（一般力学与力学基础专业论文）水泥土流变力学性能的试验研究.pdf

摘要 水泥是一种性能较好且比较廉价的新型建筑材料，已广泛 的应用于水利、交通和土木等各类工程领域。水泥土的流变性能 直接影响水泥土构筑物的长期受力性能，将流变理论应用到水泥 土的结构设计中将对水泥土构筑物提供更可靠且合理的安全保 障。本文的主耍工作是对水泥土的流变力学性能进行试验研究。 首先通过对水泥红土和水泥砂土在不同水泥掺入比、不同龄 期下的无侧限抗压强度试验，对无侧限抗压强度、模量以及应力 一应变规律进行了研究，分析了水泥掺入比、龄期、土性对水泥 土性能的影响。并且对水泥砂土在浸水和不浸水情况下的力学性 能进行了研究。上述试验为工程实践提供了试验依据。 其次在上述实验数据的基础上，对水泥砂土的流变性能进行 了大量试验。通过对流变试验结果的分析，找到了一种比较好的 粘弹性本构关系来拟合流变试验曲线。 最后将水泥土流变本构关系应用到对水泥土摩擦端承桩的沉 降有限元计算中。通过对弹性理论和流变理论下水泥土桩的沉降 结果的比较分析，对实际工程提出了若干建议。 关键词：水泥土；无侧限抗压强度；全应力一应变曲线：流 变；水泥土搅拌桩；沉降 湘潭大学下学倾i 。学位论立 a b s t r a c t a san e w t y p eo f c o n s t r u c t i o nm a t e r i a lw i t ha p p r o p r i a t eb e h a v i o r a n de c o n o m y , s o i lc e m e n ti sw i d e l ya p p l i e di nm a n ye n g i n e e r i n gf i e l d ， s u c ha sw a t e rc o n s e r v a n c y ，c o m m u n i c a t i o n sa n dc i v i l e n g i n e e r i n g b e c a u s el o n g t e r mm e c h a n i c sb e h a v i o ro fs o i lc e m e n tc o n s t r u c t i o ni s d i r e c t l y a f f e c t e db yi t s t h e o l o g yb e h a v i o r , t h er h e o l o g yt h e o r y w i l l p r o v i d e m o r ed e p e n d a b l ea n dr e a s o n a b l e s a f e t yg u a r a n t e e t os o i l c e m e n tc o n s t r u c t i o nw h e ni ti sa p p l i e di nd e s i g no fs t r u c t u r e a n a l y s i s o fr h e o l o g yb e h a v i o ro fs o i lc e m e n tt e s ti s t h em a i nw o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o n f i r s t l y , a c c o r d i n g t ot h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t so nt h e l a t e r t i ec e m e n ta n dt h es a n ds o i lc e m e n tw i t hd i f f e r e n tc e m e n tr a t i o a n dd i f f e r e n tc u r i n gt i m e ，a n ds t u d y i n go nr u l e so ft h eu n c o n f i n e d c o m p r e s s i o na n dm o d u l u s ，a n ds u m m a r i z i n go f t h ec h a r a c t e r i s t i co f s t r e s s s t r a i n d i a g r a mo fs o i lc e m e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e s t h e i n f l u e n c eo fc e m e n tr a t i oa n d c u r i n gt i m ea n d c h a r a c t e r i s t i co fs o l lo n u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，a n ds t u d yt h em e c h a n i c sb e h a v i o r s o fs a n ds o i lc e m e n to nt h ec o n d i t i o no f s o a k i n g o rd r y n e s s t h et e s t s p r o v i d es o m e d a t at ot h ea p p l i c a t i o no ft h i st w ok i n do fs o i lc e m e n t s e c o n d l y , b a s e d o nt h ed a t ap r o v i d e db yt h ep r e v i o u st e s t ，ag r e a t d e a lo ft e s t s ，o nb e h a v i o r so f r h e o l o g yo fs a n ds o i lc e m e n t ，h a v eb e e n d o n e t h r o u g ha n a l y s i s o fr e s u l to fr h e o l o g yt e s t ，a n a p p r o p r i a t e v i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e ih a sb e e nf o u n dt of i tt h ec u r v eo f s t r e s s s t r a i n l a s t l y , t h i sr h e o l o g yc o n s t i t u t i v em o d e li sa p p l i e di n t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so fs e t t l e m e n to f r o c k s o c k e t e df h c t i o nc e m e n tm i x i n g p i l e b a s e do nt h ec o m p a r i s o n o fr e s u l t so fs e t t l e m e n to fs o i lc e m e n t 湘潭人学t 学碗i 。学位论文 m i x i n gp i l ec o m p u t e db y e l a s t i c t h e o r y a n d r h e o l o g yt h e o r y r e s p e c t i v e l y , s o m es u g g e s t i o n s a b o u t p r a c t i c eh a s b e e n p r o v i d e d k e y w o r d s ：s o i l c e m e n t ；u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h s t r e s s s t r a i nd i a g r a m ；r h e o l o g y ；c e m e n tm i x i n g p i l e ；s e t t l e m e n t 引言 水泥土【2 1 】为土( 或集料) 、硅酸盐水泥，可能还有夕i - d n n ( 包 括火山灰) 和水混合、压实和养护后的一种拌和物，以便形成一 种具有特殊工程性能的硬化材料。水泥土还有其他名称，即水泥 稳定土、水泥处理过的集料基层和压实水泥土。水泥土( s o i l c e m e n t ) 和硅酸盐水泥硷( p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e ) 的一个明显差 别是集料和土颗粒连接在一起的，水泥索浆不足以填满集料孔隙， 也不能把全部集料都包裹起来，而使水泥结合料只能把胶结材料 结合成团块；另一个差别是对集料的种类和级配没有混凝土那样 严格。水泥土主要用于路面、边坡加固、防渗衬垫1 5 引、稳固地基 及其他用途。 美国对水泥土的研究和应用较早( 2 0 世纪3 0 年代) ，并建设 了世界上有一定影响的大规模工程。三十年代，美国在铺筑道路、 公路、机场跑道方面，已使用了水泥土约1 9 l 亿立方米。四十年 代，水泥土试验标准由美国材料试验协会( a s t m ) 以d 1 8 编 订在工程土壤规程中【l 引。美国混凝土协会已给水泥土下了明确的 定义和标准，并于2 0 世纪8 0 年代末成立专门的学术委员会对其 进行研究。五十年代初美国曾经在邦奈( b o n n y ) 水库土坝上用水 泥： 二做护坡材料试验，十年后取样检验，材料强度较2 8 天龄期的 增长了一倍，而且各层水泥土之间结合较牢固。七十年代中期美 国已有5 5 座大坝采用水泥土护坡。这成功的经验在第十届和第 十二届国际大坝会议上引起重视。 中国从七十年代开始对水泥土材料进行试验、推广和应用， 其中有在石料奇缺的长江荆江大堤上的水泥土护坡试验，在塞外 严寒地区的红领巾水库灌区用水泥土做的渠道防渗试验等。七十 年代中后期，国内又有山东、天津、北京等七、八个省、市水利 科研、设计单位相继开展了水泥土的应用研究工作，比较深入的 湘潭人学t 学倾i 学位论爻 研究了材料的一些基本物理力学性能。八十年代，水利部门对水 泥土材料的研究试用更为普遍。建筑部门在七十年代后期采用在 地基深部就地将软粘土和水泥浆强制拌和来加固地基的技术，得 到了具有整体性、水稳性和足够强度的地基土。1 9 7 4 年辽宁省在 沈抚南线公路上铺筑了十余公里的水泥稳定土作为高级沥青面层 的基层，这是我国公路上第一次正式大规模应用水泥稳定土的工 程实例。 随着我国的国民经济水平的不断提高，水利、交通和土木等 各类工程领域迅速发展起来，新型建筑材料的大量涌现与施工技 术不断发展完善。水泥土作为一种廉价适用的新型建筑材料，大 量的应用于重要的工程项目，但其现有的设计理论已滞后于工程 项目的使用要求。水泥土的力学性能介于混凝土与土之间，其流 变性能比较显著，采用流变理论对其特有的力学性能进行研究是 非常有意义的。 第一章绪论 第一节国内外的研究现状 1 水泥土力学性能研究现状 水泥土的室内试验为水泥土的应用提供了必要的参考依据， 它主要包括对水泥土的宏观力学性能进行试验研究以及进行相应 微观结构特征分析，从中找出规律指导工程实践。 1 1 水泥土的微观硬化机理 水泥土的微观试验主要采用扫描电子显微镜、射线能谱仪和 射线衍射仪等仪器对不同情况下的水泥土试块进行物理化学测 定，找出水泥加固软土微观机理以及存在的问题。文献【l 刮认为水 泥士的硬化机理是水泥颗粒与土颗粒间发生理化反应，产生一种 新的化合物，这种物质改变了原土料的特性，成为一种具有自身 特征的新型建筑材料。土在水泥土中起骨架作用，水泥起胶凝作 用。水泥土中土料是一种复杂的多相分散体系。水泥素浆不足以 填满集料孔隙，也不能把全部集料都包裹起来，而使水泥结合料 只能把胶结材料结合成团块。文献【2 3 】认为软土中的粘土矿物有强 烈的吸附钙离子的能力，这种吸附直接影响加固效果，所以土的 结构类型对水泥土的强度影响很大。 1 2 水泥土的宏观力学性能的影响因素 水泥土宏观力学性能是研究水泥土桩复合地基及水泥土桩支 护结构的基础。综合部分以前所做的试验，水泥土抗压强度的主 要影响因素有：龄期、水泥掺入比、土性；另外包括水泥强度、 外加剂，养护条件，含水量等。 a 龄期 水泥土的抗压强度随龄期的增长趋势是早期强度增长较快， 一般3 0 天强度约为9 0 天强度的一半左右，3 0 天到9 0 天强度增长 湘潭人学t 学坝l 学位论史 有所减缓，9 0 天后增长缓慢，现行建筑地基处理技术规范 ( j g j 7 9 9 1 ) 规定，水泥土的标准强度取龄期为9 0 天的强度。文 献提供了用水泥土早期无侧限抗压强度q 。预测9 0 天强度的经验 公式： q 。2 8 2 ( 3 0 7 3 8 ) q 。7 q 。9 0 i ( 1 5 6 1 7 s ) q u 2 8 根据不同的土性及配比，其他文献也提供了相应经验公式。 b 水泥掺入比 水泥土的抗压强度随着水泥掺入比的增大而增大，文献【2 j 得出 结论是水泥土的抗压强度要比原土抗压强度高数十倍，工程设计 施工中含水量在3 5 5 0 之间的淤泥质粘土水泥掺入比在 l o 1 5 之间有良好的加固效果。文献f 3 】认为水泥掺量较高时， 其强度增长幅度也较大；水泥掺量对水泥土早期强度的影响小于 对后期强度的影响，并得出强度预测的经验公式： f c o k = a a w 8 f 。o k 水泥土k 天龄期的立方体抗压强度( m p a ) a 。一水泥掺入比 a 、b 经验系数 当混凝土龄期为7 天时，f c 。k = o 0 2 2 a 。1 弘 当混凝土龄期为2 8 天时，c 。f o 0 2 4 a 。4 6 当混凝土龄期为9 0 天时，f , o k = 0 0 2 8 a 。1 4 1 文献【l 】也得出了无侧限抗压强度与水泥掺入比的经验公式： q , = k a 。 式中k 为试验统计值，据作者分析统计为1 8 k p a ； q 。为无侧限抗 压强度；a 。为水泥掺入比。另外，土的抗拉强度随着抗压强度的 增强而增强。文献【2 j 得出结论是抗拉强度为抗压强度8 1 6 ，一 般为1 4 ；抗剪强度为抗压强度的1 7 。土的内摩擦角和内聚力 都随着水泥掺入比与龄期的增长而增长，但内摩擦角随之变化的 幅度不大。 c 土性 湘潭人学t 学硕i j 学位论史 土性是几个影响因素中最为复杂的因素。文献1 4 j 认为土的粘粒 含量对土的固结影响很大；在宏观力学特性上，土本身的含水量、 含有机质量、含粗颗粒量及初始强度都不同程度的影响水泥土的 强度。文献【5 】对土的微结构特征进行了分析并得出同样结论；而且 认为土的结构类型对水泥土的强度影响很大，并建议增加一定量 的惰性材料以改善土的性能，如粉煤灰、粉细砂等。 d 水泥类型、外加剂，养护条件，含水量 另外，文献1 2 j 分别对用矿渣水泥和硅酸盐水泥加固淤泥质粘土 结果进行了分析，同等条件下矿渣水泥土比硅酸盐水泥土的强度 高约1 0 1 5 。文献 2 4 1 对若干水泥土外加剂作用进行了试验研 究，认为适宜的；, i - d n n 对水泥土具有改善土性和增强的作用，外加 剂的作用可归纳为三种情况：改良被加固土的级配，增大士粒的团 粒化发展：激发水泥水化，改善和增强土粒间的连接方式；激发水泥 水化热和自然蒸发作用，加剧水泥土中孔隙水的减少。文献f ) 叫对不 同养护条件下的的水泥土试块进行了大量试验，认为定的温度 和充足的湿度环境是水泥土强度良好发展的保证，水泥土材料最 好在地下或水下等环境中使用：水泥土工程的养护切忌干千湿湿 或突然降温，因为干湿交替和温差较大都会产生内力，使工程受 到损伤或破坏。土的天然含水量也是一个重要影响因素，随着 的含水量的增加，土的抗压强度、抗剪强度随之降低，所以对同 一种土，在一定掺入比时，含水量对强度的影响是不可忽略的。 文献【，】认为水泥土的含水量随水泥掺入量的增加而降低，不同搅拌 方式和养护条件对含水量的降低程度有所不同，这在试验时应特 别注意。文献1 6 得出结论是水泥士的强度开始随天然含水量的增加 而增大，达到某一峰值后随含水量的增加而城小，这峰值约为 3 0 。文献1 6 , 5 5 认为水泥土的强度与天然土的含水量有着直接的关 系，在相同情况下，有个最优含水量使水泥土的强度达到最高 值。 类似于混凝土强度，影响水泥土强度因素还有搅拌方式、试 块尺寸【j 、围压和加载速率等。文献【m l 曾对水泥土抗剪强度室内 湘潭人学t 学坝l j 学位论义 试验作过细致的分析，文献】对室内水泥土抗拉强度的测试方法 进行了讨论，水泥土抗拉、抗折强度的影响因素与抗压强度的一 样。文献【4 8 1 对水泥土的动态力学性能进行了研究。 1 3 水泥土的全应力一应变曲线 全应力一应变曲线是研究材料力学性能的基本依据。梁仁旺f 7 】 通过抗压试验，研究了不同水泥掺入比情况下水泥土的力学性能， 获得了水泥土材料的应力一应变全过程曲线( 峰值应力对应的应 变小于1 ) 、棱柱体抗压强度f d u 与立方体抗压强度。的关系 ( 乇。= o 7 5 f c u ) 。试验仪器为d w d l o o 型微机控制电子万能试验 机。文献【8 1 在此之前也做过细致的研究，但未能得出全过程曲线， 试验仪器为三轴试验机。水泥土材料表现出脆性材料的特征，并 随水泥掺入比的增加与龄期的增长而越来越明显。文献【9 】得出结 论，在三轴试验中，随着围压及含水量的增大，水泥黄土的破坏 模式由脆性破坏转化为塑性破坏。随着水泥掺入比的增加又逐渐 由塑性破坏变为脆性破坏。 1 4 水泥土的耐久性 水泥土的应用环境非常恶劣，尤其用于水利工程，因此对材 料的耐久性能需要了解和研究，国外目前主要侧重于这一方面的 研究，文献 2 6 , 2 7 1 分别对水泥土冻融循环和长期耐久性能进行了研究， 国内文献【13 , 4 9 , 5 2 , 5 9 对水泥土的抗冻、抗渗、抗冲、耐腐和耐干湿循 环等方面的耐久性进行了研究。通过对材料性质的改善，能够满 足耐久性的要求。 1 5 纤维水泥土 纤维水泥土作为一种新的复合材料能够改善水泥土各方面的 力学性能，国外对此的研究较多，文酬2 8 】分别用直钢丝、弯钩钢 丝、聚合物纤维和玻璃纤维掺入水泥土中进行试验，结果显示掺 加纤维能增强材料的抗压、抗劈裂和抗剪强度，并且影响全应力 一应变曲线，改善干湿、冻融循环下的耐久性。文献 15 1 对纯粹的 土、单独掺加纤维或水泥的土和同时掺加纤维和水泥时土的力学 性能进行三轴试验。认为纤维和水泥分别主要起到提高土的内摩 湘潭人学丁学硕t 学位论史 擦角和粘聚力的作用。在国内，文献 2 9 , 3 0 1 认为随着玻璃纤维长度的 增加，水泥土的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度增加，玻璃纤维 的质量分数在一定范围内对强度的影响最有效果。文献【56 】对甘蔗 纤维水泥土作了研究，认为植物纤维水泥土作为屋顶防水材料有 很大的应用潜力。 1 6 水泥土的疲劳和流变试验 国外对水泥土在动力荷载下的性能研究得较多，文献【5 i 】研究 了重复荷载下水泥红土的力学性能。文献1 57 】对水泥土粱进行了动 力屈曲试验。水泥土的流变试验国内外都研究得较少，文献【5o 】通 过水泥土的蠕变试验对其疲劳断裂参数预测进行了研究。 2 水泥土深层搅拌桩的发展现状 水泥土深层搅拌桩( c e m e n td e e pm i x i n gp i l e ) 是用专门施 工机具将水泥与土在原位搅拌形成具有一定强度的复合桩体。深 层搅拌桩法源于美国，称就地搅拌桩m i p ( m i x i n g i n p l a c ep i l e ) ， 即从不断回转的螺旋中空轴的端部向周围正被搅拌的土中喷出水 泥浆并经叶片搅拌而形成水泥土桩。1 9 5 3 年日本清水建设株式会 社从美国引进这种方法，既而又开发以螺旋钻机为基本施工机械 的c l s 法、m r 一d 法以及喷射粉体的搅拌法d j m 法。通常 凡固化剂采用水泥材料的统称为c d m 法( c e m e n td e e pm i x i n g m e t h o d ) o 国内有冶金建筑研究总院和水运规划研究设计院于1 9 7 7 年开 始进行深层搅拌法的室内试验和机械设备的研制工作。1 9 7 8 年末， 试制成功国内第一台s j b 1 型双搅拌轴、中心管输浆、陆上型的 深层搅拌机及其配套设备，加固深度l o 1 2 m 。1 9 8 0 年初上海宝 山钢铁总厂的三座卷管设备基础，采用了深层搅拌法处理获得了 成功。同年1 1 月由冶金部主持通过了“饱和软粘土深层搅拌加固 技术”鉴定，开始推广应用。目前我国使用的深层搅拌或粉喷机 械有两种：单头和双头搅拌机。单头机的搅拌片长5 0 7 0 c m ，因 此最终形成一根直径为5 0 7 0 c m 的水泥土桩：双头搅拌机为两把 上下交错2 0 c m 的刀片，刀片长7 0 c m ，因此最终形成一根截面为“8 ” 湘潭人学t 学明i + 学位论义 字形的双头水泥土桩，横截面面积为0 7 1 m 2 ，周长为3 3 5m ，有两 根直径为o 7m 的圆重叠搭接2 0c m 构成。不同型号搅拌桩的桩长 不同，大致在8 2 7 m 之间。 周国钧( 1 9 8 2 ) 在国内首先开展了水泥土力学性能试验研究， 得到水泥土基本物理力学性质。浙江大学的林琼( i 9 8 9 ) 采用 维固结的方法对水泥复合土的复合模量进行了试验研究。张j j 乔 ( 1 9 9 3 ) 采用三轴压缩仪对水泥土的力学性能进行了全面的试验 研究，得到单轴试验及三轴试验应力一应变关系。段继伟( 1 9 9 3 ) 采用在水泥土桩中设置应变及压力传感器的方法，在试验中测定 桩身的应变及应力，研究水泥土桩的荷载传递特性。文献【3 3 j 研究 了含有机质土的水泥土搅拌桩的力学性能和工程实践方法。缪林 昌 3 5 分析了水泥土的电阻率特性并利用此特性进行水泥土粉喷桩 施工质量检测。董平【36 】介绍了适用于软土地基的一种新型复合桩 一砼芯水泥土搅拌桩的设计和施工工艺，这种桩施工方便、单桩 承载力高、沉降量小、造价低廉，在软土地基工程中具有广泛的 应用价值。侯永峰【”】对循环萄载下水泥复合变形性状进行了试 验研究。 目前按固化剂掺入时的状态不同把深层搅拌法分为粉体喷射 深层搅拌法和浆液喷射深层搅拌法。粉体喷射深层搅拌法( 形成 粉喷桩) 是将干粉状固化剂直接通过空气压缩机压入地层，使水 泥干粉与原位土和水发生物理化学反应，形成不溶于水的稳定化 合物：浆液喷射深层搅拌法( 形成喷浆桩) 是将固化剂制成浆液 通过输送泵压入地层同样使水泥浆与原位土和水发生物理化学反 应，形成不溶于水的稳定化合物。文献【3 】认为搅拌桩最适合于加固 淤泥、淤泥粘土和含水量较高而地基承载力小于12 0 k p a 的粘土、 粉质粘土、粉土等软土地基。当土中含高岭石、多水高岭石、蒙 脱石等矿物时，可取得最佳加固效果：土中含伊里石、氯化物和 水铝英石等矿物时，加固效果较差。土的原始抗剪强度小于 2 0 3 0 k p a 时，加固效果也较差。搅拌桩当用于泥炭土或土中有机 质含量较高，p h 值小于7 及地下水有侵蚀性时，宜通过试验确定 湘潭人学下学坝i ：学位论文 其适用性。 水泥土深层搅拌桩主要用作地基加固和支挡结构54 1 ，其工 程技术正在不断的发展和完善，但其设计理论和检验方法在某些 方面己满足不了工程实践的需要，因此应进行更深入的研究探索 新的设计理论和检验方法，使之应用更加广泛。 第二节本文的主要工作 “流变”( r h e o l o g y ) 一词来源予古希腊哲学家h e r a c l i t u s 所说 的“脓v 煅班r ”，意即“万物皆流”。 3 1 3 2 1 水泥土的流变性能将直 接影响到水泥土的长期受力和变形性能。由于目前对水泥土的流 变性能的系统研究相对滞后，使得在水泥土构筑物的计算理论偏 丁- 经验，应用中比较保守，阻碍了水泥土的推广应用。针对这种 情况，在对水泥土的一般力学性能研究的基础上，本文对水泥土 的流变力学性能进行了大量的试验，对实验结果的拟合方法、材 料的本构关系进行研究，并把结果应用到水泥土摩擦端承桩沉降 的计算分析中。本文主要内容如下： a 通过对两种不同土性的水泥土的无侧限抗压强度进行分组 正交试验，找出荫种水泥土各自的无侧限抗压强度与水泥掺入比、 龄期以及弹性模量的关系。 b 通过对水泥砂土在浸水和不浸水两种情况下的力学性能试 验，比较浸水对水泥砂土力学性能的影响。 c 通过相同情况下，水泥红土和水泥砂土的力学性能试验来 分析土性对水泥土力学性能的影响。 d 分析不同情况下的水泥土的抗压全应力一应变曲线。 e 通过对不同水泥掺入比、不同龄期以及浸水和不浸水情况 下的水泥土在不同应力( 应变) 水平下的蠕变( 松弛) 实验，确 定水泥土流变性能的影响因素及其规律。 f 采用三种流变模型对流变试验数据进行拟合，确定一种较 好的模型描述水泥土的本构关系。 湘潭人学t 学蟛学位论史 g 分析目前水泥土深层搅拌桩复合地基沉降计算存在的问 题。用标准线性体为本构关系来计算水泥土摩擦端承桩在不同环 境下的沉降值，并将此沉降值与弹性理论计算的结果进行比较， 找出水泥土的流变力学性能对水泥土搅拌桩的沉降的影响。 第二章水泥土无侧限抗压强度试验结果及分析 本章对水泥红土和水泥砂土的无侧限抗压试验的结果，以及 水泥土浸水试块与未浸水试块的无侧限抗压强度试验的结果分别 进行了分析比较，得出了一些比较有探索意义的试验成果。 第一节试验介绍 目前国内对水泥土力学性能的试验没有通用标准，综合其他 文献所作试验的参考规范，本文的参考规范有：土工试验规程 s l 2 3 7 1 9 9 9 、土工试验方法标准g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 、建筑_ 丁程 常用材料试验手册p j 。 所用的仪器为w a w y 3 0 0 型微机控制电液伺服万能试验机。 水泥采用湖南省新生水泥厂p o 3 2 5 普通硅酸盐水泥( 新标 准) ，水泥干密度为3 。0 8 x1 0 - 3 g r a m 3 。水采用自来水。 试验中水泥掺入比口的定义为：口= 生1 0 0 ；含水量口的定 j 义为：卢：1 0 0 。式中：暇为干土的质量，以为水泥的质量， 3 帆为水的质量。 首先是制备土样。在指定地点取土并将土样烘干，用橡皮锤 或木槌捣碎，并过2 m r n 筛放入铁桶存储备用。 然后分别按照不同的水泥掺入比，3 0 含水量配制试块，采 用机械搅拌，搅拌时间为2 3 分钟：然后装入试模，分层捣实。 试块尺寸随试验要求而定，立方体试块尺寸为7 0 7 m m 7 0 7 r a m 7 0 。7 m r n 的立方体，圆柱体试块尺寸高1 0 0m m ，直径5 0 m m 。水泥红土立方体试块的质量控制在5 0 0 9 左右，水泥红土立 圆柱体试块的质量控制在3 9 0 9 左右，水泥砂土圆柱体试块的质量 控制在3 3 0 9 左右，所有试块的质量误差为5 。 湘潭大学t 学填i 学位论义 立方体试块做好后马上用塑料膜覆盖表面，在室温下静置一 昼夜，然后编号拆模；拆模后的试件立即送入温度为2 5 3 。c ，湿 度为9 0 以上的标准养护室养护，养护方式为水养，养护至规定 的龄期( 7 d 、1 4 d 、2 8 d 、6 0 d ，水泥掺入比7 、1 0 、1 5 、2 0 ) 取出做试验。圆柱体试块采用挤压成型，成型后直接送入标 准养护室养护，不采用水养，养护至规定龄期( 水泥砂土取7 d 、 2 8 d 、9 0 d ，水泥掺入比4 、7 、1 0 、1 3 ；水泥红土取2 8 d ， 水泥掺入比1 0 ) 取出做试验。立方体试块每组六个，圆柱体试 块每组三个。 龄期2 8 d 的圆柱体试块包括红土和砂土的，在做试验前将一 部分试块提前2 4 小时充分浸水再做试验，然后将其试验结果与未 浸水的2 8 d 的试块的试验结果相比较。其中水泥掺入比4 的水泥 砂土试块浸水后崩解，所以没有试验数据。 水泥土的无侧限抗压强度试验加载采用控制活塞行程的方 式，立方体试块与圆柱体试块的加载速率分别为0 6m m m i n 与 1 2 m m m i n 。 第二节水泥红粘土无侧限抗压强度试验结果及分析 1 红粘土的物理力学性质 红粘土 12 是碳酸盐岩系出露区的岩石，经过更新世以来在湿 热的环境中，由岩变土一系列的红土化作用，形成并覆盖子基岩 上，呈棕红、褐黄等色的高塑性粘土。其土性特征是液限w ，大于 5 0 ，湿度状态的垂直变化有明显的上部硬下部软的规律，失水后 具有较大的收缩性。已形成的红粘土，经后期水流搬运，仍然保 留着红粘土的基本特征，其w 。一般大于4 5 ，称为次生红粘土。 2 工程背景及基本地质资料 红粘土取土地点为湖南湘潭北二环线某段，呈棕红色，天然 密度为1 。8 4 4 1 0 。g i t l l m 3 , 干密度为2 6 4 xt 0 。g m m 3 ，天然含水率 为2 0 ，塑限w l = 4 2 ( 文献【l2 j 中总结湖南地区的红土塑限的界 湘潭人学丁学坝i 。学位论史 限为4 0 8 0 ) 。在筛分析结果中，小于o 0 7 5 m m 的土质量占干土总 重的13 2 ，小于o 2 5m m 的土质量占总重的8 9 3 ，类似于细粒 土质砂。不同地点、同一地点不同深度的红土的物理力学性质的 离散性很大。 3 试验结果 水泥土试块的模量随水泥掺入比和龄期的变化如表2 1 所示， 模量的取值为全应力应变曲线上0 4 m p a 到0 8 m p a 这一段的割线 斜率。 表2 1 水泥红士的模量 ：往：打“丰”者数据反常 水泥红土的无侧限抗压强度与水泥掺入比、龄期的关系分别 如图2 山图2 2 所示。不同情况下水泥红土的全应力一应变曲线 的比较分别如图2 3 、图2 4 、图2 - 5 所示。 bb1 01 21 41 81 82 2 水泥孚入比( j 图2 一l 水泥红土无侧限抗压强度与水泥掺入比的关系 多，一 夕二 ：一 臣 湘潭大学工学坝i 学位论殳 主 舌 世 瞪 墨 01 03 04 05 0 龄期( d ) 图2 - 2 水泥红土无侧限抗压强度与龄期的关系 0 1 23 45 日 应变( ) 图2 - 3 水泥掺入比1 0 的水泥红土全应力应变曲线( 2 8 d ) o 1 2345 67 应受( ) 图2 - 4 水泥掺入比1 0 的水泥红土不同龄期的全应力应变曲线 拍 钟 l 。 帅 拍 拍 怕 佃 ：譬 ” 一p d 专r 趟 ” ：= 柚 叻 罡弓r 堪 湘潭大学工学硕i 学位论文 图2 - 5 不同水泥掺入比的水泥红土2 8 d 的全应力应变曲线 4 试验结果分析 a 各个龄期与龄期为7 d 的水泥红土的无侧限抗压强度的平 均比值分别为： q 。，1 4 = 1 3 4 ( 1 2 7 1 4 5 ) q 。7 q 。2 8 = 1 6 3 ( 1 5 3 1 7 5 ) q 。7 q 。6 0 = 1 9 7 ( 1 8 5 2 1 1 ) q 。7 根据上式分析得出水泥红土的无侧限抗压强度随龄期的增长 而提高。由图2 2 可见早期的强度增长较快，以后逐渐趋缓。 b ，综合大量以前的文献 i , 7 , 9 , 1 3 1 ，水泥士的无侧限抗压强度与水 泥掺入比的关系可用以下两种公式表示：q 。= k a ，q 。= k a ”。当后 者的一= 1 时即为前者的表示形式，所以两种公式可统一用后者表 示，k 和一为试验统计值。通过对不同水泥掺入比的试验数据的回 归分析，得到的回归公式分别如下： q 。7 = 8 0 3 a o ” q h l 4 = 1 1 3 9 c x 。6 7 q 2 8 = 1 5 0 3 a o 7 1 q 。6 0 = 1 4 2 4 口o ” 拟合曲线与试验数据的比较结果如图2 - 6 所示： 6 5 4 3 2 1 0 一e d 专r 世 6 5 日 曼4 一 魁3 疆 2 辖 暴l 瓣 水泥掺入比( ) 图2 - 6 水泥红土无侧限抗压强度的拟合曲线与试验数据的比较图中 自下而上依次表示龄期为7 d 、1 4 d 、2 8 d 、6 0 d 的曲线) 由此可见同一龄期水泥红土试块的无侧限抗压强度随水泥掺 入比的增大而提高。同一龄期口从7 1 0 、1 0 1 5 、1 5 2 0 的三个增加阶段，强度平均增长分别为1 4 1 倍、1 3 3 倍、1 2 2 倍。 由以上分析可知，在一定的口值的范围内，强度增长的速度并不随 着口值的增长速度的加快而加快。 c 通过对水泥红土的抗压全应力一应变曲线分析得到：水泥 红土的抗压全应力一应变曲线类似于普通混凝土的抗压全应力一 应变曲线，即有脆性材料的性质。在其应力小于峰值应力的 6 0 8 0 时，应力与应变近似直线变化，随着水泥土强度的提高， 弹性范围有所增大；达到峰值应力后紧接的段应力急遽下降， 即承载能力迅速降低：在曲线的反弯点处试件表面开始出现裂缝， 以后裂缝逐渐增加、扩大，形成几个独立的受压短柱：以后试件 依靠小短柱的咬合和摩擦力抵抗不大的残余应力，曲线缓慢下降， 应变继续增长，试件仍有一定的残余强度。 d 水泥红土的模量大致随着水泥掺入比和龄期的增长而增 长，但由于试件的离散性较大，有个别数据异常，但随着试件数 目的增多，这种情况会相应减少。水泥红土的峰值应变大致在 0 8 1 2 左右。 湘潭人学t 学烦i 学位论文 第三节水泥砂土无侧限抗压强度试验结果及分析 1 工程背景及基本地质资料 砂土的取土地点为湘江杨梅洲洲中淤泥土，干密度为2 6 3 x 1 0 g r a m 3 ，天然含水率为2 5 ，在筛分析结果中，小于0 0 7 5 m m 的 土质量占总重的1 9 3 ，小于o 2 5r t l l t l 的土质量占总重的4 6 5 ， 属于细粒砂土。 2 试验结果 水泥土试块的模量随水泥掺入t r o t l 龄期的变化如表2 2 所示， 模量的取值为全应力一应变曲线上直线段的斜率。其中水泥掺入 比为4 的试块在浸水过程中发生的崩解：7 的浸水试块的全应 力一应变曲线的上升段没有明显的直线段，其材料性质接近于塑 性，无法取模量值，所以两者都没有数值。表2 2 中异常的数据都 属于同一批次做出的试块。 表2 - 2 水泥砂土的模量 注：打“者数据反常 水泥砂土的无侧限抗压强度与水泥掺入比、龄期的关系分别 如图2 7 、图2 8 所示。不同情况下水泥砂土的全应力一应变曲线 的比较分别如图2 - 9 、图2 1 0 、图2 1 l 、图2 1 2 所示，图2 1 l 、 图2 一1 2 所示红土为圆柱体的红土试块。 湘潭大学 学硕i 学位论文 儡1 8 善 自8 12 就 4e81 01 2 1 水泥捧入比( ) 图2 7 水泥砂土无侧限抗压强度与水泥掺入比的关系 主” 暮1 戗12 啦 整1 。o 0 8 0 6 0 4 龄期( d ) 图2 8 水泥砂土无侧限抗压强度与龄期的关系 奎。 毫 憾 鼎1 o 囊 图2 - 9 水泥掺入比1 3 的水泥砂土全应力应变瞌线( 9 0 d ) 湘潭大学r 学坝l 。学位论文 图2 一1 0 水泥掺入比1 3 的水泥砂七不同龄期的全应力应变曲线 罡 ： 一 毯 暖 蚓 蠕 0 oo51o152 02 53 03 540455 055 矗0e57 07 58 应啦( ) 图2 1 1 不同水泥掺入比的水泥砂土2 8 d 的全应力应变曲线 豪1 2 考1 。 嚣n e 嘲0 6 挥。4 。2 。o 知咄j ( ) 图2 1 2 不同水泥掺入比的水泥砂土2 8 d 的全应力应变曲线( 浸水) ( 掺入比4 的水泥砂土浸水后崩解) 拍 抽 仙 ” 一喀山i一心疆嘲蜒 湘_ ；孵人学t 学碘l 学位论史 3 试验结果分析 a 各个龄期与龄期为7 d 的水泥砂土的无侧限抗压强度的平 均比值分别为： q 。2 8 = 1 4 1 0 0 7 一l _ 7 4 ) q 。 q 。= 2 7 4 ( 26 8 2 8 1 ) q 。， 根据上式分析得出水泥砂土的无侧限抗压强度随龄期的增长 而提高。由图2 8 可见一般来说9 0 d 的时候强度相对于2 8 d 的强度 仍有较大幅度的增长。 b 由图2 7 可见同一龄期水泥砂土试块的无侧限抗压强度随 水泥掺入比的增大而提高。2 8 d 的g 从4 - 7 、7 1 0 、1 0 - 1 3 的三个增加阶段，强度平均增长分别为1 0 6 倍、1 4 3 倍、1 1 1 倍。 由于其它两个龄期的两组结果数值稍有异常，所以不予考虑。由 以上分析可知，在一定的口值的范围内，强度增长的速度并不随着 6 t 值的增长速度的加快而加快。 c 通过对水泥砂土的抗压全应力应变曲线分析得到：水泥砂 土的抗压全应力应变曲线有很长一个平台段，在这段内，应 变增长很快，而应力没有显著的增长。平台段以后的曲线类似于 普通混凝土的抗压全应力应变曲线，即有脆性材料的性质。在其 应力小于峰值应力的4 0 6 0 时，应力与应变近似直线变化，随 着水泥土强度的提高，弹性范围有所增大；达到峰值应力后紧接 的一段应力急遽下降，即承载能力迅速降低：在曲线的反弯点处 试件表面开始出现裂缝，以后裂缝逐渐增加、扩大。最后破坏时 有两种情况，一种情况是形成几个独立的受压短柱，另一种情况 是在试块中部产生斜的破裂面，类似于剪切破坏。以后试件依靠 破碎试块间的咬合和摩擦力仍能抵抗不大的残余应力，曲线缓慢 下降，应变继续增长，试件仍有一定的残余强度。 d 水泥砂土的模量大致随着水泥掺入比和龄期的增长而增 长，但由于试件的离散性较大，有个别数据异常，但随着试件数 目的增多，这种情况会相应减少。如果不考虑平台段的影响，水 泥砂土的峰值应变大致在1 左右。 湘潭人学丁学硕j 。学位论史 第四节水泥土全应力一应变曲线的分析 梁仁旺【7 1 曾做过水泥土全应力应变曲线的研究，他所得到的 曲线如图2 一1 3 所示，图中曲线的水泥掺入比为2 4 。如将图2 3 、 图2 - 9 、图2 1 3 比较发现其曲线的大致形状比较相似，三者在曲 线的开始段都有一定的弯曲存在。如果把水泥土的抗压强度作为 主要控制因素来考虑，起始的弯曲段可以忽略不记。 梁仁旺【7 】分析得出水泥土的 全应力应变曲线可以分为四个阶 段：第一阶段为加载的初始阶段， 应力一应变曲线接近一条直线；第套 二阶段为应力应变曲线的塑性 上升阶段，应力逐渐增大并达到峰 值：第三阶段为应力一应变曲线的 陡降段，即材料的破坏阶段，此段 的特点是在应变增加不是很大的 情况下，应力迅速减小，并出现反 弯点；第四阶段为应力一应变曲线 娃 粱f ：旺2 0 0 1 图2 一1 3 的残余阶段，应变继续增加而应力变化不大，试块产生较大的塑 性变形。当试块破坏时，仍存在残余应力与残余应变，与混凝土 的应力一应变曲线相似。由此我们可以得到水泥土的典型的应力 一应变曲线如图2 一1 4 所示。 垡2 = o d 3 y - 0 、l 。 、。x = s h 图2 1 4 典型的受压应力一应变全曲线 此典型曲线的几何特点可用数学条件描述如下： a x = 0 ，y = 0 ； b o 。 为下降段曲线上曲率最大点： f 当x _ 时，y 。0 ，掣j 0 ； d x g r 0 ，0 y t 所以，任时刻t 的总的蠕变响应占，( f ) 为： 8 r ( f ) = t ( f ) = e j ( t t i ) qt t ， 第二节水泥土的蠕变试验 湘潭人学丁学碗：学位论文 根据水泥砂土的无侧限抗压强度的试验结果，分别对水泥掺 入比4 、7 、1 0 、1 3 在图中左上角分别用大写字母a 、b 、 c 、d 表示，松弛试验标注相同) ，龄期7 d 、2 8 d 、9 0 d 的水泥砂土试 块，以及掺量1 0 、龄期2 8 d 水泥红土试块分别进行了不同应力 水平下的单向压缩蠕变试验，2 8 d 试块又分浸水与不浸水( 编号前 带有字母q ，松弛试验标注相同) 两种情况。图3 2 至图3 1 6 都是 水泥砂土的蠕变试验曲线，图3 1 7 和图3 一1 8 是水泥红土的蠕变试 验曲线。一般试块的应力水平在6 0 8 0 左右，但是龄期比较 大或浸水试块采用的应力水平一般较低，为4 0 6 0 左右，每 一个试块都分三级加载，每一级应力水平增加1 0 。综合以下试 验结果，水泥砂土和28d 水泥