初始含水率和有機質對水泥土強度影響規律試驗研究

楊斌財，劉維正, ，余勇，徐冉冉，李天雄

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.珠海交通集團有限公司，廣東 珠海 519000；3.高速鐵路建造技術國家工程研究中心，湖南 長沙 410075)

我國沿海地區如渤海灣、珠三角、長三角等地廣泛分布著軟土地層，軟土作為一種特殊土，具有含水率高、壓縮性高、抗剪強度低等特點，在軟土地區進行鐵路、公路、市政道路等工程建設會產生工后沉降過大、不均勻沉降等問題。目前工程界采用不同方法對軟土地基進行處理，以提高其強度和抗變形能力，其中水泥土攪拌樁在珠海軟基處理應用廣泛，而珠海軟土具有含水率和有機質含量高等特點[1-2]。在水泥土攪拌樁復合地基設計與施工時，沉降和穩定性計算參數取值未能考慮區域性軟土特點，可能導致樁體發生受壓、彎剪、壓彎、拉彎、傾倒等形式的破壞[3-5]。因此，考慮珠海地區軟土不同初始含水率和有機質含量的影響，對水泥土的抗壓、抗折、抗剪強度變化規律及其相互關系進行研究具有重要意義。目前，國內外學者對于水泥土力學特性展開了大量的研究，以無側限抗壓強度和剪切強度為主[6-7]。YAO 等[8-9]發現隨著水泥摻量的增大，水泥土的無側限抗壓強度隨之增大，同時水泥土表現出更硬更脆的特性。芮凱軍等[10-11]對不同土質水泥土試驗，研究發現水泥的摻入對黏土強度的影響大于粉質黏土和細砂，同時，摻入水泥后粉砂水泥土的無側限抗壓強度比粉質黏土強度更大。宋新江等[12-13]通過真三軸試驗、三軸壓縮試驗研究發現水泥土的初始切線模量、破壞強度、破壞時的大主應變均隨σ3的增加而增大；水泥土破壞強度與σ3近似呈線性關系；增加水泥摻量能夠降低弱堿性海水對于水泥土抗剪強度的削弱作用。針對水泥土的黏聚力和內摩擦角，通過直剪等試驗學者們有不同的研究，雷軼[14]發現在摻入比少于12%之前，水泥土的黏聚力和內摩擦角隨水泥摻入比增大而增長較快，當水泥摻量大于12%之后增長較慢。PU 等[15]發現隨著水泥用量的增加，黏聚力先增大后略有減小，而內摩擦角幾乎沒有增大，而YAO等[16]發現水泥改良土的黏聚力和內摩擦角與水泥摻量表現出指數函數關系。關于影響水泥土特性的因素，學者們做了不同方向的探索。趙春彥等[17]對比了不同因素對水泥土黏聚力c和內摩擦角φ的影響，結果表明土體養護齡期的影響大于含水率和水泥摻量的影響。YANG 等[18]通過試驗發現水泥土在強酸或強堿的環境中，強度損失接近1/3。WEN等[19]發現通過添加浮石粉可提高軟土的強度。JIN等[20]通過試驗發現減水劑可以改善水泥土的力學性能。董曉強等[21]研究了不同類型水泥對水泥土無側限抗壓強度的影響，發現礦渣硅酸鹽水泥比普通硅酸鹽水泥加固效果更好。曹智國等[22]通過對2 種土樣分別在高低含水率的條件下進行無側限抗壓強度試驗，結果表明水泥土強度隨水泥摻量呈現出冪函數的性質。梁仕華等[23]的試驗研究表明：有機質含量在低于5%的情況下對固化土強度影響較大，大于5%后有機質含量的變化對固化土強度影響較小?？梢?，學者們對不同影響因素下的抗壓強度和抗剪強度進行了較多的研究，但軟土初始不同含水率、有機質含量對水泥土強度影響的研究較少，也缺少抗壓抗折抗剪強度之間的相互關系研究。結合珠海地區某軟基處理工程，制備不同初始含水率、有機質含量、水泥摻量的水泥土試樣，通過無側限抗壓試驗、抗折試驗、壓縮試驗、三軸剪切試驗等對水泥土抗壓、抗折、抗剪等強度性質展開研究。通過建立無側限抗壓強度與抗折強度、壓縮模量、黏聚力之間的經驗公式，以及不同含水率、有機質含量條件下無側限抗壓強度與水泥摻量之間的經驗公式，給出不同含水率、有機質含量條件下水泥攪拌樁現場施工水泥摻量的建議范圍，為水泥土攪拌樁的設計和施工提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣取自珠海地區處于施工階段的某道路軟基處理工程，采用挖機取得約500 kg 的典型軟土樣，使用塑料桶封裝土體，以保持天然含水率不變，運抵試驗室后進行土樣的常規物理性質指標測試。軟土試樣的物理力學指標見表1。

表1 軟土試樣的基本物理性質Table 1 Basic physical properties of soft soil samples

1.2 試驗方案

根據珠海軟土含水率和有機質分布范圍以及水泥攪拌樁中常用水泥摻量[24]，選取試樣初始含水率為40%，50%，60%，70%和80%，并設計有機質含量為3%，6%，10%，15%和20%，水泥摻量為12%，15%，20%和25%條件下養護28 d后的水泥土進行無側限抗壓試驗和抗折試驗，所摻水泥型號為PO42.5，具體試驗見表2。無側限抗壓和抗折試驗儀器采用微機控制電子式強度試驗裝置，如圖1(a)所示。

圖1 水泥土試驗儀器Fig.1 Cement soil test instruments

表2 抗壓與抗折強度試驗方案Table 2 Compressive and flexural strength test plan

固定有機質含量3%不變，分別對初始含水率為40%，50%，60%，70%和80%的土樣在水泥摻量為12%，15%，20%和25%條件下養護28 d后的試件進行一維固結壓縮試驗和三軸剪切試驗，具體試驗方案見表3。

表3 壓縮、三軸剪切試驗方案Table 3 Compression and triaxial shear test plan

一維固結試驗加荷順序為50，100，200，400和800 kPa，并測定每級壓力下試件的變形量。固結壓縮試驗儀器采用GZQ-1A型全自動氣壓固結儀(十六聯)。三軸剪切試驗儀器采用TSZ 全動三軸儀，如圖1(b)所示。

1.3 試樣制備

試樣制備時，根據有機質設計含量向風干后的土中添加有機質。試驗采用天津佰倫斯生物技術有限公司生產的腐殖酸鈉，作為有機質添加劑，其有效成分為腐殖酸，有機質含量純度>85%。分別稱量出所需要的土和有機質，并將二者充分攪拌均勻。然后根據試驗方案將試樣重新調配至設計的含水率。對于不同含水率的試樣，根據含水率計算水、水泥和軟土的質量。先將水與水泥攪拌均勻制成水泥漿，然后緩慢倒入稱好的土樣中，邊倒邊攪拌。攪拌采用機械攪拌，攪拌時間不少于10 min，且不超過20 min。將制好的試樣用保鮮膜密封后置于潮濕環境中靜置24 h，以保證試樣內含水率均勻分布。

無側限抗壓試驗將攪拌均勻的試樣裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試模并振實?？拐墼囼灅藴试嚰倪呴L為40 mm×40 mm×160 mm，將攪拌好的水泥土裝入抗折試驗模具，并放置在振動臺上振動密實。壓縮試驗每種配比制備3個環刀試件，環刀內徑為61.8 mm，高度為20 mm。三軸剪切試驗的試件為直徑39.1 mm，高度80 mm 的圓柱體，每種配比制備3組共計12個試件。

將各試模放在(20±5) ℃的環境中靜置48 h 后拆模，稱得質量后將試件放入養護室((20±1) ℃，濕度75%)養護，至規定齡期取出測試。固結壓縮試驗拆模后將環刀外側及兩端的水泥土削去，將試件從環刀內取出，保證試件不受損、變形。

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓試驗

圖2中選取了水泥土無側限抗壓強度隨著含水率w，有機質含量M和水泥摻量C變化的典型曲線。如圖2(a)所示：當有機質含量一定時，隨著含水率的增大，無側限抗壓強度整體呈現出下降的趨勢，且水泥摻量越高，降低的幅度越大。在水泥摻量為12%條件下，當含水率從40%提升到80%時，對應的無側限抗壓強度從1.233 MPa 降低到0.293 MPa，降低了0.94 MPa；在水泥摻量為25%條件下，當含水率從40%提升到80%時，對應的無側限抗壓強度從4.396 MPa 降低到1.161 MPa，降低了3.235 MPa。如圖2(b)所示：相同水泥摻量條件下，隨著有機質含量的增加，水泥土無側限抗壓強度呈降低的趨勢，降低幅度在13%～35%之間。有機質含量對水泥土無側限抗壓強度的影響程度隨初始含水率的提高而增大，試驗結果與梁仕華等[23]的研究相類似。如圖2(c)所示：含水率一定的條件下，水泥土無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增大而提高，且有機質含量越低，增長幅度越大。當水泥摻量從12%提升到25%，不同含水率水泥土無側限抗壓強度提升了3.13～4.33倍。

圖2 水泥土無側限抗壓強度曲線Fig.2 Unconfined compressive strength curves of cement soil

2.2 抗折試驗

抗折試驗主要用于測定水泥土的抗折強度，也稱為抗彎拉強度。通過轉換，將試件上部受到的集中力轉換為截面所受到的最大拉應力來表征水泥土的抗折強度(抗拉強度)?？拐蹚姸绒D換公式如下：

式中：ffs為水泥土抗折強度，MPa；F為試件破壞荷載，N；l為支座間跨度，mm；b為試件截面寬度，mm；h為試件截面高度，mm。

對不同含水率、水泥摻量及有機質含量條件下水泥土的抗折強度進行計算，得到圖3的抗折強度變化曲線。圖3結果表明：水泥土抗折強度隨著含水率的升高呈下降趨勢，且水泥摻量越大，抗折強度降低的幅度越大。隨有機質含量的升高，不同初始含水率的水泥土抗折強度呈非線性降低趨勢。初始含水率從40%提升到80%，抗折強度降低約63.1%～70.4%；水泥土摻量從12%增加到25%，抗折強度增加約2.15～2.35 倍；有機質含量從3%增加到20%，抗折強度降低約28%～34%。

圖3 水泥土抗折強度變化曲線Fig.3 Flexural strength change curves of cement soil

2.3 壓縮試驗

通過固結壓縮試驗，根據試樣受到的荷載、孔隙比的變化求得不同條件下的水泥壓縮模量(圖4)和壓縮系數(圖5)。由圖4結果可得：水泥土壓縮模量整體分布在13.33～26.04 MPa之間。隨著水泥摻量的增大，壓縮模量整體呈現增大的趨勢；水泥摻量從12% 提高到25% 時，含水率為40%，50%，60%，70%和80%的水泥土的壓縮模量分別提高了0.640，1.085，1.194，1.219 和1.113 倍。圖4結果表明：隨含水率的增大，水泥土壓縮模量提高的幅度在增加，在達到峰值后提高量開始下降。圖5 結果表明：隨水泥摻量和含水率的變化，水泥土壓縮系數表現出與壓縮模量相反的性質：壓縮系數隨著水泥摻量的增大而減小，隨含水率的增加而減小。

圖4 壓縮模量隨含水率和水泥摻量變化圖Fig.4 Variation of compressive modulus with water content and cement content

圖5 壓縮系數隨含水率和水泥摻量變化圖Fig.5 Variation of compressibility coefficient with water content and cement content

2.4 三軸剪切試驗

圖6 為有機質含量3%和水泥摻量20%條件下，不同含水率水泥土試件在圍壓分別為σ3=50，100，200 和300 kPa 下進行不固結不排水三軸剪切試驗的應力-應變關系曲線。試驗結果表明：1) 當試樣水泥摻量一定時，隨著含水率的提高，水泥土試件的破壞形式逐漸由脆性向塑性轉變；含水率較低時，應力-應變曲線較早進入屈服階段，且應力下降速度較快，呈強應變軟化型，隨著初始含水率的提高，試件破壞應力明顯減小，且屈服階段應力下降趨勢較為平緩，呈弱應變軟化型。2) 隨含水率的提高，水泥土的破壞峰值也從2 807 kPa降低到1 335 kPa。

圖6 水泥土三軸剪切應力-應變曲線Fig.6 Triaxial shear stress-strain curves of cement soil

根據摩爾庫倫破壞準則，在不同圍壓下得破壞時的最大主應力和最小主應力，將同一圍壓下的最大和最小主應力繪制應力圓，多個應力圓公切線的傾斜角為內摩擦角φ，縱坐標上的截距為黏聚力c。經過計算得到水泥土的內摩擦角和黏聚力，如圖7 和圖8 所示。由圖7 和圖8 可以看出，水泥土內摩擦角、黏聚力隨含水率和水泥摻量的變化表現出類似的性質。當含水率不變時，水泥土黏聚力和內摩擦角隨著水泥摻量的增加而增大，當水泥摻量從12%提升到25%，水泥土的內摩擦角增大了1.25～1.64 倍，黏聚力增大了1.43～1.73倍。在相同水泥摻量條件下，隨著含水率的提高，水泥土的內摩擦角和黏聚力均降低。當含水率從40%提高到80%時，水泥摻量為12%，15%，20%和25%的水泥土內摩擦角分別降低了0.44，0.42，0.29 和0.25 倍，黏聚力分別降低了0.53，0.52，0.52和0.51倍。

圖7 內摩擦角隨含水率和水泥摻量變化Fig.7 Variation of internal friction angle with water content and cement content

圖8 黏聚力隨含水率和水泥摻量變化Fig.8 Variation of cohesion with water content and cement content

3 水泥土抗壓抗折抗剪強度相互關系

3.1 無側限抗壓強度與抗折強度關系

水泥土強度受內部水泥膠結體以及土體-水泥膠結體界面黏結性能的影響，其中抗壓強度取決于水泥膠結體強度，抗折強度取決于土體-水泥膠結體界面黏結強度。隨著水泥摻量的增加，內部生成的水泥膠結體越多，水泥膠結體與土體之間的黏結性越強，抗壓強度與抗折強度同步提高。圖9為水泥土抗折強度與無側限抗壓強度之間的關系。從擬合情況來看，水泥土的抗折強度和無側限抗壓強度成正比線性關系：ffs=0.235 4fcu+0.099 1，擬合函數的決定系數R2為0.964 4。說明水泥土的抗折強度隨著無側限抗壓強度的增大而增大，并且隨著抗壓強度越大，規律越明顯。由于無側限抗壓試驗結果較為容易獲取，在實際工程中，通過室內試驗測定水泥土的無側限抗壓強度，即可通過線性關系得到相應的抗折強度，在節約試驗成本的同時，有效提高了初步設計效率。

圖9 水泥土抗折強度與無側限抗壓強度關系Fig.9 Relationship between flexural strength and unconfined compressive strength of cement soil

3.2 無側限抗壓強度與壓縮模量關系

壓縮模量和無側限抗壓強度分別反映了水泥土受壓后的剛度和強度。圖10 為水泥土壓縮模量與無側限抗壓強度之間的線性關系擬合圖。從圖10 可以看出，水泥土的壓縮模量總體上隨著無側限抗壓強度的增大而增大，采用回歸分析方法得到無側限抗壓強度與壓縮模量呈線性關系：Es=5.018 6fcu+13.942，可以看出數據點分布在擬合直線的兩側。壓縮模量是變形指標，抗壓強度為強度指標，二者均為水泥土的重要特性指標，而抗壓強度較壓縮模量易獲得。因此，基于Es=5.018 6fcu+13.942 可快速得到壓縮模量，為水泥土室內試驗提供經驗公式。

圖10 水泥土壓縮模量與無側限抗壓強度關系Fig.10 Relationship between compressive modulus and unconfined compressive strength of cement soil

3.3 水泥土抗壓強度與黏聚力的關系

圖11 為水泥土黏聚力與無側限抗壓強度之間的關系。圖11 可以看出，水泥土無側限抗壓強度與黏聚力之間存在較強的線性關系。水泥土無側限抗壓強度與黏聚力之間的線性關系為：c=0.075 8fcu+0.157。水泥土的黏聚力隨著無側限抗壓強度的增大而增大，并且隨著無側限抗壓強度越大，這一規律越明顯。實際工程中可以利用已經得到的無側限抗壓強度值，通過線性經驗公式快速得到對應的黏聚力。

圖11 無側限抗壓強度與黏聚力的關系Fig.11 Relationship between unconfined compressive strength and cohesion

4 結果討論

不同水泥摻量條件下水泥土強度有著較大的差異。隨著水泥摻量的增加，不同含水率條件下改良軟土試樣的抗壓、抗折和抗剪能力都得到提高。例如有機質含量為3%的水泥土的無側限抗壓強度擬合曲線(圖12)，擬合關系呈現出指數函數發展趨勢，擬合結果相關性較高。圖13 為水泥摻量為12%時無側限抗壓強度與有機質含量的關系，由圖13 可知：水泥土無側限抗壓強度隨有機質含量的上升呈線性遞減的趨勢?；趫D13 得到的發展規律，對圖12 擬合關系進行優化，建立不同含水率水泥土隨水泥摻量和有機質含量變化的無側限抗壓強度擬合關系表達式(式(2))。在式(2)中，當M=3%時，即為圖12 結果。同時，由于工作相似性，本文以M=6%條件下的數據點為例進行對比分析，以驗證式(2)的有效性(圖14)。由圖14 可知，在M=6%條件下，不同含水率水泥土隨水泥摻量和有機質含量變化的無側限抗壓強度擬合關系表達式與試驗結果接近，式(2)具有較好的擬合效果。

圖12 無側限抗壓強度與水泥摻量的關系(M=3%)Fig.12 Relationship between unconfined compressive strength and cement content (M=3%)

圖13 無側限抗壓強度與有機質含量的關系(C=12%)Fig.13 Relationship between unconfined compressive strength and organic matter content (C=12%)

圖14 無側限抗壓強度與水泥摻量的關系(M=6%)Fig.14 Relationship between unconfined compressive strength and cement content (M=6%)

式中：fcu(C,M)為某含水率條件下水泥土無側限抗壓強度，MPa；C為水泥摻量，%；M為有機質含量，%；M1為3%；fcu(C,M1)為有機質含量為3%時，無側限抗壓強度隨水泥摻量變化的函數，表達式見圖12；k為無側限抗壓強度隨有機質含量變的斜率，其中含水率從40%到80%對應的k值分別為：-0.014 4，-0.014 9，-0.008，-0.007和-0.005 3。需要指出的是：公式(2)適用于初始含水率在40%～100%，有機質含量不高于20%的濱海相軟土。

根據相關規范及試驗研究[24]，工程設計中養護28 d 的水泥土無側限抗壓強度需要大于0.8 MPa?？紤]到現場由于施工技術等原因造成的水泥土強度下降，現場實際檢測得到的無側限抗壓強度值約為試驗結果的60%。結合式(2)水泥土無側限抗壓強度與水泥摻量的關系，可以得出不同含水率、有機質含量條件下水泥土選取的水泥摻量，結果如表3。由表3 可知，隨著含水率和有機質含量的增加，軟土改良時所需要的水泥摻量也需要提高。以上水泥摻量取值及經驗關系式可供珠海及類似地區的項目現場施工時參考。

表3 不同含水率、有機質含量下軟土的合理水泥摻量Table 3 Reasonable cement content of soft soil under different water content and organic matter content

5 結論

1) 水泥土無側限抗壓強度和抗折強度均隨含水率的升高呈非線性減小，且水泥摻量越高，降低幅度越大。當含水率從40%提高到80%時，4種水泥摻量下水泥土的無側限抗壓強度分別降低了73.6%，73.1%，74.4%和76.2%，抗折強度分別降低了63.1%，64.2%，67.7%和70.4%。有機質含量的增大會降低水泥土的抗壓和抗折強度，當有機質含量從3%提升到20%時，抗壓強度降低約13%～35%，抗折強度降低約28%～34%。

2) 水泥土壓縮模量、壓縮系數受含水率和水泥摻量的影響較大。隨水泥摻量的提高，含水率從40%變化到80%的水泥土壓縮模量增長幅度均先升高，達到峰值后開始減小。

3) 三軸剪切試驗中，隨著含水率的增大，水泥土的破壞逐漸由脆性變為塑性，水泥土的初始模量逐漸減小。水泥土內摩擦角和黏聚力均隨含水率的增大表現出減小的趨勢，且水泥摻量越小降低幅度越大。當含水率從40%升高到80%時，水泥土的內摩擦角降低0.25～0.42倍，黏聚力降低約0.52倍。

4) 基于無側限抗壓試驗、抗折試驗、壓縮試驗和三軸剪切試驗結果，建立了水泥土無側限抗壓強度與抗折強度、壓縮模量和黏聚力之間的經驗公式，為水泥土攪拌樁的設計提供依據。

5) 建立了無側限抗壓強度與水泥摻量和有機質含量之間的經驗關系，給出了不同含水率和有機質含量條件下水泥攪拌樁現場施工水泥摻量的建議范圍，為相關區域水泥土的設計和施工提供參考。