闽南地区水泥土工程特性实验

杨 枫， 毕贤顺， 罗才松

(福建工程学院 土木工程系，福州 350108)

闽南地区水泥土工程特性实验

杨 枫， 毕贤顺， 罗才松

(福建工程学院 土木工程系，福州 350108)

为研究闽南地区常见土体制作的水泥土的工程特性，将淤泥、粉质黏土和粉砂分别与一定量的水泥浆混合制备水泥土试样，测定水泥土重度、强度、压缩模量、应力－应变及渗透系数。结果表明:三种土体制备的水泥土重度比原状土提高1%～7%，水泥土搅拌桩形成的复合地基不会对下部土体产生过大的附加应力和附加沉降。当水泥掺量由5%增大至20%时，淤泥、粉质黏土和粉砂制备的水泥土强度依次增大，增大幅度为原状土的1～2倍;水泥弹性模量也增大，与水泥掺量近似指数关系;渗透系数减小。当荷载较小时，水泥土应力－应变近似直线关系，当荷载超过了极限强度时，水泥土进入塑性变形阶段，破坏时存在残余应变。水泥土龄期由28 d增至60 d，其强度增长12%～36%。该研究为水泥土工程提供了基础数据。

水泥土;水泥掺量;工程特性;养护龄期

水泥土加固是常用的地基处理方法之一。水泥土即利用搅拌机械将水泥与原位土体强制拌和，通过水泥与土之间发生的一系列物理化学反应，使原位土体变成具有高强度、低压缩性和低渗透性的水泥稳定土［1］。有关水泥土工程特性的实验研究已有诸多报道，相关文献大都集中于研究水泥土的无侧限抗压强度及其与影响因素之间的关系［2－6］。水泥土重度、压缩模量、渗透系数等其他参数，在水泥土工程如水泥土复合地基沉降计算、水泥土支护桩研究中，也非常重要，然而这方面的参数测试相对缺乏。笔者利用闽南地区常见的三种土体制备水泥土，测定其重度、强度、应力－应变关系、压缩性参数和渗透系数，为水泥土工程提供了基础数据。

1 实验

1.1 实验材料

闽南沿海一带广泛分布有海相沉积的深厚淤泥，淤泥厚度不均，从几米至二十几米。淤泥含水量大，强度低，压缩性高，通常采用水泥搅拌桩处理。淤泥表层或内部夹有粉质黏土层、砂土层和砂土透镜体，同一根水泥搅拌桩，可能由三种土体组成。为研究不同土体对水泥土性质的影响，在某工地采取三种土体进行实验，土体自地表向下依次为:(1)粉质黏土层，厚0～1.4 m，黄褐色，可塑，局部夹有少量植物根系和碎石;(2)淤泥层，厚1.4～9.8 m，灰黑色，流塑～软塑，局部夹有薄层砂土透镜体;(3)粉砂层，厚9.8～11.5 m，中密～密实;(4)花岗岩基岩，深度未揭穿。各土层主要物理力学参数见表1。

表1 实验土体的基本物理力学参数Table 1 Physical and mechanical properties of soil in test

1.2 试样制备

实验所用水泥土试样的水泥掺量(α)分别取5%、10%、15%和20%，将制备好的水泥浆(水灰比为1∶0.5)分别与淤泥、粉质黏土和粉砂混合，并搅拌均匀，然后装入两种规格的PVC管模。一种管模内径为4.5 cm，高度为9.0 cm，其制作的水泥土试样用于测试无侧限抗压强度;第二种规格的PVC管模内径为84.8 mm，高度为100 mm，制作水泥土试样后，选用内径为61.6 mm的环刀切取部分试样，用于测量重度、压缩模量和渗透系数。试样均第2 d脱模，装入塑料袋密封后，放入养护室内进行标准养护。

1.3 实验方法

根据SL 237—1999《土工试验规程》，水泥土重度采用环刀法测定，强度采用无侧限抗压仪测定，压缩参数通过室内压缩实验测定，渗透系数通过变水头渗透实验测定。

2 结果与分析

2.1 水泥土重度

当水泥掺量分别为5%、10%、15%和20%时，淤泥、粉质黏土和粉砂制备的水泥土重度如图1所示。可以看出，水泥土的重度比原状土的提高1% ～7%。一般情况下，复合地基水泥掺量控制在20%以内。室内实验测试的水泥土重度比现场形成的略大，这是因为水泥土在现场固化过程中体积略微膨胀。因此，实际场地中水泥土重度比原状土的大，比例一般控制在7%以内，形成的复合地基不会对下覆土体产生过大的附加应力和附加沉降。

图1 三种土体的水泥土重度Fig.1 Gravity of cement-soil made from three types of soil

2.2 水泥土强度

2.2.1 相同龄期

取水泥土龄期t=28 d的强度作为水泥土设计强度，则不同水泥掺量的水泥土无侧限抗压强度(qu)见图2。可以看出，粉砂制作的水泥土强度最大，粉质黏土的居中，淤泥制作的最小;水泥掺量越大，水泥土强度也越大，当水泥掺量由5%增大至20%时，水泥土强度增大1～2倍。这是因为水泥掺量增大，水化反应生成的硅酸钙管状纤维等胶结物质增多，颗粒之间的黏结强度和摩擦性能均提高，胶结物质充斥于水泥土孔隙内，使其密实度增大，整体强度提高。

图2 三种水泥土强度Fig.2 Strength of cement-soil made from three types of soil

2.2.2 不同龄期

工程中一般以水泥土28 d龄期时的强度作为设计强度，而实际情况下，水泥土在28 d后强度仍有一定幅度的增长。实验测试了水泥掺量为10%和15%、龄期为28 d和60 d时的水泥土强度，结果见表2。

表2 水泥土龄期对强度的影响Table 2 Influence of cement-soil age to strength

由表2可见，龄期由28 d增至60 d，强度增长12%～36%。可见，龄期对水泥土工程性质也有影响，龄期越长，水泥与土体的水化反应程度越高，水化产物与胶结物质逐渐增多，团粒化作用逐渐增强，结构密实，水泥土工程性质整体上变得良好。根据文献［6］，水泥土从28 d龄期增至60 d龄期时，强度增长20% ～22%;文献［5－6］中的实验也表明水泥土强度在28 d龄期后仍有一定幅度的增长，所以取28 d龄期的强度作为设计强度偏保守。若工期较紧，使得短期内水泥土形成较高强度，可使用早强水泥，或在水泥土中掺入适量添加剂，常用的如石膏、粉煤灰、水玻璃、三乙醇胺、氯化钙、碳酸钙等。

虽然水泥土强度随水泥土掺量增大而增大，但在软基处理中，并非水泥掺量越高越好。水泥掺量提高，水泥土的强度和压缩模量均增大，在上部荷载作用下沉降量较小，导致水泥土桩周围土体沉降也较小，桩周土承载力难以发挥出来，桩土应力比较大，复合地基共同承担荷载性能降低，工程造价提高。通常水泥掺量控制在8%～20%以内。

2.3 水泥土应力－应变关系

实验发现，不同水泥掺量和龄期的水泥土应力－应变关系基本类似，故以淤泥制备的水泥土为例，其龄期(t)为28 d，水泥掺量分别为10%和20%时的应力－应变关系见图3。由图3可以看出，水泥土在受压过程中，当荷载较小时，应力－应变近似直线关系，当荷载超过了极限强度时，水泥土进入塑性变形阶段，随着应变的继续增大，应力迅速减小;水泥土破坏时，存在残余应变，整个应力－应变关系与混凝土的类似。由图3也可得出，水泥掺量分别为10%和20%时的弹性模量(线性阶段内应力与应变之比)分别为2.5×103和4.8×103MPa。

图3 水泥土应力－应变关系Fig.3 Relationship between stress and strain of cement-soil

2.4 水泥土压缩模量

当水泥土龄期为28 d时，三种土体制备的水泥土压缩模量测试结果如图4所示。

图4 三种水泥土压缩模量Fig.4 Compression module of cement-soil made from three types of soil

由图可以看出，水泥掺量越高，水泥土压缩模量越大，当水泥掺量由5%增大至10%时，压缩模量提高20%左右;当水泥掺量由10%提高至20%时，压缩模量提高60%～90%。水泥土压缩模量与水泥掺量近似指数关系，且粉砂制备的水泥土压缩模量最大，粉质黏土的居中，淤泥的最小。三种土体制备的水泥土压缩模量，一方面取决于土体本身的压缩性，另一方面，取决于土体颗粒与水泥水化反应的程度、水化产物类型、充填孔隙的大小等。水泥掺量越大，水化作用越明显，产生的硅酸钙管状纤维等胶结物质越多，密实度越大，压缩性越小。

2.5 水泥土渗透系数

龄期为28 d时三种土体制备的水泥土渗透系数见表3。可以看出，随着水泥掺量的增大，三种土体制备的水泥土渗透系数均减小。水泥掺量由0增大至20%时，淤泥制备的水泥土的渗透系数降低一个数量级;粉质黏土和粉砂制备的水泥土的渗透系数降低两个数量级。渗透系数降低主要是由于水泥与土体水化反应生成的硅酸钙管状纤维等胶结物质充填了土体孔隙，使得土体的孔隙比减小，密实度增大，渗透性降低。淤泥的渗透系数较低，制作的水泥土渗透性也最低，砂土渗透系数较大，制作的水泥土渗透系数在三者中最大。淤泥制作的水泥土渗透系数最低达到1.0×10－8cm/s，与文献［3］得到的“水泥土渗透系数在一般工程应用的水泥掺入量范围内存在一个极限值，为1.0×10－8cm/s”相一致。

表3 水泥土渗透系数与水泥掺量的关系Table 3 Relationship between permeability coefficient and cement content

由上述分析知，水泥土的工程性质，包括重度、强度、弹性模量、压缩模量和渗透系数，受水泥掺量与土体种类影响。同一土样，水泥掺量越高，水化反应生成的胶结物质越多，孔隙比越小，密实度越大，强度和压缩模量越高，这一结论与文献［3－6］中的结论一致。土体种类对水泥土性质有重要影响。土体由砂土过渡到淤泥，其颗粒越来越小，制作的水泥土强度与压缩模量越来越低，同一水泥掺量下，淤泥制作的水泥土强度约是砂土的50%，粉质黏土制作的水泥土强度约是砂土的70%～80%。

3 结论

(1)淤泥、粉质黏土和粉砂制备的水泥土重度比原状土提高1%～7%，水泥土搅拌桩不会对下部土体产生过大附加应力和附加沉降。

(2)水泥掺量越高，水泥土强度越大，当水泥掺量由5%增大至20%时，水泥土强度增大1～2倍。粉砂制作的水泥土强度最大，粉质黏土的居中，淤泥制作的最小。

(3)当荷载较小时，水泥土应力－应变近似直线关系，当荷载超过了极限强度时，水泥土进入塑性变形阶段，随着应变的继续增大，应力迅速减小，破坏时存在残余应变。

(4)水泥掺量越高，水泥土压缩模量越大，当水泥掺量由5%增大至10%时，压缩模量提高20%左右;当水泥掺量由10%提高至20%时，压缩模量提高60%～90%。

(5)水泥土从28 d增至60 d时强度增长12%～36%，实际工程中水泥土以28 d龄期的强度作为设计强度偏于保守。考虑桩土共同承担上部荷载的特性，水泥掺量不宜过高。

［1］徐至钧，曹名葆.水泥土搅拌法处理地基［M］.北京:机械工业出版社，2004:5－23.

［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］严 驰，栾晶晶，王家瑛，等.高含水量水泥土力学特性的实验研究［J］.石油工程建设，2006，32(3):15－18.

［4］曾胜华，曾 娟.低掺量水泥土强度特性实验研究［J］.路基工程，2010，151(4):17－19.

［5］曹 云，徐奋强.水泥土无侧限抗压强度室内实验研究与分析［J］.2009，12(9):76－79.

［6］涂 帆，常方强.水泥土无侧限抗压强度影响因素的室内实验研究［J］.工程勘察，2005(3):8－10.

Engineering properties test of cement-soil at south of Fujian province

YANG Feng， BI Xianshun， LUO Caisong
(Department of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China)

This paper is an effort to investigate the properties of three common kinds of cement-soil by adding a certain amount of cement to mud，silt clay and silt sand common at South of Fujian Province，respectively，to make the cement-soil samples and measure the engineering properties of cement-soil.The result shows that cement-soil made from mud，silt clay，and silt sand has the gravity 1% ～7%higher than does original soil，thus preventing cement mixing pile from producing excessive additional stress and additional settlement.A 5%to 20%increases in cement content trigger the increases in strength of cement-soil made from mud，silt clay and silt sand them，with the range going 1～2 times as much as the original soil.The elastic modulus of cement-soil increases with cement content，with exponent relationship，while the permeability coefficient decreases.A smaller load gives rises to approximate linear relationship in the stress-strain of cement-soil.The load greater than the ultimate strength results in the cement-soil’s entering into plastic deformation stage，leaving residual strain due to destruction.A 28 d to 60 d increase in cement soil age shows a 12%to 36%increase in its strength.The study could provide the basic data for the cement-soil engineering.

cement-soil;cement content;engineering properties;curing age

TU472

A

1671－0118(2012)05－0506－04

2012－06－26

福建省高校服务海西建设重点项目(GY－HX09008)

杨 枫(1972－)，男，福建省宁德人，讲师，硕士，研究方向:土木工程施工、检测与测试，E-mail:9548102@163.com。

(编辑 荀海鑫)