陳 達，莊 寧，廖迎娣，黃 輝

(1.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學 力學與材料學院，江蘇南京 210098)

水泥土攪拌法是以水泥作為固化劑，在地基深處就地將地基土體與固化劑充分攪拌，形成具有足夠強度和穩(wěn)定性的水泥土，從而達到加固軟土地基的目的.水泥土的強度和力學特性直接關系到地基加固的效果，且影響因素眾多［1－15］，包括水泥品種、強度等級、摻入比和齡期等，其中，齡期直接關系到地基加固設計和工程進度安排.本文基于我國東南沿海淤泥土特點，通過對不同水泥品種混拌的水泥土的室內配比試驗和力學分析，研究水泥土強度與齡期的關系，為類似土質的水泥土攪拌法設計提供依據(jù).

1 試驗方案

試驗用土取自廈門某沿海區(qū)域，根據(jù)《軟土地基深層攪拌加固法技術規(guī)程》(YBJ 225－91)規(guī)定，土樣取出后立即切分成2×10－3m3的小塊，用厚聚氯乙烯塑料袋封裝運送至實驗室，放置于陰涼干燥處的木箱內存放，確保試驗用土的各項主要物理、力學性質與現(xiàn)場土一致.經(jīng)檢測土體呈弱堿性，土體中孔隙水對水泥土具有弱腐蝕性，土中水的質量分數(shù)(以下稱含水率)為34.6%，天然重度為14.4 kN/m3，原狀及重塑土的無側限抗壓強度分別為16.2和4.7 kPa，靈敏度為3.45.

選用抗硫酸鹽水泥(P.MSR 32.5)、膨脹水泥(AEC 32.5)、礦渣硅酸鹽水泥(P.S 32.5)和普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5和P.O 52.5)作為固化劑，試塊尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，水灰比0.8∶1，水泥摻入比為0.20.摻入各種水泥分別制成水泥土試塊5組，每組3個，各組齡期分別為3，7，14，28和90 d.

試驗土和水泥漿經(jīng)充分攪拌后，采用分層壓實的方法填充到試模中，將試塊表面刮平后蓋上塑料布放置于陰涼處.試塊制作2 d后拆模，放入養(yǎng)護室(恒溫20℃，濕度≥95%)養(yǎng)護到規(guī)定齡期.水泥土無側限抗壓強度試驗采用電子萬能試驗機進行，采用應變控制方式加載，加載速度在應力上升段和下降段分別為0.3和0.5 mm/min.

2 試驗結果及分析

圖1為各種水泥土不同齡期時的應力應變關系曲線.

圖1 5種水泥土不同齡期的應力應變關系曲線Fig.1 Strain-stress curves for the cement-soil samples at different ages

分析圖1可以得出如下結論:(1)盡管水泥土采用的固化劑水泥種類不同，但齡期對水泥土強度發(fā)展的影響規(guī)律大致相同，水泥土試樣均表現(xiàn)出較強的塑性特征，其中，P.MSR 32.5水泥土塑性變形較其他幾種固化劑更為明顯.(2)應力應變曲線大致可以分為4個階段:①試塊壓實階段，隨著試塊表面被加載，應力應變曲線的斜率也逐漸增大;②線性階段，應變增長較慢，應力應變曲線基本呈線性關系;③塑性變形階段，試塊變形增長加快，并逐漸達到強度極限;④軟化階段，變形發(fā)展較快，試塊承載能力逐漸降低至強度極限的50% ～70%;⑤殘余強度階段，試塊表面開始破碎開裂，承載能力下降緩慢，變形發(fā)展很快，直至試塊完全破壞.(3)隨著齡期的增加，第2階段(線性階段)越來越明顯，且斜率也越來越大，水泥土的剛度模量和抗壓強度逐漸增大，但是超過28 d后剛度模量已無明顯變化，而抗壓強度在28～90 d之間仍有明顯增長，表明兩者發(fā)展不同步，所對應的物理、化學過程及機理并不完全一致;第3階段越來越不明顯，且斜率也越來越大，水泥土試塊的軸向應力在達到強度極限時的塑性變形明顯變小，水泥土脆性增大;第4階段變得越來越陡，水泥土脆性增大，殘余強度相對于抗壓強度的比值越來越小.

表1列出了5種水泥土各種齡期的無側限抗壓強度值.綜合5種水泥土強度隨齡期的發(fā)展情況可知，摻入比為 0.20 時，齡期對水泥土抗壓強度的影響關系大體為:qu，90∶qu，28∶qu，14∶qu，7∶qu，3=1∶0.65∶0.45∶0.30∶0.15，其中qu，T表示齡期為T的水泥土抗壓強度.

表1 水泥土無側限抗壓強度Tab.1 Unconfined compressive strength of the cement-soil

若以90 d水泥土無側限抗壓強度為標準值，則水泥土3 d強度可達到標準值的15%左右，即日均強度增長約為標準值的5%;7 d強度可達到標準值的30%左右，即3～7 d日均強度增長約為標準值的4%;14 d強度可達到標準值的45%左右，即7～14 d日均強度增長約為標準值的2%;28 d強度可達到標準值的65%左右，水泥土已經(jīng)具備相當強度，14～28 d日均強度增長約為標準值的1.5%;28～90 d，水泥土強度仍有較大幅度增長，但是日均強度增長約為標準值的0.55%.

3 抗壓強度與齡期的關系

基于水泥土的水化過程和強度發(fā)展機理，通過對大量試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，提出了適用于我國東南沿海淤泥土層的水泥土無側限抗壓強度與齡期關系表達式:

式中:qu1為齡期T1的水泥土抗壓強度，qu2為齡期T2的水泥土抗壓強度.上式成立的條件是摻入比相同、齡期T為3～90 d.

P.MSR 32.5，AEC 32.5，P.S 32.5，P.O 42.5 和P.O 52.5水泥土的抗壓強度試驗數(shù)據(jù)與式(1)(以齡期90 d的試驗數(shù)據(jù)作為qu2)計算結果的比較見圖2.可見，式(1)較準確地預測了5種水泥土的抗壓強度，具有較強的通用性和適應性.值得注意的是，式(1)適用的齡期范圍為3～90 d，對水泥土后期強度的預測可以從3 d開始，但是水化反應初期的水泥土強度離散性較大，因此在實際工程中建議使用7 d強度作為預測參數(shù).

圖2 水泥土強度試驗數(shù)據(jù)與計算值比較Fig.2 Comparison between the simulation and test data for cement-soil samples

4 結語

(1)對于我國東南沿海淤泥質土層，盡管采用的固化劑水泥種類不同，但齡期對水泥土強度發(fā)展的影響規(guī)律大致相同.

(2)28 d齡期前，水泥土強度快速增長，28 d強度可達到標準值的65%左右，水泥土已具備相當強度;齡期28～90 d，水泥土強度仍有較大增長，但是增長速度明顯變緩，工程應用中將90 d強度作為水泥土強度標準值符合水泥土強度發(fā)展規(guī)律.

(3)提出的水泥土抗壓強度－齡期關系式較準確地預測了5種水泥土的抗壓強度，具有較強的通用性和適應性，在工程實踐中可以3 d強度為依據(jù)預測水泥土后期強度，能夠大大提高施工質量控制水平.

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