基于試驗數(shù)據(jù)的水泥土施工技術(shù)研究

摘 要：本文以實際工程地基土加入水泥后形成的水泥土為研究對象，對其工程性質(zhì)進行試驗研究，以期探索加固機理，尋求最優(yōu)水泥摻入比和養(yǎng)護時間，為水泥土加固地基及路基硬化提供參考。本研究對水泥土進行直剪、壓縮試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果表明，水泥土抗剪強度、抗剪強度指標、壓縮模量和無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻入比和養(yǎng)護時間增加而逐漸提高。水泥加固土的作用機理源于水泥的水化硬化和土體與水泥水化物的相互作用。研究工程水泥土最優(yōu)水泥摻入比為33.3%，最佳養(yǎng)護時間為28天。

關(guān)鍵詞：水泥摻入比；養(yǎng)護時間；工程力學性質(zhì)；水泥土加固

中圖分類號：TU 43" 文獻標志碼：A

水泥土是一種具有特殊工程性能的硬化材料，在土體加固、改良地基中應(yīng)用廣泛[1-5]，作用機理是土料經(jīng)過水泥固結(jié)后，使水泥土具有良好的抗?jié)B能力、承載力和抗剪能力，可以用于承受抗彎作用的道路和機場跑道的基層和底基層、公路工程及其他工程中的護坡材料、大壩工程中防滲材料，還可以用于建筑物、公路工程、水利工程及其他大型工程的地基處理[6-7]。

本文以實際工程水泥土為研究對象，對水泥土進行直剪、壓縮試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，測試紅黏土水泥土抗剪強度、壓縮特性和無側(cè)限抗壓強度，探析抗剪強度、抗剪強度指標、壓縮模量和抗壓強度隨水泥摻入比和試驗養(yǎng)護時間的變化規(guī)律，以期達到測試水泥土的工程力學特性，為水泥加固土在建筑物、公路工程、水利工程及其他大型工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論支持。

1 工程概況

沿黃生態(tài)廊道（小浪底-鷹嘴山）項目，位于河南省洛陽市，全長40km，采用雙向兩車道三級公路，設(shè)計速度為30km/h，標準路基寬為8m，路面寬為6.5m，東接白鶴鎮(zhèn)，西至新安縣，沿線涉及下梭欏溝村、崔嶺、卞家莊、大柿樹、津西等多個村莊，是集生態(tài)保護、綠化種植、運動休閑等功能于一體的生態(tài)廊道。經(jīng)過暴雨沖刷，道路出現(xiàn)不同程度損壞，主要是路基沉降、邊坡滑塌、路面產(chǎn)生裂縫等。全線水毀路段有100多處，路面病害處理挖至硬質(zhì)路基底為準，實際深度以施工現(xiàn)場為準。基底處理后，采用水泥土分層回填壓實，根據(jù)現(xiàn)場試驗研究數(shù)據(jù)確定具體水泥摻入比、養(yǎng)護時間。

2 水泥土工程力學性質(zhì)特征分析

2.1 抗剪強度特性響應(yīng)特征

2.1.1 養(yǎng)護時間對抗剪強度的影響

養(yǎng)護時間對水泥土抗剪強度的影響表現(xiàn)為抗剪強度隨著養(yǎng)護時間增加而提高。在土料里摻入水泥后，與素土相比，水泥土在早期的強度明顯增加，養(yǎng)護28天后就已經(jīng)能達到較高的抗剪強度，在養(yǎng)護后期，強度增加緩慢，但是養(yǎng)護28天～120天，強度提高幅度依然較大。

當水泥摻入比為16.7%時，養(yǎng)護7天～28天，隨著養(yǎng)護時間增加，抗剪強度基本呈現(xiàn)線性增加趨勢，養(yǎng)護28天的抗剪強度較大，到后期強度依然增加，只是增幅趨于緩慢。與更高的水泥摻入比相比，摻入比為16.7%的紅黏土水泥土抗剪強度增加相對較緩，這與水泥摻入比有關(guān)系，更多還是體現(xiàn)土的性質(zhì)。當水泥摻入比為25%時，養(yǎng)護7天的強度就已經(jīng)很高，且增幅明顯，養(yǎng)護14天～28天，強度增幅相比早期有所變緩，后期依然有較大增幅，只是速度緩慢。當水泥摻入比為33.3%時，早期強度增幅明顯，養(yǎng)護7天～28天的強度呈現(xiàn)線性增加趨勢，后期增幅依然較大。當水泥摻入比為50%時，可以看出紅黏土水泥土抗剪強度在早期就已經(jīng)很高，養(yǎng)護7天～28天的抗剪強度呈線性增加趨勢，養(yǎng)護28天后的強度增幅緩慢。抗剪強度隨養(yǎng)護時間的變化曲線，如圖1所示。

2.1.2 水泥摻入比對抗剪強度的影響

水泥土抗剪強度隨水泥摻入比增加而明顯變大，總體上呈現(xiàn)線性增加趨勢。水泥摻入比為16.7%～25%的抗剪強度明顯增加，水泥摻入比為25%～33.3%的抗剪強度增幅有所變緩，水泥摻入比為33.3%～50%時的抗剪強度急劇增加。其中，抗剪強度隨水泥摻入比變化的差異性與紅黏土水泥土的微觀結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，也說明了水泥土的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

從試驗數(shù)據(jù)可知，水泥土抗剪強度通常隨水泥摻入比和養(yǎng)護時間增加而增加，其中，不同的水泥摻入比和養(yǎng)護時間表現(xiàn)出不同的增加趨勢，水泥土抗剪強度增加趨勢的差異性宏觀上與水泥摻入比有很大關(guān)系，水泥摻入紅黏土后和紅黏土中的礦物進行一系列的物理化學反應(yīng)，進而改變紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，形成具有特殊結(jié)構(gòu)的紅黏土水泥土。水泥摻入比越大，更能表現(xiàn)出混凝土的性質(zhì)，摻入比越小則表現(xiàn)出紅黏土的性質(zhì)。

2.1.3 水泥摻入比和養(yǎng)護時間對抗剪強度指標的影響

水泥土的黏聚力隨水泥摻入比增加而明顯變大，黏聚力隨養(yǎng)護時間變化不明顯。水泥摻入比越大，黏聚力越大，其中，摻入比為16.7%～25%和33.3%～50%時的黏聚力增幅，比摻入比為25%～33.3%的黏聚力增幅要大很多。內(nèi)摩擦角隨水泥摻入比和養(yǎng)護時間的變化規(guī)律不是很明顯，但總體上隨著水泥摻入比和養(yǎng)護時間增加而變大，養(yǎng)護時間對內(nèi)摩擦角的影響較小。當水泥摻入比為16.7%～33.3%時，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)一定變大趨勢，在摻入比達到33.3%后，增幅趨于平緩。

從試驗數(shù)據(jù)可知，抗剪強度指標隨著水泥摻入比和養(yǎng)護時間增加而增加，其中，水泥摻入比對抗剪指標的影響明顯大于養(yǎng)護時間對抗剪指標的作用。

2.2 壓縮特性響應(yīng)特征

水泥土的壓縮模量隨著水泥摻入比和養(yǎng)護時間增加而增加。從試驗數(shù)據(jù)可知，壓縮模量與水泥摻入比和養(yǎng)護時間的變化規(guī)律不是很明顯，這與試驗誤差有很大關(guān)系，但總體上隨著水泥摻入比和養(yǎng)護時間增加而增加。

在水泥中摻入紅黏土后改變了紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)，水泥與紅黏土中的礦物成分進行反應(yīng)生成新的礦物，減少紅黏土的孔隙，且水泥硬化后形成水泥骨架，水泥骨架包裹紅黏土顆粒，而水泥骨架具有一定的抗壓強度，因此經(jīng)過水泥固化土后，土的壓縮特性得到改善，壓縮模量明顯增加。水泥土壓縮特性與水泥摻入比的關(guān)系折線如圖2所示。

2.3 無側(cè)限抗壓強度特性響應(yīng)特征

2.3.1 無側(cè)限抗壓強度與水泥摻入比和養(yǎng)護時間的關(guān)系

水泥土抗壓強度隨著水泥摻入比和養(yǎng)護時間增加而變大，抗壓強度隨養(yǎng)護時間的變化表現(xiàn)為早期強度增幅較大，后期緩慢增加。從試驗數(shù)據(jù)可知，養(yǎng)護14～60天，抗壓強度隨著養(yǎng)護時間增加而呈現(xiàn)線性增加趨勢，在養(yǎng)護60天后，抗壓強度增加緩慢。無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護時間關(guān)系如圖3所示。

2.3.2 水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

在硬化過程中，由于水泥受到化學反應(yīng)影響會導(dǎo)致體積膨脹，從而使鋼筋受到拉應(yīng)力，硬化后，鋼筋又使混凝土受到壓應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為化學預(yù)應(yīng)力或自應(yīng)力。混凝土在澆筑后，水泥的水化熱作用導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高，當溫度超過初始澆筑溫度和當時的氣溫時，混凝土受到約束力限制，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。新澆注的混凝土在強烈的陽光照射下，表面水分迅速蒸發(fā)，產(chǎn)生收縮應(yīng)力，造成不規(guī)則龜裂。已凝結(jié)的防水混凝土因養(yǎng)護不及時等，早期失水也會產(chǎn)生不規(guī)則的收縮裂縫。

水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線和混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線類似，但當達到峰值強度后，水泥土會表現(xiàn)出一定的流變特性。

水泥土中的原材料土具有彈性、黏滯性、塑性和流變性質(zhì)[6]，而水泥是脆性材料，因此水泥土的性質(zhì)相對復(fù)雜，但應(yīng)力應(yīng)變曲線形式和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線類似，只是紅黏土水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線會表現(xiàn)出一定的彈性和流變特性，與混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線相比，紅黏土水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有那么光滑。破壞形式隨著水泥摻入比的改變而有所差異，但總體表現(xiàn)為脆性破壞，和混凝土相似。水泥土應(yīng)力變化與應(yīng)變關(guān)系，如圖4所示。

水泥摻入土后改變了土的微觀結(jié)構(gòu)，形成具有特殊結(jié)構(gòu)的水泥土，因此提高了土的抗剪強度特性、壓縮特性和無側(cè)限抗壓強度特性。水泥自身發(fā)生水化硬化反應(yīng)，形成水泥骨架包裹紅黏土顆粒，其次是水泥中的礦物成分與土中的礦物發(fā)生一系列的物理化學反應(yīng)生成新的礦物，這些礦物對土進行膠結(jié)和填充，減少土的孔隙，提高土的壓縮特性、抗剪強度特性和抗壓強度特性。

3 施工應(yīng)用流程

試驗結(jié)果表明，水泥土最優(yōu)水泥摻入比為33.3%，最佳養(yǎng)護時間為28天，現(xiàn)場應(yīng)嚴格按照該水泥摻入比例和養(yǎng)護時間施工。施工工序：基層清理→施工放樣→備料拌合→攤鋪水泥土→整平及輕壓→整修→輾壓→養(yǎng)護。

在水泥土的施工過程中，基層清理是準備工作。只有基層清理去掉浮土、碎石，消除各種干擾，水泥土后續(xù)的鋪設(shè)施工才能達到更好的效果。施工開始后先進行局部放樣，可以有效地觀察水泥土施工效果，如果沒有任何問題，就可以進行全局施工。根據(jù)要求對各配料進行合理配置，并均勻攪拌獲得最佳品質(zhì)的水泥土，在全局平面內(nèi)進行攤鋪。水泥土攤鋪均勻后，要及時整平和整修。這個過程施加的壓力不宜過大，避免水泥漿液溢出導(dǎo)致局部出現(xiàn)破損影響整體攤鋪效果。在水泥土完成全部攤鋪過程后，后期的養(yǎng)護也至關(guān)重要。養(yǎng)護方案要妥當，養(yǎng)護措施要合理，養(yǎng)護時間要達標，這樣才能保證水泥有效定型，達到預(yù)期的強度和品質(zhì)。水泥土攤鋪施工的過程，不僅依賴完善的、操作性強的流程設(shè)計，也基于施工人員的技術(shù)經(jīng)驗。

要按照既定方案執(zhí)行所有施工環(huán)節(jié)，包括原材料的精確計量、混合均勻度控制以及施工后的養(yǎng)護措施等，保證施工質(zhì)量。最終，經(jīng)過檢驗，施工滿足要求，并通過了監(jiān)理、業(yè)主以及質(zhì)量監(jiān)督站的驗收與合格評定，表明施工應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)論

本文基于實際工程水泥土工程力學試驗，對水泥土水泥摻入比和養(yǎng)護時間進行了研究，研究結(jié)果如下。1）水泥土的抗剪強度、壓縮模量和無側(cè)限抗壓強度等工程力學性質(zhì)受水泥摻入比和養(yǎng)護時間的影響，并呈現(xiàn)明顯改變。2）水泥土抗剪強度、抗剪強度指標、壓縮模量和無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻入比和養(yǎng)護時間增加而逐漸增加。3）水泥土最優(yōu)水泥摻入比為33.3%，最佳養(yǎng)護時間為28天。本研究可以對后續(xù)水泥土水泥摻入比和養(yǎng)護時間在實際工程中的應(yīng)用起到參考作用。

參考文獻

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