基于水灰比準(zhǔn)則的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)

張 帥 錢 峰

(1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510000;2.南京城建工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇南京 210000)

0 引言

JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［1］和JTG D30-2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［2］及TB 10113-96粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范［3］對(duì)于加固土樁的抗剪強(qiáng)度均采用90 d齡期為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。由于多數(shù)施工工期較緊，90 d齡期的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度檢測(cè)給室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)帶來(lái)了一定的困難。目前應(yīng)用較廣泛的方法是根據(jù)短齡期(7 d，28 d)的試驗(yàn)、檢測(cè)數(shù)據(jù)，按照強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律推測(cè)90 d的強(qiáng)度［1-3］。由于水泥土的強(qiáng)度受土性，水泥摻入比，水灰比，齡期等眾多因素影響，各組預(yù)測(cè)結(jié)果不盡相同。

同時(shí)，Horpibulsuk 等［4，5］基于 Abrams 理論，提出了高含水率淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，取得了一定成果。本研究基于Abrams理論，分析了水泥加固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度同土性，水泥摻量，養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系，對(duì)固化后淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 現(xiàn)行規(guī)范無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法

1.1 JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范

JGJ 79-2002對(duì)水泥土強(qiáng)度表述為:“對(duì)豎向承載的水泥土強(qiáng)度宜取90 d齡期試塊的立方體抗壓強(qiáng)度平均值?！逼湓跅l文說(shuō)明中進(jìn)一步表述，在其他條件相同時(shí)，不同齡期的水泥土抗壓強(qiáng)度間大致呈線性關(guān)系，其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下:

1.2 JTG D30-2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范

JTG D30-2004根據(jù)目前的施工總體水平，認(rèn)為加固土樁的抗剪強(qiáng)度最大只能為0.3倍的無(wú)側(cè)抗壓強(qiáng)度，并總結(jié)分析了各個(gè)不同規(guī)范的強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式。

1.3 TB 10113-96粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范

TB 10113-96根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，假設(shè)28 d強(qiáng)度為1.0 MPa，按關(guān)系式計(jì)算其7 d強(qiáng)度約為0.67 MPa，90 d強(qiáng)度約為1.33 MPa。認(rèn)為可用下式推算相關(guān)齡期強(qiáng)度:

1.4 Abrams理論

Abrams理論是一種在混凝土運(yùn)用較為廣泛的強(qiáng)度預(yù)測(cè)準(zhǔn)則，表述為:對(duì)于一個(gè)給定的水泥膠凝材料，其強(qiáng)度僅取決于水分質(zhì)量及水泥質(zhì)量之比［4］。其關(guān)系如下所示:

其中，S為強(qiáng)度;M和N均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);w為混凝土中水的質(zhì)量;c為水泥質(zhì)量。

與混凝土不同，土體比表面積較大，故運(yùn)用Abrams理論進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測(cè)，需要對(duì)其適用性進(jìn)行研究。Uddin［6］研究了基于室內(nèi)試驗(yàn)的黏性土強(qiáng)度特性，認(rèn)為Abrams理論反映了土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比關(guān)系，可用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。Horpibulsuk等［4，5］進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，固化中水泥的作用在于將土顆粒膠結(jié)起來(lái)形成封閉結(jié)構(gòu)，此時(shí)水分雖被封閉在結(jié)構(gòu)內(nèi)，但仍可與活性介質(zhì)——土顆粒發(fā)生離子交換等反應(yīng)。為此引入了黏土水灰比(clay-water/cement ratio)概念對(duì)淤泥固化土強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，黏土水灰比定義為水分質(zhì)量w和水泥質(zhì)量c的比值，Horpibulsuk等通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，運(yùn)用wc/c較運(yùn)用w/c更為精確，上述公式可修正為:

其中，qu為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值;A為與取決于土性與齡期的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于同一種土，齡期愈長(zhǎng)，系數(shù)A取值愈大;B為同液性指數(shù) IL呈反比的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，當(dāng) IL=1.0 ～2.5 時(shí)，B=1.24。

根據(jù)以上分析，對(duì)于某一特定的wc/c，回歸系數(shù)B為常數(shù)，固化土強(qiáng)度僅與A有關(guān)。取28 d的強(qiáng)度為參考值，對(duì)不同齡期的水泥土強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。得到以下結(jié)果:

其中，qD為齡期D時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值;q28為齡期為28 d時(shí)的水泥土強(qiáng)度。

當(dāng) IL=1.0 ～2.5 時(shí)，B=1.24，某一土體及特定齡期時(shí)，A 為常數(shù)，故:

其中，q(wc/c)1為(wc/c)1時(shí)淤泥固化土強(qiáng)度;q(wc/c)2為(wc/c)2時(shí)淤泥固化土強(qiáng)度，聯(lián)立上式，并類似推導(dǎo)IL＞2.5時(shí)情況，有:

其中，q(wc/c)1，D為齡期D天，黏土水灰比(wc/c)1時(shí)淤泥固化土強(qiáng)度;q(wc/c)2，28為齡期28 d，水灰比(wc/c)2時(shí)淤泥固化土強(qiáng)度。取繆志萍等［7］實(shí)測(cè)強(qiáng)度為基準(zhǔn)值，運(yùn)用式(7)進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果偏差度較大，且受基準(zhǔn)值影響較大，未與基準(zhǔn)值呈現(xiàn)明顯線性關(guān)系。因此，有必要對(duì)公式進(jìn)一步修正，滿足高黏土水灰比情況下的要求。預(yù)測(cè)基準(zhǔn)組見(jiàn)表1。

表1 預(yù)測(cè)基準(zhǔn)組

圖1 對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行預(yù)測(cè)

取28 d的強(qiáng)度為參考強(qiáng)度，選取周旻等人［8］試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)同一wc/c下，不同齡期，不同含水率及水泥摻量下的固化淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行歸一化處理，如圖2所示。

從圖2中可以看出，線性關(guān)系良好，對(duì)應(yīng)公式為:

運(yùn)用上述公式，對(duì)系列2的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)測(cè)強(qiáng)度與預(yù)測(cè)強(qiáng)度的對(duì)比結(jié)果如圖3所示，相關(guān)性較好，故可用此方法進(jìn)行水泥加固土的強(qiáng)度預(yù)測(cè)是可靠的。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值歸一化處理

圖3 實(shí)測(cè)強(qiáng)度與預(yù)測(cè)強(qiáng)度關(guān)系

2 結(jié)語(yǔ)

1)隨著水灰比的增大，高含水率淤泥固化土強(qiáng)度值顯著降低;破壞應(yīng)變?cè)?%～3%之間，隨水泥摻量和齡期的增加總體呈降低趨勢(shì)。2)原有基于Abrams理論的高含水率淤泥固化土強(qiáng)度無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果偏差度較大，且預(yù)測(cè)結(jié)果受基準(zhǔn)值影響較大，與基準(zhǔn)值線性關(guān)系不明顯。3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正了預(yù)測(cè)公式，使其可以適用于高黏土水灰比情況下，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，可運(yùn)用式(8)對(duì)水泥加固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

［1］ JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］ JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ TB 10113-96，粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ Horpibulsuk S.，Miura N.，Nagaraj T.S.Assessment of strength development in cement-admixed high water content clays with Abrams’law as a basis［J］.Geotechnique，2003，53(4):439-444.

［5］ Horpibulsuk S..Analysis and Assessment of engineering behavior of cemnt stabilized clays［D］.Saga University，2001.

［6］ Uddin K..Strength and Deformation Behavior of Cement Treated Bangkok Clay［D］.Thailand:Asian Institute of Technology，1994.

［7］ 繆志萍，劉漢龍.疏浚土工程特性的試驗(yàn)研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2005，31(6):109-112.

［8］ 周 旻，侯浩波，張大捷，等.湖泊底泥改性固化的強(qiáng)度特性和微觀結(jié)構(gòu)［J］.巖土力學(xué)，2008，29(4):1010-1014.