海相淤泥水泥土力学性能室内试验研究

李红彦，俞文锋，李海娜，余超群，肖景华

（广东省水利水电科学研究院 广州 510610）

0 引言

为了进一步了解淤泥水泥土的特性，通过选取珠海市洪湾片区某水务工程水泥搅拌桩施工现场具有代表性的海相淤泥为研究对象，开展水泥土力学性能室内试验研究，最终得到不同水泥掺量不同龄期水泥土的力学特性指标［1-2］，并初步探讨了无侧限抗压强度与渗透系数和压缩系数之间的相关性，从而为工程的后续软基施工提供了指导。

1 海相淤泥水泥土室内配合比试验研究方案

1.1 原材料

⑴水泥：采用普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O 42.5R。各项物理性能符合《通用硅酸盐水泥：GB 175—2007》的要求。

⑵淤泥：海相淤泥一般具有含水量高、强度低、压缩性大、透水性差等特点［1，3］。本试验所用的淤泥与工程现场使用的淤泥一致，并按《土工试验方法标准：GB/T 50123—2019》的要求，对淤泥进行颗粒分析、天然含水率、密度、比重、液塑限、垂直渗透系数及有机质含量的检测。检测结果如下：高液限黏土天然含水率为70.4%，天然含水率为1.58 g/cm3，干密度为0.93 g/cm3，土粒比重为2.70，孔隙比为1.912，饱和度为99.4%，液限（H=17 mm）为56.3%，塑限为28.5%，塑性指数为27.8，液限指数为1.51，有机质含量为58.13 g/kg，垂直渗透系数为8.72×10-5cm/s。

1.2 配合比及研究方案

水泥土配合比所使用的水泥浆水灰比采用0.60，试配时的水泥掺量按类似工程经验选择15%、20%和25%，严格执行《水泥土配合比设计规程：JGJ/T 233—2011》［4］的规定，制作水泥土试块，通过标准养护到龄期后，进行水泥土无侧限抗压强度试验、压缩试验和渗透试验。

2 试验结果

2.1 无侧限抗压强度试验

水泥土无侧限抗压强度试验共成型了3个水泥掺量（15%、20%和25%）、6 个试验龄期（7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和120 d），共18组无侧限抗压强度试件。

不同水泥掺量条件下水泥土无侧限抗压强度随养护龄期变化的数据回归曲线如图1所示。试验结果表明，7 d 龄期水泥土的无侧限抗压强度达到90 d 龄期的64%～71%；28 d龄期水泥土的无侧限抗压强度达到90 d龄期的81%～90%。以20%水泥掺量为例，90 d龄期无侧限抗压强度平均值为1.88 MPa；120 d 龄期无侧限抗压强度平均值为1.90 MPa，单个值最大达到2.00 MPa，90 d和120 d龄期无侧限抗压强度已经相差不大。

图1 水泥土无侧限抗压强度随养护龄期变化曲线Fig.1 Curve of the Unconfined Compressive Strength of Cement Soil Changing with Curing Age

2.2 压缩试验

水泥土压缩试验共成型3 个水泥掺量（15%、20%和25%）、5 个试验龄期（7 d、14 d、28 d、60 d 和90 d），共15组压缩试件。

利用回归分析的方法，选取对数函数对散点图进行拟合，水泥掺入量为15%、20%和25%的水泥土压缩系数和压缩模量随养护龄期变化的回归曲线如图2和图3 所示。该淤泥水泥土7 d 龄期的压缩系数是90 d龄期的1.75～1.84 倍，平均1.78 倍；28 d 龄期的压缩系数是90 d 龄期的1.24～1.42 倍，平均1.36 倍。而7 d 龄期水泥土压缩模量可以达到90 d 龄期的56%～63%，平均59%；28 d 龄期水泥土压缩模量则达到90 d 龄期的63%～89%，平均78%。

图2 水泥土压缩系数随养护龄期变化的曲线Fig.2 Curve of Hydraulic Soil Compression Coefficient Changing with Curing Age

图3 水泥土压缩模量随养护龄期变化的曲线Fig.3 Curve of Cement-soil Compression Modulus Changing with Curing Age

2.3 渗透试验

水泥土渗透试验共成型3 个水泥掺量（15%、20%和25%）、5 个试验龄期（7 d、14 d、28 d、60 d 和90 d），共15 组渗透试件，回归曲线如图4 所示。本次研究中，由于淤泥水泥土离散性较大，7d 龄期水泥土渗透系数是90 d 龄期的4.45～5.92 倍，平均5.43 倍；28 d 龄期水泥土渗透系数是90 d 龄期的1.59～1.77 倍，平均1.69倍。

图4 水泥土渗透系数随养护龄期变化的曲线Fig.4 Curve of Hydraulic Soil Permeability Coefficient Changing with Curing Age

3 讨论

3.1 试验龄期对试验结果的影响

各项试验参数（无侧限抗压强度、压缩系数、压缩模量和渗透系数）与养护龄期形成较为明显的对数关系，符合鲍罗米法则。

随着养护龄期的增长，各项试验参数前期变化较快，后期变化趋缓。这是因为水泥与土充分混合后，在充足的时间内逐渐发生水化反应，土体颗粒间的孔隙被逐渐增加的水泥水化产物填充，土颗粒之间的界面区被逐渐增强和密实，一方面在应力相同的情况下，应变会越来越大，使强度持续增长；另一方面，单位时间内通过土壤部分的水流减少，降低了渗透系数［5］。

水化反应到了后期，水化速率逐渐变缓，水化反应的深入展开，水泥水化产物生成较少，各项试验参数变化速率趋缓。

3.2 水泥掺量对试验结果的影响

同一种淤泥，在相同水灰比和相同养护龄期下，随着水泥掺入量的增大，水泥土无侧限抗压强度和压缩模量呈现逐渐增长的变化趋势。这是由于水泥掺入量越大，水泥土中的水化产物也越多，水泥土具有更高的强度［6］；另一方面，水泥的比重比土大，因此加入的水泥越多，水泥土的密度就越大，也对强度的提高有益。

水泥土的压缩系数和渗透系数随水泥掺入量的增加而降低。这是因为当其它条件相同时，水泥含量越高，水化反应越强，可产生更多的水化产物，聚集在土体颗粒表面，逐步填满土体颗粒之间的孔隙，从而降低水泥土的压缩系数和渗透系数［7-8］。

3.3 无侧限抗压强度与渗透系数的相关性

根据试验数据绘制的水泥土无侧限抗压强度和渗透系数试验结果分布如图5所示。

由图5 可知，水泥土无侧限抗压强度和渗透系数的关系可用幂函数来表示，其相关公式如下：

图5 水泥土无侧限抗压强度和渗透系数试验结果分布Fig.5 Distribution of the Unrestricted Compressive Strength and Permeability Coefficient of Hydraulic Soil

式中：k为渗透系数（×10-6cm/s）；f为无侧限抗压强度（MPa）。

在图5 中，无侧限抗压强度在0.5～2 MPa 范围时，渗透系数随无侧限抗压强度的增大而迅速降低；无侧限抗压强度达到2 MPa 以上后，渗透系数随无侧限抗压强度的增大变化趋缓［9］。

3.4 无侧限抗压强度与压缩系数的相关性

根据试验数据绘制的水泥土无侧限抗压强度与压缩系数试验结果分布图如图6所示。

图6 水泥土无侧限抗压强度和压缩系数试验结果分布Fig.6 Distribution of the Unrestricted Compressive Strength and Compression Coefficient of Hydraulic Soil

由图6 可知，水泥土无侧限抗压强度与压缩系数的关系可用幂函数来表示，其相关公式如下：

αv=0.129 7f-0.676⑵

式中：αv为压缩系数（MPa-1）；f为无侧限抗压强度（MPa）。

在图6 中，无侧限抗压强度在0.5～2 MPa 范围时，压缩系数随无侧限抗压强度的增大而迅速降低；无侧限抗压强度达到2 MPa 以上后，压缩系数随无侧限抗压强度的增大而变化幅度减小。

4 结语

室内试验是验证水泥固化软土效果的一种有效手段。本文以施工现场具有代表性的海相淤泥为研究对象，开展不同水泥掺量和不同养护龄期下的水泥土无侧限抗压强度、压缩试验及渗透试验的室内研究工作。结果表明：

⑴水泥土无侧限抗压强度和压缩模量随养护龄期增长和水泥掺入量的增大而逐渐增加，但水泥土的压缩系数和渗透系数则呈现逐渐下降趋势。

⑵水泥土无侧限抗压强度在0.5～2 MPa范围时，渗透系数和压缩系数随无侧限抗压强度的增大而迅速降低；无侧限抗压强度达到2 MPa 以上后，渗透系数和压缩系数随无侧限抗压强度的增大而变化幅度趋缓。

⑶后续施工中还可以根据海相淤泥的特性，通过改进施工工艺、调整配合比（例如加入固化剂、调整水泥掺量及水灰比等）、开展现场成桩试验等措施，来确定水泥土搅拌桩的适用性［10-12］。