陳維超，楊偉軍

(1.湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學(xué))

水泥改良土作為一種建筑材料，已廣泛應(yīng)用于公路及鐵路路堤基床填筑、深基坑攪拌樁及軟土地基處理等工程領(lǐng)域。中國許多學(xué)者對(duì)水泥改良土的物理力學(xué)特性以及工程應(yīng)用做了深入的研究。顏勝才以粉土為原材料，通過試驗(yàn)研究了水泥改良土擊實(shí)性、水穩(wěn)性、強(qiáng)度特性、剛度特性等物理力學(xué)特性，結(jié)果表明水泥摻量對(duì)水泥改良土水穩(wěn)性的影響及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)強(qiáng)度的影響顯著；陳瑞生等分析了深層攪拌樁水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素，其中水泥摻入量對(duì)樁體強(qiáng)度的影響較大；肖桃李等以雜填土為原土，研究了不同水泥摻入量和不同齡期等條件下水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，增加水泥摻入量其水泥土的抗壓強(qiáng)度增大，水泥土的抗壓強(qiáng)度與齡期增長呈三次函數(shù)變化；任輝明等開展了水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了不同水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、壓實(shí)系數(shù)和水泥強(qiáng)度等級(jí)下試件強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)果表明：水泥改良風(fēng)積沙強(qiáng)度隨水泥摻量、壓實(shí)系數(shù)的增大而提高，并存在良好的線性和多項(xiàng)式擬合關(guān)系，齡期效應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度影響顯著，前期強(qiáng)度增長速率較快，而后期強(qiáng)度增長速率較慢；高建喜等研究了小齡期黏土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻入比的變化規(guī)律，結(jié)果表明：水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入比增加而增加，在實(shí)際工程中，建議合理的摻入比控制為10%～16%；水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈線性增加。阮錦樓等研究了粉質(zhì)黏土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比及齡期的變化關(guān)系，結(jié)果表明：水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大;水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大速率隨齡期的增大而逐漸減小,隨著水泥摻入比的增加而增大；隨著水泥摻入比的增加,水泥土的破壞模式由塑性破壞逐漸變?yōu)榇嘈云茐模煌ㄟ^回歸分析,建立了水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻入比及齡期的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

該文依托加蓬共和國Port Gentil-Omboue道路，由于該路段地層結(jié)構(gòu)以松散-中密的細(xì)砂、中砂為主，其砂土黏聚力低、承載力差，難以滿足道路路基床填筑的要求，因而采用水泥改良砂土應(yīng)用于路基基床填筑。對(duì)水泥改良砂土的力學(xué)性能進(jìn)行研究以指導(dǎo)工程施工。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場砂土地質(zhì)情況，試驗(yàn)對(duì)3種類型的砂土進(jìn)行改良，研究水泥改良砂土的力學(xué)特性，砂土的滲透系數(shù)k分別為0.11、0.13、0.93 cm/s，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1；改良劑采用P.O.42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥的物理力學(xué)性質(zhì)見表2；試模采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，其中試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)為：水泥摻入量為10%、15%、20%、25%、30%，水灰比為0.4、0.5、0.6、0.8、1.0，養(yǎng)護(hù)齡期為3、7、14、28、56、90 d。

試樣制作時(shí)，根據(jù)水泥摻入量及水灰比在砂土中摻入相應(yīng)質(zhì)量的水泥，均勻攪拌后將試料分兩層裝入試模內(nèi)并予以壓實(shí)，試塊表面抹平并蓋上防水分蒸發(fā)塑料布后放置陰涼處，試塊24 h后脫模，并放入養(yǎng)護(hù)溫度為(20±1) ℃、相對(duì)濕度為95%的保濕箱進(jìn)行恒溫養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期，每種試樣制備3個(gè)。達(dá)到齡期后采用液壓壓力機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載時(shí)采用應(yīng)變控制方式進(jìn)行加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥摻入量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響特性

在砂土中摻入水泥，水泥水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等產(chǎn)物，通過一系列離子交換、膠結(jié)、凝硬作用與土體顆粒發(fā)生物理化學(xué)作用，增加土體的強(qiáng)度。圖1～3為水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入量變化的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 砂土物理力學(xué)性質(zhì)

表2 水泥物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量的關(guān)系(S1)

從圖1～3可以看出：水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入量增加而提高，齡期越長，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大；以水灰比0.6為例，齡期從3 d增長至90 d，水泥摻入量為10%時(shí)，砂土樣S1的水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由3.16 MPa增至10.43 MPa，S2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由1.97 MPa增至6.56 MPa，S3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由2.94 MPa增至5.74 MPa，增加水泥摻入量所引起的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量的關(guān)系(S2)

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量的關(guān)系(S3)

水灰比為0.5、0.6時(shí),水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量基本呈冪函數(shù)關(guān)系，當(dāng)水泥摻入量達(dá)到25%時(shí)，水泥改良砂土28 d后期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長幅度較小。水灰比為0.8、1.0，水泥摻入量大于20%時(shí)，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加而趨向平緩。水泥摻入量小于25%的水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長幅度小，這主要由于少量的水泥與砂土反應(yīng)較弱，水泥改良砂土固化程度低，強(qiáng)度離散性較大。

通過以上分析可得，在水灰比不變的前提下，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量存在一定的關(guān)系，根據(jù)水泥摻入量可將水泥改良砂土分為非反應(yīng)區(qū)、反應(yīng)區(qū)和惰性區(qū)3個(gè)階段,當(dāng)水泥摻入量低于10%時(shí)，水泥改良砂土強(qiáng)度增長緩慢，這是因?yàn)橥亮ｉg水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物過少,對(duì)土體強(qiáng)度提升不明顯，將這一區(qū)段劃分為非反應(yīng)區(qū)；隨著水泥摻入量的增加，土粒間的水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物增多，土粒之間形成較強(qiáng)的黏結(jié)力，水泥改良砂土強(qiáng)度增加速率逐漸變大，進(jìn)入反應(yīng)區(qū)；當(dāng)進(jìn)一步增加水泥摻入量，土體中過多的水泥得不到充分利用，水泥改良砂土的強(qiáng)度隨水泥摻入量增加而增長的速率減緩，進(jìn)入惰性區(qū)。水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu與水泥摻入量aw存在較好的冪函數(shù)關(guān)系：

fcu=a·awb

(1)

以滲透系數(shù)k1=0.11 cm/s土樣、齡期28 d為例，水灰比為0.5時(shí)，a=0.034 71，b=2.011 07，相關(guān)系數(shù)R2=0.983 86；水灰比為0.6時(shí)，a=0.0211 9，b=2.079 59，相關(guān)系數(shù)R2=0.987 96。

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響特性

圖4～6為水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響(S1)

圖5 齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響(S2)

圖6 齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響(S3)

從圖4～6可看出：在同一水灰比、水泥摻入量條件下，養(yǎng)護(hù)齡期28 d前，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增加快速提高；養(yǎng)護(hù)齡期28～90 d時(shí)，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增加緩慢增長并趨于穩(wěn)定。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在同一條件下，若以28 d的強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值，則水泥改良砂土各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的關(guān)系如表3所示，水灰比小于等于0.6、水泥摻入量15%～25%時(shí)取大值。

表3 水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu,t與fcu,28 d的關(guān)系

以砂土樣S1為例，若以90 d的水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)120組水泥改良砂土各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，水灰比為0.5、0.6、0.8時(shí)，各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值為：

fcu,3 d∶fcu,7 d∶fcu,14 d∶fcu,28 d∶fcu,56 d∶fcu,90 d=0.30∶0.50∶0.60∶ 0.80∶0.90∶1.0 ，其中fcu,t表示齡期為t的水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)比值可看出：水泥改良砂土0～3、3～7、7～14、14～28、28～56、56～90 d的日均強(qiáng)度增長值分別約為fcu,90 d標(biāo)準(zhǔn)值的10%、5%、1.4%、1.4%、0.36%、0.18%，其水泥改良砂土早期強(qiáng)度增加速度快，后期強(qiáng)度增長速度變緩。

當(dāng)水灰比為1.0時(shí)，則各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值為：

fcu,3 d∶fcu,7 d∶fcu,14 d∶fcu,28 d∶fcu,56 d∶fcu,90 d=0.25∶0.35∶0.40∶ 0.75∶0.90∶1.0。

由圖4～6還可知：水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期呈較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系式，可用下式表示：

fcu=a-b·ct

(2)

式中：fcu為水泥改良砂土齡期為t的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；a、b、c為回歸系數(shù)。

以砂土樣S1為例，對(duì)圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，其回歸分析結(jié)果見表4。

表4 砂土樣S1回歸分析結(jié)果

續(xù)表4

由表4可知：擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2均在0.95以上，說明水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系按照指數(shù)函數(shù)來擬合，其結(jié)果較好。隨著齡期的增長，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，并趨向于穩(wěn)定，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的指數(shù)函數(shù)，其常數(shù)a可選取fcu,90 d的強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值，b為關(guān)于水灰比、水泥摻入量的函數(shù)，常數(shù)c的回歸分析值為0.93～0.98，可取c值為0.95。

2.3 水灰比對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響特性

圖7、8為水灰比對(duì)水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。

由圖7、8可知：① 在同一水泥摻入量、同一齡期的條件下，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大而降低；在同一水泥摻入量下，齡期越長，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水灰比增加其衰減率增大；15%、20%水泥摻入量的強(qiáng)度衰減率比25%、30%水泥摻入量的強(qiáng)度衰減率要小，但25%、30%水泥摻入量低水灰比改良砂土的早期強(qiáng)度及后期強(qiáng)度均較高；② 各齡期的水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線隨著水灰比增大逐漸收攏，表明在同一水泥摻入量、同一水灰比條件下，隨齡期增長水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長值逐漸減?。粚?duì)于采用水泥漿液注漿加固的砂土，根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，建議注漿漿液水灰比為0.5～0.6。

3 水泥改良砂土強(qiáng)度綜合表征參數(shù)

水泥改良砂土隨水泥摻入量增加或齡期的增長，水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等化學(xué)產(chǎn)物填充砂土顆粒的孔隙，從而減少水泥改良砂土的孔隙比或空隙率，增加土體的密實(shí)度及土體顆粒之間的接觸面積，提高了水泥改良砂土的強(qiáng)度?；谠囼?yàn)結(jié)果，采用綜合表征參數(shù)PCT反映水泥摻入量、齡期、水灰比及空隙率對(duì)水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響：

圖7 水灰比對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響(S1)

(3)

式中：n為土體空隙率(%)；wc為水灰比；aw為水泥摻入量(%)；T為養(yǎng)護(hù)齡期(d)。

圖9、10為砂土樣S1、S2、水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與PCT的關(guān)系。

由圖9、10可知：水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與綜合表征系數(shù)呈較好的冪函數(shù)關(guān)系；空隙率為40.13%的砂土，水泥摻入量30%時(shí)，其相關(guān)系數(shù)R2為0.86,水泥摻入量為15%、20%、25%時(shí)，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.90，表示采用綜合表征系數(shù)PCT可以描述90%以上水泥改良砂土強(qiáng)度的因素；對(duì)于空隙率為40.63%的砂土，水泥摻入量為15%時(shí)，其相關(guān)系數(shù)R2大于0.92，水泥摻入量為20%、25%、30%時(shí)，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.82，表明采用綜合表征系數(shù)PCT可描述82%以上水泥改良砂土強(qiáng)度的因素，滿足工程需要。

圖9 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與PCT的關(guān)系(n=40.31%)(S1)

圖10 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與PCT的關(guān)系(n=40.63%)(S2)

通過以上回歸分析，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

fcu=A·PCT-B

(4)

式中：A、B為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(正值)，與土體性質(zhì)有關(guān)，可依靠經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)獲得。

由式(3)、(4)可知：水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可通過增加水泥摻入量、增加養(yǎng)護(hù)齡期、降低水灰比和提高土樣壓實(shí)度等措施來提高，工程應(yīng)用中，可根據(jù)工程實(shí)踐情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來滿足工程的實(shí)際需求。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究了水泥摻入量、養(yǎng)護(hù)齡期、水灰比對(duì)水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出了有效表征水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律的綜合表征參數(shù)，并取得了以下主要結(jié)論：

(1) 增加水泥摻入量能有效提高水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其強(qiáng)度與水泥摻入量呈冪函數(shù)增長，水灰比為0.5～0.6時(shí)，水泥摻入量宜為15%～25%，水灰比為0.8～1.0時(shí)，水泥摻入量宜為15%～20%。

(2) 0～28 d齡期，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度快速增長到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fcu,90 d的75%～80%；28～90 d齡期，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長速度放緩，并趨于穩(wěn)定，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增長。

(3) 相同水泥摻入量、養(yǎng)護(hù)齡期下，水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水灰比增大而降低，齡期越長，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水灰比增加的衰減率越大；在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用水泥漿液加固或注漿砂土體的水灰比宜為0.5～0.6，具體根據(jù)土體特性及試驗(yàn)確定。

(4) 采用表征水泥空隙率、水灰比、水泥摻入量以及養(yǎng)護(hù)齡期因素綜合影響的綜合表征系數(shù)PCT，能較好地反映各因素對(duì)水泥改良砂土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，其強(qiáng)度與綜合表征系數(shù)PCT呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，能滿足工程的實(shí)際需求。