（岩土工程专业论文）污染对水泥土影响的力学试验及其损伤本构模型研究.pdf

太原理工大学博士研究生学位论文 污染对水泥土影响的力学试验及其损伤本构模型研究 摘要 水泥土技术由于其具有造价低、施工方法简便、在施工中无振动、 无噪声、无地面隆起和对周围建筑物无有害影响等优点，而在各类土 体加固工程中广泛使用。然而，水泥土的工程特点，常常遇见被加固 的土体已经被污染或成桩水泥土处于含有侵蚀离子的环境中的问题， 这些污染土体或者环境中含有的侵蚀性离子与水泥土具有较强的结 晶分解作用，对水泥土的力学性能和耐久性产生重要影响，因此研究 土体污染和侵蚀环境影响下的水泥土力学特性变化、化学侵蚀特点、 建立水泥土损伤本构模型具有重要的理论意义和工程意义。 为了适应工程中可能遇到的两类污染情况，配制了两种水泥土， 一种是由污染土配制成的水泥土( 简称水泥污染土) ，另一种是由无 污染土配制成的水泥土( 简称水泥土) ，首次对标准养护条件下的水 泥污染土和侵蚀环境中浸泡的水泥土在不同龄期时的外表形态、破裂 特征、抗压强度和应力一应变关系曲线等进行了详细的对比分析，结 果表明，污染土较侵蚀环境对水泥土力学特性等方面的影响较弱。 首先，s 0 4 离子在一定含量范围内的水泥污染土，其抗压强度 较无污染水泥土不但没有降低，相反，其抗压强度有一定的提高；阳 离子不同，使得s 0 4 2 。对水泥污染土强度的增强或削弱程度不同，结合 电子显微镜扫描试验，对8 0 4 2 。影响水泥污染土强度的原因，从微观、 太原理工大学博士研究生学位论文 细观和化学机理三个方面进行了定性分析。通过大量试验结果，对实 际水泥加固工程中污染土和侵蚀环境中各种离子的极限含量做了说 明，对不同污染形式下各种离子对水泥污染土和水泥土的抗压强度修 正系数进行了总结，并且把不同化合物、不同阴离子和阳离子对水泥 土强度影响作用的强弱进行了排序，为污染土和侵蚀环境中水泥土的 应用、施工和设计提供了定的参考依据。 其次，水泥污染土和侵蚀环境中的水泥土的应力一应变关系曲 线，具有明显的线弹性阶段和塑性变形阶段，塑性变形与水泥土的侵 蚀方式、侵蚀离子的种类和浓度紧密相关。针对水泥土的弹塑性变形 特点，作者提出了分段考虑水泥土变形过程的观点，通过对水泥土损 伤试验结果的分析，明确了水泥土损伤变量的变化规律，探讨了水泥 土的损伤机制，结合试验中获得的应力一应变曲线，建立了水泥土损 伤模型，并根据试验数据确定了水泥土的相关材料参数和损伤变量， 得出了水泥土的分段弹塑性损伤本构关系，说明将弹塑性的损伤理论 引入到水泥土的工程力学特性领域是可行的、有意义的。 再次，明确了h 2 s 0 4 侵蚀环境中的水泥土的化学侵蚀特点，定义 了水泥土的化学侵蚀因子，结合试验数据，并且根据化学动力学的知 识，建立了h 2 s 0 4 侵蚀环境中的水泥土早期强度的化学预测模型，通 过与试验结果的对比，证明本文所建立的化学预测模型的准确性与合 理性，为h 2 s 0 4 侵蚀环境中的水泥土强度的预测提供了依据，该模型 的建立，把化学侵蚀与力学强度有效地结合起来，根据文中定义的化 学侵蚀因子，使我们在宏观立场上清楚地了解了水泥土内部物质和水 太原理工大学博士研究生学位论文 化产物与h 2 s 0 4 消耗量之间的关系，对水泥土与h 2 s 0 4 的反应有了定 量的认识；同时，只要掌握不同侵蚀环境中的水泥土力学参数和侵蚀 介质的消耗速率，应用模型可对相应的侵蚀环境中的水泥土早期强度 进行预测，为水泥土桩尤其是大体积水泥土在各种侵蚀环境中的早期 强度的预测提供了理论依据。 根据侵蚀环境中离子的迁移特点和化学反应机理，在考虑侵蚀离 子在水泥土中的扩散、渗透和化学反应的基础上建立了侵蚀环境中离 子迁移的模型，并求得模型的解析表达式，该模型可根据侵蚀离子的 不同条件求得其解，为各种侵蚀环境中的离子迁移提供了理论依据。 文中还提出了n a o h 侵蚀条件下水泥土强度与n a o h 浓度和龄 期之间关系的强度预测公式，经与试验值比较，证明该公式具有极 高的精确性，可以用于n a o h 侵蚀环境中水泥土强度的预测。 关键词：水泥土，强度，破裂形态，侵蚀环境，污染土，损伤模型， 迁移模型 太原理工大学博士研究生学位论文 r e s e a r c ho nm e c h a n i c a le x p e l u m e n ta n d d a m a g ec o ns t i t u t l o n a lm o d e lo f c e m e n t e ds o l le f f e c t e db yp o l l u t i o n a b s t r a c t c e m e n t e ds o i lh a sb e e nw i d e l yu s e di na l lk i n d so fs o i li m p r o v e m e n t b e c a u s eo fi t sl o w e rc o s t ，c o n v i n i e n c ef o rc o n s t r u c t i o n ，a n dn o n v i b r a t i o n ， n o n n o i s e ，n o n u p h e a v a lo fg r o u n dd u r i n gc o n s t r u c t i o n s h o w e v e r ， t h e e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r is t i co fc e m e n t e ds o i lu s u a l l yc a u s e s t h e p r o b l e m st h a tt h es o i lh a db e e np o l l u t e do r t h ec e m e n t e ds o i lw o r k e di na n e r o s i v ee n v i r o n m e n t t h ep o l l u t e ds o i l so rt h ee r o s i v ei o n sh a v e s t r o n gc r y s t a ld e c o m p o s i t i o nf u n c t i o n s o nc e m e n t e ds o i l ，w h i c hh a s s i g n i f i c a n t e f f e c to nt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dd u r a b i l i t yo f c e m e n t e ds o i l c o n s e q u e n t l y ，i th a sg r e a tt h e o r e t i cs i g n i f i c a n c e sa n d e n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e s t or e s e a r c ht h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c c h a n g e sa n dt h ec h e m i c a l e r o s i o no fc e m e n t e ds o i la n db u i l dt h e d a m a g ec o n s t i t u t i o n a lm o d e lo fc e m e n t e ds o i lu n d e rt h ei n f l u e n c eo f s o i l p o l l u t i o na n de r o s i v ee n v i r o n m e n t i no r d e rt oa d a p tt ot w op o l l u t i o ni n s t a n c e st h a tm a yb ee n c o u n t e r e d i ne n g i n e e r i n g ，t w ot y p e so fc e m e n t e ds o i lw e r em a d ei nl a b ，o n eo f t h e mw a sm a d ef r o mp o l l u t e ds o i l ( c e m e n t e dp o l l u t e ds o i lf o rs h o r t ) ，t h e v 太原理工大学博士研究生学位论文 o t h e rw a sm a d ef r o mc l e a ns o i l ( c e m e n t e ds o i lf o rs h o r t ) t h ee x t e r i o r c o n f i g u r a t i o n s ，f a i l u r ef e a t u r e s ，u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h sa n d s t r e s s s t r a i nc u r v e so fb o t hc e m e n t e dp o l l u t e ds o i lu n d e rs t a n d a r dc u r i n g c o n d i t i o na n dc e m e n t e ds o i ls o a k e di ne r o s i v ee n v i r o n m e n tw e r e c o n t r a s t e di nd e t a i l s i nc o n s e q u e n c e ，p o l l u t e ds o i lh a saw e a k e re f f e c t o nc e m e n t e ds o i l i nm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i ct h a ne r o s i v ee n v i r o n m e n t f i r s t l y , w h e ns 0 4 二c o n t e n tw a si nac e r t a i nr a n g e ，t h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t h so fc e m e n t e dp o l l u t e ds o i ld i d n tb e c o m el o w e rb u ts o m eh i g h e r t h a nt h a to fc l e a nc e m e n t e ds o i l w i t hd i f f e r e n tc a t i o n s ，s 0 4 2 一h a s d i f f e r e n te f f e c t so nt h es t r e n g t ho fc e m e n t e dp o l l u t e ds o i l b a s e do nt h e e l e c t r i cs c a n n i n gm i c r o s c o p et e s t ，t h er e a s o no fs 0 4 2 。e f f e c to nt h e s t r e n g t ho fc e m e n t e dp o l l u t e ds o i lw a sq u a l i t a t i v e l ya n a l y s e df r o mb o t h m i c r o s c o p ea s p e c ta n dc h e m i c a lm e c h a n i s ma s p e c t b a s e do nam a s so f e x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h el i m i tc o n c e n t r a t i o n so fv a r i o u si r o n si np o l l u t e d s o i la n de r o s i v ee n v i r o n m e n tw e r ee x p l a i n e d i nd i f f e r e n te r o s i v e e n v i r o n m e n t ，t h em o d i f i e dc o e f f i c i e n t so fc o m p r e s s i v es t r e n g t h o f v a r i o u si r o n st oc e m e n t e dp o l l u t e ds o i la n dc e m e n t e ds o i lw e r e s u m m e r i z e d t h ei n f l u e n c ed e g r e e so fd i f f e r e n tc o m p o u n d s ，d i f f e r e n t a n i o n sa n dd i f f e r e n tc a t i o n so nt h es t r e n g t ho fc e m e n t e ds o i lw e r e s e q u e n c e d t h i sp r o v i d e ds o m eu s e f u lr e f e r e n c e sf o rt h ea p p l i c a t i o n ， c o n s t r u c t i o na n dd e s i g no fp o l l u t e ds o i la n dc e m e n t e ds o i l i ne r o s i v e e n v i r o n m e n t v i 太原理工大学博士研究生学位论文 s e c o n d l y , t h es t r e s s s t r a i nc u r v e so fc e m e n t e dp o l l u t e ds o i la n dt h e c e m e n t e ds o i li ne r o s i v ee n v i r o n m e n th a v es i g n i f i c a n tl i n e a r - e l a s t i c s t a g ea n dp l a s t i cd e f o r m a t i o ns t a g e p l a s t i cd e f o r m a t i o nc l o s e l yr e l a t e d t oe r o s i o np a t t e r n so fc e m e n t e ds o i l ，t h ek i n da n dt h ec o n c e n t r a t i o no f e r o s i v e i r o n s a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc e m e n t e ds o i l e l a s t i c - p l a s t i cd e f o r m a t i o n ，t h e a u t h o ra d v a n c e dt h ev i e w p o i n to f c o n s i d e r i n gt h ed e f o r m a t i o np r o c e s so fc e m e n t e ds o i li nd i f f e r e n ts t a g e s b a s e do nt h e a n a l y s i s o ft h er e s u l t so fc e m e n t e ds o i l d a m a g e e x p e r i m e n t s ，t h ec h a n g el a wo fc e m e n t e ds o i ld a m a g ev a r i a b l ew a s m a d ec l e a ra n dt h em e c h a n i s mo fc e m e n t e ds o i ld a m a g ew a sa l s o d i s c u s s e d b a s e do nt h es t r e s s s t r a i nc u r v e s ，t h ed a m a g em o d e lo f c e m e n t e ds o i lw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt od a t u m so fd a m a g e e x p e r i m e n t s ，t h er e l a t e dm a t e r i a lp a r a m e t e r sa n dd a m a g ev a r i a b l ew e r e d e t e r m i n e da n dt h ed a m a g ec o n s t i t u t i o n a lr e l a t i o n s h i po fc e m e n t e ds o i l s s e c t i o n a le l a s t i c p l a s t i cp r o p e r t yw a so b t a i n e d t h i ss h o w st h a t i ti s f e a s i b l ea n di m p o r t a n tt oi n t r o d u c et h ee l a s t i c - p l a s t i cd a m a g et h e o r yi n t o t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc e m e n t e ds o i le n g i n e e r i n g t h i r d l y , t h ec h e m i c a le r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc e m e n t e ds o i l i n h 2 s 0 4e r o s i v ee n v i r o n m e n tw e r em a d ec l e a ra n dt h ec h e m i c a le r o s i o n f a c t o ro fc e m e n t e ds o i lw a sd e f i n e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t d a t u m sa n dc h e m i c a lk i n e t i c sk n o w l e d g e ，t h ec h e m i c a lf o r e c a s t i n g m o d e lo fc e m e n t e ds o i le a r l ys t r e n g t hi nh 2 8 0 4e r o s i v ee n v i r o n m e n t v i i 太原理工大学博士研究生学位论文 w a se s t a b l i s h e d b yc o n t r a s t i n gw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，i t sa c c u r a c y a n dr e a s o n a b l e n e s sw a sp r o v e d t h i sp r o v i d e st h eb a s i sf o rf o r e c a s t i n g t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc e m e n t e ds o i ls t r e n g t hi nh 2 s 0 4e r o s i v e e n v i r o n m e n t w i t ht h ee s t a b l i s h i n go ft h i sm o d e l ，c h e m i c a le r o s i o nh a s b e e ne f f e c t i v e l yc o m b i n e dw i t hm e c h a n i c a ls t r e n g t h a c c o r d i n gt ot h e c h e m i c a le r o s i o nf a c t o rd e f i n e di nt h i sa r t i c l e ，t h er e l a t i o n s h i po ft h e i n t e r i o rm a s sa n dh y d r a t ei nt h ec e m e n t e ds o i la n dh 2 s 0 4c o n s u m p t i o n h a sb e e nm a d ec l e a r , a n dt h er e a c t i o no fc e m e n t e ds o i la n dh 2 s 0 4h a s b e e n q u a n t i t a t i v e l yu n d e r s t o o d m e a n w h i l e ，w h e n t h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f c e m e n t e ds o i la n db u mr a t eo fe r o s i v em e d i u mi nv a r i o u s e r o s i v ee n v i r o n m e n t sh a v eb e e nk n o w n ，i ti sf e a s i b l et of o r e c a s t 也e e a r l ys t r e n g t ho ft h ec e m e n t e ds o i l i n r e l a t i v ee r o s i v ee n v i r o n m e n t s t h i s p r o v i d e st h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ee a r l ys t r e n g t hf o r e c a s t i n go f c e m e n t e ds o i lp i l e ，e s p e c i a l l yl a r g ev o l u m eo fc e m e n t e ds o i li nv a r i o u s e r o s i v ee n v i r o n m e n t s b a s e do nt h ec h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fi o n sm i g r a t i o ni nv a r i o u se r o s i v ee n v i r o n m e n t s ，a n dc o n s i d e r i n gt h e d i f f u s s i o n ，p e n e t r a t i o n ，a n dr e a c t i o no fe r o s i v ei o n si nc e m e n t e ds o i l ，t h e m o d e lo fi o nm i g r a t i o ni ne r o s i v ee n v i r o n m e n th a sb e e ne s t a b l i s h e d a n dt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o nh a sb e e no b t a i n e d t h i sm o d e lc a ng i v e s o l u t i o n st od i f f e r e n te r o s i v ee n v i r o n m e n t s ，a n da l s o p r o v i d e s a t h e o r e t i c a lb a s i sf o ri o nm i g r a t i o ni nv a r i o u se r o s i v ee n v i r o n m e n t s v i i i 太原理工大学博士研究生学位论文 t h e s t r e n g t hf o r e c a s t i n g f o r m u l a t i o no ft h e r a l a t i o n s h i p o f c e m e n t e ds o i l s t r e n g t h a n dn a o hc o n c e n t r a t i o na n da g ei nn a o h e r o s i v ee n v i r o n m e n th a sb e e na l s o p r o p o s e d c o m p a r e d w i t h e x p e r i m e n t a lv a l u e s ，t h ef o r m u l a t i o nh a sb e e np r o v e dt o h a v eh i 曲 a c c u r a c y t h e r e f o r , t h ef o r m u l a t i o nc a nb e u s e dt of o r e c a s tc e m e n t e ds o i l s t r e n g t hi nn a o h e r o s i v ee n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：c e m e n t e ds o i l ，s t r e n g t h ，f a i l u r ef e a t u r e ， e r o s i v ee n v i r o n m e n t ，p o l l u t e ds o i l ，d a m a g em o d e l ，m i g r a t i o nm o d e l i x 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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 法律责任由本人承担。 论文作者签名：尘垒选国期i 丝竺墨：茎：丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩暑封或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 j 签名：上生w 名矗? 彳日期：坦璺：丝 导师签名：汤二墅! 日期： 太原理上大学博士研究生学位论文 论文独创性说明 本论文是作者在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，所做的工作主要体现在以下几点： 1 、首次利用电子显微镜，结合化学原理，对部分水泥污染土强度变化的原因， 从微观角度进行了解释。 2 、针对水泥土的弹塑性变形特点，作者提出了分段考虑水泥土变形过程的 观点，通过对水泥土损伤试验结果的分析，明确了水泥土损伤变量的变化规律， 探讨了水泥土的损伤机制，结合试验中获得的应力一应变全曲线，建立了水泥 土损伤模型，并根据试验数据确定了水泥土的相关材料参数和损伤变量，得出 了水泥土的分段弹塑性损伤本构关系。 3 、明确了h 2 s 0 4 侵蚀环境中的水泥土的化学侵蚀特点，定义了水泥土的化 学侵蚀因子，结合试验数据，并且根据化学动力学的知识，建立了h 2 s 0 4 侵蚀 环境中的水泥土早期强度的化学预测模型，为h 2 s 0 4 侵蚀环境中的水泥土强度 的预测提供了依据，该模型的建立，把化学侵蚀与力学强度有效地结合起来， 根据文中定义的化学侵蚀因子，使我们在宏观立场上清楚地了解了水泥土内部 物质和水化产物与h 2 s 0 4 消耗量之问的关系，对水泥土与h 2 s 0 4 的反应有了定 量的认识；同时，只要掌握不同侵蚀环境中的水泥土力学参数和侵蚀介质的消 耗速率，应用模型可对相应的侵蚀环境中的水泥土早期强度进行预测，为水泥 土桩尤其是大体积水泥土在各种侵蚀环境中的早期强度的预测提供了理论依 据。 4 、根据侵蚀环境中离子的迁移特点和化学反应机理，在考虑侵蚀离子在水 泥土中的扩散、渗透和化学反应的基础上建立了侵蚀环境中离子迁移的模型， 并求得模型的解析表达式。 1 3 5 太原理工大学博士研究生学位论文 1 1 概述【1 】【2 1 【3 】【4 1 f 5 】 第1 章绪论 水泥土为土( 或集料) 、水泥，可能还有外加剂( 包括火山灰) 和水混合、压 实和养护后的一种拌和物，以便形成一种具有特殊工程性能的硬化材料，由水泥 和软土间所产生的一系列物理和化学反应，使软土成为具有整体性、水稳性和一 定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和变形模量，以达到地基加固的目的。 水泥土还有其他名称，即水泥稳定土、水泥处理过的集料基层和压实水泥土。水 泥土( s o i lc e m e n t ) 和硅酸盐水泥砼( p o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e ) 的一个明显差别是 集料和土颗粒连接在一起，水泥素浆不足以填满集料孔隙，也不能把全部集料都 包裹起来，而使水泥结合料只能把胶结材料结合成团块；另一个差别是对集料的 种类和级配没有混凝土那样严格。水泥土主要用于路面、边坡加固、防渗衬垫、 稳固地基及其他用途。 水泥土似于我国北方广泛使用的“灰土”和南方使用的“三合土 ，只是所 用的胶结料为白灰，而不是水泥。 上世纪2 0 年代，美国及西欧国家在软土地区修筑公路和堤坝时，采用一种“水 泥土”作为路基或堤基。这种水泥土是从地表挖取0 6 1 0 m 深的软土，在附近用 机械或人工拌入水泥，然后放回原处压实，称为浅层搅拌加固法。1 9 6 7 年瑞典首 先提出一种采用生石灰与原位软土搅拌形成石灰桩的软土加固法，即石灰桩，标 志着粉喷桩技术的问世。1 9 7 0 年日本开发一种类似于石灰桩的地基加固法，称为 d j m 法，采用水泥、石灰和粉煤灰等粉体加固料作为固化剂。我国于1 9 7 7 年1 0 月起，由冶金工业部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行深层搅拌桩法的 研究和试验。 美国在水泥土方面的研究方面首先建设了世界上有一定影响的大规模工程， 上世纪3 0 年代，在铺筑道路、公路、机场跑道方面，已使用了水泥土约1 9 1 亿立 方米。上世纪4 0 年代，水泥土试验标准由美国材料试验协会( a s t m ) 以d 一18 编订 在工程土壤规程中。美国混凝土协会给水泥土下了明确的定义和标准，并于2 0 世纪8 0 年代末成立专门的学术委员会对其进行研究。2 0 世纪5 0 年代初美国曾经在 】 太原理工大学博士研究生学位论文 邦奈( b o n n y ) 水库土坝上用水泥土做护坡材料试验，十年后取样检验，材料强度 较2 8 天龄期时增长了一倍，而且各层水泥土之间结合较牢固。7 0 年代中期美国已 有5 5 座大坝采用了水泥土护坡。这一成功的经验在第十届和第十二届国际大坝会 议上引起重视。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始对水泥土材料进行试验、推广和应用，其中有在石 料奇缺的长江荆江大堤上的水泥土护坡试验，在塞外严寒地区的红领巾水库灌区 用水泥土做的渠道防渗试验等。7 0 年代中后期，国内又有山东、天津、北京等七、 八个省、市水利科研、设计单位相继开展了水泥土的应用研究工作，比较深入的 研究了材料的一些基本物理力学性能。8 0 年代，水利部门对水泥土材料的试验研 究更为普遍。建筑部门在7 0 年代后期采用在地基深部就地将软粘土和水泥浆强制 拌和来加固地基的技术，得到了具有整体性、水稳性和足够强度的地基土。1 9 7 4 年辽宁省在沈抚南线公路上铺筑了十余公里的水泥稳定土作为高级沥青面层的 基层，这是我国公路上第一次正式大规模应用水泥稳定土的工程实例。 1 2 水泥土性能研究 1 2 1 水泥土材料6 】【7 】【8 】【9 】 1 、土 几乎一切种类的土都可用作水泥土。某些例外包括有机土、高塑性的粘土和 反应不良的砂质土。最好采用粒状土，因其比细粒土更易于弄碎和拌合，需用的 水泥量也较少，所以制成的水泥土是比较经济的。一般说来，5 - - 3 5 的细粒能 通过2 0 0 号筛子的土，所得的水泥土是最经济的。然而有些土中的细粒含量较高， 而且是低塑性的土，也已经成功地和经济地用于稳定土了。 有机质含量大于2 的土，通常认为是不适用于稳定土的。常用的土壤种类 包括粉砂，经过破碎的或未经破碎的砂子、砾石和碎石。骨料的级配要求没有普 通混凝土那样严格。常用的额定最大粒径限于5 0 m m ，至少有5 5 的骨料能通过4 号筛子，承受中等冲刷力的未做面层的水泥土。 就粘土来说，细粒土一般需要较多的水泥来满足硬化，通常也较难弄碎来进 行适当的拌合。此外，粘土和粉土同粒状土混合成粘土团块，在正常搅拌时是不 会碎裂的。当塑性指数大于8 时，往往容易形成粘土团块。对于路基和不直接暴 2 太原理工大学博士研究生学位论文 露在环境中的其他用途，偶尔有些粘土团块是不会影响使用的。对于边坡加固或 是水泥土暴露在风化作用中的应用，粘土团块会从水泥土结构中被冲刷出去，从 而破坏水泥土结构。 美国垦务局要求大于2 5 m m 的粘土团块应予剔除，通过2 5 m m 筛子的粘土团块 也不得多于1 0 。然而细粒的存在并非总是有害的。土中有些非塑性的细粒是有 利的。在级配均匀的砂子或砾石中，非塑性的细粒( 包括粉煤灰、水泥窑灰和筛 下来的骨料) 用以填充结构中的空隙，有助于减少水泥的用量。 2 、水泥 对水泥的不同要求取决于土的种类和性能。水泥的用量以干土重的百分率表 示，从低达4 到高至1 6 不等。一般说来，土中的粘性部分越大，对水泥的需 要量也越大。 3 、# l - 力n 剂 火山灰( 例如粉煤灰) 和水泥的需要量，要由实验室试验来确定。对于高塑 性的粘土，有时可用水化石灰或生石灰预先进行处理，以便减小其塑性，在同水 泥拌合前使土更易弄碎。在水泥土中很少使用化学外加剂。 4 、水 水泥土中的水份是水泥水化所必需的，也有助于水泥土获得最大的密实度。 水泥土中的含水量通常为烘干水泥土重量的1 0 - 1 3 。饮用水或其他比较干净的 水、酸、碱或有机质的含量未达到有害程度的水均可使用。海水也曾满意地使用 过，海水中的氯化物有利于水泥土的早期强度。 1 2 2 水泥土的物理性质1 1 0 1 1 1 1 l l l 2 1 1 1 3 1 1 1 4 1 1 1 5 i 1 、重度 由于水泥土技术拌入土体中的水泥浆的重度与土的重度相近，所以形成的水 泥土的重度与天然软土的重度相差不大。用水灰比为0 4 5 的4 2 5 撑普通硅酸盐水泥 浆拌和宁波粘土，拌和过程中掺入占水泥重量2 的石膏。成型一天后拆模，然 后浸水养护。水泥土重度随水泥掺入比不同而变化的情况如表1 1 所示。当水泥 掺量钆= 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。 3 太原理工大学博士研究生学位论文 2 、比重 由于水泥的比重比一般土体( 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1 1 。 袁1 1 水泥土的物理性质 t a b l e l - ip h y s i c a lp r o p e r t yo fc e m e n t e ds o i l 顶 重度含水量 比重 孔隙比 备注 a w c 心 r ( k n m 3 )w ( ) gp 01 6 6 36 1 42 7 0 61 6 3 51 6 8 05 1 42 7 0 81 4 4 原 1o1 7 1 04 7 62 7 1 21 3 4 状 1 51 7 1 04 6 32 7 3 61 3 4土 2 01 7 3 04 4 42 7 6 8 1 3 1样 2 51 7 4 04 2 32 7 8 11 2 7 3 、渗透系数 水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增大和养护龄期的增长而减小，一般可 达1 0 。5 - 1 0 。8 c m s 数量级。 1 2 3 水泥土宏观力学性能的影响因素1 5 1 水泥土的室内试验为水泥土的应用提供了必要的参考依据，它主要包括对水 泥土的宏观力学性能进行试验研究以及进行相应微观结构特征分析，从中找出规 律，指导工程实践。 水泥土的无侧限抗压强度一般为3 0 0 - - - - 4 0 0 0 k p a ，即比天然软土大几十倍至数 百倍。其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑体之间。 水泥土抗压强度的主要影响因素有：龄期、水泥掺入比、土性；另外包括 水泥强度、外加剂，养护条件，含水量等。 1 、龄期d 水泥土的抗压强度随龄期的增长趋势是早期强度增长较快，一般3 0 天强度约 为9 0 天强度的一半左右，3 0 天到9 0 天强度增长有所减缓，9 0 天后增长缓慢，现行 建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 9 1 ) 规定，水泥土的标准强度取龄期为9 0 天的 4 太原理工大学博士研究生学位论文 强度。崔江余【1 q 提供了用水泥土早期无侧限抗压强度q 。预测9 0 天强度的经验公 式： q u 2 8 - ( 3 0 7 、- 3 8 ) q 。7 q 。9 0 = ( 】5 6 】7 5 ) q u 2 8 根据不同的土性及配比，其他学者也提供了相应经验公式。 2 、水泥掺入比a ， 水泥掺入比的定义为“掺加的水泥重量与被加固的软土重量的百分比”， 即： 口，= i 茎嘉 毽器。 被加固的软土重量 表1 2 水泥土无侧限抗压强度q 。( m p a ) 与水泥掺入比n ，和龄期d 的关系 t a b l e l - 2c e m e n tc o n t e n ta n da g ev s c o m p r e s s i v es t r e n g t h so fc e m e n t e ds o i l t ( d ) 71 42 86 09 01 5 0 a w ( ) 5o 2 30 2 4o 3 90 4 20 4 5 1 0 0 6 7 0 7 90 9 41 4 51 4 5 1 50 9 lo 8 91 3 51 6 92 4 l2 9 0 2 01 4 7 2 1 l2 4 03 2 8 3 5 6 2 52 1 02 5 93 154 2 64 5 9 由表1 2 可知，当c 。 5 时由于水泥与土的固化反应过弱，水泥土相对于原 状土来说，强度增长幅度很小且离散性也较大。故在深层搅拌法的实际实施中， 一般较多选用= 7 - - 2 5 。水泥土的强度增长率在不同的掺入量区域、不同的 龄期时段内是不相同的，而且原状土不同，水泥土的强度增长率也不同。 水泥土的抗压强度随着水泥掺入比的增大而提高，高亚成【1 7 1 得出结论是水泥 土的抗压强度要比原土抗压强度高数十倍，工程设计施工中的含水量在3 5 5 0 之间的淤泥质粘土水泥掺入比在1 0 0 o 1 5 之间有良好的加固效果。李建1 8 】 认为水泥掺量较高时，其强度增长幅度也较大；水泥掺量对水泥土早期强度的影 响小于对后期强度的影响，并得出强度预测的经验公式： 如? k - - 4 n 5 太原理工大学博士研究生学位论文 厶f 一水泥i k 天龄期的立方体抗压强度( m p a ) ； 一水泥掺入百分比； 么，肛经验系数。 当水泥土龄期为7 d 时，厶，i = n 凹2 7 - 筘 当水泥土龄期为2 8 d 时，厶七= 0 0 2 4 a , , 7 当水泥土龄期为9 0 d 时，厶r 七= 0 0 2 8 a ，7 削。 崔江余【1 6 】也得出了无侧限抗压强度与水泥掺入比的经验公式： q 。= k “ 式中础试验统计参数，据作者分析统计为1 8 k p a ；劬为无侧限抗压强度；a w 为水 泥掺入百分比。另外，水泥土的抗拉强度随着抗压强度的增大而增大。高亚成【1 2 】 得出结论是抗拉强度为抗压强度8 1 6 ，一般为1 4 ；抗剪强度为抗压强度的 1 7 。水泥土的内摩擦角和内聚力都随着水泥掺入比与龄期的增长而增大，但内 摩擦角随之变化的幅度不大。 3 、土性 土性是几个影响因素中最为复杂的因素。李帆【19 】认为土的粘粒含量对土的固 结影响很大；在宏观力学特性上，土本身的含水量、有机质含量、粗颗粒含量及 初始强度都不同程度的影响水泥土的强度。项翥行【2