（岩土工程专业论文）水泥土搅拌法加固特殊软土的试验与应用研究.pdf

摘要 摘要 本文通过对已有国内外水泥土研究的分析，针对连云港地区高含水量、高含盐量海相软土及盐 城地区高有机质含量泻湖相软土的特点，进行了大量水泥土室内试验，提出了含水量、龄期、水泥 用量、含盐量和有机质含量对水泥土强度影响的定量分析公式。此外，本文通过对粉湿法室内试验 结果和现场检测结果的分析，得到了粉湿喷桩的适用性条件。论文的主要内容如下： 1 提出了高含水量非有机质土加固后的强度用似水灰比来表示的强度预测公式。采用本文提出 的水泥土强度预测公式，根据某一似水灰比、龄期2 8 天某种的水泥土室内试验强度，可以预测不同 含水量、不同水泥用量和不同龄期的水泥土室内试验强度。通过比较分析，发现本文得出的水泥土 强度预测公式也可以很好地应用于别的研究者已经发表的水泥土试验数据。 2 提出了高有机质含量软土水泥加固后的室内无侧限抗压强度的预测公式。采用对盐城泻湖相 软土掺入不同含量的有机质作为试料土，进行了大量的水泥加固室内试验。通过对试验结果进行分 析，建立了不同有机质含量y 与y o 的试料土经水泥加固后的室内强度比可以用它们有机质含量y 、 y 。来表示的定量关系式，该定量关系式可以有效地对有机质含量在55 1 7 5 的水泥加固后的无 侧限抗压强度进行定量的预测，对我国有机质含量较高的部分地区软土水泥加固具有重要的借鉴意 义。 3 研究了含盐量对非有机质土加固强度的影响，并得到了含盐量对水泥土强度的提高或减小的 闽值为3 5 。当盐渍土的含盐量低于这个闽值时，盐渍土的加固强度会因可溶性盐的结晶膨胀作用， 提高水泥土的强度；相反当盐渍土的含盐量高于该阈值时，盐渍土的强度会因可溶性盐的过多的结 晶膨胀作用，使水泥土的结构遭到破坏，从而使水泥土的强度大大降低。同时分析了可溶性硫酸盐、 镁盐和氯盐对水泥土的浸蚀性作用，并从盐类对水泥土强度的影响从机理上进行了阐释，得到了高 含盐量对水泥土破坏作用的对策。 4 通过对室内试验和现场试验检测结果的分析，得到了在含水比小于0 9 时，湿喷桩处理的效果 比粉喷桩处理的效果好；当含水比为0 9 】0 时，粉喷桩与湿喷桩加固处理的强度效果相当：当含水 比大干1 0 时，用粉喷桩处理的效果较佳。 a b s 打a c t a b s t r a c t i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fw a t e rc o n t e n t ，c u r i n gt i m e ，c e m e n tc o n t e n t ，s a l tc o n t e n t ，o r g a n i c c o n t e n to nt h es t r e n g t hb e h a v i o ro ft h ec e m e n t e dd a y s ，as e r i e so fp h ， s i c a lt e s t sa n du n c o n f i n e d c o m p r e s s i v et e s t sw e r ep e r f o r m e do nc e m e n t e dc l a y sw h i c hc o m p o s e do fr e c o n s t i t u t e dl i a n y u n g a n gc l a y s o rt h ey a n c h e n gl a g o o n a ls o f tc l a y sm i x e dw i t hp o w d e rc e m e n to rs l u r r yc e m e n tt h eq u a n t i t a t i v em e t h o d s o fs t r e n g t hp r e d i c t i o na r ep r o p o s e d f o r a s s e s s i n g t h eu 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 ho f c e m e n t e dc l a y s i n a d d i t i o n ，t h ea p p l i c a b i l i t yo fd r ym i x i n gm e t h o da n ds l u r r yd e e pm i x i n gm e t h o di sd i s c u s s e db a s e do nl a b a n df i e l dt e s tr e s u l t so f c e m e n t e dc l a y t h em a i nr e s u l t sa r ec o n c l u d ea sf o l l o w s ： 1 f o rn o n - o r g a n i co r i g i n a lc l a y sw i t hh i g hw a t e rc o n t e n t s ，ac o n c e p to fq u a s i w a t e r - c e m e n tr a t i oi s p r o p o s e df o rp r e d i c t i n gt h eu 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 ho fc e m e n t e dc l a y s t h es t r e n g t hp r e d i c t i o n f o r m u l ap r o p o s e di nt h i ss t u d yc a nb eu s e df o rp r e d i c t i n gt h ec h a n g ei nu 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 w i t ht h ev a r i a t i o no fw a t e rc o n t e n t ，c e m e n tc o n t e n ta n dc u r i n gt i m e ，b a s e do nt h el a b o r a t o r yt e s tr e s u l t so f t h ec e m e n t e dc l a y sw i t h2 8 d a y so fc u r i n gt i m ef o ro n l yag i v e nq u a s i - w a t e r - c e m e n tr a t i ot h ep r o p o s e d s t r e n g t hp r e d i c t i o nf o r m u l ac a nb ea l s ow e l la p p l i e df o rt h ea v a i l a b l ed a t ao f t h ec e m e n t e dc l a y sp u b l i s h e d b yo t h e ri n d e p e n d e n tr e s e a r c h e r s 2 f o ro r i g i n a l c l a y sw i t hh i g ho r g a n i cc o n t e n t s ，aq u a n t i t a t i v ew a yt op r e d i c tt h eu n c o n f i n e d c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc e m e n t m i x e dc l a y sw i t hag i v e no r g a n i cc o n t e n ti sp r o p o s e d t h ey a n c h e n g l a g o o n a ls o f tc l a y sw e r eu s e da no r i g i n a lc l a yt of o r mc e m e n t - m i x e dc l a y st h r o u g hm i x i n gw i t hp o w d e r c e m e n to rs l u r r yc e m e n ta n do r g a n i cm a t t e r s as e r i e so ft e s t sw e r ep e r f o r m e do nt h ec e m e n t m i x e dc l a y s w i t hv a r i o u so r g a n i cc o n t e n t s aq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pi sp r o p o s e db e t w e e nt h es t r e n g t hr a t i oo ft h e s t r e n g t h w i t ha g i v e no r g a n i cc o n t e n t o f y t o t h ee x p e r i m e n t a ls t r e n g t h w i t ha no r g a n i cc o n t e n to f y 0a n d t h e o r g a n i cc o n t e n t so f ya n dy 0 t h eq u a n t i t a t i v ee x p r e s s i o np r o p o s e di nt h i ss t u d yc a nb ee f f e c t i v e l yt op r e d i c t q u a n t i t a t i v e l yt h ee f f e c to fo r g a n i cc o n t e n to nt h eu 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 ho fc e m e n t - m i x e dc l a y s w i t h i nt h eo r g a n i cc o n t e n t so f 5 5 1 7 5 3 f o rn o n - o r g a n i co r i g i n a lc l a y sw i t hh i 曲s a l tc o n t e n t s ，t h ee f f e c to fs a l tc o n t e n to nu n c o n f i n e d c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc e m e n t e dc l a y si si n v e s t i g a t e d ap i c kv a l u eo f3 5 i sa c q u i r e d ，w h i c hr e f l e c t s i n f l u e n c eo fs a l tc o n t e n to nc e m e n t e ds o i ls t r e n g t h l sp r o m o t i o no rd e c l i n e ，w h e ns a l tc o n t e n ti sl o w e rt h a n t h i sv a l u e ，t h es t r e n g t ho fc e m e n t - s o i lw i l li n c r e a s ew i t hs a l tc o n t e n t ( d h et os a l t l sd i s s o l v a b l ec r y s t a l l i n i t y a n de x p a n s i o n ) c o n v e r s e l y , w h e nt h es o i lh a v eah i g h e rs a l tc o n t e n t , t h es t r e n i g t ho fc e m e n t e dc l a y sw i l l h 曲l yd e c r e a s ew i t hs a l tc o n t e n td u et os t r u c t u r a ld e s t r u c t i o no fc e m e n t e dc l a y s i na d d i t i o n ，t h ec o r r o s i o n m e c h a n i s mo fc e m e n t e dc l a y si sa l s od i s c u s s e da n dt h ea n t i - i n f l u e n c eo fo r g a n i cc o n t e n to nc e m e n t e ds o i l s s t r e n g t hi sp r o p o s e d 4t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ed r ym i x i n gm e t h o da n ds l u r r yd e e pm i x i n gm e t h o di si l l u s t r a t e d ，b a s e do n t h ef i e l da n dl a bt e s tr e s u l t s t h es l u r r yd e e pm i x i n gm e t h o di sb e t t e rt h a nt h a to ft h ed r ym i x i n gm e t h o d w h e nw a t e rc o n t e n tr a t i od e f i n e da st h er a t i oo fw a t e rc o n t e n tt ol i q u i dl i m i ti sl o w e rt h a n0 9w h e nt h e r a n g eo f w a t e rc o n t e n ti sb e t w e e n0 9a n d1 0 ，b o t hm e t h o d sh a v ea l m o s tt h es a m es t r e n g t h w h e nt h i sr a t i o i sl a r g et h a n1 0 ，t h ed r ym i x i n gm e t h o di sb e t t e r k e yw o r d s ：c e m e n t e dc l a y 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 ，s t r e n g t hp r e d i c t i o n ，w a t e rc o n t e n t , c u r i n g t i m e ，c e m e n tc o n t e n t , q u a s i w a t e r - c e m e n tr a t i o ，o r g a n i cc o n t e n t ，d r ym i x i n gm e t h o d ，s l u r r yd e e pm i x i n g m e t h o d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名日期：址矽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，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致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名日期：) 彳“ 第一章绪论 1 1 课题背景及问题提出 第一章绪论 采用石灰、水泥作为固化剂，通过专用的搅拌机械形成搅拌桩加固软土地基的方法是瑞典岩土 工程研究所( s w e d i s hg e o t e c h n i c a li n s t i t u t e ) 和日本运输省港湾技术研究所( p o r ta n dh a r b o r r e s e a r c hi n s t i t u t e ) 分别独自于上世纪六十年代中期首先提出的，并分别在1 9 6 7 年1 9 7 4 年进行 室内试验和现场试验研究。这一加固方法称为深层搅拌法( d e e pm i x i n gm e t h o d ) ，上世纪七十年代 中期以后在许多国家得到了广泛的应用。水泥土搅拌桩是深层搅拌法的一种，我国上世纪八十年代 初引入水泥土搅拌桩技术，目前该方法已广泛地用于我国铁路、公路、市政工程、港口码头和工业 与民用建筑等行业中的软基处理加固工程。 “十五”期间是江苏省高速公路飞速发展的时期，到2 0 1 0 年要形成以“四纵四横四联”主骨架 为主的4 0 0 0 公里大容量、高效率的汽车专用公路网络，直接沟通1 3 个省辖市，覆盖9 5 以上的县 ( 市) ，实现全省范围汽车能够当日往返，全省汽车专用公路网络化、市县公路快速化、县乡公路 路面高级化，乡村公路黑( 灰) 化。2 0 0 1 年，我省高速公路、特大桥梁等重点工程质量优良率达到 1 0 0 ；共建成一、二级公路1 0 8 3 公里，新增高速公路2 9 8 公里。全省高速公路密度位居全国第一， 总里程达到1 3 8 6 公里，名列全国第四。“十五”交通基础设施建设的主要任务为新增和改造公路 2 0 7 0 0 公里，高速公路达到2 3 0 0 公里，重点建设“四纵四横四联”高速公路主骨架及省辖市绕越高 速公路，构筑形成沿江地区宁镇扬、苏南地区苏锡常、淮海地区徐宿淮连三大高速公路圈；每年保 持不少于在建1 0 0 0 公里、建成2 5 0 公里以上高速公路的规模，建成长江公路大桥两座、在建两座。 一、二级公路达到1 5 0 0 0 公里，所有县及重要工矿企业以二级以上的公路联通。新增和改善县乡村 公路1 6 5 0 0 公里，沿江或有条件的地区通村公路等级化，力争实现全省5 0 以上的通村公路等级化。 但是软基处理是江苏省高速公路建设中遇到的突出问题，江苏省近年来在高速公路中采用水泥土搅 拌桩处理大量的软土地基工程，取得了良好社会效益和经济效益。工程实践证明，该方法具有以下 优点： ( 1 ) 施工简单、速度快、施工效率高。粉喷桩早期强度提高较快，因此特别适用于工期紧或要求 快速提高强度等方面的工程； ( 2 ) 与其他加固方法相比粉喷桩施工时振动小、噪音低； ( 3 ) 能够有效地减少和控制沉降量和工后沉降量。 水泥土搅拌法作为一种近年来得到广泛应用、快速发展的地基加固方法，工程设计与计算中大 多采用经验方法或工程类比的方法，理论分析还缺乏系统完善的研究，主要根据经验确定，缺少理 论依据，导致工程实际中的过分保守或不安全现象。以前的研究主要集中于水泥土搅拌桩施工工艺、 水泥土搅拌桩复合地基变形计算、复合地基承载力分析方法、水泥土搅拌桩质量检验技术研究等， 取得了一系列成果。但对下列问题尚未有深入研究： ( 1 ) 水泥土桩体强度与土性指标的定量关系 在影响水泥土搅拌桩桩体强度和压缩性的主要因素中，土的含水量、有机质含量和含盐量都是 影响水泥土桩体强度的显著因素。目前在它们与水泥用量以及龄期对强度增长之间的关系方面，定 性研究较多，定量规律还缺乏深入研究。 ( 2 ) 粉喷桩与湿喷桩强度特性差异性与相应的适用条件 粉喷桩与湿喷桩尽管在很多方面有其相似性，但是，在工程应用中对其适用性认识不足，还存 在一定的盲目性。 由于江苏省连云港地区海相软土具有高含水量( 含水量为6 5 以上) 、高含盐量( 通过对取回 的土样进行化学成分测定其含盐量超过1 2 ) 和盐城地区泻湖相软土具有高有机质( 有机质含量达 1 东南大学硕士学位论文 n 4 以上) 的特点，在以上两种软土进行水泥加固时，经常出现现场水泥土桩体检测强度不能满足 设计要求，而且在其上施工的建筑物的沉降变形也不能满足建筑物地基容许变形值的要求。另外， 在实际工程设计中，对于如何选择比较合适的粉湿喷桩类型也具有较大的盲目性。鉴于此，本文在 “水泥土搅拌桩桩间距控制机理和设计研究”以及“高速公路泻湖相软土水泥粉煤灰搅拌法加固技 术研究”的两个江苏省交通科学研究基金的资助下，对高含水量、高有机质含量和高含盐量的软土 水泥加固进行了大量的室内试验研究，这将对水泥系搅拌法在加固特殊软土上的应用起到积极推动 作用。同时，为得到粉湿喷桩在加固软土强度上强度的差异性，本文收集了大量的粉湿喷桩加固软 土地基的检测结果，并进行了系统地分析，得到了一些有益的结论，为水泥系搅拌法在我国软土地 区加固工程中的应用起到积极推动作用。 1 2 软土水泥加固强度的定量研究现状及存在的问题 水泥土是将水泥和土充分搅拌、重新固结形成的一种复合材料。它大大改善了土的物理力学性 质，提高了土的强度，是土木工程中加固软土地基的主要技术措旌之一。工程应用时常采用特殊机 械将水泥粉或水泥浆喷入软土中，并进行强制搅拌而形成复合地基或挡水结构，在高速公路软土地 基处理、高层建筑基坑支护、污染场地隔离等工程中得到了广泛应用l j j 。 1 2 1 软土水泥加固强度的定量研究现状 国内外对影响水泥土强度因素研究的很多，胡同安”1 ( 1 9 8 3 ) 对不同掺入比的水泥土进行了无侧限 抗压试验。胡同安认为水泥土的变形特l 生随强度的不同而介于弹脆性体与弹塑性体之间。水泥土受力开始 阶段，应力与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 札8 0 时，试块的应力和应变关系 不再继续保持直线关系。当外力达到极限强度时，对于强度大于2 0 0 0 k p a 的水泥土很快出现脆陛破坏，破 坏后残余强度很小，此时的轴向应变约为0 踮1 2 ：对于强度小于2 0 0 0 k p a 的水泥土表现为塑性破 坏。张土乔”l ( 1 9 9 2 ) 通过对2 5 0 组水泥土的不固结、不排水三轴试验的研究表明，不同掺入比、 龄期和围压作用下水泥土的应力应变关系可以划分为加工软土、加工硬化和脆性特性等三种模式， 并根据水泥土试样的破坏特征，提出了相应的三种破坏模式：脆性剪切、塑性剪切和脆性张裂。脆 性剪切破坏指水泥土的应力应变关系星加工软化时，其水泥土试样的最后破坏形式一般为剪切破坏， 且剪切角比原状土的要大，一般为6 0 。以上；塑性剪切破坏指当水泥土的应力应变呈加工硬化时，水 泥土试样的破坏形式为碎块状，呈现无规则的多面破坏；脆性张裂破坏指水泥土的应力应变关系呈 脆性材料特征时，其水泥土试样整体较完整，其破坏主要是由于在水泥土试块中出现纵向缝所致， 由于纵向缝的产生和发展导致水泥土的环向和径向应变增加，当环向应变达到或者超过水泥土的极 限应变而形成的破坏。最后，他在基于连续性损伤力学概念的基础上，建立了水泥土的损伤演变方 程，并对所建立的损伤本构关系和损伤演变方程进行了室内损伤力学试验验证。刘建军( 1 9 9 2 ) 对上海地区水泥土加固工程性质进行了试验研究，他认为水泥土较天然土增加了内聚力和内摩擦角。 当水泥土的无侧限抗压强度q 。在0 3 1 3 m p a 范围内时，其内聚力c 为0 1 3 o3 7 m p a ，约是天然土 的1 0 2 0 倍：内摩擦角为2 0 2 7 0 ，约是天然土的1 5 2 0 倍；水泥土在三轴剪切时，产生的孔隙水 压力较天然土小得多，当水泥土的强度较高时，剪切过程中产生的孔隙水压力几乎没有，总应力抗 剪强度和有效抗剪强度几乎相等。马涛( 2 0 0 0 ) ”l 首先以水泥土加固机理为基础，通过对工程现场土样 的室内配比试验成果分析，试图了解决定水泥土强度的各种影响因素的显著性水平，通过用数理统计 中的回归理论，建立了以水泥土的抗压强度为因变量和以掺入比、龄期、含水量、孔隙比、饱和度、 干密度以及龄期为自变量的线性回归方程。朱大宇”5 ( 2 0 0 1 ) 通过回归分析，总结出不同掺入比、龄 期的水泥土立方体试块抗压强度，得出强度公式为： f o - ；g 。乱，y ，叫7 1 ，彳1 ，式中 ，“2 o2 k 为水泥土试块抗压强度，为水泥掺入比，t 为龄期，掺入比指水泥质量和湿土质量之比。孔德 志、郭全全”都从掺入比、土质、含水量、水泥品种和标号、龄期、外掺剂和养护条件等对水泥 土的无侧限抗压强度进行了定性的分析，并得出了部分的回归公式。h o r p i b u l s u k ，n o r i h i k om i u r a 2 第一章绪论 e ta 1 ”通过试验得出以2 8 天龄期某一水灰比的水泥土的强度为基准来预测其它龄期和水灰比的 水泥土强度。汤怡新等“通过对日本的2 8 种土料的配合比试验的结果进行分析，总结出用含水量和 水泥用量对抗压强度的影响公式，该公式对实际工程具有非常重要的意义。 1 2 2 软土水泥加固强度的定量研究存在的问题 以上国内外研究，他们大多数都只从单个因素对强度的影响进行定量的分析，未对高含水量软 土水泥加固强度影响因素从机理上进行定量的分析，缺乏系统地分析这种高含水量水泥加固后强度 随含水量、龄期、水泥掺入量等之间的关系。另外，对施工过程中，如果含水量发生( 天然或者人 为) 变化的情况时，如何根据含水量的状态来适当调整水泥用量，从而保证水泥土抗压强度的均匀 程度，也没有得到研究。由于连云港地区海相软土具有高含水量、高压缩性、抗剪强度低、渗透性 小、高灵敏度、高含盐量等特点，而在此种高含水量软土水泥加固实际工程中，经常出现强度不满 足设计强度要求的情况。因此，对这种高含水量软土水泥加固强度的定量研究，在工程实践中具有 重要的意义。 1 。3 高有机质含量软土加固强度的定量研究现状及存在的问题 1 - 3l 高有机质含量软土加固强度的定量研究现状 我国自2 0 世纪8 0 年代水泥系搅拌桩引进以来，由于其具有无污染和加固费用低等显著优点， 在水利工程、交通工程和土木工程中得到广泛的应用，并且取得了良好的社会经济效益。但是近年 来，搅拌桩在处理有机质含量较高的深厚软基时，不断出现了工程质量阿题。因此，有机质含量对 水泥土强度影响的研究是一个重要的研究课题。国内外对有机质土和泥炭土的水泥加固都有很多的 研究：p o u s e t t e 等1 通过室内试验，得到了泥炭土水泥加固强度随养护龄期增大丽增大，并探讨 了试块尺寸效应对水泥土加固强度的影响，以及养护过程中通过加载预压试块会提高水泥土强度的 有益结论。a h n b e r ga n dh o l m ”2 1 通过大量的室内试验研究了不同加固料的种类对有机质土加固强度 的影响，并得到了泥炭土加固强度不仅受加固料的种类和数量的显著影响，而且还受养护温度及养 护条件影响的结论。g o t o h 研究了土性即含水量、p h 值、烧失量、粘粒含量对水泥土强度的影响， 并得到了水泥用量随着不同的含水量、p h 值、烧失量、粘粒古量变化的修正公式，该公式为工程上 获得较均匀的有机质加固土强度提供了计算公式。m i u r a 等“通过大量的试验，得到有机质含量小 于6 时，用石灰加固效果优于水泥加固，僵当有机质含量超过8 对，水混加固效果比用石灰加固 效果好。国内焦志斌等”也将有机质对水泥土强度的影响作出了定性分析，得到有机质加固土的 强度随着水泥用量增大而增大，随着有机质含量的增大而减小的重要结论，对我国部分地区的高有 机质软土加固处理研究具有重要的借鉴意义。 l3 , 2 高有机质含量软土加固强度的定量研究存在的问题 以上有机质土加固强度的国内外研究，未将有机质含量对强度的影响进行定量研究。另外，由 于有机质土加固强度一般都比较低，如何选择合适的水泥种类、水泥标号和外加剂来提高水泥士强 度也尚需进一步研究。盐城泻湖相软土具有机质含量高，其水泥加固强度较低。因此，如何定量分 析有机质土加固的强度及研究抵抗有机质对加固主强度影响的对策，这对在泻湖相软土上建设高速 公路及工业民用建筑都具有重要的研究意义。 1 4 高含盐量软土加固强度的研究现状及存在的问题 1 4 i 高含盐量软土加固强度的研究现状 国内外在含盐量对水泥土加固强度的影响方面存在着很多的研究。b r o m s 1 7 j 指出在含盐量较高 的海相软土中进行水泥加固时，由于絮凝作用其强度大大降低。m i u r a 等“1 通过将土中加入盐来配 一3 东南大学硕士学位论文 制不同含盐量的试料土，进行水泥或者石灰加固试验，得到当含盐量增加到一定程度时，强度会随 含盐量增大而减小的结论，同时指出当土中含有s o 。时，对水泥的水化将起到阻碍作用。张土乔p j 针对地基处理中经常遇到的古海水对水泥土的侵蚀问题，通过室内试验和化学分析，探讨了水泥土 中的硫酸根离子和镁离子的四种侵蚀条件下的无侧限抗压强度、应力应变关系、线膨胀特性和侵蚀 机理。周承刚等【| ”研究了可溶性盐离子如硫酸根离子、镁离子和钠离子对水泥土强度的腐蚀，并进 行了在试料土中掺入0 8 1 和15 氯化镁的试验，得到结果掺入1 5 的氯化镁的2 8 天强度较掺入 o 8 1 的氯化镁强度将近低1 5 倍，该结果说明氯化物对水泥土强度起负作用。鉴于含盐量对水泥 土强度的影响比较复杂情况，我国规范”作了原则性说明，当使用普通水泥拌制的水泥土受硫酸盐 溶液侵蚀会出现结晶性的开裂、崩坏而丧失强度时，如选用抗硫酸盐水泥，使水泥土中产生的结晶 膨胀物质控制在一定数量范围内，则可大大提高水泥土的抗侵蚀能。 1 4 2 高含盐量软土加固强度的研究存在的问题 以上含盐量对水泥土强度影响的国内外研究只是从定性的角度分析了可溶性盐类对水泥土强度 的影响，但是对硫酸根离子和镁离子的结晶膨胀作用会对水泥土强度破坏的双重作用未进行彻底的 分析。另外，含盐量对水泥土强度的影响在多大的范围是有利于水泥土强度的增长，这个阈值也有 待于研究，以及如何利用低含盐量的盐渍土的可溶性盐的结晶膨胀作用来提高水泥土的强度和消除 高含盐量的盐渍土的可溶性盐的过多的结晶膨胀作用，以减少水泥土强度的降低，都值得商榷。 1 5 水泥土搅拌法的适用性研究现状及存在的问题 1 5 1 水泥土搅拌法的适用性研究现状 水泥土桩作为一种近年来得到广泛应用、快速发展的地基加固方法，对于粉湿喷桩工程设计与 计算中大多采用经验方法或者工程类比的方法，对于粉湿喷桩的适应性研究，国内外研究几乎很少。 宋修广【2 ”研究认为粉喷桩进行软土层加固处理中，尤其是粘性土中，存在一个最佳含水量问题，即 在天然土中的某一含水量值，对应一个最佳掺入比，超过这个极限，水泥土的强度增强效果就不明 显。因此，他认为粉喷桩适宜于处理含水量3 0 , - , 6 0 的土层。吴翔等“”认为对于那些富水地区软土 地基的加固，若采用深层搅拌法可考虑采用粉体喷射法，因为水泥土的强度随着地基土含水量的增 加而大幅度下降，利用干粉状固化剂吸收部分地下水，而不再人为的采用水泥浆的形式向地下注水。 董天乐8 2 1 通过研究认为粉喷桩只有在软土的含水量大于4 0 以上时，粉喷桩出来的水泥才能在土中 渗透搅拌均匀，获得比浆喷桩水泥土更好的强度。另外，对于粉湿喷桩的设计水泥用量也存在着很 大的盲目性，大多采用经验方法或者工程类比的方法。 1 5 2 水泥土搅拌法的适用性研究存在的问题 以上研究都是从含水量这个单一因素来区分粉湿喷桩的适应性，没有认识到粉湿喷桩在强度增 长规律等方面存在较大差异性，而且仅用含水量这一指标来区分粉湿喷桩的适应性条件也是很具有 片面性的，因此造成目前在工程应用中还存在很大的盲目性，主要依靠工程设计经验。鉴于此种情 况，对粉喷桩和湿喷桩加固效果的综合评价以及粉湿喷桩设计水泥用量的研究具有重要的意义，特 别是高含水量的软土地区的粉湿喷桩的适应性。 1 6 本文的主要工作和研究成果 1 6 1 本文的主要工作 通过以上水泥土搅拌法加固特殊软土的强度及水泥土搅拌法应用性的国内外研究现状和存在问 题的分析，为了进一步研究特殊软土水泥加固强度特性以及水泥土搅拌法适用性，本文主要做了以 下工作： 4 一 第一章绪论 ( 1 ) 制作不同含水量的软土在不同的水泥用量加固的水泥土，并测定其在不同龄期时的重度、 含水量、比重和液塑等。 ( 2 ) 进行了丈量的不同含永量、不同有机质含量和不同含盐量的软土水泥加固强瘦试验，并测 定水泥土在不同压力下的变形。 ( 3 ) 对江苏省已有粉湿喷桩检测资料进行了收集。并进行了系统的分析。 1 6 2 本文的主要研究成果 通过以上各项工作，取得了以下研究成果： ( 1 ) 通过对不同含水量软土在不同的水泥用量下加固后的强度试验结果的回归分析，得到了水 泥土的无侧限抗压强度与似水灰比( 似水灰比指的是单位体积水泥土在配制前水的质量与水泥的质 量之比) 的倒数成线性关系，并且将基于似水灰比表示的强度公式与前人的水泥土强度公式进行了 比较。该公式具有以下优越性：准确性：已有的水泥土强度公式大多数只考虑了水泥用量对强度 的影响，即使有些强度公式考虑了含水量对水泥土强度的影响，但也只考虑了土中的含水量而来对 湿喷法的水泥浆的水分考虑进去，导致用该公式得到的强度预测结果与强度实测值偏差较大a 而用 似水灰比这一指标的强度公式，它既能反应水泥土中的水泥用量又能反应软土中的含水量和湿喷法 的水泥浆的水分；这样大大疆高了水泥土强度的预测结果的可靠牲。方便性：用似水获毖袭示的 强度公式应用计算方便，便于旌工人员在施工过程中，当含水量发生( 天然或者人为) 变化的情况 下，根据现场含水量变化及时调整水泥用量，从而保证水泥土抗压强度的均匀程度，简单性：该 公式直截说明了强度与似水灰比1 r 成线性关系公式简单。 ( 2 ) 通过对连云港高含水量海相软土试验结果以及我国其它地区已有的水泥土室内试验结果的 分析，得到了用似水灰比来预测水泥土强度的公式。通过该公式以及某已知一似水灰比、龄期2 8 天 某种水泥土室内试验强度，可以进行预测不同似水灰比和不同龄期的水泥土室内试验强度，大大减 少试样配方数量。并通过对我国水泥土强度预测公式与国外水泥土强度预测公式的比较，说明该公 式不仅具有国外水泥土强度预测公式对水泥土2 8 天龄期的预测，而且还能对水泥土9 0 天的龄期进 行预测，大大缩短了试验周期和工程成本。 ( 3 ) 通过对有机质含量较高的盐城泻期相软土加固室内试验，提出了水泥土随龄期增长和有机 质含量变化的情况下强度的修正公式，通过该公式可以用某种土在有机质含量为y 0 和龄期为1 4 天 的软土加固后的强度来对有机质含量为y 和其它任意龄期的软土加固后的强度进行预测；并通过室 内试验得到了该种有机质软土在进行水泥加固时，选取高强度水泥和选用矿渣水泥代替普通硅酸盐 以及掺入粉煤灰可以获得较高的水泥土强度的结论，为含有商有机质的软土水泥加固工程，提供了 重要的参考价值。 ( 4 通过对高含盐量的盐渍土的水泥加固室内试验，得到了含盐量对水泥土强度的提高或减小 的阈值为3 ，5 。当盐渍土的含盐量低于这个阅值时，盐渍土的加固强度会因可溶性盐的结晶膨胀作 用，提高水泥土的强度；相反当盐渍土的含盐量离于该阈值时，盐渍土的强度会因可溶性盐的过多 的结晶膨胀作用，使水泥土的结构遭到破坏，从而使水泥土的强度大大降低。同时分析了可潜性硫 酸盐、镁盐和氯盐对水泥土的浸蚀性作用，并从盐类对水泥土强度的影响从机理上进行了阐释，得 到了高含盐量对水泥土破坏作用的对策。 ( 5 ) 通过对室内试验和现场试验检测结果的分析，得到了在含水比小于0 9 时，湿喷桩处理的 效果比粉喷桩处理的效果好；当含水比为0 , 9 10 时，粉喷桩与湿喷桩加固处理的强度效果相当，但 在工程应用中，两种桩型的选取主要取决于软土层厚度和施工工艺；当含水比大于1 ，0 时，用粉喷 桩处理的效果较佳。并从软土的性质( 含水量、液限等) 、施工机械以及粉湿喷桩的特点方面对粉湿 喷桩的差异性从机理上进行了分析。该结论的得出，为目前大多采用经验方法或者工程类比的方法 进行粉湿喷桩工程设计与计算提供重要的理论依据。为水泥土桩作为一种将来得弱更加广泛的应用 和更加快速发展的地基加固方法起到推动作用。 一5 一 第二章水扼土加固机理及其基本特性 2 1 概述 第二章水泥土加固机理及其基本特性 水泥系深层搅拌法利用深层搅拌机械，沿深度将固化剂( 水泥浆或水泥粉，外掺一定的添加剂) 与地基土强制就地搅拌，通过固化剂自身与地基土之间的一系列物理、化学作用，使地基土硬结成 具有整体性、水稳定性、较低渗透性和一定强度的水泥土体( c e m e n t - s t a b i l i z e ds o l c s s j ”1 。 由于土质不同，其固化机理也有差别。应用于砂性土时，水泥土的固化原理类同于建筑上常用的水 泥砂浆，具有很高的强度，固化时间也短。然而，用于粘性土时，由于水泥掺量很小( 仅占被加固 土重的7 舻2 0 ) ，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质一土的围绕下进行土 质条件对于搅拌桩桩身质量的影响主要有二个方面，一是土体的物理力学性质对搅拌桩桩身水泥土 搅拌均匀性的影响：二是土体的物理力学性质对搅拌桩桩身水泥土强度增加的影响。因此水泥土硬 化速度缓馒且固化机理也比较复杂1 2 j “。 2 2 加固机理 2 2 1 水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，由这 些不问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。将水泥拌入软土后，水泥颗粒表面的矿物很快与软士中的水发生水解和水化反应，生产氢氧 化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化台物。 硅酸三钙是硅酸盐水泥熟料的主要成分，其含量一般为1 5 6 5 。硅酸三钙是硅酸二钙在1 2 5 0 以上时吸附游离的氧化钙而形成的高温化合物。当水泥熟料急冷时，硅酸三钙未来得及分解而 以一种亚稳态存在下来，因此从热力学角度来看。常温下硅酸三钙处于高能状态，具有较高的化学 活性。硅酸三钙的水化速度较快，水化产物的强度较高，是水泥早、中期的主要组成成分，对总强 度的贡献较大。同时硅酸三钙对水泥的其它性质也有重要的影响。 硅酸二钙也是硅酸盐水泥熟料的重要组成部分，其含量在1 0 4 0 。硅酸二钙晶格机构随环 境温度的不同而不同，由于水泥熟料的急冷，常温下硅酸二钙处于一种亚稳态，具有较高的水化活 性- 但硅酸二钙的水化速度较慢，对水泥的早期强度贡献较小，其主要贡献是水泥的中后期强度， 水泥的最终强度在很大程度上取决于硅酸二钙的含量和水化程度。 铝酸三钙在水泥熟料中的含量般为1 5 以下，但铝酸三钙的水化速度非常快，水化热薅，对 水泥早期强度起了重要作用。但水化铝酸三钙的耐腐蚀性较差。当环境中存在硫酸盐时，铝酸三钙 可与硫酸盐形成钙矾石，产生非常大的体积膨胀，所以当水泥中铝酸三钙的含量较大时，水泥强度 受硫酸盐的影响，且抗硫酸盐腐蚀的能力差。 铁铝酸四钙的水化也是水泥早期强度的来源之一，它的水化速度非常快，水化热商，是水泥抗 折强度的主要贡献者“。 水泥中四种主要矿物的水化速度和水化强度分别见图2 - 1 与图2 - 2 所示”“。 各自的反应过程如下： ( 1 ) 硅酸三钙( 3 c a o s i s d ：在水泥中含量最高( 约占全重的5 0 左右 ，是次定强度的主要 因素。 2 ( 3 c a o s i o 。) + 6 h z o 一3 c a o 2 s 1 0 2 3 h 2 0 + 3 c a ( 0 h ) 2( 2 1 ) 6 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 硅酸二钙( 2 c a o s i o z ) ：在水泥中含量较高( 约占全重的2 5 左右) ，它主要产生后期强 度。 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 h 2 0 3 c a o 2 s i 如3 h 。0 + c a ( o h ) z( 2 2 ) ( 3 ) 铝酸三钙( 3 c a 0 a 1 。0 。) ：占水泥重量的1 0 ，水化速度最快，促进早凝。 3 c a o a 1 2 0 3 + 1 2 h 2 0 + c a ( o h ) 。一3 c a o a i2 0 3 c a ( o h ) z 1 2 h z 0 ( 2 - 3 ) ( 4 ) 铁铝酸四钙( 4 c a o a l 。o 。f e ：0 3 ) ：占水泥重量的1 0 ，能促进早期强度。 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 2 c a ( o h ) 2 + l o h z o 一3 c a o a 1 2 凸6 h 2 0 + 3 c a o f e 2 0 = l 6 h ：0 ( 2 4 ) 在上述一系列的反应过程中所生成的氢氧化钙、水化硅酸钙能迅速溶于水中。使水泥颗粒表面 重新暴露出来，再与水发生反应，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体析出，悬浮于溶液中， 形成胶体。在上面的反应式中，前面两个方程式中的反应物在普通硅酸盐水泥成分中占了7 5 ，它 们反应后的生成物水化硅酸三钙( 3 c a o 2 s i o z 3 h 2 0 ) 和氢氧化钙( c a ( 0 h ) - ) 对水泥土的后期强度 起了主导作用，因为它们控制了水泥土微粒间的相互联结及强度体积的变化。”。