魏衍杰 何君

摘 要：針對(duì)粘性土初始含水率較低時(shí)水泥固化土的拌合質(zhì)量，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了水泥固化海相粘土中初始含水率與混合質(zhì)量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在初始含水率（w0）小于粘土的液限（wL）的情況下測(cè)試其強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度在w0為0.925wL時(shí)達(dá)到峰值，在w0為0.85wL時(shí)下降；在w0為0.775wL時(shí)相比于w0為0.925wL時(shí)強(qiáng)度有增有減，變得不穩(wěn)定。使用初始含水率為1.0wL和1.2wL的強(qiáng)度得到的強(qiáng)度估算公式，隨著w0變得小于wL，固化土的強(qiáng)度降低超過(guò)估算強(qiáng)度，認(rèn)為是粘土初始含水率降低后，水泥摻入引起的強(qiáng)度增加，流動(dòng)性下降，降低了混合料的質(zhì)量，以致強(qiáng)度沒(méi)有充分發(fā)揮。

關(guān)鍵詞：水泥固化土；液限；單軸壓縮強(qiáng)度；海相粘土；混合質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TQ172.7;TV41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0111-05

Research on the influence of moisture content and strength testing of cement reinforced solidified marine clay

WEI Yanjie1，HE Jun2

（1.Water Development Center of Juye，Juye 274900，Shandong China;2.Shuifa Planning & Design Co.，Ltd.，Jinan 250100，China

）

Abstract：The relationship between the initial moisture content and the mixing quality of cement stabilized marine clay was studied through indoor experiments，targeting the mixing quality of cement stabilized soil with low initial moisture content in cohesive soil.The results showed when the initial moisture content （w0） was less than the liquid limit （wL） of the clay，the strength was tested，and it was found that the strength reached a peak at w0 of 0.925 wL and decreased at w0 of 0.85 wL.Compared with w0=0.925 wL，the strength increased or decreased at w0=0.775 wL and became unstable.Using the strength estimation formula obtained with the initial moisture content of 1.0 wL and 1.2 wL，as w0 becomes less than wL，the strength of solidified soil decreased beyond the estimated strength.It was believed that after the initial moisture content of clay decreases，the strength increased and the fluidity decreased caused by the incorporation of cement，which reduces the quality of the mixture and does not give full play to the strength.

Key words：Cement solidified soil，liquid limit，uniaxial compressive strength，marine clay，mixing quality

水泥是一種良好的改性材料添加物，其中水泥固化土是一種常見(jiàn)的土壤處理方法，通過(guò)添加水泥和其他材料，將土壤進(jìn)行固化和加固，以提高土壤的穩(wěn)定性和強(qiáng)度［1］。固化土強(qiáng)度的影響因素眾多，但尚未建立系統(tǒng)的配合比設(shè)計(jì)方法。海相粘土在世界范圍內(nèi)廣泛分布，水泥固化是一種廉價(jià)、高效的工程領(lǐng)域處理方法。有學(xué)者系統(tǒng)研究了寧波某地區(qū)軟土的工程特性［2］。還有從地質(zhì)成因的角度研究了寧波、連云港和廣州等地海相粘土成因［3］；分析了連云港海相粘土的礦物成分及顆粒組成，確定其工程力學(xué)特性［4］。

研究提出了利用不同液限、初始含水率和含砂量等不同海相粘土來(lái)測(cè)量水泥固化土的強(qiáng)度估算公式，并利用試驗(yàn)室復(fù)配試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)了估算公式的適用性。考慮水泥添加引起的液限變化，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了水泥固化處理過(guò)程中海相粘土初始含水率與混合質(zhì)量的關(guān)系。

1 材料與方法

研究以寧波某地區(qū)的海相粘土（以下簡(jiǎn)稱粘土）和混砂粘土為例。粘土在使用前用2 mm的篩子清除貝殼和礫石?；焐罢惩潦峭ㄟ^(guò)海相粘土與中砂混合使含砂量為30%而獲得的樣品。表1為粘土和混砂粘土的液限（wL）、細(xì)顆粒含量、含砂量（S）和水泥添加量（c*）。

粘土的液限為123.1%，普通硅酸鹽水泥用作固化材料。

表2為固化樣品的初始含水率（w0）。

將粘土和混砂粘土的初始含水率（w0）與液限（wL）之比的歸一化含水率（w0/wL）設(shè)置為5個(gè)階段：0.775、0.850、0.925、1.000和1.200，以調(diào)節(jié)樣品的含水率。研究中使用的水泥添加量（c*）的定義：

c*=m水泥m土+m水泥×100%（1）

式中：m土為含沙土的干燥質(zhì)量；m水泥為加入水泥的質(zhì)量。在每個(gè)初始含水率下，c*設(shè)定為10%和20%。

在制備樣品時(shí)，稱量要添加的水、水泥和砂的質(zhì)量，從而設(shè)定初始含水率、水泥添加量和砂含量。粘土和要添加的水在制備樣品之前先需要冰箱冷卻。在粘土中加入水、水泥、中砂，用手動(dòng)攪拌機(jī)攪拌2 min。之后，將混合物用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌30 min。

攪拌均勻后，將樣品裝入直徑50 mm、高100 mm的模具中，裝滿后用保鮮膜蓋好，置于20 ℃室溫的水箱中進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)。在相同的條件下制備2個(gè)試件，本文所示的強(qiáng)度為2個(gè)試件的平均值。在上述一系列操作中，從攪拌結(jié)束到開(kāi)始固化大約需要30 min。因此，將攪拌結(jié)束后30 min設(shè)為固化開(kāi)始時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 粘土初始含水率與固化土強(qiáng)度的關(guān)系

圖1和圖2分別顯示了養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d和90 d時(shí)的單軸試驗(yàn)壓縮強(qiáng)度與添加水泥前由液限歸一化的初始含水率之間的關(guān)系［5-7］。

由圖1可知，在初始含水率為0.925wL以上的情況下，初始含水率越低，單軸試驗(yàn)壓縮強(qiáng)度越高。然而，在初始含水率為0.85wL，除c*為10%、S為0%之外的樣品，強(qiáng)度均小于初始含水率0.925wL時(shí)的強(qiáng)度。在具有較低初始含水率為0.775wL時(shí)，除了c*為20%、S為30%之外，強(qiáng)度均比0.850wL時(shí)增加；c*為10%、S為0%的樣品（包括初始含水率為0.775wL和0.850wL的樣品），顯示出與其他樣品不同的結(jié)果，其中含水率越低，強(qiáng)度越大。

由圖2可知，除了c*為10%、S為30%的樣品外，相比初始含水率為0.925wL，強(qiáng)度在初始含水率為0.850wL時(shí)下降。在c*為10%、S為30%的樣品中，初始含水率為0.850wL時(shí)的強(qiáng)度是初始含水率為0.925wL時(shí)的1.018倍，幾乎相同。對(duì)于初始含水率為0.775wL的樣品，未測(cè)定養(yǎng)護(hù)90 d后的強(qiáng)度。

如上所述，當(dāng)初始含水率為0.925wL或更高時(shí)，強(qiáng)度隨著初始含水率的降低而增加，初始含水率為0.850wL時(shí)強(qiáng)度降低占多數(shù)，不論養(yǎng)護(hù)28 d還是90 d，4個(gè)樣品中3個(gè)樣品的強(qiáng)度在歸一化含水率為0.925處達(dá)到峰值。當(dāng)養(yǎng)護(hù)28 d后初始含水率為0.775wL時(shí)，4個(gè)樣品中有3個(gè)的強(qiáng)度高于0.850wL樣品的強(qiáng)度。在初始含水率0.925wL時(shí)，試樣達(dá)最高強(qiáng)度。

本文提出了以下公式來(lái)估算水泥混合土的單軸試驗(yàn)壓縮強(qiáng)度：

c*f=m水泥m細(xì)粒+m水泥×100%（2）

Yf=V細(xì)粒+V水泥V細(xì)粒+V水泥+V水?? （3）

qu=k*cc*f－c*f0YfN（4）

式中：c*為土中影響細(xì)顆粒干燥質(zhì)量m細(xì)粒的水泥摻量；cf0*為水泥摻量產(chǎn)生強(qiáng)度的最小水泥摻量；Yf為添加土中忽略含砂量大于10%的細(xì)粒體積V細(xì)粒、孔隙體積V水、添加后水泥的體積V水泥定義的固體分?jǐn)?shù)；N為水泥固化土結(jié)構(gòu)的系數(shù)（大約2.5～4.5）；kc*是強(qiáng)度增加系數(shù)，是養(yǎng)護(hù)時(shí)間的函數(shù)。已知當(dāng)初始含水率高于液限時(shí)，無(wú)論粘土初始含水率如何，強(qiáng)度估算公式（4）都適用。由式（4），獲得以下等式：

quYf－N=k*cc*f－c*f0（5）

利用式（5）計(jì)算初始含水率為1.0wL和1.2wL時(shí)的強(qiáng)度、水泥摻量和體積固體分?jǐn)?shù)，繪制與qu（Yf）-N和與粘土分?jǐn)?shù)有關(guān)的水泥添加量cf*，并找到給出二者之間線性關(guān)系的N，產(chǎn)生圖3所示的結(jié)果。

由圖3可以得出，在養(yǎng)護(hù)28 d和90 d時(shí)的qu的推導(dǎo)式：

養(yǎng)護(hù)28 d：qu=4 030c*f－3.2Yf2.5（6）

養(yǎng)護(hù)90 d：qu=4 980c*f－3.2Yf2.5 （7）

在初始含水率為0.925wL、0.850wL和0.775wL時(shí)使用式 （6）和式（7）計(jì)算的養(yǎng)護(hù)28 d和90 d后的計(jì)算強(qiáng)度值qu （cal.）和測(cè)量值qu （mes.）的關(guān)系如圖4和圖5所示。

由圖4可見(jiàn)，隨著初始含水率下降到0.925wL、0.850wL和0.775wL，試驗(yàn)測(cè)量強(qiáng)度變得小于計(jì)算公式計(jì)算的強(qiáng)度。當(dāng)通過(guò)線性回歸獲得計(jì)算強(qiáng)度和測(cè)量強(qiáng)度之間的關(guān)系時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d后對(duì)于每個(gè)初始含水率獲得以下結(jié)果：

w0=0.925wL∶qu計(jì)=0.82qu測(cè)（8）

w0=0.850wL∶qu計(jì)=0.67qu測(cè)（9）

w0=0.775wL∶qu計(jì)=0.47qu測(cè)（10）

此外，圖5顯示養(yǎng)護(hù)90 d后的強(qiáng)度具有相似的斜率。計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)測(cè)強(qiáng)度之間的關(guān)系：

w0=0.925wL∶qucal.=0.81qumes.（11）

w0=0.850wL∶qucal.=0.59qumes.（12）

如上所述，隨著初始含水率的降低，試驗(yàn)強(qiáng)度與初始含水率為1.0wL和1.2wL的計(jì)算強(qiáng)度之比減小，推測(cè)這反映了粘土初期含水率變低，均勻混合越來(lái)越困難。

2.2 添加水泥后歸一化含水率與強(qiáng)度的關(guān)系

含水泥塊試樣的含水率（w*定義，加入水泥后的液限（wL*）由試驗(yàn)確定，使用歸一化含水率（w*/ wL*），研究了水泥固化土的強(qiáng)度發(fā)展［8-11］。

w*=m水m土+m水泥 （13）

式中：m土是含砂土的干燥質(zhì)量，kg；m水泥是水泥的質(zhì)量，kg；m水是水的質(zhì)量，kg。

在固化土的強(qiáng)度試驗(yàn)之前，進(jìn)行了液限試驗(yàn)。將規(guī)定的水泥添加到粘土樣品中，放置在玻璃板上，然后用橡皮刮刀將樣品充分混合。

表3顯示了加入水泥后樣品的液限。

由表3可知，液限在加入水泥10%的情況下，0%砂樣和30%砂樣分別增長(zhǎng)了1.24倍和1.28倍。此外，當(dāng)添加20%的水泥時(shí)，0%砂樣和30%砂樣均增加了1.10倍。加入水泥后的含水率和加水泥后的液限之比（w*/ wL*）進(jìn)行分別計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可見(jiàn)，加入水泥降低含水率，提高液限，歸一化含水率比添加前大大降低。添加前的歸一化含水率分別為1.200、1.000、0.925、0.850和0.775，均下降至約0.75倍。

圖6和圖7顯示了初始含水率（包括添加水泥后液限歸一化的水泥質(zhì)量）與單軸試驗(yàn)壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系。

由圖6、圖7可知，在這次使用的混合方法中，水泥固化土的單軸試驗(yàn)壓縮強(qiáng)度達(dá)到峰值的歸一化含水率，低于該含水率下強(qiáng)度變得不穩(wěn)定，歸一化含水率為0.70左右。

3 討論

在該試驗(yàn)中，通過(guò)粘土的含水率來(lái)檢查混合質(zhì)量，混合的方法是攪拌器攪拌30 min［12-15］。通過(guò)比較這些條件下拌合后的強(qiáng)度，4種不同水泥摻量和砂摻量的粘土樣品，大部分在初始含水率為0.925wL時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度峰值。對(duì)于原始低含水率的樣品，沒(méi)有觀察到穩(wěn)定的趨勢(shì)，例如強(qiáng)度增加、趨于平穩(wěn)或減小，基于研究結(jié)果的含水率與強(qiáng)度關(guān)系示意圖如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)w0/wL減小時(shí)，在0.925處出現(xiàn)強(qiáng)度峰值，w0/wL小于該值的區(qū)域成為強(qiáng)度不穩(wěn)定區(qū)域。本次試驗(yàn)的粘土出現(xiàn)最高強(qiáng)度意義上的“最佳含水率”為0.925wL左右。歸一化含水率小于某一值時(shí)，固化處理土的強(qiáng)度變得很難測(cè)量。

如上所述，采用海相粘土計(jì)算水泥固化土的強(qiáng)度，這是基于在0.9至3.0的歸一化含水率范圍內(nèi)沒(méi)有混合質(zhì)量影響的假設(shè)。根據(jù)研究的結(jié)果，考慮到混合質(zhì)量的劣化，可以說(shuō)有必要重新研究歸一化含水率在0.925以下的強(qiáng)度。

在本試驗(yàn)所用的試樣中，當(dāng)固化土的強(qiáng)度達(dá)到峰值的w0/wL為0.925時(shí)，加入水泥后的w0*/wL*約為0.70。本文計(jì)算了充分?jǐn)嚢枵惩恋募羟袕?qiáng)度sur與歸一化含水率的關(guān)系，并提出了以下方程：

sur=1.40/w0/wL4.5（15）

由式（15）可知，w0/wL為0.925時(shí)，水泥添加前強(qiáng)度為2.0 kN/m2；添加后的w0*/wL*為0.70時(shí)，強(qiáng)度為7.0 kN/m2。當(dāng)歸一化含水率在添加水泥前為0.85和添加水泥后為0.64時(shí)，這似乎降低了混合質(zhì)量，攪拌期間的強(qiáng)度從添加前的2.9 kN/m2增加到添加后的10.4 kN/m2。當(dāng)含水率低時(shí)和加入水泥強(qiáng)度增加，導(dǎo)致流動(dòng)性迅速降低并妨礙均勻混合。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）使用粘土的水泥固化土在初始含水率0.925wL以下時(shí)，強(qiáng)度隨著初始含水率的降低而增加。然而，強(qiáng)度在0.850wL以下變得不穩(wěn)定。許多試件的強(qiáng)度低于初始含水率為0.925wL的試件，當(dāng)初始含水率進(jìn)一步降低至0.775wL時(shí)，強(qiáng)度進(jìn)一步降低;

（2）使用初始含水率為1.00wL和1.20wL的樣品強(qiáng)度得到的強(qiáng)度估算公式，在初始含水率為0.925wL、0.850wL和0.775wL時(shí)養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)得的強(qiáng)度分別為82%、67%、47%。初始含水率越低，估計(jì)強(qiáng)度的降低率越大。這表明由于含水率的減少而導(dǎo)致混合質(zhì)量下降;

（3）固化土強(qiáng)度達(dá)峰值時(shí)的w0/wL為0.925，這與粉體噴射攪拌法的結(jié)果基本一致;

（4）本研究中使用的海相粘土在加入水泥后顯示液限增加、歸一化含水率降低、強(qiáng)度增加。除了粘土含水率降低外，由于添加水泥強(qiáng)度增加而導(dǎo)致的流動(dòng)性降低被認(rèn)為是混合物質(zhì)量劣化的原因。

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收稿日期：2023-11-21；修回日期：2024-01-21

作者簡(jiǎn)介：魏衍杰（1969-），男，高級(jí)工程師，研究方向：水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及建設(shè)管理;E-mail：1903096202@qq.com。

通訊作者：何 君（1985-），男，高級(jí)工程師，研究方向：水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)；E-mail：pi0965295518441@163.com。

引文格式：魏衍杰，何 君.水泥增強(qiáng)固化海相粘土的含水率影響及強(qiáng)度測(cè)試研究［J］.粘接，2024，51（3）：111-115.