淤泥质黏土水泥土典型力学性能指标试验研究.doc

淤泥质黏土水泥土典型力学性能指标试验研究阮庆，阮波，曾元，温凯，李贤超（中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075）摘要：结合湖南洞庭湖区某高速公路淤泥质黏土软基处理工程，进行淤泥质黏土水泥土室内配合比试验和无侧限抗压强度试验，研究水泥土的无侧限抗压强度影响因素、应力应变关系和变形模量的变化规律。研究结果表明：淤泥质黏土水泥土的无侧限抗压强度随着养护龄期和水泥掺入比的增加而增加，随着含水率的增大而减小；无侧限抗压强度增长速率随着养护龄期的增大而减小，随着水泥掺入比的增大而增大；水泥土应力应变全过程曲线可以分为加载初始阶段、塑性上升阶段、应力应变下降阶段和残余强度阶段等四个阶段；水泥土的变形模量随着水泥土的无侧限抗压强度的增大而增大；高含水率、低水泥掺入比、短龄期的试件呈现塑性破坏；低含水率、高水泥掺入比、长龄期的试件呈现脆性破坏。关键词：淤泥质黏土；水泥土；无侧限抗压强度；影响因素；变形模量；破坏模式中图分类号：U416.1 文献标志码：A 文章编号：Experimental research on typical mechanical performance indexof cement stabilized muddy clay RUAN Qing，RUAN Bo，ZENG Yuan，WEN Kai，LI Xian-chao（School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075，China）Abstract：Mechanical properties of cement stabilized muddy clay for highway soft soil foundation, which was in Dong-ting Lake area, was discussed through the laboratory test of cement stabilized soil mixing proportion combined with unconfined compressive strength(UCS) test. The factors influencing UCS，and the change rules of stress-strain relationship and deformation modulus were chosen as the mechanical properties studied. The results indicated that with the increase of curing period and cement ratio, the strength of the specimens increased significantly, however, the strength of the specimens decreased with the increase of moisture content. The development of the growth rate for UCS was achieved by increasing cement ratio. Nevertheless, the decrease rate of UCS resulted from the increase of curing days. The initial leading stage，plastic growth stage，stress-stain decreased stage，and residual strength stage made up stress-stain versus of cement stabilized muddy clay. The deformation modulus of cement stabilized soil increased with the growth of UCS. Plastic fracture could be described fracture characteristics of the specimen with high moisture content, low cement ratio and short curing 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50678175）；中南大学实验室开放专项基金资助项目通讯作者：阮波（1972- ）男，河南新县人，博士，副教授，从事岩土工程方面的研究。days. At the same time, the fracture characteristics of the specimen with low moisture content, high cement ratioand long curing days.Key words：muddy clay；cement stabilized soil；UCS；influencing factor；deformation modulus；fracture characteristics淤泥类软土具有高含水率，高孔隙比，高压缩性，低渗透性，低固结系数等特性，这些特性决定了淤泥类软土无法直接作为天然地基。水泥土具有水硬、高强、低压缩性、低渗透性等特性。考虑到水泥土和淤泥质黏土的特性，可以采用水泥改良淤泥形成淤泥质黏土水泥土，以改善淤泥质黏土的力学性能，达到满足工程对承载力、压缩、渗透等特性的要求。国内外学者对水泥土力学性能研究已经做了大量的工作。Bagheri1等对粉砂水泥土进行固结不排水三轴试验和无侧限抗压强度试验，研究了粉砂水泥土的强度和力学特性；Kyu Hawn等2对水泥固化高岭土进行试验研究，得出水泥可以增加水泥固化土的强度，但降低了在排水固结条件下试样的轴向应变；Fonseca等3通过对无侧限抗压强度的结果作定量分析水泥掺入比和砂土孔隙率在不同状态和应力条件下对砂土水泥土强度的影响；朱大宇4对上海地区的褐色黏土水泥土进行了工程力学性能试验研究得出了水泥土的基本力学参数；周丽萍等5-6对粉质黏土水泥土的力学性质进行试验研究得出其水泥土无侧限抗压强度、应力应变关系的变化规律；潘林有等7-8对黏土水泥土抗压强度进行室内正交试验研究，得到水泥土力学性能的影响因素及变化规律。目前，国内外学者对水泥土的力学性能的研究在砂土、高岭土、粉质黏土、黏土等方面研究的较多，对淤泥质黏土水泥土的力学性能研究较少，至于前者的力学性能与后者的力学性能是否相同，目前还缺乏深入的比较分析。本文在前人对水泥土力学性能研究的基础上，结合湖南洞庭湖区某高速公路淤泥质黏土软基处理工程，对淤泥质黏土水泥土的力学性能进行室内试验研究，可以供工程实践参考，同时也可以供进一步比较分析淤泥质黏土水泥土的力学性能与其他土质的水泥土力学性能的关系。1试验方案设计1.1 材料试验采用湖南洞庭湖区某高速公路软基淤泥质黏土，其原状土的主要物理性质指标见表1。水泥为Po.32.5级普通硅酸盐水泥，水泥的物理力学指标见表2。水为自来水。表1原状土的主要物理力学指标Table 1 Geotechnical properties of the undisturbed soil 含水率w/%密度/（g/cm3)干密度d（g/cm3)比重Gs孔隙比e液限wL/%塑限wP/%塑性指数IP液性指数IL黏聚力c/kPa内摩擦角/()47.51.711.162.691.3253.926.718.61.1210.922.2表2 水泥的物理力学指标Table 2 Some characteristics of cements used for preparing specimens干密度/（gcm3）细度/%初凝时间/min终凝时间/min安定性抗折强度/MPa抗压强度/MPa3.101.1120220合格8.240.31.2试验设计规范9规定竖向承载的水泥土强度取90d龄期试件的立方体无侧限抗压强度平均值，对承受水平荷载的水泥土强度宜取28d龄期试块强度的立方体强度平均值，所以试验中研究水土淤泥质黏土水泥土的力学性能时选取无侧限抗压强度为研究对象，然后根据无侧限抗压强度试验结果，研究试块的受力、变形和破坏模式，进行无侧限抗压强度、应力-应变关系曲线、变形模量、破坏模式等有关典型力学性能方面的分析。按照规范要求 9，采用尺寸为70.7mm70.7mm70.7mm的试模，进行水泥土室内配比试验，水泥掺入比分别为10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，含水率取60%、70%、80%、90%，养护龄期取7d、14d、28d、60d、90d，即进行140组试验，每组制作6个平行试样，共计制作840个试样。水泥土试样到达规定的龄期后进行无侧限抗压试验，取每组取6个平行试样抗压强度平均值作为该配合比试件对应龄期的无测限抗压强度值。其中，水泥掺入比和含水率均是以风干土的质量为基数进行计算，水泥掺入比计算见公式（1）。水泥掺入比计算公式： （1）式中，aw为水泥掺入比，mc为水泥质量，ms为淤泥质黏土的风干土质量。1.3试样制备首先将土样风干、碾碎，并过孔径为5mm的标准筛，然后取筛分后的干土进行试验。试验时先按照每组试验的设计配合比，分别称取6个试样所需的干土、水泥和水，然后先将风干土和水泥均匀混合，再洒水搅拌直至均匀，搅拌时间控制在15分钟左右。在试样成型前，试模内表面涂一薄层机油，防止试样和试模粘接，有利于拆模。装样时先向试模内装一半试料，然后按螺旋方向从边缘向中心均匀插捣且插捣15次，在插捣底层拌合物时，捣棒插到试模底部，插捣上层时，捣棒贯穿该层后插入下一层5mm15mm，插捣时保持插棒竖直，插捣后再用刮刀沿试模内壁插拔数次。然后把该试模放在振动台上振实2min，振实后拌合物应高于试模上沿口。最后，刮除试模顶部多余的水泥土，刮平后应盖上塑料薄膜，防止水分蒸发过快。24h后进行拆模、编号，然后放入养护室中进行养护，养护条件为：温度为（202），相对湿度95%。当某组试件到了规定的养护龄期，取出该组的6个平行试件，采用微机控制电子万能试验机按照规范要求进行水泥土无侧限抗压强度试验。2试验结果与分析对140组试验结果进行分析发现，含水率为70%、80%、90%时养护龄期、水泥掺入比对水泥土无侧限抗压强度的影响、水泥土应力应变关系变化规律、水泥土无侧限抗压强度与变形模量的关系与含水率为60%时的大致相同，水泥掺入比为25%时含水率对水泥土无侧限抗压强度的影响与水泥掺入比为25%时的基本相同，所以选取含水率为60%进行水泥土无侧限抗压强度影响因素、应力应变关系变化规律以及变形模量分析，而选取水泥掺入比为25%作为含水率对水泥土无侧限抗压强度的影响分析。2.1各因素对水泥土无侧限抗压强度的影响2.1.1养护龄期对水泥土的无侧限抗压强度的影响含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度试验结果见表3，养护龄期与含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线见图1。表3含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度试验结果Table 3 UCS of 60% moisture content cement stabilized soil at different curing day （MPa）龄期/d掺入比/%1015202530354070.230.390.520.70.881.091.25140.330.490.630.841.011.291.46280.510.650.801.021.281.571.76600.720.891.091.331.621.92.18900.821.051.271.551.812.162.41图1 养护龄期与含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线Fig.1 Curing period versus UCS for 60% moisture content cement stabilized soil分析试验结果表3和图1发现，水泥土无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而增大，其中前期抗压强度增长的速率较快，后期较慢。另外，由表3可以发现28d龄期的无侧限抗压强度是90d龄期的无侧限抗压强度的55%73%，说明水泥土后期的强度增长量仍然很大。2.1.2水泥掺入比对水泥土的无侧限抗压强度的影响根据表3绘制水泥掺入比与含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线，见图2。图2 水泥掺入比与含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线 Fig.2 Cement ratio versus UCS for 60% moisture content cement stabilized soil结合试验结果表3和图2进行分析可以发现，水泥土无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而增加，增长速率随着水泥掺入比的增加而增大。水泥掺入比为10%、15%、20%、25%、30%、35%的强度分别是水泥掺入比为40%强度的9%34%、29%40%、42%50%、56%61%、69%71%、84%87%。2.1.3含水率对水泥土的无侧限抗压强度的影响水泥掺入比为25%的水泥土无侧限抗压强度试验结果见表4，含水率与水泥掺入比为25%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线见图3。表4水泥掺入比为25%的水泥土无侧限抗压强度试验结果 Table 4 Unconfined compressive strength of 25% cement content cement stabilized soil （MPa） 含水率/%龄期/d714286090600.70.841.021.331.55700.490.640.81.111.24800.360.440.60.810.98900.290.340.460.670.76图3 含水率与水泥掺入比为25%的水泥土无侧限抗压强度的关系曲线Fig.3 Moisture content versus UCS for 25% cement ratio cement stabilized soil结合表4和图3无侧限抗压强度试验结果可以看出，水泥土无侧限抗压强度随着含水率的增加而减小，减小速率是逐渐减小。含水率为70%、80%、90%的强度是含水率为60%强度的69%83%、51%63%、41%50%。可见，含水率不同，水泥土强度变化的幅值比较明显。因此，从机理上讲，在一定范围内，采用水泥固化高含水率的淤泥质黏土，强度提高的效果更显著。 2.2水泥土的应力与应变关系2.2.1水泥土应力应变关系曲线变化规律 在以往试验中，研究人员大多数选取龄期为28d的试验数据进行应力应变分析。结合表3含水率为60%的水泥土无侧限抗压强度试验结果，选取具有代表性的含水率为60%，龄期为60d的不同水泥掺入比的水泥土无侧限抗压强度试验结果，进行水泥土应力应变关系分析，其应力应变关系曲线见图1。图4含水率为60%，龄期为60d水泥土应力应变关系曲线Fig.4 Stress versus strain for 60% moisture content cement stabilized soil at 60 curing days从图4可以看出，各水泥掺入比的水泥土应力应变全过程曲线大致可以分为四个阶段。第一阶段为加载初始阶段，应力随着应变的增大而增加，应力应变关系曲线近似成线性关系，并随着水泥掺入比的增大，这种线性关系也来也越来越明显，而且直线的斜率也逐渐增大，即应力随着应变增长的速率逐渐增大。第二阶段为塑性上升阶段，在应力接近峰值时，应力应变关系曲线出现明显的弯曲，逐渐偏离直线，应力逐渐增大。随着水泥掺入比的增大，塑性上升阶段的斜率也逐渐增大，但到达应力峰值附近，斜率却减小。第三阶段为应力应变下降阶段，当达到应力峰值后，应力随着应变的增大而逐渐减小，而且随着水泥掺入比的增加，这种减小的趋势逐渐明显。第四阶段为应力应变进入残余强度阶段，当各应力应变曲线下降阶段应力减小到某一值后，应力应变曲线趋于一条直线，虽然应力变化不大，但是应变仍然在增加，说明试件产生了较大的塑性变形。另外，结合试验过程中试件变形情况可以发现，当试件破坏时，试件仍可以承受一定的压力，说明此时试件仍然存在有残余应力和残余应变。2.2.2水泥土变形模量分析在实际工程中，水泥土的变形参数常用变形模量E50来衡量，其中E50指应力为无侧限抗压强度的50%对应的水泥土的割线模量10。含水率为60%，龄期为60d的水泥土无侧限抗压强度与变形模量的关系计算结果见表5。表5含水率为60%、龄期为60d的无侧限抗压强度与变形模量的关系Table 5 Unconfined compressive strength (qu) versus deformation modulus E50 for 60% moisture content cement stabilized soil at 60 curing daysaw/%qu/MPas0.5/MPae0.5/%E50/MPaE50/qu100.740.371.4525.5234.29150.890.451.4331.4735.19201.090.551.3839.8636.49251.330.671.3151.1538.33301.620.821.2565.6040.38351.900.950.89106.7456.10402.181.090.68160.2973.44从表5中可得出：对于某一龄期，水泥土的变形模量随着水泥土的无侧限抗压强度的增大而增大； E50/qu随着无侧限抗压强度的增加而增加；对于60d龄期的淤泥质黏土水泥土的变形模量一般用E50=(3374)qu来估算。 2.3水泥土试样的破坏模式在试验过程中，观察试件单轴受压变形可以发现，在高含水率、低水泥掺入比、短龄期的试件呈现塑性破坏；低含水率、高水泥掺入比、长龄期的试件呈现塑性破坏。塑性破坏典型照片见图5，脆性破坏的典型照片见图6。 图5 水泥土塑性破坏 图6 水泥土脆性破坏Fig.5 Plastic fracture of cement stabilized soil Fig.6 Fragile fracture of cement stabilized soil 3结论（1）淤泥质黏土水泥土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而增大，随着水泥掺入比的增大而增大，随着含水率的增大而减小。（2）根据水泥土应力应变关系曲线，将应力随应变的变化分为了四个阶段。（3）通过对水泥土变形模量E50与无侧限抗压强度qu关系的分析，得到了某一龄期水泥土的变形模量E50的变化规律及其变化范围估计式。（4）高含水率、低水泥掺入比、短龄期的试件呈现塑性破坏；低含水率、高水泥掺入比、长龄期的试件呈现塑性破坏。参考文献1 Younes Bagheri，Pauziah Ahmad，Mohd Ashraf Mohamad Ismail. Strength and mechanical behavior of soil-cement-lime-rice husk ash (soil-CLR) mixtureJ. Materials and Structures，2014(47)：55-66.2 Kyu Hawan Lee，Song Lee. Mechanical properties of weakly bonded cement stabilized kaolinJ.KSCEJournal of Civil Engineering，2002，6(4)：389-398.3 Antonio Viana da Fonseca，Rodrigo Caberlon Cruz，Nilo Casar Consoli. Strength properties of sandy soil-cement admixturesJ. Geotech Geol Eng，2009(27)：681-686.4 朱大宇.水泥土力学性能的试验分析J .建筑材料学报，2006，9（3）：291-296. ZHU Da-yu. Test analysis on mechanical properties of soil-cement mixtureJ.Journal of Building Materials，2006，9（3）：291-296.5 周丽萍、申向东.水泥土力学性能的试验研究J .硅酸盐通报,2009,8（28）：359-365.ZHOU Li-ping，SHEN Xiang-dong. Study on mechanical behaviors of soil cementJ.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2009，8（28）：359-365.6 阮锦楼，阮波，阳军生，等.粉质黏土水泥土无侧限抗压强度试验研究J.铁道科学与工程学报.2009，6(3)：56-60.RUAN Jin-lou，RUAN Bo，YANG