水泥土攪拌法加固機(jī)理及其室內(nèi)試驗(yàn)和強(qiáng)度特征

水泥土攪拌法加固機(jī)理及其室內(nèi)試驗(yàn)和強(qiáng)度特征核心提示：摘要：根據(jù)某工程水泥土室內(nèi)試驗(yàn)成果報(bào)告，分析其強(qiáng)度特征與土的物理力學(xué)強(qiáng)度、水泥摻入比、干密度之間的關(guān)系，為工程加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：水泥土；攪拌法；加固機(jī)理；室內(nèi)試驗(yàn)；強(qiáng)度特征水泥土攪拌法...§§摘要：根據(jù)某工程水泥土室內(nèi)試驗(yàn)成果報(bào)告，分析其強(qiáng)度特征與土的物理力學(xué)強(qiáng)度、水泥摻入比、干密度之間的關(guān)系，為工程加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：水泥土；攪拌法；加固機(jī)理；室內(nèi)試驗(yàn)；強(qiáng)度特征水泥土攪拌法是用于加固飽和軟黏土地基的一種較常用的地基加固方法。它是利用水泥、粉煤灰等材料作為固化劑，通過(guò)特制的深層攪拌機(jī)械，邊鉆進(jìn)邊往軟土中噴射漿液或霧狀粉體，在地基深處就地將軟土固化成為具有足夠的強(qiáng)度、變形模量和穩(wěn)定性的水泥土，從而達(dá)到地基加固的目的。這些加固土柱體與柱體間的土構(gòu)成了一種復(fù)合地基，或者把深層攪拌而成的水泥土柱體，逐根緊密排列成連續(xù)壁狀墻體而作為支擋結(jié)構(gòu)和防水帷幕。因此，它是一種靈活、有效的地基處理方法。1水泥土加固機(jī)理水泥土經(jīng)攪拌后發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，這是水泥土加固的根本原因，主要有以下三個(gè)反應(yīng)：1.1水泥的水解和水化反應(yīng)普通硅酸鹽水泥的主要成分有：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣等。當(dāng)用水泥加固軟土?xí)r，水泥顆粒表面的礦物很快與軟土發(fā)生水解和水化反應(yīng)生成含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣、含水鐵鋁酸鈣、氫氧化鈣等化合物。這些化合物迅速溶于水，使水泥顆粒表面重新暴露出來(lái)并再次與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)周圍的水溶液達(dá)到飽和后，新生成物不能再溶解，以膠體狀態(tài)或結(jié)晶形式析出，并繼續(xù)硬化，形成水溶石骨架，這是水泥土強(qiáng)度的主要來(lái)源。1.2黏土顆粒與水泥水化物的作用當(dāng)水泥的各種水化物生成后，有的繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架，有的則與周圍具有一定活性的黏土顆粒發(fā)生如下反應(yīng)：⑴離子交換的團(tuán)粒化作用：土中含有較多的二氧化硅，其遇水形成硅酸膠體顆粒，其表面帶有Na+和K+，它們與水泥水化生成的氫氧化鈣中的Ca2+進(jìn)行當(dāng)量交換，使較小的土顆粒形成較大的土團(tuán)粒，從而使土體強(qiáng)度提高。⑵凝硬反應(yīng)：粘土礦物的一部分二氧化硅和三氧化二鋁與離子交換后剩余的Ca2+進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物，增大了水泥土的強(qiáng)度。1.3碳酸化作用水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣吸收水中和空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣，使水泥土強(qiáng)度得到一定程度的增加，其反應(yīng)方程式為：Ca(OH)2+CO2一CaCO3l+H2O2工程概況

該工程位于新疆南疆某地，根據(jù)工程等級(jí)劃分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程屬II等大(2)型工程，樞紐由泄洪沖砂閘、進(jìn)水閘、溢流堰兼西岸輸水涵洞和上、下游導(dǎo)流堤、分流墻組成。該地區(qū)樞紐主要持力層為粉細(xì)砂，抗沖刷能力很差，應(yīng)進(jìn)行防沖處理。初設(shè)中泄洪沖砂閘、進(jìn)水閘底板周圍和溢流壩底上游側(cè)和壩底分縫處的基礎(chǔ)處理方式為水泥土攪拌樁連續(xù)墻，主要是通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)粉細(xì)砂圍封達(dá)到基礎(chǔ)防液化的目的。此類水泥土攪拌樁的用法及用途也是其他工程中少見(jiàn)的，故需進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定水泥土攪拌樁成墻的可行性及其配合比、強(qiáng)度、滲透性等關(guān)鍵性指標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)取了水上0.60m和水下0.40m原狀粉細(xì)砂樣，其物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。表1原狀樣粉細(xì)砂的物理性能指標(biāo)土樣 取樣比重干密度孔隙比飽和度(mm)粒徑組成不均勻 曲率有效名稱 深度 GSpde Sr0.25?0.075 0.075?0.005<0.005 <0.002系數(shù) 系數(shù)粒徑m /g/cm3 /%粉細(xì)砂 0.60 2.69含量CuCcd101.43 0.88(%)53.80 40.5054.50526.901.100.011粉細(xì)砂水下0.40 2.69 1.50 0.79 10040.5054.50526.901.100.011表2原狀樣粉細(xì)砂的力學(xué)性能指標(biāo)土樣 取樣 直 剪壓縮滲透名稱 深度天然狀態(tài)下快剪 飽和快剪 飽和狀態(tài)下 系數(shù)粘聚力 內(nèi)摩擦角 粘聚力內(nèi)摩擦角 壓縮系數(shù) 壓縮模量C 甲C 甲av0.10?0.30 Es0.10?0.30m kPaK20度 kPa度MPa-1MPa粉細(xì)砂 0.60 26cm/s30.50 //0.1018.81粉細(xì)砂水下 0.40 /4.50X10-4/ 25310.1412.81 2.90X10-43水泥土室內(nèi)試驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)材料（1）水泥：采用新疆喀什飛龍水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測(cè)所檢項(xiàng)目的物理、力學(xué)性能均滿足GB175-2007要求。（2）水：運(yùn)用新疆昌吉市地下水，礦化度為380mg/L，水質(zhì)較好。（3）粉細(xì)砂：此次水泥土的室內(nèi)配合比試驗(yàn)采用的是原狀土樣，具體方法是將現(xiàn)場(chǎng)挖掘的水下原狀粉細(xì)砂立即封閉在雙層塑料袋中，基本保持天然含水率，然后制成試塊。3.2試驗(yàn)方法稱取適量的原狀土樣加入水和不同的水泥摻量進(jìn)行成型，水泥摻量為原狀土樣的10%、12%、15%、17%，具體試驗(yàn)方法是將原狀土樣和水灰比為0.50的水泥漿放在攪拌器內(nèi)拌和均勻，分兩層裝入7.07cmX7.07cmX7.07cm的試模中，分別振動(dòng)1min，最后將試件表面刮平，蓋上塑料布，2d后拆模，送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，到達(dá)規(guī)定齡期進(jìn)行試驗(yàn)。按上述試驗(yàn)方法分別成型抗拉、抗剪、抗?jié)B、壓縮、彈模等試件。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果表3水泥土的物理力學(xué)性能指標(biāo)試件水泥水泥天然含天然密干密度抗壓強(qiáng) 抗壓強(qiáng)抗拉強(qiáng)編號(hào)品種摻量水率（3）度（P) (pd) 度(7d)度（28d）度（28d）%|%g/cm3g/cm3MPaMPa MPa1P.O42.51030.201.951.5011.600.172P.O42.51231.201.991.521.201.800.203P.O42.51531.702.031.5423.300.414P.O42.51732.302.061.562.603.800.42表4水泥土的力學(xué)性能指標(biāo)試件水泥水泥齡期直剪（飽和狀態(tài)下）壓縮（飽和狀態(tài)下）滲透變形編號(hào)品種摻量粘聚力內(nèi)摩擦角壓縮系數(shù)壓縮模量系數(shù)模量C甲av0.1?0.3Es0.1?0.3K20E%dkPa度MPa-1MPacm/sMPa1P.O42.51028182360.075 24.111.80X10-62402P.O42.5122819136.500.065 27.741.70X10-6 270TOC\o"1-5"\h\zP.O42.5152820538 0.052 39.82 1.40X10-6495P.O42.5172822238.50 0.045 39.93 1.30X10-6 5703.3.1水泥土的物理力學(xué)性能由水泥土的物理力學(xué)性能指標(biāo)分析(表3、圖1、圖2)可以看出，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度受水泥標(biāo)號(hào)、水泥摻入量及原狀土天然含水率的影響。其中水泥摻入量占首位，隨水泥摻入量的增加，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也隨著增加。當(dāng)水泥摻量為15%時(shí)，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均可滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.2水泥土的力學(xué)性能由表4、圖3和圖4分析可知，水泥土的抗剪強(qiáng)度、壓縮模量、滲透系數(shù)及變形模量都受水泥標(biāo)號(hào)、水泥摻入量和齡期的影響；隨著水泥標(biāo)號(hào)、水泥摻入量和齡期的增加，水泥土的抗剪強(qiáng)度、壓縮模量、變形模量也隨著增加，而壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)隨著水泥標(biāo)號(hào)、水泥摻入量和齡期的增加而減小。4結(jié)論⑴水泥土經(jīng)攪拌后發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，包括水泥的水解和水化反應(yīng)，黏土顆粒和水泥的相互作用以及碳酸化作用。這是水泥土加固地基的根本原因。⑵與天然原狀土相比，水泥土重度的增加很小，因此在計(jì)算復(fù)合地基變形量時(shí)，可以不考慮水泥土本身所增加的這部分重量。⑶水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受水泥摻入比、含水量和齡期的影響，其中水泥摻入比占的影響占首位。⑷隨著水泥摻入量的增加，水泥土的抗剪強(qiáng)度、壓縮模量、變形模量也隨著增加，而壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)隨著水泥摻入量