水泥土无侧限抗压强度影响因素的室内试验研究

水泥土无侧限抗压强度影响因素的室内试验研究涂　帆,常方强(华侨大学土木工程系,福建泉州　362011)摘要:通过对实际工程水泥土室内配方试验结果的归纳与分析,研究了水泥土无侧限抗压强度与土的含水量、搅拌桩类型、水灰比、水泥掺量和龄期等影响因素的关系,并对水泥土28天的无侧限抗压强度进行了预测。

关键词:软土;水泥土;无侧限抗压强度中图分类号:T Q17217文献标识码:A Abstract :Through the analysis on the laboratory testing results of cement s oil for projects ,the relationships between the uncon fined com pression strength and the water content of s oil ,the type of deep cement 2mixing piles ,the ratio of water and cement ,the cement content and the age of the piles are studied ,and the uncon fined com pression strength of the cement piles in 28days is predicted.K ey w ords :s oft s oil ;cement s oil ;uncon fined com pression strength ;收稿日期:2004206225;修订日期:2004209206作者简介:涂帆(1950-),女(汉族),福建莆田人,副教授.1　引言福建沿海地区海相软土分布非常广泛,软土的工程性质差,表现为含水量高、压缩性大、强度低、结构性强、透水性低、流变性强等特点。

在软土地区修建工程,经常需要进行地基处理,而水泥搅拌桩以其良好的工程效果和经济效益,成为常用的地基处理方法之一。

本文通过对本单位十年来进行的近200个水泥土室内配方试验结果的分析,探讨水泥土的无侧限抗压强度q u (以下简称水泥土强度)与水泥掺量、土的含水量、搅拌桩类型、龄期和水灰比的关系,并对水泥土28天强度进行预测。

室内配方试验,是对现场取的代表性土料按一定的比例掺入水泥和水,搅拌后装入直径415cm ,高910cm 的模子,第二天拆模后将试样放进塑料袋,扎紧袋口置入水中,放在养护室内养护,到了一定的龄期对试样进行无侧限抗压强度试验。

2　水泥土的加固原理当水泥遇到土中的水时,水泥中的矿物成分与水发生一系列水解水化反应,通过水泥和软土之间的离子交换、团粒化、硬凝作用及一系列物理化学反应,生成氢氧化合物和含水盐化合物等,形成具有整体性、水稳定性和一定强度的凝胶体,减少了土中水的含量,增加了土粒间的粘结力,使软土的强度和压缩模量提高,从而达到加固地基的目的。

水泥土的重度略大于原状土的重度,一般情况下,大约增加(015～310)%,在地基加固工程中,水泥土的重量对下面未加固的土层,不会产生过大的附加荷载和附加沉降[1]。

3　水泥土强度与水泥掺量的关系为了探讨水泥土强度q u 与水泥掺量α的关系,对闽南某大桥工程的室内实验数据进行归纳整理。

该工程的地基土为淤泥,含水量为6814%,天然土密度为1155g/cm 3,要求对土样进行水泥掺量分别为15%、18%和21%的浆喷和粉喷桩的室内配方试验,采用R425早强水泥,试验结果列于表1,表中的每一个强度值均为三个平行试验结果的平均值。

某工程水泥土室内试验结果表1水泥掺量(%)龄期(d )无侧限抗压强度(kPa )浆喷粉喷粉喷与浆喷强度比35308301156798013501138151515301870112228202025001124602530——375010801144711301730115318151780261011472822403170114260271036001133385013501159714602230115321152020358011772826004510117360—4810—注:浆喷桩的水灰比为0145。

根据表1的数据,绘制粉喷和浆喷水泥土无侧限抗压强度q u 与水泥掺量α的关系曲线,如图1所示,可以看出,8 工程勘察　Geotechnical Investigation &Surveying2005年第3期　水泥土强度随水泥掺量的增加而提高,对于浆喷桩,水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量基本呈线性关系。

而对于粉喷桩,3天和7天的水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量亦基本呈线性关系,其斜率大于浆喷桩的,但15天、28天和60天强度对掺量的变化敏感,随着水泥掺量增加,强度明显增加。

水泥土强度随水泥掺量增加而提高的原因有二:①水泥含量增大,水泥的水解水化反应、土颗粒与水泥水化物的碳化等作用亦增强:②软土掺入水泥后,水泥土的孔隙比较天然土的孔隙比减少[1],掺量越大,孔隙比减少越明显。

对于粉喷桩,水泥还能够吸收软土中的水分,因此,强度增长更显著。

4　水泥土强度与龄期的关系在水泥土浆中,水泥的水解和水化反应是在具有活性的土介质围绕并参与下进行的,其物理化学反应较一般混凝土复杂,硬凝速度比混凝土缓慢,延续时间比混凝土长[2]。

工程中,为了尽快提高水泥土强度,除采用早强水泥外,可适量添加外掺剂,如粉煤灰、石膏、水玻璃、三乙醇胺、氯化钙、碳酸钙等。

为了研究水泥土强度与龄期的关系,根据表1的数据绘制试样的无侧限抗压强度q u与龄期t的关系曲线于图2。

由图2可以看出,随着龄期的增长,水泥土无侧限抗压强度逐渐增大,初期强度增长很快,15天后增长率逐渐减缓,28天之前的强度与龄期不呈线性关系。

对于不同的水泥掺量,浆喷水泥土强度随龄期的增长率变化不大;而对于粉喷水泥土,水泥掺量的影响较大,28天之前,三条q ～t曲线没有平行的趋势;无论是浆喷或粉喷水泥土,也不管是哪一个水泥掺量,28天与60天之间的强度与龄期的变化斜率基本相同。

5　粉喷水泥土强度与土样含水量的关系为探讨水泥土强度qu与土样含水量ω的关系,根据不同的粉喷桩处理工程的室内配方试验结果,选取水泥掺量均为15%的7天、28天和60天强度绘制图3。

该图显示,随着含水量增加,水泥土强度降低,而且,龄期不同,土样含水量对水泥土强度的影响亦不同,对于7天、28天和60天三者来说,土样含水量对7天的强度影响最小,因为7天龄期短,水泥与水的水化反应不充分,水泥土的强度正在形成过程中,土中含水量的影响还未充分显现。

从图3中28天强度的qu～ω关系可以看出,含水量由3811%增至6910%,强度由2137kPa减至789kPa,相当于含水量每增加10%,强度降低约28%,可见含水量对强度的影响很大。

6　粉喷桩与浆喷桩的水泥土强度比较浆喷桩和粉喷桩的区别在于前者将水泥浆后者将水泥粉喷入地基,从机理上讲,粉喷桩更适宜用于改善含水量大的软土地基,因为除了与浆喷桩一样有水泥与土的反应外,水泥粉还吸收周围软土中的水分,减少土的含水量,提高土的强度。

由表1和图1可以看出,对于同样的土,在水泥掺量相图1　无侧限抗压强度随水泥掺量的变化图2　无侧限抗压强度与龄期的关系曲线图3　无侧限抗压强度随含水量的变化同的情况下,粉喷水泥土的强度明显高于浆喷水泥土的强度,其比值约为(1122～1173)。

所以,如果天然土的含水量较大,建议采用粉喷桩。

另一方面,如果土体天然含水量比较小,由于粉喷桩采用粉体作为固化剂,搅拌阻力大,很可能搅拌不均匀,水泥的水化反应不充分,强度反而低。

为了提高均匀性,除了采用复搅的方法外,通常改用浆喷桩。

9　2005年第3期工程勘察　Geotechnical Investigation&Surveying 由于我国目前粉喷桩施工机械不能严格控制喷粉量,经常造成“千层饼”甚至断桩现象,限制了粉喷桩的推广。

7　浆喷桩水泥土强度与水灰比的关系某工程地基土的天然含水量ω=6910%,采用浆喷搅拌桩,水泥标号为425R ,水泥掺量α=15%,对于不同的水灰比进行配方试验,结果如表2所示。

可以看出,水泥土的强度随着水灰比的减少而增大,水灰比为1∶2的水泥土无侧限抗压强度q u 1∶2大约等于水灰比为2∶3的相应强度q u 2∶3的1112～1130倍。

不同水灰比的无侧限抗压强度表2龄期(天)无侧限抗压强度(kPa )水灰比=2∶3水灰比=1∶2q u 1∶2Πq u 2∶379281711921811281412411013941111122818891224711011308　水泥土28天强度的预测《建筑地基处理技术规范》(J G J79291)中指出,搅拌桩的加固土强度标准值宜取90天龄期试块的无侧限抗压强度。

实际工程中,由于工期的关系,一般很难等到90天的试验结果,通常取28天强度作为设计依据,即使如此,委托单位还希望根据早期强度尽快推求28天强度,因此,水泥土28天强度的预测有其现实意义。

本文根据某大桥工程水泥土浆喷桩室内配方试验结果,拟合浆喷桩28天无侧限抗压强度预测公式如下:q u 28=-19011α-211t 2+12519t+213q u 3+118q u 7(1)式中:α———水泥掺量(%);t ———龄期(d );q u 3,q u 7———水泥土3天和7天的无侧限抗压强度(kPa )。

图4　预测值与实测值的比较图4为该大桥工程浆喷水泥土在不同水泥掺量时的强度实测值与根据公式(1)的预测值的对比曲线,可以看出,预测值与实测值较接近。

水泥土强度除了与水泥掺量和龄期有密切关系外,还与其他诸多因素,例如土的种类、土的性 质、有机质含量、水灰比、水泥标号等有关,尤其是地基土为天然产物,具有很大的不确定性,因此,用一个公式精确地预测某一个龄期的强度是不现实的;另一方面,这诸多因素的影响又体现在水泥土的3天和7天强度中,因此,利用3天和7天强度大致推测28天强度又成为可能。

利用其他工程的室内配方试验结果检验公式(1)的适用性,误差一般在30%以内。

根据该工程配方试验结果,水泥掺量在15%～21%的粉喷水泥土的强度预测公式难以用公式(1)的形式表达,本文第2和第3部分的阐述及图l 和图2均说明这一点。

根据本单位水泥土室内配方试验结果的统计资料,建立水泥土28天无侧限抗压强度q u 28与3天和7天无侧限抗压强度q u 3和q u7的大致关系。

对于浆喷水泥土:q u 28≈(215～315)q u 3,q u 28≈(117～216)q u 7 对于粉喷水泥土:q u 28≈(212～314)q u 3,q u 28≈(116～217)q u 7 可以看出,无论是对于浆喷或粉喷水泥土,28天与3天强度的比值基本相同,在(212～315)之间;28天与7天强度的比值也基本相同,在(116～217)之间。