腐蚀环境中水泥土桩的长期刚度研究

侯 飞 张 磊 崔社强

(山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061)



腐蚀环境中水泥土桩的长期刚度研究

侯 飞 张 磊 崔社强

(山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061)

为了解腐蚀环境对水泥土桩的影响，以东营港滨海腐蚀环境为研究对象，提出了腐蚀环境中水泥土桩长期刚度的预测方法，得到了腐蚀环境中水泥土桩的长期刚度先增后减，且桩径越小其长期刚度衰减速率越快的结论。

水泥土桩，腐蚀环境，长期刚度，力学试验

0 引言

水泥土桩已广泛应用于工程建设中软弱地基的加固，并取得了优良的效果。然而，在滨海地区，地下水及土体中含有大量的盐分，盐水的接触会对水泥土产生侵蚀导致水泥土桩体劣化，对工程的加固性能产生影响。国内外学者[1-4]对水泥土的劣化进行了一些研究，但这些研究并未涉及到腐蚀环境下水泥土桩长期的刚度变化，不能为桩体的腐蚀劣化及所加固工程的稳定进行预警。因此，本文以东营港滨海腐蚀环境下的水泥土搅拌桩为研究对象，考虑水泥土桩体在腐蚀环境中的劣化，并整合前人的研究成果，提出了一种基于滨海腐蚀环境下水泥土桩长期刚度的预测方法，为滨海腐蚀环境下水泥土桩的长期应用提供技术支持。

1 水泥土早期力学试验

1.1 试样制备与养护

东营港滨海地区地基主要为粉土，具有低液限、高含水率、低强度等特点，其压缩系数为0.159 MPa-1，为低压缩性粉土。与普通粉土相比，东营港粉土颗粒磨圆度较高，针片状颗粒少，经水长时间浸泡侵蚀、颗粒撞击和水流冲刷作用，颗粒表面破碎、剥蚀严重。

室内试验所用土样取自地表下0.5 m处，水样的化学指标如表1所示，属于卤水(矿化度大于50 g/L)。土样的基本物理指标如表2所示，各离子成分的含量如表3所示，为低液限、高含水率的低压缩性粉土。

表1 浅层地下水的化学指标

表2 东营港天然地基土的土工参数

表3 天然地基土离子含量 cmol/kg

室内试验所用水泥为42.5的普通硅酸盐水泥，掺量为7.5%，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》规定，制作尺寸为φ50 mm×50 mm试件若干。

滨海腐蚀环境中水泥土桩内部不受盐水的侵蚀，而水泥土桩的表层会受到侵蚀，所以试验采用养护室养护与盐水浸泡养护，前者模拟水泥土桩内部未受到盐水侵蚀的环境，后者模拟水泥土桩表层受盐水侵蚀的环境。对于浸泡养护，养护液取自东营港地下水，养护过程中每隔3 d换水一次。

1.2 单轴压缩试验

变形模量(刚度)是水泥土设计的重要参数。通常定义：当正应力达50%无侧限抗压强度时，水泥土应力—应变曲线相对应的切线模量，称为水泥土的变形模量E50，即刚度，如图1所示。

对两种养护环境下不同龄期的水泥土试件进行单轴压缩试验，得到表4及盐水浸泡养护下试件的纵向应力—应变关系曲线，如图2所示。

表4 水泥土抗压强度

2 水泥土桩长期刚度的预测方法

水泥土桩受盐水侵蚀而产生劣化的过程是缓慢的，表现为随盐水侵蚀发生有效桩径的减小和内部未腐蚀部分强度随龄期的持续增长。本部分基于崔新壮等[5]的研究成果进行进一步研究。

2.1 水泥土桩劣化深度预测

假定水泥土桩劣化的深度L范围内桩体的强度为0，未劣化部分桩体强度等于标准养护时单轴抗压强度quc，根据式(1)，式(2)可以求得劣化深度：

D2quw=d2quc

(1)

L=0.5(D-d)

(2)

其中，quw为水泥土桩在浸泡环境下的综合强度；D为水泥土桩的初始直径，室内试验中试件初始直径为50 mm；d为水泥土桩未劣化部分的直径。

同时崔新壮等[5]汇总了室内外不同环境下水泥土劣化深度和时间的关系，发现劣化深度与时间的双对数曲线近似呈斜率为0.5的线性关系：

lgL=a+0.5lgt

(3)

其中，L为劣化深度，mm；t为龄期，d；a为常数。

根据制备试件的室内单轴压缩试验结果，通过式(1)和式(2)可计算出试件在28 d，60 d，90 d，120 d及180 d的劣化深度分别为3.43 mm，5.24 mm，6.17 mm，7.38 mm及8.68 mm。

对水泥土试件劣化深度进行拟合(如图3所示)，可得a=-0.182 4，式(3)可改写为：

L=10-0.182 4+0.5lgt(R=0.92)

(4)

其中，R为拟合相关系数。

式(4)即可预测现场工程中水泥土的长期劣化深度。

2.2 水泥土桩内部强度的增长规律

对水泥土的室内外研究发现，水泥土的无侧限抗压强度随龄期的对数近似呈线性增长，而无关乎水泥的种类。因此，含盐水泥土桩内部未劣化部分抗压强度与龄期的关系可表达为：

quc=A+Blgt

(5)

其中，quc为含盐水泥土桩内部未劣化部分抗压强度，MPa；t为龄期，d；A，B均为常数，可通过对标准养护下水泥土试件的强度拟合得到。

根据式(5)对表3中养护室条件下的水泥土试件强度进行拟合(如图4所示)，可得：

quc=0.27+2.24lgt(R=0.96)

(6)

其中，R为拟合相关系数。

2.3 腐蚀环境中水泥土桩的长期强度预测

考虑水泥土桩在滨海腐蚀环境中的劣化效应，同时基于水泥土桩长期劣化深度和内部材料强度增长规律的预测，可得到劣化的水泥土桩长期强度的预测方法。

(7)

代入式(1)，式(4)，式(5)可得：

(8)

其中，quw为水泥土在浸泡环境下的综合强度；quc为未劣化部分的抗压强度；D为初始桩径，mm；L为劣化深度，mm。

2.4 腐蚀环境中水泥土桩的长期刚度预测

许多学者对变形模量E50(刚度)与无侧限抗压强度fcu之间的关系进行了研究[6,7]。结果表明，水泥土体的变形模量E50和无侧限抗压强度fcu近似符合线性对应关系：E50=C×fcu，其中，C为常数，取值介于50～200之间。由图2可以求得C大致取值为80。

因此，水泥土桩的长期刚度如下：

E50=80×fcu=

(9)

根据式(9)，以东营港滨海腐蚀环境下水泥土桩为研究对象，考虑桩体的劣化，得到不同桩径水泥土桩的长期刚度的变化规律，如图5所示。

观察图5可以发现，不考虑桩体腐蚀劣化的养护室环境中，水泥土桩的刚度随龄期的增长不断增大，表现为开始迅速上升，随后增加速度变缓并趋于稳定，这主要是由于前期水泥水化及硬化效应的结果；考虑桩体腐蚀劣化的滨海腐蚀环境中，水泥土桩前期刚度表现为迅速增大趋势，随后增大速率放缓，大致5年后，刚度随着龄期的增长开始逐渐减小，这主要是因为前期水泥土桩体的水化及硬化远远大于盐水对桩体的腐蚀，而随龄期的增长，水化反应结束，海水腐蚀下水泥土的劣化继续发生，导致随着时间的增长桩体综合刚度开始减小。

考虑桩体腐蚀劣化情况下，对比不同桩径下桩体刚度的变化可以发现，不同桩径水泥土桩前期的刚度变化曲线较为一致，均迅速增大，待刚度达到峰值后随着龄期的不断增长，刚度开始降低，且桩径越小桩体刚度减小速度越快。产生这种情况的原因是相同的腐蚀环境对水泥土桩的腐蚀速率相同，导致相同的腐蚀时间产生相同腐蚀深度，而相同的腐蚀深度下，桩径越小桩体所受到腐蚀的比率越大，残余刚度越小。

3 结论

1)腐蚀环境中水泥土桩的刚度会随龄期发生劣化，长期刚度表现为初期随龄期的增长迅速增大，约5年后随着龄期的增长刚度开始减小；

2)腐蚀环境中桩径对水泥土桩的劣化速率存在影响，桩径越小，长期刚度的减小速率越快，因此腐蚀环境中应尽量避免使用小桩径水泥土搅拌桩。

[1] TERASHI M, TANAKA H, MITSUMOTO T. Fundamental properties of lime and cement treated soil (3edReport)[R]. Report of Port and the Harbour Research Institute,1983(22):69-96 (in Japanese).

[2] HAYASHI H, NISHIKAWA J, OHISHI K, et al.Field observation of long term strength of cement treated soil[J]. Geotechnical Special Publication,2003(120):598-609.

[3] 陈四利,宁宝宽,刘一芳,等.化学侵蚀下水泥土的无侧限抗压强度试验[J].新型建筑材料,2006(6):40-42.[4] 邢皓枫,徐 超,叶观宝,等.可溶盐离子对高含盐水泥土强度影响的机理分析[J].中国公路学报,2008,21(6):26-30.

[5] 崔新壮,龚晓南,李术才,等.盐水环境下水泥土桩劣化效应及其对道路复合地基沉降的影响[J].中国公路学报,2015,28(5):66-76,86.

[6] Futaki M, Nakano K, Hagino Y. Design strength of soil cement columns as foundation ground for structures[A].Grouting and Deep Mixing Conference[C].Tokyo,1996:481-484.

[7] Lorenzo G A, Bergado D T. Fundamental characteristics of cement-admixed clay in deep mixing[J]. Journal of materials in civil engineering,2006,18(2):161-174.

The study of cement-soil pile long-term stiffness in corrosion environment

Hou Fei Zhang Lei Cui Sheqiang

(SchoolofCivilEngineeringofShandongUniversity,Jinan250061,China)

To understand the impact of corrosion environment of cement-soil pile, regard littoral corrosion environment of Dongying harbor as the research object, proposed long-term stiffness prediction method of cement-soil pile in corrosion environment, find that the long-term stiffness of cement-soil pile first increased and then decreased, and the smaller diameter of the pile the faster rate of decay of long-term stiffness.

soil-cement pile, corrosion environment, long-term stiffness, mechanical experiments

1009-6825(2017)06-0085-03

2016-12-18

侯 飞(1989- )，男，在读硕士； 张 磊(1992- )，男，在读硕士； 崔社强(1993- )，男，在读硕士

TU473.1

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