水泥土渗透特性与强度特性研究现状

郝巨涛[16]认为单轴状态下水泥土试样为崩溃
破坏，并随围压的的增大逐渐呈剪切破坏，且剪切
破坏面上法向应力与轴向夹角θ f 随着围压增加而 减小，峰值抗剪强度 q p 、残余强度 qr 与球应力p
之间的关系为 qp = 0.6 + 1.3 p ； qr = 0.34 +1.43p ； 范晓秋[17]通过CD、CU等试验，同样得到剪切破坏
1引 言
材料的渗透性和强度是土力学中最重要的基本 问题，是工程安全运行的重要前提。水泥土具有低 渗透和高强度的特点。上世纪九十年代初期，水泥 土广泛应用于地基加固工程，通过掺入水泥改变原 有土体力学性质，提高土体强度和地基承载力。由 于水泥土加固机理研究不成熟、不完善以及施工技 术的落后，水泥土加固效果不太理想，九十年代末， 相关部门出台文件限制了水泥土搅拌桩的使用。
水泥土抗压强度随水灰比的增大而减小，但不 同土料减小的程度不同，因此工程中需进行不同含 水率水泥土强度试验，以确定最优水灰比。
3 水泥土破坏特性
研究表明，正常固结粘土的应力-应变曲线多为 是硬化型，砂土根据颗粒之间松紧程度应力应变曲 线有软化型和硬化型。水泥土由于水泥的掺入，其 破坏形态即不同于常规土体也不同于水泥，具有自 身的特点。
10 3
渗透系数 (cm/s)
10 4
10 5 10 6 10 7
0
砂质土
粉质土 粘质土
50 100 150 200 水泥含量 C (kg/m 3)
a（引自汤怡新）
c（引自宋新江） 图 1 渗透系数与掺量的关系
（引自汤怡新）
（引自候永峰）
b（引自候永峰）
（引自缪志萍）
图 2 水泥土渗透系数与龄期的关系
综上所述，水泥掺入比是影响水泥土渗透系数 的主要因素，渗透系数随掺入比的增大而减小，两 者为非线性关系，并趋近于一定值；对于相同水泥 掺入比，龄期是影响水泥土渗透系数的主要因素之 一，随着龄期的增大，水泥土渗透系数显著降低， 当龄期大于 28d，渗透系数趋于平缓。此外水泥土 渗透系数还与外掺剂种类、土原料以及水灰比等因 素相关。
水泥土的水化反应是在水作用下发生的，含水 量影响水化反应的速度和水化物的质量，间接改变 了水泥土的物理和化学性质。
朱龙芬[15]通过不同水灰比的水泥土（连云港海 相软土）力学试验，认为强度随水灰比的增大而减 小，水灰比大于 0.5，强度逐渐稳定于一定值，水灰 比（含水率）与强度之间的关系见图 5。汤怡新[3]认 为抗压强度与土的含水率的平方成反比。
化裂化剂等）能显著提高水泥土的强度，掺入比 15% 的水泥土，掺入液态添加剂（掺入质量比 0.15%） 使强度提高 60％左右；水泥用量减少 4%后，水泥 土强度提高约 40%。王立峰[14]认为纳米硅有利于水 泥土的硬化反应，水泥土强度随纳米硅掺量的增加
而增大，此材料的最佳掺入比介于 15%～22.5%。 部分外掺剂虽然不能提高水泥土的强度，但改
同时，渗透系数随龄期的增加而减小，龄期大 于 28d 的水泥土渗透系数降低幅度趋于平缓，见图 2。
赵坚[4-6]等部分学者提出采用岩石高压渗透仪 研究水泥土的渗透特性。根据试验成果，认为水泥 掺入量是影响水泥土渗透系数的主要原因，并随水 泥掺入比的增大而减小，两者为非线性关系。
宋新江[7]利用改进的三轴仪研究水泥土渗透特 性，较好的解决了试验侧壁止水问题，且获得了较 高的试验水头，并针对低液限黏土进行不同水泥掺 入比渗透试验，得出掺入比大于 8%，水泥掺入量 不能显著降低水泥土渗透系数，见图 1。结合室内 试验与现场取样的差别以及工程运行安全情况，提 出水泥土截渗墙的最佳掺入比为 12%。
Abstract: The researches of cement-soil in recent years are summed up. The permeability and strength properties of cement-soil are summarized and the durability and corrosion problems are put forward. Cement ratio is a main factor affecting the strength and permeability coefficient of cement-soil. Permeability coefficient decreases with the increasing of cement ratio or age and approach to a constant. Under the same cement ratio conditions, age is the key of permeability coefficient of cement-soil. Strength has a positive correlation with cement ratio or age, while decreases with the increasing of water cement ratio. Admixture whether improve strength of cement-soil or not depends on its properties. The curve of stress-strain relation is related to the confining pressure. The property of strain softening is shown under low confining pressure and gradually develops to hardening. The angle between the normal stress and axial direction decreases with the increasing of confining pressure in failure surface. Keywords : cement-soil; permeability coefficient; strength
周丽萍[8]根据不同水泥掺入量和龄期的单轴抗 压强度试验结果，认为水泥土抗压强度随水泥掺入 比的增大而增大；随龄期的增大线性增大，见图 3 和图 4。黄新[9]、于英霞[10]等学者得到相同结果。 徐志钧[11]研究结果略有不同，认为抗压强度与龄期 的关系为 f cu,90 : f cu,28 : f cu,7 = 1 : 0.6 : 0.4 。缪志萍[2] 结合工程实际情况，认为水泥土作为堤身加培土时， 水泥掺入量应大于 8%。
增加而增大，外掺剂是否改善水泥土强度取决于外掺剂的自身性质，强度随水灰比的增大而减小；应力应变
曲线型态与围压相关，低围压下为软化型，并随围压的增大向硬化型发展；剪切破坏面上法向应力与轴向夹
角θ f 随着围压增加而减小。
关键词：水泥土；渗透系数；强度
中图分类号：
文献标识码：A
文章编号：
Research status of seepage behavior and strength property of cement-soil
应力应变曲线型态与围压相关，小围压下水泥 土呈明显的软化，并随围压的增大逐渐往硬化发展。 水泥土破坏形态与围压、龄期、水泥掺量等相关， 单轴或者较小围压为劈裂破坏，大围压为塑性剪切
破坏；剪切破坏面上法向应力与轴向夹角θ f 随着围
压增加而减小；破坏应变随围压的增大而增加。
4 小结
本文通过归纳分析近阶段水泥土研究成果，水 泥土具有以下渗透和强度特性：
变了水泥土的变形特性。如纤维材料提高了水泥土 的韧性指标，改变了水泥土呈脆性破坏的形态；少 量粉煤灰能提高水泥土强度，但掺入量过大粉煤灰 会影响水泥土的水化反应，影响凝胶体的形成，是 强度减低。
水泥土的力学特性与外掺剂的种类相关，如可 提高早期强度，减少水泥用量，或者改变韧性指标， 甚至会降低水泥土的强度。因此，选用外掺剂时， 应根据工程要求进行对比试验。 2.2 水灰比对强度的影响
（引自周丽萍等 2009 年） 图 3 水泥土抗压强度与龄期的关系曲线
粉煤灰、纳米硅、纤维和水玻璃等，不同种类的外 掺剂水泥土的力学性质有所不同。
曹宝飞[12]通过室内试块和模型梁试验，给出了
添加三乙醇胺（掺入质量比 0.15%）的水泥土变形 模量与掺入质量比m的经验公式， E50 = 343.77m + 74.733 。邵玉芳[13]认为掺入液态 添加剂（主要成分为胺类化合物、金属络合物和催
2 水泥土力学特性
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水泥土强度增加的主要原因是产生的水化物充 填了土颗粒之间的孔隙，增加了颗粒之间粘结力； 同时胶体材料粘在土体颗粒表面，增大了颗粒的接 触面积，使凝聚分量增大。因此，水泥土内摩擦角 和粘聚力相对于土体材料增大。
自上世纪九十年学者进行水泥土研究以来，至 今在水泥土力学性质方面取得了大量有价值的科研 成果。认为水泥土强度主要与水泥掺量、外掺剂、 水灰比、土体性质、试样高径比等因素相关。 2.1 水泥掺量、龄期对强度的影响
水泥土渗透特性与强度特性研究现状
摘 要：通过分析和归纳近年来水泥土研究成果，总结了水泥土的渗透和强度特性，并提出了水泥土耐久性
和腐蚀性问题。水泥掺入比是影响水泥土渗透和强度的主要因素，渗透系数随掺入比或龄期的增加而减小，
并趋于一定值；相同水泥掺入比条件下，龄期是影响水泥土的渗透系数的主要因素；强度随掺入比或龄期的
近年来，国内外学者借助各种研究手段深入开 展水泥土作用机理研究，并取得了大量研究wenku.baidu.com果。 初步掌握了水泥土微观作用机理、渗透特性和强度 特性，水泥土亦被逐步应用于水利工程除险加固和 基坑支护等工程。本文主要分析了近阶段水泥土在 渗透和力学性质方面的研究成果，总结了水泥土的 渗透和力学性质，并提出水泥土的耐久性和腐蚀性 问题，便于水泥土材料的进一步推广和应用。
目前常采用测试细颗粒土料渗透系数的变水头
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法、岩石高压渗透测试方法和三轴仪渗透测试方法 研究水泥土的渗透特性。
侯永峰、缪志萍、汤怡新等学者利用“南 55” 型渗透仪采用变水头方法研究水泥土的渗透特性 [1-3]。认为水泥土渗透系数随水泥掺入比的增大而减 小，并趋近于一定值，见图 1；另外，水泥土的渗 透系数与原料土的渗透特性相关，土体渗透系数越 大，水泥土渗透系数越大。
2 水泥土渗透特性
渗透性是指材料被水通过的性能，渗流通道为 材料中连通的孔隙。通常采用渗透系数衡量材料渗 透性的大小。土的渗透性主要取决于土颗粒的大小 与级配、颗粒的形状与排列、土颗粒矿物成分、孔 隙率、封闭气泡和细颗粒的移动、固体颗粒孔隙的 大小与分布以及渗流流体种类等。
水泥与土中水发生水解反应，生成氢氧化钙 ( Ca(OH)2 )、含水硅酸钙( 3CaO ⋅ 2SiO2 ⋅ 3H 2O )、 含水铝酸钙( 3CaO ⋅ Al2O3 ⋅ 6H 2O )、含水铁酸钙 ( 3CaO ⋅ Fe2O3 ⋅ 6H 2O ) 和 水 化 硫 铝 酸 钙 ( 3CaO ⋅ Al2O3 ⋅ 3CaSO4 ⋅ 32H 2O )等细颗粒胶体 物质，部分颗粒填充于土体颗粒间，减小了颗粒间 的孔隙，甚至阻断了连通的孔隙通道，使水泥土渗 透系数减小。
（引自周丽萍等 2009 年） 图 4 水泥土抗压强度与水泥掺入比关系曲线
2.2 外掺剂对强度的影响 外掺剂通过与水泥土中的水泥以及水泥水化物
等进行物理化学反应，改善水泥土力学性和破坏形 态。
水泥土常用的外掺剂主要有三乙醇胺、硫酸盐、
3
%
（引自朱龙芬等 2007 年） 图 5 水灰比与抗压强度的关系
面上法向应力与轴向夹角θ f 随着围压增加而减小，
同时认为龄期越长、掺砂量越多、水泥掺入比越大，
水泥土试样脆性张裂破坏越明显。 宋新江[7]针对 12%的水泥土进行等p剪切、CD、
CU、平面应变等试验，认为不同应力路径对水泥土 强度影响较小，水泥土应力应变曲线有软化和硬化 两种型态，小围压下水泥土呈明显的软化型，随着 围压的增大曲线软化程度减弱，并逐渐向硬化型发 展，破坏应变随围压的增加而增大。