水泥土无侧限抗压强度试验分析

陈中学，李文广，任 涛，梁 鹏

(1.重庆市交通规划勘察设计院， 重庆 401121； 2.重庆市交通工程质量检测有限公司， 重庆 401121)



水泥土无侧限抗压强度试验分析

陈中学1，李文广1，任 涛2，梁 鹏1

(1.重庆市交通规划勘察设计院， 重庆 401121； 2.重庆市交通工程质量检测有限公司， 重庆 401121)

通过室内重塑土试样无侧限抗压强度试验，探讨在不同水泥标号、不同水泥掺量、不同龄期、不同软土条件下水泥土无侧限抗压强度发展规律。试验结果表明：龄期对水泥土无侧限抗压强度的提高比水泥掺量的影响更明显；425普通硅酸盐水泥对软土无侧限抗压强度的改善效果由好到差依次为粘土、淤泥质粘土、淤泥。325矿渣硅酸盐水泥对于淤泥土地基处理效果明显好于425普通硅酸盐水泥。以武汉某道路工程为依托，通过室内正交试验，考虑水泥土无侧限抗压强度的相关因素，找出影响粘土、淤泥质粘土、淤泥强度的主要影响因素，以便在工程中尽可能获得最好的软土加固效果。

水泥土；抗压强度；水泥掺量；龄期；软土

水泥土是依靠机械力搅拌或射流冲切，把地基的天然软土与水泥浆(或粉)混拌在一起形成桩体或墙体，从而加固软土地基。影响水泥土强度的因素较多，许多学者对此已进行了较为深入的研究。 例如，Fisher、Kawasaki等[1-2]分析了粘性土中掺入不同水泥的力学特性；郑刚、宫必宁等[3-4]对水泥土搅拌桩的承载力及水泥加固土的物理力学性质等进行了研究。然而，每个实际工程均有其自身的特点，故影响水泥土强度的主要因素不尽相同。地下连续墙是常见深基坑处理措施之一，而墙体经常采用水泥土，其力学性能决定了基坑支护的效果[5-7]。目前，大部分学者均对水泥掺量、水泥标号、龄期、外加剂等因素影响进行了研究。本文根据现场施工条件，探讨水泥土无侧限抗压强度时除考虑上述因素外还考虑了软土本身的影响。国内研究资料表明，多数学者认为水泥掺量是水泥土强度影响的主要因素，而本文基于正交试验结果，认为水泥掺量对粘土、淤泥质粘土、淤泥无侧限抗压强度提高程度不尽相同。

本文以武汉市某道路工程为依托，对水泥土强度的影响因素展开研究，旨在找出各因素对水泥土强度的影响程度，以便能在施工中抓住主要控制因素，保证工程质量。

1 工程概况

1.1 地质及气候概况

武汉市某道路工程全长约440 m。场地主要为菜地，地形较平坦，现状地面高程一般约在17～18 m。场地地貌单元属湖泊堆积平原，相当于长江一级阶地。

武汉市属于我国东南季风气候区，具有夏季炎热、冬季寒冷、降水充沛等主要气候特点，年平均气温15.9 ℃,极端最高气温41.3 ℃，极端最低气温-18 ℃。多年平均降雨量1 261.2 mm，降雨多集中在6—8月，占全年总降雨量的41%。最大年降水量 2 107.1 mm，最大日降水量332.6 mm，年平均雨水蒸发量为1 447.9 mm，年平均绝对湿度为16.4 mb，湿度系数为0.90，大气影响急剧深度为1.35 m。

1.2 水文地质概况

在勘探孔勘探揭示的深度范围内，该道路工程场地地基土主要由人工填土、全新统湖积相淤泥、一般粘性土及冲洪积相粗砾砂构成，下伏白垩-上第三系粉砂质泥岩。

场地地表水位标高17.20 m。在勘探孔揭示的深度范围内，该道路工程沿线地下水主要为上层滞水和承压水。上层滞水主要赋存于场地上部人工填土中，场地主要接受大气降水、灌溉用水入渗补给，对工程施工影响较小，施工时可及时抽排疏干处理。施工勘察期间，测得上层滞水水位标高为16.30～17.30 m，承压水主要赋存于粗砾砂层中，对工程影响较小。因此，本文结合场地沿线周边环境地质条件并按照GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》有关规定，判定沿线地表水及地下水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。

2 水泥土无侧限抗压强度试验

2.1 试验目的

通过室内配制水泥土，对其开展无侧限抗压强度试验，以获得在不同水泥含量及不同龄期下水泥土的无侧限抗压强度，从而为武汉市某道路工程水泥土软土地基处理提供理论指导。

2.2 试验设备

试验使用南京电力自动化设备总厂生产的SJ-1 A.G型应变控制式三轴剪切仪，如图1所示。试验过程如图2所示。

图1 SJ-1A.G 型三轴剪切仪

图2 试验过程

2.3 试验设计参数

土样：淤泥、粘土、淤泥质粘土。

水泥掺量：50、55和60 kg/m。

水泥浆水灰比：0.50。

试验龄期：7、14和28 d。

2.4 试验方法

对地面以下1.5 m淤泥、4.0 m粘土、5.5 m淤泥质粘土等3种土进行水泥土无侧限抗压强度试验。试验用水泥为425号普通硅酸盐水泥，以及用于对比的325号矿渣硅酸盐水泥。拌和水为自来水。

具体试验过程如下：1) 按照50、55和60 kg/m计算，将现场所取并保湿的土样放入塑料盆中备用；2) 分别称适量的水泥和拌和水，采用水灰比为0.5的水泥浆倒入湿土盆中；3) 用铁铲初拌，人工揉和拌匀，分3层装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm铁模内，每层用20 mm×40 mm×200 mm木块捣实20次，最后刮平表面，并盖上塑料薄膜；4) 2 d后拆膜，拆模后将土样置于温度为(20±2)℃的水中养护至试验龄期。本次试验进行3组平行试验。

2.5 试验结果

淤泥、粘土、淤泥质粘土中加入425号普通硅酸盐水泥土的试验结果见表1～3。淤泥中加入325矿渣硅酸盐水泥土的试验结果见表4。影响水泥土搅拌桩抗压强度的因素包括土样性质、水泥掺量、水泥强度等级、水灰比、龄期等。

采用南京电力自动化设备总厂生产的SJ-1A.G型应变控制式三轴剪切仪进行试验，每0.05 mm变形记录试验压力。每种不同水泥含量及养护时间水泥土试样进行3次平行试验，试样为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体，试验结果如图3所示。

表1 不同水泥含量及龄期水泥土(淤泥)强度

图3 不同龄期不同水泥含量水泥土(淤泥)应力-应变关系曲线

水泥掺量/(kg·m-1)不同龄期(d)下的水泥土(粘土)无侧限抗压强度/MPa71428500.4950.6000.867550.5700.9470.953600.7601.1301.677

表3 不同水泥含量及龄期水泥土(淤泥质粘土)强度

3 试验结果分析

3.1 水泥掺量的影响

由表1可知，对于水灰比为0.50，淤泥配置的水泥土试件，当水泥掺量从50 kg/m增至55 kg/m再至60kg/m时，其7d龄期无侧限抗压强度从0.130 MPa增至0.150 MPa再至0.257 MPa，分别增大15.4%和98%；其14d龄期无侧限抗压强度从0.187 MPa增至0.203 MPa再至0.260 MPa，分别增大8.6%和39%；其28 d龄期无侧限抗压强度从0.207 MPa增至0.230 MPa再至0.300 MPa，分别增大11%和45%。

表4 不同水泥含量及龄期水泥土(淤泥中加入325号矿渣硅酸盐水泥)强度

由表2可知，对于水灰比为0.50，粘土配置的水泥土试件，当水泥掺量从50 kg/m增至55 kg/m再至60 kg/m时，其7 d龄期无侧限抗压强度从0.495 MPa增至0.570 MPa再至0.760 MPa，分别增大15%和54%；其14 d龄期无侧限抗压强度从0.600 MPa增至0.947 MPa再至1.130 MPa，分别增大58%和88%；其28 d龄期无侧限抗压强度从0.867 MPa增至0.953 MPa再至1.677 MPa，分别增大10%和92%。

由表3可知，对于水灰比为0.50，淤泥质粘土配置的水泥土试件，当水泥掺量从50 kg/m增至55 kg/m再至60 kg/m时，其7 d龄期无侧限抗压强度从0.217 MPa增至0.220 MPa再至0.300 MPa，分别增大1.4%和38%；其14 d龄期无侧限抗压强度从0.293 MPa增至0.363 MPa再至0.377 MPa，分别增大24%和29%；其28 d龄期无侧限抗压强度从0.553 MPa增至0.583 MPa再至0.583 MPa，分别增大5.4%和5.4%。

由以上分析可知，随着水泥掺量增大，各试件的无侧限抗压强度也随之越大。水泥对软土的加固主要是由于水泥与土之间会产生物理、化学反应所致，包括水泥水解和水化反应、硬凝反应、水泥与软土之间的离子交换和团粒化作用。水泥作为加固剂，其掺量越大，与软土的物理化学作用进行得越快，程度越深入，则其对软土的加固作用就越大，效果就越显著。同时，水泥掺入软土中可减小土样的含水量，有利于土样固结，从而可提高水泥土的无侧限抗压强度，改善加固效果。

3.2 水泥种类的影响

由表1、表4可知，对于水灰比为0.50，淤泥配置的水泥土试件，当水泥掺量从50 kg/m增至55 kg/m再至60 kg/m时，采用325矿渣硅酸盐水泥的试件比采用425普通硅酸水泥的试件其7 d龄期无侧限抗压强度分别增加186.9%、173.3%、98.4%；其14 d龄期无侧限抗压强度分别增加213.9%、269%、219.2%；其28 d龄期无侧限抗压强度分别增加289.8%、476.9%、374.3%。

由以上分析可知，325矿渣硅酸盐水泥对淤泥的加固效果明显好于425普通硅酸盐水泥，水泥种类对不同土的加固效果亦有差别。

3.3 龄期影响

由表1可知，对于水灰比为0.50，淤泥配置的水泥土试件，当水泥掺量为50 kg/m时，其7、14和28 d龄期无侧限抗压强度从0.130 MPa增至0.187 MPa再至0.207 MPa，分别增大44%和59%；当水泥掺量为55 kg/m时，其7、14和28 d龄期从0.150 MPa增至0.203 MPa再至0.230 MPa，分别增大35.3%和53%；当水泥掺量为60 kg/m时，其7、14和28 d龄期从0.257 MPa增至0.260 MPa再至0.300 MPa，分别增大1.1%和17%。对于水灰比为0.50，粘土配置的水泥土试件，当水泥掺量为50 kg/m 时，其7、14和28 d龄期无侧限抗压强度从0.495 MPa增至0.600 MPa再至0.867 MPa，分别增大21%和75%；当水泥掺量为55 kg/m时，其7、14和28 d龄期从0.570 MPa增至0.947 MPa再至0.953 MPa，分别增大66%和67%；当水泥掺量为60 kg/m时，其7、14和28 d龄期从0.760 MPa增至1.130 MPa再至1.677 MPa，分别增大49%和121%。对于水灰比为0.50，淤泥质粘土配置的水泥土试件，当水泥掺量为50 kg/m时，其7、14和28 d龄期无侧限抗压强度从0.217 MPa增至0.293 MPa再至0.553 MPa，分别增大35%和155%；当水泥掺量为55 kg/m时，其7、14和28 d龄期从0.220 MPa增至0.363 MPa再至0.583 MPa，分别增大65%和165%；当水泥掺量为60 kg/m时，其7、14和28 d龄期从0.300 MPa增至0.377 MPa再至0.583 MPa，分别增大26%和94%。

由上述分析可知，当其它条件相同时，水泥土无侧限抗压强度随龄期增长而增大。水泥作为一种水硬性材料，在有水的条件下，其熟料矿物与水发生水化反应，形成水化产物，水化产物凝聚产生强度。水泥早期水化非常迅速，当水泥颗粒与水接触后，水化反应立即开始。水泥颗粒外层首先水化，当水化进行到一定程度后，水化产物包裹其表面，致使内部未水化的水泥核心进一步水化变得困难，水化速度大大降低，导致水泥完全水化需要相当长的时间。由此可见，水泥水化是一个长期过程。随着水泥不断水化，水泥土的强度不断增长。水泥加固软土的基本原理是基于水泥加固土的物理、化学反应。水泥土中，由于水泥掺量较少，水泥的水解和水化反应是在具有一定活性的介质土围绕下进行的，导致硬化速度缓慢且作用复杂，从而致使水泥土强度增长过程比较缓慢。另外，水泥硬凝反应、水泥与软土之间的离子交换和团粒化作用也是一个长期过程，因此致使水泥土强度增长过程比较缓慢。

3.4 软土本身的影响

考虑到土样本身含水量、有机质含量和pH值等因素对水泥土无侧限抗压强度也有影响，因此水泥对土的加固效果存在明显差异。当水泥土配合比相同时，其强度随土样天然含水量降低而增大。研究表明，当土样含水量在50%～85%范围内变化时，含水量每降低10%，水泥土强度可提高30%～50%；有机质含量少的水泥土强度比有机质含量高的水泥土强度高得多。有机质的存在致使土层具有较大的含水量和塑性、较大的膨胀性和低渗透性，并使土层具有一定的酸性，阻碍水泥水化反应和土样固结，影响水泥土强度增长。

综上所述，随着水泥含量增大和龄期增长，水泥土无侧限抗压强度也有所增大。但对于淤泥质土而言，水泥掺量的增加对水泥土强度增加不明显。

4 结论

本文对武汉某道路工程水泥土强度进行了试验研究，得出如下结论：

1) 影响水泥土搅拌桩抗压强度的因素包括水泥掺量、龄期和土样性质等。

2) 淤泥、粘土及淤泥质粘土掺加不同强度的硅酸盐水泥所形成的水泥土其无侧限抗压强度随水泥用量增加而增大，随龄期增长而增大。就本次试验而言，龄期对水泥土无侧限抗压强度的提高比水泥掺量的影响更明显。

3) 对于425号普通硅酸盐水泥而言，相同水泥掺量及相同龄期条件下，水泥对粘土无侧限抗压强度的改善效果最佳，淤泥质粘土次之，淤泥的改善效果最差。

4) 淤泥中掺加325号矿渣硅酸盐水泥时，水泥含量和水泥土养护时间对水泥土的无侧限抗压强度影响都较大。325号矿渣硅酸盐水泥对于淤泥土地基处理效果明显好于425号普通硅酸盐水泥。

[1] FISHER K P. Properties of An Artificially Cenenter-Clay[J]. Canadian Geotechnical Journal，1978，15(1):25-37.

[2] KAWASAKI T. Deep Mixing Using Cement H ardening Agent[C]//Proc 10th International Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering.Stockhom:ICSMFE，1981：105-123.

[3] 郑 刚，姜忻良.水泥搅拌桩复合地基承载力研究[J].岩土力学，1999(3)：168-170.

[4] 宫必宁，李淞泉.软土地基水泥深层搅拌加固土物理力学特性研究[J].河海大学学报，2000(2)：101-105.

[5] 庄心善，王功勋.含工业废料加固土的特性研究土木工程学报[J].土木工程学报，2005，38(8)：114-117.

[6] 宁建国，黄 新.固化土结构形成及强度增长形成机理试验[J].北京航空航天大学学报，2006(1)：97-102.

[7] 黄 新，宁建国，郭 晔，等.水泥含量对固化土结构形成的影响研究[J].岩土工程学报，2006(4)：436-441.

Unconfined Compressive Strength Test Analysis for Cement Soil

CHEN Zhongxue1, LI Wenguang1, REN Tao2, LIANG Peng1

Through indoor unconfined compressive strength test on remodeled soil sample, we explore development rule of unconfined compressive strength of cement soil of different cement grade, different cement content, different age, and different soft soil conditions. The test results show that the cement age has more significant influence to unconfined compressive strength of cement soil than that of cement content; 425 common Portland cement's meliorating effect to unconfined compressive strength of cement soil, from good to bad, is clay, sludge soil, sludge. For sludge soil, 325 slag Portland cement has much better treatment effect than that of 425 common Portland cement. Based on certain road project in Wuhan City, by indoor orthogonal test, with related factors for unconfined compressive strength of cement soil considered, we find out major influence factors for clay, sludge soil and sludge strength, so to acquire best soft soil reinforcement during project construction.

Cement soil; compressive strength; cement content; age; soft soil

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.002

2016-06-06

陈中学(1978-)，男，湖北省当阳市人，博士，高工。

1009-6477(2016)05-0004-05

U414

A