巖溶區深層攪拌法水泥紅土強度影響因素分析

劉　鋒，劉之葵，孫剛臣，郭培璽

(1.廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西桂林541004；2.桂林理工大學土木與建筑工程學院, 廣西桂林541004；3.中冶集團武漢勘察研究院有限公司, 武漢湖北430080)

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巖溶區深層攪拌法水泥紅土強度影響因素分析

劉鋒1,2，劉之葵1,2，孫剛臣1,2，郭培璽3

(1.廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西桂林541004；2.桂林理工大學土木與建筑工程學院, 廣西桂林541004；3.中冶集團武漢勘察研究院有限公司, 武漢湖北430080)

摘要：為了探討在巖溶區采用深層攪拌法加固紅粘土軟弱下臥層，通過在不同水泥摻量、外加劑摻量條件下制備不同的水泥紅土，并對水泥紅土進行無側限抗壓強度試驗。對比不同齡期、摻入比及摻加外加劑的效果，得出水泥土強度的幾種主要影響因素及其與強度的關系,并推算不同水泥摻入比量、齡期水泥土之間的強度公式以及最佳加固效果時的水泥摻量為15%～25%。

關鍵詞：巖溶區；深層攪拌；水泥紅土；無側限抗壓強度

0引言

巖溶區廣泛分布有殘積紅粘土，其具有上硬下軟地層結構。上部紅粘土地基承載力高、含水量低、壓縮變形小，是良好的天然地基持力層。下部紅粘土地基承載力低、壓縮變形較大且含水量高，不宜直接作為天然地基持力層，屬軟弱下臥層[1-2]。一般情況下，上部硬塑狀的紅土約為整個粘土層的75%，下部呈可塑至流塑狀態，為天然地基的軟弱下臥層[2-3]，粒徑多在10～50 μm[4]。

目前提高下臥層的地基承載力、變形模量的方法有很多，更有變單向室內試驗研究[5]，為充分發揮上部硬塑紅粘土的作用，形成復合地基，本文采用深層攪拌法處理軟弱下臥層，以滿足建筑物對地基承載力和變形的要求。但目前水泥土的拌和硬化機理、參數選取、樁身強度影響因素、復合地基承載力影響因素等理論尚不成熟。為找到深層攪拌法對巖溶地區地基承載力的影響因素，通過相同土質的紅粘土在相同的水灰比條件下，摻入不同的水泥量、不同的外加劑制備成水泥紅土。對水泥紅土試樣進行室內試驗，分析影響水泥紅土強度的各因素。

為了便于在現場施工中能做到抓大放小，采用更安全、經濟、合理的施工方案來處理軟弱下臥層，本次試驗主要考慮不同齡期、摻入比及摻加外加劑的效果等因素對水泥土樁強度的影響，相應地做出了不同的試樣進行抗壓、抗剪等強度試驗。以求水泥土強度的幾種主要影響因素及其與強度的關系以及最佳水泥摻量。

1水泥紅土的無側限抗壓強度試驗

1.1原材料

水泥：水泥為425#普通的硅酸鹽水泥，強度等級為42.5R。

土樣：在桂林雁山某項目，土樣取自該場地埋深為6～10 m的軟弱下臥層，土樣呈黃褐—紅褐色，局部可見白色，土質較均勻。在該下臥層取原狀土樣做室內土工試驗，并進行3次原位標準貫入試驗，得土粘土主要物理力學指標分別為W=51.0%,ρ=1.68 g/cm3,WL=51.0%,IP=26.0,IL=0.69,C=4 kPa,Φ=8.6°,Es=3.24 MPa。

外加劑：本次試驗中添加的外加劑為石膏和木鈣，石膏用量2%(占土重)，木鈣用量0.8%(占水泥重)。

1.2試驗方法

按照添外加劑與否和水泥不同摻量,可分為12組,每組制樣45塊,共計540塊,試驗歷時120 d。試件是以UPVC管為模具，直徑3.91 cm,高度10.00 cm的圓柱體。

試驗方法參照相關規程，各種材料的用量按表1配比進行調配，采用R6201B小型手持電動攪拌機進行拌和[6]，制樣后用保鮮膜覆蓋，以防水分過快蒸發。在室溫下靜置24 h后進行拆模，拆模后試件立即送入室溫為(25±2)℃，濕度為95%的標準養護室養護，養護方式為水養，養護至試驗齡期(7 d、28 d、60 d、90 d、120 d)后取出做試驗[7-11]。

表1　水泥紅土試樣制備配比

2試驗結果及分析

水泥紅土試樣保養至試驗齡期，對試樣進行無側限抗壓強度試驗。試樣不同養護期齡的無側限抗壓強度(qU)試驗結果見表2。

表2　水泥紅土無側限抗壓試驗結果

1.表示該項數據未成功測得或者未測。

2.1水泥摻量對無側限抗壓強度的影響

本次試驗水泥紅土制備采用的是水泥摻入比，水泥摻入比是指水泥摻量與天然重量之比。

一般說來，水泥的摻量越高，水泥土的強度也就越高。在沒有加外加劑的情況下，水泥紅土90 d的無側限抗壓強度qU與水泥摻入比a的關系如圖1中曲線2所示：

圖1　qU,90與a關系曲線

對圖1中的qU,90-a關系曲線進行線性回歸分析，可以得到兩者的一次線性方程：

qU,90=90.544a+1 168.752。

采用t檢驗對以上回歸方程作顯著性檢驗。取顯著性水平a=0.05，查t分布表得臨界值得ta/2(4)=2.776<|t|=7.505，可知無側限抗壓強度qU,90對水泥摻量a的一元線性回歸的效果顯著。

由圖1可知，在沒有外加劑的情況下，水泥的用量與水泥紅土90 d的無側限抗壓強度呈線性關系，水泥的摻量越高，水泥土的強度也就越高。

2.2外加劑對無側限抗壓強度的影響

為了探究添加外加劑對水泥紅土抗壓強度的影響，本次試驗根據不同水泥摻量添加適量的外加劑，外加劑為石膏和木鈣，石膏用量為水泥的2%，木鈣用量為水泥的0.8%。在加有外加劑的情況下，水泥紅土90 d的無側限抗壓強度qU,90與水泥摻入比的關系如圖1中曲線1所示，尋求水泥紅土水泥摻量a與相對應的水泥土無側限抗壓強度對應關系。用拉格朗日插值多項式作為擬合函數擬合水泥摻量a與水泥土強度qU,90曲線關系。擬合函數為二次函數，得：

qU,90=403.796a-8.934a2-811.56。

由函數可知，添加了外加劑的水泥紅土在水泥含量在15%～25%的90 d的無側限抗壓強度明顯提高，而在水泥含量小于15%和大于25%的情況下，90 d無側限抗壓強度(qU,90)比未添加外加劑要低，添加了外加劑的無側限抗壓強度曲線與單位水泥關系圖為非線性，呈拋物線關系。

從經濟角度和技術角度考慮，水泥摻入比為15%～25%時，qU能達到最佳的加固效果。所以在此取水泥摻量為15%并加外加劑，對水泥紅土養護的齡期T與相對應的水泥土強度qU進行回歸分析，根據圖2，假設其回歸方程的數學模型為:

qU=kTb，k,b為待求參數，

取對數得： lgqU=lgk+blgT。令Y=lgqU，a=lgk，X=lgT，則Y=a+bX, 可以用一元線性回歸方程求得y=0.378x+2.791，由a=lgk，得：

k=2.388,b=2.791，

采用t檢驗對以上回歸方程作顯著性檢驗。ta/2(2)=4.303<|t|=7.69,可知：y=0.378x+2.791線性回歸的效果顯著。從而可以得到水泥土養護齡期T與水泥土無側限抗壓強度qU的回歸模型：

qU=2.388T2.791。

取水泥摻量為20%并加外加劑，對水泥紅土養護的齡期T與相對應的水泥土強度進行線性回歸分析如圖3所示。

圖2有外加劑的qU-T關系曲線(水泥摻量為15%)

Fig.2Relationships ofqU-Tin the cement red

soil withadditives(cement content of 15%)

圖3有外加劑的qu-T關系曲線(水泥摻量為20%)

Fig.3Relationships of qu-T in the cement red

soil withadditives(cement content of 20%)

水泥土養護齡期T與水泥土無側限抗壓強度qU的回歸模型為：

qU=13.02T+2542.814。

由圖2和圖3分析可知：隨著水泥摻量的增加，水泥紅土的無側限抗壓強度qU在早期強度qU,7和以后的強度qU,28、qU,60、qU,90、qU,120上都有提高。

2.3齡期對無側限抗壓強度的影響

由表2，據是否參入外加劑水泥紅土摻入量、齡期與強度的關系曲線(圖4)及水泥紅土的外加劑摻入、水泥摻入比、齡期與強度的關系曲線(圖5)，由圖4和圖5分析可知，在摻入外加劑的情況下，外加劑摻入量適量對各齡期水泥紅土的無側限抗壓強度qU有所提高，在水泥摻量為15%～20%時，水泥紅土的無側限抗壓強度在28 d以后的無側限抗壓強度有明顯的提高，早期的無側限抗壓強度影響不大；在水泥摻量在小于15%和大于25%時，水泥紅土的無側限抗壓強度在各齡期段都沒有顯著提高，甚至會有所降低。由圖6和圖7分析可知：各個相同水泥摻入比間，有外加劑的水泥土樣與無外加劑水泥土樣無側限抗壓強度相比，從圖6和圖7上看出大致是在28 d后，有外加劑的土樣無側限抗壓強度提高顯著。從而可以得出：在提高水泥土強度方面，外加劑在養護前期不如后期效果明顯。

圖4未加外加劑的水泥紅土摻入比、

齡期與強度的關系曲線

Fig.4Curves of time and the cement soil’s strength

with different cement content and without additives

圖5摻有外加劑水泥紅土摻入量、

齡期與強度的關系曲線

Fig.5Curves of time and the cement soil’s strength

with different cement content and with additives

圖6相同水泥摻入比下，水泥紅土的外加劑

摻入與否對齡期與強度關系的影響曲線(1)

Fig.6Under the same cement mixing ratio and

the admixture of cement clay mixed with or not impact

on the relationship between ageand intensity curve(1)

圖7相同水泥摻入比下，水泥紅土的外加劑

摻入與否對齡期與強度關系的影響曲線(2)

Fig.7Under the same cement mixing ratio and

the admixture of cement clay mixed with or not impact

on the relationship between age and intensity curve(2)

3結語

①在沒有外加劑的情況下，水泥的用量與水泥紅土90 d的無側限抗壓強度呈線性關系，水泥的摻量越高，水泥土的強度也就越高。

②添加了外加劑的水泥紅土在水泥摻量在15%～25%的無側限抗壓強度明顯提高，而在水泥含量小于15%和大于25%的情況下，無側限抗壓強度qU沒有明顯的提高甚至有所下降。

③從經濟角度和技術角度考慮，摻如適量的外加劑對提高水泥紅土的無側限抗壓強度有幫助，水泥摻入比為15%～25%時，qU能達到最佳的加固效果，更加利于深層攪拌施工。

④水泥紅土無側限抗壓強度隨齡期增長而增大。

⑤在提高水泥土強度方面，外加劑在養護前期不如后期效果明顯。

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(責任編輯唐漢民梁碧芬)

Analysis on factors of influence strength of deep mixing cement laterite in karst area

LIU Feng1,2, LIU Zhi-kui1,2, SUN Gang-chen1,2, GUO Pei-xi3

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin 541004, China；

2.College of Civil Engineering and Architecture, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China；

3.Wuhan Surveying Geotechnical Research Institute CO.,LTD.of MCC，Wuhan 430080, China)

Abstract：A study on soft sub-layer in karst area was carried out adopting deep mixing method. Different cement laterite was prepared under different cement content and additives, and unconfined compression strength tests were conducted on the cement laterite. There are some factors that affect the cement soil strength - the cement content plays a major role, and the additives also affect the strength of the cement soil. The strength of soil increases with the cure ages, and the best reinforcement effect can be achieved with the cement content of 15%～25%.

Key words:karst area;cement mixing method; cement-red soil; unconfined compression strength

中圖分類號:TU472 36;TU446

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0122-06

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0122

通訊作者：劉之葵(1968—)，男，江西興國人，桂林理工大學教授，博士生導師，博士(后)；E-mail：liuzhikui@126.com。

基金項目：國家自然科學基金資助項目 (51169004)；廣西自然科學基金創新研究團隊項目(2012GXNSFGA060001)； 廣西科技廳北部灣重大項目(2012GXNSFEA053002子課題-1)

收稿日期：2015-11-11；

修訂日期：2015-12-30

引文格式： 劉鋒，劉之葵，孫剛臣,等.巖溶區深層攪拌法水泥紅土強度影響因素分析[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(1)：122-127.