引江济淮白山船闸水泥土强度试验.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:王志勇()男江西抚州人硕士主要从事特殊地基处理方面研究:.通信作者:杜广印()男江苏徐州人教授博士主要从事特殊地基处理技术和岩土工程原位测试技术等方面的研究:.:./.():引江济淮白山船闸水泥土强度试验王志勇杜广印章定文宋 涛杨 泳(.东南大学 交通学院南京 .东南大学 江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室南京.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司合肥 .江苏盛泰建设工程有限公司江苏 连云港)摘 要:智能化双向搅拌桩技术在引江济淮白山船闸工程中得到了推广应用为研究白山船闸水泥土的强度变化规律以及新技术应用效果通过制备不同形状、水泥掺量和龄期的水泥土试样进行无侧限抗压强度试验和三轴不固结不排水试验获得水泥土的应力应变关系、抗压强度及抗剪强度参数 室内试验结果表明:水泥土应力应变关系为应变软化型无侧限抗压强度随水泥掺量、龄期的增长而增大与龄期对数近似呈线性关系 龄期的圆柱体试样强度比立方体试样高约 变形模量与无侧限抗压强度的比值在.之间受龄期影响较大黏聚力与无侧限抗压强度呈近似线性增长关系内摩擦角范围为 现场芯样强度达到室内水泥土强度的以上智能化双向搅拌技术能够在一定程度上改善搅拌桩成桩质量采用强度比值的拟合关系式有利于弥补室内与现场水泥土的强度差异 扫描电镜()结果从微观角度揭示了水泥土的强度增长机理 研究成果可为类似工程研究提供依据关键词:水泥土无侧限抗压强度抗剪强度三轴试验微观机理中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():(.):.第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .().:研究背景引江济淮工程是沟通长江、淮河两大水系的一项重大战略性跨流域调水工程白山船闸地处巢湖与白石天河交汇处是其重要组成部分 船闸上下游引航道边坡广泛分布有性质软弱的淤泥质土若处理不当极易产生不均匀沉降影响建筑物正常使用甚至威胁航运安全 水泥土搅拌桩是处理软土地基的常用方法之一但传统单向搅拌桩存在搅拌不均匀、成桩效果差、处理深度有限等问题 双向搅拌桩技术是近年来兴起并迅速发展的一项新型水泥土搅拌桩技术它施工效率快、搅拌均匀性好、成桩质量高在各类地基处理工程中得到了成功应用 在此基础上笔者所在课题组针对施工设备、云端系统等进行升级改进形成了能自动判别桩长、自动操作及远程实时监控的智能化双向搅拌桩施工技术工程实践中水泥土的性质对桩体影响显著众多学者对水泥土的无侧限抗压强度影响因素、强度预测定量关系以及抗剪强度特性等进行了相关研究 但上述研究大部分仅限于室内试验而现场实际状况与室内条件存在较大差异室内研究成果对现场是否适用尚不清楚 有关规范提供的桩体抗剪强度建议取值源于以往工程经验随着双向水泥土搅拌桩技术的大力推广应用该取值的合理性有待进一步研究 本文依托引江济淮白山船闸软基处理工程通过室内试验获取白山船闸水泥土抗压抗剪强度变化规律并与现场取芯测试结果对比研究建立室内与现场水泥土强度关系为相关工程研究提供重要依据 工程概况与试验方案.工程概况白山船闸场区地貌类型属于沿湖平原圩区地形较为平坦地面高程一般 左右地下深度 范围内普遍分布有第四系全新统冲湖积层的淤泥质粉质黏土该层土体压缩性大强度低对堤防、岸坡的抗滑稳定和沉降变形影响较大 土体的物理力学指标见表 设计采用智能化双向水泥土搅拌桩进行加固处理桩径.桩间距.水泥用量为 /表 试验用土物理力学性质 含水率/干密度/()相对密度孔隙比 塑限/液限/塑性指数液性指数压缩模量/.试验方案现场试验是对施工后的水泥土搅拌桩按照不同龄期进行取芯测试以获得各龄期桩体无侧限抗压强度统计值室内试验土样取自白山船闸现场的层淤泥质粉质黏土水泥为常见的.普通硅酸盐水泥试验用水为校内实验室自来水 将试验土样风干后进行粉碎再过孔径 标准筛测得风干含水率作为试验用土 水泥用量按水泥湿掺入比(水泥与湿土质量比)、进行控制(为现场实际掺量)试验用水量按含水率(水与干土质量比).进行控制 无侧限抗压强度试验试模尺寸采用边长.立方体和直径.高.圆柱体进行对比三轴剪切试验试模尺寸为直径.高.将搅拌均匀的水泥土分 次装入试模每次装入后采用振动台进行振实振动时间为 并对界面处刮毛处理最后将表面刮平盖上塑料薄膜静置 每组设置 个平行试样同组试样密度与平均值之差不应超过 成型脱模后的试样放入标准养护室内进行养护湿度 温度()养护龄期分别为、图 为养护后的水泥土试样图 为室内试验仪器无侧限抗压试验采用 型承载比试验仪加载速率为./三轴 试验采用 型全自动三轴仪剪切速率为./试验围压设置为、试验前试样通过反压 长江科学院院报 年(a)()(b)()图 养护后的水泥土试样.(a)C B R-2(b)T S Z-2图 室内试验仪器.饱和使/.(为围压增量所引起的孔压增量为小主应力的增量)试验仪器见图 试样制备与试验操作参照土工试验方法标准(/)、水泥土配合比设计规程(/)相关规定进行 试验结果与分析.无侧限抗压强度无侧限抗压试验结果见表 由表中数据可知相同条件下圆柱体试样与立方体试样的强度存在一定差异其范围为.在龄期为 时圆柱体试样强度比立方体高约 研究认为这是由于立方体试样各个角点附近的水泥土难以压实均匀性较差且受压过程中易产生应力集中现象此外立方体试样的尺寸相对圆柱体试样较大内部出现孔隙等缺陷的可能性更大这些都会导致立方体试样的强度低于圆柱体试样 鉴于实际工程中水泥土搅拌桩采用的基本为柱状桩型本文仅对圆柱体试样的试验结果进行分析讨论图()为不同水泥掺量的圆柱体试样无侧限抗压强度与龄期的关系图像及拟合曲线 不同龄期的表 无侧限抗压强度试验结果 /龄期/无侧限抗压强度/立方体圆柱体不同形状试样强度相对差值/.圆柱体试样强度与水泥掺量的关系图像见图()由图()可知在 龄期范围内随着养护龄期增长水泥土强度也逐渐增大且无侧限抗压强度与龄期 的自然对数呈近似线性关系 通过对数函数拟合可用下式描述不同水泥掺量下水泥土与 之间关系 ()式中、为拟合参数表 为各拟合参数和决定系数决定系数 均达到.以上说明 与 的对数之间具有良好线性关系02 04 06 08 01 0 01234aw=1 5%aw=1 5%拟合曲线aw=1 8%aw=aw=1 8%拟合曲线aw=2 1%aw=2 1%拟合曲线qu/MP a龄期/d1 41 61 82 02 2水泥掺量/%7 d2 8 d9 0 d1234qu/MP a(a)(b)图 圆柱体试样无侧限抗压强度与龄期、水泥掺量的关系.表 无侧限抗压强度 与龄期 拟合参数 /.由图()可知在本次研究的水泥掺量范围内水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量近似呈线性关系但不难发现 至 的强度增长量要低于至 的强度增长量说明仅增加水泥掺量对水泥土强度影响是有限的水泥对土体的加固效果存在一定的作用区间 根据相关研究水泥掺 第 期王志勇 等 引江济淮白山船闸水泥土强度试验量可分为三阶段:非反应区、反应区和惰性区 当水泥掺量过小处于非反应区时土体强度变化不大增大水泥掺量超过某临界值后进入惰性区水泥不能与土体发生充分反应强度增长速率减缓.水泥土变形模量水泥土的变形特性用变形模量 来衡量 是指水泥土应力应变曲线上应力值为 无侧限抗压强度时对应的割线模量用公式表示为.()式中:.为应力值.时对应的应变 各组水泥土变形模量计算结果汇总于表 与 的比值处于相对稳定范围内龄期为 时/约为 养护龄期较长时/约为 该值与相关研究结果差异较大如高鹏飞等、薛慧君等、周丽萍等试验得到的/均杨健等得到的/范围与本文较为接近 分析认为试样形状对/影响较大相同条件下圆柱体试样的/要明显低于立方体试样考虑到实际桩体及芯样均为圆柱体形式试验采用圆柱体试样测量变形模量较为合理表 水泥土变形模量计算结果 /龄期/破坏应变/./.水泥土应力应变关系对各组养护至标准龄期的水泥土试样进行三轴不固结不排水试验获得相应应力应变曲线 龄期为 围压 下不同掺量的水泥土试样应力应变曲线见图()图中 和 分别为大主应力和小主应力 由图()可知水泥土的应力应变关系属于应变软化型增大水泥掺量水泥土试样的应力峰值得到明显提升残余强度也有所增大脆性破坏特征显著 图()反映了水泥掺量、龄期 的水泥土试样在不同围压下的应力应变关系不难看出改变围压大小对水泥土应力应变曲线的初始上升段影响并不大但随着围压逐渐增大水泥土峰值应力与破坏应变也逐渐增大破坏形式由脆性破坏逐渐转变为塑性破坏12345673.53.02.52.01.51.00.501 51 82 1123456702 0 04 0 06 0 03.53.02.52.01.51.00.50(b)(1 8%)(a)(2 0 0 k P a)/k P a/%图 水泥掺量及围压对龄期 的水泥土应力应变曲线的影响.水泥土抗剪强度参数根据三轴试验结果得到不同围压下的大小主应力 和 按应力路径法以()/为纵坐标()/为横坐标绘制应力圆作出通过各应力圆顶点的平均直线则抗剪强度参数黏聚力 和内摩擦角 可按下式计算即 ()()/()式中:为平均直线的倾角()为平均直线在纵轴上的截距 计算结果见表 表 抗剪强度参数计算结果 /不同龄期的/不同龄期的/().将黏聚力和内摩擦角与水泥掺量、龄期之间的变化关系分别绘制在图、图 中 经过分析可知随水泥掺量增加水泥土的黏聚力相比于原土增长了几十甚至上百倍这正是土体抗剪强度显著增强的主要原因随着龄期增长黏聚力从 到 的 长江科学院院报 年 增长速率较快 以后增长速率有所降低 内摩擦角随水泥掺量增加增长幅度不大龄期对内摩擦角的影响效果与黏聚力相似 整体来看内摩擦角的分布范围在 之间龄期大时取高值1 41 61 82 02 22 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0c/k P a水泥掺量/%72 89 002 04 06 08 01 0 0龄期/d1 51 82 12 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0c/k P a(a)(b)龄期/d水泥掺量/%图 黏聚力随不同影响因素变化曲线.1 41 61 82 02 22 02 53 03 5水泥掺量/%72 89 002 04 06 08 01 0 0龄期/d1 51 82 12 02 53 03 5龄期/d水泥掺量/%(a)水泥掺量(b)图 内摩擦角随不同影响因素变化曲线.图 反映了无侧限抗压强度与黏聚力的对应关系通过对图中数据进行线性拟合得到相关系数 为.说明黏聚力与无侧限抗压强度具有很好的线性相关性因而可提出如下的拟合关系式 .()012343 0 06 0 09 0 01 2 0 0c/k P aqu/MP ay=3 4.7+2 9 0.9 xR=0.9 9 2R2=0.9 8 1图 水泥土黏聚力与无侧限抗压强度关系.利用式()在已知无侧限抗压强度的情况下可快速判断水泥土黏聚力的合理范围.结果与分析图 分别是龄期为 和 的 测试结果由图 可知未掺入水泥时干土主要以大颗粒为主表面分布有大量微孔隙和少量孔洞(黑色区域)随着水泥掺量增大孔隙逐渐减少同时可观察到添加水泥后土颗粒间形成了许多纤维丝状结构将土颗粒紧密联系在一起水化反应产生的微小颗粒牢牢包裹在土颗粒表面使土体趋于密实强度提升 对比 与 结果不难发现 龄期水泥土产生的胶结物质更多孔隙更少结构上更加致密因此强度显著增大 结合不同水泥掺量的测试结果分析可知掺量为 的水泥土相比于 的水泥土在微观结构上改善并不大这是因为土颗粒及孔隙是有限的只能容纳一定量的水泥进行充分反应水泥掺量过大即进入惰性区对水泥土强度提升效果减弱(a)aw=0,T=7 d(b)aw=1 5%,T=7 d(c)aw=1 8%,T=7 d(d)aw=2 1%,T=7 d(e)aw=0,T=2 8 d(f)aw=1 5%,T=2 8 d(g)aw=1 8%,T=2 8 d(h)aw=2 1%,T=2 8 d图 水泥土 测试结果.现场及室内结果对比分析对现场智能化双向水泥土搅拌桩进行取芯如图 所示测试结果按龄期进行统计分析结果见表 将芯样强度与龄期的关系图像绘制于图 中可以得出水泥土芯样强度与龄期的对数同样近似呈线性关系这与室内水泥土的强度变化规律相似 由 第 期王志勇 等 引江济淮白山船闸水泥土强度试验于现场施工条件与养护条件不完善等原因现场芯样强度与室内水泥土仍存在一定差距但 现场芯样强度达到室内水泥土的.龄期时该占比为.对比相关研究采用传统单向搅拌技术施工的现场芯样强度为室内强度的 普通双向搅拌喷粉桩现场芯样强度为室内强度的说明智能化双向搅拌技术能够显著改善搅拌桩成桩质量提高桩体强度图 现场双向水泥土搅拌桩芯样.表 芯样无侧限抗压强度统计结果 龄期/统计组数强度均值/龄期/统计组数强度均值/.02 04 06 08 01 0 01 2 01.01.52.02.53.03.5 现场芯样 室内1 8%水泥掺量qu/MP a龄期/dy=0.1 4 1+0.6 4 1 l n xR2=0.9 9 2y=0.1 6 1+0.4 3 6 l n xR2=0.9 8 5图 现场芯样与室内水泥土强度对比.将各龄期强度值除以 的强度值后对所得结果重新拟合分别得到如下表达式:/.()/.()式中:为龄期、分别为龄期为、的无侧限抗压强度其中式()是室内水泥土的拟合表达式式()是现场芯样的拟合表达式两者在形式和结果上都非常接近说明该拟合函数能有效弥补室内与现场水泥土的强度差异 对取自现场的龄期为 的水泥土芯样进行无侧限抗压强度试验得到芯样的平均无侧限抗压强度为.利用式()计算得到 的强度预测值.与实际值仅相差.说明该预测表达式的准确合理性 结 论根据试验结果与分析可得出以下结论:()不同形状水泥土试样的抗压强度存在一定差异 龄期下的圆柱体试样强度比立方体试样大约高 无侧限抗压强度随龄期、水泥掺量的增长而增大与龄期的对数近似呈线性增长关系()水泥土变形模量与无侧限抗压强度的比值范围为 龄期和试样形状对该比值影响较大()水泥土的黏聚力与无侧限抗压强度呈近似线性增长关系内摩擦角位于 之间龄期大时取高值()现场芯样平均强度达到室内水泥土的 以上智能化双向搅拌桩技术对提高搅拌桩搅拌均匀性、增强加固效果具有显著作用()采用强度比值与龄期对数的拟合关系式能有效弥补室内和现场水泥土的强度差异可对水泥土强度变化规律进行统一描述参考文献:刘松玉.新型搅拌桩复合地基理论与技术.南京:东南大学出版社.刘松玉 席培胜 储海岩 等.双向水泥土搅拌桩加固软土地基试验研究.岩土力学 ():.():.梁仁旺 张明 白晓红.水泥土的力学性能试验研究.岩土力学 ():.陈 甦 彭建忠 韩静云 等.水泥土强度的试件形状和尺寸效应试验研究.岩土工程学报():.王贤昆 庞建勇 王强.复合水泥土无侧限抗压强度正 交 试 验 研 究 .长 江 科 学 院 院 报():.:.长江科学院院报 年 .():.储诚富 洪振舜 刘松玉 等.用似水灰比对水泥土无侧限抗压强度的预测.岩土力学 ():.阮锦楼阮 波 阳军生 等.粉质粘土水泥土无侧限抗压强度试验研究.铁道科学与工程学报():.曹智国 章定文.水泥土无侧限抗压强度表征参数研究.岩石力学与工程学报 (增刊):.王达爽 杨俊杰 董猛荣 等.水泥土强度预测室内试验研究.中国海洋大学学报(自然科学版)():.王珊珊 卢成原 孟凡丽.水泥土抗剪强度试验研究.浙江工业大学学报 ():.阮 波彭学先邓林飞.水泥土抗剪强度参数试验研究.铁道科学与工程学报():.秦网根 蔡正银 关云飞 等.典型区域软弱土室内水泥固化三轴 试验.重庆交通大学学报(自然科学版)():.张 陈 李娜 王伟 等.纳米 改性滨海水泥土的直剪试验及微观机理.长江科学院院报():.公路路基设计规范.北京:人民交通出版社./土工试验方法标准.北京:中国计划出版社./水泥土配合比设计规程.北京:中国建筑工业出版社.:.():.李建军 梁仁旺.水泥土抗压强度和变形模量试验研究.岩土力学 ():.高鹏飞 胡建林 崔宏环 等.不同土质水泥土力学特性的影响因素研究.水利与建筑工程学报():.薛慧君申向东邹春霞等.水泥土早期力学性能影响因素分析.硅酸盐通报():.周丽萍 申向东.水泥土力学性能的试验研究.硅酸盐通报 ():.谢胜华 刘松玉 杜广印.双向粉喷桩处理海相软土室内外强度对比分析.安徽工业大学学报(自然科学版)():.陈 峰 赖锦华.粉煤灰水泥土变形特性实验研究.工程地质学报 ():.杨 健 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