水泥土抗压强度经验公式研究

1、水泥土抗压强度经验公式研究许宏发1马军庆2华中民1赵佩胜1(1. 解放军理工大学工程兵工程学院南京市2100072. 武警工程学院建筑工程系西安市710086提要水泥土目前被广泛的应用于水利工程、建筑工程以及道路工程, 但由于水泥土抗压强度的影响因素很多, 需要作大量的实验, 费时费力。该文在前人试验工作的基础上, 通过曲线拟合方法, 定量分析了水泥土抗压强度与土质、水泥掺入量、龄期等的关系, 得到了水泥土强度经验公式。该公式在南通人防大厦基坑锚拉水泥土挡墙支护设计中得到验证, 具有一定的理论意义和实用价值。关键词水泥土抗压强度水泥土挡墙经验公式基坑设计Study on Empirical F

2、ormula of 2Xu H ong fa 1Ma Junqing 211(1. Engineering C of Science &T echnology2. ,Engineering C ollege of Armed P olice F orce Abstract 2has been widely applied to hydraulic engineering , architectural engineering as well as highway engineering at present , but it must take a lot of time and en

3、ergy to do cement 2s oil com pressive strength experiment ,because there are many influential factors on cement 2s oil com pressive strength. Based on previous w orks ,by means of nonlinear curve fitting methods , this paper quantitatively analyzes the in fluence of s oil types , the mixed quantitie

4、s of cement and ageing etc. on the cement 2s oil com pressive strength. An em pirical formula of cement 2s oil com pressive strength is established. And it is certified by the design with cement 2s oil retaining wall and anchor for foundation pit in Nantong civil air defense building. It has certain

5、 theoretical meaning and practical value.K eyw ords cement 2s oil ;com pressive strength ;cement 2s oil retaining wall ;em pirical formula ;design for founda 2tion pit作者简介:许宏发(1964- , 男, 教授、博士, 从事岩土工程、地下工程方面的教学和科研工作。收稿日期:2008-09-261前言水泥土以及各种工艺所形成的水泥土桩体, 由于其材料来源广泛、性能良好、价格低廉而被广泛应用于水利工程防渗、护坡, 建筑工程的地基基础

6、、基坑防渗、挡土墙护坡以及道路工程的路基改良加固等16。近年来, 在我国分布有软土的地区, 如浙江、江苏、上海、天津、福建、广东、云南、湖北、山东、海南以及台湾等地, 得到了广泛应用, 发展迅速, 已经取得了良好的经济效益和社会效益2,6。水泥加固土(简称水泥土 的物理力学性质与被加固土性质、状态、水泥掺入比、养护龄期、外掺剂、水泥品种、水泥级别等因素有关715。从国内外对水泥土的研究来看, 人们往往只是定性的研究了各因素对水泥土强度的影响。例如,G ouda , R oy &Sarkar (1975 7研究了硅灰石膏对水泥土特性的影响;Bahar , Benazzoug , K en

7、ai (20049研究了压密度对水泥土特性的影响;Bahar , Benaz 2zoug , K enai (2005 10对高含量粉煤灰和水泥的粘性土的稳定性进行了研究; 宁宝宽、陈四利、刘斌13对水泥土的冻融特性进行了研究。这些研究对水泥土强度特性的认识是有帮助的, 但用于定量的水泥土强度设计还处于空白, 一般依靠经验和现场的试验进行设计。本文在前人试验工作的基础上, 定量的分析了水泥土抗压强度与水泥掺入量、龄期等的关系, 并成功应用于南通人防大厦锚拉水泥土挡墙基坑支护设计中, 具有较强的理论意义和实用价值。32009年第1期勘察科学技术2试验资料影响水泥土抗压强度的因素较多, 如土性质、

8、水泥掺入比、养护龄期、外掺剂、水泥品种、水泥级别、含水量等。为简化计算, 本文重点考虑土性质、水泥掺入比、养护龄期的影响, 建立抗压强度计算公式。其它因素通过影响的大小, 乘以一个影响系数的方法来实现。表1试验资料来自文12和13, 土质为淤泥土和粘土, 掺入P. 032. 5水泥7%20%, 天然含水量为40%50%, 水泥土的龄期390d 。将表1中数据以水泥土养护龄期T 为横坐标, 水泥土无侧限抗压强度q u 为纵坐标, 用曲线图表示, 见图1和图2。表1水泥土无侧限抗压强度q u土质龄期T d不同水泥掺入比下的抗压强度MPa7%10%12%30. 731270. 37731. 1313

9、53570. 750. 901. 1512淤泥140. 610. 681. 011. 221. 5412280. 500. 701. 272. 07130. 730. 831. 291. 752. 0912600. 580. 851. 612. 75130. 870. 941. 632. 252. 7712900. 640. 921. 903. 19130. 951. 131. 922. 673. 201230. 460. 540. 650. 750. 841270. 450. 590. 761. 13130. 600. 630. 780. 931. 1312粘土140. 720. 861.

10、081. 281. 5812280. 821. 011. 382. 15131. 031. 191. 43 1. 792. 1712600. 981. 281. 882. 85131. 301. 621. 902. 352. 8712901. 111. 462. 223. 42131. 491. 862. 262. 703. 4312图1淤泥水泥土q u -T 的关系图2粘土水泥土q u -T 的关系图1表示了龄期T a w 对淤泥质; 图2表示了龄期u -, 龄期和水泥掺入比对, 本文试图。3水泥土抗压强度的定量公式通过分析, 发现公式(1 符合图1和图2的曲线变化规律。q u =(q m

11、-q 0 1-e -T+q 0(1 式中, q u 为水泥土无侧限抗压强度,MPa ; T 为龄期, d ; q m 为最大极限抗压强度, 即龄期T 趋于无穷大时, 水泥土的抗压强度,MPa ; q 0为水泥土初始抗压强度,MPa ; 为曲线形状指数, 待定常数。首先将q m 、q 0和都取为拟合变量, 用公式(1 对图1和图2中试验数据进行第一次拟合, 拟合参数见表2。表2第一次q u -T 曲线拟合参数土层水泥掺入比q m MPa q 0MPa相关系数淤泥0. 070. 100. 120. 150. 180. 200. 023840. 028450. 021900. 023080. 024

12、940. 024570. 676720. 971351. 211542. 092342. 927883. 462860. 317160. 411210. 472590. 536740. 572080. 677510. 994770. 990260. 976130. 992010. 995360. 99692粘土0. 070. 100. 120. 150. 180. 200. 029210. 026360. 022330. 021890. 025100. 021381. 161511. 580902. 100292. 508082. 919253. 828870. 305250. 389560.

13、 421910. 520550. 574990. 702230. 984730. 995660. 998010. 993340. 998470. 99435分析发现, 曲线形状指数的值变化不大, 在0. 02190. 02921, 平均值为0. 02442。为了使公式简便、实用, 而且值在一定的范围内取值并不影4勘察科学技术2009年第1期响拟合曲线的形状, 因此公式(1 中统一取0. 025进行分析。这样使公式更加简化。4参数确定411初始抗压强度q 0的确定令=0. 025, 取q m 和q 0为拟合变量, 用公式(1 对图1和图2中试验数据进行第二次拟合, 得到不同掺入比下q u -T

14、关系的拟合曲线, 拟合参数值见表3。从表3中数据和图3分析可知, 初始抗压强度q 0主要与水泥的掺入比有关。表3第二次q u -T 曲线拟合参数土层水泥掺入比q m MPa q 0MPa相关系数淤泥0. 070. 100. 120. 150. 180. 200. 0. 670960. 994941. 2. 3. 446010. 314210. 422660. 0. 54776 0. 670650. 99477990130. 0. 0. 995360. 99691粘土0. 070. 100. 120. 150. 180. 200. 0251. 201621. 586782. 00072. 376

15、242. 922713. 650270. 332640. 392040. 391910. 477170. 576260. 64060. 98470. 995650. 997980. 993010. 998460. 99421图3q 0与水泥掺入比a w 的关系通过比较, 认为用公式(2 来表示q 0与水泥掺入比a w 的关系比较合适。q 0=a w +S 0(2式中, 为曲线增长系数,MPa ; 为曲线形状指数;a w 为水泥掺入比; S 0为原状土的无侧限抗压强度, 一般淤泥质土取0. 03MPa , 粘土取0. 05MPa 。用公式(2 对图3中q 0与水泥掺入比a w 的关系进行拟合,

16、得到=2, =0. 75。为了考虑土质的影响, 引入原状土的抗压强度S 0, 代入公式(2 得到:q 0=2a 0175w +0103(淤泥质水泥土 (3 q 0=2a 0175w+0105(粘土水泥土 (4公式(3 和式(4 比较见图3。412最大极限抗压强度q m 的确定令=0. 025, q 0按式(3 和式(4 取值, q m 为拟合变量, 再用公式(1 对图1和图2中试验数据进行第三次拟合, 得到不同掺入比下q u -T 关系的拟合曲线, 得到拟合参数q m 的值见表4。图1和图2中的曲线即为第三次拟合曲线。将表4中数据以水泥掺入比a w 为横坐标, q m 值为纵坐标, 得到q m

17、 -a w 关系, 如图4所示。分析图4q m -a w 关系可知,q m , , m 较大。当水泥, a w =20%时, 两者q m 。通过比较分析, 认为用公式(5 拟合q m -a w 关系比较合适。q m =(5a w +S 0(5式中, 为曲线增长系数,MPa ; 为土质性状指数。表4第三次q u -T 曲线拟合参数土层水泥掺入比q m MPa q 0MPa 相关系数淤泥0. 070. 100. 120. 150. 180. 200. 0250. 675611. 011831. 172292. 022482. 835633. 465460. 30220. 38570. 43780.

18、 51210. 5827 0. 62810. 992090. 978190. 974050. 991990. 994590. 99623粘土0. 070. 100. 120. 150. 180. 200. 0251. 205671. 580541. 966272. 351142. 90893. 646840. 32220. 40570. 45780. 53210. 60270. 64810. 984360. 995280. 992330. 990610. 998030. 99419图4最大极限抗压强度q m 与水泥掺入比a w 的关系52009年第1期勘察科学技术用公式(5 对图4中最大极限强

19、度q m 与水泥掺入比a w 的关系进行拟合, 得到如下拟合公式:q m =3. 4(5a w 1186+0103(淤泥水泥土 (6 q m =3. 4(5a w 1114+0103(粘土水泥土(7相关系数分别为:0.9903,0. 9745。5q u 计算公式综合以上分析, 我们的到水泥土无侧限抗压强度的设计计算公式为:q u =3.4(5a w 22a w 0175(1-e-01025T+2a w 0175+S 0(8式(8 的使用条件是:水泥为P. 032. 5; 天然含水量在40%50%; 无添加剂; 水泥掺入比小于20%。式中单位均为MPa 。土质性状参数S 0资料时, 可按表5取值

20、表5S 0土层S 0kPa淤泥淤泥质土粘土粉质粘土粉土2. 01. 71. 71. 41. 41. 11. 10. 910303040406060806基坑支护水泥土抗压强度设计实例南通人防大厦基坑工程北段采用锚拉水泥土墙支护结构。基坑边坡土质大多为粉质粘土和粉土, 取S 0=0. 06MPa , =0. 9, 采用P. 032. 5水泥。设计28d 强度为1. 3MPa 。若水泥掺入比为12%, 则根据公式(8 计算得到28d 龄期水泥土抗压强度为:q u =3.4(5×0. 12 -2×0. 120175×1-exp (-0. 025×28 +2&#

21、215;0. 120175+0106=1. 34MPa所以, 水泥土的抗压强度设计是合适的。该水泥土挡墙施工过程中, 留三组试样, 每组6块, 进行了强度测试, 一个月龄期水泥土抗压强度达到1. 52. 0MPa 。所以该水泥土抗压强度设计是合理的。7结论通过本文的研究得到如下结论:1 在水泥为P. 032. 5、天然含水量为40%50%、无添加剂、水泥掺入比小于20%的条件下, 水泥土无侧限抗压强度可以用下列公式进行设计:q u =3.4(5a w 22a w 0175(1-e-01025T+2a w 0175+S 02 通过对南通人防大厦基坑支护水泥土挡墙强度设计, 认为本研究提出的强度设

22、计方法是合理的。参考文献1梁德祥. 喷粉搅拌法在基坑支护中的应用. 人民珠江, 1998, (5 :50522湖同安, 黄新, 刘毅. 深层搅拌法的工程实践. 工业建筑, 1994, (9 :8133T anaka H. Behaviour of braced stabilized by deep mixing S oils F :1051154shear strength of het 2deep mixing method. S oils (1 :2338De S ilva M S ,O Riordan N J ,Parry L N. T rials for the construc 2tion of a cement s olidified retaining structure in a domestic land 2fill site using deep s oil mixing. Engineering G eology ,2001,60:49606刘金洪. 深层搅拌在基坑支护中的应用. 建筑科学,2001, 17(6 :17197G ouda G R ,R oy D M and Sarkar A. Thaumasite in deteriorateds oil 2cements. Cement