基于水灰比准则的水泥土无侧限抗压强度预测

张 帅 钱 峰

(1.广州市市政工程设计研究院，广东广州 510000;2.南京城建工程设计有限公司，江苏南京 210000)

0 引言

JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范［1］和JTG D30-2004公路路基设计规范［2］及TB 10113-96粉体喷搅法加固软弱土层技术规范［3］对于加固土桩的抗剪强度均采用90 d龄期为标准强度。由于多数施工工期较紧，90 d龄期的标准强度检测给室内试验和现场检测带来了一定的困难。目前应用较广泛的方法是根据短龄期(7 d，28 d)的试验、检测数据，按照强度增长规律推测90 d的强度［1-3］。由于水泥土的强度受土性，水泥掺入比，水灰比，龄期等众多因素影响，各组预测结果不尽相同。

同时，Horpibulsuk 等［4，5］基于 Abrams 理论，提出了高含水率淤泥无侧限抗压强度预测方法，取得了一定成果。本研究基于Abrams理论，分析了水泥加固土无侧限抗压强度同土性，水泥掺量，养护龄期的关系，对固化后淤泥无侧限抗压强度进行了预测。

1 现行规范无侧限抗压强度预测方法

1.1 JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范

JGJ 79-2002对水泥土强度表述为:“对竖向承载的水泥土强度宜取90 d龄期试块的立方体抗压强度平均值。”其在条文说明中进一步表述，在其他条件相同时，不同龄期的水泥土抗压强度间大致呈线性关系，其经验关系式如下:

1.2 JTG D30-2004公路路基设计规范

JTG D30-2004根据目前的施工总体水平，认为加固土桩的抗剪强度最大只能为0.3倍的无侧抗压强度，并总结分析了各个不同规范的强度预测公式。

1.3 TB 10113-96粉体喷搅法加固软弱土层技术规范

TB 10113-96根据室内试验结果，假设28 d强度为1.0 MPa，按关系式计算其7 d强度约为0.67 MPa，90 d强度约为1.33 MPa。认为可用下式推算相关龄期强度:

1.4 Abrams理论

Abrams理论是一种在混凝土运用较为广泛的强度预测准则，表述为:对于一个给定的水泥胶凝材料，其强度仅取决于水分质量及水泥质量之比［4］。其关系如下所示:

其中，S为强度;M和N均为经验系数;w为混凝土中水的质量;c为水泥质量。

与混凝土不同，土体比表面积较大，故运用Abrams理论进行强度预测，需要对其适用性进行研究。Uddin［6］研究了基于室内试验的黏性土强度特性，认为Abrams理论反映了土体无侧限抗压强度与水灰比关系，可用于无侧限抗压强度的预测。Horpibulsuk等［4，5］进一步研究发现，固化中水泥的作用在于将土颗粒胶结起来形成封闭结构，此时水分虽被封闭在结构内，但仍可与活性介质——土颗粒发生离子交换等反应。为此引入了黏土水灰比(clay-water/cement ratio)概念对淤泥固化土强度进行预测，黏土水灰比定义为水分质量w和水泥质量c的比值，Horpibulsuk等通过实验认为，运用wc/c较运用w/c更为精确，上述公式可修正为:

其中，qu为无侧限抗压强度值;A为与取决于土性与龄期的经验系数，对于同一种土，龄期愈长，系数A取值愈大;B为同液性指数 IL呈反比的经验系数，当 IL=1.0 ～2.5 时，B=1.24。

根据以上分析，对于某一特定的wc/c，回归系数B为常数，固化土强度仅与A有关。取28 d的强度为参考值，对不同龄期的水泥土强度进行标准化处理。得到以下结果:

其中，qD为龄期D时的无侧限抗压强度值;q28为龄期为28 d时的水泥土强度。

当 IL=1.0 ～2.5 时，B=1.24，某一土体及特定龄期时，A 为常数，故:

其中，q(wc/c)1为(wc/c)1时淤泥固化土强度;q(wc/c)2为(wc/c)2时淤泥固化土强度，联立上式，并类似推导IL＞2.5时情况，有:

其中，q(wc/c)1，D为龄期D天，黏土水灰比(wc/c)1时淤泥固化土强度;q(wc/c)2，28为龄期28 d，水灰比(wc/c)2时淤泥固化土强度。取缪志萍等［7］实测强度为基准值，运用式(7)进行强度预测，预测结果如图1所示。从图1中可以看出，预测结果较实测结果偏差度较大，且受基准值影响较大，未与基准值呈现明显线性关系。因此，有必要对公式进一步修正，满足高黏土水灰比情况下的要求。预测基准组见表1。

表1 预测基准组

图1 对无侧限抗压强度值进行预测

取28 d的强度为参考强度，选取周旻等人［8］试验数据，对同一wc/c下，不同龄期，不同含水率及水泥掺量下的固化淤泥无侧限抗压强度值进行归一化处理，如图2所示。

从图2中可以看出，线性关系良好，对应公式为:

运用上述公式，对系列2的无侧限抗压强度进行预测，实测强度与预测强度的对比结果如图3所示，相关性较好，故可用此方法进行水泥加固土的强度预测是可靠的。

图2 无侧限抗压强度值归一化处理

图3 实测强度与预测强度关系

2 结语

1)随着水灰比的增大，高含水率淤泥固化土强度值显著降低;破坏应变在1%～3%之间，随水泥掺量和龄期的增加总体呈降低趋势。2)原有基于Abrams理论的高含水率淤泥固化土强度无侧限抗压强度预测公式预测结果较实测结果偏差度较大，且预测结果受基准值影响较大，与基准值线性关系不明显。3)根据试验结果修正了预测公式，使其可以适用于高黏土水灰比情况下，并对其进行了验证，结果表明，可运用式(8)对水泥加固土无侧限抗压强度进行预测。

［1］ JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范［S］.

［2］ JTG D30-2004，公路路基设计规范［S］.

［3］ TB 10113-96，粉体喷搅法加固软弱土层技术规范［S］.

［4］ Horpibulsuk S.，Miura N.，Nagaraj T.S.Assessment of strength development in cement-admixed high water content clays with Abrams’law as a basis［J］.Geotechnique，2003，53(4):439-444.

［5］ Horpibulsuk S..Analysis and Assessment of engineering behavior of cemnt stabilized clays［D］.Saga University，2001.

［6］ Uddin K..Strength and Deformation Behavior of Cement Treated Bangkok Clay［D］.Thailand:Asian Institute of Technology，1994.

［7］ 缪志萍，刘汉龙.疏浚土工程特性的试验研究［J］.四川建筑科学研究，2005，31(6):109-112.

［8］ 周 旻，侯浩波，张大捷，等.湖泊底泥改性固化的强度特性和微观结构［J］.岩土力学，2008，29(4):1010-1014.