海相淤泥水泥土力學(xué)性能室內(nèi)試驗(yàn)研究

李紅彥，俞文鋒，李海娜，余超群，肖景華

（廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣州 510610）

0 引言

為了進(jìn)一步了解淤泥水泥土的特性，通過選取珠海市洪灣片區(qū)某水務(wù)工程水泥攪拌樁施工現(xiàn)場具有代表性的海相淤泥為研究對(duì)象，開展水泥土力學(xué)性能室內(nèi)試驗(yàn)研究，最終得到不同水泥摻量不同齡期水泥土的力學(xué)特性指標(biāo)［1-2］，并初步探討了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)之間的相關(guān)性，從而為工程的后續(xù)軟基施工提供了指導(dǎo)。

1 海相淤泥水泥土室內(nèi)配合比試驗(yàn)研究方案

1.1 原材料

⑴水泥：采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為P.O 42.5R。各項(xiàng)物理性能符合《通用硅酸鹽水泥：GB 175—2007》的要求。

⑵淤泥：海相淤泥一般具有含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性大、透水性差等特點(diǎn)［1，3］。本試驗(yàn)所用的淤泥與工程現(xiàn)場使用的淤泥一致，并按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50123—2019》的要求，對(duì)淤泥進(jìn)行顆粒分析、天然含水率、密度、比重、液塑限、垂直滲透系數(shù)及有機(jī)質(zhì)含量的檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如下：高液限黏土天然含水率為70.4%，天然含水率為1.58 g/cm3，干密度為0.93 g/cm3，土粒比重為2.70，孔隙比為1.912，飽和度為99.4%，液限（H=17 mm）為56.3%，塑限為28.5%，塑性指數(shù)為27.8，液限指數(shù)為1.51，有機(jī)質(zhì)含量為58.13 g/kg，垂直滲透系數(shù)為8.72×10-5cm/s。

1.2 配合比及研究方案

水泥土配合比所使用的水泥漿水灰比采用0.60，試配時(shí)的水泥摻量按類似工程經(jīng)驗(yàn)選擇15%、20%和25%，嚴(yán)格執(zhí)行《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程：JGJ/T 233—2011》［4］的規(guī)定，制作水泥土試塊，通過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到齡期后，進(jìn)行水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)共成型了3個(gè)水泥摻量（15%、20%和25%）、6 個(gè)試驗(yàn)齡期（7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和120 d），共18組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件。

不同水泥摻量條件下水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的數(shù)據(jù)回歸曲線如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，7 d 齡期水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到90 d 齡期的64%～71%；28 d齡期水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到90 d齡期的81%～90%。以20%水泥摻量為例，90 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為1.88 MPa；120 d 齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為1.90 MPa，單個(gè)值最大達(dá)到2.00 MPa，90 d和120 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度已經(jīng)相差不大。

圖1 水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線Fig.1 Curve of the Unconfined Compressive Strength of Cement Soil Changing with Curing Age

2.2 壓縮試驗(yàn)

水泥土壓縮試驗(yàn)共成型3 個(gè)水泥摻量（15%、20%和25%）、5 個(gè)試驗(yàn)齡期（7 d、14 d、28 d、60 d 和90 d），共15組壓縮試件。

利用回歸分析的方法，選取對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合，水泥摻入量為15%、20%和25%的水泥土壓縮系數(shù)和壓縮模量隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的回歸曲線如圖2和圖3 所示。該淤泥水泥土7 d 齡期的壓縮系數(shù)是90 d齡期的1.75～1.84 倍，平均1.78 倍；28 d 齡期的壓縮系數(shù)是90 d 齡期的1.24～1.42 倍，平均1.36 倍。而7 d 齡期水泥土壓縮模量可以達(dá)到90 d 齡期的56%～63%，平均59%；28 d 齡期水泥土壓縮模量則達(dá)到90 d 齡期的63%～89%，平均78%。

圖2 水泥土壓縮系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的曲線Fig.2 Curve of Hydraulic Soil Compression Coefficient Changing with Curing Age

圖3 水泥土壓縮模量隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的曲線Fig.3 Curve of Cement-soil Compression Modulus Changing with Curing Age

2.3 滲透試驗(yàn)

水泥土滲透試驗(yàn)共成型3 個(gè)水泥摻量（15%、20%和25%）、5 個(gè)試驗(yàn)齡期（7 d、14 d、28 d、60 d 和90 d），共15 組滲透試件，回歸曲線如圖4 所示。本次研究中，由于淤泥水泥土離散性較大，7d 齡期水泥土滲透系數(shù)是90 d 齡期的4.45～5.92 倍，平均5.43 倍；28 d 齡期水泥土滲透系數(shù)是90 d 齡期的1.59～1.77 倍，平均1.69倍。

圖4 水泥土滲透系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的曲線Fig.4 Curve of Hydraulic Soil Permeability Coefficient Changing with Curing Age

3 討論

3.1 試驗(yàn)齡期對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)（無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮系數(shù)、壓縮模量和滲透系數(shù)）與養(yǎng)護(hù)齡期形成較為明顯的對(duì)數(shù)關(guān)系，符合鮑羅米法則。

隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)前期變化較快，后期變化趨緩。這是因?yàn)樗嗯c土充分混合后，在充足的時(shí)間內(nèi)逐漸發(fā)生水化反應(yīng)，土體顆粒間的孔隙被逐漸增加的水泥水化產(chǎn)物填充，土顆粒之間的界面區(qū)被逐漸增強(qiáng)和密實(shí)，一方面在應(yīng)力相同的情況下，應(yīng)變會(huì)越來越大，使強(qiáng)度持續(xù)增長；另一方面，單位時(shí)間內(nèi)通過土壤部分的水流減少，降低了滲透系數(shù)［5］。

水化反應(yīng)到了后期，水化速率逐漸變緩，水化反應(yīng)的深入展開，水泥水化產(chǎn)物生成較少，各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)變化速率趨緩。

3.2 水泥摻量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

同一種淤泥，在相同水灰比和相同養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著水泥摻入量的增大，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和壓縮模量呈現(xiàn)逐漸增長的變化趨勢(shì)。這是由于水泥摻入量越大，水泥土中的水化產(chǎn)物也越多，水泥土具有更高的強(qiáng)度［6］；另一方面，水泥的比重比土大，因此加入的水泥越多，水泥土的密度就越大，也對(duì)強(qiáng)度的提高有益。

水泥土的壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)隨水泥摻入量的增加而降低。這是因?yàn)楫?dāng)其它條件相同時(shí)，水泥含量越高，水化反應(yīng)越強(qiáng)，可產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物，聚集在土體顆粒表面，逐步填滿土體顆粒之間的孔隙，從而降低水泥土的壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)［7-8］。

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與滲透系數(shù)的相關(guān)性

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分布如圖5所示。

由圖5 可知，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的關(guān)系可用冪函數(shù)來表示，其相關(guān)公式如下：

圖5 水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分布Fig.5 Distribution of the Unrestricted Compressive Strength and Permeability Coefficient of Hydraulic Soil

式中：k為滲透系數(shù)（×10-6cm/s）；f為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）。

在圖5 中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.5～2 MPa 范圍時(shí)，滲透系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而迅速降低；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2 MPa 以上后，滲透系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大變化趨緩［9］。

3.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓縮系數(shù)的相關(guān)性

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分布圖如圖6所示。

圖6 水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和壓縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分布Fig.6 Distribution of the Unrestricted Compressive Strength and Compression Coefficient of Hydraulic Soil

由圖6 可知，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓縮系數(shù)的關(guān)系可用冪函數(shù)來表示，其相關(guān)公式如下：

αv=0.129 7f-0.676⑵

式中：αv為壓縮系數(shù)（MPa-1）；f為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）。

在圖6 中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.5～2 MPa 范圍時(shí)，壓縮系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而迅速降低；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2 MPa 以上后，壓縮系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而變化幅度減小。

4 結(jié)語

室內(nèi)試驗(yàn)是驗(yàn)證水泥固化軟土效果的一種有效手段。本文以施工現(xiàn)場具有代表性的海相淤泥為研究對(duì)象，開展不同水泥摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期下的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)的室內(nèi)研究工作。結(jié)果表明：

⑴水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和壓縮模量隨養(yǎng)護(hù)齡期增長和水泥摻入量的增大而逐漸增加，但水泥土的壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)則呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。

⑵水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.5～2 MPa范圍時(shí)，滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而迅速降低；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2 MPa 以上后，滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而變化幅度趨緩。

⑶后續(xù)施工中還可以根據(jù)海相淤泥的特性，通過改進(jìn)施工工藝、調(diào)整配合比（例如加入固化劑、調(diào)整水泥摻量及水灰比等）、開展現(xiàn)場成樁試驗(yàn)等措施，來確定水泥土攪拌樁的適用性［10-12］。