水泥土搅拌桩室内试验研究

范凌燕

(湖南交通职业技术学院 路桥工程学院，湖南 长沙 410132)



水泥土搅拌桩室内试验研究

范凌燕

(湖南交通职业技术学院 路桥工程学院，湖南 长沙 410132)

摘要:结合黔张常铁路项目对水泥土进行一系列的室内研究试验，试验结果表明：水泥土的重度较原状土有所增加，幅度为1.7%~7.4%。无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而增大，破坏模式为脆性破坏，呈现倒三角锥形。水泥土的压缩模量随着龄期和掺入比的增大而增加。研究成果可为类似工程的设计和施工提供借鉴。

关键词：水泥土；重度；液、塑限；无侧限抗压强度；固结；破坏模式

近几年来，我国高速公路、高速铁路发展迅速，建设过程中难免会遇见软弱地基，水泥加固土是软弱地基处理的常用方法[1]。水泥加固土具有最大限度的利用原位土，搅拌时无振动和无噪声，对环境影响较小，加固形式灵活、经济等优点，同时又具有费用低、施工方便、作业面小等优越性，因此发展前景乐观。欧明喜等[2]通过水泥土三轴疲劳试验，得出了水泥掺量、加载频率和循环周数对水泥土疲劳特性的影响规律；王星华[3]对水泥土固化过程进行了微观研究；周丽萍等[4]研究了粉质黏土水泥土，提出了这种土在单轴受压下应力-应变曲线的本构方程，并分析了影响因素。阮波等[5-6]研究了不同类型土的无侧限抗压强度的影响因素和作用机理。本文结合黔张常铁路项目，探讨水泥土物理力学特性，并分析强度的影响因素。研究不同的水泥掺量、不同的养护龄期对水泥土无侧限抗压强度和固结特性的影响，结果可为室外的水泥土搅拌桩工程提供参考。

1试验研究

1.1　试验材料

试验所用的土取自黔张常某铁路项目，其物理力学参数指标如表1所示。水泥选取为425号的普通硅酸盐水泥，其物理力学指标见表2。

1.2　试验方案

由于现场设计的水泥搅拌桩桩径为0.5 m，设计的水泥掺入比为55 kg/m,折算成湿土掺入比aw(见式(1)所示)为13.7%，按照设计要求水灰比为1.0，试验方案见表3所示。

(1)

式中：aw为湿土掺入比，%；mc为水泥质量，kg；ms为湿土质量，kg。

表1　原状土物理力学性质

表2　水泥的物理力学指标

表3　试验方案

为了保证试验的准确性，其中无侧限抗压强度和固结试验各采用3个平行试样，取其平均值作为该小组的结果。试样的测得值与平均值之差超过平均值的±15%时，则该组试验结果无效，按余下试验的测得值算得平均值，若一组试样的个数不足2个时，则该组试验结果作废，须重做满足要求。

1.3　试样制备

土样风干、碾碎、过2 mm筛，然后按照上述的3种水泥掺入比、水灰比和含水率要求分别称取适量的水泥、水。按照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T233-2011)[8]规定：将风干土和水泥先拌合均匀，加水并搅拌至20 min。将水泥浆拌合物分两次插倒、振实、刮平制作成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准立方体试块和直径为61.8 mm高度为20 mm的环刀圆柱体试样。经过24h之后进行脱模，标号后放入养护室进行养护，养护条件为:温度为(20±2)℃，相对湿度≥95%，养护到相应龄期后进行试验。

1.4　试验设计

无侧限抗压强度试验采用WDW-50型微机控制电子万能试验机，试验过程中速率控制在10 mm/min。由于水泥土变形较小，故压缩试验采用GDZ-2三联高强固结仪，加载序列为100，200，400，800，1 600和3 200 kPa。

2试验结果分析

2.1　水泥土密度和液塑限试验

用天平称取试样质量，用量积法测量体积，然后计算单位体积的质量。液塑限则采用液塑限联合测定仪测得，试验结果列于表4。

经对比发现，水泥土的重度大于原状土的重度。一般情况下，大约增长1.7%~7.4%，因此水泥土重度的增加未对下面的土层产生较大的附加应力和附加沉降。液限、塑限均较原状土有所增加，养护龄期越长，塑限指数越大。

2.2　无侧限抗压强度试验

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，通过水泥和土质之间的离子交换、团粒化、凝化作用等一系列物理化学反应，生成氢氧化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物，减少了土体的含水量，增加了土颗粒之间的黏聚力，使土体的强度和压缩模量提高，从而达到加固地基的目的。无侧限抗压强度的试验结果如表5所示。

表4　各组试验的密度和液塑限

表5　各组试验无侧限抗压强度

水泥的掺入比对水泥土的无侧限抗压强度的影响如图1所示，从图中可以看出，水泥土的无侧限抗压强度随着水泥的掺入比的增加而增长，与原状土相比，其强度提高5.66~13.86倍，所以加固效果显著。在实际工程中，水泥掺量不能太多也不能太少。若太多，则形成的水泥土强度很大，其压缩模量也比较高，其构成的水泥土搅拌桩在外部荷载的作用下，桩体本身承载的荷载较多，位移相对较小，而桩周土压缩模量小，承担的荷载较小，从而桩土的应力比较大，不利于复合地基的整体稳定性。若太少，水泥土强度不高，桩体的承载能力较低，同时在实际过程中考虑经济的原因。

图1　无侧限抗压强度与掺入比关系Fig.1 Relationship between UCS and the mixing ratio

表5和图2反映了养护龄期和水泥土无侧限抗压强度之间的关系，随着养护时间的变长，其强度也随之增长，特别是在28 d增长幅度显著提高。现行规范[8-9]规定，水泥土的性能指标宜以90 d龄期的试验结果为准。以14 d的为例，10.7%，13.7%和16.7%的掺入比的水泥土无侧限抗压强度为90 d的0.46~0.52，28 d的无侧限抗压强度为90 d的0.59~0.64。

图2　无侧限抗压强度与龄期关系Fig.2 Relationship between UCS and age

在试验结束后观察试样在单轴受压状态下的典型破坏模式，可以发现水泥土的无侧限抗压试验的破坏形式主要为脆性破坏。在水泥掺入量较高，养护龄期较长的情况下，试样破坏形式呈倒三角锥形；而在掺入量较低养护龄期较短的情况下则表现为斜向剪切破坏，会出现明显的剪切面。试样的脆性破坏的典型照片如图3所示。

从图4中可以发现，水泥土在不同的水泥掺入比情况下，龄期越长，孔隙比越小，这是因为时间越久，水泥与土颗粒间的水解和水化作用就越明显，生成的硅酸钙、硅铝酸钙和胶凝物也就充斥在土颗粒中，其强度自然而然就越高，沉降变形也就越低。压缩系数av<0.1，说明水泥土属于低压缩性土。在龄期相同的情况下，压缩模量Es1-2随着水泥掺入比的增大而增大；在水泥掺入比相同的情况下，压缩模量Es1-2随着龄期的增大而增大，压缩系数

av则相反。由此可知，随着时间的推迟，水泥的水化完成，则压缩性也逐步降低。

图3　水泥土典型的脆性破坏模式Fig.3 Cement-soil typical brittle failure mode

2.3　固结试验

固结试验结果如表4和图6所示。

(a)aw=10.7%；(b)aw=13.7%； (c)aw=16.7%图4　不同水泥掺入比下的e-P曲线图Fig.4 E-P curves under the different cement mixing ratio

掺入比/%10.713.716.7龄期/d142890142890142890压缩系数av0.0810.0620.0560.0750.0590.0470.0620.0450.043压缩模量Es1-221.65128.19131.36822.73430.09338.68538.68539.95244.013

3结论

1)掺入一定配比的水泥后，水泥土的重度一般有所增加，幅度为1.7%~7.4%。

2)水泥土试样在单轴受压情况下主要表现为脆性破坏。在高掺入比和长龄期的情况下主要呈现2个倒三角锥形式。

3)水泥土属于低压缩性土，在水泥掺入比一定时，龄期越长，压缩模量Es1-2越大，同时压缩模量Es1-2随着掺入比的增大而增大。

参考文献：

[1] 叶书麟，叶观宝.地基处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

YE Shulin,YE Guanbao.Foundation treatment[M].Beijing: China Building Industry Press.1997.

[2] 欧明喜,王晓平,曾芳金.水泥土三轴疲劳特性试验研究[J].土工基础,2009,23(3):80-83.

OU Mingxi, WANG Xiaoping, ZENG Fangjin.Research on behavior of soil-cement under triaxial test[J].Soil Engineering and Foundation , 2009,23(3):80-83.

[3] 王星华.粘土固化浆液固结过程的SEM研究[J].岩土工程学报,1999,21(1):34-40.

WANG Xinghua.SEM study of hardening processes of clay-hardening grouts[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1999,21(1):34-40.

[4] 周丽萍,申向东.水泥土力学性能的试验研究[J].硅酸盐通报，2009,28(2):359-366.

ZHOU Liping, SHEN Xiangdong.Study onmechanical behaviors of soil cement[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2009,28(2):359-366.

[5] 阮锦楼，阮波，阳军生，等.粉质黏土水泥土无侧限抗压强度试验研究[J].铁道科学与工程学报，2009,6(3)，56-60.

RUAN Jinlou, RUAN Bo, YANG Junsheng, et al.Experimental study on cement-stabilized soil unconfined compressive strength of silty clay[J].Journal of Railway Science and Engineering, 2009,6(6):56-60.

[6] 曾军，彭学先，阮波，等.聚丙烯纤维红黏土无侧限抗压强度试验研究[J].铁道科学与工程学报，2015,12(3)：545-550.

ZENG Jun, PENG Xuexian, RUAN Bo, et al.Experimental study on unconfined compressive strength of polypropylene fiber reinforced red clay[J].Journal of railway Science and Engineering, 2015,12(3):545-550.

[7] TB 10102—2010，铁路工程土工试验规程[S].

TB 10102—2010, Soil test of railway engineering[S].

[8] JGJ 79—2002,建筑地基处理技术规范[S].

JGJ 79—2002 , Technical code for ground treatment of buildings[S].

[9] JGJ/T 233—2011,水泥土配合比设计规程[S]

JGJ/T 233—2011, Specification for mix proportion design for cement soil [S].

[10] 欧明喜，刘新荣，曾芳金.水泥土应变软化特性三轴试验研究[J].工程勘察，2011，(6):1-4.

OU Mingxi, LIU Xinrong, ZENG Fangjin.TRIAXial tests on strain softening properties of cemeng-stabilized soil[J].Geotechnical Investigation & Surveying,2011(6):1-4.

[11] 游波，王保田，李治朋，等.水泥土无侧限抗压强度影响因素试验研究[J].现代交通科技，2010,7(5):4-7.

YOU Bo, WANG Baotian, LiZhipeng, et al.Experimentresearch on influence factor of unconfined compressive strength of cement-soil[J].Modern Transportation Technology, 2010,7(5):4-7.

(编辑蒋学东)

Experimental study on cement-soil mixing pile

FAN Linyan

(School of Luqiao Engineering, Hunan Communication Polytechnic，Changsha 410132，China)

Abstract:A series of indoor test were completed according to the research on cement-soil based on Qian Zhang Chang Railway project.The results indicate that soil with a amount of cement can increase unit weight by1.7~7.4times.The UCS increases significantly with the increase of mixing ratio.Damage model is brittle failure, and nobla cone was found.The compression modulus of cement-treated soil increases with the increase of age and mixing ratio.This study is of conference value in the construction and design of other similar projects.

Key words:cement soil; unit weight; liquid and plastic limit; UCS; consolidation; failure mode

通讯作者：范凌燕(1973-)，女，湖南邵阳人，从事岩土和建材教学与研究；E-mail:704697157@qq.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50678175)

收稿日期：2015-03-10

中图分类号：TU 411

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)06-1374-05