水泥固化淤泥質土-砂混合軟土的工程特性研究

劉平平,許燕賓,艾志偉,鄧通發

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院,江西贛州341000;2.贛州博達公路有限公司,江西贛州341000；3.浙江省建設投資集團有限公司,杭州310012）

水泥固化淤泥質土-砂混合軟土的工程特性研究

劉平平1,許燕賓2,艾志偉3,鄧通發1

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院,江西贛州341000;2.贛州博達公路有限公司,江西贛州341000；3.浙江省建設投資集團有限公司,杭州310012）

以井睦高速花崗巖地區的水泥固化淤泥質土-砂混合土為研究對象，通過無側限抗壓強度試驗，研究了含砂水泥固化土的工程特性，得出了含砂量和齡期對其強度和變形特性的影響機制.試驗結果表明：水泥摻入比一定時，增加含砂量，含砂水泥固化土強度呈峰值點趨勢增長，即存在最優含砂量且具有隨水泥摻入比增加而增大的內在規律；當水泥摻入比為12%和20%時的最優含砂量分別是30%和40%.水泥固化土的應力應變曲線均存在明顯的峰值，屬加工軟化型；含砂量對其強度和變形特性的作用機制主要是置換作用、團?；疤畛渥饔?、約束作用、減水作用和分散作用，說明采用水泥固化淤泥質土-砂混合軟土具有優越性.

水泥土；含砂量；混合土；強度

0 引言

含砂水泥固化土是一種多相復合材料，主要由淤泥-砂混合軟土、水泥和水攪拌混合而成.加強含砂水泥固化土強度及變形特性的研究，具有較高的工程實踐意義.廖建春和蘭凱等[1-2]通過對工程現場水泥土強度試驗研究，指出摻入一定量砂對水

泥土的改良作用較大，強度較高.范曉秋和劉鑫等[3-4]通過在淤泥質水泥土中摻入標準砂的強度試驗表明，摻入一定量的標準砂，可顯著提高其強度，并指出摻砂對水泥的水化反應有一定的延緩作用.王海龍和赫文秀等[5-6]探討黏土-河砂-水泥固化土的工程特性，也得出類似的結論.王樹娟等[7]通過對摻河砂的水泥固化土試驗研究，認為增加摻砂量，水泥土抗壓強度隨之增大；在圍壓條件下，其偏應力-應變關系曲線峰態較明顯，屬軟化型.目前，對摻入河砂或標準砂的水泥固化土力學特性有一定的研究，但摻入不同砂料特性的水泥固化土力學特性會存在一定的差異[8-9].而在全風化花崗巖地區，專門研究淤泥質土-砂混合軟土水泥固化后的工程特性的較少.

基于井睦高速公路中水泥攪拌樁處理淤泥質土-砂混合軟土復合地基，邱模清，鄧通發等[10-11]對淤泥質土-砂混合軟土進行了固結和剪切實驗研究，筆者將在他們的基礎上通過加入固化劑對混合軟土進行一系列無側限抗壓強度試驗，探討含砂量對水泥固化土工程特性的影響，以達到提高水泥固化土強度，降低工程造價的目的，為工程中水泥攪拌樁復合地基的設計及施工提供一定的參考依據.

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗原料土取自井睦高速公路某標段地基深處的淤泥質土-砂混合軟土，先進行篩分并分選出粗粒組砂和細粒淤泥質土，再按照不同混合比例重塑土-砂混合土試樣，其混合土性質與邱模清，鄧通發等[10-11]文獻一致，采用普通硅酸鹽水泥P.O32.5對混合土進行固化，水泥基本參數見表1.

表1 P.O32.5普通硅酸鹽水泥基本性質

1.2 試驗方法

為研究淤泥質土-砂混合軟土水泥固化后的工程特性，定義粗顆組砂與混合土的干質量之比為含砂量（S），含砂量設計為0%、10%、20%、30%、40%、50%和70%等7組；水泥摻入比選用12%和20%，水灰比為0.6；齡期采用3 d、7 d、14 d、28 d和60 d等5個不同齡期組合.綜合考慮到我國水泥土強度評價體系的現狀，選用長×寬×高為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊.本次無側限抗壓強度試驗步驟如下：

1）采用質量控制法計算各摻料質量，根據設定的含砂量，配制含水率為35%的土-砂混合土，再摻入相應的水泥漿液并攪拌均勻.

2）將含砂水泥固化土分層振搗成型，制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊.成型后放置于標準養護箱內養護1~2 d后，保證其達到一定的硬度后再脫模并編號，然后進行標準養護（養護溫度控制在（20±2）℃，濕度95%以上）到規定齡期；其中各編號含義為：C-水泥摻入比，S-含砂量，T-齡期，如C12S30T28即表示水泥摻入比為12%、含砂量為30%且齡期為28 d的含砂水泥固化土試塊.

3）采用微機控制電子萬能試驗機進行無側限抗壓強度試驗，控制應變速率為1.6 mm/min，每個配比的試塊均進行3次平行試驗，減小試驗誤差.

1.3 試驗結果

在不同含砂量、不同齡期下，相應水泥摻入比的水泥固化土無側限抗壓強度值見表2.由于水泥固化土無側限抗壓強度的影響因素較多[12]，為有效分析某一組成材料對其強度的影響機制，采用控制單因素變量法進行對比分析.

表2 無側限抗壓強度試驗結果

2 試驗結果分析

2.1 含砂水泥固化土強度特性分析

1）含砂量對抗壓強度的影響.圖1是水泥固化土無側限抗壓強度與含砂量的關系曲線.

由圖1可知：在不同齡期下，無側限抗壓強度隨著含砂量增加呈峰值點趨勢增長.其增長趨勢可分為兩個階段：在12%的水泥摻入比下，當含砂量由0%增至30%時，強度顯著提高，且在含砂量為30%時強度達到最大；繼續增加含砂量至70%時，強度有所下降，但降幅較小，仍高于相應的不含砂水泥固化土的強度.

結合圖1（a）、（b）可得出：水泥摻入比為12%時的最優含砂量約為30%，水泥摻入比為20%時的最優含砂量約為40%，說明水泥摻入比一定時，在最優含砂量下的抗壓強度最大，增加水泥摻入比時，最優含砂量隨之增加.這是由于砂顆粒作為含砂水泥固化土中的粗骨料，水泥水化物的膠結作用使土砂顆粒形成骨架，強度明顯提高.所以含砂量對強度變形有改善作用，但改善幅度易受水泥摻入比的影響.一定水泥摻入比下，增加含砂量，水泥膠砂骨架結構增多，強度增大.當含砂量增至最優含砂量時，骨架結構最多，整體密實性最好，強度達到最大.超過最優含砂量時，膠結物不足以全面膠結砂顆粒骨架，砂-砂接觸界面增加，微孔隙增多，顆粒間的聯結將由原粘性土的握裹力和粘結力轉為砂顆粒間的接觸摩擦力和咬合力，加荷時容易發生滑移破壞，從而使強度逐漸降低.但增加水泥摻入比后，水化膠結物增多，能夠膠結更多的砂顆粒骨架，強度相應顯著提高，即最優含砂量增加.

2）齡期對抗壓強度的影響．齡期與含砂水泥固化抗壓強度的關系，如圖2所示，水泥土強度隨齡期的延長而急劇增長.

圖1 不同水泥摻入比下抗壓強度與含砂量的關系

圖2 不同水泥摻入比下抗壓強度與齡期的關系

齡期很短（<7 d）時，強度很低，但增速較大；繼續延長齡期時，強度隨齡期幾乎呈線性急劇增長，齡期為7 d~28 d時，不同含砂量條件下，延長齡期，水泥固化土抗壓強度近似線性增長，且增幅有所不同.水泥摻入比為12%下，含砂量為30%時對應的抗壓強度與水泥摻入比為20%時不含砂的水泥固化土強度較接近.說明要達到相同強度，含砂混合軟土需要的水泥摻量較不含砂軟土的要低，可通過適當調整含砂量來降低水泥摻入比；當齡期增至60 d時，強度達到最大，且后期增長趨勢仍較大.根據水泥土固化機理可知，齡期越長，生成的水泥水化物越多，土-砂-水泥顆粒間膠結作用越強，多余的水化物填充孔隙，使得含砂水泥固化土整體性和密實性較好，從而提高固化土的強度.

通過擬合對比分析發現，齡期與抗壓強度具有較好的冪函數相關關系，見下式：

式（1）中：qu為不同齡期下含砂水泥固化土無側限抗壓強度，/MPa；齡期T=7 d、14 d、28 d、60 d；a、b分別為回歸系數.

結合試驗數據，得到水泥摻入比為12%時對應的擬合結果，見圖3和表3.

圖3 C12時不同含砂量下齡期與強度的關系

表3 C12時不同含砂量下齡期與強度的擬合關系式

2.2 含砂水泥固化土變形特性分析

1）含砂水泥固化土的應力-應變曲線．含砂水泥固化土是典型的非均質、各向異性體，具有非線性特征[13-14]，實驗得到典型的應力-應變曲線，見圖4.

由圖4可知：隨著含砂量增加，應力應變曲線尖峰態逐漸顯著，彈性變形階段逐漸變陡，破壞應變逐漸減小，脆性特征越明顯；當含砂量增至最優含砂量時，強度最大，變形模量最大，破壞應變較??；超過最優含砂量后，強度和變形模量降低，破壞應變減小，此時脆性特征最明顯.由于含砂水泥固化土的強度是個增長的過程，使其表征為脆性體和彈塑體間的變形特征，屬加工軟化類型材料，強度變形包括初始壓密、彈性變形、塑性屈服和應變軟化等4個階段.

2）含砂水泥固化土的破壞特征.試驗發現，在軸向壓力達到一定水平時，試塊出現一種“崩潰式”的脆性破壞，試塊四周水泥土碎屑不斷脫落，甚至由于裂縫貫穿破壞形成兩個對頂的角錐形破壞體，如圖5；破壞后的裂縫或破壞面呈圓弧狀，破壞面上出現凸凹不平的現象，甚至可以觀察到突起的破壞面上有較大粒徑的砂粒，說明砂料對強度有增強作用.

圖4 含砂水泥固化土應力-應變曲線（T=28 d）

圖5 兩個對頂的角錐形破壞面

破壞應變與含砂量的關系，見圖6.由圖6可知：破壞應變隨含砂量的變化在最優含砂量處均出現拐點；當齡期較短（≤14 d）時，破壞應變先略有增大后急劇減小此時破壞應變值分布在2%~3.5%范圍內，當齡期較長（≥28 d）時，增加含砂量，破壞應變隨之逐漸減小，含砂量超過最優含砂量時對應

的破壞應變降幅明顯減緩，變化很??；當齡期達到60 d時，水泥摻入比為12%時對應的破壞應變變化幅度較小，分布在1%~1.5%之間.

引入材料斷裂力學和損傷力學理論[15－16]研究，可認為水泥固化土是由大量的膠結桿組成的，如圖7所示.通過建立膠結桿損傷模型，可較好的描述試驗中水泥固化土的破壞特征.

圖6 不同水泥摻入比下含砂量與破壞應變的關系

圖7 膠結桿彈性完全損傷模型

剛制作的水泥固化土屬于一種非飽和土[17－18]，為主要包含固相、液相、氣相及收縮膜的多相體.水泥固化土固化過程中，大量生成各種結晶物，使固化土膠結成密實的整體，土體內顆粒間的連接強度決定了其整體的強度.結合膠結桿模型和裂縫擴展機理闡釋破壞特征：剛開始加荷，水泥固化土中原有微裂縫閉合，由于壓力較小不足以使膠結桿損傷(斷裂)而產生新的裂縫；當壓應力達到一定水平時，原有的微裂縫尖端應力較集中，使相鄰膠結桿發生損傷變形至斷裂，擴展為較大的裂縫；當壓應力逼近最大破壞應力時，大量膠結桿迅速斷裂，裂縫開始貫穿；繼續加荷時，裂縫破裂面上的膠結桿全部斷裂，出現貫通的裂縫，試塊破壞甚至出現崩潰.

3）含砂水泥固化土的作用機理．目前，水泥土的固化機理研究較成熟，但有關含砂水泥固化土的研究相對較少，文中就含砂量對水泥固化土強度變形特性的影響機制進行闡述.水泥固化淤泥-砂混合軟土，可將砂看作粗骨料，水泥作為膠結料，通過水泥水化反應生成的膠結物先將粘土顆粒聯結，砂顆粒被膠結物質包裹形成土砂團粒結構，從而提高了含砂水泥固化土的強度.具體體現在對細粒土體的置換作用、團?；疤畛渥饔?、減水作用及對破壞面的約束作用，雖然砂顆粒對水泥固化土強度變形特性有改善作用，但也存在一些負面效應.因

為砂顆粒屬于無粘性散粒體材料，聯結力很小，所以具有分散作用.當含砂量過高時，大量砂顆粒間直接接觸，砂-砂弱相界面增多，分散并降低了土-砂-水泥漿體三相界面的膠結能力.試驗中也發現當含砂量超過最優含砂量時，強度開始降低.此外，砂料還會延緩水泥水化反應的進行[19]，對早期水泥固化土的強度影響較大.

因此，水泥摻入比一定時，隨著含砂量的增加，由于置換作用、團?；疤畛渥饔?、減水作用和約束作用增強，強度顯著提高；達到最優含砂量時，各增強作用明顯高于分散作用，強度增長最大；當含砂量超過最優含砂量后，此時水泥水化物不足以膠結所有的砂顆粒，團?；疤畛渥饔媒档?，分散作用較大，從而使強度降低.由試驗可知，最優含砂量具有隨水泥摻入比增加而增大的內在規律，這是因為增加水泥摻入比后，水化產物增多，能夠膠結更多的砂顆粒，減弱了分散作用，從而使強度繼續提高.

3 結論

通過對水泥固化淤泥質土-砂混合軟土做的一系列無側限抗壓強度試驗，研究了不同含砂量和不同水泥滲入比對混合土強度及變形的影響.得出以下結論：

1）含砂水泥固化土的應力-應變關系曲線屬加工軟化類型，主要包括初始壓密、彈性變形、塑性屈服和應變軟化等4個階段.

2）隨含砂量的增加，含砂水泥固化土強度呈峰值點趨勢增長，說明存在最優含砂量，即在該含砂量下，強度最高，破壞應變較??；試驗得出最優含砂量具有隨水泥摻入比增加而增大的內在規律；當水泥摻入比為12%和20%時的最優含砂量分別是30%和40%.

3）在軟基工程中，采用水泥攪拌樁加固處理淤泥質土-砂混合軟土具有優越性；對于加固不含砂的軟土時，也可通過在水泥漿液中摻入適量的砂料來提高強度，為軟土地基處理工程提供一條新途徑.

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Research on the cured properties of cement stabilized silty soil&sand mixed soft soil

LIU Pingping1,XU Yanbin2,AI Zhiwei3，DENG Tongfa1
(1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000，China; 2.Ganzhou Boda Highway Co.Ltd,Ganzhou 341000,China;3.Zhejiang Construction Investment Group Co.Ltd,Hangzhou 310012,China)

Through unconfined compression test,this paper studies the engineering properties of the cured cement silty soil and sand mixed soil in Jing-Mu highway granite areas.Results show the effects of the sand content and the age on its strength and deformation.Experimental results show that：when the cement ratio is constant,the strength growth of sand cement stabilized soil is the peak point of trend,that is,it has the optimal amount of sand and it increases with the increasing cement ratio;when the cement ratio is 12%,the optimal amount of sand is 30%and when the cement ratio is 20%the optimal amount of sand is 40%.The stress strain curve of the cement stabilized soil exists obvious peaks,belonging to soften processing type;the effects of sand content on the strength and deformation characteristics are mainly replacement,pelletization,padding, constraints,and the roles of water reduction and dispersion,which shows that the cement solidified silty soilsand mixed soft soil has the superiority.

cement stabilized soil;sand content;composite soil;strength

TU43

A

2014-07-01

江西省交通廳科技資助項目（2012C0004）；江西省交通廳科技資助項目（2012C0003）

劉平平（1988-），男，碩士研究生，主要從事巖土工程、地基處理等方面的研究，E-mail：304480970@qq.com.

鄧通發（1980-），男，副教授，主要從事巖土工程等方面的研究，E-mail：dbdtf@163.com.

2095-3046（2014）05-0045-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.05.009