水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

肖桃李 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,長(zhǎng)江大學(xué)巖土力學(xué)與工程研究中心，湖北 荊州 434023)

何云龍，李啟鳳，丁卓，朱健華，周超 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

肖桃李 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,長(zhǎng)江大學(xué)巖土力學(xué)與工程研究中心，湖北 荊州 434023)

何云龍，李啟鳳，丁卓，朱健華，周超 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

以某建筑工地常見的雜填土為原土, 加入水泥形成水泥加固土，利用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)及改裝后的高速攪拌機(jī)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中控制水灰比不變，研究不同水泥摻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，試驗(yàn)得出各條件下水泥土試塊抗壓強(qiáng)度值，并通過數(shù)據(jù)分析得出可以預(yù)測(cè)水泥土強(qiáng)度的函數(shù)表達(dá)式。結(jié)果表明，隨著水泥摻量的增加，水泥土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)摻量為25%時(shí)，水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大；水泥土的抗壓強(qiáng)度的變化與齡期增長(zhǎng)的關(guān)系密切，呈現(xiàn)三次函數(shù)變化，當(dāng)齡期為60d時(shí)，水泥土強(qiáng)度高于齡期為90d的強(qiáng)度。該研究成果可為以雜填土為土質(zhì)的地基基礎(chǔ)或基坑支護(hù)設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)工程提供理論參考依據(jù)。

水泥土；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；水泥摻量；齡期；雜填土

水泥土是土、水泥、外加劑和水混合、壓實(shí)后形成的一種拌和物，是一種特殊工程性能的硬化材料，廣泛應(yīng)用于深基坑支護(hù)及地基處理中，具有巨大的實(shí)用價(jià)值。赫文秀等[1]的研究表明，砂土中水泥土強(qiáng)度隨齡期的增加而呈直線增長(zhǎng)；張石友等[2]通過試驗(yàn)得出，由粉質(zhì)黏土制作的水泥土試塊，強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大，且高水泥摻量的水泥土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)較快；李建軍等[3]通過試驗(yàn)得出由粉土制作的水泥土試塊的強(qiáng)度規(guī)律：28d的抗壓強(qiáng)度是7d抗壓強(qiáng)度的3倍，是14d抗壓強(qiáng)度的2倍；黃小滿[4]通過對(duì)軟土地基水泥土攪拌樁的研究發(fā)現(xiàn)，水泥土強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大，但在實(shí)際工程中，水泥摻量宜控制在一定范圍內(nèi)；高松鶴[5]通過對(duì)5種土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出水泥土的破壞強(qiáng)度與水泥摻量和齡期的關(guān)系分別呈冪函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)變化；艾志偉等[6]的研究表明，水泥土強(qiáng)度隨土體含水量、有機(jī)質(zhì)含量的減少而增強(qiáng)，隨水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增強(qiáng)，水泥土攪拌越充分，強(qiáng)度越高；趙振亞等[7]通過對(duì)紅黏土的試驗(yàn)，認(rèn)為水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，養(yǎng)護(hù)齡期為90d 時(shí)，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

我國(guó)幅員遼闊，巖土條件差異性大，各地區(qū)的不同土質(zhì)會(huì)對(duì)水泥土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響，且大多數(shù)學(xué)者都是以砂土、黏土和淤泥質(zhì)土為研究對(duì)象，很少有人以雜填土為研究對(duì)象來研究水泥土。隨著城市化發(fā)展，城市垃圾越來越多，以雜填土為原土的水泥土在日后的發(fā)展應(yīng)用中會(huì)越來越廣泛，因此開展以雜填土為原土的水泥土研究具有實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)土樣取自某建筑工地基坑開挖地下深1m的雜填土，土體含有少量磚渣及碎石，均勻性較差。試驗(yàn)所用水泥為復(fù)合硅酸鹽水泥，其強(qiáng)度等級(jí)為 32.5MPa，各類指標(biāo)均符合 《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)的要求。雜填土取回后先除掉土中的雜石、碎渣、樹根等雜質(zhì)，再進(jìn)行篩分除掉粒徑大于2mm的土樣。試驗(yàn)水泥摻量分別為12%、15%、20%和25%，水灰比為0.5，分別進(jìn)行7、28、60和90d這4個(gè)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組3個(gè)試塊，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。

試驗(yàn)步驟如下：

1)把相應(yīng)摻量的水泥加入處理后的土樣中，采用小型攪拌機(jī)將其攪拌均勻，形成干混合物；

2)根據(jù)水灰比，量取每個(gè)摻入量所需要水的體積，并加入到干混合物中攪拌均勻；

3)將攪拌均勻的水泥土混合物倒入70.7m×70.7m×70.7m的模具中振搗5min，將試塊表面抹平貼好標(biāo)簽，24h后拆模，所有試塊均放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中(溫度為20±2℃，相對(duì)濕度在 95%以上)養(yǎng)護(hù)；

4)養(yǎng)護(hù)到預(yù)定齡期后，采用ASTM標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，利用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(加載應(yīng)力速率為 0.2kN/s)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水泥摻量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

控制水灰比為0.5，在不同齡期下水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，在齡期相同時(shí)，隨著水泥摻量的增加，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸上升；當(dāng)水泥摻量在12%～20%時(shí)，水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，當(dāng)水泥摻量在20%～25%時(shí)，7d和90d水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，28d和60d水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)速度加快；當(dāng)水泥摻量在12%～20%時(shí)，水泥土7d的強(qiáng)度比28d的強(qiáng)度高，但當(dāng)水泥摻量為25%時(shí)，水泥土7d的強(qiáng)度比28d的強(qiáng)度要低，60d水泥土的強(qiáng)度比90d時(shí)高；這一現(xiàn)象與陳達(dá)等[10]研究不一致，表明雜填土性質(zhì)的特殊性。

通過對(duì)曲線的擬合分析，28d和60d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-水泥摻量曲線呈二次函數(shù)關(guān)系，其擬合公式分別為:

(1)

(2)

7d和90d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-水泥摻量曲線呈一次線性函數(shù)，其擬合公式分別為:

Y=8.3061X+0.3099 (R2=0.9641)

(3)

Y=13.316X+0.0781 (R2=0.9916)

(4)

由此說明水泥土的強(qiáng)度與水泥摻量有較強(qiáng)的相關(guān)性。

2.2 齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

控制水灰比為0.5，在不同水泥摻量條件下水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，水泥土強(qiáng)度與齡期關(guān)系密切：水泥摻量為12%、15%和20%時(shí)水泥土28d強(qiáng)度普遍低于7d強(qiáng)度，水泥摻量為25%時(shí)水泥土強(qiáng)度7d到28d增長(zhǎng)緩慢，無降低現(xiàn)象；28d之后水泥土強(qiáng)度迅速增大，增加幅度大，60d強(qiáng)度明顯高于28d，而隨齡期增長(zhǎng)，90d強(qiáng)度較60d普遍降低；水泥摻量為25%時(shí)水泥土90d強(qiáng)度較60d的衰減明顯，而其他水泥摻量的水泥土強(qiáng)度衰減幅度較小。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量百分比的關(guān)系 圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

通過對(duì)曲線的擬合分析，水泥摻量為12%、15%、20%、25%時(shí)水泥土強(qiáng)度與齡期的擬合公式分別為：

Y=－0.00006X3+0.0074X2－0.2389X+ 2.7274 (R2=0.9981)

(5)

Y=－0.00005X3+0.0065X2－0.2X+2.5689 (R2=0.9952)

(6)

Y=－0.00005X3+0.0069X2－0.2124X+3. 0649 (R2=0.9973)

(7)

Y=－0.00008X3+0.0088X2－0.1646X+3. 1991 (R2= 0.9962)

(8)

由此說明水泥土強(qiáng)度與齡期有較強(qiáng)的相關(guān)性。

2.3 對(duì)比分析

嵇曉雷[8]研究表明，由淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土制作的水泥土試塊，水泥摻入量在10%～25%時(shí)，當(dāng)水泥摻量為15%時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大；而筆者的試驗(yàn)研究表明，由雜填土制作的水泥土試塊，當(dāng)水泥摻量為25%時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大。

曹智國(guó)等[9]通過研究黏土、砂土得出，在水泥摻量為5%～20%時(shí)水泥土強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的對(duì)數(shù)近似呈線性函數(shù)關(guān)系，水泥土強(qiáng)度隨水泥摻入量增加近似呈冪函數(shù)關(guān)系；而筆者的試驗(yàn)研究表明，水泥摻量為12%～25%時(shí)，水泥土強(qiáng)度與齡期近似呈三次函數(shù)關(guān)系；齡期為7d和90d時(shí)，水泥土強(qiáng)度與水泥摻量近似呈線性函數(shù)關(guān)系；齡期為28d和60d時(shí)水泥土強(qiáng)度與水泥摻量呈二次函數(shù)關(guān)系。

陳達(dá)[10]研究表明，由淤泥土制作的水泥土試塊在28d齡期前強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，齡期在28d～90d時(shí)，強(qiáng)度仍有較大增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度明顯變緩；而筆者的試驗(yàn)研究表明，由雜填土制作的水泥土試塊，在28d齡期前強(qiáng)度有所下降，齡期在28d～60d時(shí)，強(qiáng)度迅速上升，但齡期在90d時(shí)，強(qiáng)度又明顯下降。

由于雜填土成分復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)含量較多，導(dǎo)致水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律與其他土質(zhì)大不相同，因此建議以雜填土為土樣制作的水泥土攪拌樁作支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，地下工程施工工期盡量不要超過60d，若在基坑支護(hù)中，應(yīng)盡量除去上表面的少量雜填土。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同水泥摻量、不同齡期的雜填土為土樣制成的水泥土試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1)以雜填土為土質(zhì)制作的水泥土試塊，水泥摻量為25%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大。

2)水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增大；齡期為7d和90d時(shí)，水泥土強(qiáng)度與水泥摻量呈線性函數(shù)關(guān)系；齡期為28d和60d時(shí)，水泥土強(qiáng)度與水泥摻量呈二次函數(shù)關(guān)系。

3)水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期呈三次函數(shù)關(guān)系。

4)以雜填土為土質(zhì)制作的水泥土試塊，水泥摻量在12%～20%，在28d齡期前強(qiáng)度有所下降，齡期在28d～60d時(shí)，強(qiáng)度迅速上升，但齡期在90d左右時(shí)，強(qiáng)度又明顯下降。

[1]赫文秀，申向東.摻砂水泥土的力學(xué)特性研究[J].巖土力學(xué)，2011,32(S1):392～396.

[2] 張石友，陳艷國(guó)，趙自文.不同水泥摻量的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)[J].人民長(zhǎng)江，2015,46(11):68～70.

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[5] 高松鶴.不同水泥土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].施工技術(shù)，2014,12(43):84～89.

[6] 艾志偉，鄧通發(fā).水泥土強(qiáng)度的影響因素研究進(jìn)展[J].公路，2014(1)：195～199.

[7]趙振亞，申向東.水泥紅黏土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2012，34(5):139～140.

[8] 嵇曉雷,朱逢斌.水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2011,37(5)：146～148.

[9] 曹智國(guó)，章定文.水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表征參數(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015,34(S1)：3446～3454.

[10] 陳達(dá)，莊寧，廖迎娣，等.水泥土力學(xué)特性隨齡期發(fā)展規(guī)律試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2012(1):27～29.

[編輯] 計(jì)飛翔

2016-12-25

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFB667)；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Q20141307)；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2015004)。

肖桃李(1978-)，男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事巖土工程和工程地質(zhì)方面的教學(xué)與研究工作，xtl9720209@163.com。

TU411

A

1673-1409(2017)05-0064-03

[引著格式]肖桃李，何云龍，李啟鳳，等.水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(5)：64～66.