不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥摻入比對(duì)水泥土直剪特性的影響

陳利宏，杜 軍，唐靈敏，熊 勃，姚嘉敏

（1、中國(guó)建筑第五工程局有限公司 廣東珠海 519000；2、廣東華固工程有限公司 廣州 510010；3、上海大學(xué)土木工程系 上海 200444）

我國(guó)東部沿海地區(qū)大面積分布著軟土，深厚軟土地基具有高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低承載力、低滲透性等特點(diǎn)［1-2］，易造成嚴(yán)重的地基不均勻沉降問題，從而引發(fā)工程事故。然而，由于城市化和工業(yè)化的進(jìn)程加快，天然軟土地區(qū)上的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和建設(shè)規(guī)模大量增加，深基坑開挖情況越來(lái)越普遍，如何有效、快速、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行土體加固成為了一個(gè)必須解決的技術(shù)問題［3-4］。水泥土攪拌樁作為一種軟土地基處理方式，常被應(yīng)用于軟土地基加固工程中［5］。然而，盡管水泥土的物理力學(xué)性能優(yōu)于原狀土，但水泥土復(fù)合地基仍存在承載力不足，后期變形過大等問題［6］。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水泥土的強(qiáng)度及變形特性開展了廣泛的研究。

曹志國(guó)等人［7］通過一系列水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，分析了水泥摻入量、含水率、養(yǎng)護(hù)齡期等參數(shù)對(duì)水泥土孔隙率、飽和度及強(qiáng)度的影響規(guī)律。李建軍等人［8］將不同測(cè)定水泥土變形模量的試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為用棱柱體抗壓強(qiáng)度測(cè)定水泥土變形模量是較為準(zhǔn)確、便捷的，并得到了水泥土變形模量與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。吳剛等人［9］對(duì)不同齡期、不同水泥摻量的水泥改良土進(jìn)行了室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，得到了水泥土壓縮模量穩(wěn)定情況下的最佳齡期與最佳水泥摻入比。HORPIBULSUK 等人［10］通過無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)研究了控制水泥土強(qiáng)度發(fā)展的主要參數(shù)，并提出了根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)含水率確定水泥用量的似水灰比公式。李普等人［11］通過動(dòng)力循環(huán)剪切試驗(yàn)，模擬了在地震荷載作用下循環(huán)應(yīng)力比和水泥摻入比對(duì)水泥土動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)變形及軟化特性的影響。趙春彥等人［12］對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期、原土樣含水率和水泥摻入比的水泥土進(jìn)行了直剪試驗(yàn)及正交試驗(yàn)，研究其對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律。YAO 等人［13］通過彎曲元試驗(yàn)研究了水泥含量、總含水量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土剛度發(fā)展的影響，并提出了水泥土剛度發(fā)展的預(yù)測(cè)模型。萬(wàn)志輝等人［14］通過一系列試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了在海水侵蝕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量對(duì)鈣質(zhì)砂水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水泥土物理力學(xué)性能的研究主要集中在抗壓強(qiáng)度方面，有關(guān)抗拉、抗剪及抗折強(qiáng)度的研究較少［15-16］?；诋?dāng)前研究?jī)?nèi)容不利于全面認(rèn)識(shí)水泥土的物理力學(xué)性能規(guī)律的現(xiàn)狀，本文以珠海淤泥水泥土為研究對(duì)象，通過直剪試驗(yàn)，研究了水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土直剪特性的影響規(guī)律，研究成果以期為淤泥水泥土在珠海地區(qū)的工程實(shí)踐提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)用土取自珠海市橫琴新區(qū)某基坑，取樣深度在地下10 m左右，為淤泥，呈流塑狀，局部夾砂質(zhì)，其物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1 所示；試驗(yàn)采用的水泥為P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其基本性能指標(biāo)如表2所示。

表1 淤泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Physical and Mechanical Properties of Silt Soil

表2 P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥的基本性能指標(biāo)Tab.2 Basic Performance Index of P.O 42.5R Normal Portland Cement

1.2 試驗(yàn)方案

本文考慮水泥摻入比及養(yǎng)護(hù)齡期的影響，控制水灰比為1.25，水泥摻入比αw變化分別為13%、20%、25%以及30%，養(yǎng)護(hù)齡期t變化分別為7 d、14 d 以及28 d，共制備36 組水泥土試樣。參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB∕T 50123—2019》［17］，將試驗(yàn)剪切速率設(shè)定為1 mm∕min，豎向應(yīng)力分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa。

1.3 試樣制備

水泥土試樣尺寸為直徑×高=φ50 mm×20 mm，采用自主設(shè)計(jì)并制作的3D 打印模具制備，模具具體樣式如圖1 所示。制樣過程如下：將從基坑中取出的土樣自然風(fēng)干，碾碎后過5 mm 篩制成風(fēng)干土樣。按水泥摻入比αw=水泥質(zhì)量∕天然土質(zhì)量、含水率w=天然含水率+（水泥質(zhì)量×水灰比）∕土粒質(zhì)量確定各類型水泥土試樣的配合比。稱取同一類試樣所需風(fēng)干土、水泥和水的用量，先將風(fēng)干土與水泥拌合成均勻的混合料，再向混合料中加入水并攪拌均勻，攪拌時(shí)間不少于10 min，不超過20 min。為了便于后期脫模，在3D打印模具內(nèi)壁上均勻地涂抹白凡士林。由于本次試驗(yàn)所制備的水泥土試樣含水率均較高，為了避免試樣出現(xiàn)裂隙、空洞等缺陷，保證密實(shí)性，將水泥土分3 次裝入模具中，每次用搗棒按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗15次，之后用刮土刀將模具頂部多余的水泥土刮除。抹平后蓋上塑料薄膜防止水分蒸發(fā)，靜置48 h后拆模。將拆模后的試樣放入（20±1）℃水中養(yǎng)護(hù)，水面高出試樣表面20 mm，試樣間隔10 mm。養(yǎng)護(hù)完成的試樣如圖2所示。

圖1 3D打印模具Fig.1 3D Printing Mold

圖2 養(yǎng)護(hù)28 d后的水泥土試樣Fig.2 Cement-soil Samples after Curing for 28 d

1.4 試驗(yàn)方法

本次水泥土直接剪切試驗(yàn)所用設(shè)備為美國(guó)生產(chǎn)的HM-5760 型氣動(dòng)直剪儀。將養(yǎng)護(hù)完成的試樣放入剪切盒中，并將剪切盒固定在直剪儀上，通過控制氣壓對(duì)每組3個(gè)試樣分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa的豎向應(yīng)力，之后對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行剪切速率為1 mm∕min的快剪試驗(yàn)。若剪切位移達(dá)到4 mm 時(shí)，剪應(yīng)力數(shù)值已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或出現(xiàn)大幅度下降情況，停止剪切；否則剪切位移應(yīng)達(dá)到6 mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由機(jī)載軟件自動(dòng)讀取、記錄并生成相關(guān)報(bào)表。試驗(yàn)時(shí)，每組情況在同一豎向應(yīng)力下取3 個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果取三者的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 摻入比對(duì)水泥土剪切特性的影響

2.1.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

齡期為28 d、不同豎向應(yīng)力下4 種摻入比對(duì)水泥土的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖3 所示。將剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線中的峰值剪切應(yīng)力定義為抗剪強(qiáng)度?？梢钥闯觯涸谙嗤B(yǎng)護(hù)齡期下，隨著水泥摻入比的增加，抗剪強(qiáng)度明顯提高。具體地，豎向應(yīng)力為100 kPa的情況下，水泥摻入比為20%、25%、30%時(shí)的抗剪強(qiáng)度較13%時(shí)分別提高了40.69%、88.79%和116.33%。這是因?yàn)樗嗤恋目辜魪?qiáng)度主要由土體之間的黏聚力、摩擦力和水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)作用提供，水泥摻入比越大，水化產(chǎn)物越多，產(chǎn)物又能夠與土體之間發(fā)生膠結(jié)、硬化、離子交換等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，從而使得水泥土的抗剪強(qiáng)度得到提高。

圖3 不同摻入比下水泥土剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.3 Shear Stress-shear Strain Curves of Cement-soil under Different Mixing Ratios

當(dāng)αw為20%、25%和30%時(shí)，水泥土的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線都出現(xiàn)了較為明顯的峰值，而αw為13%時(shí)未出現(xiàn)。這表明，隨著水泥摻入比的增加，水泥土硬化程度更好，土顆粒被牢固地膠結(jié)在一起，破壞呈現(xiàn)出脆性增加的趨勢(shì)。

2.1.2 摻入比與抗剪強(qiáng)度擬合公式

水泥土抗剪強(qiáng)度與摻入比之間符合一定的相關(guān)關(guān)系，選擇線性函數(shù)對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到水泥土抗剪強(qiáng)度τ與摻入比αw之間的關(guān)系式為：

τ=m（αw）+i⑴

式中：τ為不同摻入比下試樣的抗剪強(qiáng)度，其中αw=13%、20%、25%、30%；m、i為回歸系數(shù)，具體回歸曲線如圖4所示。

圖4 水泥土抗剪強(qiáng)度與摻入比的回歸曲線Fig.4 Regression Curve of Shear Strength and Mixing Ratio of Cement-soil

由圖4可知，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98，說明水泥土的抗剪強(qiáng)度與摻入比的關(guān)系按線性函數(shù)擬合的結(jié)果較為理想。在不同豎向應(yīng)力條件下，水泥摻入比與抗剪強(qiáng)度之間都呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，即隨著摻入比的增加，水泥土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大?？辜魪?qiáng)度在摻入比為20%～25%區(qū)段內(nèi)的增長(zhǎng)速率大于13%～20%和25%～30%區(qū)段。這可能是因?yàn)椋寒?dāng)水泥摻入比小于20%時(shí)，參與水化反應(yīng)的水泥量較低，水化產(chǎn)物不足以填充土體中的孔隙；而當(dāng)水泥摻入比超過25%時(shí)，水化反應(yīng)已處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，各物質(zhì)間的空隙也基本被填滿，繼續(xù)增大水泥摻入比對(duì)提高水泥土抗剪強(qiáng)度的效果明顯減弱。

2.2 齡期對(duì)水泥土剪切特性的影響

2.2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

摻入比為30%、不同豎向應(yīng)力下3 種齡期對(duì)水泥土的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知：在水泥摻入比相同時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而明顯提高。具體地，豎向應(yīng)力為100 kPa 的條件下，當(dāng)齡期為7 d、14 d、28 d 時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值剪應(yīng)力分別為190.00 kPa、245.53 kPa、354.07 kPa。這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥的水化反應(yīng)會(huì)更加充分，土體之間的水化產(chǎn)物也隨之增加，從而使得固化物骨架逐漸形成，土顆粒間的作用強(qiáng)度增加。

圖5 不同齡期下水泥土剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.5 Shear Stress-shear Strain Curves of Cement-soil under Different Curing Ages

在齡期不同的情況下，水泥土達(dá)到峰值剪切應(yīng)力所需的剪切位移基本相同，均在剪切位移為3.60 mm左右時(shí)發(fā)生剪切破壞，即剪切面長(zhǎng)度的60%左右。當(dāng)剪切位移達(dá)到剪切面長(zhǎng)度的90%左右，即剪切位移為5.40 mm 左右時(shí)，水泥土的殘余剪切應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定。與峰值剪切應(yīng)力相同，殘余剪切應(yīng)力也隨著齡期的增大而增大。

2.2.2 齡期與抗剪強(qiáng)度擬合公式

通過對(duì)比幾種曲線擬合結(jié)果，選用指數(shù)函數(shù)擬合水泥土抗剪強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系，最終得到水泥土抗剪強(qiáng)度τ與齡期t之間的關(guān)系式如下：

式中：τ為不同齡期下試樣的抗剪強(qiáng)度，其中t=7 d、14 d、28 d；n、j為回歸系數(shù)，具體回歸曲線如圖6所示。

圖6 水泥土抗剪強(qiáng)度與齡期的回歸曲線Fig.6 Regression Curve of Shear Strength and Age of Cement-soil

從圖6 中可以看出：水泥土抗剪強(qiáng)度與齡期的關(guān)系按指數(shù)函數(shù)擬合所得結(jié)果的效果較好。對(duì)于不同豎向應(yīng)力下的水泥土，其抗剪強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增長(zhǎng)。豎向應(yīng)力分別為100、200、300 kPa 的情況下，齡期在28 d 時(shí)的水泥土抗剪強(qiáng)度較7 d 時(shí)分別提高了86.35%、84.54%、91.23%。這主要是因?yàn)樵?8 d時(shí)水泥的水化反應(yīng)已產(chǎn)生了大量的膠凝物質(zhì)，它們?cè)谝欢ǔ潭壬咸畛淞怂嗤恋目紫?，增?qiáng)了黏結(jié)力，從而提高了水泥土的抗剪強(qiáng)度。

2.3 水泥土體變特性

齡期為28 d、3 種豎向應(yīng)力下不同摻入比水泥土的最終豎向位移關(guān)系曲線如圖7?所示。本文規(guī)定，土樣體變以膨脹為正，壓縮為負(fù)?？梢钥闯?，水泥土最終豎向位移受摻入比影響較大，豎向應(yīng)力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa 的情況下，摻入比為30%時(shí)的水泥土最終豎向位移較13%時(shí)分別增長(zhǎng)1.056 mm、0.841 mm、0.491 mm。這表明，隨著水泥摻入比的增大，土樣體變表現(xiàn)出膨脹的趨勢(shì)，而豎向應(yīng)力的增大對(duì)這種膨脹趨勢(shì)有削弱作用。同時(shí)，體變的膨脹現(xiàn)象主要集中在水泥摻入比前期增長(zhǎng)區(qū)段，豎向應(yīng)力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa 的 情 況 下，摻 入 比 為13%～25%區(qū)段內(nèi)豎向位移的增長(zhǎng)量占總增長(zhǎng)量的百分比分別為82.29%、90.61%、84.73%。

圖7 水泥土最終豎向位移曲線Fig.7 Vertical Displacement Curve of Ultimate Dilatancy of Cement-soil

摻入比為30%、3 種豎向應(yīng)力下不同齡期水泥土的最終豎向位移關(guān)系曲線由圖7?所示。從圖7?可知，水泥土最終豎向位移受養(yǎng)護(hù)齡期影響，豎向應(yīng)力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa的情況下，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時(shí)的水泥土最終豎向位移較7 d 時(shí)分別增長(zhǎng)了0.220 mm、0.099 mm、0.084 mm。豎向應(yīng)力為100 kPa、200 kPa、300 kPa的情況下，水泥土的最終豎向位移均為負(fù)值。這說明，土體最終豎向位移隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，但隨著應(yīng)力水平的提高，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)削弱明顯。

2.4 水泥土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

2.4.1 抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

通過摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則τ=c+σtanφ對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行擬合，其中c為黏聚力，φ為摩擦角，得到水泥土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如圖8 所示?？梢钥闯?，在水泥摻入比與養(yǎng)護(hù)齡期不同的情況下，水泥土抗剪強(qiáng)度都與豎向應(yīng)力表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性。

圖8 水泥土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.8 Shear Strength Envelope of Cement-soil

2.4.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

各組水泥土試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表3 所示，每組的相關(guān)系數(shù)R2都達(dá)到了0.9 以上，說明試驗(yàn)結(jié)果可靠性高。從表3 中可以看出，隨著水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期的增大，黏聚力和摩擦角都有不同程度的提高。具體地，當(dāng)t=14 d，αw=13%、20%、25%和30%時(shí)，水泥土的黏聚力分別為45.01 kPa、85.57 kPa、126.61 kPa和146.64 kPa，摩擦角分別為28.55°、34.92°、39.54°和43.81°。當(dāng)αw=25%，t=7 d、14 d 和28 d 時(shí)，水泥土的黏聚力分別為98.71 kPa、126.61 kPa 和169.16 kPa，摩擦角分別為32.60°、39.54°和52.46°。究其原因是水化反應(yīng)的產(chǎn)物隨著水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增多，使得水泥土內(nèi)部孔隙率降低，土體更加密實(shí)，內(nèi)部約束作用也更明顯。

表3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.3 Shear Strength Parameters

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系如圖9 所示。可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)摩擦角有增大效應(yīng)，但隨著水泥摻入比的增長(zhǎng)，這種增大效應(yīng)在逐漸減弱。具體地，當(dāng)αw分別為13%、20%、25%和30%，t從7 d 逐漸增大至28 d 時(shí)，摩擦角的增量分別為71.09%、68.39%、60.92%和51.03%。水泥摻入比對(duì)黏聚力有增大效應(yīng)，但這種增大效應(yīng)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而逐漸減弱。具體地，當(dāng)t分別為7 d、14 d 和28 d，αw從13%逐漸增大至30%時(shí)，黏聚力的增量分別為249.96%、225.81%和182.63%。

圖9 抗剪強(qiáng)度與α w、t之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between Shear Strength and α w，t

在實(shí)際工程中，要結(jié)合地質(zhì)條件與經(jīng)濟(jì)狀況選擇合適的水泥摻入比。因?yàn)樗鄵饺氡冗^大，會(huì)使得水泥土攪拌樁的強(qiáng)度與壓縮模量過大，在外部荷載作用下，樁體與周圍土體承擔(dān)荷載的差距較大，從而樁土的應(yīng)力較大，不利于復(fù)合地基的整體穩(wěn)定；但如果水泥摻入比較小，則會(huì)造成水泥土強(qiáng)度過低，樁體的承載能力不高，從而使得地基加固效果不好。

3 結(jié)論

本文以珠海淤泥水泥土為研究對(duì)象，采用直剪試驗(yàn)，分析了不同水泥摻入比與不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度以及體變特性的影響，得到了以下結(jié)論：

⑴水泥土抗剪強(qiáng)度與摻入比線性相關(guān)，水泥摻入比越大，水泥土的抗剪強(qiáng)度越大。在水泥摻入比較低（13%）的情況下，未出現(xiàn)峰值剪切應(yīng)力；隨著摻入比增大，破壞呈現(xiàn)出脆性增加的趨勢(shì)。

⑵養(yǎng)護(hù)齡期越大，水泥土的抗剪強(qiáng)度越大，兩者之間存在指數(shù)相關(guān)性。當(dāng)剪切位移為剪切面長(zhǎng)度的60%左右時(shí)，水泥土剪切應(yīng)力達(dá)到峰值。

⑶水泥土體變隨著水泥摻入比與養(yǎng)護(hù)齡期的增大表現(xiàn)出膨脹的趨勢(shì)，但隨著豎向應(yīng)力的增長(zhǎng)，這種膨脹趨勢(shì)逐漸減弱。

⑷水泥土的黏聚力c和摩擦角φ隨著水泥摻入比與養(yǎng)護(hù)齡期的增大都有不同程度的增長(zhǎng)。