海相淤泥水泥土變形特性試驗(yàn)研究*

呂業(yè)鋒, 杜建成, 唐昌意, 馬祖遙

(珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，珠海 519000)

0 前言

我國(guó)沿海地區(qū)普遍分布有深厚軟土層,其具有含水量高、壓縮性大、靈敏度高、孔隙比大、滲透性差、強(qiáng)度低、欠固結(jié)、流變觸變等特性,呈流塑狀態(tài),工程性質(zhì)較差,工程問(wèn)題較突出[1-6]。變形參數(shù)是水泥加固土樁復(fù)合地基沉降計(jì)算的重要參數(shù),國(guó)內(nèi)規(guī)范給出了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)取值,其中《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783—2012)[7]規(guī)定壓縮模量Ep可取樁體水泥土強(qiáng)度的100～200倍,樁較短或樁體強(qiáng)度較低者可取低值,樁較長(zhǎng)或樁體強(qiáng)度較高者可取高值?！豆奋浲恋鼗返淘O(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-02—2013)[8]中規(guī)定壓縮模量Ep=83.4qu(qu為90d水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》(DBJ 15-38—2019)[9]給出水泥土攪拌樁的壓縮模量Ep=(100～120)fcu(fcu為90d水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)?！稄V東省公路軟土地基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)定》(GDJTG/T E01—2011)[10]規(guī)定壓縮模量Ep應(yīng)根據(jù)壓縮試驗(yàn)確定,無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可取Ep=(60～80)ηfcu(η為水泥土樁身強(qiáng)度折減系數(shù))。綜上,不同的規(guī)范給出截然不同的計(jì)算公式,給工程設(shè)計(jì)取值造成極大的困擾。

國(guó)內(nèi)專家學(xué)者針對(duì)水泥土的變形特性開(kāi)展了相關(guān)的研究,駱嘉成等[11]采用淺層固化的方法獲得固化劑摻量為2%～8%時(shí),淺層固化淤泥形成的硬殼層的承載力特征值為117～200kPa,固化淤泥的變形模量在8.5～14.59MPa。陳曉靜等[12]依托工程項(xiàng)目的水泥土配比試驗(yàn),建立水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與黏聚力、變形模量的關(guān)系,得出淤泥質(zhì)土和淤泥水泥土變形模量值小于規(guī)范推薦值。張新建等[13]依托珠海市洪灣北片區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得無(wú)側(cè)限抗壓條件下淤泥水泥土的壓縮性隨著齡期和水泥摻入量的增加而變小的規(guī)律。阮慶等[14]結(jié)合湖南省洞庭湖區(qū)某高速公路淤泥質(zhì)黏土軟土地基處理工程,進(jìn)行淤泥質(zhì)黏土水泥改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素、水泥土的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系和變形模量的變化規(guī)律以及試樣的破壞模式;研究結(jié)果表明: 水泥土的變形模量隨著水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而增大。侯龍清等[15]等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)揭示南京地區(qū)水泥土的變形特征和強(qiáng)度特性,并得出水泥摻入比和齡期對(duì)水泥土變形和強(qiáng)度的影響規(guī)律,提出“強(qiáng)度增長(zhǎng)的臨界齡期”的概念。

《地基處理手冊(cè)》[16]提供了長(zhǎng)江三角州、天津等地區(qū)的淤泥質(zhì)黏土的相關(guān)試驗(yàn)成果。軟土的工程性質(zhì)與成因、應(yīng)力歷史等有關(guān),具有明顯的區(qū)域性特征,不同的水泥加固軟土呈現(xiàn)不同的變形特征,目前針對(duì)廣東省珠海地區(qū)淤泥水泥土特性的研究成果較少,正值珠海市地方標(biāo)準(zhǔn)編制《路橋工程軟土地基處理技術(shù)指南》之際,本文選取珠海地區(qū)典型海相淤泥為研究對(duì)象,分析海相淤泥水泥土(簡(jiǎn)稱水泥土)在無(wú)側(cè)限和有側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)下的變形特性,獲得變形特征參數(shù),研究成果可為珠海地區(qū)軟土地基處理及《路橋工程軟土地基處理技術(shù)指南》編制提供參考。

1 海相淤泥工程特性

現(xiàn)場(chǎng)取典型淤泥樣品,通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試了淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、滲透系數(shù)和顆粒組成,詳見(jiàn)表1和表2。由表1、2可知:淤泥具有含水量高、孔隙比大、黏粒含量高、呈流塑狀態(tài)等特性,屬于高液限土。由表2可知,淤泥的顆粒主要由粉粒、黏粒和膠粒組成,其中粉粒含量57.2%,黏粒和膠粒含量42.8%,說(shuō)明淤泥細(xì)顆粒含量較高。

表1 淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 淤泥的顆粒組成

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)。試驗(yàn)內(nèi)容為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)。水泥摻入量為15%、20%和25%,水灰比為0.6。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn):試件尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體,養(yǎng)護(hù)齡期為7、14、28、60、90、120d,每個(gè)齡期每種水泥摻入量均為6個(gè)試件,共計(jì)108個(gè)試件。試驗(yàn)儀器為電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及部分試件照片見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及部分試件照片

有側(cè)限壓縮試驗(yàn):試件為內(nèi)徑61.8mm、高度20mm的圓柱體,養(yǎng)護(hù)齡期為7、14、28、60、90d,每個(gè)齡期每種水泥摻入量均為3個(gè)試件,共計(jì)45個(gè)試件。試驗(yàn)儀器為三聯(lián)式固結(jié)儀。有側(cè)限壓縮試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及部分試件照片見(jiàn)圖2。

圖2 有側(cè)限壓縮試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及部分試件照片

3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)水泥土變形特征

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

典型的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的水泥土(水泥摻入量15%,齡期28d)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示,由圖3可知:應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為三段,第Ⅰ階段,在較小的應(yīng)力水平下,隨應(yīng)力的增大,應(yīng)變快速增長(zhǎng),曲線斜率較小,表現(xiàn)出壓密蠕變的變形特征;第Ⅱ階段,應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加而快速增長(zhǎng),曲線基本呈直線,斜率較大,表現(xiàn)出彈性變形特征;第Ⅲ階段,應(yīng)力增長(zhǎng)到最大值后維持不變,應(yīng)變快速增加;之后應(yīng)力緩慢較小、應(yīng)變繼續(xù)增大,表現(xiàn)出塑性變形特征。由此可知,水泥土在無(wú)側(cè)限壓縮狀態(tài)下呈現(xiàn)出彈塑性變形特征。

圖3 水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 彈性模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性分析

彈性模量是基坑工程重力式水泥土墻變形計(jì)算的重要參數(shù)。由3.1節(jié)可知,圖3的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中第Ⅱ段即為彈性變形階段,該段曲線的斜率即為水泥土的彈性模量,由此計(jì)算得到不同齡期不同水泥摻入量的水泥土彈性模量見(jiàn)表3。

表3 不同水泥摻入量不同齡期水泥土彈性模量/MPa

繪制水泥土彈性模量隨齡期的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知,彈性模量隨著齡期的增大逐漸增大,隨著水泥摻入量的增加而增大。采用回歸分析方法得到彈性模量與齡期的換算公式,如式(1)～(3)所示,由換算公式可知,彈性模量與齡期呈線性相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2=0.932～0.982,表明擬合程度較好。

圖4 彈性模量與齡期關(guān)系曲線

E15%= 1.020d+ 143.6,R2= 0.982

(1)

E20%= 0.989d+ 224.2,R2= 0.955

(2)

E25%= 0.823d+ 305.9,R2= 0.932

(3)

式中:E15%、E20%、E20%分別為水泥摻入量為15%、20%和25%的水泥土彈性模量;d為水泥土養(yǎng)護(hù)齡期。

繪制彈性模量E與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的關(guān)系曲線如圖5所示,由圖5可知,彈性模量E隨著無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的增大而增大。采用回歸分析方法得到彈性模量E與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的換算公式見(jiàn)圖5。可知,彈性模量E與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu呈線性相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2=0.931～0.948,表明擬合程度較好。

圖5 彈性模量E與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu關(guān)系曲線

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法得到彈性模量E與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的換算系數(shù)如表4所示。由表4可知,彈性模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比(簡(jiǎn)稱換算系數(shù))最小值155,最大值192,平均值168,標(biāo)準(zhǔn)值170?？紤]水泥土復(fù)合材料的離散性及基坑變形安全性,可取彈性模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的換算系數(shù)為120～150。

表4 彈性模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析

珠海某淤泥質(zhì)土基坑深度4.5m,采用重力式水泥土墻支護(hù)方案,設(shè)計(jì)墻身厚度4.2m,嵌固深度8.5m,坑底裙邊采用水泥攪拌樁加固。設(shè)計(jì)28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度0.6MPa,基坑側(cè)向變形計(jì)算時(shí)取水泥土的彈性模量為(120～150)×0.6=72～90MPa,計(jì)算坑頂水平位移為55.1～61.6mm,施工過(guò)程監(jiān)測(cè)的水平位移為52～68mm,計(jì)算值和監(jiān)測(cè)值較為吻合,說(shuō)明彈性模量取值是合理的。

4 有側(cè)限壓縮試驗(yàn)水泥土變形特征

現(xiàn)場(chǎng)取淤泥原狀土樣做有側(cè)限壓縮試驗(yàn),獲得淤泥孔隙比-壓力(e-P)曲線如圖6所示。由圖6可知,淤泥的初始孔隙比為1.832;淤泥的孔隙比隨著壓力的增加而減小,壓力在0～400kPa時(shí),孔隙比-壓力曲線斜率較大,孔隙比減小的幅度較大,曲線呈下降趨勢(shì),主要是因?yàn)橛倌酁轱柡蛙涴ね?在壓力較小階段,孔隙中的水因壓縮而排出,淤泥體積壓縮,孔隙比變小。壓力在400～800kPa時(shí),曲線下降的趨勢(shì)變緩且大致呈直線,荷載主要由土骨架承擔(dān),淤泥以彈塑性變形為主。

圖6 淤泥孔隙比-壓力(e-P)曲線

壓縮模量是水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降計(jì)算的重要參數(shù)。開(kāi)展淤泥水泥土試件的有側(cè)限壓縮試驗(yàn),獲得不同水泥摻入量不同齡期水泥土的隙比-壓力(e-P)曲線,如圖7所示。由圖7可知,水泥土e-P曲線基本呈直線,水泥土的孔隙比隨著壓力的增大而減小。對(duì)比圖6和圖7可知,摻入水泥后,初始孔隙比減小不多,但是孔隙比的變化范圍明顯縮小,說(shuō)明摻入水泥后土顆粒之間的摩擦力增大,抵抗變形的能力提高;水泥土的e-P曲線相對(duì)較平緩,而淤泥的e-P曲線斜率較大,表明,摻入水泥后壓縮模量明顯增大,壓縮性明顯變小。當(dāng)壓力為100～200kPa時(shí),水泥土的壓縮模量分別為22.0MPa(水泥摻入量15%)、29.2MPa(水泥摻入量20%)、32.1MPa(水泥摻入量25%),淤泥的壓縮模量為1.33MPa,水泥摻入量15%、20%、25%的水泥土壓縮模量分別為淤泥壓縮模量的16.5倍、22.0倍和24.1倍。

根據(jù)水泥土e-P曲線,取壓力為100～200kPa區(qū)段曲線計(jì)算壓縮模量Es,1-2,取壓力為200～400kPa區(qū)段曲線計(jì)算壓縮模量Es,2-4,統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表5所示。由表5可知,Es,2-4/Es,1-2=1.5～1.9,均值1.7,說(shuō)明水泥土的壓縮模量隨著壓力增大而明顯增大,因此水泥土樁沉降計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的壓力段選取相應(yīng)壓縮模量。

5 壓縮模量與彈性模量相關(guān)性分析

為了得到彈性模量與壓縮模量的換算系數(shù),將彈性模量與壓縮模量統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表6和表7。由表6可知,E/Es,1-2=7.7～12.4,均值9.46;由表7可知,E/Es,2-4=4.5～7.0,均值5.55,因此在換算時(shí)可取E/Es,1-2=9.5,E/Es,2-4=5.5。出現(xiàn)彈性模量大于壓縮模量的主要原因?yàn)?1)壓縮模量計(jì)算時(shí)應(yīng)力取值范圍小于彈性模量計(jì)算時(shí)的應(yīng)力取值范圍;2)壓縮模量計(jì)算時(shí)包括了孔隙壓縮和彈塑性變形的變形量,彈性模量計(jì)算時(shí)只包括彈性階段的彈性變形量。

表6 彈性模量E與壓縮模量Es,1-2統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表7 彈性模量E與壓縮模量Es,2-4統(tǒng)計(jì)結(jié)果/MPa

采用回歸分析方法得到的彈性模量與壓縮模量的擬合曲線如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知,彈性模量與壓縮模量呈線性相關(guān)性,壓縮模量隨著彈性模量的增大而增大,擬合優(yōu)度R2=0.927～0.974,表明擬合程度較好。

圖8 彈性模量E與壓縮模量Es,1-2的擬合曲線

圖9 彈性模量E與壓縮模量Es,2-4的擬合曲線

6 結(jié)論

本文針對(duì)不同水泥摻入量不同齡期的水泥土試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和有側(cè)限壓縮試驗(yàn),主要結(jié)論如下。

(1)水泥土在無(wú)側(cè)限壓縮的狀態(tài)下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為三個(gè)階段,第Ⅰ階段具有壓密變形特征,第Ⅱ階段具有彈性變形特征,第Ⅲ階段具有塑性變形特征,表明水泥土具有明顯的彈塑性變形特征。

(2)彈性模量隨齡期增長(zhǎng)而增大,彈性模量隨無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大而增大,均呈線性相關(guān)性,彈性模量可取為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的120～150倍。

(3)與淤泥的孔隙比-壓力曲線相比,水泥土孔隙比-壓力曲線更平緩,壓縮模量更高,Es,2-4/Es,1-2=1.5～1.9,均值1.7,說(shuō)明不同壓力段壓縮模量差異較大,應(yīng)根據(jù)壓力值選取相應(yīng)壓力段的壓縮模量。

(4)壓縮模量隨著彈性模量的增大而增大,兩者具有很好的線性相關(guān)性,換算時(shí)可取E/Es,1-2=9.5,E/Es,2-4=5.5。