李紅彥，俞文鋒，李海娜，余超群，肖景華

（廣東省水利水電科學研究院 廣州 510610）

0 引言

為了進一步了解淤泥水泥土的特性，通過選取珠海市洪灣片區(qū)某水務工程水泥攪拌樁施工現(xiàn)場具有代表性的海相淤泥為研究對象，開展水泥土力學性能室內(nèi)試驗研究，最終得到不同水泥摻量不同齡期水泥土的力學特性指標［1-2］，并初步探討了無側(cè)限抗壓強度與滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)之間的相關(guān)性，從而為工程的后續(xù)軟基施工提供了指導。

1 海相淤泥水泥土室內(nèi)配合比試驗研究方案

1.1 原材料

⑴水泥：采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為P.O 42.5R。各項物理性能符合《通用硅酸鹽水泥：GB 175—2007》的要求。

⑵淤泥：海相淤泥一般具有含水量高、強度低、壓縮性大、透水性差等特點［1，3］。本試驗所用的淤泥與工程現(xiàn)場使用的淤泥一致，并按《土工試驗方法標準：GB/T 50123—2019》的要求，對淤泥進行顆粒分析、天然含水率、密度、比重、液塑限、垂直滲透系數(shù)及有機質(zhì)含量的檢測。檢測結(jié)果如下：高液限黏土天然含水率為70.4%，天然含水率為1.58 g/cm3，干密度為0.93 g/cm3，土粒比重為2.70，孔隙比為1.912，飽和度為99.4%，液限（H=17 mm）為56.3%，塑限為28.5%，塑性指數(shù)為27.8，液限指數(shù)為1.51，有機質(zhì)含量為58.13 g/kg，垂直滲透系數(shù)為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漿水灰比采用0.60，試配時的水泥摻量按類似工程經(jīng)驗選擇15%、20%和25%，嚴格執(zhí)行《水泥土配合比設計規(guī)程：JGJ/T 233—2011》［4］的規(guī)定，制作水泥土試塊，通過標準養(yǎng)護到齡期后，進行水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗、壓縮試驗和滲透試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗共成型了3個水泥摻量（15%、20%和25%）、6 個試驗齡期（7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和120 d），共18組無側(cè)限抗壓強度試件。

不同水泥摻量條件下水泥土無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期變化的數(shù)據(jù)回歸曲線如圖1所示。試驗結(jié)果表明，7 d 齡期水泥土的無側(cè)限抗壓強度達到90 d 齡期的64%～71%；28 d齡期水泥土的無側(cè)限抗壓強度達到90 d齡期的81%～90%。以20%水泥摻量為例，90 d齡期無側(cè)限抗壓強度平均值為1.88 MPa；120 d 齡期無側(cè)限抗壓強度平均值為1.90 MPa，單個值最大達到2.00 MPa，90 d和120 d齡期無側(cè)限抗壓強度已經(jīng)相差不大。

圖1 水泥土無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期變化曲線Fig.1 Curve of the Unconfined Compressive Strength of Cement Soil Changing with Curing Age

2.2 壓縮試驗

水泥土壓縮試驗共成型3 個水泥摻量（15%、20%和25%）、5 個試驗齡期（7 d、14 d、28 d、60 d 和90 d），共15組壓縮試件。

利用回歸分析的方法，選取對數(shù)函數(shù)對散點圖進行擬合，水泥摻入量為15%、20%和25%的水泥土壓縮系數(shù)和壓縮模量隨養(yǎng)護齡期變化的回歸曲線如圖2和圖3 所示。該淤泥水泥土7 d 齡期的壓縮系數(shù)是90 d齡期的1.75～1.84 倍，平均1.78 倍；28 d 齡期的壓縮系數(shù)是90 d 齡期的1.24～1.42 倍，平均1.36 倍。而7 d 齡期水泥土壓縮模量可以達到90 d 齡期的56%～63%，平均59%；28 d 齡期水泥土壓縮模量則達到90 d 齡期的63%～89%，平均78%。

圖2 水泥土壓縮系數(shù)隨養(yǎng)護齡期變化的曲線Fig.2 Curve of Hydraulic Soil Compression Coefficient Changing with Curing Age

圖3 水泥土壓縮模量隨養(yǎng)護齡期變化的曲線Fig.3 Curve of Cement-soil Compression Modulus Changing with Curing Age

2.3 滲透試驗

水泥土滲透試驗共成型3 個水泥摻量（15%、20%和25%）、5 個試驗齡期（7 d、14 d、28 d、60 d 和90 d），共15 組滲透試件，回歸曲線如圖4 所示。本次研究中，由于淤泥水泥土離散性較大，7d 齡期水泥土滲透系數(shù)是90 d 齡期的4.45～5.92 倍，平均5.43 倍；28 d 齡期水泥土滲透系數(shù)是90 d 齡期的1.59～1.77 倍，平均1.69倍。

圖4 水泥土滲透系數(shù)隨養(yǎng)護齡期變化的曲線Fig.4 Curve of Hydraulic Soil Permeability Coefficient Changing with Curing Age

3 討論

3.1 試驗齡期對試驗結(jié)果的影響

各項試驗參數(shù)（無側(cè)限抗壓強度、壓縮系數(shù)、壓縮模量和滲透系數(shù)）與養(yǎng)護齡期形成較為明顯的對數(shù)關(guān)系，符合鮑羅米法則。

隨著養(yǎng)護齡期的增長，各項試驗參數(shù)前期變化較快，后期變化趨緩。這是因為水泥與土充分混合后，在充足的時間內(nèi)逐漸發(fā)生水化反應，土體顆粒間的孔隙被逐漸增加的水泥水化產(chǎn)物填充，土顆粒之間的界面區(qū)被逐漸增強和密實，一方面在應力相同的情況下，應變會越來越大，使強度持續(xù)增長；另一方面，單位時間內(nèi)通過土壤部分的水流減少，降低了滲透系數(shù)［5］。

水化反應到了后期，水化速率逐漸變緩，水化反應的深入展開，水泥水化產(chǎn)物生成較少，各項試驗參數(shù)變化速率趨緩。

3.2 水泥摻量對試驗結(jié)果的影響

同一種淤泥，在相同水灰比和相同養(yǎng)護齡期下，隨著水泥摻入量的增大，水泥土無側(cè)限抗壓強度和壓縮模量呈現(xiàn)逐漸增長的變化趨勢。這是由于水泥摻入量越大，水泥土中的水化產(chǎn)物也越多，水泥土具有更高的強度［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，也對強度的提高有益。

水泥土的壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)隨水泥摻入量的增加而降低。這是因為當其它條件相同時，水泥含量越高，水化反應越強，可產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物，聚集在土體顆粒表面，逐步填滿土體顆粒之間的孔隙，從而降低水泥土的壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)［7-8］。

3.3 無側(cè)限抗壓強度與滲透系數(shù)的相關(guān)性

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的水泥土無側(cè)限抗壓強度和滲透系數(shù)試驗結(jié)果分布如圖5所示。

由圖5 可知，水泥土無側(cè)限抗壓強度和滲透系數(shù)的關(guān)系可用冪函數(shù)來表示，其相關(guān)公式如下：

圖5 水泥土無側(cè)限抗壓強度和滲透系數(shù)試驗結(jié)果分布Fig.5 Distribution of the Unrestricted Compressive Strength and Permeability Coefficient of Hydraulic Soil

式中：k為滲透系數(shù)（×10-6cm/s）；f為無側(cè)限抗壓強度（MPa）。

在圖5 中，無側(cè)限抗壓強度在0.5～2 MPa 范圍時，滲透系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強度的增大而迅速降低；無側(cè)限抗壓強度達到2 MPa 以上后，滲透系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強度的增大變化趨緩［9］。

3.4 無側(cè)限抗壓強度與壓縮系數(shù)的相關(guān)性

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的水泥土無側(cè)限抗壓強度與壓縮系數(shù)試驗結(jié)果分布圖如圖6所示。

圖6 水泥土無側(cè)限抗壓強度和壓縮系數(shù)試驗結(jié)果分布Fig.6 Distribution of the Unrestricted Compressive Strength and Compression Coefficient of Hydraulic Soil

由圖6 可知，水泥土無側(cè)限抗壓強度與壓縮系數(shù)的關(guān)系可用冪函數(shù)來表示，其相關(guān)公式如下：

αv=0.129 7f-0.676⑵

式中：αv為壓縮系數(shù)（MPa-1）；f為無側(cè)限抗壓強度（MPa）。

在圖6 中，無側(cè)限抗壓強度在0.5～2 MPa 范圍時，壓縮系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強度的增大而迅速降低；無側(cè)限抗壓強度達到2 MPa 以上后，壓縮系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強度的增大而變化幅度減小。

4 結(jié)語

室內(nèi)試驗是驗證水泥固化軟土效果的一種有效手段。本文以施工現(xiàn)場具有代表性的海相淤泥為研究對象，開展不同水泥摻量和不同養(yǎng)護齡期下的水泥土無側(cè)限抗壓強度、壓縮試驗及滲透試驗的室內(nèi)研究工作。結(jié)果表明：

⑴水泥土無側(cè)限抗壓強度和壓縮模量隨養(yǎng)護齡期增長和水泥摻入量的增大而逐漸增加，但水泥土的壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)則呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。

⑵水泥土無側(cè)限抗壓強度在0.5～2 MPa范圍時，滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強度的增大而迅速降低；無側(cè)限抗壓強度達到2 MPa 以上后，滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)隨無側(cè)限抗壓強度的增大而變化幅度趨緩。

⑶后續(xù)施工中還可以根據(jù)海相淤泥的特性，通過改進施工工藝、調(diào)整配合比（例如加入固化劑、調(diào)整水泥摻量及水灰比等）、開展現(xiàn)場成樁試驗等措施，來確定水泥土攪拌樁的適用性［10-12］。