高含水量软土水泥土强度特性影响因素研究

卢 健

(福建省华荣建设集团有限公司 福建福州 350001)



高含水量软土水泥土强度特性影响因素研究

卢 健

(福建省华荣建设集团有限公司 福建福州 350001)

针对福州市沿海滨海高含水量软土低强度和高压缩性的问题，在室内采用水泥进行固化配方试验。对两种典型软土，即淤泥和淤泥质粘性土进行固化处理，分析了固化时间、水泥掺量、固化方式和软土本身含水量对强度的影响。通过试验研究发现：①在固化龄期的前28d内，水泥土强度增长明显，速率较大。在28d～90d内强度逐渐增大，但增速降低，后逐渐趋缓，水泥土强度与龄期之间近似呈对数关系。②水泥掺量越高，水泥土强度也越大，但在实际复合地基工程中，水泥掺量不宜过大。③粉喷制作的水泥土强度比浆喷制作的强度高出12%～36%，且随着固化龄期的增长，提高的比例有所增大。④当水泥掺量较低时，软土本身含水量越高，制作的水泥土强度越低。

软土;水泥土;强度

0 引言

我国东南沿海，包括浙江、福建、广东和广西等地滨海一带分布有厚度大、面积广的软土，尤其是在海湾水流较缓的地区，这些软土是在接近于静水的环境中长期淤积形成的，其突出的特性是含水量高，如某些含水量高达80%。高含水量的软土工程性质较差，表现为低强度、高压缩性和低渗透性等，给道路工程的修建带来危害。为了短期内提高地基承载力，减少地基沉降量，采用水泥搅拌桩加固软土地基是一种常用的方法。对于水泥搅拌桩的实施效果，一般通过室内试验测试其加固后的强度，在此方面已有一些研究报道其研究成果[1-4]。但对于高含水量的软土制作的水泥土强度特性，研究相对较少。其强度的影响因素较多，包括固化龄期、水泥掺量、固化方式、软土含水量及有机质含量等。因此，本文结合某道路软土地基采用水泥搅拌桩处理前进行的水泥土试验测试结果，分析高含水量软土水泥土的强度特性及其前4种影响因素，为同类工程提供技术参考。

1 工程概况

福州市某道路属于城市快速路，设计车速为80km/h，双向六车道。该道路途经滨海软土地区，软基长度约为350m，路堤填土高度位于2.4m～3.2m之间。由于工期较紧，且对工后沉降要求严格，故经多方论证采用水泥搅拌桩复合地基。根据岩土工程勘察报告，该路基地层主要为：①粉质粘土，黄褐色～灰褐色，潮湿，可塑，局部夹有碎石，厚度为0m～2.4m不等；②淤泥和淤泥质粘性土，灰褐色～灰黑色，可塑～流塑，含水量高，局部夹有砂土透镜体，厚度为3.7m～8.9m不等；③粉质粘土，灰褐色，可塑～硬塑，含有少量细砂，厚度为2.4～3.5m不等；④强风化花岗岩，深度未揭露。地下水位深度位于1.2m～3.6m之间。对该道路路基影响最大的地层是淤泥和淤泥质粘性土，通过室内土工试验测试，其主要物理力学性质为：含水量位于43%～77%之间，天然重度位于15.4kN/m3～17.6kN/m3之间，压缩模量位于1.12MPa～1.71MPa之间，有机质含量为4.1%。

由于该道路地基承载力较低，根据工程经验该路基软土的地基承载力仅为50kPa ～75kPa，不能满足上部填土荷载的要求。该道路工期仅为2年，同时为了缩短工期，降低路基的工后沉降和总沉降，采用水泥搅拌桩进行加固处理。水泥搅拌桩设计桩径为0.5m，桩距为1.2m，桩长贯穿至整个软土层底部。为了检验高含水量软土采用水泥的加固效果，工程实施前事先在实验室进行了水泥土配方试验，所用的加固材料为普通硅酸盐425水泥。

2 水泥土试验方案

试验的目的在于测试高含水量软土水泥加固的实施效果、确定水泥土的设计强度及水泥掺量等，根据此目的设计水泥土试验方案如下。将现场取回的软土(淤泥和淤泥质粘性土)与水泥(普通硅酸盐425水泥)充分混合搅拌制作标准试件，设计了四种水泥掺量，分别为8%、12%、15%和20%，其中水泥掺量为水泥质量与被加固土体质量的比值乘以100%。每种水泥掺量的试件分别养护7d、14d、28d、60d、90d时进行无侧限抗压强度试验。同时为了比较粉喷桩与浆喷桩两种搅拌形式制作的水泥土强度，本试验还进行了粉喷和浆喷两种形式的对比试验，其中粉喷采用纯水泥干粉与软土进行搅拌固化；浆喷采用水泥浆(水灰比为0.45)与软土搅拌固化。待水泥与软土充分搅拌后，倒入试件模子中抹平养护。为了脱模方便，模子内壁事先涂抹一层润滑油。试件尺寸为7.07cm×7.07cm×7.07cm的标准立方体试块。试件与模子一同装入塑料袋内密封，放入标准养护室内(温度保持在20±2℃)进行养护，养护2～3d时进行脱模，继续放入标准养护室进行养护。为了减少人为操作的误差，每个条件的试件均制作3个，取测试结果的平均值作为其代表值。本试验共进行了240个试件的试验。抗压强度试验采用万能试验机进行测试，试验方法严格按照《公路土工试验规程》(JTJ051-93)中的有关规定内容进行。

3 试验结果与分析

3.1 龄期对抗压强度的影响

水泥土试件无侧限抗压强度随固化龄期的关系如图1所示。从图中可见，试件强度在90d内缓慢增长，前期大约28d内增长速率较大，28d后有所趋缓。水泥土30d的强度约占90d时的66%～78%。水泥土强度的增长主要是因为随着时间的持续，水泥与软土的固体颗粒发生了一系列物理化学反应，这些反应包括水解反应、水化反应和团聚化反应等，并且逐渐反应充分，强度得以提高。实际工程中，我国《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2015)推荐以水泥土90d龄期的强度作为复合地基水泥搅拌桩的设计强度，有的工程工期较紧，这时需要根据龄期对其强度进行预测。本试验中，从抗压强度与固化龄期的关系曲线可以看出，两者近似呈对数关系，可以表示为：

qu=aln(t)+b

(1)

式中，qu为水泥土的抗压强度，单位为MPa；t为固化龄期，单位为d；a，b为试验参数。根据图1中的数据，参数a处于0.56～0.85之间，参数b处于-0.79～-0.53之间。

(a)淤泥制作的水泥土，含水量67.0%

(b)淤泥质粘性土制作的水泥土，含水量55.0%图1 水泥土抗压强度与固化龄期的关系

3.2 水泥掺量对抗压强度的影响

水泥土中的水泥掺量越大，其强度也越高，将试验中固化龄期为28d、60d和90d时的测试结果汇总于图2中。可见，水泥土抗压强度与水泥掺量两者近似呈直线关系，斜率位于0.07～0.10之间。随着水泥土中水泥掺量的增加，水泥与软土颗粒之间的物理化学反应越强烈，生成的固化团粒越多，其强度也越高，但在实际的水泥搅拌桩复合地基中，并不是水泥掺量越高越好。这是因为水泥搅拌桩是一种柔性桩，其刚度介于混凝土与软土之间，在受到上部荷载时，其沉降变形要与软土相协调，共同发挥作用，形成复合地基共同承担荷载。相反，若水泥产量过大，则弹性模量增大，相应沉降量较小，此时桩间的软土不能够发挥承担上部荷载的作用，复合地基作用不明显，反而因水泥用量增大而不够经济。因此，根据工程经验，软土地基中水泥掺量一般控制在20%以内。

(a)淤泥制作的水泥土，含水量67.0%

(b)淤泥质粘性土制作的水泥土，含水量55.0%图2 水泥土抗压强度与水泥掺量的关系

3.3 固化方式对水泥土抗压强度的影响

水泥土的制作方式，即粉喷和浆喷制作的水泥土强度有所差异。为了检验两种形式的试验效果，将两者在不同固化龄期、不同水泥掺量的抗压强度比值汇总如表1所示。可见，粉喷制作的水泥土强度比浆喷制作的强度高出12%～36%，随着固化龄期的增长，提高的比例有所增大。因此，对于高含水量的软土，粉喷形式的水泥土强度比浆喷的更高。究其原因，主要是因为粉喷采用的干水泥粉，在与软土固化时，吸收了其中的水分，使得整体含水量降低，强度得以提高。但在实际工程中，粉喷形式的搅拌桩可能存在水泥粉不够均匀的问题，导致桩体局部强度过大，某些局部的强度又过小，干水泥粉的流动性要相对较差，特别是在低含水量的软土中应用时应慎重。

表1 粉喷水泥土与浆喷水泥土抗压强度的比值

3.4 软土含水量对水泥土强度的影响

通过比较本试验中的淤泥和淤泥质粘性土制作的水泥土强度，可以发现当水泥掺量较大时，位于15%和20%时，两者强度相差不大。但当水泥掺量较小时，如8%和12%时，两者强度相差较大，表明软土含水量对于水泥土强度也有一定影响。淤泥的含水量为67.0%，而淤泥质粘性土的含水量为55.0%，前者比后者大12%。当低掺量水泥时，前者强度比后者要小8%～21%。这是因为含水量较高、且水泥掺量较低时，水泥与软土颗粒之间的物理化学并不充分，软土里仍有一些颗粒尚未参加团聚化作用，含水量的增大使得土体强度降低。

4 结论

本文针对高含水量的软土进行了水泥土配方试验，研究了固化龄期、水泥掺量、制作形式、软土本身含水量对水泥土强度的影响，主要得到了以下结论：

(1)在固化龄期的前28d内，水泥土强度增长明显，速率较大。在28d～90d内强度逐渐增大，但增速降低，后逐渐趋缓，水泥土强度与龄期之间近似呈对数关系，可以根据该经验关系式对其强度进行预测。

(2)水泥掺量越高，水泥土强度也越大，两者近似呈线性关系，直线斜率在0.07～0.10之间，但在实际复合地基工程中，水泥掺量不宜过大。

(3)粉喷制作的水泥土强度比浆喷制作的强度高出12%～36%，且随着固化龄期的增长，提高的比例有所增大，但粉喷水泥土可能存在不均匀的问题，特别是在低含水量的软土中应用时应慎重。

(4)当水泥掺量较低时，软土本身含水量越高，制作的水泥土强度越低。

[1] 朱大宇.水泥土力学性能的试验分析[J].建筑材料学报，2006，9(3)：291-296.

[2] 郝巨涛.水泥土材料力学特性的探讨[J].岩土工程学报，1991，13(3)：53-59.

[3] 曾胜华，曾娟.低掺量水泥土强度特性试验研究[J].路基工程，2010，151(4)：17-19.

[4] 杨爱武，杜东菊，赵瑞斌.水泥及其外加剂固化天津海积软土的试验研究[J].岩土力学，2007，28(9)：1823-1827.

high water content soft soil research to the influential factors of cement-soil strength characteristics

LUJian

(Fujian Huarong Construction Group Co., Ltd,Fuzhou 350001)

For the problem of low strength and high compressibility of soft soil with high water content in Fuzhou coastal area, cement was used to solidify the soft soil indoor. Two typical soft soil, mud and muddy cohesive soil are solidified. The curing time, cement content, curing method and water content on the strength of cement soil were analyzed. The experimental results show that during the first 28 days of curing age, the strength of cement soil increases obviously and the rate is large. The strength increases gradually in 28 days to 90 days, but the rate decreases gradually, and finally keep stable. The relationship between cement soil strength and age is logarithmic. The higher the cement content, the greater the strength of cement soil, but in the actual composite foundation projects, the cement content should not be too large. The strength of cement soil produced by powder spray is 12%～36% higher than that of pulp spray, and the proportion of is increased with the increase of curing age. When the cement content is low, the strength of cement soil decreases with the increase of water content.

Soft soil; Cement soil; Strength

卢建(1983.1- )，男，高级工程师。

E-mail:2739852643@qq.com

2017-03-20

TU4

A

1004-6135(2017)08-0073-03