基于試驗數(shù)據(jù)的水泥土施工技術(shù)研究

摘 要：本文以實(shí)際工程地基土加入水泥后形成的水泥土為研究對象，對其工程性質(zhì)進(jìn)行試驗研究，以期探索加固機(jī)理，尋求最優(yōu)水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間，為水泥土加固地基及路基硬化提供參考。本研究對水泥土進(jìn)行直剪、壓縮試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果表明，水泥土抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間增加而逐漸提高。水泥加固土的作用機(jī)理源于水泥的水化硬化和土體與水泥水化物的相互作用。研究工程水泥土最優(yōu)水泥摻入比為33.3%，最佳養(yǎng)護(hù)時間為28天。

關(guān)鍵詞：水泥摻入比；養(yǎng)護(hù)時間；工程力學(xué)性質(zhì)；水泥土加固

中圖分類號：TU 43" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

水泥土是一種具有特殊工程性能的硬化材料，在土體加固、改良地基中應(yīng)用廣泛[1-5]，作用機(jī)理是土料經(jīng)過水泥固結(jié)后，使水泥土具有良好的抗?jié)B能力、承載力和抗剪能力，可以用于承受抗彎作用的道路和機(jī)場跑道的基層和底基層、公路工程及其他工程中的護(hù)坡材料、大壩工程中防滲材料，還可以用于建筑物、公路工程、水利工程及其他大型工程的地基處理[6-7]。

本文以實(shí)際工程水泥土為研究對象，對水泥土進(jìn)行直剪、壓縮試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，測試紅黏土水泥土抗剪強(qiáng)度、壓縮特性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，探析抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮模量和抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入比和試驗養(yǎng)護(hù)時間的變化規(guī)律，以期達(dá)到測試水泥土的工程力學(xué)特性，為水泥加固土在建筑物、公路工程、水利工程及其他大型工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論支持。

1 工程概況

沿黃生態(tài)廊道（小浪底-鷹嘴山）項目，位于河南省洛陽市，全長40km，采用雙向兩車道三級公路，設(shè)計速度為30km/h，標(biāo)準(zhǔn)路基寬為8m，路面寬為6.5m，東接白鶴鎮(zhèn)，西至新安縣，沿線涉及下梭欏溝村、崔嶺、卞家莊、大柿樹、津西等多個村莊，是集生態(tài)保護(hù)、綠化種植、運(yùn)動休閑等功能于一體的生態(tài)廊道。經(jīng)過暴雨沖刷，道路出現(xiàn)不同程度損壞，主要是路基沉降、邊坡滑塌、路面產(chǎn)生裂縫等。全線水毀路段有100多處，路面病害處理挖至硬質(zhì)路基底為準(zhǔn)，實(shí)際深度以施工現(xiàn)場為準(zhǔn)?；滋幚砗?，采用水泥土分層回填壓實(shí)，根據(jù)現(xiàn)場試驗研究數(shù)據(jù)確定具體水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)時間。

2 水泥土工程力學(xué)性質(zhì)特征分析

2.1 抗剪強(qiáng)度特性響應(yīng)特征

2.1.1 養(yǎng)護(hù)時間對抗剪強(qiáng)度的影響

養(yǎng)護(hù)時間對水泥土抗剪強(qiáng)度的影響表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時間增加而提高。在土料里摻入水泥后，與素土相比，水泥土在早期的強(qiáng)度明顯增加，養(yǎng)護(hù)28天后就已經(jīng)能達(dá)到較高的抗剪強(qiáng)度，在養(yǎng)護(hù)后期，強(qiáng)度增加緩慢，但是養(yǎng)護(hù)28天～120天，強(qiáng)度提高幅度依然較大。

當(dāng)水泥摻入比為16.7%時，養(yǎng)護(hù)7天～28天，隨著養(yǎng)護(hù)時間增加，抗剪強(qiáng)度基本呈現(xiàn)線性增加趨勢，養(yǎng)護(hù)28天的抗剪強(qiáng)度較大，到后期強(qiáng)度依然增加，只是增幅趨于緩慢。與更高的水泥摻入比相比，摻入比為16.7%的紅黏土水泥土抗剪強(qiáng)度增加相對較緩，這與水泥摻入比有關(guān)系，更多還是體現(xiàn)土的性質(zhì)。當(dāng)水泥摻入比為25%時，養(yǎng)護(hù)7天的強(qiáng)度就已經(jīng)很高，且增幅明顯，養(yǎng)護(hù)14天～28天，強(qiáng)度增幅相比早期有所變緩，后期依然有較大增幅，只是速度緩慢。當(dāng)水泥摻入比為33.3%時，早期強(qiáng)度增幅明顯，養(yǎng)護(hù)7天～28天的強(qiáng)度呈現(xiàn)線性增加趨勢，后期增幅依然較大。當(dāng)水泥摻入比為50%時，可以看出紅黏土水泥土抗剪強(qiáng)度在早期就已經(jīng)很高，養(yǎng)護(hù)7天～28天的抗剪強(qiáng)度呈線性增加趨勢，養(yǎng)護(hù)28天后的強(qiáng)度增幅緩慢?？辜魪?qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間的變化曲線，如圖1所示。

2.1.2 水泥摻入比對抗剪強(qiáng)度的影響

水泥土抗剪強(qiáng)度隨水泥摻入比增加而明顯變大，總體上呈現(xiàn)線性增加趨勢。水泥摻入比為16.7%～25%的抗剪強(qiáng)度明顯增加，水泥摻入比為25%～33.3%的抗剪強(qiáng)度增幅有所變緩，水泥摻入比為33.3%～50%時的抗剪強(qiáng)度急劇增加。其中，抗剪強(qiáng)度隨水泥摻入比變化的差異性與紅黏土水泥土的微觀結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，也說明了水泥土的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

從試驗數(shù)據(jù)可知，水泥土抗剪強(qiáng)度通常隨水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間增加而增加，其中，不同的水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間表現(xiàn)出不同的增加趨勢，水泥土抗剪強(qiáng)度增加趨勢的差異性宏觀上與水泥摻入比有很大關(guān)系，水泥摻入紅黏土后和紅黏土中的礦物進(jìn)行一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而改變紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，形成具有特殊結(jié)構(gòu)的紅黏土水泥土。水泥摻入比越大，更能表現(xiàn)出混凝土的性質(zhì)，摻入比越小則表現(xiàn)出紅黏土的性質(zhì)。

2.1.3 水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

水泥土的黏聚力隨水泥摻入比增加而明顯變大，黏聚力隨養(yǎng)護(hù)時間變化不明顯。水泥摻入比越大，黏聚力越大，其中，摻入比為16.7%～25%和33.3%～50%時的黏聚力增幅，比摻入比為25%～33.3%的黏聚力增幅要大很多。內(nèi)摩擦角隨水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間的變化規(guī)律不是很明顯，但總體上隨著水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間增加而變大，養(yǎng)護(hù)時間對內(nèi)摩擦角的影響較小。當(dāng)水泥摻入比為16.7%～33.3%時，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)一定變大趨勢，在摻入比達(dá)到33.3%后，增幅趨于平緩。

從試驗數(shù)據(jù)可知，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間增加而增加，其中，水泥摻入比對抗剪指標(biāo)的影響明顯大于養(yǎng)護(hù)時間對抗剪指標(biāo)的作用。

2.2 壓縮特性響應(yīng)特征

水泥土的壓縮模量隨著水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間增加而增加。從試驗數(shù)據(jù)可知，壓縮模量與水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間的變化規(guī)律不是很明顯，這與試驗誤差有很大關(guān)系，但總體上隨著水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間增加而增加。

在水泥中摻入紅黏土后改變了紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，水泥與紅黏土中的礦物成分進(jìn)行反應(yīng)生成新的礦物，減少紅黏土的孔隙，且水泥硬化后形成水泥骨架，水泥骨架包裹紅黏土顆粒，而水泥骨架具有一定的抗壓強(qiáng)度，因此經(jīng)過水泥固化土后，土的壓縮特性得到改善，壓縮模量明顯增加。水泥土壓縮特性與水泥摻入比的關(guān)系折線如圖2所示。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性響應(yīng)特征

2.3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間的關(guān)系

水泥土抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間增加而變大，抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間的變化表現(xiàn)為早期強(qiáng)度增幅較大，后期緩慢增加。從試驗數(shù)據(jù)可知，養(yǎng)護(hù)14～60天，抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時間增加而呈現(xiàn)線性增加趨勢，在養(yǎng)護(hù)60天后，抗壓強(qiáng)度增加緩慢。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時間關(guān)系如圖3所示。

2.3.2 水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

在硬化過程中，由于水泥受到化學(xué)反應(yīng)影響會導(dǎo)致體積膨脹，從而使鋼筋受到拉應(yīng)力，硬化后，鋼筋又使混凝土受到壓應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為化學(xué)預(yù)應(yīng)力或自應(yīng)力。混凝土在澆筑后，水泥的水化熱作用導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高，當(dāng)溫度超過初始澆筑溫度和當(dāng)時的氣溫時，混凝土受到約束力限制，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。新澆注的混凝土在強(qiáng)烈的陽光照射下，表面水分迅速蒸發(fā)，產(chǎn)生收縮應(yīng)力，造成不規(guī)則龜裂。已凝結(jié)的防水混凝土因養(yǎng)護(hù)不及時等，早期失水也會產(chǎn)生不規(guī)則的收縮裂縫。

水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線和混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線類似，但當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度后，水泥土?xí)憩F(xiàn)出一定的流變特性。

水泥土中的原材料土具有彈性、黏滯性、塑性和流變性質(zhì)[6]，而水泥是脆性材料，因此水泥土的性質(zhì)相對復(fù)雜，但應(yīng)力應(yīng)變曲線形式和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線類似，只是紅黏土水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線會表現(xiàn)出一定的彈性和流變特性，與混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線相比，紅黏土水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有那么光滑。破壞形式隨著水泥摻入比的改變而有所差異，但總體表現(xiàn)為脆性破壞，和混凝土相似。水泥土應(yīng)力變化與應(yīng)變關(guān)系，如圖4所示。

水泥摻入土后改變了土的微觀結(jié)構(gòu)，形成具有特殊結(jié)構(gòu)的水泥土，因此提高了土的抗剪強(qiáng)度特性、壓縮特性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。水泥自身發(fā)生水化硬化反應(yīng)，形成水泥骨架包裹紅黏土顆粒，其次是水泥中的礦物成分與土中的礦物發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)生成新的礦物，這些礦物對土進(jìn)行膠結(jié)和填充，減少土的孔隙，提高土的壓縮特性、抗剪強(qiáng)度特性和抗壓強(qiáng)度特性。

3 施工應(yīng)用流程

試驗結(jié)果表明，水泥土最優(yōu)水泥摻入比為33.3%，最佳養(yǎng)護(hù)時間為28天，現(xiàn)場應(yīng)嚴(yán)格按照該水泥摻入比例和養(yǎng)護(hù)時間施工。施工工序：基層清理→施工放樣→備料拌合→攤鋪水泥土→整平及輕壓→整修→輾壓→養(yǎng)護(hù)。

在水泥土的施工過程中，基層清理是準(zhǔn)備工作。只有基層清理去掉浮土、碎石，消除各種干擾，水泥土后續(xù)的鋪設(shè)施工才能達(dá)到更好的效果。施工開始后先進(jìn)行局部放樣，可以有效地觀察水泥土施工效果，如果沒有任何問題，就可以進(jìn)行全局施工。根據(jù)要求對各配料進(jìn)行合理配置，并均勻攪拌獲得最佳品質(zhì)的水泥土，在全局平面內(nèi)進(jìn)行攤鋪。水泥土攤鋪均勻后，要及時整平和整修。這個過程施加的壓力不宜過大，避免水泥漿液溢出導(dǎo)致局部出現(xiàn)破損影響整體攤鋪效果。在水泥土完成全部攤鋪過程后，后期的養(yǎng)護(hù)也至關(guān)重要。養(yǎng)護(hù)方案要妥當(dāng)，養(yǎng)護(hù)措施要合理，養(yǎng)護(hù)時間要達(dá)標(biāo)，這樣才能保證水泥有效定型，達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度和品質(zhì)。水泥土攤鋪施工的過程，不僅依賴完善的、操作性強(qiáng)的流程設(shè)計，也基于施工人員的技術(shù)經(jīng)驗。

要按照既定方案執(zhí)行所有施工環(huán)節(jié)，包括原材料的精確計量、混合均勻度控制以及施工后的養(yǎng)護(hù)措施等，保證施工質(zhì)量。最終，經(jīng)過檢驗，施工滿足要求，并通過了監(jiān)理、業(yè)主以及質(zhì)量監(jiān)督站的驗收與合格評定，表明施工應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)論

本文基于實(shí)際工程水泥土工程力學(xué)試驗，對水泥土水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如下。1）水泥土的抗剪強(qiáng)度、壓縮模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等工程力學(xué)性質(zhì)受水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間的影響，并呈現(xiàn)明顯改變。2）水泥土抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、壓縮模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間增加而逐漸增加。3）水泥土最優(yōu)水泥摻入比為33.3%，最佳養(yǎng)護(hù)時間為28天。本研究可以對后續(xù)水泥土水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)時間在實(shí)際工程中的應(yīng)用起到參考作用。

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