洞庭湖区淤泥质黏土水泥土力学性能试验研究*

阮庆，阮波，曾元，温凯，李贤超

(中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

淤泥类软土具有含水率高，孔隙比大，压缩性高，渗透性低和固结系数小等特性，这些特性决定了淤泥类软土无法直接作为天然地基。水泥土具有水硬、高强、低压缩性、低渗透性等特性。考虑到水泥土和淤泥质黏土的特性，可以采用水泥改良淤泥质黏土形成淤泥质黏土水泥土，以改善淤泥质黏土的力学性能，达到满足工程对承载力、压缩和渗透等特性的要求。国内外学者对水泥土力学性能研究已经做了大量的工作。Bagheri等［1］对粉砂水泥土进行固结不排水三轴试验和无侧限抗压强度试验，研究了粉砂水泥土的强度和力学特性;Kyu等［2］对水泥固化高岭土进行试验研究，得出水泥可以增加水泥固化土的强度，但降低了在排水固结条件下试样的轴向应变;Antonio等［3］通过对无侧限抗压强度试验结果作定量分析，得出了水泥掺入比和砂土孔隙率在不同状态和应力条件下对砂土水泥土强度的影响;Ramy等［4］通过无侧限抗压强度试验研究软黏土水泥土的力学性能随着水泥掺入比不同和养护龄期增加的变化趋势;周丽萍等［5－6］对粉质黏土水泥土的力学性质进行试验研究得出水泥土无侧限抗压强度、应力～应变关系的变化规律;潘林有等［7－8］对黏土水泥土抗压强度进行室内正交试验研究，得到水泥土力学性能的影响因素及变化规律。目前，国内外学者对砂土、高岭土、粉质黏土、黏土等土类水泥改良土力学性能的研究的较多，对淤泥质黏土水泥土的力学性能研究较少，至于前者的力学性能与后者的力学性能是否相同，目前还缺乏深入的比较分析。本文在前人对水泥土力学性能研究的基础上，结合湖南洞庭湖区某高速公路淤泥质黏土软基处理工程，对淤泥质黏土水泥土的力学性能进行室内试验研究，研究成果可以供工程实践参考，也可以供分析比较淤泥质黏土水泥土与其他土质水泥土的力学性能。

1 试验方案设计

1.1 材料

试验采用湖南洞庭湖区某高速公路软基淤泥质黏土，其原状土的主要物理力学指标见表1。水泥为Po.32.5级普通硅酸盐水泥，水泥的物理力学指标见表2。水为自来水。

表1 原状土的主要物理力学指标Table 1 Geotechnical index properties of the undisturbed soil

表2 水泥的物理力学指标Table 2 Some characteristics of cements used for preparing specimens

1.2 试验设计

规范［9］规定对竖向承载的水泥土强度取90 d龄期试件的立方体无侧限抗压强度平均值，对承受水平荷载的水泥土强度宜取28 d龄期试块强度的立方体无侧限抗压强度平均值，所以试验中研究淤泥质黏土水泥土的力学性能时选取无侧限抗压强度为研究对象，然后根据无侧限抗压强度试验结果，对淤泥质黏土水泥土应力应变关系曲线、变形模量、破坏模式等有关典型力学性能方面进行研究。

按照规范要求，采用尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的试模，进行水泥土室内配比试验，水泥掺入比分别为10%，15%，20%，25%，30%，35%和40%，含水率取60%，70%，80%和90%，养护龄期取7，14，28，60 和 90 d，即进行 140组试验，每组制作6个平行试样，共计制作840个试样。水泥土试样到达规定的龄期后进行无侧限抗压强度试验，取每组6个平行试样的抗压强度平均值作为该组试样对应的配合比和龄期的无侧限抗压强度值。其中，水泥掺入比和含水率均是以风干土的质量为基数进行计算，水泥掺入比计算见公式(1)。

式中:aw为水泥掺入比;mc为水泥质量;ms为淤泥质黏土的风干土质量。

1.3 试样制备

首先将土样风干、碾碎，并过孔径为5 mm的标准筛，然后取筛分后的干土进行试验。试验时先按照每组试验的设计配合比，分别称取6个试样所需的干土、水泥和水，然后先将风干土和水泥均匀混合，再洒水搅拌直至均匀，搅拌时间控制在15 min左右。

试样成型前，在试模内表面涂一薄层机油，防止试样和试模黏接，有利于拆模。装样时先向试模内装一半试料，然后按螺旋方向从边缘向中心均匀插捣且插捣15次，在插捣底层拌合物时，捣棒插到试模底部，插捣上层时，捣棒贯穿该层后插入下一层5～15 mm，插捣时保持插棒竖直，插捣后再用刮刀沿试模内壁插拔数次。之后，把该试模放在振动台上振实2 min，振实后拌合物应高于试模上沿口。最后，刮除试模顶部多余的水泥土，刮平后盖上塑料薄膜，防止水分蒸发过快。

24 h后进行拆模、编号，然后放入养护室中进行养护，养护条件为:温度为(20±2)℃，相对湿度≥95%。

当某组试件到了规定的养护龄期，取出该组的6个平行试件，采用微机控制电子万能试验机按照规范要求进行水泥土无侧限抗压强度试验。

2 试验结果与分析

对140组试验结果进行分析发现，含水率为70%，80%和90%时养护龄期、水泥掺入比对水泥土无侧限抗压强度的影响、水泥土应力应变关系变化规律、水泥土无侧限抗压强度与变形模量的关系均与含水率为60%时的大致相同，水泥掺入比为25%时含水率对水泥土无侧限抗压强度的影响与水泥掺入比为25%时的基本相同，所以选取具有代表性的含水率为60%水泥土的试验结果进行水泥土无侧限抗压强度影响因素、应力应变变化规律以及变形模量分析，而选取具有代表性的水泥掺入比为25%水泥土的试验结果进行含水率对水泥土无侧限抗压强度的影响分析。

2.1 各因素对水泥土无侧限抗压强度的影响

2.1.1 养护龄期对水泥土的无侧限抗压强度的影响

含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度试验结果见表3，养护龄期与含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线见图1。

表3 含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度试验结果Table 3 UCS of cement stabilized soil for 60%moisture content at different curing day MPa

图1 养护龄期与含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线Fig.1 Curing period versus UCS of cement stabilized soil for 60%moisture content

分析表3和图1发现，水泥土无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而增大，其中前期抗压强度增长的速率较大，后期较小。另外，由表3可以发现，28 d龄期的无侧限抗压强度是90 d龄期的无侧限抗压强度的55% ～73%，说明水泥土的后期抗压强度增长量仍然很大。

2.1.2 水泥掺入比对水泥土的无侧限抗压强度的影响

根据表3绘制水泥掺入比与含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线，见图2。

图2 水泥掺入比与含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线Fig.2 Cement ratio versus UCS of cement stabilized soil for 60%moisture content

分析表3和图2可以发现，水泥掺入比为10%，15%，20%，25%，30%和35%的强度分别是水泥掺入比为40%强度的9% ～34%，29% ～40%，42% ～50%，56% ～61%，69% ～71%和84%～87%，说明水泥土无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而增加。另外，还可以发现水泥土抗压强度增长速率随着水泥掺入比的增加而增大。

2.1.3 含水率对水泥土的无侧限抗压强度的影响

水泥掺入比为25%的水泥土无侧限抗压强度试验结果见表4，含水率与水泥掺入比为25%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线见图3。

表4 水泥掺入比为25%的水泥土无侧限抗压强度试验结果Table 4 Unconfined compressive strength of cement stabilized soil for 25%cement content MPa

结合表4和图3可以看出，水泥土无侧限抗压强度随着含水率的增加而减小，减小速率是逐渐减小。含水率为70%，80%和90%的强度是含水率为60%强度的69% ～83%，51% ～63%和41%～50%。可见，含水率不同，水泥土强度变化的幅值比较明显。因此，从机理上讲，在一定范围内，采用水泥固化含水率高的淤泥质黏土，强度提高的效果更显著。

图3 含水率与水泥掺入比为25%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线Fig.3 Moisture content versus UCS of cement stabilized soil for 25%cement ratio

2.2 水泥土的应力与应变关系

2.2.1 水泥土应力～应变关系曲线变化规律

在以往试验中，研究人员大多数选取龄期为28 d的试验数据进行应力～应变关系分析［10－12］。结合表3含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度试验结果，选取具有代表性的含水率为60%，龄期为60 d的不同水泥掺入比的水泥土无侧限抗压强度试验结果，进行水泥土应力～应变关系分析，其应力～应变关系曲线见图4。

图4 含水率为60%，龄期为60 d水泥土应力～应变关系曲线Fig.4 Stress versus strain of cement stabilized soil for 60%moisture content at 60 curing days

从图4可以看出，各水泥掺入比的水泥土应力～应变全过程曲线大致可以分为4个阶段。

第1阶段为加载初始阶段，应力随着应变的增大而增加，应力～应变关系曲线近似成线性关系，并随着水泥掺入比的增大，这种线性关系也来也越来越明显，而且直线的斜率也逐渐增大，即应力随着应变增长的速率逐渐增大。

第2阶段为塑性上升阶段，在应力接近峰值时，应力～应变关系曲线出现明显的弯曲，逐渐偏离直线，应力逐渐增大。随着水泥掺入比的增大，塑性上升阶段的斜率也逐渐增大，但到达应力峰值附近，斜率却减小。

第3阶段为应力～应变下降阶段，当达到应力峰值后，应力随着应变的增大而逐渐减小，而且随着水泥掺入比的增加，这种减小的趋势逐渐明显。

第4阶段为应力～应变进入残余强度阶段，当各应力～应变曲线下降阶段应力减小到某一值后，应力～应变曲线趋于一条直线，虽然应力变化不大，但是应变仍然在增加，说明试件产生了较大的塑性变形。另外，结合试验过程中试件变形情况可以发现，当试件破坏时，试件仍可以承受一定的压力，说明此时试件仍然存在有残余应力和残余应变。

2.2.2 水泥土变形模量分析

在实际工程中，水泥土的变形参数常用变形模量E50来衡量，其中E50指应力为无侧限抗压强度的50%对应的水泥土的割线模量［10］。含水率为60%，龄期为60 d的水泥土无侧限抗压强度与变形模量的关系计算结果见表5。

表5 含水率为60%、龄期为60 d的无侧限抗压强度与变形模量的关系Table 5 Unconfined compressive strength(qu)versus deformation modulus E50of cement stabilized soil for 60%moisture content at 60 curing days MPa

从表5中可得出:对于某一龄期，水泥土的变形模量随着水泥土的无侧限抗压强度的增大而增大;E50/qu随着无侧限抗压强度的增加而增加;对于60 d龄期的淤泥质黏土水泥土的变形模量一般用E50=(33～74)qu来估算。

2.3 水泥土试样的破坏模式

在试验过程中，观察试件单轴受压变形可以发现，含水率高、水泥掺入比低、龄期短的试件呈现塑性破坏;含水率低、水泥掺入比高、龄期长的试件呈现塑性破坏。塑性破坏典型照片见图5，脆性破坏的典型照片见图6。

图5 水泥土塑性破坏Fig.5 Plastic fracture of cement stabilized soil

图6 水泥土脆性破坏Fig.6 Fragile fracture of cement stabilized soil

3 结论

(1)淤泥质黏土水泥土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而增大，随着水泥掺入比的增大而增大，随着含水率的增大而减小。

(2)根据水泥土应力～应变关系曲线，将应力随应变的变化分为了4个阶段。

(3)通过对水泥土变形模量E50与无侧限抗压强度qu关系的分析，得到了某一龄期水泥土的变形模量E50的变化规律及其变化范围估计式。

(4)含水率高、水泥掺入比低、龄期短的试件呈现塑性破坏;含水率低、水泥掺入比高、龄期长的试件呈现塑性破坏。

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