水泥土的物理力学性质

时间：2022-11-04 百科知识版权反馈

【摘要】：水泥土减小了天然软土的渗透性，这对深基坑施工是有利的，可利用它作为防渗帷幕。图7.31为水泥土90d龄期的无侧限抗压强度试验结果。Terashi等的室内试验结果表明，水泥土破坏应变集中分布在1%～2%。当使用特种水泥时，因受有机质对土的物理化学性质的影响，其强度发展不同，所以应进行配合比试验以确定采用何种特种水泥及其掺入量。因此水泥土选用三个月龄期强度作为水泥土的标准强度较为适宜。

7.4.3　水泥土的物理力学性质

1）水泥土的物理性质

（1）含水量

水泥土在硬凝过程中，由于水泥水化等反应，使部分自由水以结晶水的形式固定下来，故水泥土的含水量略低于原土样的含水量。室内试验结果显示，水泥掺入比为5%～20%时，水泥土含水量比原土样的含水量减少0.5%～7.0%，且随着水泥掺入比的增加而减小。

（2）重度

由于拌入软土中的水泥浆的重度与软土的重度相近，所以水泥土的重度与天然软土的重度相差不大。叶书麟等的试验结果表明，水泥土的重度仅比天然软土的重度增加0.5%～3.0%，所以采用水泥土搅拌法加固厚层软土地基时，其加固部分对于下部未加固部分不致产生过大的附加沉降。

（3）相对密度

由于水泥颗粒的相对密度为3.1，比一般软土的相对密度2.65～2.75为大，故水泥土的相对密度比天然软土颗粒的相对密度稍大。室内试验结果显示，水泥掺入比为5%～ 20%时，水泥土相对密度比天然软土的相对密度增加0.7%～2.5%，且随水泥掺入比的增加而增加。

（4）渗透系数

由于水泥的水化反应和火山灰反应，生产了大量的水化产物，从而固化土的含水量或孔隙比也随之降低，土体渗透系数降低。Terashi等（1983）报道了随水泥掺入比的增加和含水量的降低，水泥土渗透系数降低，见图7.30。叶书麟对水泥土渗透特性的试验结果表明，水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增大和养护龄期的增长而减小，一般可达10^－7～10^－8cm／s数量级。水泥土减小了天然软土的渗透性，这对深基坑施工是有利的，可利用它作为防渗帷幕。

图7.30　加固土渗透系数随水泥用量、含水量的变化

2）水泥土的力学性质

（1）无侧限抗压强度及其影响因素

水泥土的无侧限抗压强度一般为300～4 000kPa，即比天然软土大几十倍至数百倍。图7.31为水泥土90d龄期的无侧限抗压强度试验结果。其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑性体之间，水泥土受力开始阶段，应力与应变关系基本上符合虎克定律。当外力达到极限强度的70%～80%时，试块的应力和应变关系不再继续保持直线关系，当外力达到极限强度时，对于强度大于2 000kPa的水泥土很快出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此时的轴向应变为0.8%～1.2%（如图7.31中的A₂₀、A₂₅试件）；对强度小于2 000kPa的水泥土则表现为塑性破坏（如图7.31中的A₅、A₁₀和A₁₅试件）。水泥土的破坏应变绝大多数分布在0.5%～3.0%之间，并且具有随抗压强度增大而减小的趋势。Terashi等的室内试验结果表明，水泥土破坏应变集中分布在1%～2%。

图7.31　水泥土的应力-应变曲线

A₅、A₁₀、A₁₅、A₂₀、A₂₅表示水泥掺入比a_w分别为5%、10%、15%、20%、25%

影响水泥土的无侧限抗压强度的主要因素见表7.5。

表7.5　影响水泥土的无侧限抗压特性的主要因素

下面根据试验结果来分析影响水泥土抗压强度的主要因素。

①水泥掺入比a_w

水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大（图7.32），但每增加单位水泥掺入比所引起的强度增加值（称之为水泥效率）在不同养护龄期是不同的。在0～90d范围内，龄期越长，水泥效率越高。另外，养护时间在一个月内时，水泥掺入比a_w≥10%的水泥效率大于a_w＜10%的水泥效率；当养护龄期为60～90d，水泥掺入比a_w≥5%时，水泥土的无侧限抗压强度f_cu与水泥掺入比a_w更接近线性关系。当a_w＜5%时，由于水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性也较大，故在水泥土搅拌法的实际施工中，选用的水泥掺入比必须大于7%。

图7.32　水泥土f_cu与a_w和t的关系曲线

根据试验及上海地区水泥加固饱和软黏土的无侧限抗压强度试验结果分析，发现当其他条件相同时，某水泥掺入比a_w的强度f_cuc与水泥掺入比a_w＝12%的强度f_cu12的比值f_cuc／f_cu12和水泥掺入比a_w的关系有较好的归一化性质。由回归分析得到，f_cuc／f_cu12与a_w呈幂

函数关系，其关系式如下：

（相关系数R＝0.999，剩余标准差S＝0.022，子样数n＝7）

上式的适用条件是：a_w＝5%～16%。

在其他条件相同的前提下两个不同水泥掺入比水泥土的无侧限抗压强度比值随水泥掺入比之比的增大而增大。经回归分析得到两者呈幂函数关系，其经验方程式为

（R＝0.997，S＝0.015，n＝14）

式中：f_cu1——水泥掺入比为a_w1的无侧限抗压强度；

f_cu2——水泥掺入比为a_w2的无侧限抗压强度。

上式的适用条件是：a_w＝5%～20%；a_w1／a_w2＝0.33～3.00。

②水泥种类

Saitoh等（1990）分别采用普通硅酸盐水泥和高炉矿渣水泥加固某一细粒含量为5%的砂性土，试验结果见图7.33。图中的变异系数是指标准差和期望平均值的比值。从图中可以看出：高炉矿渣水泥的加固土的无侧限抗压强度大于普通硅酸盐水泥加固土；且前者的变异系数小于后者，因此，对于这种土，高炉矿渣水泥的加固效果好于普通硅酸盐水泥。

图7.33　普通硅酸盐水泥和高炉矿渣水泥加固砂性土结果

应该注意的是，并不一定所有种类的土的加固效果都是高炉矿渣水泥好于普通硅酸盐水泥。有机质含量较多的土如淤泥等，用普通硅酸盐水泥加固效果不佳，选特种水泥，可以改善加固效果。当使用特种水泥时，因受有机质对土的物理化学性质的影响，其强度发展不同，所以应进行配合比试验以确定采用何种特种水泥及其掺入量。

③水泥标号

水泥土的强度随水泥标号的提高而增加。一般说来，水泥标号提高100号，水泥土的强度f_cu增大50%～90%。如要求达到相同强度，水泥标号提高100号，可降低水泥掺入比2%～3%。表7.6为水泥标号对水泥土的影响试验结果（刘建军，1992）。

表7.6　水泥标号对水泥土强度的影响

④龄期

水泥土的强度随着龄期的增长而提高，一般在龄期超过28d后仍有明显增长（图7.34），根据试验及上海地区水泥加固饱和软黏土的无侧限抗压强度试验结果的回归分析，得到在其他条件相同时，不同龄期的水泥土无侧限抗压强度间关系大致呈线性关系（图7.35），这些关系如下：

上式中f_cu7、f_cu28、f_cu90分别为7d、28d和90d龄期的水泥土无侧限抗压强度。

图7.34　水泥土掺入比、龄期与强度的关系曲线

图7.35　水泥土的f_cu7和f_cu28的关系曲线

当龄期超过三个月后，水泥土的强度增长才减缓。同样，据电子显微镜观察，水泥和土的硬凝反应约需三个月才能充分完成。因此水泥土选用三个月龄期强度作为水泥土的标准强度较为适宜。一般情况下，龄期少于3d的水泥土强度与标准强度间关系其线性较差，离散性较大。回归分析还发现在其他条件相同时，某个龄期（t）的无侧限抗压强度f_cut与28d龄期的无侧限抗压强度f_cu28的比值f_cut／f_cu28与龄期t的关系具有较好的归一化性质，且大致呈幂函数关系。其关系式如下：

上式中龄期的适用范围是（7～90）d。

作者通过连云港地区的海相软土为原料的水泥土室内试验，提出了用似水灰比（是指单位体积水泥土在配制前水的质量与水泥的质量之比）的概念对水泥土强度的预测。其公式如下：

式中：T——水泥土的龄期（d）；

R——似水灰比，可按R＝m_w／m_c计算，其中m_c，m_w分别指土在加固之前水泥质量和水的质量（包括水泥浆中的水的质量）；

q_u（R，T）——龄期为T、似水灰比为R的水泥土预测强度；

q_u（_R1，₂₈）——龄期为28d、似水灰比为R的水泥土实测强度；

w_L——土的液限。

采用以上提出的水泥土强度预测公式，可以根据某一似水灰比、龄期28d某种的水泥土室内试验强度，可以预测不同含水量、不同水泥用量和不同龄期的水泥土室内试验强度，这样大大减少试样配方数量和缩短了试验周期和工程成本。

日本5年龄期的水泥土长期强度效应研究表明：

水泥土强度的预测方法和水泥土强度的长期强度的研究将在后面详细介绍。

⑤土性

土体的物理化学特性（如颗粒级配曲线、含水量、阿太堡界限、黏土矿物成分、离子交换能力、可溶硅和铝含量、孔隙水的pH以及有机质种类和含量）、沉降环境等都会影响水泥土的加固效果。

大量试验结果表明，砂性土固化后无侧限抗压强度大于黏性土；而含有砂粒的粉土固化后，强度又大于粉质黏土和淤泥质粉质黏土，滨海相沉积的淤泥和淤泥质土，固化后强度大于河川沉积的同类土；湖泊相沉积的泥炭和泥炭化土固化强度最低。通常，随着黏粒含量的增加，土体的表面积和颗粒之间的接触面积增大，加固相同的土体需要的固化剂用量也随之增大。根据室内试验，一般认为用水泥作加固料时，对含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等黏土矿物成分的软土加固效果较好；而对含有伊利石、氯化物和水铝石英等矿物的黏性土加固效果较差。

图7.36为高水泥掺入量时，不同级配曲线土类的无侧限抗压强度和固化料掺和量的关系对比试验资料（Taki和Yang，1991）。

图7.36　土性对水泥土无侧限抗压强度的影响

⑥含水量

水泥土的无侧限抗压强度f_cu随着土样含水量的降低而增大。一般情况下，土样含水量每降低10%，则强度可增加10%～50%。

应该指出的是，粉喷桩加固软基时，并非土体的含水量越低，加固效果越好，如果土体的含水量不足以使水泥充分发生水化，将无法产生大量对强度起主要作用的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，未被水化的水泥粒子将不起固化剂的作用，只能作为一个固体粒子在土中仅起骨架或充填作用，会影响水泥土强度的进一步增加。Esrig（1999）通过Boston Blue黏土的试验结果指出，如果液性指数小于0.3～0.5，大部分孔隙水不能参与水化反应，水泥的完全水化反应消耗的水至少为含水量的10%，因此要求土体的液性指数应该大于0.5。Bergado等（2005）的水泥固化Bangkok软土试验结果表明，当水泥土的初始总含水量（包括土体的含水量和水泥浆中的含水量）低于土体液限时，水泥不能充分水化，Bangkok软土的最佳总含水量为1.0～1.1倍液限。刘松玉等（2005）通过资料总结和现场试验分析了粉湿喷桩在高含水量地区的适用性问题，引入含水比（含水量与液限的比值）的概念，定量分析该问题。分析结果表明，当含水比小于0.9时，湿喷桩比较合适；含水比大于1.0时，干喷桩比较合适；含水比介于0.9～1.0时，两者处理效果相当。

⑦有机质含量

图7.37为某地两种海相沉积的淤泥质土，有机质含量Ⅰ土为1.3%，Ⅱ土为10%。由图中可见，有机质含量少的水泥土强度比有机质含量高的水泥土强度大得多。由于有机质使土体具有较大的水溶性、塑性、膨胀性和较低的渗透性，并使土具有酸性，这些因素都阻碍水泥水化反应的进行。因此，有机质含量高的软土，单纯用水泥加固的效果较差。

图7.37　有机质含量与水泥土强度关系曲线

储诚富、刘松玉等（2006）在室内对江苏盐城泻湖相软土掺入不同含量的有机质（腐殖酸钠）作为试料土，测试了不同龄期、不同有机质含量的水泥固化土无侧限抗压强度，并提出了不同有机质含量（5.5%～17.5%）软土水泥加固后的室内无侧限抗压强度的预测公式^［45］：

式中：y′——有机质含量（其取值范围为5.5～y）（%）；

q_uy′——有机质含量为y′时的无侧限抗压强度（kPa）。

⑧外掺剂对强度的影响

图7.38　外掺剂对水泥土强度的影响

不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响。如木质素磺酸钙对水泥土强度的增长影响不大，主要起减水作用。石膏、三乙醇胺对水泥土强度有增强作用，而其增强效果对不同土样和不同水泥掺入比又有所不同，所以选择合适的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。不同的外掺剂对水泥土强度有不同影响，如图7.38所示。当水泥掺入比为10%时，掺入2%石膏，28d龄期强度可增加20%左右，60d龄期可增加10%左右，90d龄期已不增加强度；掺入2%氯化钙，28d龄期强度可增加20%左右，90d龄期强度反而减少7%；掺入0.05%三乙醇胺，28d龄期强度可增加45%左右，60d龄期可增加18%左右，90d龄期可增加强度14%。以上三种外掺剂都能提高水泥土的早期强度，但强度增加的百分数随龄期的增长而减小。在90d龄期时，石膏和氯化钙已失去增强作用甚至强度有所降低，而三乙醇胺仍能提高强度。因此，三乙醇胺不仅能大大提高早期强度，而且对后期强度也有一定的增强作用，弥补了单掺无机盐降低后期强度的缺陷。

一般早强剂可选用三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠或水玻璃等材料，其掺入量宜分别取水泥重量的0.05%、0.2%、0.5%和2%；减水剂可选用木质素磺酸钙，其掺入量宜取水泥重量的0.2%；石膏兼有缓凝和早强的双重作用，其掺入量宜取水泥重量的2%。

掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般都比不掺粉煤灰的有所增长，如图7.39所示。不同水泥掺入比的水泥土，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，强度均比不掺粉煤灰的提高10%，故在加固软土时掺入粉煤灰，不仅可消耗工业废料，还可稍微提高水泥土的强度。

图7.39　粉煤灰对水泥土强度的影响

实线为不掺粉煤灰的水泥土；虚线为掺粉煤灰的水泥土

比较新颖的是王立锋等（2002）报道了在固化剂中掺加了与硅酸盐成分和性质相近的纳米硅基氧化物SiO_2－x，其主要技术指标如表7.7所示。

表7.7　纳米硅基氧化物主要技术指标

试验结果表明：当水泥掺量为20%、水灰比0.45时，纳米的掺量为8%，掺与不掺纳米硅基氧化物的水泥土强度：7d龄期时现差5%左右，60d时现差20%左右，90d时现差27%左右。由这组数据可见，在水泥土中掺入处于介观领域的纳米粒子，可大幅度改善水泥土材料的宏观强度。

⑨搅拌条件

水泥土强度受土体与水泥的搅拌均匀程度影响，搅拌愈均匀，水泥土强度愈高。Terashi等（1977）通过室内试验研究了不同搅拌时间对生石灰加固的Kawasaki黏土强度的影响（图7.40（a）），图中纵坐标强度比定义为不同搅拌时间的固化土强度与搅拌10min的固化土强度的比值。可见，搅拌时间低于10min的情况下，固化土强度随搅拌时间的减小显著降低。搅拌时间大于10min时，固化土强度随搅拌时间的增加也有所增加。图7.40（b）为Nakamura等（1982）的室内试验结果。试验中，分别采用水泥粉和水泥浆（水灰比100%）加固软土，水泥土强度随搅拌时间的增加而增加，且水泥土强度的离散程度随搅拌时间的增加而降低。日本CDIT（2002）建议的水泥土室内配合比试验的标准搅拌时间为10min。

图7.40　水泥土搅拌时间与水泥土无侧限抗压强度的关系

⑩养护方法

养护方法对水泥土的强度影响主要表现在养护环境的湿度和温度上。

国内外试验资料都说明，养护方法对短龄期水泥土强度的影响很大，随着时间的增长，不同养护方法下的水泥土无侧限抗压强度趋于一致，说明养护方法对水泥土后期强度的影响较小。

日本的试验研究也表明，温度对水泥土强度的影响随着时间的增长而减小，如图7.41所示，不同养护温度下的无侧限抗压强度与20℃（标准养护室温度）的无侧限抗压强度之比值随着时间的增长而逐渐趋近于1，说明温度对水泥土后期强度的影响较小。

环境的湿度和温度对水泥土强度的影响还与试件从养护室取出至开始试验这段时间的长短有关。图7.42是龄期为14d的标准养护室内水中养护的水泥土无侧限抗压强度试验结果，实线和虚线分别表示试件从养护室取出后1h内和经过3h进行抗压试验的曲线。从中可看出，经过3h的水泥土强度明显高于1h内的强度，另一方面试件放在试验室时间长，水分蒸发过快，所以强度提高很快。

图7.41　f_{cu（10，30，40，50℃）}／f_{cu（20℃）}与t的关系曲线

图7.42　湿度和温度对水泥土强度的影响

（2）抗拉强度

水泥土的抗拉强度σ_t随无侧限抗压强度f_cu的增长而提高。当水泥土的抗压强度f_cu＝0.50～4.00MPa时，其抗拉强度σ_t＝0.05～0.70MPa，即σ_t＝（0.06～0.30）f_cu。

抗压与抗拉这两类强度有密切关系，但严格地讲，不是正比关系。因这两类强度之比还与水泥土的强度等级有关，即抗压强度增长的同时，抗拉强度亦增长，但其增长速率较低，因而抗拉强度与抗压强度之比随抗压强度的增加而减小，这与混凝土的抗拉性质有类似之处。表7.8为水泥土抗拉强度σ_t随无侧限抗压强度f_cu的统计经验关系式汇总。^［2］

表7.8　抗拉强度与无侧限抗压强度的关系

（3）抗剪强度

典型的水泥土三轴试验结果如图7.43所示，可见水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。当f_cu＝0.30～4.0MPa时，其黏聚力c＝0.10～1.0MPa，一般为f_cu的20%～30%，其内摩擦角在20°～30°之间变化。

图7.43　水泥土三轴试验的强度包络线

水泥土在三轴剪切试验中受剪破坏时，试件有清楚而平整的剪切面，剪切面与最大主应力面夹角约为60°。

从试验中得知，当垂直应力在0.3～1.0MPa范围时，采用直剪快剪、三轴不排水剪和三轴固结不排水剪三种剪切试验方法求得的抗剪强度τ相差不大，最大差值不超过20%，在垂直应力较小的情况下，直剪快剪试验求得的抗剪强度低于其他试验求得的抗剪强度，采用直剪快剪的抗剪强度指标进行设计计算的安全度相对较高。由于直剪快剪试验操作简便，因此，对于荷重不大的工程，采用直剪快剪强度指标进行设计计算是适宜的。

Saitou等（1980）比较了21组28d龄期时水泥土在无竖向压力时的直剪强度和无侧限抗压强度的关系。剪切速率为1mm／min，试验结果表明，水泥土f_cu＜1MPa时，直剪强度略小于f_cu，近似有

水泥土f_cu＞1MPa时，其回归公式为

（4）变形模量

当正应力达50%无侧限抗压强度时，水泥土的应力与应变的比值，称之为水泥土的变形模量E₅₀。当f_cu＝0.1～3.5MPa时，其变形模量E₅₀＝10～550MPa，即E₅₀＝（80～150）f_cu。表7.9为水泥土变形模量与无侧限抗压强度f_cu的统计经验关系式汇总。^［2］

表7.9　水泥土无侧限抗压强度与变形模量的关系

（5）压缩系数和压缩模量

通常水泥土的压缩系数为（2.0～3.5）×10^－5（kPa）^－1，其相应的压缩模量为60～100MPa，小于变形模量，这是因为无侧限抗压时桩体多呈脆性破坏，其变形较小的缘故。我国规范说明中提出E_p＝（100～120）f_cu，_k，f_cu，_k为70.7mm立方体室内配制时的无侧限抗压强度。

水泥土的压缩模量M_col可以由弹性模量E_col和水泥土的泊松比μ_col计算得到：

取μ_col＝0.3，由上式计算得到M_col＝1.35E_col；取μ_col＝0.35和μ_col＝0.4，计算得到M_col＝1.60E_col和M_col＝2.14E_col。由此可见，压缩模量M_col大于弹性模量E_col，且压缩模量M_col随泊松比μ_col的增加而快速增加。

另外，水泥土的压缩模量M_col还可以由水泥土的不排水抗剪强度c_u，col估算得到。Broms （1999）建议，对水泥固化土，M_col＝（150～250）c_u，_col；对石灰＋水泥固化土，M_col＝（100～200）c_u，_col；对石灰固化土，M_col＝（50～150）c_u，_col。

图7.44为Terashi等（1980）的室内水泥土体积压缩系数与固结压力的关系曲线。可见，当固结应力低于水泥土的固结屈服应力时，水泥土与未加固土的体积压缩系数比值小于1，当固结应力为0.1倍水泥土的固结屈服应力时，水泥土与未加固土的体积压缩系数比值为0.01～0.1；但是当固结应力高于水泥土的固结屈服应力时，水泥土与未加固土的体积压缩系数比值在1～5之间。