水泥固化淤泥质土-砂混合软土的工程特性研究

刘平平,许燕宾,艾志伟,邓通发

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000;2.赣州博达公路有限公司,江西赣州341000；3.浙江省建设投资集团有限公司,杭州310012）

水泥固化淤泥质土-砂混合软土的工程特性研究

刘平平1,许燕宾2,艾志伟3,邓通发1

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000;2.赣州博达公路有限公司,江西赣州341000；3.浙江省建设投资集团有限公司,杭州310012）

以井睦高速花岗岩地区的水泥固化淤泥质土-砂混合土为研究对象，通过无侧限抗压强度试验，研究了含砂水泥固化土的工程特性，得出了含砂量和龄期对其强度和变形特性的影响机制.试验结果表明：水泥掺入比一定时，增加含砂量，含砂水泥固化土强度呈峰值点趋势增长，即存在最优含砂量且具有随水泥掺入比增加而增大的内在规律；当水泥掺入比为12%和20%时的最优含砂量分别是30%和40%.水泥固化土的应力应变曲线均存在明显的峰值，属加工软化型；含砂量对其强度和变形特性的作用机制主要是置换作用、团粒化及填充作用、约束作用、减水作用和分散作用，说明采用水泥固化淤泥质土-砂混合软土具有优越性.

水泥土；含砂量；混合土；强度

0 引言

含砂水泥固化土是一种多相复合材料，主要由淤泥-砂混合软土、水泥和水搅拌混合而成.加强含砂水泥固化土强度及变形特性的研究，具有较高的工程实践意义.廖建春和兰凯等[1-2]通过对工程现场水泥土强度试验研究，指出掺入一定量砂对水

泥土的改良作用较大，强度较高.范晓秋和刘鑫等[3-4]通过在淤泥质水泥土中掺入标准砂的强度试验表明，掺入一定量的标准砂，可显著提高其强度，并指出掺砂对水泥的水化反应有一定的延缓作用.王海龙和赫文秀等[5-6]探讨黏土-河砂-水泥固化土的工程特性，也得出类似的结论.王树娟等[7]通过对掺河砂的水泥固化土试验研究，认为增加掺砂量，水泥土抗压强度随之增大；在围压条件下，其偏应力-应变关系曲线峰态较明显，属软化型.目前，对掺入河砂或标准砂的水泥固化土力学特性有一定的研究，但掺入不同砂料特性的水泥固化土力学特性会存在一定的差异[8-9].而在全风化花岗岩地区，专门研究淤泥质土-砂混合软土水泥固化后的工程特性的较少.

基于井睦高速公路中水泥搅拌桩处理淤泥质土-砂混合软土复合地基，邱模清，邓通发等[10-11]对淤泥质土-砂混合软土进行了固结和剪切实验研究，笔者将在他们的基础上通过加入固化剂对混合软土进行一系列无侧限抗压强度试验，探讨含砂量对水泥固化土工程特性的影响，以达到提高水泥固化土强度，降低工程造价的目的，为工程中水泥搅拌桩复合地基的设计及施工提供一定的参考依据.

1 试验设计

1.1 试验材料

试验原料土取自井睦高速公路某标段地基深处的淤泥质土-砂混合软土，先进行筛分并分选出粗粒组砂和细粒淤泥质土，再按照不同混合比例重塑土-砂混合土试样，其混合土性质与邱模清，邓通发等[10-11]文献一致，采用普通硅酸盐水泥P.O32.5对混合土进行固化，水泥基本参数见表1.

表1 P.O32.5普通硅酸盐水泥基本性质

1.2 试验方法

为研究淤泥质土-砂混合软土水泥固化后的工程特性，定义粗颗组砂与混合土的干质量之比为含砂量（S），含砂量设计为0%、10%、20%、30%、40%、50%和70%等7组；水泥掺入比选用12%和20%，水灰比为0.6；龄期采用3 d、7 d、14 d、28 d和60 d等5个不同龄期组合.综合考虑到我国水泥土强度评价体系的现状，选用长×宽×高为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块.本次无侧限抗压强度试验步骤如下：

1）采用质量控制法计算各掺料质量，根据设定的含砂量，配制含水率为35%的土-砂混合土，再掺入相应的水泥浆液并搅拌均匀.

2）将含砂水泥固化土分层振捣成型，制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块.成型后放置于标准养护箱内养护1~2 d后，保证其达到一定的硬度后再脱模并编号，然后进行标准养护（养护温度控制在（20±2）℃，湿度95%以上）到规定龄期；其中各编号含义为：C-水泥掺入比，S-含砂量，T-龄期，如C12S30T28即表示水泥掺入比为12%、含砂量为30%且龄期为28 d的含砂水泥固化土试块.

3）采用微机控制电子万能试验机进行无侧限抗压强度试验，控制应变速率为1.6 mm/min，每个配比的试块均进行3次平行试验，减小试验误差.

1.3 试验结果

在不同含砂量、不同龄期下，相应水泥掺入比的水泥固化土无侧限抗压强度值见表2.由于水泥固化土无侧限抗压强度的影响因素较多[12]，为有效分析某一组成材料对其强度的影响机制，采用控制单因素变量法进行对比分析.

表2 无侧限抗压强度试验结果

2 试验结果分析

2.1 含砂水泥固化土强度特性分析

1）含砂量对抗压强度的影响.图1是水泥固化土无侧限抗压强度与含砂量的关系曲线.

由图1可知：在不同龄期下，无侧限抗压强度随着含砂量增加呈峰值点趋势增长.其增长趋势可分为两个阶段：在12%的水泥掺入比下，当含砂量由0%增至30%时，强度显著提高，且在含砂量为30%时强度达到最大；继续增加含砂量至70%时，强度有所下降，但降幅较小，仍高于相应的不含砂水泥固化土的强度.

结合图1（a）、（b）可得出：水泥掺入比为12%时的最优含砂量约为30%，水泥掺入比为20%时的最优含砂量约为40%，说明水泥掺入比一定时，在最优含砂量下的抗压强度最大，增加水泥掺入比时，最优含砂量随之增加.这是由于砂颗粒作为含砂水泥固化土中的粗骨料，水泥水化物的胶结作用使土砂颗粒形成骨架，强度明显提高.所以含砂量对强度变形有改善作用，但改善幅度易受水泥掺入比的影响.一定水泥掺入比下，增加含砂量，水泥胶砂骨架结构增多，强度增大.当含砂量增至最优含砂量时，骨架结构最多，整体密实性最好，强度达到最大.超过最优含砂量时，胶结物不足以全面胶结砂颗粒骨架，砂-砂接触界面增加，微孔隙增多，颗粒间的联结将由原粘性土的握裹力和粘结力转为砂颗粒间的接触摩擦力和咬合力，加荷时容易发生滑移破坏，从而使强度逐渐降低.但增加水泥掺入比后，水化胶结物增多，能够胶结更多的砂颗粒骨架，强度相应显著提高，即最优含砂量增加.

2）龄期对抗压强度的影响．龄期与含砂水泥固化抗压强度的关系，如图2所示，水泥土强度随龄期的延长而急剧增长.

图1 不同水泥掺入比下抗压强度与含砂量的关系

图2 不同水泥掺入比下抗压强度与龄期的关系

龄期很短（<7 d）时，强度很低，但增速较大；继续延长龄期时，强度随龄期几乎呈线性急剧增长，龄期为7 d~28 d时，不同含砂量条件下，延长龄期，水泥固化土抗压强度近似线性增长，且增幅有所不同.水泥掺入比为12%下，含砂量为30%时对应的抗压强度与水泥掺入比为20%时不含砂的水泥固化土强度较接近.说明要达到相同强度，含砂混合软土需要的水泥掺量较不含砂软土的要低，可通过适当调整含砂量来降低水泥掺入比；当龄期增至60 d时，强度达到最大，且后期增长趋势仍较大.根据水泥土固化机理可知，龄期越长，生成的水泥水化物越多，土-砂-水泥颗粒间胶结作用越强，多余的水化物填充孔隙，使得含砂水泥固化土整体性和密实性较好，从而提高固化土的强度.

通过拟合对比分析发现，龄期与抗压强度具有较好的幂函数相关关系，见下式：

式（1）中：qu为不同龄期下含砂水泥固化土无侧限抗压强度，/MPa；龄期T=7 d、14 d、28 d、60 d；a、b分别为回归系数.

结合试验数据，得到水泥掺入比为12%时对应的拟合结果，见图3和表3.

图3 C12时不同含砂量下龄期与强度的关系

表3 C12时不同含砂量下龄期与强度的拟合关系式

2.2 含砂水泥固化土变形特性分析

1）含砂水泥固化土的应力-应变曲线．含砂水泥固化土是典型的非均质、各向异性体，具有非线性特征[13-14]，实验得到典型的应力-应变曲线，见图4.

由图4可知：随着含砂量增加，应力应变曲线尖峰态逐渐显著，弹性变形阶段逐渐变陡，破坏应变逐渐减小，脆性特征越明显；当含砂量增至最优含砂量时，强度最大，变形模量最大，破坏应变较小；超过最优含砂量后，强度和变形模量降低，破坏应变减小，此时脆性特征最明显.由于含砂水泥固化土的强度是个增长的过程，使其表征为脆性体和弹塑体间的变形特征，属加工软化类型材料，强度变形包括初始压密、弹性变形、塑性屈服和应变软化等4个阶段.

2）含砂水泥固化土的破坏特征.试验发现，在轴向压力达到一定水平时，试块出现一种“崩溃式”的脆性破坏，试块四周水泥土碎屑不断脱落，甚至由于裂缝贯穿破坏形成两个对顶的角锥形破坏体，如图5；破坏后的裂缝或破坏面呈圆弧状，破坏面上出现凸凹不平的现象，甚至可以观察到突起的破坏面上有较大粒径的砂粒，说明砂料对强度有增强作用.

图4 含砂水泥固化土应力-应变曲线（T=28 d）

图5 两个对顶的角锥形破坏面

破坏应变与含砂量的关系，见图6.由图6可知：破坏应变随含砂量的变化在最优含砂量处均出现拐点；当龄期较短（≤14 d）时，破坏应变先略有增大后急剧减小此时破坏应变值分布在2%~3.5%范围内，当龄期较长（≥28 d）时，增加含砂量，破坏应变随之逐渐减小，含砂量超过最优含砂量时对应

的破坏应变降幅明显减缓，变化很小；当龄期达到60 d时，水泥掺入比为12%时对应的破坏应变变化幅度较小，分布在1%~1.5%之间.

引入材料断裂力学和损伤力学理论[15－16]研究，可认为水泥固化土是由大量的胶结杆组成的，如图7所示.通过建立胶结杆损伤模型，可较好的描述试验中水泥固化土的破坏特征.

图6 不同水泥掺入比下含砂量与破坏应变的关系

图7 胶结杆弹性完全损伤模型

刚制作的水泥固化土属于一种非饱和土[17－18]，为主要包含固相、液相、气相及收缩膜的多相体.水泥固化土固化过程中，大量生成各种结晶物，使固化土胶结成密实的整体，土体内颗粒间的连接强度决定了其整体的强度.结合胶结杆模型和裂缝扩展机理阐释破坏特征：刚开始加荷，水泥固化土中原有微裂缝闭合，由于压力较小不足以使胶结杆损伤(断裂)而产生新的裂缝；当压应力达到一定水平时，原有的微裂缝尖端应力较集中，使相邻胶结杆发生损伤变形至断裂，扩展为较大的裂缝；当压应力逼近最大破坏应力时，大量胶结杆迅速断裂，裂缝开始贯穿；继续加荷时，裂缝破裂面上的胶结杆全部断裂，出现贯通的裂缝，试块破坏甚至出现崩溃.

3）含砂水泥固化土的作用机理．目前，水泥土的固化机理研究较成熟，但有关含砂水泥固化土的研究相对较少，文中就含砂量对水泥固化土强度变形特性的影响机制进行阐述.水泥固化淤泥-砂混合软土，可将砂看作粗骨料，水泥作为胶结料，通过水泥水化反应生成的胶结物先将粘土颗粒联结，砂颗粒被胶结物质包裹形成土砂团粒结构，从而提高了含砂水泥固化土的强度.具体体现在对细粒土体的置换作用、团粒化及填充作用、减水作用及对破坏面的约束作用，虽然砂颗粒对水泥固化土强度变形特性有改善作用，但也存在一些负面效应.因

为砂颗粒属于无粘性散粒体材料，联结力很小，所以具有分散作用.当含砂量过高时，大量砂颗粒间直接接触，砂-砂弱相界面增多，分散并降低了土-砂-水泥浆体三相界面的胶结能力.试验中也发现当含砂量超过最优含砂量时，强度开始降低.此外，砂料还会延缓水泥水化反应的进行[19]，对早期水泥固化土的强度影响较大.

因此，水泥掺入比一定时，随着含砂量的增加，由于置换作用、团粒化及填充作用、减水作用和约束作用增强，强度显著提高；达到最优含砂量时，各增强作用明显高于分散作用，强度增长最大；当含砂量超过最优含砂量后，此时水泥水化物不足以胶结所有的砂颗粒，团粒化及填充作用降低，分散作用较大，从而使强度降低.由试验可知，最优含砂量具有随水泥掺入比增加而增大的内在规律，这是因为增加水泥掺入比后，水化产物增多，能够胶结更多的砂颗粒，减弱了分散作用，从而使强度继续提高.

3 结论

通过对水泥固化淤泥质土-砂混合软土做的一系列无侧限抗压强度试验，研究了不同含砂量和不同水泥渗入比对混合土强度及变形的影响.得出以下结论：

1）含砂水泥固化土的应力-应变关系曲线属加工软化类型，主要包括初始压密、弹性变形、塑性屈服和应变软化等4个阶段.

2）随含砂量的增加，含砂水泥固化土强度呈峰值点趋势增长，说明存在最优含砂量，即在该含砂量下，强度最高，破坏应变较小；试验得出最优含砂量具有随水泥掺入比增加而增大的内在规律；当水泥掺入比为12%和20%时的最优含砂量分别是30%和40%.

3）在软基工程中，采用水泥搅拌桩加固处理淤泥质土-砂混合软土具有优越性；对于加固不含砂的软土时，也可通过在水泥浆液中掺入适量的砂料来提高强度，为软土地基处理工程提供一条新途径.

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Research on the cured properties of cement stabilized silty soil&sand mixed soft soil

LIU Pingping1,XU Yanbin2,AI Zhiwei3，DENG Tongfa1
(1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000，China; 2.Ganzhou Boda Highway Co.Ltd,Ganzhou 341000,China;3.Zhejiang Construction Investment Group Co.Ltd,Hangzhou 310012,China)

Through unconfined compression test,this paper studies the engineering properties of the cured cement silty soil and sand mixed soil in Jing-Mu highway granite areas.Results show the effects of the sand content and the age on its strength and deformation.Experimental results show that：when the cement ratio is constant,the strength growth of sand cement stabilized soil is the peak point of trend,that is,it has the optimal amount of sand and it increases with the increasing cement ratio;when the cement ratio is 12%,the optimal amount of sand is 30%and when the cement ratio is 20%the optimal amount of sand is 40%.The stress strain curve of the cement stabilized soil exists obvious peaks,belonging to soften processing type;the effects of sand content on the strength and deformation characteristics are mainly replacement,pelletization,padding, constraints,and the roles of water reduction and dispersion,which shows that the cement solidified silty soilsand mixed soft soil has the superiority.

cement stabilized soil;sand content;composite soil;strength

TU43

A

2014-07-01

江西省交通厅科技资助项目（2012C0004）；江西省交通厅科技资助项目（2012C0003）

刘平平（1988-），男，硕士研究生，主要从事岩土工程、地基处理等方面的研究，E-mail：304480970@qq.com.

邓通发（1980-），男，副教授，主要从事岩土工程等方面的研究，E-mail：dbdtf@163.com.

2095-3046（2014）05-0045-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.05.009