测试围压条件下HW-CSC强度应变特性研究

陈家乐，边晓亚，程宇熙，段 坤

(武汉工程大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074)

随着沿海发达地区经济的快速发展，许多沿海城市开展了围海垦地工程，且力度在逐年加大[1]，淤泥处理问题给沿海地区造成了巨大的环境和经济压力[2]。为解决上述问题，日本工程界发展了一种新的围海垦地工作模式(SDF技术)，即将原状海泥、水与低剂量固化剂(水泥等)混合形成填料并直接浇注到垦地区域，待海泥-水-固化剂混合物硬化之后便形成了满足一定工程力学指标的建筑场地。

水泥固化黏土技术早已受到岩土界的关注，大量相关学者对其强度的影响因素进行了研究，含水率对淤泥土的力学强度有较大影响，研究表明含水率每下降10%，强度可以提高10%～50%[3]。随水泥掺量的增加，抗压强度受含水率的影响更加显著[4]，水泥固化土的脆性也随之增加[5]。本文选取海泥为黏土材料，以SDF技术中的“低掺量水泥固化高含水率黏土”(简称HW-CSC)为对象开展研究，一些学者已对HW-CSC的强度特性开展了研究。Terashi[6]和Zen[7]开展了一系列的试验研究，证明了HW-CSC强度主要受水泥剂量的影响。郑少辉[8]等研究了不同水灰比及养护压力对HW-CSC试样强度的影响规律。章荣军等[9]、Zhang等[10]研究了养护温度对HW-CSC强度的影响，试验结果表明，养护温度对HW-CSC的早期强度和晚期强度有较大影响。李建军等[11]、章荣军等[12]、Horpibulsuk[13-14]等均提出了不同配合比下HW-CSC的强度发展规律。上述系列研究成果是当前水泥固化土强度因素影响研究的代表性成果，但其对水泥固化黏土的变形特性研究较少。

由于HW-CSC具有水泥剂量少、搅拌不均等特征，其与传统的水泥固化土有很大差异。在实际工程中，土体侧压力是进行大规模路基施工必须考虑的因素，因此，试验中考虑测试围压的影响很有必要。针对上述情况，本文利用海泥开展室内试验研究，通过分析试验结果，研究不同测试围压条件下HW-CSC试样强度和极限应变的变化情况，并对不同测试围压条件下极限应变的分布特性进行分析。

1 试验材料及步骤

1.1 试验材料

本试验中所用材料为水、水泥及海泥。其中试验所用土样取自温州地区浅海区域上层的海泥，其比重Gs为2.69，液限WL为53.7%，天然含水率为75.8%；USCS土壤分类为可塑性黏土(CH)。试验中所用水泥是工程上常用的早强复合硅酸盐水泥，即PC 32.5R水泥。

1.2 试验步骤

(1)试验所需的模具用PVC管代替，模具的尺寸为高80 mm，直径36 mm，按照图1所示的试验条件设计图及海泥的天然含水率计算出所需水泥和水的质量；

(2)将计算确定的水泥、水依次加入海泥中，倒入搅拌器使其充分搅拌，将搅拌好的混合料分层填入模具中，每一层经过人工振动排除气泡再填入下一层，直到将模具填满，如图2(a)所示；

(3)将装好试样的模具放入自封袋中，再将自封袋放入装满水的桶中浸没养护至设定龄期脱膜，然后将脱模后的试样放入三轴仪中，设置好相应的测试围压，开始测定其抗压强度，如图2(b)所示，在试验过程中，严格按照规范JIS A 1216:2009(JGS 2009)[15]执行。

图1 试样配合比

(a)

(b)

2 测试围压对HW-CSC试样强度的影响规律

龄期分别为14 d、35 d、56 d，91 d，水泥掺量为18%，含水率分别为100%、125%、150%、175%时，4种围压对于HW-CSC试样强度的影响，见图3。

(a)龄期14 d (b)龄期35 d

(c)龄期56 d (d)龄期91 d

由图3可以看出：(1)在相同配合比、相同初始含水率以及相同龄期下，HW-CSC试样强度随围压的增加而增大；(2)含水率从100%增加为125%时，HW-CSC试样强度显著降低，而围压对试样强度提升较大；从125%增加到175%时，HW-CSC试样强度缓慢降低，围压对试样强度的影响较小；(3)增加围压对提升养护龄期较长(养护龄期为56 d、91 d)的HW-CSC试样强度效果尤为明显，图3(c)、图3(d)中，养护龄期一定时，仅靠增加围压，便使HW-CSC的试样强度增加近200%，表明围压对试样强度的提升效果明显，因此，在处理深层软土地基时，考虑土体侧压力影响进行配合比设计，既可以节省材料，又可以保证安全性；(4)施加测试围压，试验养护龄期较短时也可达到较高强度，分析其原因是，HW-CSC试样在试验中被破坏以后，三轴仪对其产生围压应力，将破碎的水泥固化土继续固结形成重组试样，产生强度。

3 测试围压对HW-CSC试样极限应变的影响

3.1 测试围压对HW-CSC试样极限应变的影响

在水泥掺量相同的情况下，考察HW-CSC试样极限应变的分布规律，研究在4种测试围压下HW-CSC试样极限应变的差异性，见图4。

由图4可知：(1)当测试围压较低(围压分别为20 kPa、40 kPa)时，试样的极限应变较小，测试围压较高(围压分别为60 kPa、80 kPa)时，试样的极限应变较大；(2)随养护龄期增加，HW-CSC试样强度逐渐提高，其极限应变趋于集中；(3)围压较低时HW-CSC试样极限应变随围压增大而增加，围压较高时，其极限应变在不断减小；(4)在14 d、35 d龄期时，其极限应变随测试围压的增大而增大，而在56 d、91 d龄期时，其极限应变随测试围压的增大无明显规律。

(a)龄期14 d (b)龄期35 d

(c)龄期56 d (d)龄期91 d

3.2 测试围压条件下HW-CSC试样极限应变分布特性

根据上述分析，可知测试围压对HW-CSC试样极限应变的影响规律并不明显，因此有必要对测试围压条件下HW-CSC极限应变的分布特性进行研究。通过试验获得了64组试样的应力-应变关系数据，可得到64组极限应变数据，其极限应变概率分布情况见图5。

图5 HW-CSC试样容许极限应变分布规律

图6 HW-CSC极限应变K-S检验

由图5可知，64组极限应变值大多分布于0～4%之间，虽然有个别数据超出这一范围，但并不影响对HW-CSC容许极限应变整体分布特性的研究。

利用统计分析软件对此64组HW-CSC试样容许极限应变数据进行正态分布的K-S检验，得到HW-CSC试样容许极限应变的频率分布直方图以及相关检验结果，如图6所示。

由图6可知，经过K-S检验，可得出p值为0.01，符合临界值为0.01的正态分布水平，表明64组试验样本的极限应变数据在0.01检验水平下不能拒绝正态分布的假设，可接受正态分布。因此，在利用HW-CSC技术进行软土地基处理和安全性评估时，可将变形特性参数作为随机变量进行分析。

4 结论

(1)HW-CSC试样强度随测试围压的增大而增大。当含水率较低(100%)时，测试围压对HW-CSC试样强度影响较大，而当含水率较高(分别为125%、150%、175%)时，测试围压对HW-CSC试样强度影响较小；当养护龄期较低(分别为14 d、35 d)时，测试围压对HW-CSC试样强度的影响不显著，而当养护龄期较高(分别为56 d、91 d)时，测试围压对HW-CSC试样强度的影响十分显著。

(2)总体来看，HW-CSC试样的极限应变在低养护龄期(分别为14 d、35 d)时随测试围压的增大而增大，在高养护龄期(分别为56 d、91 d)时，测试围压对HW-CSC试样极限应变的影响无明显规律。

(3)在测试围压条件下，64组HW-CSC试样的极限应变均能服从正态分布假设，可作为随机变量进行分析。