（岩土工程专业论文）加筋水泥土力学性能的试验研究.pdf

奎堕堡王奎堂堡主塑塞皇望些丝苎 叼3 7 3 1 5 1 a b s t r a c t g r a v i t yr e t a i n i n gw a l li s o n eo ft h em o s tc o m m o ns t r u c 岫f o t i n s o fb r a c i n go ff o u n d a t i o np i t c e m e n t e d s o i lm i x i n gi so f t e nu s e da s r e t a i n i n gw a l l w h 订ec e m e n t e d s o i li sab r i t t l em a t e r i a l ，w i t h1 0 w t e n s i l e s t r e n g t h a n ds t r a i n c a p a c i t y t oh e l p o v e r c o m et h i s p r o b l e m ，l e t c e m e n t e d s o i lc o m b i n ew i t hs t e e lw h i c hc a nf o r r nac o m p o s i t em a t e r i a l i sa g o o d w a y t i i s p a p e rp r e s e n t s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t so fr e i n f o r c e d c e m e n t e d s o l lb e a m s b yp r e p a r i n gs a m p l e si nd i f f e r e n tc o n d i t i o ns u c h a sd i f f e r e n ts t e e lc o n t e n t ：d i 髓r e n tc e m e n tc o n t e n ta n dd i f f e r e n ts p a n s e t e w ea c q u i r ec r a c ka n d r u p t u r e l o a do fd i f f e r e n tc e m e n t e d s o i l b e a m s a n dw ea l s og e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e a md e f l e c t i o na n d l o a de x e r t e do nb e a m s a f t e rt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o n w ed r a ws o m e c o n c l u s i o ns u c ha sl i m i t e ds t e e lr a t i oo f r e i n f o r c e dc e m e n t e d 。s o i lb e a m s t h em o d u l u so f d e f o r m a t i o no f c e m e n t e d s o i l ，e t c i nu 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 ht e s t ，w eg e t t h ed a t ao f u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fc e m e n t e d s o i lw i t hd i f f e r e n tc e m e n l r a t i o a t i e rp u l l - o u tt e s t , w ew o r ko u tt h es h e a rl o a do nt h es t e e ls t i c k c o n t a c t i n gc e m e n t e d s o i l w eh o d et 1 1 i s s t u d ym a yp r o v i d ee x p e r i m e n t a l f o u n d a t i o n sf o r r e i n f o r e e dc e m e n t e d s o i lb e i n gu s e di np r a c t i c e k e yw o r d s r e i n f o r c e dc e m e n t e d s o i l ；u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o n s t r e n g t ht e s t ；l i m i t e ds t e e lr a t i o ；m o d u l u s ；p u l l - o u t t e s t 太原理工大学硕士研究生毕业论文 摘要 、f 在基坑围护工程中，重力式挡土墙是常用的一种结构形式。 水泥深层搅拌桩常用作为挡土墙。但是水泥土是一种脆性材料，其 拉伸强度及应力储备都较低。为了解决这个问题，在水泥中加入钢 筋形成复合材料是一种好的方法。丫 本文在进行加筋水泥土试验的基础上，研究了水泥土的力学 性能，并得到相关的试验数据。在加筋水泥土梁抗弯试验中，加筋 水泥土梁是在不同条件下制备的，如不同的配筋率，不同的水泥掺 入笔，及不同的跨度等。我们通过试验得出不同的梁的开裂荷载及 破坏荷载，并且得到了受弯梁的挠度与所受荷载的关系。通过理论 计算，得到配筋水泥土梁的界限配筋率，水泥土的变形模量等结论。 通过无侧限抗压强度试验，得出在不同水泥掺入比的情况下 水泥土试块的无侧限抗压强度。 通过钢筋与水泥土的抗拔实验，可以了解水泥土对钢筋的握 裹力。得出钢筋与水泥土之间的剪切力。 希望本文的工作将为加筋水泥土用于实际，提供有用的试验 数捌、 、 n 关键词：加筋水泥土：永视圭立方钵抗压强度试验；界限配筋 率；模量：拔出试验 太原理工大学硕士研究生毕业论文 第一章综述 第一节引言 随着城市建设的发展，愈益要求开发三维城市空间。目前各类用途 的地下空间已在世界各大城市中得到开发与利用，诸如高层建筑多层地 下室、地下铁道及地下车站、地下街道、地下商场、地下仓库、地下民 防工事以及多种地下民用和工业设施等。国外著名的地下工程有法国巴 黎中央商场，美国明尼苏达大学土木工程系的办公大楼和实验室、日本 东京八重洲地下街等。我国近年来也兴建了大量的高层建筑，以北京、 天津、上海、广州、深圳等地的高层建筑密度最大，由此产生了大量的 深基坑工程。 基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程新课题。放坡开挖 和简易木桩可以追溯到远古时代。人类土木工程的活动促进了基坑工程 的发展。特别是到了本世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程 的不断出现，对基坑工程的要求越来越高，出现的问题也越来越多，促 使工程技术人员要以新的眼光去审视基坑工程这一古老课题，使许多新 的经验和理论的研究方法得以出现与成熟。 任何一个工程方面的课题的发展都是理论与实践密切结合并不断发 展的结果。基坑工程的发展往往是一种新的围护形式的出现来带动新的 分析方法的产生，并遵循实践、认识再到实践的过程。早期的开挖常采 用放坡的形式，后来随开挖深度的增加，放坡空间受到限制，产生了围 护开挖。迄今为止，围护结构已经发展至数十种。从基坑围护机理来讲， 摹坑罔护方法的发展最早有放坡开挖，然后有悬臂围护、内撑( 或拉锚) 围护、组合围护等。放坡开挖需要有较大的工作面，且开挖土方量较大。 在条件允许的情况下，至今仍然不失为基坑围护的好方法。悬臂围护是 指不带内撑和拉锚的围护结构，可以通过设置钢板桩或钢筋混凝土混凝 土桩形成围护结构。它也可以通过对基坑周围土体进行土质改良形成， 如水泥土重力式挡墙结构。为了改善悬臂式围护结构的受力性能和变形 特性，满足较深基坑的支挡土体要求，发展了内撑式围护结构和拉锚式 围护结构。为了挖掘围护结构材料的潜在能力，使围护结构更加合理， 并能适应各种基坑形式，综合利用“空间效应”，发展了组合型围护型式。 基坑围护体系一般包括两部分：挡土体系和止水降水体系。基坑围 护结构一般要承受土压力和水压力，起到挡土和挡水的作用。一般情况 下围护结构和止水帷幕共同形成止水体系。但尚有两种情况：一种是止 太原理i 火学硕十研究生毕业论文 水帷幕自成止水体系，另一种是围护结构本身也起止水帷幕的作用，如 水泥土重力式挡墙结构和地f 连续墙结构等。 第二节水泥土围护结构 。水泥土搅拌桩的起源、发展与现状： 采用石灰、水泥等固化剂加固软弱地基的历史是十分长久的。古埃 及曾用石灰、烧石膏和砂子来加固大金字塔的地基和尼罗河河堤。而在 ，1 i 罗r 帝因那玻利城的居民曾用当地大量士f i _ 积的火山灰掺入不同比例的 剩i ，狄： j | j 成种称之为罗马的吲化剂，一j 能是当今大量使用的火山灰水 泥的雏形。这种制造水泥的技术到十j k l t l ： g 为欧洲各国广泛采用。 我国在春秋战国以前就用石灰、粘土和砂予三合土修筑驿道。秦始 早时代的万罩长城和干里堤防都是采用经石灰加固的土料建造。 到近代，l8 2 4 年英国人阿斯皮琴首先制造出硅酸盐水泥并取得专利。 18 8 5 年德幽又提出了用水泥作为注浆材料的申请。1 9 1 5 年日本在长墒县 松岛煤矿竖井丌挖工程中采用水泥灌浆进行止水。j 9 1 7 年美国开始采用 水泥拌和粘土作为道路的基层，1 9 2 0 年又用石灰拌和粘土作为路基，而 建于1 9 4 5 年的得克萨斯高速公路基层的石灰土加固效果至今仍为人们所 承认。 占代的或现代早期的搅拌技术在世界范围内都仅仅限于对地基土进 行表层或浅层的加固或处理，并且必须在异地搅拌后施加了二拟加部位。 夺水世纪呻f 以后，随着科技的进步，由丁i 新型的施工机械设备研制成 j j 和小断改进，搅拌技术j 出现了突破性进展而应用于地基土的就地深 层直接处理。同时，由于采用了这种技术能直接达到地基的一定深度， 并能沿着深度将固化剂与地基土进行均匀的搅拌，人们对处理后的柱状 体乃有搅拌桩之称。但这种桩属于柔性桩，与传统的的承受竖向或水平 向荷载的刚性桩相比，有本质区别。 搅拌桩起源于本世纪5 0 年代初的美国，而后自6 0 年代发展至今， 不论在机械、工程应用、设计方法、质量检测等方面均以同本和瑞典领 先j 世界。过去2 0 年中，日本采用深层搅拌法加固海底的工程远大于加 幽陆地软土的工程量。近年来又形成新型的深层喷射搅拌混合法。在f i 本搅拌桩的最大直径为1 8 m ，最大加固深度以达6 0 m 以上。领先发展搅 拌桩的另一个国家是瑞典，其一向把搅拌桩称为石灰桩或水泥柱。其搅 拌头与h 本和美国的有所不同。搅拌法在瑞典从7 0 年代开始得以应用。 以山狄柱为例，在开始阶段每年即达数万延长米，至8 0 年代增至每年 l o 2 0 万延长米。 近十余年来新加坡、马来西亚、印尼等东南亚国家及香港也对搅拌 太原理j 人学硕 j 研究生毕业论史 桩丌展了大量的试验研究和工程应用。 我国臼1 9 7 7 年来在中央部属和地方各级科研、设计、施工、高校等 部门的芡同努力协作下，仅用1 0 余年时间已) 1 ：发研制出适合我国国情、 具有彳i i j 特色而月牛目互配套的多种专用搅拌桩机械和由各种钻探机械等 改装而成的搅拌机械，并且以形成庞大的专业施工队伍。每年施工各种 搅拌枷达数千万延米，施工面遍布内陆和沿海软土地区，并逐渐扩散到 | i 软i 地。 19 7 7 年1 0 月冶金工业部建筑研究总院和交通部水运规划设计院开 始进行搅拌桩施工机械的研制和室内外试验研究工作。1 9 7 8 年术，第一 台烈搅拌轴、中心管输浆的s j b i 型深层搅拌机诞生。】9 8 4 年该机型外 始进行批量生产。 另一方面，交通部第一航务局于1 9 7 8 至1 9 7 9 年以天津新港淤泥粘 土为埘缘，研究了不同掺入比、不同外加剂和不同拌和水质x j - d 1 1 固效果 的影l l l j 。1 9 8 0j 二与天津f i i 机械施工公r d 合作，利用同本引进的螺旋钻机 边仃段装制成了g z b 一6 0 0 型单搅拌轴、叶片输浆深层搅拌机，并t1 9 8 1 印j 世用水泥搅拌桩加固软基成功。从此我国有了以水泥浆为固化剂的双 搅拌轴和单搅拌轴两种机型。 搅拌桩在我国应用初期，其主要用途是加固软土，构成复合地基以 支承建筑物或结构物。将搅拌桩用于基坑支护工程，虽然在发展初期已 有成功实例，但大量应用则是9 0 年代初，随我因各地高层建筑和地下设 施人荦兴建而迅速发展兴起。其中以上海、浙江、江苏及沿海各地为最 多。，j 此同口寸，一些新的水泥上结构形式，例如竹筋水泥 搅拌桩挡墙、 拱形水泥十挡墙、s m w 工法加筋水泥土搅拌桩挡墙、水泥_ = 桩帷幕墙等 脱颖m 。 二水泥土重力式围护结构简介 重力式挡墙是支挡结构中常用的一种结构形式，在地下空间的利用 被”发以前，主要用于边坡支护，它是以自身的重力来维持它存1 二压力 作闩jr 的稳定。 重力式基坑围护结构是重力式挡墙的一种沿续和发展，主要仍以纬 构1 7 j 身重力来维持围护结构在侧向土压力作用下的稳定；其次结构体受 到一定的弯矩也起一定的悬臂作用。其特点是先有墙后开挖形成边坡， 冈此在某种程度e 与重力式挡墙有较大区别。目前常用的围护结构有水 泥十苇力式圈护结构，其次冻结土重力式圈护结构已逐步为人们所认识， 作建筑毓坑及市政、地铁边坡工程中应用；再诸如土钉墙重力式围护结 构、加筋土重力式围护结构以及钢筋混凝上重力式围护结构( 如沉井武、 人丁挖孔墩式) 等也在不同的地下结构中出现。 水泥土重力式围护结构是利用水泥系材料为固化剂。通过特殊的拌 人蟓，1 人学坝t 卅i 究生毕业论文 和机械，在地基土中就地将原状土和固化剂强制搅拌，经土和固化剂产 ，i 二系列物理化学反应，形成具有一定强度、整体性和水稳性的加固土 圆柱体。并将圆柱体相互搭接、连续成桩，形成具有一定强度和整体结 构性的水泥土壁墙和格栅状墙，用以维持基坑边坡t 体的稳定，及保证 地pj 程的施工及周边环境的安全。 提高水泥1 + 重力式结构冈0 度及安伞度的有效措施有： 1 水泥i 重力式结构顶部宜设置0 15 - 0 2 m 厚的钢筋混凝土压顶。 压顶与水泥土用插筋连接，插筋长度不宜小于1 o m ，采用钢筋 时直径不小j i m l 2 ，采用竹筋时断面 i 小j 二当量直径m 1 6 ，每根掂 至少1 根。如图1 一l 。 2 为了增加重力式结构的抗倾覆能力，可通过加固围护结构前的被 动1 二爪力来提高荸力式结构的安令度，减小变形。 3 为改变重j 武结构的性状，缩小重力式结构的宽度，可在结构的 两侧采用间接插入型钢、钢筋的办法提高抗弯能力，也可采用两 侧间隔设置钢筋混凝上桩的方法。如图1 1 。 4 为提高重力式结构的抗倾覆力矩，充分发挥结构自重的优势，加 大结构自重的力臂，可采用变截面的结构形式。 i x 乃( w 钏) h + j 土 水 婆 桩 图1 1 水泥土重力式挡墙的特点及用途：直接作为基坑开挖重力式围护结 构，i 丌j 时起到隔水作用( 如独立式、联合式) 。与其他桩、型钢等组成组 合 j ，午勾，与钢筋混凝j j 桩相比，司节省钢材并降低造价。施工时无噪音、 尤污染、无振动。可提高支护结构内侧被动土压力，减小支护结构的变 形，1 i 需要内支撑，便于地下室施工。 。 太原理j 人学硕十研究生毕业论文 三加筋水泥土墙围护结构 1发展历史及使用现状 水泥土墙作为围护结构在浅基坑中大量运用，连续的水泥土墙具有 i 心蚶f i j 防渗性能和较大的整体刚度。但对于较深的基坑如不进行特别处 珲，水泥t 墙就无法承受坑外水土压力造成的弯矩与剪力。有人采用格 堋式水泥二i - 墙或拱形水泥土墙的办法，但该法增大水泥土墙宽度，不仅 增加了施t 而积，而日增加了施工期阳j 对周围环境的挤土影响。 n 水泥 巾插钢筋、钢筋笼或竹筋作为劲性材料形成加筋水泥。 ：墙， 个仪能人人提高墙提的抗弯与抗剪能力，而且连续性好，抗渗能力强， 对周围环境的挤土作用小。 加筋水泥土墙与格珊式水泥土墙或拱形水泥土搅拌桩围护结构相 比，捎蠕较薄。节约空间：与钢筋混凝- 十地下连续墙围护结构相比，无 坝泥浆处理造价较低，仅为壁式地_ 卜连续墙的6 0 ，如果钢材能凹收， 造价还能降低一半：与柱列式连续墙加搅拌桩( 或注浆) 冈护结构相比， 令过程 有种施工工艺，1 艺简单，操作方便，总工期短，而且无须 泥浆处理；与钢板桩或预制桩相比，对周围环境的挤土作用较小，而且 抗渗漏能力较强。 在f 1 本、台湾等地加筋水泥土墙适用于软土地层，甚至软岩地层， 最大施 j 深度可达6 5 m 。在我国该工艺尚未广泛推广，在软十地区同济 大学建筑设计事务所已有成功的设计先例，随着施工机械改边，该方法 的适用范闱将逐步扩大。 现阶段施丁中多采用型钢作为劲性材料，在r 本成为s m w ：法。 2 s m w 工法简介 将支承结构与防渗结构结合起来，使之同日寸具有承力和防渗两种功 能的支护彤式即是劲性水泥土搅拌桩法，日本称之为s m w 注。劲性水 泥 。搅拌桩如下图1 ，2 所示。 1 9 7 6 年f 本成幸工业株式会社开发成功了s m w 工法( s o i l m i x i n g w a l l ) ，j j i 善了工艺和施工机械，逐渐获得大量应用，推广到台湾、欧 洲等地。存8 0 年代就引起我国技术界的关注。1 9 9 3 1 9 9 4 年丌始了实际 应用。已侄上海东方明珠二期一l 一程基坑围护，卜海市申海大厦基坑羽护 等儿1f _ i ：一t 成功的得以应用。 根扼不同地层，水泥土搭接形式主要有三种： 1 连续式i 标准式搭接，用于标贯值小于5 0 的土。 2 连续式i i 连贯式搭接，用于标贯值小于5 0 的土。 3 预钻孔式，用于标贯值大于5 0 的极密实土，或含有卵石、漂石的 砂砾层或软岩层。如图1 3 所示。 太原理l 大学硕十研究生毕业论文 s m w 工法制作围护结构的型钢插入形式主要有间隔插入式、连续插 入一和组合插入式种形式。如图1 4 所示。 其原川为j j 专用设备按顺j 芋进行深联搅拌旌j ，存搅拌、t ，汀入 定量的水泥浆液，馒成为其有一定稠度的水泥搅拌土。同时按设计川跨、 j 宋瞍，椅涂自隔离减摩制的h 型钢插入其f j 。围化后的水泥搅拌士和h 掣锏足利，复合支护结构。其主要丁作 原理是依靠h 型钢承受挡土结构的弯矩 和剪力，水泥土起止水作用并增加墙体 的复合刚度，从而减小位移。由于型钢 上涂有减摩剂，使型钢与水泥土的摩阻 力大大减小，且摩阻力仅为不涂减摩剂 型钢与水泥二 的摩阻力的2 0 ，从而保 证了型铜1 0 0 的回收重复使用。除了插 入h 型钢外，还可插入钢管、拉森板等 其他种类的受拉材料。 c 夏3 【 咂画厩 旧i4 - 7 啦竹枉一j 、芷吲 j l q 前：眚仑r 、i p 部建筑研究院和同济人学同建设计事务所等单位分 州研究玎发s m v , 7 1 5 k 并丌始应用于1 0 m 以f 的基坑支护if i7 。清令 川j 7 郝建筑0 1 7 t 冼刈 ； 匀加劲刊料除乐ic 吲jj 目的i j 型训j 、】土根m 州不i j j t ，：一t 川j ! o 角。j i 州豫 一 。!j 瞄低进f f 、 h 中熬字为施l1 节； h 3 水泥” i 的搭接j 眵i 。 a ) 标准式b ) 近贳式c ) 坝钻孔式 卷境很衣珂利 舛罔 周是螨州民泥大土水度种眭刚各劲、于 ：好合 ，陛适陶水并墙小挡响、影低物价筑造建 短周虹期列撕l 、h ：z 足污玩 九娶优水的填璀逢境| _ 兰 太原理上人学硕士研究生毕业论文 王j ，三曼三一弓 圈1 4s m w 工法构造方式 a ，插 问隔式) b j 插入f 迓皱) ( ) 锅台i ： 第三节本文研究的目的和意义 “j 蛳泠j 量区高甚建筑地下享堪jr l 川挖n ? 2 护；j 统，h 刈f 、1 ( ) 汤 jl j ，彤j c 一二i 复杂”睦。i 卜乏护；统、z ：蠢j ：jn 1o _ - l 拦：“t ：； ，i ，! 拍州，f j j ； 孔浅，移 和l 挖jl 翻匀i 戎0 一j ，r 扩l j 尚；j 托j j j ：，：鞍r ：j 7 j 毁。，- 。i 2 i 乏f ，? j 土 j _ 机j 锄之旧的密州h 能羞，i 、麓满足j i ：、蔓爿、曩t 1 i ! j ：u 】扔：参卜，i 匕，卜其外i ip j 破】j | = j7 j z 耕 藩：j j h j 水；e i j 十门， 7 。地j 、，水 _ ， ：0 软土地彩与 、街i i ，浆、r 址、0 正l j 负日l 搅利+ n f ? i7 。q 【j j 。形成复台! f ：掬的围护形式。 i f 澎0 ：桩和挖扎栅。i f l 成支捎承力绐俄； 浆、 ? ，副竟桩体或搅拌桩组成防渗帷幕。l 炙支护形式嵩要较人的鉴j 超一必；鲫目 i - | 以lj ：艺工期较k 、费喇高、效果差，所以仍需边一步改进 ：泐新兴的s 、n 、1 堪坑f 村护方法较好解f ，：丁这问题i 氮i q 足 二：j 婴道的试验明宄和川! 【2 分析。j “列水泥 ：! - j 型钢删的科结强 ，i 旧训究违小充分。 rf “想象，水泥t ：7 ，型铡川的二，1 ，绀力州与混凝卜与 洲筋的 r j 强度相比。 通常认为：水土侧h i 力全部出型钢单独承担：水泥土桩的作用在于 抗渗【l 一水。也就是说s m w 法在设计计算中主要考虑所插型钢的所受的 太原理1 大学硕十研究生毕业论文 弯矩和剪力，忽略了水泥搅拌桩本身的强度。考虑到如果能让水泥上搅 拌桩和其中的加筋物一钢筋一共同作用，并且能较好提高其力学性能的 i i ( ，仡没叫就町以考虑钢筋与水泥搅拌桩共同受力，水。侧压力 旮两 者分 h ，进向用红一定深度的基坑中作挡 二结构。 本文研究内容就旨在：通过对加筋水泥土梁的抗弯性能的试验研究， 求分析卜述想法的可行性。在水泥土梁中插入钢筋，对其进行抗弯实验， 水分 i 水泥掺入比、眦筋率、以及跨度刺加筋水泥土粱承载力的影响。 以及梁在受弯过程中所发生的一些现象。通过所得的数据，借鉴有关混 凝 二的理论，得到其相关的结论。为加筋水泥土桩用于实际提供有益的 试验依据。 在研究其抗弯性能及承载力的同时，我们还对钢筋与水泥土的粘结 性能进行了一系列的试验，以评价两者之删的握裹力。以便为加筋水泥 t ：桩用于实际提供町靠的保证。 第二章水泥土立方体抗压强度试验 第一节试验材料 、试验所用土 为汾i u 西岸。级阶地冲积而成的粉上，1 一的性质如卜表。 土的性质表2 ，1 含水量重度比重 孔隙塑限液限塑性液性 原土的 比w 。 w l 指数指数 模量 w f 1k n mg e s l 2 e( 、f 、 1 ，( )l u ( 、 ( m p a ) - 2 50 4155 627o 7 3 31742 5 6 282 209 661 7 二、试验所用水泥 所用水泥为太原水泥厂出产的4 2 5 # 矿渣硅酸豁水泥。经检验符合杯 腓。 第二节试样的制备 一、水泥土抗压强度试验试块的制作 1 ) 制作试块用1 0 c m 1 0 c m 1 0 c m 的钢模，在试验前在钢模内壁涂 + 矿物油脂。 2 ) 将搅拌好的水泥土( 每个试块的用水量为约为士重的2 0 ) 分3 - 4 层倒入模中并逐层捣实，以保证其充分密实。 3 ) 制作试块时，依照水泥掺入比不同做三组依次是水泥掺入比为 2 4 ，3 0 ，3 6 的试块。其中每组作5 个试块。 4 ) 试块七天后拆模，进行自然养护。在养护期间试件表面覆盖塑 剃膜，每天洒水以保持一定湿度。二十八天后进行试验。 - 太原理人学硕十研究生毕业论文 第三节试验m 的及方案、方法 一、水泥上立方体试块抗压强度试验m 的 以确定小_ j 水泥掺入比时水泥土立方体的抗压强度。以及不同水泥 掺入比r j h 抗压强度的相关关系。 二、水泥土试块抗压强度试验方法 i 试验仪器： 加载使用力能试验机，最大量程为5 0 0 0 0 n 。 2 试验方法： 1 ) 依照水泥掺入比不同做三组，每组作6 块以算术平均值作为该组抗压 强度值，如果有一个与中问值相筹超过15 ，则最大值与最小值。并 禽弃，取剩余值的平均值作为该组抗压强度值，若最大值与最小值均 j l n j 值棚芹超过15 。则此组作废。 2 ) 水泥土试块抗压强度试验遵照相关建材试验规程进行。将试件安放在 承压板上，试件的承压面应与成型时的顶面垂直。试件的中心与试验 机压板中心对准。 3 ) 加爪时，随连续而均匀加载，加荷速度取每秒钟o 3 05 m p a 。当试 件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机油门，直至试件破坏。 也求破圳、荷载p ( n ) 。 第四节水泥土试块抗压强度试验现象分析 在试验过程中加荷速度及操作方法皆遵照相关建材试验规程进行。 试验中出现的现象与建筑材料巾混凝士立方体抗压强度试验所叙述 的破坏特征较为相似。且每组的试验数据也比较接近。随水泥掺入比不 川，试验所n “0 载值也不同。 枷曲全破坏衙载的2 0 3 0 日7 ，试块保持完整。继续加荷至破坏简 载的6 0 7 0 时试块基本保持完整，但表皮已丌始脱落。有些试块已出 现细微裂缝。再加荷至破坏荷载的8 0 9 0 时，加荷仪表显示加荷速度 变慢，试块也产生较大的裂缝，与加荷面接触的水泥土试块也有压碎痕 迹。这时减小油门稳步加压，商至试块破坏。 人原理1 人学硕k 1 ) l - 究生毕业论文 第五节水泥土试块抗压强度试验的数据整理 、水泥上试块抗压强度的计算 m 试验所得数据，根掘计算公式 r = 三( 式2 1 ) 式巾rj , j 抗压强度( m p a ) p 为破坏荷载( n ) f 为受压面积( m m 2 ) 可得水泥土试块的抗压强度如下图所示 水泥土试块的抗压强度表2 2 水泥掺试验所得 入比水泥土试块抗j i 强度( m p a ) 平均值 荷载值的 。矗 ( m p a ) 均力拜 2 433 834 135 435 335 535 9 3 500 0 5 9 3 042 14173 9 54140 23 _ 8 540 500 11 6 3 64948 745 546454847 nn 1 l 、，圮掺 j 2 一j 糸：| e j 一、l l 。水抛 i 查j 垒些! 叁兰塑塑窒生望、业堡塞 二、试验结果分析 表- t - 所示数据可以看出：随水泥掺入比的提高水泥t 试块抗压强 度呈增长趋势，水泥掺入比每增长6 ，水泥土试块强度增长幅度约为 1 2 。n 出闰所示，可以看出在水泥掺入比为2 4 3 6 的范围内两者呈 线天系。 太原王甲1 人学硕十研究生毕业论文 第三章钢筋与水泥土粘结强度对比试验 第一节试验材料 1 试验所用的土 为汾河西岸一级阶地冲积而成的粉土，土的有关性质如表2 、1 所示。 2 试验所用钢筋 为唐山钢铁公司生产的一级钢，经有关部门检验，其力学性能符合 g b t 7 0 1 9 7 盘条要求。 3 试验所用水泥 所用水泥为太原水泥厂出产的4 2 5 # 矿渣硅酸盐水泥。经榆验符合 标准。 第二节试样的制备 、水泥土与钢筋粘结试验试样所用材料的尺寸： 1 ) 所用钢筋直径为1 0 m m 的i 级钢，参照混凝土结构试验力法标 准( 以下简称标准) ，试块边长要求为1 0 d ( d 为钢筋宜径) ， 即为1 0 0 m m 。因钢筋要伸出水泥土试块表面，其伸出长度为： 自出端约为2 0 m m ，加载端为3 0 0 m m ( 如示意图3 1 所示) 。敞 钢筋总长度约为4 2 0 m m 。在加载端套有螺帽以便加载( 经诂算， 螺帽与螺丝间不会因试验加载而产生相对滑移) 。 2 ) 十及水泥等材料均同于制梁所用的材料。制作试块时，每个试块 的用水量为约为土重的2 0 。 二、试样的制作 1 ) 钢筋表面不应有锈蚀，油污。钢筋放于立方体试块的中轴线上。钢 筋伸出试块表面的长度：自由端为2 0 m m 。 2 ) 试件应在钢模中或不变形的试模中成形。试件的浇注面应与钢筋纵 轴平行。钢筋应与试件承压面垂直，并水平设置在模板内。 3 ) 钢筋放于立方体试块的中轴线上，且垂直于水泥土承压面。将搅拌 好的水泥土分3 - 4 层倒入模中并逐层捣实，以保证其充分密实。 太原理l ：人学硕十研究生毕业论文 4 ) 成模后四天拆模，进行自然养护。在养护期问试件表面覆盖塑料膜， 每天滴水以保持一定湿度。二十八天后进行试验。依水泥水泥掺入 比的币例作4 组，每纠 5 个。依次是水泥掺入比为l 5 ，l8 ，2 1 ， 2 4 的试块。 试样的制备表3 1 水泥掺入比钢筋龄期( 天)个数( 个) 2 4 中1 02 85 2 1 巾1 02 85 1 8 o l o2 85 1 5 m 1 02 85 所制试样示意阁 水 图3 。l水泥土与钢筋粘结试验试样示意图 第三节试验目的及方案、方法 一、钢筋与水泥土粘结强度对比试验的试验目的 j 上； 太原蹦! l 大学项士研究生毕业论文 以评价钢筋与水泥土的粘结性能。从而为加筋水泥土用于工程实际 提供叫靠的依据。 二、钢筋与水泥土粘结强度对比试验的方案及方法 l 试验仪器： 1 ) 加载使用三轴剪切仪，经过自行设计的装置将三轴剪切仪所加的 压力转化为对钢筋的拉力从而实现拔j “试验。加荷仪器见示意图 3 2 所示。 2 ) 测量钢筋与水泥土试块的相对位移用百分表。安装百分表的水泥 土试块表面应加工成垂直于钢筋轴的平滑表面。百分表的架设见 示意图。 3 ) 标准中规定：试件装置承压垫板的边长不应小于拔出试件的 边长，其厚度不应小于1 5 m m 。垫板中心孔径应为2 倍钢筋直径。 本次试验中垫板的尺寸：厚度2 0 m m ，长度及宽度均为1 5 0 m m ，垫 板中心孔径应为2 5 m m ，是所用钢筋直年； = 的2 5 倍。故符合要求。 2 试验方法： 1 ) 将水泥土抗拔试验试块正确放置于装置中，调整各个受力部件以 保证其问的摩擦阻力最小。 2 ) 安放好测位移的百分表及测拔出力的压力环并将表指纠调零。 3 ) 川起t 作台使压力环挨住受力部件而不产生压力。 4 ) 丌动仪器观测试件现象并记录数据。具体步骤遵照标准中试 验规程进行。其中标准要求：加载速度应按钢筋直径确定 v = 00 3 d 2 其中v 为加载速度( kn r a m ) ； d 为钢筋直径( m m ) 。 且要求加载速度均匀。而三轴剪切仪的加荷速度是以应变为控制 标准的，故取一般加荷速度为0 1 6 6 m m s 5 ) 所要记录的数据： a 与各级荷载值相应的钢筋与水泥土试块的相对滑移值。 b 钢筋粘结破坏时的最大荷载值f j o o c 钢筋与水泥土粘结破坏时的钢筋的最大滑移实测值s 。 太蟓理f 大学硕士研究生毕业论文 卜扳 上掣 t 毡i i3 襞 图3 - 2 拔出试验仪器示意图 人隙删1 人学倾t 一研究生毕业论文 第四节钢筋与水泥土粘结强度对比试验的现象分析 钢筋与水泥土粘结强度对比试验遵照标准试验规进程行。在试 验中山丁二些人为不可控制的凶素，故所观察到的数据较为离散。同组 试验的试验现象及也有差异。 虽然实验现象有所差异，但随水泥掺入比的增加有以下总的趋势： 对 ：水泥掺入比为15 及1 8 的试块。在加荷刚开始便会产生位移， 随荷载的增加，位移值增加的较为均匀。对于水泥掺入比为2 l 及2 4 的试块。在加荷刚开始产生微小位移，随荷载的增加，位移值在加荷初 期增加的较为缓慢，但加荷至破坏荷载的2 5 3 5 之后，位移增长迅速。 但不论水泥掺入比为多少，在试验过程中都有：加荷至定值时， 由于水泥土与钢筋问的相对滑移，钢筋表面的水泥土会有所剥落，所以 在试验中会产生水泥土碎屑。当加荷到接近破坏荷载时，加荷仪器显示 加倘述度减慢，继续加荷，仪表显示值趋于不动，经过一段时问的持荷 后，显示值降低，表明这时卸荷，钢筋与水泥土的粘结被破坏。但从外 观i 一看试块表面没有出现裂缝，且在与加荷相接触的地方也没被压坏的 痕迹。剖丌试块，在钢筋与水泥土交接的部位也无发现明显的裂缝。 第五节钢筋与水泥土粘结强度对比试验的数据整理 一、试验数据 试验所得数据如下： 水泥掺入比为1 5 如下表3 - 2 所示：水泥掺入比为1 8 如。1 - 表3 - 3 所示；水泥掺入比为2 1 女1 1 下表3 - 4 所示；水泥掺入比为2 4 女h 下表3 - 5 所小。 其q f o 为钢筋与水泥土粘结破坏的最大荷载实测值( n ) 。 s 为钢筋与水泥土粘结破坏时钢筋的最大滑移实测值( 0 0 1 m m ) 。 太原理1 人学硕十研究生毕业论文 f o 与s 。l 实测值表3 - 2 翁等 1 拌2 存3 拌4 拌5 拌 数据 f u o 13 0 91 4 2 81 1 9 09 5 24 7 6 s u 6 6 53 82 52 43 6 ( 水泥掺入比为1 5 ) f u o 与s u 实测值 表3 - 3 编号 1 拌2 #3 拌4 拌5 拌 数据 f u o 1 9 0 43 6 5 3】3 6 82 7 3 73 0 4 9 s u 8 14 9 39 65 25 3 ( 水泥掺入比为18 ) f u o 与s 。实测值 表3 4 翁箩 数据 1 拌2 #3 4 拌5 捍 f u o 3 0 4 93 8 0 81 1 9 03 9 2 73 4 5 l s u 1 3 1 58 8 56 7 21 0 91 2 3 5 水泥掺入比为2 i ) 太原理j 人学硕士研究生毕业论文 f u o 与s 。实测值 表3 - 5 编号 1 拌2 撑3 群4 5 数掘 时 4 9 9 83 5 7 05 5 9 35 4 7 44 1 6 5 s u 1 6 31 0 31 9 0l l o1 1 3 6 ( 水泥掺入比为2 4 ) 二、数据整理 根掘标准中规定：钢筋粘结强度实测值可按下式讨算 ( 式3 1 ) 式中t 。o 为钢筋与水泥土粘结强度的实测值，单位为n m m z 。 e o 为钢筋与水泥土粘结破坏的最大荷载实测值( n ) 。 l a 为钢筋的埋入长度( m m ) 。 d 为钢筋的直径( m m ) 。 由于试验数据偏差较大，在进行数据处理时取每组数据的平均值， 若有数据大于平均数的1 5 ，则去掉该数据。将剩余的值再进行平均。 所得结果入下表： 试验及计算所得数据表3 - 6 水泥掺入比( ) 数掘 1 5182 12 4 f 【j o ( n ) 1 2 5 23 2 1 33 2 7 254 5 l85 s u 3 7 96 69 91 4 4 ( 0 0 1 m m ) t 。o ( n m m 2 ) o 4i1i 3 i 5 5 ! ：坚型i ! ：! 塑塑壅尘望些堡塞 在每纽试验数据中，选取数据较为规整，且与平均值较为接近的 、j ：试验数抓绘制如下所示各图：水泥掺入比为i5 试f 试验如图3 - 2 c 俐箭与水泥十相对滑移值【0 0 lr r l n l 图3 2 水泥掺入比为15 试块的 昕受力与伊穆关系吲 i l ：掺入之、o 18 00 1 式f 试验如图3 - 3 1 5 0 二二。 3 9 0 孵1 7 j 砉囊蓦黎： 斗i 。 ti g ，+ 一f 十 卜卜一 a | _ 一 图4 - 2 主应力轨迹图 o ! _ - 4 5 0 o c 。 = 4 5 。 g 1 0 4 5 0 g i d 如图所示梁中，截面1 1 处1 23 点应力情况为： l 点：位于中和轴处，正应力o = 0 ，t 最大，主压及主压应力与梁纵 ll，丫l，。l丫illl，丫 太原理工大学硕士研究生毕业论文 1 2 点：在受压区内，由于a 是正压力，故主拉应力o 。1 4 1 d 、，主压应力 o 。jr 7 人。o 。j 梁纵轴的央角叩大j 。4 5 ”。 3 点：在受拉区内，由于。是拉应力，故i 口应力g 。增大 碱小。6 。与梁的纵轴的央角小于4 5 。 梁的中主应力轨迹如图所示，其中实线位主拉应力迹线 址应力迹线，两者在同。点处相交成9 0 0 。 虚线为主 二、斜裂缝出现后应力状态的变化： 山有关资料查知水泥土的抗拉强度很低，极限拉应变也很小，当由 ： 商力产牛的拉应变达到其极限时，将在与主拉应力轨迹线相垂直的 方向，即沿主压应力轨迹线产生斜裂缝，试验也证明了一点。 当剪跨比较大时，在弯剪段内将出现弯剪斜裂缝。它从梁底受拉区 首先出现初始垂直裂缝开始的，当它穿过纵向受拉钢筋后，沿主压应力 轨迹线向上发展。裂缝的上端指向集中荷载作用点。弯剪斜裂缝下宽上 细，常见于混凝土粱中。( 见图4 3 ) _ 以石r 厶t i | | 次裂缝弯剪斜裂缝初始垂直裂缝 图4 3 斜裂缝示意图 斜裂缝产生后，梁内的应力状态发生了很大的变化：斜裂缝a b 与 其上端的水泥土剩余截面高度b c 所构成的截面称为斜截面，现取斜截 叫a b c 与支座间的一段作为脱离体( 如图4 - 4 ) ，则作用在斜截面a b 上 的背她为m 。，剪力为v 。，而斜截面上的抵抗力有纵向受拉钢筋的拉力 t ，纵向受拉钢筋销栓作用产生的剪力v 。，斜裂缝两侧水泥土发生相对 位移时产生的咬合力v ，斜裂缝上端b c 截面称为剪压区，其上作用有 j f 、力d c 及剪力v c 。 其中，由于阻止纵向受拉钢筋发生竖向相对位移的只有下面厚度不 人的保护层，故销栓作用v ；，v 是不大的：且咬合力v 也难估计，并随 裂缝的j 1 ：展而逐渐减小。当忽略v ，v 。以及该脱离体上的外荷载之后， 太原理1 人学硕十研究生毕业论文 则斜截面j 一的力的平衡条件为： d 。：瓦：警 a 、c v b = v c m b = t s z ( 式4 4 ) ( 式4 - 5 ) ( 式4 6 ) ，上 厂j 1i，n 且 l ac d ， c i 且 卜：z 日t ，a 斗v 。 7 t s 卜 p。b 图4 - 4 截面受力示意图 a 斜裂缝产生后，纵向受拉钢筋的拉力将突然增大。开裂前纵向受 拉钢筋的拉力是由a 点出垂直弯矩m 。决定的，由式( 4 - 4 ) 有， 斜裂缝发生后则t 。由b 点处的弯矩所决定，m 。比m 。大很多，所 以t 。或者讲钢筋的拉应力0 ；将突然增大。 b 斜裂缝产生后，剪压区b c 上的压应力和剪应力也突然增大很多。 开裂前，剪力是由全截面承担的，开裂后，只由剩余下剪压区承 担，故剪应力突然增大。再由式( 4 - 4 ) 知，剪压区的压力d 广是 要与t 。平衡的，t 。突然增大，故d ，也突然增大。 c 纵向受拉钢筋的拉力的突然增大，使斜裂缝进一步开展，受压区 奎堕些! ：叁堂塑! ：塑壅竺望些堡塞 水泥土剩余截面进一步减小。 d 荷载的继续增入，使纵筋拉力也增大，导致沿纵筋的粘结裂缝( 如 图) ，并且由于纵筋销栓力v 。产生撕裂裂缝( 如图) 。这两种裂缝 破坏了纵筋与水泥土的粘结，使纵筋拉力在裂缝截面与支座之间 几乎相同。于是纵筋与水泥土之间的共同工作完全依赖于梁端支 座处纵筋的锚固。随着荷载的增大，如果这种锚4 4 - 固不能保证的话， 就会产生支座处的粘结锚固破坏。在试验中，对于掺入比为3 0 、 3 6 的水泥土梁出现了类似的破坏现象。 e当正截面受弯承载力和纵筋的锚固能得到保证时，梁将斜截面承 载力小足而破坏，即产生斜截面剪切破坏。 一， ，一 ￥ 粘结破坏 主 厂厂t 弋7，3 尹l 撕裂破坏 图4 5 剪切破坏示意图 三、梁沿斜截面剪切破坏的主要形态： 试验研究表明，梁沿斜截面剪切破坏形态及抗剪承载力都与剪跨比 有很大关系。剪跨比的意义如下： 由混凝土理论知，在裂缝出现前，梁内任一点处的主拉应力0 。及主 太原理l ：人学硕十研究生毕业论文 压应力o 。两者之问关系主要该点处正应力。与剪应力- 的比值。对于 如形截而粱： my 仃2 a l b h o 2 72 “2 石i ! 一坐 rd 2 v h o 式中h ，截面的有效高度； 0 【，旺，计算系数。 令 = 篑 对r 集中荷载作用下的矩形截面梁，则b 截面的剪跨比。 、m r “a 尺h oh o 式中a 一集中荷载作用点至临近支座的距离，称为剪跨。 呵见，剪跨比九是截面所承受的弯矩与剪力两者的比值，是一个无量 纲的参数。 试聆表明，水泥土粱斜截面破坏有如下的形态。借鉴混凝土理论， 片根掘表4 1 所示。在k 3 时，斜裂缝一处现后，就 迅速延伸到集中荷载作用点处使梁沿斜向拉裂成两部分而突然破 坏。斜拉破坏主要是由于主拉应力产生的拉应变超过水泥土的极 限拉应变而发生的。破坏面整齐无压碎痕迹。这时的斜截面抗剪 强度主要取决于水泥土的抗拉强度，故抗剪强度较低。斜拉破坏 时的荷载一般只稍高于斜裂缝出现时的荷载。 2 剪压破坏( 图4 6 ) ：发生于1 九 3 时，弯剪可能不止一条，当 荷载增大到某一值时，在几条弯剪斜裂缝中将形成一