（岩土工程专业论文）深圳地区海相淤泥水泥土强度特性的研究.pdf

铁道部科学研究院硕士学位论文 摘要 摘要 随着我国经济建设的飞速发展，沿海地区在软弱土层上建造的大型建筑物日 益增多。由于软土地基承载力低，受荷载作用后会产生很大的变形，并且要持续 较长时间才能稳定，往往需要进行人工处理才能使大型建筑物的工后沉降满足规 范的要求。软土地基深层搅拌加固法是软土地基处理的有效方法之一，在深圳地 区得到广泛的应用。 深圳作为沿海城市，分布有大薰的软土地层。深圳软土与其他地区的软土相 比，具有其自身的工程性质：含水量高，孔隙比大，压缩性高，抗剪强度和渗透 性都很低，使得在深圳地区设计旌工的深层搅拌桩常常会出现早期不凝固、强度 偏低及抽芯不成形等现象。 基于上述考虑，本文首先通过室内试验，研究了水泥土无侧限抗压强度的规 律，分析了影响水泥土室内无侧限抗压强度规律的因素。并且对室内试验结果进 行了统计分析，得到近似的拟合曲线，为预测水泥土后期强度提供依据。其次， 本文还应用大型有限元分析软件a n s y s ，考虑水泥土搅拌桩复合地基中桩一土材 料的非线性特性，对柔性基础下水泥搅拌桩复合地基的力学性状作了初步的数值 模拟分析，总结出柔性基础下水泥搅拌桩复合地基中荷载沿深度的传递特性和复 合地基的变形特性等方面的基本规律。 关键字：水泥搅拌桩，复合地基，无侧限抗压强度试验，承载力，有限元分 析 堡堂整型堂堑塞堕堡主堂垡堡奎兰生! 苎竺 a s t u d yo nt h es t r e n g t hp r o p e r t i e so f c e m e n t - s o i l o fd m mi ns h e n z h e n a r e a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y , m a n y l a r g eb u i l d i n g sh a v eb e e nc o n s t r u o t e do nt h es o rg r o u n di nt h ec o a s t l a n d t h es o f t g r o u n dn e e dt ob ei m p r o v e di no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n d s o f d e f o r m a t i o na n d b e a r i n gc a p a c i t y t h ed e e pm i x i n gm e t h o d ( d m m ) i s o n eo f t h ee f f e c t i v ew a y st o r e i n f o r c et h es o rg r o u n d ，w h i c hh a sb e e nw i l d l yu s e di nc h i n a al a r g em o u n to f s o f tg r o u n di sd i s t r i b u t e di ns h e n z h e n ，w h i c hi so n eo f t h e c o a s t a lc i t i c si nc h i n a c o m p a r e dw i t ht h es o f ts o i l si nt h eo t h e ra r e a s ，t h es o f ts o i li n s h e n z h e na r e ah a sd i f f e r e n tp r o p e r t i e s ，e g h i g hw a t e rc o n t e n t , l a r g ev o i dr a t i o ，h i g h c o m p r e s s i b i l i t y ，l o ws h e e rs t r e n g t ha n dl o wp e r m e a b i l i t y s ot h ed m mp i l e sh a s m a n y d e f e c t si ns h e n z h e na r e a , t h e yh a v eal o wr a t eo f s o l i d i f i c a t i o ni nt h ee a r l ys t a g e a n dl o ws t m g t h i nt h i sa r t i c l e ，f i r s t l yi tr e s e a r c h e st h es t r e n g t hp r o p e r t i e so nt h eu n c o n f i n e d c o m p r e s s i o ns t r e n g t ho f t h ec e m e n t e ds o i lt h r o u g ht h et e s ti nl i b r a r ya n da n a l y s e s e l e m e n t sw h i c he f f e c tt h e s ep r o p e r t i e s b a s e do nt h et e s tr e s u l t , s t a t i s t i ca n a l y s i sh a s b e e nd o n ea n df i t t i n gc u r v e sh a v eb e e ng i v e nt of o r e c a s tt h el o n g - t e r ms t r e n g t h s e c o n d l y ，t a k i n gm a t e r i a ln o n l i n e a ri n t oa c c o u n t , s o m en u m e r i c a la n a l y s i sh a v eb e e n d o n eb yf i n i t ee l c m e ms o f l w a r e - a n s y s i ts u m m a r i z e ss o m eb a s i cm g u l a r i t e so f t h e l o a dt r a n s f e r r i n ga n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r se t ct og i v es o m es u g g e s t i o n sf o r c o n s t r u c t i o no f t h ed m m p i l e si ns b e n z h e na r e a k e y w o r d s ：t h ed m m p i l e ，c o m p o s i t eg r o u n d , u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t ，b e a r i n g c a p a c i t y , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s - 2 铁道科学研究院学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名 李嘀 同期：，一年7 月7 同 堡堂塑型兰堕塞堕堡主堂垡笙塞 望! 兰塑堡 第1 章绪论 1 1 研究课题的提出、目的和意义 1 1 1 概述 随着经济建设的飞速发展及人们生活水平的不断提高，沿海地区在软弱土层 上建造的大型建筑物日益增多。但是由于软土地基承载力低，受荷载作用后会产 生很大的变形，并且要持续较长时间才能稳定，往往需要进行人工处理才能使大 型建筑物的工后沉降满足规范的要求。因此软基处理成功与否是影响工程质量、 费用和建设工期的关键问题之。 由软弱土组成的地基称为软土地基。软弱土是指淤泥、淤泥质土和部分冲 填土、杂填土及其它高压缩性土。软土含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强 度低、渗透性小“。在实际工程中表现为地基承载力偏小，在荷载作用下要经 过很长的时间才能压缩稳定，而且会产生较大的最终沉降及不均匀沉降。因此软 士一般不宜作为建筑物的持力层，需要进行人工处理和加固，以改善地基土的性 质，提高地基的抗剪强度，减少沉降和不均匀沉降“、3 。 软土在我国沿海和内陆地区分布广泛，因此软土地基的处理就成了我国工 程设计中的一个主要问题。经过长期的探索，形成了多种软土地基加固方法，水 泥搅拌桩加固法“”7 1 就是其中的一种。其通过特制机械各种深层搅拌机，沿 深度将固化剂( 水泥浆、水泥粉或石灰粉，外掺一定的添加剂) 与地基土强制就 地搅拌，一方面使搅拌范围内的土与固化剂发生一系列物理化学反应形成强度和 刚度较大的柱体，另一方面改善桩周天然土层的物理力学性质，由桩、土共同分 担上部荷载并协调变形，形成复合地基。因此，加固后的原土与水泥的混合土( 以 下简称水泥土) 的性状，直接影响深层搅拌桩软基加固的效果。而水泥土强度变 化规律又受到软土自身特性比如天然软土的含水量及有机质含量等等的影响，使 得不同地区的水泥搅拌桩具有较大的差异性，表现出明显的区域性。 铁道部科学研究院硕十学位论文第l 章绪 论 1 1 ，2 研究课题的提出 深圳作为沿海城市，分布有大量的软土地基”1 。深圳软土主要是指深圳地区 淤泥，该淤泥层属第四纪的海相沉积层，广泛分布于深圳西部的沿海地区和伶仃 洋东岸，厚度一般为3 l o m ，呈流塑状，黑灰色，含有5 1 0 的有机质。与 其他地区的软士相比，具有其自身的工程特性：含水量高，孔隙比大，压缩性很 高，抗剪强度和渗透性都很低( 见表1 1 - 1 ) 。 表1 1 - 1 深圳软土的物理力学性质 深圳搅拌法作为一种施工工期短、无公害、成本低的加固软基的方法，近 年来在深圳地区得到了广泛的应用。但与此同时，由于深圳软土与其他地区软土 相比，具有高含水量、高有机质含量等特点，使得在深圳地区设计施工的水泥搅 拌桩常常会出现早期不凝固、强度偏低及抽芯不成形等现象。因此，有必要对深 圳地区海相淤泥水泥土强度特性进行系统的研究。 铁道部科学研究院硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 3 研究课题的目的和意义 本课题针对深圳海相淤泥，通过室内试验，研究在高含水量和高有机质含 量的共同影响下，其水泥土无侧限抗压强度随养护龄期( f ) 和水泥掺量( 口。) 的变化规律，进而得到近似的拟合公式；并采用有限元方法，分析在不同地层条 件下，搅拌桩复合地基桩身荷载的传递规律，探索水泥搅拌桩的施工、设计新方 法，为今后深圳地区水泥搅拌桩设计施工提供依据。 1 2 水泥搅拌桩加固理论及其发展概况i 1 2 1 深层搅拌法简述 深层搅拌法( d e e pm i x i n gm e t h o d - - d m m ) 是一种化学加固地基的方法。 它通过特制机械各种深层搅拌机，沿深度将固化剂( 水泥浆、水泥粉或石灰 粉，外掺一定的添加剂) 与地基土强制就地搅拌，利用固化剂自身及其与地基土 之间所产生的一系列物理、化学反应，使地基土硬结成为具有整体性、水稳定性、 较低渗透性和一定强度的复合土桩( 体) ，或与地基土构成复合地基，从而提高 软土地基的承载力，减少地基的变形“。 2 预 搅 下 沉 耋旷嘉委 拌l a j 拌 拌 上下下 升 沉_ 壶 一 而 击 。， 。 弘7 1 7 。 兰i 、旷 、。7 ；一 一、。三三， 至 三三 l 三三： 。三三 图1 2 - 1 深层搅拌法施工工艺流程图 6 由 兀 些 _：丽辫阚霪 丌二=捌湖浏鎏m嶙霾 、 弋 乙 铁道部科学研究院硕士学位论文 第1 章绪论 深层搅拌法的施工工艺流程如图1 2 1 所示。喷浆( 粉) 时间、喷浆( 粉) 次数和重复搅拌次数亦可按设计确定。 深层搅拌法按施工环境的不同可分为陆上型深层搅拌法和海上型深层搅拌 法；按施工工艺的不同可分为浆体喷射深层搅拌法和粉体喷射深层搅拌法；按固 化主剂的不同可分为水泥系深层搅拌法( 固化主剂为水泥) 和石灰系深层搅拌法 ( 固化主剂为石灰) “”1 。 1 2 2 深层搅拌法发展现状i “l 深层搅拌法源自二次大战后的美国，当时美国研制成一种就地搅拌桩( m i p 法) ，即从不断回转的中空轴的端部向周围已被搅松的土中喷出水泥浆，经叶片 的搅拌而形成水泥土桩。直径为3 0 4 0 e m ，桩长l o 1 2 m 。1 9 5 3 年日本清水建 设( 株) 将此法引入日本。1 9 6 7 年日本港湾技术研究所参照m i p 工法的特点， 研制成功石灰搅拌施工机械。在此基础上，1 9 7 4 年日本港湾技术研究所、川崎 钢铁厂和不动建设等科研单位和厂家合作开发研制成功水泥搅拌固化法。此后日 本多家单位陆续研制开发出了各种形式的深层搅拌机械，应用于大型矿石堆场地 基、港工建设中的防波堤、码头岸壁及高速公路高填方下的深厚软土地基的加固 工程中，加固深度已达3 2 m 。 深层搅拌法在我国的发展起步于2 0 世纪7 0 年代末期。1 9 7 8 年冶金工业部 建筑研究总院和交通部规划设计研究院合作，参照日本的样机研制出中心管输浆 的s j b 一1 型双轴搅拌机械，最大加固深度为l o m 。1 9 8 0 年天津机械化施工公司 与交通部一航局合作，研制开发出g z b 6 0 0 型单轴搅拌机械，最大加固深度为 1 5 m 。1 9 8 3 年浙江大学与联营单位共同研制出d s j 2 型单轴深层水泥搅拌机，最 大加固深度为1 8 m 。同时研制成功水泥流量自动纪录仪，用于水泥掺和量与送浆 均匀度的施工质量检测。 2 0 世纪8 0 年代初期，我国铁道部桥梁工厂和上海探矿机械厂等单位开发成 功了喷( 水泥) 粉型的深层水泥搅拌桩机械。其加固原理与喷浆型搅拌桩机一样， 只是用水泥粉代替水泥浆，与软土混合后形成水泥搅拌桩。 水泥系深层搅拌法适用于加固淤泥、淤泥质土、粉土以及含水量高且地基承 载力标准值不大于1 2 0 k p a 的粘性土等软土地基1 。可根据工程需要将地基土加 4 铁道部科学研究院硕士学位论文 第1 章绪 论 固成块状、圆柱状、壁状和隔栅状等任意形状的增强体。主要用于形成复合地基、 基坑支挡结构以及在地基中形成止水帷幕等。 由于水泥系深层搅拌法施工速度快，无公害，施工过程中无振动、无噪音、 无地面隆起，不排污、不排土、不污染环境，对相邻建筑物不产生有害影响。近 年来，随着国民经济建设的发展，深层搅拌法的应用也得到了很大的发展，它已 。泛地应用于工业厂房、民用住宅、市政工程、交通工程、港口丁程等许多领域。 从全国范围来看，每年旋工的搅拌桩均超过3 0 0 0 万延米，累计已超过3 7 亿延 米，取得了可观的经济效益和良好的社会效益。 1 3 目前水泥深层搅拌桩设计及施工中存在的问题 1 3 1 水泥土强度的变化规律 建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 2 0 0 2 ) “”中给h 了不同龄期的水泥土抗 压强度之间的换算关系，规范指出：从抗压强度试验可知，在其他条件相同时， 不同龄期的水泥土抗压强度间的关系大致呈线性关系，其经验关系式如下： u 7 2 ( o 4 7 0 6 3 ) l 1 2 8 ；1 4 = ( o 6 2 0 8 0 ) 1 1 2 8 ； 6 0 _ ( 1 1 5 1 4 6 ) f 缸8 ：f c 。9 0 = ( 1 4 3 1 8 0 ) c 。2 8 ； f c l l 9 0 2 3 7 3 7 3 ) f c u 7 ；f c u 9 0 - ( 1 7 3 2 8 2 ) f c u l 4 。 由上述公式，我们可以通过水泥土早期强度来预测水泥土后期强度，这给 施工工期要求相对紧张的工程提供了依据。然而，通过实践发现，上述公式在应 用中存在以下问题：公式中系数变化范围较大，取值时的主观随意性太大，缺少 客观性。用上述公式预测水泥土后期强度时，预测值往往与实测值相差较大。因 此，应通过室内试验重新确定水泥土早期强度与后期强度之间的关系，重新确定 系数变化范围，得到适合地区性软土的经验公式。 另外，目前许多学者对水泥土强度变化规律作了大量的研究，得到了水泥 土强度随龄期、水泥掺量( 占土重) 等等因素的变化规律，但却缺少实用的公式， 特别是缺少水泥土强度随多因素发展变化的规律。比如在龄期( f ) 和水泥掺量 堡垄塑型兰婴塞堕塑主堂笪堡塞 笙! 皇笪鱼 ( 口。) 的共同影响下，水泥土强度变化的规律g ( f ，钆) ，因此，需要通过室内试 验，综合研究水泥土强度的发展变化规律，得到其在养护龄期和水泥掺量盼共同 作用下的规律，为以后的施工及进一步的研究提供借鉴。 1 3 2 、水泥土桩的荷载传递规律 关于水泥土桩的荷载传递机理，国内许多学者作了大量的研究工作。陈竹 昌l l i l 采用p o u l o s 方法对水泥土桩进行了弹性分析；张土乔( 1 2 】也采用同样的方法 对水泥土桩进行了分析。分析工作主要集中在单桩的荷载传递特性及变形特性， 提出了单桩的临界桩长的概念。韩煊”1 采用三维有限元方法对复合地基中群桩作 用机理进行了分析。秦建庆【4 8 】对桩间土采用拉德邓肯模型非线弹性模型，水泥 土桩采用线弹性模型，对单桩及单桩复合地基进行了三维有限7 i 分析，探讨了单 桩的荷载传递特性及临界桩长。由以上所述可以看到，以前的分析计算工作大多 数是针对单桩，群桩分析方面内容很少，而且缺少针对不同地层条件，对桩身荷 载传递规律进行研究。 1 4 本文研究的问题及技术路线 根据以上所歹0 出的关于水泥搅拌桩设计计算中存在的问题，本课题主要进 行以下三个方面的研究： ( 1 ) 根据室内试验得到的数据，应用数理统计的方法，研究在不同龄期条 件下，水泥土无侧限抗压强度随水泥掺入比( 占土重) 的变化规律( 各自的特点 及变化趋势) ，寻求水泥理想的掺入比范围，以及水泥土无侧限抗压强度与龄期 之间关系，探求通过水泥土早期强度预测水泥土后期强度的公式； ( 2 ) 根据室内试验得到的数据，应用数理统计的方法，研究在相同水泥掺 入比( 占土重) 条件下，水泥土无侧限抗压强度随外加剂掺量的变化规律，探求 水泥土强度与各种外加剂掺量的关系，探求不同水泥外加剂的最佳掺入量； ( 3 ) 通过有限元分析，研究水泥土深层搅拌桩复合地基在不同地层条件下， 单桩的荷载传递特性( 桩身应力随深度的变化、桩身位移与深度的关系) ，单桩 堡堂塑型兰堑窒堕堡主鲎垡笙茎墨! 至堕 丝 复合地基的荷载传递特性，群桩复合地基中的应力传递规律，探求水泥土深层搅 拌状的施工工艺上的新方法。 铁道部科学研究院硕士学位论文 第2 章水泥十加固机理及影响因素 第2 章水泥土加固机理及强度影响因素 2 , 1 水泥加固土的机理i l l i “1 1 1 扣1 3 1 1 2 0 + 2 1 1 水泥系深层搅拌法通过搅拌机械将水泥浆( 粉) 与地基土体就地强制拌和均 匀，形成水泥与土的混合物，随着水泥水化、硬化反应的进行以及水泥水化物与 土的组成成分之间的一系列物理、化学反应过程，生成水泥一土的复合结构体， 其强度也不断发展。 在水泥加固土中，由于水泥的掺量比较小( 仅占被加固土重的7 2 5 ) ， 水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质土的围绕下进行的，所 以硬化速度缓慢且其作用复杂，水泥加固土强度增长的过程也比较缓慢。它与混 凝土的硬化机理有所不同。混凝土中的水泥是在粗填充料( 即比表面积不大、活 性很弱的介质) 中迸行水解和水化反应，所以凝结和硬化速度很快。 水泥之所以能成为一种非常有价值的水硬性胶凝材料而被广泛地应用于各 类建筑工程中，是由于水泥与一定量的水调和后，能很快生成塑性的、具有粘结 性能的胶状物质。可以用来胶结砂、石以及土等各种材料。这种胶状物质，以后 会逐渐失去其塑性，硬化成为具有相当强度的石状体，而与其所胶结的砂、石和 土等材料一起变成坚固的整体。这个过程是一系列复杂的物理、化学反应的综合。 为了更好地应用水泥，就应当对这些过程的机理加以了解，以求进一步控制和改 善水泥的使用性能。各种类型添加剂以及混合材料的研制和使用也都是在水泥的 水解和水化、凝固和硬化的理论基础上进行的。因此，证确地了解水泥的水化、 硬化过程，在理论上和实践上均有非常重要的意义。 2 1 1 水泥的水化和硬化反应 水泥遇水产生水化反应直到硬化的过程是一系列复杂的物理、化学的综合。 研究这个过程，可以更好地控制和利用水泥的性质。由于水泥是个非常复杂的非 均质多相体，对水泥水化、硬化机理的研究至今尚不够完善，但是已有的对水泥 堡望塑型兰婴窒堕里主兰垡兰奎 篁! 童垄塑圭塑里垫望垦星堕旦茎 水化、硬化反应的研究结果对改善水泥的性能已经起到了相当大的指导作用a 随 着现代测试技术的不断进步，相信对水泥水化、硬化机理的认识会不断深入。 2 1 1 1 水泥的水解和水化反应 存在于水泥熟料中的各种化合物全都是无水的，但是当使之与水接触时则 都能与水起化学反应而形成水化物。刚一开始形成的是过饱和的和不稳定的溶 液，慢慢地会析出过剩固体并和生成的水化物渐趋平衡。 水泥的种类很多，按不同的标准有不同的分类方法。按性质可分为早强水 泥、中热水泥、低热水泥、膨胀水泥、自应力水泥和耐酸水泥等：按组成成分可 分为硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、铝酸盐水泥、碳酸盐水泥、磷酸曲水泥、硫铝酸 盐水泥和氟铝酸盐水泥等。 硅酸盐水泥是水泥中产量最大、用途最广的种。常见的硅酸盐水泥又可 分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉 煤灰硅酸盐水泥等。 中国强制性国家标准汇编( g b l 7 5 9 2 ) 【2 5 1 规定：凡由硅酸盐水泥熟料、 0 5 石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸 盐水泥。 中国强制性国家标准汇编( g b l 7 5 9 2 ) 【2 5 1 规定：凡由硅酸盐水泥熟料、 6 扣1 5 混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥 ( 简称普通水泥) 。 由于普通硅酸盐水泥活性高、加固效果好，故在水泥系深层搅拌法中使用 广泛。在某些特殊条件下也可采用其他硅酸盐水泥。 普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及 三氧化硫组成，由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿物：硅酸三钙、硅 酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。普通硅酸盐水泥熟料是由多种晶体 矿物及玻璃体组成的集合体，并非均匀的产物。普通硅酸盐水泥的性质在很大程 度上取决于熟料的矿物组成。 用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物可与软土中的水发生水解和水化 9 壁望塑型堂堕壅堕堡主兰篁丝兰 反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、 第2 章水泥土加固机理及影响因素 水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。 普通硅酸盐水泥充分水化后的主要生成物及其所占的比重为： 1 结晶程度不同和不同类型的水化硅酸钙凝胶，大约占水泥水化物总量的 7 0 ； 2 氢氧化钙约占2 0 0 , 左右，为结晶相和一部分半结晶相； 3 水化硫铝酸钙的固溶体约占水泥水化物总量的7 ； 4 3 的其他的水化产物。 普通硅酸盐水泥于水拌和后，首先产生的是铝酸i 钙和铁铝酸四钙的水化 产物水化铝酸钙和水化铁酸钙。它们可溶于水，但溶解度不高，所以很快就 达到饱和，这种化学反应不断地进行，就析出一种胶质物体。这种胶质物体有一 部分在水中悬浮，后来就包围在水泥微粒的表面，形成凝胶。硅酸三钙和硅酸二 钙的水化产物为水化硅酸钙和氢氧化钙。水化硅酸钙几乎不溶子水，只能以无定 形的胶质形态包围在水泥微粒的表层。氢氧化钙可以成长为六方晶系的晶体，在 电子显微镜下可见明显的1 2 0 0 角的多层板状结晶强度较高。在水泥中，氢氧 化钙同水化硅酸钙凝胶互相紧密交织，产生水泥的强度。 普通硅酸盐水泥熟料中主要矿物成份各自的反应过程如下： 1 硅酸三钙( 3 c a o 彤0 2 ，简写为c 3 s ) 为普通硅酸盐水泥熟料中的主要矿物，其含量约为水泥总量的5 0 l 右， 是熟料获得高强度的主要矿物。g s 遇水后，其中的1 个c 白o 很容易被释出，所 以g s 的水化速度很快。c 3 s 水化物的早期强度很高，为普通硅酸盐水泥早期强 度的来源。 c 3 s + a q _ c s 一日+ 行c h p h ) 2 ( 2 1 1 ) 以上反应中的a q 代表水分，c s 日代表水化硅酸钙凝胶，它可以有不同 的c a o ：s i o z ：0 摩尔比，是多种不均质的粒子紧密凝聚结合的产物。 铁道部科学研究院硕七学位论文 第2 章水泥土加崮机理及影响冈素 c s 一日可以是无定形的胶体颗粒，也可以是粒度在胶体粒子范围内的微粒。 2 硅酸二钙( 2 c a o s i d 2 ，简写为q s ) 主要是卢一c 2 s ，在普通硅酸盐水泥中的含量较高，约占水泥总量的2 5 左 右。q s 的结构比较致密，释出c a o 的速度很慢，所以c ：s 遇水后水化速度较慢 它主要产生普通硅酸盐水泥的后期强度。 c 2 s + a q _ c s h + c 4 0 h ) 2 ( 2 i 2 ) 3 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ，简写为c 3 彳) 约占水泥总量的1 0 。g a 的晶格具有孔隙率较大的晶腔结构，水分子很 容易进入晶格，同时每个c 3 “晶胞中含有4 和6 两种配位数的铝原子，配位数为 4 的价键不饱和，容易接受2 个：0 或o h 一而形成更为稳定的配位。因此e a 遇 水后水化速度极快，而且能促进c 3 4 及其他矿物的水化，并能促成早凝。 g 爿+ 6 h 2 0 斗3 c a o 一，2 0 3 - 6 h 2 0( 2 1 3 ) 4 铁铝酸四钙( 4 c a o - ，2d 3 f e 2 q ，n 写为c , a f ) 约占水泥总量的1 0 a q 一，遇水后水化反应速度仅次于c 3 4 ，并很快形 成六方板状的水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶，能促进早期强度。 c , a f + 2 c a ( o h ) ：+ 1 0 h 2 0 - - 3 c a o 彳，2 q 6 h 2 0 + 3 c a o 凡20 3 6 h 2 0 ( 2 1 4 ) 5 硫酸钙( c a s 0 4 ) 在水泥中的含量仅占5 左右，它能与c 3 4 一起与水发生反应，生成不溶于 水、针状结晶的三硫型水化硫铝酸钙，称为一水泥杆菌”。 3 c 崛+ c s a + 3 2 h 2 0 呻3 。o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ( 2 1 5 ) 1 1 铁道部科学研究院硕士学位论文 第2 章水泥土加固机理及影响因素 这种“水泥杆菌”用电子显微镜可以看到，“水泥杆菌”最初是以针状结晶 物形式在短时间内析出的，其生成的数量随水泥掺入量的多少和龄期的长短面 定。也可以从x 射线衍射来分析，它的这种析出反应很迅速，化学反应的结果 使软土中大量自由水被吸收成结晶水并固定下来。可见“水泥杆菌”能令自由水 结晶，这对于软粘土强度增长有特殊意义，这种化学反应能使土中自出水的减少 量达到“水泥杆菌”生成质量的4 6 左右。但也必须指出，c a s 0 4 的掺入量不能 太多，过量会使加固效果适得其反，因为“水泥杆菌”的针状结晶会使水泥发生 膨胀，从而使水泥遭到破坏。 普通硅酸盐水泥是由以上多种成份组成的，普通硅酸盐水泥的水化就是各 矿物成分水化的综合效果。由于水化速度极快的e 爿、c 。a f 的水化，使水泥颗 粒表面崩溃，更促进了c ，s 和c ：s 的水化。这样，周围的水溶液就逐渐达到饱和。 当溶液达到饱和后，水分子虽然继续深入颗粒内部，但新生成物已不能再溶解， 只能以细分散状态的胶状形式析出，悬浮于溶液中，形成凝胶。 由水泥的各种矿物成分水化所生成的凝胶逐渐发展、连接起来而成为胶凝 体，此时表现为水泥的初凝状态。此后，水泥的各组成成分在水分充足的情况下， 继续不断地按照上述水化程序发展，就产生了下列现象： 1 胶凝体增大并吸收水分，是凝固加速，结合更紧密； 2 由于微晶( 结晶核) 的产生进而生成结晶体，结晶体与胶凝体相互包围 渗透并达到一种稳定状态，这就是硬化的开始； 3 水化作用继续深入到水泥微粒内部，使未水化部分再来参加以上的化学 反应，直到水分完全没有以及胶质凝固和结晶充盈为止。 但即使水化时间持续很长，也很难将水泥微粒内核完全水化，所以水化过 程是一个长久的过程。 2 1 1 2 水泥的凝结和硬化 普通硅酸盐水泥的应用是基于它与水调和后能形成有胶凝性的物料，这种 物料随时间发展会逐渐变硬并具有机械强度。 1 2 丛鲎望型兰堑塞堕堡主堂生堡苎蔓! 皇坐塑圭垫堕塑里墨星塑璺薹 水泥水化变硬要经过两个阶段。第一阶段，由于水泥各矿物成分水化作用 不断进行，水化物增多，游离水减少。物料逐渐失去塑性并产生强度。若把它成 型后再加水混合就不能恢复其可塑性，或者只能恢复一部分。第二阶段，发生硬 固，物料的硬度增加，结构不断紧密，强度不断增长，直到最后形成石状结构。 这两个阶段，一为凝结过程，一为硬化过程。 事实上，水泥的水解、水化、凝结和硬化过程并不是截然分开的，而是交 叉着进行的复杂过程。 对水泥浆体的凝结和硬化过程及产物可作如下阐述： 1 水泥加水后，熟料矿物中的c 3 a 和c 。a f 水化生成水化铝酸钙和水化铁 酸钙： 2 c ，s 和c 2 s 水解释放出c 4 0 h ) ：并生成水化硅酸钙； 3 c a s 0 4 很快使水化铝酸钙转变为三硫型水化硫铝酸钙； 4 随着c 3 s 和c 。s 的继续水化，c 4 0 h ) ：的浓度增加并从溶液中结晶出来， 同时c s 日凝胶也开始析出，这种凝胶和c 口( 0 日) ：晶体交叉成长形成网络状 结构，这时水泥浆体凝结； 5 水泥的熟料矿物( 主要是c ，s 和c ：s ) 继续水化，c s 一日凝胶和 c a ( o h ) ：等水化物晶体不断填充孔隙： 6 c s h 凝胶缩合，水泥石硬化，强度发展。 2 i 1 3 水泥对土的加固作用 在水泥系深层搅拌法中，搅拌机械将水泥浆( 粉) 与软土强制就地拌和后， 水泥的各种矿物成分便发生水解、水化、凝结和硬化反应，在土颗粒的周围形成 了各种水化物的凝胶和结晶，他们不断地生长、延伸、特别是 3 c a o _ a i zd 3 3 c a s 0 4 3 2 h ：o 的针状结晶能很快地生长交织在一起，形成空间网 架结构，而水泥的水化物凝胶则将土体颗粒胶结起来。随着水泥水化和硬化反应 1 1 堡堕望型兰婴窒堕堡主堂堡堡苎 箜! 童坐堡主塑型塑堡垄墅堕婴墨 的进一步深入，土体中的自由水逐渐减少，从而形成了+ 种特殊的水泥一土骨架 结构，其强度不断提高。 2 1 2 牯土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架：有的则 与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。 土和水泥水化物之闾的物理、化学反应是以物理吸附和化学结合相互作用的 形式产生的，并且不可逆地吸收水泥水化反应的个别产物。 2 1 2 1 离子交换和团粒化作用 软土作为一个多相介质，当它和水结合时就表现出一般胶体的特征。土中含 量最多的尉d 遇水后，形成硅酸胶体微粒，其扩散层中带有离子半径较大的+ 或k + ，它们能和水泥水化生成的c 4 ( o 归) ：中的离子半径较小的c d 2 + 发生离子交 换作用。经过离子的吸附交换，使双电层中的扩散层减薄，结合水减少，因此增 强了土颗粒之间的结合力，使较小的土颗粒联结形成较大的土团粒，从而提高了 士体的强度。 水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒大1 0 0 0 倍，因此可产 生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成 水泥土的团粒结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的联结。从宏观上来看 也就是使水泥土的强度大大提高。 2 1 2 2 化合作用 随着水泥水化反应的进一步发展，溶液中析出了大量的“，当其数量超 过离子交换所需要的量后，则在碱性的环境中，能使组成粘土矿物的威。和 4 f ：0 3 的一部分或大部分 c a 2 + 进行化学反应。反应的结果是生成不溶于水的稳 定状态的结晶化合物。 所d 2 + c 矗( d 日) 2 十，胛2 0 c a o ，s i 0 2 - + 1 ) 2 0 ( 2 1 6 ) 堡壅塑型堂婴窒堕堡兰壁垒壅 兰! 至查堡塑塑垫堡垄墅堕里鲞 4 ，20 3 + c a ( o i v ) 2 + n h 2 0 一c a o a 1 2 0 3 o + l 归2 0 ( 2 1 - 7 ) 由电子显微镜、x 射线衍射和差热分析得到这些结晶物大致是： 1 属于铝酸钙水化物c a h 系的有：4 c a o - a i ：0 3 1 3 h 2 0 、 3 c a o a 1 2 0 3 - 6 h 2 0 、c a o a 1 2 0 3 1 0 h 2 0 等； 2 属于硅酸钙水化物c s h 系的有：4 c a o 5 9 0 2 5 h ，0 ： 3 钙黄石水化物：2 c a o a l ，0 3 - 研0 2 - 6 h ，o 这些新生成的化合物在水中和空气中会逐渐硬化，与上颗粒粘结在一起，形 成网架结构。其结晶体在土颗粒之间相互穿插，使土颗粒联系得更加牢固，改善 了土的物理力学性能，增大了水泥土的强度。而且由于其结构比较致密，水分不 易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。 2 1 3 碳酸化作用 水泥水化物中游离的c 矗( d h ) ：能吸收水中和空气中的c d 2 ，发生碳酸化反应 生成不溶于水的c a c o s ，其反应如下： c a ( o h ) 2 + c o l 寸c a c 0 3 上+ h 2 0 ( 2 1 8 ) 这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度较慢，增长的是后期强度， 其增长的幅度也小。 2 2 水泥土的基本特性1 1 j i “l 1 扣1 3 i 2 2 1 水泥土的物理性质 1 重度， 由于水泥系深层搅拌法拌入软土中的水泥浆的重度与软土的重度相近，所以 形成的水泥土的重度与天然软土的重度相差不大。用水灰比c = o 4 5 的4 2 5 4 普通 硅酸盐水泥浆拌和宁波粘土，拌和过程中掺入占水泥重量2 的石膏。成型一天 - 1 5 - 垦堂塑型堂婴塑堕堕主兰垡笙壅 兰! 兰坐堡圭塑旦塑堡星星堕婴薹 后拆膜，然后浸水养护。水泥土重度随水泥掺入比d 。不同而变化的情况如表2 2 - 1 所示。当a w = 2 5 时，水泥土的重度仅比天然软土增加4 5 。 由此可见，用水泥土加固软土地基，其加固部分对下卧层不致产生过大的附 加荷载，从而也不会引起较大的附加沉降。 2 含水量w 水泥土在硬凝过程中，由于水泥水化等反应，使部分自由水以结晶水的形式 固定下来，故水泥土的含水量略低于原土样的含水量，水泥土含水量比原土样含 水量减少1 o 1 9 1 ，且随着水泥掺入比的增加而减少，见表2 2 1 所示。 3 比重g 由于水泥的比重( 3 1 ) 比一般软土( 2 6 5 - 2 7 5 ) 的大，故水泥土的比重也 比天然土的大，但增大的幅度很小，见表2 2 1 所示。 表2 2 1 水泥土的物理性质 重度 含水量比重孔隙比 ，( k n m 3 ) w ( ) g p 备注 01 6 6 36 1 42 7 0 61 6 3 原状土样 51 6 8 05 1 4 2 + 7 0 8 1 4 4 1 01 7 1 04 7 62 7 1 21 3 4 1 51 7 1 04 6 32 7 3 6i 3 4 2 01 7 3 04 4 42 7 6 8l _ 3 l 2 51 7 4 04 2 32 7 8 11 2 7 2 2 2 水泥土的力学性质删 1 无侧限抗压强度吼及其影响因素5 6 心1 【引自李明逵1 9 9 1 】 浆喷水泥土的无侧限抗压强度一般为吼= o 3 4 m p a ，其变形特征随强度不同 而介于脆性体与弹塑性体之间。水泥土受力开始阶段，应力应变关系基本上符 合虎克定律。当外力达到极限强度的7 0 8 0 时，试块的应力应变关系不再继 续保持直线关系。当外力达到极限强度时，强度大于2 m p a 的水泥土很快出现脆 性破坏，破坏后残余强度很小，此时的轴向应变约为o 8 。1 2 ；强度小于2 m p a 一1 6 丛望塑登堂婴窒堕堡主堂丝笙苎箜! 至查塑圭垫旦塑垄墨星堕里墨 的水泥土则表现为塑性破坏。 影响水泥土无侧限抗压强度吼的因素很多，主要影响因素有： a ) 水泥掺入比口。 水泥掺入比口。的定义是“掺加的水泥重量与被加固的软土重量之比”，即： ( 2 2 1 ) 表2 2 2 水泥土无侧限抗压强度吼( m p a ) 与水泥掺入比d 。和龄期t 的关系 淤 71 42 86 09 01 5 0 50 2 30 2 4o - 3 90 4 20 4 5 l oo 6 70 7 90 9 41 4 51 4 5 1 50 9 1o 8 91 3 51 6 92 4 l2 9 0 2 0 1 4 7 2 1 l 2 4 03 2 82 5 6 2 52 1 02 5 93 1 54 2 6 4 5 9 【引自李明造1 9 9 1 】 由试验可知，水泥土的无侧限抗压强度吼随着水泥掺入比乜。的增加而增大， 见表2 2 2 和图2 2 1 所示。当d 。 2 8 d 后强度仍有较大增长。 当t 9 0 d 后，水泥土的强度增长才减缓。根据扫描电子显微镜观察，水泥和土 的硬凝反应约需3 个月的时间才能充分完成。建筑地基处理技术规范0 0 ( j g j 7 9 - 2 0 0 2 ) 建议以龄期t = 9 0 d 的无侧限抗压强度值作为水泥土的强度标准 值。 不同龄期的水泥无侧限抗压强度值之问的关系可表述如下： q 岫o = ( 2 3 7 3 7 3 ) q ( 2 2 2 ) q 。舯= ( 1 7 3 2 8 2 ) q 。 ( 2 2 3 ) q 。，9 0 = ( 1 4 3 2 8 2 ) q 。2 b ( 2 2 4 ) 以上三式中 q 。，t = 7 d 的无侧限抗压强度 g 。t = 1 4 d 的无侧限抗压强度 q 。2 9 t = 2 8 d 的无侧限抗压强度； 塾望塑型兰翌窒堕堡主堂焦堡奎堇! 童坐塑主塑旦垫堡垦墅堕旦耋 q 。t = 9 0 d 的无侧限抗压强度； c 1 含水量w 当水泥掺入比口。相同时，水泥土的无侧限抗压强度q 。随着含水量w 的降低 而增大，如表2 2 3 所示。w 的降低使水泥土的密实性得到增强，从而提高了强 度。当w 从1 5 7 降低到4 7 时，q 。则从2 6 0 k p a 增加到2 3 2 0 k p a 。 表2 2 3 水泥土无侧限抗压强度吼与士样含水量w 的关系 w 天然土 4 76 28 61 0 6】2 51 5 7 ( ) 水泥七 4 45 97 69 11 0 01 2 6 q 。( m p a ) 2 - 3 22 1 21 3 4o 7 3 0 4 7o 2 6 注：1 ) 。= 1 0 ，t - - 2 8 d 。 【0 自_ 匠兰1 9 7 9 d ) 水泥的强度等级及种类 水泥土的强度随着水泥强度等级的提高而增加。一般来说，水泥强度等级每 提高一档，水泥土的强度约增加2 0 3 0 。 水泥种类对水泥土强度亦有影晌，这是由于不同水泥中的矿物成分对水泥与 土的水解水化反应及凝硬反应有不同的影响，进而影响水泥土的强度 e ) 添加剂 不同的添加剂对水泥土强度有着不同的影响，选用合适的添加剂可以提高水 泥土强度或节省水泥用量。在水泥系深层搅拌法中，常选用木质索磺酸钙、石膏 和三乙醇胺等添加剂。添加剂对水泥土强度的影响程度可通过实验来确定。实验 结果表明木质素磺酸钙对强度影响不大，石膏和三乙醇胺对水泥土强度的提高可 以起到促进作用。 d 粉煤灰 掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般都比不掺粉煤灰的有所增长。不同水泥掺 入比的水泥土，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，强度均比不掺粉煤灰的提高1 0 。 曲土的种类 1 9 铁道部科学研究院硕士学位论文第2 章水泥土加固机理及影响因素 不同的土类，其水泥土的强度有很大的差异。在其他掺量相同的情况下，几 种典型土类的水泥土强度大小大致呈如下规律：泥炭t 淤泥 杂填土 c ，s c ：s ，这 些水化反应速度不同的矿物在水泥中的比例，是影响水泥水化的内因。另外，各 矿物成分的强度增长速度也不同，c ，s 早期活性大，c ，s 则主要在后期不断增长 强度，c ，a 、c 。a f 早期强度增长非常快，但强度值不如前二者高。凶此，矿物 组成不同的水泥具有不同的强度发展规律，与之相对应的水泥土的强度发展规律 自然也不相同。水泥中c ，s 的含量越大，则水泥土的早期强度就越高。 1 ) 水泥的细度 水泥的水化是从水泥颗粒的表面开始，然后向其内部逐渐深入的。如果水泥 的颗粒粗大，就不易完全水化。因此，在一定的粒度范围内，水泥的细度越高、 比表面积越大，其水化的速度就越快，活性发挥得就越好，强度也就越