岩溶区深层搅拌法水泥红土强度影响因素分析

刘　锋，刘之葵，孙刚臣，郭培玺

(1.广西岩土力学与工程重点实验室, 广西桂林541004；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院, 广西桂林541004；3.中冶集团武汉勘察研究院有限公司, 武汉湖北430080)



岩溶区深层搅拌法水泥红土强度影响因素分析

刘锋1,2，刘之葵1,2，孙刚臣1,2，郭培玺3

(1.广西岩土力学与工程重点实验室, 广西桂林541004；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院, 广西桂林541004；3.中冶集团武汉勘察研究院有限公司, 武汉湖北430080)

摘要：为了探讨在岩溶区采用深层搅拌法加固红粘土软弱下卧层，通过在不同水泥掺量、外加剂掺量条件下制备不同的水泥红土，并对水泥红土进行无侧限抗压强度试验。对比不同龄期、掺入比及掺加外加剂的效果，得出水泥土强度的几种主要影响因素及其与强度的关系,并推算不同水泥掺入比量、龄期水泥土之间的强度公式以及最佳加固效果时的水泥掺量为15%～25%。

关键词：岩溶区；深层搅拌；水泥红土；无侧限抗压强度

0引言

岩溶区广泛分布有残积红粘土，其具有上硬下软地层结构。上部红粘土地基承载力高、含水量低、压缩变形小，是良好的天然地基持力层。下部红粘土地基承载力低、压缩变形较大且含水量高，不宜直接作为天然地基持力层，属软弱下卧层[1-2]。一般情况下，上部硬塑状的红土约为整个粘土层的75%，下部呈可塑至流塑状态，为天然地基的软弱下卧层[2-3]，粒径多在10～50 μm[4]。

目前提高下卧层的地基承载力、变形模量的方法有很多，更有变单向室内试验研究[5]，为充分发挥上部硬塑红粘土的作用，形成复合地基，本文采用深层搅拌法处理软弱下卧层，以满足建筑物对地基承载力和变形的要求。但目前水泥土的拌和硬化机理、参数选取、桩身强度影响因素、复合地基承载力影响因素等理论尚不成熟。为找到深层搅拌法对岩溶地区地基承载力的影响因素，通过相同土质的红粘土在相同的水灰比条件下，掺入不同的水泥量、不同的外加剂制备成水泥红土。对水泥红土试样进行室内试验，分析影响水泥红土强度的各因素。

为了便于在现场施工中能做到抓大放小，采用更安全、经济、合理的施工方案来处理软弱下卧层，本次试验主要考虑不同龄期、掺入比及掺加外加剂的效果等因素对水泥土桩强度的影响，相应地做出了不同的试样进行抗压、抗剪等强度试验。以求水泥土强度的几种主要影响因素及其与强度的关系以及最佳水泥掺量。

1水泥红土的无侧限抗压强度试验

1.1原材料

水泥：水泥为425#普通的硅酸盐水泥，强度等级为42.5R。

土样：在桂林雁山某项目，土样取自该场地埋深为6～10 m的软弱下卧层，土样呈黄褐—红褐色，局部可见白色，土质较均匀。在该下卧层取原状土样做室内土工试验，并进行3次原位标准贯入试验，得土粘土主要物理力学指标分别为W=51.0%,ρ=1.68 g/cm3,WL=51.0%,IP=26.0,IL=0.69,C=4 kPa,Φ=8.6°,Es=3.24 MPa。

外加剂：本次试验中添加的外加剂为石膏和木钙，石膏用量2%(占土重)，木钙用量0.8%(占水泥重)。

1.2试验方法

按照添外加剂与否和水泥不同掺量,可分为12组,每组制样45块,共计540块,试验历时120 d。试件是以UPVC管为模具，直径3.91 cm,高度10.00 cm的圆柱体。

试验方法参照相关规程，各种材料的用量按表1配比进行调配，采用R6201B小型手持电动搅拌机进行拌和[6]，制样后用保鲜膜覆盖，以防水分过快蒸发。在室温下静置24 h后进行拆模，拆模后试件立即送入室温为(25±2)℃，湿度为95%的标准养护室养护，养护方式为水养，养护至试验龄期(7 d、28 d、60 d、90 d、120 d)后取出做试验[7-11]。

表1　水泥红土试样制备配比

2试验结果及分析

水泥红土试样保养至试验龄期，对试样进行无侧限抗压强度试验。试样不同养护期龄的无侧限抗压强度(qU)试验结果见表2。

表2　水泥红土无侧限抗压试验结果

1.表示该项数据未成功测得或者未测。

2.1水泥掺量对无侧限抗压强度的影响

本次试验水泥红土制备采用的是水泥掺入比，水泥掺入比是指水泥掺量与天然重量之比。

一般说来，水泥的掺量越高，水泥土的强度也就越高。在没有加外加剂的情况下，水泥红土90 d的无侧限抗压强度qU与水泥掺入比a的关系如图1中曲线2所示：

图1　qU,90与a关系曲线

对图1中的qU,90-a关系曲线进行线性回归分析，可以得到两者的一次线性方程：

qU,90=90.544a+1 168.752。

采用t检验对以上回归方程作显著性检验。取显著性水平a=0.05，查t分布表得临界值得ta/2(4)=2.776<|t|=7.505，可知无侧限抗压强度qU,90对水泥掺量a的一元线性回归的效果显著。

由图1可知，在没有外加剂的情况下，水泥的用量与水泥红土90 d的无侧限抗压强度呈线性关系，水泥的掺量越高，水泥土的强度也就越高。

2.2外加剂对无侧限抗压强度的影响

为了探究添加外加剂对水泥红土抗压强度的影响，本次试验根据不同水泥掺量添加适量的外加剂，外加剂为石膏和木钙，石膏用量为水泥的2%，木钙用量为水泥的0.8%。在加有外加剂的情况下，水泥红土90 d的无侧限抗压强度qU,90与水泥掺入比的关系如图1中曲线1所示，寻求水泥红土水泥掺量a与相对应的水泥土无侧限抗压强度对应关系。用拉格朗日插值多项式作为拟合函数拟合水泥掺量a与水泥土强度qU,90曲线关系。拟合函数为二次函数，得：

qU,90=403.796a-8.934a2-811.56。

由函数可知，添加了外加剂的水泥红土在水泥含量在15%～25%的90 d的无侧限抗压强度明显提高，而在水泥含量小于15%和大于25%的情况下，90 d无侧限抗压强度(qU,90)比未添加外加剂要低，添加了外加剂的无侧限抗压强度曲线与单位水泥关系图为非线性，呈抛物线关系。

从经济角度和技术角度考虑，水泥掺入比为15%～25%时，qU能达到最佳的加固效果。所以在此取水泥掺量为15%并加外加剂，对水泥红土养护的龄期T与相对应的水泥土强度qU进行回归分析，根据图2，假设其回归方程的数学模型为:

qU=kTb，k,b为待求参数，

取对数得： lgqU=lgk+blgT。令Y=lgqU，a=lgk，X=lgT，则Y=a+bX, 可以用一元线性回归方程求得y=0.378x+2.791，由a=lgk，得：

k=2.388,b=2.791，

采用t检验对以上回归方程作显著性检验。ta/2(2)=4.303<|t|=7.69,可知：y=0.378x+2.791线性回归的效果显著。从而可以得到水泥土养护龄期T与水泥土无侧限抗压强度qU的回归模型：

qU=2.388T2.791。

取水泥掺量为20%并加外加剂，对水泥红土养护的龄期T与相对应的水泥土强度进行线性回归分析如图3所示。

图2有外加剂的qU-T关系曲线(水泥掺量为15%)

Fig.2Relationships ofqU-Tin the cement red

soil withadditives(cement content of 15%)

图3有外加剂的qu-T关系曲线(水泥掺量为20%)

Fig.3Relationships of qu-T in the cement red

soil withadditives(cement content of 20%)

水泥土养护龄期T与水泥土无侧限抗压强度qU的回归模型为：

qU=13.02T+2542.814。

由图2和图3分析可知：随着水泥掺量的增加，水泥红土的无侧限抗压强度qU在早期强度qU,7和以后的强度qU,28、qU,60、qU,90、qU,120上都有提高。

2.3龄期对无侧限抗压强度的影响

由表2，据是否参入外加剂水泥红土掺入量、龄期与强度的关系曲线(图4)及水泥红土的外加剂掺入、水泥掺入比、龄期与强度的关系曲线(图5)，由图4和图5分析可知，在掺入外加剂的情况下，外加剂掺入量适量对各龄期水泥红土的无侧限抗压强度qU有所提高，在水泥掺量为15%～20%时，水泥红土的无侧限抗压强度在28 d以后的无侧限抗压强度有明显的提高，早期的无侧限抗压强度影响不大；在水泥掺量在小于15%和大于25%时，水泥红土的无侧限抗压强度在各龄期段都没有显著提高，甚至会有所降低。由图6和图7分析可知：各个相同水泥掺入比间，有外加剂的水泥土样与无外加剂水泥土样无侧限抗压强度相比，从图6和图7上看出大致是在28 d后，有外加剂的土样无侧限抗压强度提高显著。从而可以得出：在提高水泥土强度方面，外加剂在养护前期不如后期效果明显。

图4未加外加剂的水泥红土掺入比、

龄期与强度的关系曲线

Fig.4Curves of time and the cement soil’s strength

with different cement content and without additives

图5掺有外加剂水泥红土掺入量、

龄期与强度的关系曲线

Fig.5Curves of time and the cement soil’s strength

with different cement content and with additives

图6相同水泥掺入比下，水泥红土的外加剂

掺入与否对龄期与强度关系的影响曲线(1)

Fig.6Under the same cement mixing ratio and

the admixture of cement clay mixed with or not impact

on the relationship between ageand intensity curve(1)

图7相同水泥掺入比下，水泥红土的外加剂

掺入与否对龄期与强度关系的影响曲线(2)

Fig.7Under the same cement mixing ratio and

the admixture of cement clay mixed with or not impact

on the relationship between age and intensity curve(2)

3结语

①在没有外加剂的情况下，水泥的用量与水泥红土90 d的无侧限抗压强度呈线性关系，水泥的掺量越高，水泥土的强度也就越高。

②添加了外加剂的水泥红土在水泥掺量在15%～25%的无侧限抗压强度明显提高，而在水泥含量小于15%和大于25%的情况下，无侧限抗压强度qU没有明显的提高甚至有所下降。

③从经济角度和技术角度考虑，掺如适量的外加剂对提高水泥红土的无侧限抗压强度有帮助，水泥掺入比为15%～25%时，qU能达到最佳的加固效果，更加利于深层搅拌施工。

④水泥红土无侧限抗压强度随龄期增长而增大。

⑤在提高水泥土强度方面，外加剂在养护前期不如后期效果明显。

参考文献:

[1]XIAO M G， WANG J G，CHEN X J.Material composition and engineering characteristics of red clay in Guigang[J]. Guangxi.Journal o f China University o f Geosciences，2005,16(1):84-88(in Chinese).

[2]郭培玺,阮怀玉 红粘土地区水泥土强度的试验研究[J]. 岩土工程技术,2006，20(3)，132-135.

[3]刘宝臣,李翠娟,潘宗源，等.水泥搅拌法改良桂林红黏土力学性质实验研究[J]. 工程地质学报，2012，20(4)，633-638.

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[11]刘宝臣,李翠娟,潘宗源,等 .水泥搅拌法改良桂林红黏土力学性质试验研究[J]. 工程地质学报， 2012,20(4),633-638.

(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Analysis on factors of influence strength of deep mixing cement laterite in karst area

LIU Feng1,2, LIU Zhi-kui1,2, SUN Gang-chen1,2, GUO Pei-xi3

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin 541004, China；

2.College of Civil Engineering and Architecture, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China；

3.Wuhan Surveying Geotechnical Research Institute CO.,LTD.of MCC，Wuhan 430080, China)

Abstract：A study on soft sub-layer in karst area was carried out adopting deep mixing method. Different cement laterite was prepared under different cement content and additives, and unconfined compression strength tests were conducted on the cement laterite. There are some factors that affect the cement soil strength - the cement content plays a major role, and the additives also affect the strength of the cement soil. The strength of soil increases with the cure ages, and the best reinforcement effect can be achieved with the cement content of 15%～25%.

Key words:karst area;cement mixing method; cement-red soil; unconfined compression strength

中图分类号:TU472 36;TU446

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0122-06

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0122

通讯作者：刘之葵(1968—)，男，江西兴国人，桂林理工大学教授，博士生导师，博士(后)；E-mail：liuzhikui@126.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51169004)；广西自然科学基金创新研究团队项目(2012GXNSFGA060001)； 广西科技厅北部湾重大项目(2012GXNSFEA053002子课题-1)

收稿日期：2015-11-11；

修订日期：2015-12-30

引文格式： 刘锋，刘之葵，孙刚臣,等.岩溶区深层搅拌法水泥红土强度影响因素分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：122-127.