淤泥質(zhì)黏土水泥土典型力學(xué)性能指標(biāo)試驗研究.doc

淤泥質(zhì)黏土水泥土典型力學(xué)性能指標(biāo)試驗研究阮慶，阮波，曾元，溫凱，李賢超（中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）摘要：結(jié)合湖南洞庭湖區(qū)某高速公路淤泥質(zhì)黏土軟基處理工程，進(jìn)行淤泥質(zhì)黏土水泥土室內(nèi)配合比試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，研究水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和變形模量的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：淤泥質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期和水泥摻入比的增加而增加，隨著含水率的增大而減小；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長速率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小，隨著水泥摻入比的增大而增大；水泥土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線可以分為加載初始階段、塑性上升階段、應(yīng)力應(yīng)變下降階段和殘余強(qiáng)度階段等四個階段；水泥土的變形模量隨著水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而增大；高含水率、低水泥摻入比、短齡期的試件呈現(xiàn)塑性破壞；低含水率、高水泥摻入比、長齡期的試件呈現(xiàn)脆性破壞。關(guān)鍵詞：淤泥質(zhì)黏土；水泥土；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；影響因素；變形模量；破壞模式中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：Experimental research on typical mechanical performance indexof cement stabilized muddy clay RUAN Qing，RUAN Bo，ZENG Yuan，WEN Kai，LI Xian-chao（School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075，China）Abstract：Mechanical properties of cement stabilized muddy clay for highway soft soil foundation, which was in Dong-ting Lake area, was discussed through the laboratory test of cement stabilized soil mixing proportion combined with unconfined compressive strength(UCS) test. The factors influencing UCS，and the change rules of stress-strain relationship and deformation modulus were chosen as the mechanical properties studied. The results indicated that with the increase of curing period and cement ratio, the strength of the specimens increased significantly, however, the strength of the specimens decreased with the increase of moisture content. The development of the growth rate for UCS was achieved by increasing cement ratio. Nevertheless, the decrease rate of UCS resulted from the increase of curing days. The initial leading stage，plastic growth stage，stress-stain decreased stage，and residual strength stage made up stress-stain versus of cement stabilized muddy clay. The deformation modulus of cement stabilized soil increased with the growth of UCS. Plastic fracture could be described fracture characteristics of the specimen with high moisture content, low cement ratio and short curing 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（50678175）；中南大學(xué)實(shí)驗室開放專項基金資助項目通訊作者：阮波（1972- ）男，河南新縣人，博士，副教授，從事巖土工程方面的研究。days. At the same time, the fracture characteristics of the specimen with low moisture content, high cement ratioand long curing days.Key words：muddy clay；cement stabilized soil；UCS；influencing factor；deformation modulus；fracture characteristics淤泥類軟土具有高含水率，高孔隙比，高壓縮性，低滲透性，低固結(jié)系數(shù)等特性，這些特性決定了淤泥類軟土無法直接作為天然地基。水泥土具有水硬、高強(qiáng)、低壓縮性、低滲透性等特性?？紤]到水泥土和淤泥質(zhì)黏土的特性，可以采用水泥改良淤泥形成淤泥質(zhì)黏土水泥土，以改善淤泥質(zhì)黏土的力學(xué)性能，達(dá)到滿足工程對承載力、壓縮、滲透等特性的要求。國內(nèi)外學(xué)者對水泥土力學(xué)性能研究已經(jīng)做了大量的工作。Bagheri1等對粉砂水泥土進(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，研究了粉砂水泥土的強(qiáng)度和力學(xué)特性；Kyu Hawn等2對水泥固化高嶺土進(jìn)行試驗研究，得出水泥可以增加水泥固化土的強(qiáng)度，但降低了在排水固結(jié)條件下試樣的軸向應(yīng)變；Fonseca等3通過對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的結(jié)果作定量分析水泥摻入比和砂土孔隙率在不同狀態(tài)和應(yīng)力條件下對砂土水泥土強(qiáng)度的影響；朱大宇4對上海地區(qū)的褐色黏土水泥土進(jìn)行了工程力學(xué)性能試驗研究得出了水泥土的基本力學(xué)參數(shù)；周麗萍等5-6對粉質(zhì)黏土水泥土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗研究得出其水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的變化規(guī)律；潘林有等7-8對黏土水泥土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行室內(nèi)正交試驗研究，得到水泥土力學(xué)性能的影響因素及變化規(guī)律。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水泥土的力學(xué)性能的研究在砂土、高嶺土、粉質(zhì)黏土、黏土等方面研究的較多，對淤泥質(zhì)黏土水泥土的力學(xué)性能研究較少，至于前者的力學(xué)性能與后者的力學(xué)性能是否相同，目前還缺乏深入的比較分析。本文在前人對水泥土力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖南洞庭湖區(qū)某高速公路淤泥質(zhì)黏土軟基處理工程，對淤泥質(zhì)黏土水泥土的力學(xué)性能進(jìn)行室內(nèi)試驗研究，可以供工程實(shí)踐參考，同時也可以供進(jìn)一步比較分析淤泥質(zhì)黏土水泥土的力學(xué)性能與其他土質(zhì)的水泥土力學(xué)性能的關(guān)系。1試驗方案設(shè)計1.1 材料試驗采用湖南洞庭湖區(qū)某高速公路軟基淤泥質(zhì)黏土，其原狀土的主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。水泥為Po.32.5級普通硅酸鹽水泥，水泥的物理力學(xué)指標(biāo)見表2。水為自來水。表1原狀土的主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Geotechnical properties of the undisturbed soil 含水率w/%密度/（g/cm3)干密度d（g/cm3)比重Gs孔隙比e液限wL/%塑限wP/%塑性指數(shù)IP液性指數(shù)IL黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角/()47.51.711.162.691.3253.926.718.61.1210.922.2表2 水泥的物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Some characteristics of cements used for preparing specimens干密度/（gcm3）細(xì)度/%初凝時間/min終凝時間/min安定性抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa3.101.1120220合格8.240.31.2試驗設(shè)計規(guī)范9規(guī)定豎向承載的水泥土強(qiáng)度取90d齡期試件的立方體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，對承受水平荷載的水泥土強(qiáng)度宜取28d齡期試塊強(qiáng)度的立方體強(qiáng)度平均值，所以試驗中研究水土淤泥質(zhì)黏土水泥土的力學(xué)性能時選取無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為研究對象，然后根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，研究試塊的受力、變形和破壞模式，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、變形模量、破壞模式等有關(guān)典型力學(xué)性能方面的分析。按照規(guī)范要求 9，采用尺寸為70.7mm70.7mm70.7mm的試模，進(jìn)行水泥土室內(nèi)配比試驗，水泥摻入比分別為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，含水率取60%、70%、80%、90%，養(yǎng)護(hù)齡期取7d、14d、28d、60d、90d，即進(jìn)行140組試驗，每組制作6個平行試樣，共計制作840個試樣。水泥土試樣到達(dá)規(guī)定的齡期后進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗，取每組取6個平行試樣抗壓強(qiáng)度平均值作為該配合比試件對應(yīng)齡期的無測限抗壓強(qiáng)度值。其中，水泥摻入比和含水率均是以風(fēng)干土的質(zhì)量為基數(shù)進(jìn)行計算，水泥摻入比計算見公式（1）。水泥摻入比計算公式： （1）式中，aw為水泥摻入比，mc為水泥質(zhì)量，ms為淤泥質(zhì)黏土的風(fēng)干土質(zhì)量。1.3試樣制備首先將土樣風(fēng)干、碾碎，并過孔徑為5mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，然后取篩分后的干土進(jìn)行試驗。試驗時先按照每組試驗的設(shè)計配合比，分別稱取6個試樣所需的干土、水泥和水，然后先將風(fēng)干土和水泥均勻混合，再灑水?dāng)嚢柚敝辆鶆?，攪拌時間控制在15分鐘左右。在試樣成型前，試模內(nèi)表面涂一薄層機(jī)油，防止試樣和試模粘接，有利于拆模。裝樣時先向試模內(nèi)裝一半試料，然后按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗且插搗15次，在插搗底層拌合物時，搗棒插到試模底部，插搗上層時，搗棒貫穿該層后插入下一層5mm15mm，插搗時保持插棒豎直，插搗后再用刮刀沿試模內(nèi)壁插拔數(shù)次。然后把該試模放在振動臺上振實(shí)2min，振實(shí)后拌合物應(yīng)高于試模上沿口。最后，刮除試模頂部多余的水泥土，刮平后應(yīng)蓋上塑料薄膜，防止水分蒸發(fā)過快。24h后進(jìn)行拆模、編號，然后放入養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為：溫度為（202），相對濕度95%。當(dāng)某組試件到了規(guī)定的養(yǎng)護(hù)齡期，取出該組的6個平行試件，采用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)按照規(guī)范要求進(jìn)行水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。2試驗結(jié)果與分析對140組試驗結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，含水率為70%、80%、90%時養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻入比對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響、水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系變化規(guī)律、水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與變形模量的關(guān)系與含水率為60%時的大致相同，水泥摻入比為25%時含水率對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響與水泥摻入比為25%時的基本相同，所以選取含水率為60%進(jìn)行水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系變化規(guī)律以及變形模量分析，而選取水泥摻入比為25%作為含水率對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響分析。2.1各因素對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響2.1.1養(yǎng)護(hù)齡期對水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見表3，養(yǎng)護(hù)齡期與含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線見圖1。表3含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果Table 3 UCS of 60% moisture content cement stabilized soil at different curing day （MPa）齡期/d摻入比/%1015202530354070.230.390.520.70.881.091.25140.330.490.630.841.011.291.46280.510.650.801.021.281.571.76600.720.891.091.331.621.92.18900.821.051.271.551.812.162.41圖1 養(yǎng)護(hù)齡期與含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.1 Curing period versus UCS for 60% moisture content cement stabilized soil分析試驗結(jié)果表3和圖1發(fā)現(xiàn)，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，其中前期抗壓強(qiáng)度增長的速率較快，后期較慢。另外，由表3可以發(fā)現(xiàn)28d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是90d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的55%73%，說明水泥土后期的強(qiáng)度增長量仍然很大。2.1.2水泥摻入比對水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響根據(jù)表3繪制水泥摻入比與含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，見圖2。圖2 水泥摻入比與含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線 Fig.2 Cement ratio versus UCS for 60% moisture content cement stabilized soil結(jié)合試驗結(jié)果表3和圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而增加，增長速率隨著水泥摻入比的增加而增大。水泥摻入比為10%、15%、20%、25%、30%、35%的強(qiáng)度分別是水泥摻入比為40%強(qiáng)度的9%34%、29%40%、42%50%、56%61%、69%71%、84%87%。2.1.3含水率對水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響水泥摻入比為25%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見表4，含水率與水泥摻入比為25%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線見圖3。表4水泥摻入比為25%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果 Table 4 Unconfined compressive strength of 25% cement content cement stabilized soil （MPa） 含水率/%齡期/d714286090600.70.841.021.331.55700.490.640.81.111.24800.360.440.60.810.98900.290.340.460.670.76圖3 含水率與水泥摻入比為25%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.3 Moisture content versus UCS for 25% cement ratio cement stabilized soil結(jié)合表4和圖3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果可以看出，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而減小，減小速率是逐漸減小。含水率為70%、80%、90%的強(qiáng)度是含水率為60%強(qiáng)度的69%83%、51%63%、41%50%?？梢?，含水率不同，水泥土強(qiáng)度變化的幅值比較明顯。因此，從機(jī)理上講，在一定范圍內(nèi)，采用水泥固化高含水率的淤泥質(zhì)黏土，強(qiáng)度提高的效果更顯著。 2.2水泥土的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系2.2.1水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線變化規(guī)律 在以往試驗中，研究人員大多數(shù)選取齡期為28d的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。結(jié)合表3含水率為60%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，選取具有代表性的含水率為60%，齡期為60d的不同水泥摻入比的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，進(jìn)行水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1。圖4含水率為60%，齡期為60d水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress versus strain for 60% moisture content cement stabilized soil at 60 curing days從圖4可以看出，各水泥摻入比的水泥土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線大致可以分為四個階段。第一階段為加載初始階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增加，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線近似成線性關(guān)系，并隨著水泥摻入比的增大，這種線性關(guān)系也來也越來越明顯，而且直線的斜率也逐漸增大，即應(yīng)力隨著應(yīng)變增長的速率逐漸增大。第二階段為塑性上升階段，在應(yīng)力接近峰值時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線出現(xiàn)明顯的彎曲，逐漸偏離直線，應(yīng)力逐漸增大。隨著水泥摻入比的增大，塑性上升階段的斜率也逐漸增大，但到達(dá)應(yīng)力峰值附近，斜率卻減小。第三階段為應(yīng)力應(yīng)變下降階段，當(dāng)達(dá)到應(yīng)力峰值后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小，而且隨著水泥摻入比的增加，這種減小的趨勢逐漸明顯。第四階段為應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，當(dāng)各應(yīng)力應(yīng)變曲線下降階段應(yīng)力減小到某一值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線趨于一條直線，雖然應(yīng)力變化不大，但是應(yīng)變?nèi)匀辉谠黾?，說明試件產(chǎn)生了較大的塑性變形。另外，結(jié)合試驗過程中試件變形情況可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試件破壞時，試件仍可以承受一定的壓力，說明此時試件仍然存在有殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變。2.2.2水泥土變形模量分析在實(shí)際工程中，水泥土的變形參數(shù)常用變形模量E50來衡量，其中E50指應(yīng)力為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的50%對應(yīng)的水泥土的割線模量10。含水率為60%，齡期為60d的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與變形模量的關(guān)系計算結(jié)果見表5。表5含水率為60%、齡期為60d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與變形模量的關(guān)系Table 5 Unconfined compressive strength (qu) versus deformation modulus E50 for 60% moisture content cement stabilized soil at 60 curing daysaw/%qu/MPas0.5/MPae0.5/%E50/MPaE50/qu100.740.371.4525.5234.29150.890.451.4331.4735.19201.090.551.3839.8636.49251.330.671.3151.1538.33301.620.821.2565.6040.38351.900.950.89106.7456.10402.181.090.68160.2973.44從表5中可得出：對于某一齡期，水泥土的變形模量隨著水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而增大； E50/qu隨著無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加而增加；對于60d齡期的淤泥質(zhì)黏土水泥土的變形模量一般用E50=(3374)qu來估算。 2.3水泥土試樣的破壞模式在試驗過程中，觀察試件單軸受壓變形可以發(fā)現(xiàn)，在高含水率、低水泥摻入比、短齡期的試件呈現(xiàn)塑性破壞；低含水率、高水泥摻入比、長齡期的試件呈現(xiàn)塑性破壞。塑性破壞典型照片見圖5，脆性破壞的典型照片見圖6。 圖5 水泥土塑性破壞 圖6 水泥土脆性破壞Fig.5 Plastic fracture of cement stabilized soil Fig.6 Fragile fracture of cement stabilized soil 3結(jié)論（1）淤泥質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，隨著水泥摻入比的增大而增大，隨著含水率的增大而減小。（2）根據(jù)水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，將應(yīng)力隨應(yīng)變的變化分為了四個階段。（3）通過對水泥土變形模量E50與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu關(guān)系的分析，得到了某一齡期水泥土的變形模量E50的變化規(guī)律及其變化范圍估計式。（4）高含水率、低水泥摻入比、短齡期的試件呈現(xiàn)塑性破壞；低含水率、高水泥摻入比、長齡期的試件呈現(xiàn)塑性破壞。參考文獻(xiàn)1 Younes Bagheri，Pauziah Ahmad，Mohd Ashraf Mohamad Ismail. 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