白沟河粉砂的水泥改良效果评价

刘 军，许军龙，卓慧英，牛天娇

(河北中核岩土工程有限责任公司，河北省石家庄市兴苑街53号 050021)

改良土是近年来应用广泛的一种路基、田坝、边坡用料之一，砂土加固一直是工程地质和勘察设计领域一项重要研究课题，水泥在砂土的改良中已经广泛应用。

王树娟等研究了水泥复合土的无侧限抗压强度和应力—应变关系曲线的特征[1]；雷杰等研究了水泥改良粉细砂的无侧限抗压强度、含水率和质量变化规律[2]；鲍俊安等研究了水泥对水泥土的渗透、直剪强度的影响[3]；崔自治等对砂土掺量和水泥黄土性质的关系进行了分析[4]；李友林对水泥稳定碎石土做了评价[5]。

目前，对砂土的研究多侧重于某一物理力学参数，而对河道边坡防护用粉砂的物理力学性质研究很少。

文中研究的粉砂位于白沟河流域河堤两岸的地层中，粉砂含量较高，粉砂结构松散，具有强度低、易侵蚀、易冲刷、易液化等不良地质特征。粉砂边坡坡面容易发生滑坡、冲沟和水土流失等地质灾害。在白沟河的治理中，如果能探索一种成本低廉、操作简便、生态环保的粉砂土体加固方法，既能就地取材利用现场粉砂从而节约大量料场土，又具有加快施工进度、改善生态环境等优点，将会产生巨大的环境效益和经济效益。

1 试验方案

本次试验的方法主要依据《土工试验方法标准》[6]、《土工试验规程》[7]和《水泥土配合比设计规程》[8]，但不拘泥于规范。

1.1 粉砂的颗粒级配

对白沟河的粉砂进行颗粒分析后，其平均颗粒级配见表1。

表1 粉砂的颗粒粒径分布

1.2 粉砂试验样品的制备

经测量粉砂的天然含水率为3%-5%，然后按照水泥含量的质量占比即3.0%，4.5%，6.0%与天然砂混合均匀。水泥为普通硅酸盐水泥，标号为42.5。把粉砂和水泥混合均匀后，根据击实试验的要求添加不同质量的水再次混合均匀，立即进行轻型击实试验，求得最大干密度σdmax和最优含水率ωopt。

每种水泥含量的粉砂混合料分别进行了4组平行击实试验，击实试验结果见表2。

表2 击实试验数据表

对于标准样品的制备，因为一般工程现场难以达到最优状态，干密度根据现场的施工情况，以最优含水率ωopt和最大干密度σdmax的91%，93%，95%配比进行样品的制作。

本次试验样品采用手工制作，即将配置好一定含水率的砂、水泥混合料，放入一定体积的容器内，边放边击实，保证样品击实的均匀性，制备不同尺寸的物理力学试验样品。压缩试验样品尺寸：直径61.8mm，高20mm；三轴试验样品尺寸直径39.1mm，高80mm；渗透试验样品尺寸直径61.8mm，高40mm。

样品制作完成后，进行7d和28d的标准养护，根据现场条件，养护环境为20℃和湿度50%。

为了更好的模拟河堤面临的最恶劣环境，养护完成后对样品进行饱和，使其处于最不利状态之下，然后进行相关物理和三轴、渗透系数、压缩等试验。试验和分析方式与王维民用三因素分析汾河中粗砂方式[9]类似。三轴、渗透、压缩试验标准样品照片，如图1、图2、图3所示。

图1 三轴标准样品Fig.1 Triaxial standard sample

图2 渗透标准样品Fig.2 Penetration standard sample

图3 压缩标准样品Fig.3 Compressed standard sample

2 物理数据分析

对粉砂未加水泥状态下和添加不同质量水泥状态下，分别进行了多次的轻型击实试验，其击实试验的最大干密度和最优含水率平均值，如表2所示。

表2中，随着水泥含量的增大，最大干密度和最优含水率随之增大，密度增长幅度相对较小，最优含水率增长幅度稍大。

3 渗透系数分析

本次渗透试验为垂直渗透。先进行不同压实度下的未添加水泥时标准样品的渗透试验；后进行不同的压实度、不同水泥含量、不同养护龄期样品的渗透试验，试验结果见表3。

表3 渗透系数数据表

3.1 同等压实度和龄期下渗透系数变化规律

随着水泥含量的增长，其渗透系数有下降趋势，水泥含量从0%到3%时，渗透系数减小明显；水泥含量在3%-6%之间，渗透系数有下降趋势，但下降幅度较小，数值较为接近。不同水泥含量的平均龄期和平均压实度下的渗透系数见表4。

表4 不同水泥含量渗透系数表Tab.4 Permeability coefficient table of different cement content

3.2 同等压实度和水泥含量下渗透系数变化规律

随着龄期增长，其渗透系数呈逐步减小的趋势。从0-7d，水泥的胶结作用对渗透系数起明显减弱作用，渗透系数大幅减小；在7-28d，水泥的胶结对渗透的影响变小，渗透系数减小幅度很小。剔除异常值后，7d和28d的渗透系数较为接近。不同龄期的平均压实度和平均水泥含量下的渗透系数见表5。

表5 不同龄期渗透系数表

3.3 同等龄期和水泥含量下渗透系数变化规律

随着压实度的增大，其渗透系数变化趋势有减小趋势，但趋势较缓。这是由于随着压实度的增大，孔隙率变小，因此渗透系数变小；但由于压实度变化较小，引起的孔隙率变化也较小，因此对渗透系数的影响也较小。不同压实度的平均龄期和平均水泥含量的渗透系数见表6。

表6 不同压实度渗透系数表

3.4 小结

对渗透系数而言，压实度、龄期、水泥含量对其具有规律性的影响，以减弱作用为主。压实度影响较小，龄期和水泥影响接近。

4 压缩模量分析

样品的制备和养护同上述渗透试验，压缩模量(100～200kPa)试验结果见表7。

表7 压缩模量数据表

4.1 同等压实度和龄期下压缩模量变化规律

随着水泥含量从0%增长到3%，压缩模量增长非常迅速，水泥含量在3%-6%之间，增长速度有所减缓。不同水泥含量的平均压实度和平均龄期下的压缩模量见表8。

表8 不同水泥含量压缩模量表

4.2 同等压实度和水泥含量下压缩模量变化规律

随着龄期增长，在开始阶段其压缩模量变化趋势较为明显，但在7-28d其增长的速度大幅减缓。不同龄期的平均压实度和平均水泥含量下的压缩模量见表9。

表9 不同龄期压缩模量表

4.3 同等龄期和水泥含量下压缩模量变化规律

随着压实度的增大，其压缩模量有增大趋势，但增长的速度较为平缓。不同压实度的平均龄期和平均水泥含量的压缩模量见表10。

表10 不同压实度渗透系数表

4.4 小结

对压缩模量而言，压实度、龄期、水泥含量对其具有规律性的影响，随着三者的增加，压缩模量逐步增大，初始增大幅度较大，然后幅度逐步减小。其中水泥含量和龄期影响较大，压实度影响较小。

5 三轴(UU)试验参数分析

样品的制备和养护同上述渗透试验。

将养护好的试样放在TSZ-6A型应变控制式三轴仪上进行，应变速率0.8mm/min，方法为多样剪，每组3-4个样品，试验结果见表11。

表11 UU试验数据表

5.1 一定压实度下三轴UU试验参数变化规律

以压实度0.93样品为例，养护时间7d和28d不同水泥含量的UU试验结果曲线见图4和图5。结合表11可以看出，加水泥后，Cu增长迅速，增加4-6倍，φu总体增加1°-5°。随着水泥含量继续增加，Cu增长约10-15kPa，φu增长趋势很小，在1°-2°左右。

图4 压实度0.93下7d不同水泥含量UU参数Fig.4 UU parameters of different cement content in 7 days under compactness 0.93

图5 压实度0.93下28d不同水泥含量UU参数Fig.5 UU parameters of different cement content in 28 days under compactness 0.93

压实度0.93不变，以3%，4.5%，6.0%水泥含量为标准，做不同养护时间7d、28d龄期的UU试验结果曲线见图6、图7、图8。可以看出，随着养护时间的增加，Cu均增大，幅度为3-6kPa；随着养护时间的增加，φu有减小趋势，但减小幅度很小，在1°-2°之间。

同理，对0.91和0.95压实度下的UU试验结果分析，亦有上述一般规律性，其变化幅度略有变化。

图6 压实度0.93下3%水泥不同龄期UU参数Fig.6 UU parameters of 3% cement at different ages under compactness of 0.93

图7 压实度0.93下4.5%水泥不同龄期UU参数Fig.7 UU parameters of 4.5% cement at different ages under compactness of 0.93

图8 压实度0.93下6.0%水泥不同龄期UU参数Fig.8 UU parameters of 6.0% cement at different ages under compactness of 0.93

5.2 一定龄期下三轴UU试验参数变化规律

在7d和28d龄期下，以一定压实度0.93为标准，做UU试验结果随水泥含量变化曲线，同上图4，图5，变化趋势亦同上。

在7d和28d龄期下，以3%水泥含量为标准，UU试验结果随压实度变化见图9、图10。

图9 7d龄期3%水泥下不同压实度UU参数Fig.9 UU parameters of different compactness under 3% cement at 7 days age

图10 28d龄期3%水泥下不同压实度UU参数Fig.10 UU parameters of different compactness under 3% cement at 28 day age

从图9、图10可以看出，随着压实度的增加，Cu和φu均呈增大趋势。Cu开始增加较缓慢，随后增加迅速，增加约5-25kPa；φu的增加一直比较平缓，数值在1°-3°之间。

同理，7d和28d龄期下的其他压实度和其他水泥含量下试验结果，亦有上述规律性，其变化幅度也较为接近。

5.3 一定水泥含量下三轴UU试验参数变化规律

在3%水泥含量下，以7d和28d龄期为标准，UU试验成果随压实度变化如上图9、图10，趋势如上所述，不再赘述。

在3%水泥含量下，以压实度0.93为标准，UU试验成果随龄期变化如上图6，趋势如上所述，亦不再赘述。

同理，对其他不同水泥含量下的其他压实度和龄期的试验成果，亦有上述规律性。

5.4 小结

粘聚力Cu：在原始状态，其值很小；在三种因素影响下，其变化幅度一般在25-66kPa之间，其增长幅度较大，且数值与三种因素的数值呈正比关系。

内摩擦角φu：在原始状态下一般为26°-31°左右。在三种因素影响下，其变化幅度一般在0°-5°之间，其变化幅度较小，且φu值与水泥含量、压实度呈正比，与养护时间呈反比。

对比不同压实度下的未经养护和未加水泥的样品，Cu值和φu值均呈增大趋势，其中Cu值增加量较大，φu值增加量较小。

6 结论

在文中所研究压实度、水泥含量和龄期范围内，对白沟河粉砂的改良效果如下：

(1)最大干密度和最优含水率：随着水泥含量增长，σdmax由1.61g/cm3增加到1.65g/cm3；ωopt由16.0%增加到17.5%。两者均有一定程度的提高。

(2)渗透系数：随着水泥含量增长，K20由1.47E-04cm/s减小到4.65E-05cm/s，减小幅度较为明显；随着龄期增长，K20由1.47E-04cm/s减小到5.70E-05cm/s；随着压实度增长，K20由6.07E-05cm/s减小到4.81E-05cm/s，减小幅度较小。

(3)压缩模量：随着水泥含量增长，Es由12.3MPa增加到29.6MPa，增加2倍以上，增长迅速；随着龄期增长，Es由12.3MPa增加到27.7MPa，同样增加2倍以上；随着压实度增长，Es由23.1MPa增加到26.6MPa，增加幅度较小。

(4)三轴UU试验：水泥含量从0%增长到3%时，Cu增长迅速，增加4-6倍，φu总体增加1°-5°。随着水泥含量从3%增长到6%，Cu增长明显，增长约10-15kPa，φu增长很小，在1°-2°左右；随着龄期增长，Cu增加约3-10kPa，φu减小1°-2°；随着压实度增长，Cu初始增加缓慢，随后增加迅速，总体增加约5-25kPa；φu增加平缓，在1°-3°之间。

通过对粉砂的水泥改良研究，为白沟河岸堤两岸的粉砂有效利用提供良好的理论基础。根据需要也可以对压实度、水泥含量、龄期进行其他不同范围内的研究，以满足工程要求。同时这种研究方式和研究成果也为其他砂类土的水泥改良利用提供了参考。