水泥土力学及变形特性研究

梅毕祥

（南昌金开集团， 江西 南昌 330029）

0 引言

笔者最近参与了一种新桩型“旋喷搅拌加劲抗拔桩”的工作机理和计算方法的研究工作。该桩型桩身主要由高压旋喷水泥土桩体构成，桩体内配置了多个钢制构件，包括高强度钢绞线、锚板(或称压力分散板)、防腐钢管及钢制桩头等。

为了更好地探究该桩型的工作机理，首先必须对水泥土材料的力学和变形特性进行深入的了解。另一方面，如同钢绞线-混凝土粘结强度与混凝土抗压强度相关一样，钢绞线-水泥土之间的粘结作用与水泥土材料特性(如抗压强度、抗剪强度等)也有关联。

1 水泥土的力学特性指标

水泥土是采用注浆法、深层搅拌法、高压旋喷法将水泥浆液同土体拌和所形成的固结体的统称，可用来提高软弱土体的承载和抵抗变形的能力[1]。水泥土常用的力学指标有抗压、抗拉及抗剪强度等，影响这些指标的因素众多，包括掺入剂种类、掺入比、养护龄期、原土含水量、土体类型等[2]，国内外许多学者对此进行了广泛研究。Haeri 等(2006)[3]开展了砾砂加固土力学性能的试验研究，考虑了掺入剂种类(石膏、水泥及石灰)、掺量(1.5%、3%及4.5%)、围压及排水条件对加固土抗压强度、抗剪强度、破坏模式及应力-应变关系的影响。Consoli 等(2012)[4]开展了不同级配砂土的室内加固试验。经研究发现，孔隙率/水泥比与水泥土剪切模量和无侧限抗压强度有特定关系。李建军(2009)[5]开展了水泥土的单轴抗压、三轴压缩及弯曲试验，研究了水泥掺入比、养护龄期对水泥土抗压强度、变形模量及抗剪强度参数的影响，讨论了不同试验手段对测定水泥土变形模量的影响。

上述学者研究的出发点大多是考虑单一因素变化对强度指标的影响，其应用条件多与实践不符。少数几位学者探讨了多参数变化的联合影响，提出水泥土抗压强度的预测公式。Williamson(2014)[6]对以往公开发表的水泥土试验数据进行了重新分析，发现水泥土的7 天无侧限抗压强度与无量纲参数D 呈线性关系。无量纲参数D 整体上反映了水泥土各组成部分的特性及相对比例对水泥土性能的影响，与含水量、水泥土含率、压实孔隙比、土体/水泥的比表面积等相关。该线性关系式为测算水泥土的抗压强度提供了便利。Horpibulsk(2011)[7]对掺入了水泥的曼谷粘土强度进行了室内和现场试验。经研究发现，当粘土的液限指数在1~2 之间时，水灰比wc/C 是控制水泥土实验室抗压强度值的关键参数。基于上述规律和Abrams法则，作者提出了考虑不同养护时间及水灰比条件下的强度预测公式，并用室内试验进行了验证。

由于Williamson 提出的无量纲D 所包含的参数较多，也较难通过常规试验测定。本课题采用Horpibulsk 的研究成果来预测水泥土的抗压强度，其计算公式如下：

式中qu为水泥土无侧限抗压强度；wc为总含水量，即水泥土中全部用水与干土质量之比，全部用水包含土体中天然水和拌合时添加水；C 为水泥掺量比，即掺入的水泥质量与干土质量之比；A 为与土体类型及养护时间有关的常数，当初始土样为高岭土、养护时间为28 天时，A=3835.5；B 为统计常数，当天然土的液限指数LI 在1~2 之间时，B=1.27。

水泥土的抗剪强度可采用直接快剪和三轴不排水剪切试验进行测定[2]。当采用直接快剪试验时，水泥土的粘聚力 c 与水泥土无侧限抗压强度 qu的比值c/qu=0.2~0.3；其内摩擦角变化在20°~30°之间。

水泥土的抗拉强度采用劈裂法测定。试验结果表明[2]：试件破坏形式为脆性破坏；水泥土的抗拉强度随其抗压强度的增大而增大，但远较抗压强度低，约为抗压强度的1/10~1/15，与混凝土的抗拉抗压强度性质很相近。

2 水泥土的变形特性指标

弹性模量是联系力与变形的重要指标。水泥土的初始弹性模量一般用变形模量 E50近似代替[2]， E50为50%抗压强度时的应力与对应的应变之比。因此，在研究变形模量 E50之前，首先研究水泥土的应力-应变关系曲线。

周国钧等(1981)曾先后选择浙江、江苏等地的淤泥质粘土或吹填土作为试验土样，选用不同标号的水泥作为固化剂，分别按不同的掺入比(3%、5%、7%、10%、15%、20%、25%)，采用0.5 的水灰比，进行了水泥土的室内试验，研究了水泥土的基本性能。图1.1 是由水泥土无侧限压缩试验得到的应力-应变曲线。

图1.1 典型的水泥土应力-应变曲线

由图1.1 可知，当水泥土强度较低时，其应力-应变曲线表现为塑性材料的性质。随着强度的提高，应力-应变曲线逐渐趋向于脆性材料的性质。

Endo(1976)开展了水泥土的压缩试验，得到其应力-应变曲线。经研究发现，水泥土试样的压应力在急速达到其抗压强度qu后，也急剧降低至残余强度值，认为水泥土与低强度素混凝土性能接近。Faddoul(2014)也得到类似结论。该结论为在本课题中引入混凝土的相关研究成果提供了试验基础。

3 结论

本文通过对国内外有关水泥土的文献综合研究，从其力学及变形特性两个方面，提出了各自的研究成果，供后续工作参考使用。