作用與水泥土材料特性(如抗壓強度、抗剪強度等)也有關聯(lián)。

1 水泥土的力學特性指標

水泥土是采用注漿法、深層攪拌法、高壓旋噴法將水泥漿液同土體拌和所形成的固結(jié)體的統(tǒng)稱，可用來提高軟弱土體的承載和抵抗變形的能力[1]。水泥土常用的力學指標有抗壓、抗拉及抗剪強度等，影響這些指標的因素眾多，包括摻入劑種類、摻入比、養(yǎng)護齡期、原土含水量、土體類型等[2]，國內(nèi)外許多學者對此進行了廣泛研究。Haeri 等(2006)[3]開展了礫砂加固土力學性能的試驗研究，考慮了摻入劑種類(石膏、水泥及石灰)、摻量(1.5%、3%及4.5%)、圍壓及排水條件對加固土抗壓強度、抗剪強度、破壞模式及應力-應變關系的影響。Consoli 等(2012)[4]開展了不同級配砂土的室內(nèi)加固試驗。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，孔隙率/水泥比與水泥土剪切模量和無側(cè)限抗壓強度有特定關系。李建軍(2009)[5]開展了水泥土的單軸抗壓、三軸壓縮及彎曲試驗，研究了水泥摻入比、養(yǎng)護齡期對水泥土抗壓強度、變形模量及抗剪強度參數(shù)的影響，討論了不同試驗手段對測定水泥土變形模量的影響。

上述學者研究的出發(fā)點大多是考慮單一因素變化對強度指標的影響，其應用條件多與實踐不符。少數(shù)幾位學者探討了多參數(shù)變化的聯(lián)合影響，提出水泥土抗壓強度的預測公式。Williamson(2014)[6]對以往公開發(fā)表的水泥土試驗數(shù)據(jù)進行了重新分析，發(fā)現(xiàn)水泥土的7 天無側(cè)限抗壓強度與無量綱參數(shù)D 呈線性關系。無量綱參數(shù)D 整體上反映了水泥土各組成部分的特性及相對比例對水泥土性能的影響，與含水量、水泥土含率、壓實孔隙比、土體/水泥的比表面積等相關。該線性關系式為測算水泥土的抗壓強度提供了便利。Horpibulsk(2011)[7]對摻入了水泥的曼谷粘土強度進行了室內(nèi)和現(xiàn)場試驗。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當粘土的液限指數(shù)在1~2 之間時，水灰比wc/C 是控制水泥土實驗室抗壓強度值的關鍵參數(shù)?；谏鲜鲆?guī)律和Abrams法則，作者提出了考慮不同養(yǎng)護時間及水灰比條件下的強度預測公式，并用室內(nèi)試驗進行了驗證。

由于Williamson 提出的無量綱D 所包含的參數(shù)較多，也較難通過常規(guī)試驗測定。本課題采用Horpibulsk 的研究成果來預測水泥土的抗壓強度，其計算公式如下：

式中qu為水泥土無側(cè)限抗壓強度；wc為總含水量，即水泥土中全部用水與干土質(zhì)量之比，全部用水包含土體中天然水和拌合時添加水；C 為水泥摻量比，即摻入的水泥質(zhì)量與干土質(zhì)量之比；A 為與土體類型及養(yǎng)護時間有關的常數(shù)，當初始土樣為高嶺土、養(yǎng)護時間為28 天時，A=3835.5；B 為統(tǒng)計常數(shù)，當天然土的液限指數(shù)LI 在1~2 之間時，B=1.27。

水泥土的抗剪強度可采用直接快剪和三軸不排水剪切試驗進行測定[2]。當采用直接快剪試驗時，水泥土的粘聚力 c 與水泥土無側(cè)限抗壓強度 qu的比值c/qu=0.2~0.3；其內(nèi)摩擦角變化在20°~30°之間。

水泥土的抗拉強度采用劈裂法測定。試驗結(jié)果表明[2]：試件破壞形式為脆性破壞；水泥土的抗拉強度隨其抗壓強度的增大而增大，但遠較抗壓強度低，約為抗壓強度的1/10~1/15，與混凝土的抗拉抗壓強度性質(zhì)很相近。

2 水泥土的變形特性指標

彈性模量是聯(lián)系力與變形的重要指標。水泥土的初始彈性模量一般用變形模量 E50近似代替[2]， E50為50%抗壓強度時的應力與對應的應變之比。因此，在研究變形模量 E50之前，首先研究水泥土的應力-應變關系曲線。

周國鈞等(1981)曾先后選擇浙江、江蘇等地的淤泥質(zhì)粘土或吹填土作為試驗土樣，選用不同標號的水泥作為固化劑，分別按不同的摻入比(3%、5%、7%、10%、15%、20%、25%)，采用0.5 的水灰比，進行了水泥土的室內(nèi)試驗，研究了水泥土的基本性能。圖1.1 是由水泥土無側(cè)限壓縮試驗得到的應力-應變曲線。

圖1.1 典型的水泥土應力-應變曲線

由圖1.1 可知，當水泥土強度較低時，其應力-應變曲線表現(xiàn)為塑性材料的性質(zhì)。隨著強度的提高，應力-應變曲線逐漸趨向于脆性材料的性質(zhì)。

Endo(1976)開展了水泥土的壓縮試驗，得到其應力-應變曲線。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，水泥土試樣的壓應力在急速達到其抗壓強度qu后，也急劇降低至殘余強度值，認為水泥土與低強度素混凝土性能接近。Faddoul(2014)也得到類似結(jié)論。該結(jié)論為在本課題中引入混凝土的相關研究成果提供了試驗基礎。

3 結(jié)論

本文通過對國內(nèi)外有關水泥土的文獻綜合研究，從其力學及變形特性兩個方面，提出了各自的研究成果，供后續(xù)工作參考使用。