水泥土攪拌樁室內試驗研究

范凌燕

(湖南交通職業技術學院 路橋工程學院，湖南 長沙 410132)

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水泥土攪拌樁室內試驗研究

范凌燕

(湖南交通職業技術學院 路橋工程學院，湖南 長沙 410132)

摘要:結合黔張常鐵路項目對水泥土進行一系列的室內研究試驗，試驗結果表明：水泥土的重度較原狀土有所增加，幅度為1.7%~7.4%。無側限抗壓強度隨著水泥摻入比的增加而增大，破壞模式為脆性破壞，呈現倒三角錐形。水泥土的壓縮模量隨著齡期和摻入比的增大而增加。研究成果可為類似工程的設計和施工提供借鑒。

關鍵詞：水泥土；重度；液、塑限；無側限抗壓強度；固結；破壞模式

近幾年來，我國高速公路、高速鐵路發展迅速，建設過程中難免會遇見軟弱地基，水泥加固土是軟弱地基處理的常用方法[1]。水泥加固土具有最大限度的利用原位土，攪拌時無振動和無噪聲，對環境影響較小，加固形式靈活、經濟等優點，同時又具有費用低、施工方便、作業面小等優越性，因此發展前景樂觀。歐明喜等[2]通過水泥土三軸疲勞試驗，得出了水泥摻量、加載頻率和循環周數對水泥土疲勞特性的影響規律；王星華[3]對水泥土固化過程進行了微觀研究；周麗萍等[4]研究了粉質黏土水泥土，提出了這種土在單軸受壓下應力-應變曲線的本構方程，并分析了影響因素。阮波等[5-6]研究了不同類型土的無側限抗壓強度的影響因素和作用機理。本文結合黔張常鐵路項目，探討水泥土物理力學特性，并分析強度的影響因素。研究不同的水泥摻量、不同的養護齡期對水泥土無側限抗壓強度和固結特性的影響，結果可為室外的水泥土攪拌樁工程提供參考。

1試驗研究

1.1　試驗材料

試驗所用的土取自黔張常某鐵路項目，其物理力學參數指標如表1所示。水泥選取為425號的普通硅酸鹽水泥，其物理力學指標見表2。

1.2　試驗方案

由于現場設計的水泥攪拌樁樁徑為0.5 m，設計的水泥摻入比為55 kg/m,折算成濕土摻入比aw(見式(1)所示)為13.7%，按照設計要求水灰比為1.0，試驗方案見表3所示。

(1)

式中：aw為濕土摻入比，%；mc為水泥質量，kg；ms為濕土質量，kg。

表1　原狀土物理力學性質

表2　水泥的物理力學指標

表3　試驗方案

為了保證試驗的準確性，其中無側限抗壓強度和固結試驗各采用3個平行試樣，取其平均值作為該小組的結果。試樣的測得值與平均值之差超過平均值的±15%時，則該組試驗結果無效，按余下試驗的測得值算得平均值，若一組試樣的個數不足2個時，則該組試驗結果作廢，須重做滿足要求。

1.3　試樣制備

土樣風干、碾碎、過2 mm篩，然后按照上述的3種水泥摻入比、水灰比和含水率要求分別稱取適量的水泥、水。按照《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T233-2011)[8]規定：將風干土和水泥先拌合均勻，加水并攪拌至20 min。將水泥漿拌合物分兩次插倒、振實、刮平制作成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標準立方體試塊和直徑為61.8 mm高度為20 mm的環刀圓柱體試樣。經過24h之后進行脫模，標號后放入養護室進行養護，養護條件為:溫度為(20±2)℃，相對濕度≥95%，養護到相應齡期后進行試驗。

1.4　試驗設計

無側限抗壓強度試驗采用WDW-50型微機控制電子萬能試驗機，試驗過程中速率控制在10 mm/min。由于水泥土變形較小，故壓縮試驗采用GDZ-2三聯高強固結儀，加載序列為100，200，400，800，1 600和3 200 kPa。

2試驗結果分析

2.1　水泥土密度和液塑限試驗

用天平稱取試樣質量，用量積法測量體積，然后計算單位體積的質量。液塑限則采用液塑限聯合測定儀測得，試驗結果列于表4。

經對比發現，水泥土的重度大于原狀土的重度。一般情況下，大約增長1.7%~7.4%，因此水泥土重度的增加未對下面的土層產生較大的附加應力和附加沉降。液限、塑限均較原狀土有所增加，養護齡期越長，塑限指數越大。

2.2　無側限抗壓強度試驗

當水泥遇到土中的水時，水泥中的礦物成分與水發生一系列水解水化，通過水泥和土質之間的離子交換、團粒化、凝化作用等一系列物理化學反應，生成氫氧化物和含水鹽化合物等，形成具有整體性、水穩定性和一定強度的凝膠物，減少了土體的含水量，增加了土顆粒之間的黏聚力，使土體的強度和壓縮模量提高，從而達到加固地基的目的。無側限抗壓強度的試驗結果如表5所示。

表4　各組試驗的密度和液塑限

表5　各組試驗無側限抗壓強度

水泥的摻入比對水泥土的無側限抗壓強度的影響如圖1所示，從圖中可以看出，水泥土的無側限抗壓強度隨著水泥的摻入比的增加而增長，與原狀土相比，其強度提高5.66~13.86倍，所以加固效果顯著。在實際工程中，水泥摻量不能太多也不能太少。若太多，則形成的水泥土強度很大，其壓縮模量也比較高，其構成的水泥土攪拌樁在外部荷載的作用下，樁體本身承載的荷載較多，位移相對較小，而樁周土壓縮模量小，承擔的荷載較小，從而樁土的應力比較大，不利于復合地基的整體穩定性。若太少，水泥土強度不高，樁體的承載能力較低，同時在實際過程中考慮經濟的原因。

圖1　無側限抗壓強度與摻入比關系Fig.1 Relationship between UCS and the mixing ratio

表5和圖2反映了養護齡期和水泥土無側限抗壓強度之間的關系，隨著養護時間的變長，其強度也隨之增長，特別是在28 d增長幅度顯著提高。現行規范[8-9]規定，水泥土的性能指標宜以90 d齡期的試驗結果為準。以14 d的為例，10.7%，13.7%和16.7%的摻入比的水泥土無側限抗壓強度為90 d的0.46~0.52，28 d的無側限抗壓強度為90 d的0.59~0.64。

圖2　無側限抗壓強度與齡期關系Fig.2 Relationship between UCS and age

在試驗結束后觀察試樣在單軸受壓狀態下的典型破壞模式，可以發現水泥土的無側限抗壓試驗的破壞形式主要為脆性破壞。在水泥摻入量較高，養護齡期較長的情況下，試樣破壞形式呈倒三角錐形；而在摻入量較低養護齡期較短的情況下則表現為斜向剪切破壞，會出現明顯的剪切面。試樣的脆性破壞的典型照片如圖3所示。

從圖4中可以發現，水泥土在不同的水泥摻入比情況下，齡期越長，孔隙比越小，這是因為時間越久，水泥與土顆粒間的水解和水化作用就越明顯，生成的硅酸鈣、硅鋁酸鈣和膠凝物也就充斥在土顆粒中，其強度自然而然就越高，沉降變形也就越低。壓縮系數av<0.1，說明水泥土屬于低壓縮性土。在齡期相同的情況下，壓縮模量Es1-2隨著水泥摻入比的增大而增大；在水泥摻入比相同的情況下，壓縮模量Es1-2隨著齡期的增大而增大，壓縮系數

av則相反。由此可知，隨著時間的推遲，水泥的水化完成，則壓縮性也逐步降低。

圖3　水泥土典型的脆性破壞模式Fig.3 Cement-soil typical brittle failure mode

2.3　固結試驗

固結試驗結果如表4和圖6所示。

(a)aw=10.7%；(b)aw=13.7%； (c)aw=16.7%圖4　不同水泥摻入比下的e-P曲線圖Fig.4 E-P curves under the different cement mixing ratio

摻入比/%10.713.716.7齡期/d142890142890142890壓縮系數av0.0810.0620.0560.0750.0590.0470.0620.0450.043壓縮模量Es1-221.65128.19131.36822.73430.09338.68538.68539.95244.013

3結論

1)摻入一定配比的水泥后，水泥土的重度一般有所增加，幅度為1.7%~7.4%。

2)水泥土試樣在單軸受壓情況下主要表現為脆性破壞。在高摻入比和長齡期的情況下主要呈現2個倒三角錐形式。

3)水泥土屬于低壓縮性土，在水泥摻入比一定時，齡期越長，壓縮模量Es1-2越大，同時壓縮模量Es1-2隨著摻入比的增大而增大。

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(編輯蔣學東)

Experimental study on cement-soil mixing pile

FAN Linyan

(School of Luqiao Engineering, Hunan Communication Polytechnic，Changsha 410132，China)

Abstract:A series of indoor test were completed according to the research on cement-soil based on Qian Zhang Chang Railway project.The results indicate that soil with a amount of cement can increase unit weight by1.7~7.4times.The UCS increases significantly with the increase of mixing ratio.Damage model is brittle failure, and nobla cone was found.The compression modulus of cement-treated soil increases with the increase of age and mixing ratio.This study is of conference value in the construction and design of other similar projects.

Key words:cement soil; unit weight; liquid and plastic limit; UCS; consolidation; failure mode

通訊作者：范凌燕(1973-)，女，湖南邵陽人，從事巖土和建材教學與研究；E-mail:704697157@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(50678175)

收稿日期：2015-03-10

中圖分類號：TU 411

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)06-1374-05