腐蝕環境中水泥土樁的長期剛度研究

侯 飛 張 磊 崔社強

(山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061)

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腐蝕環境中水泥土樁的長期剛度研究

侯 飛 張 磊 崔社強

(山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061)

為了解腐蝕環境對水泥土樁的影響，以東營港濱海腐蝕環境為研究對象，提出了腐蝕環境中水泥土樁長期剛度的預測方法，得到了腐蝕環境中水泥土樁的長期剛度先增后減，且樁徑越小其長期剛度衰減速率越快的結論。

水泥土樁，腐蝕環境，長期剛度，力學試驗

0 引言

水泥土樁已廣泛應用于工程建設中軟弱地基的加固，并取得了優良的效果。然而，在濱海地區，地下水及土體中含有大量的鹽分，鹽水的接觸會對水泥土產生侵蝕導致水泥土樁體劣化，對工程的加固性能產生影響。國內外學者[1-4]對水泥土的劣化進行了一些研究，但這些研究并未涉及到腐蝕環境下水泥土樁長期的剛度變化，不能為樁體的腐蝕劣化及所加固工程的穩定進行預警。因此，本文以東營港濱海腐蝕環境下的水泥土攪拌樁為研究對象，考慮水泥土樁體在腐蝕環境中的劣化，并整合前人的研究成果，提出了一種基于濱海腐蝕環境下水泥土樁長期剛度的預測方法，為濱海腐蝕環境下水泥土樁的長期應用提供技術支持。

1 水泥土早期力學試驗

1.1 試樣制備與養護

東營港濱海地區地基主要為粉土，具有低液限、高含水率、低強度等特點，其壓縮系數為0.159 MPa-1，為低壓縮性粉土。與普通粉土相比，東營港粉土顆粒磨圓度較高，針片狀顆粒少，經水長時間浸泡侵蝕、顆粒撞擊和水流沖刷作用，顆粒表面破碎、剝蝕嚴重。

室內試驗所用土樣取自地表下0.5 m處，水樣的化學指標如表1所示，屬于鹵水(礦化度大于50 g/L)。土樣的基本物理指標如表2所示，各離子成分的含量如表3所示，為低液限、高含水率的低壓縮性粉土。

表1 淺層地下水的化學指標

表2 東營港天然地基土的土工參數

表3 天然地基土離子含量 cmol/kg

室內試驗所用水泥為42.5的普通硅酸鹽水泥，摻量為7.5%，根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》規定，制作尺寸為φ50 mm×50 mm試件若干。

濱海腐蝕環境中水泥土樁內部不受鹽水的侵蝕，而水泥土樁的表層會受到侵蝕，所以試驗采用養護室養護與鹽水浸泡養護，前者模擬水泥土樁內部未受到鹽水侵蝕的環境，后者模擬水泥土樁表層受鹽水侵蝕的環境。對于浸泡養護，養護液取自東營港地下水，養護過程中每隔3 d換水一次。

1.2 單軸壓縮試驗

變形模量(剛度)是水泥土設計的重要參數。通常定義：當正應力達50%無側限抗壓強度時，水泥土應力—應變曲線相對應的切線模量，稱為水泥土的變形模量E50，即剛度，如圖1所示。

對兩種養護環境下不同齡期的水泥土試件進行單軸壓縮試驗，得到表4及鹽水浸泡養護下試件的縱向應力—應變關系曲線，如圖2所示。

表4 水泥土抗壓強度

2 水泥土樁長期剛度的預測方法

水泥土樁受鹽水侵蝕而產生劣化的過程是緩慢的，表現為隨鹽水侵蝕發生有效樁徑的減小和內部未腐蝕部分強度隨齡期的持續增長。本部分基于崔新壯等[5]的研究成果進行進一步研究。

2.1 水泥土樁劣化深度預測

假定水泥土樁劣化的深度L范圍內樁體的強度為0，未劣化部分樁體強度等于標準養護時單軸抗壓強度quc，根據式(1)，式(2)可以求得劣化深度：

D2quw=d2quc

(1)

L=0.5(D-d)

(2)

其中，quw為水泥土樁在浸泡環境下的綜合強度；D為水泥土樁的初始直徑，室內試驗中試件初始直徑為50 mm；d為水泥土樁未劣化部分的直徑。

同時崔新壯等[5]匯總了室內外不同環境下水泥土劣化深度和時間的關系，發現劣化深度與時間的雙對數曲線近似呈斜率為0.5的線性關系：

lgL=a+0.5lgt

(3)

其中，L為劣化深度，mm；t為齡期，d；a為常數。

根據制備試件的室內單軸壓縮試驗結果，通過式(1)和式(2)可計算出試件在28 d，60 d，90 d，120 d及180 d的劣化深度分別為3.43 mm，5.24 mm，6.17 mm，7.38 mm及8.68 mm。

對水泥土試件劣化深度進行擬合(如圖3所示)，可得a=-0.182 4，式(3)可改寫為：

L=10-0.182 4+0.5lgt(R=0.92)

(4)

其中，R為擬合相關系數。

式(4)即可預測現場工程中水泥土的長期劣化深度。

2.2 水泥土樁內部強度的增長規律

對水泥土的室內外研究發現，水泥土的無側限抗壓強度隨齡期的對數近似呈線性增長，而無關乎水泥的種類。因此，含鹽水泥土樁內部未劣化部分抗壓強度與齡期的關系可表達為：

quc=A+Blgt

(5)

其中，quc為含鹽水泥土樁內部未劣化部分抗壓強度，MPa；t為齡期，d；A，B均為常數，可通過對標準養護下水泥土試件的強度擬合得到。

根據式(5)對表3中養護室條件下的水泥土試件強度進行擬合(如圖4所示)，可得：

quc=0.27+2.24lgt(R=0.96)

(6)

其中，R為擬合相關系數。

2.3 腐蝕環境中水泥土樁的長期強度預測

考慮水泥土樁在濱海腐蝕環境中的劣化效應，同時基于水泥土樁長期劣化深度和內部材料強度增長規律的預測，可得到劣化的水泥土樁長期強度的預測方法。

(7)

代入式(1)，式(4)，式(5)可得：

(8)

其中，quw為水泥土在浸泡環境下的綜合強度；quc為未劣化部分的抗壓強度；D為初始樁徑，mm；L為劣化深度，mm。

2.4 腐蝕環境中水泥土樁的長期剛度預測

許多學者對變形模量E50(剛度)與無側限抗壓強度fcu之間的關系進行了研究[6,7]。結果表明，水泥土體的變形模量E50和無側限抗壓強度fcu近似符合線性對應關系：E50=C×fcu，其中，C為常數，取值介于50～200之間。由圖2可以求得C大致取值為80。

因此，水泥土樁的長期剛度如下：

E50=80×fcu=

(9)

根據式(9)，以東營港濱海腐蝕環境下水泥土樁為研究對象，考慮樁體的劣化，得到不同樁徑水泥土樁的長期剛度的變化規律，如圖5所示。

觀察圖5可以發現，不考慮樁體腐蝕劣化的養護室環境中，水泥土樁的剛度隨齡期的增長不斷增大，表現為開始迅速上升，隨后增加速度變緩并趨于穩定，這主要是由于前期水泥水化及硬化效應的結果；考慮樁體腐蝕劣化的濱海腐蝕環境中，水泥土樁前期剛度表現為迅速增大趨勢，隨后增大速率放緩，大致5年后，剛度隨著齡期的增長開始逐漸減小，這主要是因為前期水泥土樁體的水化及硬化遠遠大于鹽水對樁體的腐蝕，而隨齡期的增長，水化反應結束，海水腐蝕下水泥土的劣化繼續發生，導致隨著時間的增長樁體綜合剛度開始減小。

考慮樁體腐蝕劣化情況下，對比不同樁徑下樁體剛度的變化可以發現，不同樁徑水泥土樁前期的剛度變化曲線較為一致，均迅速增大，待剛度達到峰值后隨著齡期的不斷增長，剛度開始降低，且樁徑越小樁體剛度減小速度越快。產生這種情況的原因是相同的腐蝕環境對水泥土樁的腐蝕速率相同，導致相同的腐蝕時間產生相同腐蝕深度，而相同的腐蝕深度下，樁徑越小樁體所受到腐蝕的比率越大，殘余剛度越小。

3 結論

1)腐蝕環境中水泥土樁的剛度會隨齡期發生劣化，長期剛度表現為初期隨齡期的增長迅速增大，約5年后隨著齡期的增長剛度開始減小；

2)腐蝕環境中樁徑對水泥土樁的劣化速率存在影響，樁徑越小，長期剛度的減小速率越快，因此腐蝕環境中應盡量避免使用小樁徑水泥土攪拌樁。

[1] TERASHI M, TANAKA H, MITSUMOTO T. Fundamental properties of lime and cement treated soil (3edReport)[R]. Report of Port and the Harbour Research Institute,1983(22):69-96 (in Japanese).

[2] HAYASHI H, NISHIKAWA J, OHISHI K, et al.Field observation of long term strength of cement treated soil[J]. Geotechnical Special Publication,2003(120):598-609.

[3] 陳四利,寧寶寬,劉一芳,等.化學侵蝕下水泥土的無側限抗壓強度試驗[J].新型建筑材料,2006(6):40-42.[4] 邢皓楓,徐 超,葉觀寶,等.可溶鹽離子對高含鹽水泥土強度影響的機理分析[J].中國公路學報,2008,21(6):26-30.

[5] 崔新壯,龔曉南,李術才,等.鹽水環境下水泥土樁劣化效應及其對道路復合地基沉降的影響[J].中國公路學報,2015,28(5):66-76,86.

[6] Futaki M, Nakano K, Hagino Y. Design strength of soil cement columns as foundation ground for structures[A].Grouting and Deep Mixing Conference[C].Tokyo,1996:481-484.

[7] Lorenzo G A, Bergado D T. Fundamental characteristics of cement-admixed clay in deep mixing[J]. Journal of materials in civil engineering,2006,18(2):161-174.

The study of cement-soil pile long-term stiffness in corrosion environment

Hou Fei Zhang Lei Cui Sheqiang

(SchoolofCivilEngineeringofShandongUniversity,Jinan250061,China)

To understand the impact of corrosion environment of cement-soil pile, regard littoral corrosion environment of Dongying harbor as the research object, proposed long-term stiffness prediction method of cement-soil pile in corrosion environment, find that the long-term stiffness of cement-soil pile first increased and then decreased, and the smaller diameter of the pile the faster rate of decay of long-term stiffness.

soil-cement pile, corrosion environment, long-term stiffness, mechanical experiments

1009-6825(2017)06-0085-03

2016-12-18

侯 飛(1989- )，男，在讀碩士； 張 磊(1992- )，男，在讀碩士； 崔社強(1993- )，男，在讀碩士

TU473.1

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