基于水灰比準則的水泥土無側限抗壓強度預測

張 帥 錢 峰

(1.廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州 510000;2.南京城建工程設計有限公司，江蘇南京 210000)

0 引言

JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范［1］和JTG D30-2004公路路基設計規范［2］及TB 10113-96粉體噴攪法加固軟弱土層技術規范［3］對于加固土樁的抗剪強度均采用90 d齡期為標準強度。由于多數施工工期較緊，90 d齡期的標準強度檢測給室內試驗和現場檢測帶來了一定的困難。目前應用較廣泛的方法是根據短齡期(7 d，28 d)的試驗、檢測數據，按照強度增長規律推測90 d的強度［1-3］。由于水泥土的強度受土性，水泥摻入比，水灰比，齡期等眾多因素影響，各組預測結果不盡相同。

同時，Horpibulsuk 等［4，5］基于 Abrams 理論，提出了高含水率淤泥無側限抗壓強度預測方法，取得了一定成果。本研究基于Abrams理論，分析了水泥加固土無側限抗壓強度同土性，水泥摻量，養護齡期的關系，對固化后淤泥無側限抗壓強度進行了預測。

1 現行規范無側限抗壓強度預測方法

1.1 JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范

JGJ 79-2002對水泥土強度表述為:“對豎向承載的水泥土強度宜取90 d齡期試塊的立方體抗壓強度平均值。”其在條文說明中進一步表述，在其他條件相同時，不同齡期的水泥土抗壓強度間大致呈線性關系，其經驗關系式如下:

1.2 JTG D30-2004公路路基設計規范

JTG D30-2004根據目前的施工總體水平，認為加固土樁的抗剪強度最大只能為0.3倍的無側抗壓強度，并總結分析了各個不同規范的強度預測公式。

1.3 TB 10113-96粉體噴攪法加固軟弱土層技術規范

TB 10113-96根據室內試驗結果，假設28 d強度為1.0 MPa，按關系式計算其7 d強度約為0.67 MPa，90 d強度約為1.33 MPa。認為可用下式推算相關齡期強度:

1.4 Abrams理論

Abrams理論是一種在混凝土運用較為廣泛的強度預測準則，表述為:對于一個給定的水泥膠凝材料，其強度僅取決于水分質量及水泥質量之比［4］。其關系如下所示:

其中，S為強度;M和N均為經驗系數;w為混凝土中水的質量;c為水泥質量。

與混凝土不同，土體比表面積較大，故運用Abrams理論進行強度預測，需要對其適用性進行研究。Uddin［6］研究了基于室內試驗的黏性土強度特性，認為Abrams理論反映了土體無側限抗壓強度與水灰比關系，可用于無側限抗壓強度的預測。Horpibulsuk等［4，5］進一步研究發現，固化中水泥的作用在于將土顆粒膠結起來形成封閉結構，此時水分雖被封閉在結構內，但仍可與活性介質——土顆粒發生離子交換等反應。為此引入了黏土水灰比(clay-water/cement ratio)概念對淤泥固化土強度進行預測，黏土水灰比定義為水分質量w和水泥質量c的比值，Horpibulsuk等通過實驗認為，運用wc/c較運用w/c更為精確，上述公式可修正為:

其中，qu為無側限抗壓強度值;A為與取決于土性與齡期的經驗系數，對于同一種土，齡期愈長，系數A取值愈大;B為同液性指數 IL呈反比的經驗系數，當 IL=1.0 ～2.5 時，B=1.24。

根據以上分析，對于某一特定的wc/c，回歸系數B為常數，固化土強度僅與A有關。取28 d的強度為參考值，對不同齡期的水泥土強度進行標準化處理。得到以下結果:

其中，qD為齡期D時的無側限抗壓強度值;q28為齡期為28 d時的水泥土強度。

當 IL=1.0 ～2.5 時，B=1.24，某一土體及特定齡期時，A 為常數，故:

其中，q(wc/c)1為(wc/c)1時淤泥固化土強度;q(wc/c)2為(wc/c)2時淤泥固化土強度，聯立上式，并類似推導IL＞2.5時情況，有:

其中，q(wc/c)1，D為齡期D天，黏土水灰比(wc/c)1時淤泥固化土強度;q(wc/c)2，28為齡期28 d，水灰比(wc/c)2時淤泥固化土強度。取繆志萍等［7］實測強度為基準值，運用式(7)進行強度預測，預測結果如圖1所示。從圖1中可以看出，預測結果較實測結果偏差度較大，且受基準值影響較大，未與基準值呈現明顯線性關系。因此，有必要對公式進一步修正，滿足高黏土水灰比情況下的要求。預測基準組見表1。

表1 預測基準組

圖1 對無側限抗壓強度值進行預測

取28 d的強度為參考強度，選取周旻等人［8］試驗數據，對同一wc/c下，不同齡期，不同含水率及水泥摻量下的固化淤泥無側限抗壓強度值進行歸一化處理，如圖2所示。

從圖2中可以看出，線性關系良好，對應公式為:

運用上述公式，對系列2的無側限抗壓強度進行預測，實測強度與預測強度的對比結果如圖3所示，相關性較好，故可用此方法進行水泥加固土的強度預測是可靠的。

圖2 無側限抗壓強度值歸一化處理

圖3 實測強度與預測強度關系

2 結語

1)隨著水灰比的增大，高含水率淤泥固化土強度值顯著降低;破壞應變在1%～3%之間，隨水泥摻量和齡期的增加總體呈降低趨勢。2)原有基于Abrams理論的高含水率淤泥固化土強度無側限抗壓強度預測公式預測結果較實測結果偏差度較大，且預測結果受基準值影響較大，與基準值線性關系不明顯。3)根據試驗結果修正了預測公式，使其可以適用于高黏土水灰比情況下，并對其進行了驗證，結果表明，可運用式(8)對水泥加固土無側限抗壓強度進行預測。

［1］ JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范［S］.

［2］ JTG D30-2004，公路路基設計規范［S］.

［3］ TB 10113-96，粉體噴攪法加固軟弱土層技術規范［S］.

［4］ Horpibulsuk S.，Miura N.，Nagaraj T.S.Assessment of strength development in cement-admixed high water content clays with Abrams’law as a basis［J］.Geotechnique，2003，53(4):439-444.

［5］ Horpibulsuk S..Analysis and Assessment of engineering behavior of cemnt stabilized clays［D］.Saga University，2001.

［6］ Uddin K..Strength and Deformation Behavior of Cement Treated Bangkok Clay［D］.Thailand:Asian Institute of Technology，1994.

［7］ 繆志萍，劉漢龍.疏浚土工程特性的試驗研究［J］.四川建筑科學研究，2005，31(6):109-112.

［8］ 周 旻，侯浩波，張大捷，等.湖泊底泥改性固化的強度特性和微觀結構［J］.巖土力學，2008，29(4):1010-1014.