肖桃李 (長江大學城市建設學院,長江大學巖土力學與工程研究中心，湖北 荊州 434023)

何云龍，李啟鳳，丁卓，朱健華，周超 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗研究

肖桃李 (長江大學城市建設學院,長江大學巖土力學與工程研究中心，湖北 荊州 434023)

何云龍，李啟鳳，丁卓，朱健華，周超 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

以某建筑工地常見的雜填土為原土, 加入水泥形成水泥加固土，利用微機控制電液伺服萬能試驗機及改裝后的高速攪拌機進行室內(nèi)試驗。試驗過程中控制水灰比不變，研究不同水泥摻量和不同齡期等條件下水泥土無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律，試驗得出各條件下水泥土試塊抗壓強度值，并通過數(shù)據(jù)分析得出可以預測水泥土強度的函數(shù)表達式。結(jié)果表明，隨著水泥摻量的增加，水泥土的抗壓強度逐漸增大；當摻量為25%時，水泥土的強度增長幅度最大；水泥土的抗壓強度的變化與齡期增長的關系密切，呈現(xiàn)三次函數(shù)變化，當齡期為60d時，水泥土強度高于齡期為90d的強度。該研究成果可為以雜填土為土質(zhì)的地基基礎或基坑支護設計等基礎工程提供理論參考依據(jù)。

水泥土；無側(cè)限抗壓強度；水泥摻量；齡期；雜填土

水泥土是土、水泥、外加劑和水混合、壓實后形成的一種拌和物，是一種特殊工程性能的硬化材料，廣泛應用于深基坑支護及地基處理中，具有巨大的實用價值。赫文秀等[1]的研究表明，砂土中水泥土強度隨齡期的增加而呈直線增長；張石友等[2]通過試驗得出，由粉質(zhì)黏土制作的水泥土試塊，強度隨水泥摻量的增加而增大，且高水泥摻量的水泥土后期強度增長相對較快；李建軍等[3]通過試驗得出由粉土制作的水泥土試塊的強度規(guī)律：28d的抗壓強度是7d抗壓強度的3倍，是14d抗壓強度的2倍；黃小滿[4]通過對軟土地基水泥土攪拌樁的研究發(fā)現(xiàn)，水泥土強度隨水泥摻量的增加而增大，但在實際工程中，水泥摻量宜控制在一定范圍內(nèi)；高松鶴[5]通過對5種土的無側(cè)限抗壓強度試驗得出水泥土的破壞強度與水泥摻量和齡期的關系分別呈冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)變化；艾志偉等[6]的研究表明，水泥土強度隨土體含水量、有機質(zhì)含量的減少而增強，隨水泥摻入比和養(yǎng)護齡期的增大而增強，水泥土攪拌越充分，強度越高；趙振亞等[7]通過對紅黏土的試驗，認為水泥土無側(cè)限抗壓強度隨著齡期的延長而增強，養(yǎng)護齡期為90d 時，強度趨于穩(wěn)定。

我國幅員遼闊，巖土條件差異性大，各地區(qū)的不同土質(zhì)會對水泥土的試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響，且大多數(shù)學者都是以砂土、黏土和淤泥質(zhì)土為研究對象，很少有人以雜填土為研究對象來研究水泥土。隨著城市化發(fā)展，城市垃圾越來越多，以雜填土為原土的水泥土在日后的發(fā)展應用中會越來越廣泛，因此開展以雜填土為原土的水泥土研究具有實際意義。

1 試驗材料與方法

試驗土樣取自某建筑工地基坑開挖地下深1m的雜填土，土體含有少量磚渣及碎石，均勻性較差。試驗所用水泥為復合硅酸鹽水泥，其強度等級為 32.5MPa，各類指標均符合 《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)的要求。雜填土取回后先除掉土中的雜石、碎渣、樹根等雜質(zhì)，再進行篩分除掉粒徑大于2mm的土樣。試驗水泥摻量分別為12%、15%、20%和25%，水灰比為0.5，分別進行7、28、60和90d這4個齡期的無側(cè)限抗壓強度試驗，每組3個試塊，放入標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護至相應齡期。

試驗步驟如下：

1)把相應摻量的水泥加入處理后的土樣中，采用小型攪拌機將其攪拌均勻，形成干混合物；

2)根據(jù)水灰比，量取每個摻入量所需要水的體積，并加入到干混合物中攪拌均勻；

3)將攪拌均勻的水泥土混合物倒入70.7m×70.7m×70.7m的模具中振搗5min，將試塊表面抹平貼好標簽，24h后拆模，所有試塊均放入標準養(yǎng)護箱中(溫度為20±2℃，相對濕度在 95%以上)養(yǎng)護；

4)養(yǎng)護到預定齡期后，采用ASTM標準的測試方法，利用微機控制電液伺服萬能試驗機進行無側(cè)限抗壓強度試驗(加載應力速率為 0.2kN/s)，并記錄試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 水泥摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響

控制水灰比為0.5，在不同齡期下水泥土無側(cè)限抗壓強度與水泥摻量的關系如圖1所示。由圖1可知，在齡期相同時，隨著水泥摻量的增加，水泥土的無側(cè)限抗壓強度逐漸上升；當水泥摻量在12%～20%時，水泥土強度增長緩慢，當水泥摻量在20%～25%時，7d和90d水泥土的強度增長緩慢，28d和60d水泥土的強度增長速度加快；當水泥摻量在12%～20%時，水泥土7d的強度比28d的強度高，但當水泥摻量為25%時，水泥土7d的強度比28d的強度要低，60d水泥土的強度比90d時高；這一現(xiàn)象與陳達等[10]研究不一致，表明雜填土性質(zhì)的特殊性。

通過對曲線的擬合分析，28d和60d的無側(cè)限抗壓強度-水泥摻量曲線呈二次函數(shù)關系，其擬合公式分別為:

(1)

(2)

7d和90d的無側(cè)限抗壓強度-水泥摻量曲線呈一次線性函數(shù)，其擬合公式分別為:

Y=8.3061X+0.3099 (R2=0.9641)

(3)

Y=13.316X+0.0781 (R2=0.9916)

(4)

由此說明水泥土的強度與水泥摻量有較強的相關性。

2.2 齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響

控制水灰比為0.5，在不同水泥摻量條件下水泥土無側(cè)限抗壓強度與齡期的關系如圖2所示。由圖2可知，水泥土強度與齡期關系密切：水泥摻量為12%、15%和20%時水泥土28d強度普遍低于7d強度，水泥摻量為25%時水泥土強度7d到28d增長緩慢，無降低現(xiàn)象；28d之后水泥土強度迅速增大，增加幅度大，60d強度明顯高于28d，而隨齡期增長，90d強度較60d普遍降低；水泥摻量為25%時水泥土90d強度較60d的衰減明顯，而其他水泥摻量的水泥土強度衰減幅度較小。

圖1 無側(cè)限抗壓強度與水泥摻量百分比的關系 圖2 無側(cè)限抗壓強度與齡期的關系

通過對曲線的擬合分析，水泥摻量為12%、15%、20%、25%時水泥土強度與齡期的擬合公式分別為：

Y=－0.00006X3+0.0074X2－0.2389X+ 2.7274 (R2=0.9981)

(5)

Y=－0.00005X3+0.0065X2－0.2X+2.5689 (R2=0.9952)

(6)

Y=－0.00005X3+0.0069X2－0.2124X+3. 0649 (R2=0.9973)

(7)

Y=－0.00008X3+0.0088X2－0.1646X+3. 1991 (R2= 0.9962)

(8)

由此說明水泥土強度與齡期有較強的相關性。

2.3 對比分析

嵇曉雷[8]研究表明，由淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土制作的水泥土試塊，水泥摻入量在10%～25%時，當水泥摻量為15%時強度增長幅度最大；而筆者的試驗研究表明，由雜填土制作的水泥土試塊，當水泥摻量為25%時強度增長幅度最大。

曹智國等[9]通過研究黏土、砂土得出，在水泥摻量為5%～20%時水泥土強度與養(yǎng)護齡期的對數(shù)近似呈線性函數(shù)關系，水泥土強度隨水泥摻入量增加近似呈冪函數(shù)關系；而筆者的試驗研究表明，水泥摻量為12%～25%時，水泥土強度與齡期近似呈三次函數(shù)關系；齡期為7d和90d時，水泥土強度與水泥摻量近似呈線性函數(shù)關系；齡期為28d和60d時水泥土強度與水泥摻量呈二次函數(shù)關系。

陳達[10]研究表明，由淤泥土制作的水泥土試塊在28d齡期前強度快速增長，齡期在28d～90d時，強度仍有較大增長，但增長速度明顯變緩；而筆者的試驗研究表明，由雜填土制作的水泥土試塊，在28d齡期前強度有所下降，齡期在28d～60d時，強度迅速上升，但齡期在90d時，強度又明顯下降。

由于雜填土成分復雜，有機質(zhì)含量較多，導致水泥土無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律與其他土質(zhì)大不相同，因此建議以雜填土為土樣制作的水泥土攪拌樁作支護結(jié)構(gòu)時，地下工程施工工期盡量不要超過60d，若在基坑支護中，應盡量除去上表面的少量雜填土。

3 結(jié)論

通過對不同水泥摻量、不同齡期的雜填土為土樣制成的水泥土試塊進行無側(cè)限抗壓強度試驗，得出如下結(jié)論：

1)以雜填土為土質(zhì)制作的水泥土試塊，水泥摻量為25%時，無側(cè)限抗壓強度增長幅度最大。

2)水泥土的無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻量的增加而增大；齡期為7d和90d時，水泥土強度與水泥摻量呈線性函數(shù)關系；齡期為28d和60d時，水泥土強度與水泥摻量呈二次函數(shù)關系。

3)水泥土的無側(cè)限抗壓強度與齡期呈三次函數(shù)關系。

4)以雜填土為土質(zhì)制作的水泥土試塊，水泥摻量在12%～20%，在28d齡期前強度有所下降，齡期在28d～60d時，強度迅速上升，但齡期在90d左右時，強度又明顯下降。

[1]赫文秀，申向東.摻砂水泥土的力學特性研究[J].巖土力學，2011,32(S1):392～396.

[2] 張石友，陳艷國，趙自文.不同水泥摻量的水泥土無側(cè)限抗壓強度預測[J].人民長江，2015,46(11):68～70.

[3] 李建軍,梁仁旺.水泥土抗壓強度和變形模量試驗研究[J].巖土力學，2009,30(2)：473～477.

[4] 黃小滿.水泥攪拌樁水泥土強度特性試驗研究[J].道路工程，2014,82(5):20～23.

[5] 高松鶴.不同水泥土力學性能試驗研究[J].施工技術，2014,12(43):84～89.

[6] 艾志偉，鄧通發(fā).水泥土強度的影響因素研究進展[J].公路，2014(1)：195～199.

[7]趙振亞，申向東.水泥紅黏土力學性能試驗研究[J].人民黃河，2012，34(5):139～140.

[8] 嵇曉雷,朱逢斌.水泥土無側(cè)限抗壓強度室內(nèi)試驗研究[J].四川建筑科學研究，2011,37(5)：146～148.

[9] 曹智國，章定文.水泥土無側(cè)限抗壓強度表征參數(shù)研究[J].巖石力學與工程學報，2015,34(S1)：3446～3454.

[10] 陳達，莊寧，廖迎娣，等.水泥土力學特性隨齡期發(fā)展規(guī)律試驗研究[J].水利水運工程學報，2012(1):27～29.

[編輯] 計飛翔

2016-12-25

湖北省自然科學基金項目(2015CFB667)；湖北省教育廳科學技術研究項目(Q20141307)；大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(2015004)。

肖桃李(1978-)，男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事巖土工程和工程地質(zhì)方面的教學與研究工作，xtl9720209@163.com。

TU411

A

1673-1409(2017)05-0064-03

[引著格式]肖桃李，何云龍，李啟鳳，等.水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗研究[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(5)：64～66.