水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

袁寶王君

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽(yáng)125316）

水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

袁寶王君

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽(yáng)125316）

為探討水泥含量、齡期和含水率對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，分別對(duì)水泥含量為2%，4%，6%，8%和10%，齡期分別為7 d，14 d和28 d，含水率為2%，4%，6%，8%和10%水泥土試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨水泥含量和齡期增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；隨含水率增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小，含水率約為6%時(shí)，其強(qiáng)度達(dá)到最大值。

水泥含量；含水率；齡期；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

1 概況

采用水泥作固化劑，將其與原位土進(jìn)行攪拌，形成具有一定強(qiáng)度的水泥加固土或水泥土樁是目前地基加固的一種常用方法。由于該方法能夠有效的利用原位土，減少了挖方和填方量，且施工時(shí)噪音和污染小，在地基處理中具有廣泛的應(yīng)用。

影響水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素有很多，土性、含水率、水泥種類、養(yǎng)護(hù)齡期、水泥含量以及攪拌方法對(duì)其強(qiáng)度均有較大影響。N.Miura等系統(tǒng)研究了水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮特性以及三軸剪切強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系。結(jié)果表明，水灰比對(duì)水泥土的強(qiáng)度特性和變形特性均有決定性作用，因此建議用水灰比作為水泥土強(qiáng)度的一個(gè)實(shí)際表征參數(shù)。Lorenzo和Bergado認(rèn)為齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度有重要影響，在取表征參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮齡期的影響，而水泥土的孔隙比對(duì)初始含水率和齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度影響的變化規(guī)律能較好反映。Jongpradist等通過(guò)采用水泥土中注入空氣，模擬水泥土的非飽和狀態(tài)，從而探討可非飽和條件下水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。曹智國(guó)等認(rèn)為水泥土可分為兩大類，即水泥加固土和水泥穩(wěn)定土，水泥加固土含水率一般較高而水泥穩(wěn)定土含水率一般較低，通過(guò)選取的2種典型土樣，分別配水制成水泥加固土和水泥穩(wěn)定土，并對(duì)其開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥土的初始含水率、壓實(shí)程度對(duì)水泥土孔隙率有較大影響；隨水泥含量和養(yǎng)護(hù)齡期增大水泥土的飽和度降低；水泥為5%～20%時(shí)，隨水泥摻量增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，且近似呈冪函數(shù)關(guān)系。

通過(guò)對(duì)水泥含量為2%，4%，6%，8%和10%，齡期分別為7，14，8 d，含水率為2%，4%，6%，8%和10%水泥土試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了水泥摻量、齡期和含水率對(duì)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

2 試驗(yàn)土料與試驗(yàn)程序

土料比重為2.72，液塑限采用液塑限聯(lián)合測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)定，液限為47.7%，塑限為24.5%，塑性指數(shù)為23.2%。采用比重計(jì)法和篩析法聯(lián)合進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，顆分結(jié)果如圖1所示?？梢?jiàn)，試驗(yàn)土料最大粒徑為2 mm，粗粒含量為26.7%，細(xì)粒含量為83.3%，定義粒徑小于0.005 mm的顆粒為黏粒，黏粒含量為23.7%，根據(jù)SL237-1999土工試驗(yàn)規(guī)程分類法，可將其定名為低液限黏土。水泥采用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)32.5，細(xì)度（80 μm）7.8%，初凝時(shí)間320 min；3，7，28，90 d齡期抗壓強(qiáng)度分別為22.5，31.0，42.8，66.4 MPa。

圖1 土料級(jí)配曲線

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在應(yīng)變控制式承載比試驗(yàn)儀上開(kāi)展，最大軸向力30 kN，剪切速率為用1 mm/min。試樣尺寸為Φ61.8 mm×120 mm，制樣干密度1.75 g/cm3，分3層制樣，24 h脫膜，試驗(yàn)方案如下。

1）水泥摻量共5組，分別為2%，4%，6%，8%和10%，每組3個(gè)試樣平行試驗(yàn)，水灰比0.8，混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d；

2）含水率共5組，分別為2%，4%，6%，8%和10%，水泥摻量6%，每組3個(gè)試樣平行試驗(yàn)，混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d；

3）齡期共5組，分別為7，14，28，60，90 d，水泥摻量6%，水灰比0.8，每組3個(gè)試樣平行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水泥摻量影響

為分析水泥摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)水泥摻量分別為2%，4%，6%，8%和10%共5組試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。每組試驗(yàn)平行3組進(jìn)行，剔除偏移較大的點(diǎn)，對(duì)剩余的點(diǎn)取平均值作為其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。不同水泥摻量條件下，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖2所示?？芍S水泥摻量增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，水泥摻量由2%增大到10%，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值由676 kPa增大到1 514 kPa。這主要是由于隨水泥摻量增加，水泥水化作用產(chǎn)生的水化產(chǎn)物如水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等增多。水化產(chǎn)物還會(huì)與土顆粒離子發(fā)生一系列反應(yīng)，如發(fā)生離子交換、膠結(jié)和凝硬等物理化學(xué)反應(yīng)，從而提高了水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。水泥摻量增多，水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)形成的產(chǎn)物對(duì)土體有填充和擠密作用，土體的孔隙率逐漸減小，土顆粒間接觸面積增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高。

水泥摻量為2%時(shí)，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值較低。這主要是由于，水泥過(guò)少，水泥水化作用較弱。水泥與土粒間反應(yīng)以及火山灰反應(yīng)產(chǎn)物過(guò)少，對(duì)土體整體抵抗破壞的能力影響較小，K. Uddin將這一區(qū)域定義為水泥土的非反應(yīng)區(qū)。當(dāng)水泥摻量由2%增大到4%時(shí)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值增長(zhǎng)率44.1%，其后隨水泥摻量增大，強(qiáng)度增長(zhǎng)率依次為20%，15.2%和12.4%，可知水泥摻量從2%增大到4%強(qiáng)度增長(zhǎng)最明顯，這主要是由于水泥摻量為2%時(shí)，水泥摻量較少，水泥骨架難以形成，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度低，而水泥摻量為4%時(shí)，形成了水泥骨架能承受較大荷載，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值增大。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-水泥摻量關(guān)系曲線

3.2 含水率影響

為分析含水率對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)含水率分別為2%，4%，6%，8%和10%共5組試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，水泥摻量為6%，齡期為28 d，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。可知隨含水率增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小，含水率為6%時(shí)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最大為1 187 kPa；含水率為2%時(shí)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最小1 017 kPa。水泥發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，形成具有一定強(qiáng)度的水泥骨架，當(dāng)含水率較低時(shí)，水泥不能與水充分反應(yīng)，形成具有高強(qiáng)度的水化產(chǎn)物。因此，在含水率較低時(shí)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值較低，而含水率較高時(shí)，水對(duì)水泥起稀釋作用，含水率越高，水泥形成的骨架強(qiáng)度越弱，表現(xiàn)為隨含水率增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小。

3.3 齡期影響

為分析齡期對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)齡期分別為7，14，28，60，90 d共5組試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，水泥摻量為6%，水灰比為0.8，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，齡期由7 d增大到90 d，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)由752 kPa增大到1 537 kPa。這主要是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期增大，水泥水化反應(yīng)越充分，水化程度越深，水化所產(chǎn)生的水化產(chǎn)物數(shù)量逐漸增多，此外，與水泥摻量增大類似，水化產(chǎn)物增多填充了土顆粒間的間隙，使得土體孔隙率減小，土體更加密實(shí)。因此，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。一般認(rèn)為，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與齡期近似呈乘冪關(guān)系，可寫為：

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-含水率關(guān)系曲線

式中：qu為水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值；a，b為參數(shù)，試驗(yàn)a=465.4 kPa，b=0.27；T為齡期。

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-齡期關(guān)系曲線

然而也有研究表明，隨齡期增長(zhǎng)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度近似呈線性增長(zhǎng)，這可能是由于水泥土火山灰反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行的原因。隨齡期增長(zhǎng)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率分別為31.9%，20.1%，18.7%和11.4%?？梢钥闯鲭S齡期增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率逐漸降低。這主要是由于初期水泥水化作用和火山灰反應(yīng)較強(qiáng)，生成水化產(chǎn)物較多，水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，而隨齡期增大，水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)逐漸減弱，新生成的水化產(chǎn)物逐漸減少，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸趨于不明顯。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同水泥摻量、齡期和含水率的水泥土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了水泥摻量、齡期和含水率對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，主要結(jié)論如下：

1）隨水泥摻量增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，且水泥摻量由2%增大到4%時(shí)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大最明顯。

2）隨含水率增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小，含水率大約為6%時(shí)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最大。

3）隨齡期增長(zhǎng)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與齡期近似呈乘冪關(guān)系。

［1］李建軍，梁仁旺.水泥土抗壓強(qiáng)度和變形模量試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（2）：473-477.

［2］MIURAN,，HORPIBULSUKS，NAGARAJTS.Engineering behavior of cement stabilized clay at high water content［J］. Soils and Foundations，2001，41（5）：33–45.

［3］HORPIBULSUK S,MIURA N,NAGARAJ T S.Claywater/cement ratio identity of cement admixed soft clays［J］. JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2005，131（2）：187—192.

［4］HORPIBULSUKS，MIURAN，NAGARAJTS.Assessment ofstrengthdevelopmentincement-admixedhighwatercontent clays with Abrams law as a basis［J］.Geotechnique，2003，53（4）：439-444.

［5］LORENZOGA，BERGADODT.Fundamentalparameters of cement-admixed clay-new approach［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2004，130（10）：deep mixing［J］.Journal of Materials in Civil Engineering,2006,18（2）：161-174.

［6］曹智國(guó)，章定文.水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度表征參數(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，31（S1）.

TV172.7

A

1002－0624（2017）03－0042－03

2016-08-26