范凌燕
(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410132)
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水泥土攪拌樁室內(nèi)試驗(yàn)研究
范凌燕
(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410132)
摘要:結(jié)合黔張常鐵路項(xiàng)目對(duì)水泥土進(jìn)行一系列的室內(nèi)研究試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:水泥土的重度較原狀土有所增加,幅度為1.7%~7.4%。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而增大,破壞模式為脆性破壞,呈現(xiàn)倒三角錐形。水泥土的壓縮模量隨著齡期和摻入比的增大而增加。研究成果可為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。
關(guān)鍵詞:水泥土;重度;液、塑限;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;固結(jié);破壞模式
近幾年來(lái),我國(guó)高速公路、高速鐵路發(fā)展迅速,建設(shè)過(guò)程中難免會(huì)遇見軟弱地基,水泥加固土是軟弱地基處理的常用方法[1]。水泥加固土具有最大限度的利用原位土,攪拌時(shí)無(wú)振動(dòng)和無(wú)噪聲,對(duì)環(huán)境影響較小,加固形式靈活、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又具有費(fèi)用低、施工方便、作業(yè)面小等優(yōu)越性,因此發(fā)展前景樂觀。歐明喜等[2]通過(guò)水泥土三軸疲勞試驗(yàn),得出了水泥摻量、加載頻率和循環(huán)周數(shù)對(duì)水泥土疲勞特性的影響規(guī)律;王星華[3]對(duì)水泥土固化過(guò)程進(jìn)行了微觀研究;周麗萍等[4]研究了粉質(zhì)黏土水泥土,提出了這種土在單軸受壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的本構(gòu)方程,并分析了影響因素。阮波等[5-6]研究了不同類型土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素和作用機(jī)理。本文結(jié)合黔張常鐵路項(xiàng)目,探討水泥土物理力學(xué)特性,并分析強(qiáng)度的影響因素。研究不同的水泥摻量、不同的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和固結(jié)特性的影響,結(jié)果可為室外的水泥土攪拌樁工程提供參考。
1試驗(yàn)研究
試驗(yàn)所用的土取自黔張常某鐵路項(xiàng)目,其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。水泥選取為425號(hào)的普通硅酸鹽水泥,其物理力學(xué)指標(biāo)見表2。
由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的水泥攪拌樁樁徑為0.5 m,設(shè)計(jì)的水泥摻入比為55 kg/m,折算成濕土摻入比aw(見式(1)所示)為13.7%,按照設(shè)計(jì)要求水灰比為1.0,試驗(yàn)方案見表3所示。
(1)
式中:aw為濕土摻入比,%;mc為水泥質(zhì)量,kg;ms為濕土質(zhì)量,kg。
表1 原狀土物理力學(xué)性質(zhì)
表2 水泥的物理力學(xué)指標(biāo)
表3 試驗(yàn)方案
為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,其中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和固結(jié)試驗(yàn)各采用3個(gè)平行試樣,取其平均值作為該小組的結(jié)果。試樣的測(cè)得值與平均值之差超過(guò)平均值的±15%時(shí),則該組試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效,按余下試驗(yàn)的測(cè)得值算得平均值,若一組試樣的個(gè)數(shù)不足2個(gè)時(shí),則該組試驗(yàn)結(jié)果作廢,須重做滿足要求。
土樣風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩,然后按照上述的3種水泥摻入比、水灰比和含水率要求分別稱取適量的水泥、水。按照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T233-2011)[8]規(guī)定:將風(fēng)干土和水泥先拌合均勻,加水并攪拌至20 min。將水泥漿拌合物分兩次插倒、振實(shí)、刮平制作成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊和直徑為61.8 mm高度為20 mm的環(huán)刀圓柱體試樣。經(jīng)過(guò)24h之后進(jìn)行脫模,標(biāo)號(hào)后放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)條件為:溫度為(20±2)℃,相對(duì)濕度≥95%,養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。
無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用WDW-50型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)過(guò)程中速率控制在10 mm/min。由于水泥土變形較小,故壓縮試驗(yàn)采用GDZ-2三聯(lián)高強(qiáng)固結(jié)儀,加載序列為100,200,400,800,1 600和3 200 kPa。
2試驗(yàn)結(jié)果分析
用天平稱取試樣質(zhì)量,用量積法測(cè)量體積,然后計(jì)算單位體積的質(zhì)量。液塑限則采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)得,試驗(yàn)結(jié)果列于表4。
經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),水泥土的重度大于原狀土的重度。一般情況下,大約增長(zhǎng)1.7%~7.4%,因此水泥土重度的增加未對(duì)下面的土層產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力和附加沉降。液限、塑限均較原狀土有所增加,養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),塑限指數(shù)越大。
當(dāng)水泥遇到土中的水時(shí),水泥中的礦物成分與水發(fā)生一系列水解水化,通過(guò)水泥和土質(zhì)之間的離子交換、團(tuán)?;?、凝化作用等一系列物理化學(xué)反應(yīng),生成氫氧化物和含水鹽化合物等,形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的凝膠物,減少了土體的含水量,增加了土顆粒之間的黏聚力,使土體的強(qiáng)度和壓縮模量提高,從而達(dá)到加固地基的目的。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表4 各組試驗(yàn)的密度和液塑限
表5 各組試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度
水泥的摻入比對(duì)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示,從圖中可以看出,水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥的摻入比的增加而增長(zhǎng),與原狀土相比,其強(qiáng)度提高5.66~13.86倍,所以加固效果顯著。在實(shí)際工程中,水泥摻量不能太多也不能太少。若太多,則形成的水泥土強(qiáng)度很大,其壓縮模量也比較高,其構(gòu)成的水泥土攪拌樁在外部荷載的作用下,樁體本身承載的荷載較多,位移相對(duì)較小,而樁周土壓縮模量小,承擔(dān)的荷載較小,從而樁土的應(yīng)力比較大,不利于復(fù)合地基的整體穩(wěn)定性。若太少,水泥土強(qiáng)度不高,樁體的承載能力較低,同時(shí)在實(shí)際過(guò)程中考慮經(jīng)濟(jì)的原因。
圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻入比關(guān)系Fig.1 Relationship between UCS and the mixing ratio
表5和圖2反映了養(yǎng)護(hù)齡期和水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變長(zhǎng),其強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng),特別是在28 d增長(zhǎng)幅度顯著提高?,F(xiàn)行規(guī)范[8-9]規(guī)定,水泥土的性能指標(biāo)宜以90 d齡期的試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。以14 d的為例,10.7%,13.7%和16.7%的摻入比的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為90 d的0.46~0.52,28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為90 d的0.59~0.64。
圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系Fig.2 Relationship between UCS and age
在試驗(yàn)結(jié)束后觀察試樣在單軸受壓狀態(tài)下的典型破壞模式,可以發(fā)現(xiàn)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的破壞形式主要為脆性破壞。在水泥摻入量較高,養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)的情況下,試樣破壞形式呈倒三角錐形;而在摻入量較低養(yǎng)護(hù)齡期較短的情況下則表現(xiàn)為斜向剪切破壞,會(huì)出現(xiàn)明顯的剪切面。試樣的脆性破壞的典型照片如圖3所示。
從圖4中可以發(fā)現(xiàn),水泥土在不同的水泥摻入比情況下,齡期越長(zhǎng),孔隙比越小,這是因?yàn)闀r(shí)間越久,水泥與土顆粒間的水解和水化作用就越明顯,生成的硅酸鈣、硅鋁酸鈣和膠凝物也就充斥在土顆粒中,其強(qiáng)度自然而然就越高,沉降變形也就越低。壓縮系數(shù)av<0.1,說(shuō)明水泥土屬于低壓縮性土。在齡期相同的情況下,壓縮模量Es1-2隨著水泥摻入比的增大而增大;在水泥摻入比相同的情況下,壓縮模量Es1-2隨著齡期的增大而增大,壓縮系數(shù)
av則相反。由此可知,隨著時(shí)間的推遲,水泥的水化完成,則壓縮性也逐步降低。
圖3 水泥土典型的脆性破壞模式Fig.3 Cement-soil typical brittle failure mode
固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖6所示。
(a)aw=10.7%;(b)aw=13.7%; (c)aw=16.7%圖4 不同水泥摻入比下的e-P曲線圖Fig.4 E-P curves under the different cement mixing ratio
摻入比/%10.713.716.7齡期/d142890142890142890壓縮系數(shù)av0.0810.0620.0560.0750.0590.0470.0620.0450.043壓縮模量Es1-221.65128.19131.36822.73430.09338.68538.68539.95244.013
3結(jié)論
1)摻入一定配比的水泥后,水泥土的重度一般有所增加,幅度為1.7%~7.4%。
2)水泥土試樣在單軸受壓情況下主要表現(xiàn)為脆性破壞。在高摻入比和長(zhǎng)齡期的情況下主要呈現(xiàn)2個(gè)倒三角錐形式。
3)水泥土屬于低壓縮性土,在水泥摻入比一定時(shí),齡期越長(zhǎng),壓縮模量Es1-2越大,同時(shí)壓縮模量Es1-2隨著摻入比的增大而增大。
參考文獻(xiàn):
[1] 葉書麟,葉觀寶.地基處理[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.
YE Shulin,YE Guanbao.Foundation treatment[M].Beijing: China Building Industry Press.1997.
[2] 歐明喜,王曉平,曾芳金.水泥土三軸疲勞特性試驗(yàn)研究[J].土工基礎(chǔ),2009,23(3):80-83.
OU Mingxi, WANG Xiaoping, ZENG Fangjin.Research on behavior of soil-cement under triaxial test[J].Soil Engineering and Foundation , 2009,23(3):80-83.
[3] 王星華.粘土固化漿液固結(jié)過(guò)程的SEM研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1999,21(1):34-40.
WANG Xinghua.SEM study of hardening processes of clay-hardening grouts[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1999,21(1):34-40.
[4] 周麗萍,申向東.水泥土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2009,28(2):359-366.
ZHOU Liping, SHEN Xiangdong.Study onmechanical behaviors of soil cement[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2009,28(2):359-366.
[5] 阮錦樓,阮波,陽(yáng)軍生,等.粉質(zhì)黏土水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,6(3),56-60.
RUAN Jinlou, RUAN Bo, YANG Junsheng, et al.Experimental study on cement-stabilized soil unconfined compressive strength of silty clay[J].Journal of Railway Science and Engineering, 2009,6(6):56-60.
[6] 曾軍,彭學(xué)先,阮波,等.聚丙烯纖維紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,12(3):545-550.
ZENG Jun, PENG Xuexian, RUAN Bo, et al.Experimental study on unconfined compressive strength of polypropylene fiber reinforced red clay[J].Journal of railway Science and Engineering, 2015,12(3):545-550.
[7] TB 10102—2010,鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S].
TB 10102—2010, Soil test of railway engineering[S].
[8] JGJ 79—2002,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].
JGJ 79—2002 , Technical code for ground treatment of buildings[S].
[9] JGJ/T 233—2011,水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S]
JGJ/T 233—2011, Specification for mix proportion design for cement soil [S].
[10] 歐明喜,劉新榮,曾芳金.水泥土應(yīng)變軟化特性三軸試驗(yàn)研究[J].工程勘察,2011,(6):1-4.
OU Mingxi, LIU Xinrong, ZENG Fangjin.TRIAXial tests on strain softening properties of cemeng-stabilized soil[J].Geotechnical Investigation & Surveying,2011(6):1-4.
[11] 游波,王保田,李治朋,等.水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代交通科技,2010,7(5):4-7.
YOU Bo, WANG Baotian, LiZhipeng, et al.Experimentresearch on influence factor of unconfined compressive strength of cement-soil[J].Modern Transportation Technology, 2010,7(5):4-7.
(編輯蔣學(xué)東)
Experimental study on cement-soil mixing pile
FAN Linyan
(School of Luqiao Engineering, Hunan Communication Polytechnic,Changsha 410132,China)
Abstract:A series of indoor test were completed according to the research on cement-soil based on Qian Zhang Chang Railway project.The results indicate that soil with a amount of cement can increase unit weight by1.7~7.4times.The UCS increases significantly with the increase of mixing ratio.Damage model is brittle failure, and nobla cone was found.The compression modulus of cement-treated soil increases with the increase of age and mixing ratio.This study is of conference value in the construction and design of other similar projects.
Key words:cement soil; unit weight; liquid and plastic limit; UCS; consolidation; failure mode
通訊作者:范凌燕(1973-),女,湖南邵陽(yáng)人,從事巖土和建材教學(xué)與研究;E-mail:704697157@qq.com
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50678175)
收稿日期:2015-03-10
中圖分類號(hào):TU 411
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1672-7029(2015)06-1374-05