（岩土工程专业论文）温度及土层变化对湿喷桩成桩质量影响的试验研究.pdf

摘要 湿喷桩因其在施工、技术、经济等方面的优势，近年来在高速公路软土地基 处理中得到了广泛的应用，特别是在处理含结构物路段、桥头过渡段和地质条件 较差特殊路段中发挥着巨大作用。然而，由于对湿喷桩强度的影响因素及其使用 环境等方面的认识不足( 如地场温度和土层性质对湿喷桩强度的影响等) ，在实 际工程应用中，常常因为桩体强度不足或在没有达到要求情况下进行路堤填土施 工，从而导致一系列的病害，如由于复合地基承载力不足而造成的路堤沉陷、路 面开裂等。为了使湿喷桩这种施工工艺简单、经济实用的桩型在软基处理中发挥 更大的作用，同时避免不必要的损失，深入系统地进行研究是必要的。本文结合 连盐高速公路课题，从多个方面来探讨养护温度和素土性质对湿喷桩桩体强度所 起的作用，并且在模型试验中综合考虑了养护温度和地基土性质对湿喷桩承载力 的影响，从而可以较全面的考虑影响现场湿喷桩质量的因素。本文的研究成果对 完善复合地基理论、控制现场施工质量等均有益处，并将产生良好的经济效益和 社会效益。本文主要工作如下： 1 ) 利用连盐高速公路现场的两种土制成水泥土，并行进行不同养护温度，不 同龄期下的无侧限抗压强度试验，分别探讨养护温度、龄期、地基土种类对无侧 限抗压强度，变形模量等强度参数的影响。 2 ) 分析了水泥土微细结构和宏观物理力学性质的内在联系，从微细观层次上 讨论了土层性质和养护温度变化对水泥土强度的影响。 3 ) 进行了不同季节的模型槽内压桩试验，测量了试验桩的承载力和相应的沉 降量，用以分析土层性质和养护温度对湿喷桩承载力的影响。养护温度取各湿喷 桩养护期的平均气温。 舢在模型槽中专门打设用于测试材料强度的湿喷桩，并将测量得到的材料参 数应用于湿喷桩的数值计算，从而得到温度和土层性质变化对湿喷桩承载力的影 响，并且分析了两者对湿喷桩承载力的影响程度，从中得到了模型槽中不同条件 下的试验桩加载变形的数值解。 关键词：湿喷桩、模型试验、水泥土、养护温度、土层性质、单桩、数值模拟、 p s 曲线。 。 - f o ri t sa d v a n t a g e sj nc o n s t n l c t i o n ， t e c l l i l o l o g y 凹de c o n o m y ，w j ph a sb e e n w i d e l yu s e di ng r o u n d w o r ki m p r o v e m e n to fs o f tg r o u n df o u n d a t i o ni nh i g h w a y c o n s t 埘c t j o nt h e s ey e a f s 】tp l a y sa 力j 】_ 1 】p o f t a n tr 0 1 ee s p e c i a l l yi nt r a n s i t i o ns e c t j o no r i nt h es e c t i o n so ft h eh i g h w a yo nb a dg e o l o g i cc o n d i t i o n so ri nt h es e c t i o n sw h i c h i n c l u d es t l l j c t u r e si n s i d e h o w e v e r ，f o rt h ej n s u f f j c j e n c yo ft h ek n o w l e d g eo fh o wt h e f a c t o r sa n ds u r r o u n d i n g sa f f e c tt h eq u a l i t yo fw j p( s u c ha st h e 伊o u n dt e m p e r a t u r e a n ds o i lp i o p e r t j e s ) ，o nt h ew o r kf i e k i ，t h ec o n s t n j c t i o no f 矗n j n gs o j lj su s u a l l yc a r r i e d o u tb e f o r et h ew j pa c h i e v e si t s q u a l i f i e ds t r e n 舀h ，a n dt h i sl e a d st o s e r i e so f a c c j d e n t s ，s u c ha st h es e t t l e m e n to fe m b a l l k m e n t、d e h j s c e n c eo fp a v e m e n t ，w h i c hi s l e a db yl a c ko ft h eb e a r i n gc a p a c i t y ；i ti sn e c e s s a r yt os t u d yi ti nad e e p 9 0 i n ga n d s y s t e m a t i cw a yt om a k et h e 、r j p w h j c hj ss i m p l e t o c o n s t r u c t ， e c 伽o m i c a la n d p r a c t i c a l ，p l a y am o r ei m p o nr o l ei nt h eg r o u n d w o r ki m p r o v e m e n to fs o f ts o i l 铲o u n d w o r k ， a n da v o i du n n e c e s s a r y1 0 s e t h i s p a p e rc o m b j n e st h ep r o j e c to f l i a n y a nh i g h w a y ，d i s c u s s e st h ee f f 色c to ft h ec u r i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ep r o p e n i e s o fs o i lo nt h es t r e n g t ho ft h ew j pm a t e r i a l ，a n ds t u d yt h ee f e c to ft h ec u f i n g t e m p e r a t u r ea n dt h ep r o p e r t i e so fs o i l o n b e a r i n gc a p a c i t yo fw j pi n t h em o d e l e x p e r i m e n tt o g e t h e r ，s oi ti sp o s s i b l et ot a k et h ef a c t o r sw h i c ha f i e c tt h eq u a l i t yo ft h e w j pi n t o a c c o u n t ， a n di m p r o v et h et h e o r yo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，c o n t r 0 1t h e c o n s t r u c ti nf i e l da n dg e tg o o ds o c i a lb e n e f i ta n de c o n o m i cb e n e f j t i h ew o r kj nt h i s p a p e rc o n t a i n ss e v e r a lp a n s ： 1 ) m a k ec e m e n t - s t a b i l i z e ds o i lu s i n gt w ok i n d so fs o i lf r o mt h ew o r kf i e l do f l i a n y a nh i g h w a y ，c u r et h e mu n d e rd i 疵r e n tt e m p e f a t u r e sf o rd i f f e r e n ta g e s ，t h e n c a r r yo u tu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t ，a n de s t i i l l a t et h ee a e c to ft h et e m p e r a t u r e s ， a g e sa n dt h ek i n d so fs o i lo nt h es t r e n g t hs u c ha su 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 h a n dm o d u l u so fd e f o m a t i o n 2 ) r e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t 、e e nm i c r o s c o p i cs t m c t u r ea n dm a c r o s c o p i c p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e n i e s ，s t u d yt h ee f ! 1 e c to ft h et e m p e r a t u r e sa n dt h e p r o p e n i e so fs o i lo nt h es t r e n g t ho ft h ec e m e n t s t d b i l i z e ds o i l 3 ) t os t u d yt h ee f f e e to fm em a i n t a i n i n gt e m p e r a t u r ea i l dt h ep r o p e r t i e so fs o i lo n t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fw j pi nt h em o d e le x p e r i m e n t ，t h i sp a nc o n t a i n sm a i n l y e x p e r i m e n to nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ew j p i nd i f f e r e n ts e a s o n s ，t h e nc o m p a r e 。 t h e m ，a n dc o n s j d e rt h ee f | e c to ft h ec u r i n gt e m p e r a t u r e ，t h es o i lp r o p e n i e so nt h e b e a r i n gc a p a c i t yo fw j p ，a n de v a l u a t et h ee 丘色c t 7 r h k et h ea v e r a g et e m p e r a t u r ei nt h e c u r i n gt i m ea sc u r i n gt e m p e r a t u r e 4 ) d r i v ew j p i nt h em o d e lb o xs p e c i a l l yu s e df o rt e s t i n gt h es t r e n 舀ho fm a t e r i a l ， u s et h em a t e r i a lp a r a m e t e r si nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw j p t h e nw ec a i lk n o wt h e e f f e c to f g r o u n dt e m p e r a t u r ea n ds o j lp r o p e n i e so nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fw j p ，a n d m e a s u r et h el e v e lo ft h e m ，a n dg e tt h en u m e r j c a lv a r ) ，i n g1 a wo ft h ed e f o 加a t i o no f ) 一o _ w j pi nt h em o d e lu n d e rd i 眙r e n tc o n d i t i o n k e y w o r d s ：w j p ，m o d e le x p e r i m e n t ，c e m e n t - s t a b i l i z e ds o i l ，t e m p e r a t u r e ，t h e s o i l p r o p e r t i e s ，e x p e r j m e n to nt h eb e a r i n gc a p a c i t vo fw j p ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s i n 酉e p i l e ，p sc u r v e ， 一 叶 学位论文独创性声明： 本人所呈交的堂位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：歪￥兰查圣一 2 。6 年6 月9 日 。 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容 的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： f 习羔堡 2 0 0 6 年6 月9 日 第一章绪论 1 1 本文的研究目的和意义 第一章绪论 我国幅员广阔，各地分布着各种成因的天然软土层。这些土层的特点是含水率高、 孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数低、固结时间长。这些不利因素对在其上进行的建 设活动造成了很不利的影响。因此，软土的各种深层加固技术日益受到人们的重视。 湿喷桩作为深层加固技术的一种，是利用水泥作为固化剂以提高软土地基的强度， 减少软土地基的变形，从而达到改善软土承载能力的一种地基处理方法。其优点是可 以利用特制的机械在地基深处就地加固软土，而无需将软土挖出。加固过程中，低速 旋转的搅拌叶片未破坏软土中天然形成的团粒结构( 它正是软土还具有一定强度的原 因) ，而又能将固化剂源源不断地分散到土颗粒之间使软土硬化，达到地基加固的目 的。其加固深度可以超过6 0 m 。近年来该技术在高速公路软土地基处理中得到了广泛 的应用，取得了良好的社会效益和经济效益。 在湿喷桩复合地基中，虽然是湿喷桩与桩间土共同承担上部荷载，但桩体的承载 力是决定复合地基承载力的主要因素。要研究复合地基的承载力必须先从湿喷桩单桩 承载力入手。而湿喷桩单桩承载力又与湿喷桩桩体材料性质和桩周土的性质密切相 关。因此，研究不同情况下湿喷桩材料的性质和地基土对湿喷桩承载力的影响，以及 它们的综合效果显得很有必要。 前人在湿喷桩材料性质及其影响因素、湿喷桩模型试验、湿喷桩数值模拟等方面 均展开了一些研究。通过他们研究成果的总结，发现湿喷桩的材料性质与许多因素密 切相关，如：土体天然含水率，土体孔隙比，土中有机质含量，水泥掺入量，龄期等。 为了使湿喷桩这种处理方法更加完善，需要衡量这些因素对湿喷桩强度的影响，在湿 喷桩模型试验和数值模拟中需要将土层支撑力即地基土层性质、桩的布置等很多因素 综合考虑进去。 在诸多影响因素中，目前对于养护温度，素土性质对湿喷桩桩体性质及其承载力 的影响，无论是室内试验、现场试验还是模型试验，都研究得不充分。而在实际工程 中又会不可避免的遇到这一类问题，因此，有必要进行深入研究，减少这类问题对湿 喷桩承载能力的影响。 在这样的工程背景下，本文结合连盐高速公路课题，从多个方面结合来探讨养护 温度和素土性质对湿喷桩桩体强度所起的作用，并且在模型试验中综合考虑了养护温 河海大学硕士学位论文 度和地基土性质对湿喷桩承载力的影响，从而可以完善地考虑影响现场湿喷桩质量的 因素、改进复合地基理论、指导现场施工质量控制，并将产生良好的社会效益。 1 2 湿喷桩复合地基的研究现状 目前对湿喷桩复合地基的研究主要在两个方面，( 1 ) 在各种工况下湿喷桩桩体材 料( 水泥土) 的强度研究，( 2 ) 复合地基承载力的研究，包括：湿喷桩的模型试验； 湿喷桩的现场试验；湿喷桩的数值分析。了解这些方面的研究现状对本文的研究 很有必要。 湿喷桩桩体材料性质和承载能力的研究现状主要反映在以下三个方面： 1 ) 水泥土性质研究 水泥土综合含水率、水泥土中水泥掺量、水泥土龄期、水泥品种等常规因素对 水泥土强度影响的研究。 贾坚在文献1 2 】中通过水泥加固土的一系列室内试验和现场测试以及水泥土硬化机 理中水的作用研究，分析影响水泥土性能的因素并着重分析含水率对水泥加固土性能 的影响，揭示了上海软土地区综合含水率是影响水泥土加固效果的关键因素，针对上 海饱和软粘土地区水泥土加固工程，提出在不增加水泥用量的情况下，通过改进施工 工艺技术，控制综合含水率的方法来提高水泥土加固效果，从而在深基坑等工程应用 中充分发挥坑内加固水泥土控制变形的作用及工程效益。 汤晏平在文献1 3 j 中通过对水泥土加固体的室内配比试验，探求水泥土的工程特性、 其强度随水泥掺入比和龄期变化的增长规律，讨论不同水泥品种和水灰比及外掺剂对 水泥土强度的影响程度，最后给出一种较为合理的配比方案和强度试验指标。为工程 的设计和应用提供了可靠的工程依据，并对类似工程的加固具有一定的参考价值。 一般情况下认为湿喷桩加固软土地基法适用于天然含水率在1 0 3 0 的淤泥质 土、粘性土、粉性土地基的加固；当天然含水率在3 0 7 0 时适合使用粉喷桩进行 处理。在含水率小于3 0 时，湿喷桩比粉喷桩的使用更为有效，这种情况下，水泥不 会发生无法水化的现象，并且水泥搅拌得更加均匀。 水泥土养护温度、与水泥搅拌素土的性质对湿喷桩质量的影响 赵峥嵘、杨红霞在文献1 4 j 中着重讨论了室内水泥土在不同养护温度条件下龄期与 强度关系的试验结果，得到了温度、龄期与粉喷桩抗压强度三者之间的关系，提出了 预测抗压强度的数学关系式。 水泥加固土的室内试验表明，有些软土的加固效果较好，有些较差，这和软土的 组成有关。一般认为，含有高岭土，多水高岭土、蒙脱土等粘土矿物的软土加固效果 较好；而含有伊里土、氯化物和水铝英石等矿物的软土以及有机质含量较高、酸碱度 第一章绪论 ( p h ) 值较低的粘性土，仅采用水泥进行加固，其效果较差。 水泥土的微细研究 水泥土的微细结构研究是水泥土发展的新方向，目前所做研究比较有限，水泥土 微细结构的研究对于解释水泥土行为的本质和规律可以发挥非常重要的作用，为水泥 土模型的建立提供难以忽视的理论框架。 李俊才、赵泽三等在文献【5 】中通过对天然软土以及现场、室内的水泥土样品进行 微观对比分析研究，从另一侧面分析研究了水泥土加固软土的作用机理。 王清、陈慧娥等在文献【6 】中介绍了利用图像处理技术对土体进行微观结构定量分 析的方法，讨论了表征结构单元体和孔隙大小、形态及定向性等结构要素的定量评价 指标。通过对加入水泥固化后软土的微观结构图像分析，论证了水泥土的微观结构特 征定量分析方法，得出了以此来分析评价土体微观结构特征的方法。 2 ) 湿喷桩模型试验的研究 段继伟在文献【7 1 中，叶观宝在文蒯8 】中分别通过室内模型试验和现场足尺试验对 水泥土搅拌桩复合地基的荷载传递规律进行了些分析，结果表明传到桩端的荷载占 桩顶荷载的比重比较小，桩体的变形、轴力和侧摩阻力主要集中在有效桩长范围内， 复合地基承载力的发挥程度与地基土土质、桩土相对刚度、桩间土的上覆荷载及桩身 质量有关，桩土应力比随荷载变化而变化。 胡幼常在文献【9 】中通过室内模型试验，对土工格栅加固道路软土地基的效果及机 理进行了研究。除测出四种不同试验条件下基底压力与地基沉降的关系曲线外，还用 读数显微镜精确观测了软土地基的位移场，并对试验结果作了初步分析，揭示了土工 格栅能有效加固道路软基的某些机理。 蒋鹏飞在文献【1 0 l 中根据相似理论，以某高速公路土工格室+ 碎石桩复合地基为原 型，设计完成了一组大型对比室内模型，并在大量试验数据的基础上，对其承载机理 进行了深入探讨，得到了有益的结论，对土工格室+ 碎石桩复合地基的作用机理的认 识具有一定的参考意义。 杨俊杰、章雪峰、彭孔曙等在文献1 1 1 】中以相似理论为基础，采用原型粉粘土和微 混凝土挤扩支盘桩制作相似模型，通过对桩土共同作用模型中支盘桩的承载能力、变 形特征、土层的压力变化和桩土阻力及沉降关系的观测，分析了支盘桩支盘的作用特 性以及与全桩承载力的关系，为支盘桩的工程应用提供了有价值的参数和试验依据。 金宗川在文献【1 2 1 中通过现场足尺试验和室内模型试验对石灰桩复合地基的工作 性状作了详尽的分析。他采取埋设压力盒的方法获取实测的桩以及桩间土的应力，揭 示了单桩及多桩复合地基在荷载作用下的变形特性和荷载底板的应力分布特征，提出 了标准承载力由变形控制的取值方法。通过改变单桩复合地基模型试验的荷载水平、 桩土相对刚度、置换率等试验参数，分析比较了不同参数下的桩、土荷载传递规律， 河海大学硕士学位论文 揭示了桩体不同深度处桩土应力比的变化规律，结合试验结果确定了石灰桩单桩有效 桩长的范围和桩土应力比的合理取值。同时，他通过室内模型试验研究了基础刚性底 板下柔性垫层对复合地基工作性状的影响。根据试验资料分析了不同垫层厚度下桩、 土荷载传递特性，桩、土应力变化规律及桩土应力比随深度变化等工作性状。 王金山在文献【1 3 】中以高填土路堤下粉喷桩复合地基为背景，根据高填土路堤下复 合地基的布桩形式及受力的对称性，在一个1 1 0 c m 3 0 c m 1 2 0 c m 的砂箱内进行试验。 在试验时采用单因素试验方法分别进行了以下三组试验： ( 1 ) 天然地基载荷试验( 2 ) 疏长桩复合地基载荷试验( 3 ) 短密桩复合地基载荷 试验，并且得到了一些有用的结论。 3 ) 湿喷桩的数值计算 肖宏彬在文献1 1 4 】中以桩的荷载传递函数为基础，考虑桩土( 岩) 共同作用，从理 论上推导了桩身荷载与沉降关系的数值模拟的迭代模型。通过数值模拟分析得到桩顶 的p s 曲线，可作为确定桩的承载力的依据。经过对工程实例的计算与实测对比分析， 证明该理论可靠、方法简单，且具有较好的实用性。计算得到的p s 曲线与实测的曲 线非常吻合。 邓永锋，刘松玉在文献【1 5 】中应用弹性层状体系和m i n d h n 附加应力联合求解的方 法，对水泥土搅拌桩复合地基载荷试验进行数值分析计算，总结了水泥搅拌桩复合地 基深层桩土应力比的变化规律，讨论了水泥搅拌桩复合地基深层桩土变形协调问题。 黄金林李彰明在文献1 1 6 】中利用土力学及弹性理论导出了确定层状土中桩轴向荷 载一沉降关系，按位移协调法求出桩顶荷载一沉降的关系曲线，通过工程试桩进行了 计算对比，指出其计算值与实测值比较吻合，从而表明本方法的可行性。 1 3 研究工作 综观前人的研究，对于在施工中起到重要作用的素土性质因素和温度因素考虑得 并不全面，而进行这方面的研究是很有必要的，因此，本文着重开展了素土性质及地 场养护温度变化对湿喷桩桩体强度影响的试验研究和理论分析，包括各种因素对湿喷 桩材料性质的影响，各种因素对湿喷桩复合地基的影响等，并进行了各种因素对湿喷 桩承载力影响的评估研究。本文主要工作如下： 1 ) 利用取自连盐高速公路现场两种土制成的水泥土，进行了室内的水泥土强度试 验，并进行了不同养护温度，不同龄期下的无侧限抗压强度试验。采用单因素法，分 别探讨温度、龄期、地基土种类对无侧限抗压强度，变形模量等强度参数的影响。 2 ) 在水泥土室内试验的基础上，分别提出了两种水泥土随养护温度变化的2 8 d 应力应变经验公式，并量化了温度对水泥土强度的影响。 第一章绪论 3 ) 开展了微细试验研究，结合探讨微细结构和宏观物理力学性质的联系，从更深 层次上讨论了土层性质和养护温度变化对水泥土强度的影响。 4 ) 进行了反映不同季节变化的模型槽内的压桩试验，确定了试验桩的承载力和相 应的沉降量，并验证了土层性质和养护温度对湿喷桩承载力的影响，养护温度取各湿 喷桩养护期的平均气温。 5 ) 由于水泥土试验的试样尺寸与模型槽中湿喷桩尺寸的大小不一样，造成了尺寸 效应，因此，在模型槽中专门制作了用于试测湿喷桩桩体材料强度的试样，并且测量 得到不同养护时期( 即不同养护温度) 和不同土层的湿喷桩桩身强度。 6 ) 将试验测量得到的材料参数应用于湿喷桩的数值计算，并对打设在不同土层 配置中的湿喷桩的沉降情况进行数值模拟，得到了温度和土层性质变化对湿喷桩承载 力的影响，并且衡量了两者对湿喷桩承载力的影响程度。另外，还得到了模型槽中不 同条件下试验桩变形的数值变化规律，并将数值计算结果与试验结果进行对比研究。 河海大学硕士学位论文 第二章水泥土强度试验 湿喷桩加固地基的方法是一种通过水泥改善软土工程性质形成具有较高强度桩 体的方法，在该方法中，改善后软土即桩体材料的性质，对整个方法的加固效果影 响很大。然而，由于目前该方法无论是在加固机理、设计计算方法方面，还是在施 工工艺方面均不完善，基本还处于半理论半经验的状态。因此，有必要对桩体材料 的性质井展研究，而相应的室内水泥土的试验研究就显得尤其重要。 在现场湿喷桩施工之前，需进行一系列的前期准备工作，其中对实际使用的固 化剂、外掺剂和配比进行现场检验是重要的一个环节，各项指标达到设计要求后方 可施工。在目前的检验中，一般是通过对加固之后水泥土的物理力学性质，如无侧 限抗压强度，变形模量等进行测量来衡量。由于湿喷桩成桩质量与搅拌前素土的性 质和养护温度等有关，而这些因素对于桩体材料强度的影响是不可忽略的，充分考 虑这些因素就可以在设计时采用最优的方法如改善原有素土性质或更改最初搅拌桩 设计来提高湿喷桩的强度。本章在室内水泥土强度试验中，考虑了搅拌前素土性质、 养护龄期、养护温度对水泥土强度的影响，并进行了量化研究。这些工作对进一步 了解桩体材料的性质显然具有重要价值，对完善设计计算方法和施工工艺也有帮助。 2 1 水泥土强度的形成机理 由于实际现场的多样性，进行大量的现场实测试验不仅费用高，而且不科学。 要对加固机理，施工工艺等进行深入探讨，开展系统的室内试验是必要的，然而室 内制备的水泥土与现场形成的湿喷桩桩体必然有所不同。因此，制作时应尽可能接 近现场情况，这对于了解现场湿喷桩材料性质有很大的意义。因此，了解打设过程 中湿喷桩桩体材料强度形成的机理，对于室内水泥土强度形成机理具有借鉴作用， 有助于分析室内水泥土强度的影响因素。 打设湿喷桩时，水泥浆液将会与土体进行搅拌混合，水泥的各种矿物成份将与 软土中的矿物成份发生一系列的物理化学反应。水泥水化生成的最多的氢氧化钙电 离产物中的c a 2 + 与土中的1 0 或n a + 进行当量吸附，使扩散层变薄，从而使土颗粒的 分散度降低，较小的土颗粒成为较大的土团粒，土的强度得以提高，减少压缩性。 水化生成的凝胶粒子，其比表面积比原水泥颗粒大得多，因而产生很大的表面能， 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，使得水泥土的强度提高并长期保持稳 、 第二章水泥土强度试验 定。这样的粘土与水泥水化物之间的作用称之为离子交换和团粒化作用。 随着水泥水化反应继续进行，溶液中析出大量c a 2 + ，多于离子交换需要的钙离 子。在碱性环境中，它们与粘土矿物中的s i 0 2 和舢2 0 3 进行反应，生成不溶于水的 稳定结晶化合物。这样的粘土矿物与水泥水化物之间的作用称之为硬凝反应： s i 0 2 + c a ( o h ) 2 + n h 2 0 c a 0 s j 0 2 ( n + 1 ) h 2 0 a 1 2 0 3 + c a ( o h ) 2 + n h 2 0 c a o a 1 2 0 3 。( n + 1 ) h 2 0 这些新生成的微晶化合物，一依靠比较强的化学键结合，构成结晶网状结构，增 加了水泥土的强度，而且由于其结构比较致密，水份不易侵入，从而使水泥土具有 足够的水稳定性。此外，水泥水化物中游离的氢氧化钙吸收水和空气中的二氧化碳， 生成不溶于水的碳酸钙，从而使地基土的分散度降低，强度及防渗性能增强。 碳酸化作用：水泥土水化物中游离的氢氧化钙能够吸收水中的二氧化碳，发生 碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙。 这种反应生成的c a c 0 3 使得土的分散度降低，压缩性降低，强度以及渗透性增 强。从以上水泥加固土的机理分析可知，水泥土的粘结力来源于范德华力、氢键、 离子键和表面能的综合作用能，它远比原状土中主要的范德华力要大得多，因而水 泥土的强度比原状土大。根据国内外众多学者在室内水泥土试验中得到的研究成果， 已经了解了其物理力学性质的变化规律，如：水泥土的含水率略低于原土样的含水 率，且随着水泥掺入比的增加而减小；水泥土的重度和原土样几乎相同；水泥土的 无侧限抗压强度随水泥掺入比、水泥标号的加大而增大，随龄期的增长而提高，在 小于最优含水率时随含水率的增大而增大，在大于最优含水率时随着含水率的增大 而减小；水泥土的抗拉强度、抗剪强度随其无侧限抗压强度增长而提高。 2 2 水泥土强度i 趱 在了解水泥土的强度形成机理之后，就可以有针对性地开展水泥土强度影响因 素的试验研究。目前水泥土的室内物理力学性质试验尚未形成统一的操作规程，本 试验利用现有的三轴制样器制作成毋3 9 6 c m 8 c m 的圆柱状试样。在万能试验机上进 行无侧限抗压试验，由计算机自动采集应力应变数据。通过试验可以探索用水泥加 固两种不同性质的软土的效果；掌握加固两种软土所需要的最优含水率；了解孔隙 比、饱和度、干密度等因素对水泥土强度的影响；掌握水泥土强度随龄期和养护温 度增长的规律。 水泥土试验中所选取的土取自连盐高速公路盐城段现场试验所在位置，为了更 具针对性试验选取了现场典型土层的土样，因此进行室内水泥土试验的时候可以更 具代表性地对现场情况进行对比分析。土样具体物理力学参数见表2 1 。水泥为双 洲海人学颂i ：学位论文 猴牌水泥：3 2 5 p o ，其主要技术指标见表2 2 。 水泥土试样的制作过程：将试验土样烘干后过2 m m 筛，然后加水调整至天然含 水率，并拌合均匀，放置2 4 小时后进行配合比试验。试验中对粉土和粘土分别添加 1 5 的干水泥掺入量，水泥浆采用0 5 的水灰比，采用人工拌和，制模后把试件用两 层塑料袋包裹，以减少水分蒸发，放置于温度为2 5 2 、1 吐2 、o 2 的环境下 进行养护至规定试验龄期。 试样养护到规定龄期之后，将试样进行无侧限抗压试验，将应力应变曲线记录 下来。取3 个平行试样测值的中间值作为该小组试样的指标。当每个试样强度之测 值与平均值之差超过1 5 时，该试样的测值剔除，按余下试样之测值计算平均值： 若一组试样不足两个时则该组试验值无效，须重做。 表2 1 选取的代表性土样的室内土工试验参数 土 样 天然状态土的物理指标界限含水牢 含 水 密 度 名 率湿干 称 w p op d g s e o s rc 妒 w iw pi pi l g c m 3 一 一 k p a。 一 一 2 3 试验研究结果 查阅大量文献，我们可以发现影响水泥土强度的因素非常多，如龄期，水泥掺 入量，土体含水率，土中有机质含量，外掺剂，养护温度，养护围压等。为了掌握 各因素对水泥土强度的影响，本文采用单因素法进行研究。 液 性 指 数 塑 性 指 数 塑 限 液 限 摩 擦 角 粘 聚 力 饱 和 度 孔 匕 然 趾 烈 隙 土 粒 比 重 第二章水泥土强度试验 2 3 1 土层性质影响 1 ) 含水率的影响 用湿喷桩加固软土地基时，土体的物理化学性质对湿喷桩的加固效果有很大的 影响。一般来讲，湿喷桩在粉土中加固效果最好，对粘粒含量较低的粘土，效果也 比较明显，因此在考虑湿喷桩加固软土地基的设计方法时，必须考虑土体分层特性 的影响，不同性质土体的含水率、与水泥反应的特性、生成最终产物的强度等都差 异明显。通过水泥土强度形成机理可以发现其中起主要作用的是含水率。在水泥土 的物化反应硬化过程中无论是水泥与水的水解和水化反应，还是水泥水化物与粘土 颗粒的离子吸附、交换反应和硬凝反应，水都起着重要的作用，水是水泥土强度增 长的保证。软土的含水率对水泥土固化具有重要意义，存在着较为复杂的关系。由 于水泥的水化需要一定的水分，所以粉喷桩一般不应用在干燥土体中，当含水率大 于5 0 时，适合于水泥粉搅拌法，反之，宜用水泥浆搅拌法。 在文献【2 j 中经试验研究得出：水泥土综合含水率对水泥土强度的影响基本上呈 高斯函数分布形态，其期望值即为水泥土最佳综合含水率。在达到最优含水率之前， 水泥土强度随着含水率的增长而快速增长，当达到最优含水率之后，随着含水率的 增长其强度迅速下降。在连盐高速公路项目的前期试验中，我们采用1 5 的干水泥 掺入量，水泥浆采用0 5 的水灰比进行搅拌前素土最优含水率的试验，得到2 8 d 龄期 粘土层的最优含水率为3 5 ，粉土的最优含水率为2 5 ，如图2 1 和图2 2 ，因此， 在制作试样的时候，将地基土的含水率进行小幅度的调整，使其达到最优含水率， 以便在分析时候略去含水率对水泥土的强度的影响。 ul uz u3 u4 ua ub uul uz uj uq ub ub u 含水率( )含水率( ) 图2 1含水率粘土水泥土强度关系示意图图2 2 含水率粉土水泥土强度关系示意图 2 ) 孔隙比的影响 土的孔隙比对水泥土强度的影响没有含水率的影响大，湿喷桩的施工过程中， 土的原状结构被破坏，并与水泥进行原位搅拌。所以土的孔隙比不能直接反映水泥 土的性质。但是孔隙比在一定程度上反映了土体的应力历史及矿物组成。因此能间 接反映水泥土的结构紧密程度及水泥与软土的结合特性。事实上，在进行搅拌时， 过高的孔隙比、过大的孔隙对于水泥土的胶结是不利的，而过低的孔隙或过小的孔 一0 0 r o 0 0 2 2 ， o -弓赵氧写娶蚕最 河海大学硕士学位论文 隙比对于水泥在孔隙中的生长是不利的。因此，存在个最优的孔隙分维，孔隙分 维对于水泥土的强度增长影响较大。 试验中，在较高温度下养护的粘土水泥土强度要大于粉土水泥土，这与某些研 究人员得到的结果完全不一样，在文献【1 7 j 中，作者得到的试验结果是粉土水泥土的 强度要大于粘土水泥土，而赵峥嵘在文献f 1 8 j 中得到的低液限粘土水泥土的强度要大 于粉土水泥土。因此，可以假设，影响水泥土的强度的土体物理性质中，土体颗粒 的影响并非很大，而土体的孔隙比和土体干密度的影响应该着重研究。水泥土试验 中对水泥土的强度起重要作用的主要因素有含水率，干密度和孔隙比，通过回归分 析，可以得到它们各自所起作用的大小。表2 3 是各养护温度下水泥土的2 8 d 强度。 对于2 8 d 的水泥土，2 5 的情况下，仃。= 一0 0 0 7 8 1 2 岛+ o 2 1 5 e 。随着干密度 的增大其无侧限抗压强度减小，随着孔隙比的增大，其无侧限抗压强度增大。 1 0 的情况下，仃。= 一o 0 5 2 0 1 岛+ 0 1 2 3 7 7 e 。随着干密度的增大其无侧限抗压 强度减小，随着孔隙比的增大，其无侧限抗压强度增大。 对于o 的情况下，由于土中和水泥浆中的自由水结成冰造成孔隙比增大，因此 没有对其进行回归分析。 表2 - 3 土的干密度n 和子l 隙比e 对2 8 d 水泥土强度的影响 3 ) 土的饱和度的影响 土的饱和度从相对的角度反映了土的含水率和孔隙比。也就综合反映了这两个 因素对水泥土强度的影响。 4 ) 有机质含量的影响 土中有机质含量是决定水泥熟料水化结晶过程快慢的重要因素。有机质含量较 高的软土其相应水泥土的强度形成较为缓慢。有机质含量少的，其水泥土强度形成 也较快。从长期的观点来看，在水泥土中的有机质最终会导致水泥土的强度丧失。 5 ) 粘土水泥土与粉土水泥土强度差别的原因 在养护温度相对较高时，在同龄期情况下粉土水泥土强度较粘土水泥土强度低， 第二章水泥土强度试验 原因有以下几点：首先，粉土颗粒直径比粘土颗粒直径大；虽然土的孔隙体积相当， 但粉土的孔隙直径较大，土粒之间胶结强度较低；其次，粉土水泥土中的气体与外 界的换气率较粘土高，因而水化反应温度较低。造成水化反应相对不完全。但强度 随龄期增长的规律两种土质是基本相同的。在温度相对较低的情况下，由于水泥在 土中的胶结作用无法发挥，因此始终是土体本身的强度占据了水泥土强度的大部分， 因此粉土水泥土的强度要大于粘土水泥土的强度。 2 3 2 不同种水泥土的强度随龄期的增长 o 不同种水泥土强度随时问的增长是不同种土层性质对水泥土强度影响的综合反 映。从图2 3 到图2 5 中可以看到，在2 5 养护温度下，7 d 龄期内水泥土的强度迅 速增长，7 d 龄期之后，增长趋势变得缓慢起来。同时粘土水泥土保持较粉土水泥土 更大的强度，并且粘土水泥土增长略快。 o0 q 一 弘 蕊o 罢o 呈o 晷 状o 令0 乱 争 强0 娶o 呈o 髫 隈o 01 02 03 001 02 03 0 时间( d )时间( d ) 图2 32 5 养护温度下的强度龄期关系图2 - 41 0 养护温度下的强度龄期关系 oo 凸_ 争 骤0 叫 墨o 堇o 娶 瞅0 _ 01 02 0 时间( d ) 图2 50 养护温度下的强度龄期关系 在1 0 养护温度下，7 d 龄期内水泥土的强度迅速增长，之后粉土水泥土基本停 止增长，而粘土水泥土仍然有一定的增长。粘土水泥土的强度比粉土水泥土要高。 在o 养护温度下，粉土水泥土的强度保持一定的增长，但是粘土水泥土强度基 本上不增长，且比较低。粉土水泥土的强度较粘土水泥土更大。 河海大学硕二f = 学位论文 2 3 3 养护温度的影晌 在研究了土层性质、龄期对水泥土强度的影响之后，接下来着重探讨养护温度 对水泥土强度的影响。 1 ) 某龄期时的养护温度强度关系图 从图2 6 到图2 8 可以发现，在相同养护龄期时，低温的情况下粘土水泥土的强 度都比粉土水泥土低，而一旦提高养护温度，粘土水泥土的强度便超过粉土水泥土。 2 ) 各养护温度的应力应变关系图 通过图2 9 到图2 1 4 可以发现，随着温度的提高，所有龄期的水泥土的强度和 变形模量都随着温度的提高逐渐变大，但是，增长的趋势是越来越缓慢的。通过生 长曲线一龚帕斯曲线可以拟合这种增长趋势。 o1 02 03 0 温度( ) 温度( ) 图2 - 61 d 龄期时的强度养护温度关系图图2 77 d 龄期时的强度养护温度关系图 令0 乱 邑0 型 骥0 i d 暴o 呈o 晷 暇0 温度( ) 图2 82 8 d 龄期时的强度养护温度关系图 3 0 加 垢 m o o o o o一对(i=一斟q一承毕一-i：j一一肇山nm眈 0 0 0 0 o o 一对乱芏一越霞口暑杂髻；肇限 第二章 水泥土强度试验 0 0 0o 0 l0 0 20 0 3 0 0 40 0 5 应变 图2 91 d 粉土水泥土应力应变关系图 0 0 0 0 1 0 eo 0 8 璺o 0 6 弋0 0 4 毯0 0 2 0 0 0 o 0 00 0 1 0 0 l 0 0 2 0 0 20 0 3 应变 图2 1 0l d 粘土水泥土应力应变关系图 0 0 00 0 l 0 0 20 0 3 0 0 4 o 0 5 0 0 0 应变 图2 1 l7 d 粉土水泥土应力应变关系图 0 2 5 0 2 0 固 金o 1 5 r0 1 0 毯0 0 5 0 0 0 0 0 00 0 2o 0 4o 0 6 应变 图2 1 27 d 粘土水泥应力应变关系图 0 2 5 0 2 0 m 垒0 1 5 r0 1 0 毯0 0 5 0 0 0 o 0 0o 0 10 0 20 0 3 0 0 00 0 1 0 0 2 0 0 3 应变应变 图2 - j 32 8 d 粉土水泥土应力应变关系图 图2 - 1 42 8 d 粘土水泥土应力应变关系图 3 ) 温度对变形模量影响的初步研究 由于变形模量是影响湿喷桩压桩时的沉降量的重要标准，所以需要研究变形模 量随养护温度变化的趋势。以2 8 d 水泥土为例研究养护温度在水泥土强度增长中所 起的作用。利用龚帕斯曲线对粉土和粘土水泥土的温度变形模量实测关系进行拟 合，如图2 1 5 到图2 1 6 ，其关系式分别为： e = 1 1 丰p o w e r ( 0 6 5 2 7 ，p o w e r ( 0 9 4 3 9 ，t ) ) e = 1 6 木p o w e r ( 0 2 1 2 7 ，p o w e r ( 0 7 6 5 4 ，t ) ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 可以发现，在一定的龄期下，随着养护温度的升高，粉土水泥土2 8 d 的变形模 量逐渐变大，当温度超过4 0 之后，再提高养护温度，水泥土的变形模量增长的空 1