初始含水率和有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥土強(qiáng)度影響規(guī)律試驗(yàn)研究

楊斌財(cái)，劉維正, ，余勇，徐冉冉，李天雄

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.珠海交通集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519000；3.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

我國(guó)沿海地區(qū)如渤海灣、珠三角、長(zhǎng)三角等地廣泛分布著軟土地層，軟土作為一種特殊土，具有含水率高、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在軟土地區(qū)進(jìn)行鐵路、公路、市政道路等工程建設(shè)會(huì)產(chǎn)生工后沉降過(guò)大、不均勻沉降等問(wèn)題。目前工程界采用不同方法對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，以提高其強(qiáng)度和抗變形能力，其中水泥土攪拌樁在珠海軟基處理應(yīng)用廣泛，而珠海軟土具有含水率和有機(jī)質(zhì)含量高等特點(diǎn)[1-2]。在水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)與施工時(shí)，沉降和穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)取值未能考慮區(qū)域性軟土特點(diǎn)，可能導(dǎo)致樁體發(fā)生受壓、彎剪、壓彎、拉彎、傾倒等形式的破壞[3-5]。因此，考慮珠海地區(qū)軟土不同初始含水率和有機(jī)質(zhì)含量的影響，對(duì)水泥土的抗壓、抗折、抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律及其相互關(guān)系進(jìn)行研究具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水泥土力學(xué)特性展開(kāi)了大量的研究，以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度為主[6-7]。YAO 等[8-9]發(fā)現(xiàn)隨著水泥摻量的增大，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大，同時(shí)水泥土表現(xiàn)出更硬更脆的特性。芮凱軍等[10-11]對(duì)不同土質(zhì)水泥土試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)水泥的摻入對(duì)黏土強(qiáng)度的影響大于粉質(zhì)黏土和細(xì)砂，同時(shí)，摻入水泥后粉砂水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比粉質(zhì)黏土強(qiáng)度更大。宋新江等[12-13]通過(guò)真三軸試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)水泥土的初始切線模量、破壞強(qiáng)度、破壞時(shí)的大主應(yīng)變均隨σ3的增加而增大；水泥土破壞強(qiáng)度與σ3近似呈線性關(guān)系；增加水泥摻量能夠降低弱堿性海水對(duì)于水泥土抗剪強(qiáng)度的削弱作用。針對(duì)水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，通過(guò)直剪等試驗(yàn)學(xué)者們有不同的研究，雷軼[14]發(fā)現(xiàn)在摻入比少于12%之前，水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨水泥摻入比增大而增長(zhǎng)較快，當(dāng)水泥摻量大于12%之后增長(zhǎng)較慢。PU 等[15]發(fā)現(xiàn)隨著水泥用量的增加，黏聚力先增大后略有減小，而內(nèi)摩擦角幾乎沒(méi)有增大，而YAO等[16]發(fā)現(xiàn)水泥改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角與水泥摻量表現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)關(guān)系。關(guān)于影響水泥土特性的因素，學(xué)者們做了不同方向的探索。趙春彥等[17]對(duì)比了不同因素對(duì)水泥土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響，結(jié)果表明土體養(yǎng)護(hù)齡期的影響大于含水率和水泥摻量的影響。YANG 等[18]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥土在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的環(huán)境中，強(qiáng)度損失接近1/3。WEN等[19]發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加浮石粉可提高軟土的強(qiáng)度。JIN等[20]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)減水劑可以改善水泥土的力學(xué)性能。董曉強(qiáng)等[21]研究了不同類型水泥對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)礦渣硅酸鹽水泥比普通硅酸鹽水泥加固效果更好。曹智國(guó)等[22]通過(guò)對(duì)2 種土樣分別在高低含水率的條件下進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明水泥土強(qiáng)度隨水泥摻量呈現(xiàn)出冪函數(shù)的性質(zhì)。梁仕華等[23]的試驗(yàn)研究表明：有機(jī)質(zhì)含量在低于5%的情況下對(duì)固化土強(qiáng)度影響較大，大于5%后有機(jī)質(zhì)含量的變化對(duì)固化土強(qiáng)度影響較小?？梢?jiàn)，學(xué)者們對(duì)不同影響因素下的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了較多的研究，但軟土初始不同含水率、有機(jī)質(zhì)含量對(duì)水泥土強(qiáng)度影響的研究較少，也缺少抗壓抗折抗剪強(qiáng)度之間的相互關(guān)系研究。結(jié)合珠海地區(qū)某軟基處理工程，制備不同初始含水率、有機(jī)質(zhì)含量、水泥摻量的水泥土試樣，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)等對(duì)水泥土抗壓、抗折、抗剪等強(qiáng)度性質(zhì)展開(kāi)研究。通過(guò)建立無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度、壓縮模量、黏聚力之間的經(jīng)驗(yàn)公式，以及不同含水率、有機(jī)質(zhì)含量條件下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量之間的經(jīng)驗(yàn)公式，給出不同含水率、有機(jī)質(zhì)含量條件下水泥攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)施工水泥摻量的建議范圍，為水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自珠海地區(qū)處于施工階段的某道路軟基處理工程，采用挖機(jī)取得約500 kg 的典型軟土樣，使用塑料桶封裝土體，以保持天然含水率不變，運(yùn)抵試驗(yàn)室后進(jìn)行土樣的常規(guī)物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試。軟土試樣的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 軟土試樣的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of soft soil samples

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)珠海軟土含水率和有機(jī)質(zhì)分布范圍以及水泥攪拌樁中常用水泥摻量[24]，選取試樣初始含水率為40%，50%，60%，70%和80%，并設(shè)計(jì)有機(jī)質(zhì)含量為3%，6%，10%，15%和20%，水泥摻量為12%，15%，20%和25%條件下養(yǎng)護(hù)28 d后的水泥土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)，所摻水泥型號(hào)為PO42.5，具體試驗(yàn)見(jiàn)表2。無(wú)側(cè)限抗壓和抗折試驗(yàn)儀器采用微機(jī)控制電子式強(qiáng)度試驗(yàn)裝置，如圖1(a)所示。

圖1 水泥土試驗(yàn)儀器Fig.1 Cement soil test instruments

表2 抗壓與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方案Table 2 Compressive and flexural strength test plan

固定有機(jī)質(zhì)含量3%不變，分別對(duì)初始含水率為40%，50%，60%，70%和80%的土樣在水泥摻量為12%，15%，20%和25%條件下養(yǎng)護(hù)28 d后的試件進(jìn)行一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 壓縮、三軸剪切試驗(yàn)方案Table 3 Compression and triaxial shear test plan

一維固結(jié)試驗(yàn)加荷順序?yàn)?0，100，200，400和800 kPa，并測(cè)定每級(jí)壓力下試件的變形量。固結(jié)壓縮試驗(yàn)儀器采用GZQ-1A型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀(十六聯(lián))。三軸剪切試驗(yàn)儀器采用TSZ 全動(dòng)三軸儀，如圖1(b)所示。

1.3 試樣制備

試樣制備時(shí)，根據(jù)有機(jī)質(zhì)設(shè)計(jì)含量向風(fēng)干后的土中添加有機(jī)質(zhì)。試驗(yàn)采用天津佰倫斯生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的腐殖酸鈉，作為有機(jī)質(zhì)添加劑，其有效成分為腐殖酸，有機(jī)質(zhì)含量純度>85%。分別稱量出所需要的土和有機(jī)質(zhì)，并將二者充分?jǐn)嚢杈鶆?。然后根?jù)試驗(yàn)方案將試樣重新調(diào)配至設(shè)計(jì)的含水率。對(duì)于不同含水率的試樣，根據(jù)含水率計(jì)算水、水泥和軟土的質(zhì)量。先將水與水泥攪拌均勻制成水泥漿，然后緩慢倒入稱好的土樣中，邊倒邊攪拌。攪拌采用機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)間不少于10 min，且不超過(guò)20 min。將制好的試樣用保鮮膜密封后置于潮濕環(huán)境中靜置24 h，以保證試樣內(nèi)含水率均勻分布。

無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)將攪拌均勻的試樣裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試模并振實(shí)?？拐墼囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件的邊長(zhǎng)為40 mm×40 mm×160 mm，將攪拌好的水泥土裝入抗折試驗(yàn)?zāi)＞?，并放置在振?dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)。壓縮試驗(yàn)每種配比制備3個(gè)環(huán)刀試件，環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高度為20 mm。三軸剪切試驗(yàn)的試件為直徑39.1 mm，高度80 mm 的圓柱體，每種配比制備3組共計(jì)12個(gè)試件。

將各試模放在(20±5) ℃的環(huán)境中靜置48 h 后拆模，稱得質(zhì)量后將試件放入養(yǎng)護(hù)室((20±1) ℃，濕度75%)養(yǎng)護(hù)，至規(guī)定齡期取出測(cè)試。固結(jié)壓縮試驗(yàn)拆模后將環(huán)刀外側(cè)及兩端的水泥土削去，將試件從環(huán)刀內(nèi)取出，保證試件不受損、變形。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

圖2中選取了水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含水率w，有機(jī)質(zhì)含量M和水泥摻量C變化的典型曲線。如圖2(a)所示：當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量一定時(shí)，隨著含水率的增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且水泥摻量越高，降低的幅度越大。在水泥摻量為12%條件下，當(dāng)含水率從40%提升到80%時(shí)，對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度從1.233 MPa 降低到0.293 MPa，降低了0.94 MPa；在水泥摻量為25%條件下，當(dāng)含水率從40%提升到80%時(shí)，對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度從4.396 MPa 降低到1.161 MPa，降低了3.235 MPa。如圖2(b)所示：相同水泥摻量條件下，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈降低的趨勢(shì)，降低幅度在13%～35%之間。有機(jī)質(zhì)含量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度隨初始含水率的提高而增大，試驗(yàn)結(jié)果與梁仕華等[23]的研究相類似。如圖2(c)所示：含水率一定的條件下，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增大而提高，且有機(jī)質(zhì)含量越低，增長(zhǎng)幅度越大。當(dāng)水泥摻量從12%提升到25%，不同含水率水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升了3.13～4.33倍。

圖2 水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Unconfined compressive strength curves of cement soil

2.2 抗折試驗(yàn)

抗折試驗(yàn)主要用于測(cè)定水泥土的抗折強(qiáng)度，也稱為抗彎拉強(qiáng)度。通過(guò)轉(zhuǎn)換，將試件上部受到的集中力轉(zhuǎn)換為截面所受到的最大拉應(yīng)力來(lái)表征水泥土的抗折強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度)?？拐蹚?qiáng)度轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：ffs為水泥土抗折強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞荷載，N；l為支座間跨度，mm；b為試件截面寬度，mm；h為試件截面高度，mm。

對(duì)不同含水率、水泥摻量及有機(jī)質(zhì)含量條件下水泥土的抗折強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，得到圖3的抗折強(qiáng)度變化曲線。圖3結(jié)果表明：水泥土抗折強(qiáng)度隨著含水率的升高呈下降趨勢(shì)，且水泥摻量越大，抗折強(qiáng)度降低的幅度越大。隨有機(jī)質(zhì)含量的升高，不同初始含水率的水泥土抗折強(qiáng)度呈非線性降低趨勢(shì)。初始含水率從40%提升到80%，抗折強(qiáng)度降低約63.1%～70.4%；水泥土摻量從12%增加到25%，抗折強(qiáng)度增加約2.15～2.35 倍；有機(jī)質(zhì)含量從3%增加到20%，抗折強(qiáng)度降低約28%～34%。

圖3 水泥土抗折強(qiáng)度變化曲線Fig.3 Flexural strength change curves of cement soil

2.3 壓縮試驗(yàn)

通過(guò)固結(jié)壓縮試驗(yàn)，根據(jù)試樣受到的荷載、孔隙比的變化求得不同條件下的水泥壓縮模量(圖4)和壓縮系數(shù)(圖5)。由圖4結(jié)果可得：水泥土壓縮模量整體分布在13.33～26.04 MPa之間。隨著水泥摻量的增大，壓縮模量整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；水泥摻量從12% 提高到25% 時(shí)，含水率為40%，50%，60%，70%和80%的水泥土的壓縮模量分別提高了0.640，1.085，1.194，1.219 和1.113 倍。圖4結(jié)果表明：隨含水率的增大，水泥土壓縮模量提高的幅度在增加，在達(dá)到峰值后提高量開(kāi)始下降。圖5 結(jié)果表明：隨水泥摻量和含水率的變化，水泥土壓縮系數(shù)表現(xiàn)出與壓縮模量相反的性質(zhì)：壓縮系數(shù)隨著水泥摻量的增大而減小，隨含水率的增加而減小。

圖4 壓縮模量隨含水率和水泥摻量變化圖Fig.4 Variation of compressive modulus with water content and cement content

圖5 壓縮系數(shù)隨含水率和水泥摻量變化圖Fig.5 Variation of compressibility coefficient with water content and cement content

2.4 三軸剪切試驗(yàn)

圖6 為有機(jī)質(zhì)含量3%和水泥摻量20%條件下，不同含水率水泥土試件在圍壓分別為σ3=50，100，200 和300 kPa 下進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：1) 當(dāng)試樣水泥摻量一定時(shí)，隨著含水率的提高，水泥土試件的破壞形式逐漸由脆性向塑性轉(zhuǎn)變；含水率較低時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線較早進(jìn)入屈服階段，且應(yīng)力下降速度較快，呈強(qiáng)應(yīng)變軟化型，隨著初始含水率的提高，試件破壞應(yīng)力明顯減小，且屈服階段應(yīng)力下降趨勢(shì)較為平緩，呈弱應(yīng)變軟化型。2) 隨含水率的提高，水泥土的破壞峰值也從2 807 kPa降低到1 335 kPa。

圖6 水泥土三軸剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Triaxial shear stress-strain curves of cement soil

根據(jù)摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，在不同圍壓下得破壞時(shí)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，將同一圍壓下的最大和最小主應(yīng)力繪制應(yīng)力圓，多個(gè)應(yīng)力圓公切線的傾斜角為內(nèi)摩擦角φ，縱坐標(biāo)上的截距為黏聚力c。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到水泥土的內(nèi)摩擦角和黏聚力，如圖7 和圖8 所示。由圖7 和圖8 可以看出，水泥土內(nèi)摩擦角、黏聚力隨含水率和水泥摻量的變化表現(xiàn)出類似的性質(zhì)。當(dāng)含水率不變時(shí)，水泥土黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著水泥摻量的增加而增大，當(dāng)水泥摻量從12%提升到25%，水泥土的內(nèi)摩擦角增大了1.25～1.64 倍，黏聚力增大了1.43～1.73倍。在相同水泥摻量條件下，隨著含水率的提高，水泥土的內(nèi)摩擦角和黏聚力均降低。當(dāng)含水率從40%提高到80%時(shí)，水泥摻量為12%，15%，20%和25%的水泥土內(nèi)摩擦角分別降低了0.44，0.42，0.29 和0.25 倍，黏聚力分別降低了0.53，0.52，0.52和0.51倍。

圖7 內(nèi)摩擦角隨含水率和水泥摻量變化Fig.7 Variation of internal friction angle with water content and cement content

圖8 黏聚力隨含水率和水泥摻量變化Fig.8 Variation of cohesion with water content and cement content

3 水泥土抗壓抗折抗剪強(qiáng)度相互關(guān)系

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度關(guān)系

水泥土強(qiáng)度受內(nèi)部水泥膠結(jié)體以及土體-水泥膠結(jié)體界面黏結(jié)性能的影響，其中抗壓強(qiáng)度取決于水泥膠結(jié)體強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度取決于土體-水泥膠結(jié)體界面黏結(jié)強(qiáng)度。隨著水泥摻量的增加，內(nèi)部生成的水泥膠結(jié)體越多，水泥膠結(jié)體與土體之間的黏結(jié)性越強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度同步提高。圖9為水泥土抗折強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。從擬合情況來(lái)看，水泥土的抗折強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度成正比線性關(guān)系：ffs=0.235 4fcu+0.099 1，擬合函數(shù)的決定系數(shù)R2為0.964 4。說(shuō)明水泥土的抗折強(qiáng)度隨著無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而增大，并且隨著抗壓強(qiáng)度越大，規(guī)律越明顯。由于無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果較為容易獲取，在實(shí)際工程中，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，即可通過(guò)線性關(guān)系得到相應(yīng)的抗折強(qiáng)度，在節(jié)約試驗(yàn)成本的同時(shí)，有效提高了初步設(shè)計(jì)效率。

圖9 水泥土抗折強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.9 Relationship between flexural strength and unconfined compressive strength of cement soil

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓縮模量關(guān)系

壓縮模量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別反映了水泥土受壓后的剛度和強(qiáng)度。圖10 為水泥土壓縮模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的線性關(guān)系擬合圖。從圖10 可以看出，水泥土的壓縮模量總體上隨著無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而增大，采用回歸分析方法得到無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓縮模量呈線性關(guān)系：Es=5.018 6fcu+13.942，可以看出數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在擬合直線的兩側(cè)。壓縮模量是變形指標(biāo)，抗壓強(qiáng)度為強(qiáng)度指標(biāo)，二者均為水泥土的重要特性指標(biāo)，而抗壓強(qiáng)度較壓縮模量易獲得。因此，基于Es=5.018 6fcu+13.942 可快速得到壓縮模量，為水泥土室內(nèi)試驗(yàn)提供經(jīng)驗(yàn)公式。

圖10 水泥土壓縮模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.10 Relationship between compressive modulus and unconfined compressive strength of cement soil

3.3 水泥土抗壓強(qiáng)度與黏聚力的關(guān)系

圖11 為水泥土黏聚力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。圖11 可以看出，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與黏聚力之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系。水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與黏聚力之間的線性關(guān)系為：c=0.075 8fcu+0.157。水泥土的黏聚力隨著無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而增大，并且隨著無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，這一規(guī)律越明顯。實(shí)際工程中可以利用已經(jīng)得到的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，通過(guò)線性經(jīng)驗(yàn)公式快速得到對(duì)應(yīng)的黏聚力。

圖11 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與黏聚力的關(guān)系Fig.11 Relationship between unconfined compressive strength and cohesion

4 結(jié)果討論

不同水泥摻量條件下水泥土強(qiáng)度有著較大的差異。隨著水泥摻量的增加，不同含水率條件下改良軟土試樣的抗壓、抗折和抗剪能力都得到提高。例如有機(jī)質(zhì)含量為3%的水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合曲線(圖12)，擬合關(guān)系呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)發(fā)展趨勢(shì)，擬合結(jié)果相關(guān)性較高。圖13 為水泥摻量為12%時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系，由圖13 可知：水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨有機(jī)質(zhì)含量的上升呈線性遞減的趨勢(shì)?；趫D13 得到的發(fā)展規(guī)律，對(duì)圖12 擬合關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，建立不同含水率水泥土隨水泥摻量和有機(jī)質(zhì)含量變化的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合關(guān)系表達(dá)式(式(2))。在式(2)中，當(dāng)M=3%時(shí)，即為圖12 結(jié)果。同時(shí)，由于工作相似性，本文以M=6%條件下的數(shù)據(jù)點(diǎn)為例進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證式(2)的有效性(圖14)。由圖14 可知，在M=6%條件下，不同含水率水泥土隨水泥摻量和有機(jī)質(zhì)含量變化的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合關(guān)系表達(dá)式與試驗(yàn)結(jié)果接近，式(2)具有較好的擬合效果。

圖12 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系(M=3%)Fig.12 Relationship between unconfined compressive strength and cement content (M=3%)

圖13 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系(C=12%)Fig.13 Relationship between unconfined compressive strength and organic matter content (C=12%)

圖14 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系(M=6%)Fig.14 Relationship between unconfined compressive strength and cement content (M=6%)

式中：fcu(C,M)為某含水率條件下水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；C為水泥摻量，%；M為有機(jī)質(zhì)含量，%；M1為3%；fcu(C,M1)為有機(jī)質(zhì)含量為3%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量變化的函數(shù)，表達(dá)式見(jiàn)圖12；k為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨有機(jī)質(zhì)含量變的斜率，其中含水率從40%到80%對(duì)應(yīng)的k值分別為：-0.014 4，-0.014 9，-0.008，-0.007和-0.005 3。需要指出的是：公式(2)適用于初始含水率在40%～100%，有機(jī)質(zhì)含量不高于20%的濱海相軟土。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及試驗(yàn)研究[24]，工程設(shè)計(jì)中養(yǎng)護(hù)28 d 的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度需要大于0.8 MPa?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)由于施工技術(shù)等原因造成的水泥土強(qiáng)度下降，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)得到的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值約為試驗(yàn)結(jié)果的60%。結(jié)合式(2)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系，可以得出不同含水率、有機(jī)質(zhì)含量條件下水泥土選取的水泥摻量，結(jié)果如表3。由表3 可知，隨著含水率和有機(jī)質(zhì)含量的增加，軟土改良時(shí)所需要的水泥摻量也需要提高。以上水泥摻量取值及經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式可供珠海及類似地區(qū)的項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)參考。

表3 不同含水率、有機(jī)質(zhì)含量下軟土的合理水泥摻量Table 3 Reasonable cement content of soft soil under different water content and organic matter content

5 結(jié)論

1) 水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨含水率的升高呈非線性減小，且水泥摻量越高，降低幅度越大。當(dāng)含水率從40%提高到80%時(shí)，4種水泥摻量下水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別降低了73.6%，73.1%，74.4%和76.2%，抗折強(qiáng)度分別降低了63.1%，64.2%，67.7%和70.4%。有機(jī)質(zhì)含量的增大會(huì)降低水泥土的抗壓和抗折強(qiáng)度，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量從3%提升到20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低約13%～35%，抗折強(qiáng)度降低約28%～34%。

2) 水泥土壓縮模量、壓縮系數(shù)受含水率和水泥摻量的影響較大。隨水泥摻量的提高，含水率從40%變化到80%的水泥土壓縮模量增長(zhǎng)幅度均先升高，達(dá)到峰值后開(kāi)始減小。

3) 三軸剪切試驗(yàn)中，隨著含水率的增大，水泥土的破壞逐漸由脆性變?yōu)樗苄?，水泥土的初始模量逐漸減小。水泥土內(nèi)摩擦角和黏聚力均隨含水率的增大表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，且水泥摻量越小降低幅度越大。當(dāng)含水率從40%升高到80%時(shí)，水泥土的內(nèi)摩擦角降低0.25～0.42倍，黏聚力降低約0.52倍。

4) 基于無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，建立了水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度、壓縮模量和黏聚力之間的經(jīng)驗(yàn)公式，為水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

5) 建立了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量和有機(jī)質(zhì)含量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，給出了不同含水率和有機(jī)質(zhì)含量條件下水泥攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)施工水泥摻量的建議范圍，為相關(guān)區(qū)域水泥土的設(shè)計(jì)和施工提供參考。