2.3 水泥土的力学性质

2.3.1 无侧限抗压强度

水泥土的90d龄期无侧限抗压强度一般在0.3～4.0MPa之间^[1]，其强度主要取决于水泥掺入比，且与土层条件、施工工艺和设备的装备水平有关。

（1）土质。土质条件对于搅拌桩桩身质量的影响主要有两个方面：一是对搅拌桩水泥土均匀性的影响，砂性土易搅拌、均匀性好，强度离散性小，黏性土不易搅拌，均匀性差，强度离散性大；二是对桩身水泥土强度的影响，砂性土强度高，黏性土强度低，土颗粒粒径越小，所形成的水泥土强度越低。

土体的物理化学性质（如颗粒级配、含水量、黏土矿物成分、离子交换能力、可溶硅和铝含量、孔隙水的pH值以及有机质种类和含量）和沉积环境等都会影响水泥土的加固效果，其不同土质加固结果分别见图2-3和表2-6～表2-9。

从图2-3中可以看出，三种加固土的强度均随水泥掺入比和龄期增加而增长，但它们各有不同的增长幅度。初始性质较好的土，加固后强度增量较大，初始性质较差的土，加固后强度增量较小。研究还表明，水泥土的强度与土的含砂量有关。当含砂量为40%～60%时，加固土强度达最大值。在加固软黏土时，若在固化剂中掺加适量的细砂，既可提高加固土的强度，又可节约水泥用量。但应注意砂必须过筛，以免堵塞喷浆孔。

从表2-7～表2-9反映的试验结果来看：

1）在3种土中掺入品种、强度等级不同的3种水泥后，在水泥掺入比为7%～15%的掺量下，其构成的水泥土的强度能满足通常条件下设计对强度的要求。

2）从试验的3种土中掺入3种水泥所组成的水泥土强度总体上看，水泥土强度随龄期增加而增长，28d龄期前增长速度快，后期增长速度则要慢一些。以90d强度作为基准（100%），7d抗压强度在31.8%～66.7%，28d抗压强度在70.3%～89.0%。28d龄期后，水泥土的强度增长率差别不大,尤其是普通硅酸盐水泥（P.O 32.5）和复合硅酸盐水泥（P.C 32.5）。

3）从水泥土强度发展过程来看，水泥的品种和强度对水泥土强度发展有较大影响。由于矿渣硅酸盐水泥（P.S 32.5）实测强度最低，复合硅酸盐水泥（P.C 32.5）次之，普通硅酸盐水泥（P.O 32.5）实测强度最高，故在前、中期（7d、28d龄期），掺矿渣硅酸盐水泥（P.S 32.5）的水泥土强度最低，掺复合硅酸盐水泥（P.C 32.5）的水泥土强度次之，掺普通硅酸盐水泥（P.O 32.5）的水泥土强度最高。而到了后期（90d龄期），由于复合硅酸盐水泥掺加了较多混合材料，其后期强度增长高于普通硅酸盐水泥，故掺复合硅酸盐水泥（P.C 32.5）的水泥土强度与掺普通硅酸盐水泥（P.O 32.5）的水泥土强度相接近。矿渣硅酸盐水泥（P.S 32.5）、普通硅酸盐水泥（P.O 32.5）、复合硅酸盐水泥（P.C 32.5）三种水泥单位强度对水泥土的28d龄期强度贡献（三种土的平均值）分别为：0.093MPa、0.104MPa、0.107MPa；对水泥土的90d龄期强度贡献分别为0.126MPa、0.125MPa、0.131MPa。从水泥土的强度与水泥强度的比值来分析，不同品种水泥单位强度对水泥土强度的贡献有略微差异，复合硅酸盐水泥单位强度对水泥土强度贡献略高，其次为普通硅酸盐水泥，矿渣硅酸盐水泥略低。

4）从水泥土强度发展过程来看，土质对水泥土强度发展有一定影响。从表2-7的分析结果来看，在前期（7d龄期），使用砂土、粉土配制的水泥土强度基本相同，而使用粉质黏土配制的水泥土强度略低一些；而到了中、后期（28d、90d龄期），使用粉质黏土、粉土配制的水泥土强度基本相同，而使用砂土配制的水泥土强度明显高于粉质黏土、粉土配制。

5）水泥土强度随着水泥掺入比增加而增加,且从单位水泥掺入比的水泥土强度来看，随着水泥掺入比的增加，单位水泥掺入比的水泥土强度也有逐步增加的趋势，即水泥土强度增长的幅度高于水泥掺入比增加的幅度。以水泥掺入比7.0%为基准（100%），水泥掺入比分别为9.5%、12.5%、15.0%时，水泥掺入比的比值分别为136%、179%、214%，但水泥土强度的比值分别为115%～184%、182%～300%、258%～414%，这也与水泥土龄期、不同土质、掺加的水泥品种等综合因素密切相关。

综上所述，三种水泥以适当的比例掺入三种土中，所组成的水泥土强度（尤其是后龄期强度），在强度增长率、单位水泥强度对水泥土强度的贡献和单位水泥掺入比对水泥土强度的贡献等几个方面无明显差异。条件许可的情况下，可做不同土质宜选用的不同水泥的品种试验。一般来说，粉质黏土宜优先选用复合硅酸盐水泥，其次选用普通硅酸盐水泥，选用矿渣硅酸盐水泥效果略差；粉土宜优先选用普通硅酸盐水泥，其次选用复合硅酸盐水泥，用矿渣硅酸盐水泥效果略差；砂土宜优先选用矿渣硅酸盐水泥，其次选用复合硅酸盐水泥，选用普通硅酸盐水泥效果稍差一些。

（2）龄期。从图2-2和表2-7、表2-8、表2-9表明，水泥土的抗压强度随其加固龄期而增长。这一增长规律具有两个特点：

1）水泥土早期（例如7～14d）强度增长率较低，对于初始性质差的土尤其如此。

2）水泥土强度在龄期28d后仍有明显增长，并且持续增长至120d，其趋势才减缓，这同混凝土的情况不一样。图2-3表明，某种淤泥质黏土，水泥土90d龄期强度与28d龄期强度之比大约从1.7变化至3.2，因此应合理利用水泥土的后期强度。一般情况下，砂性土早期强度高，黏性土早期强度低，28d强度在室内标准养护下，仅能达到90d强度的55%～85%，若在地下水位以下的黏性土层中水泥土强度会更低。因此，为充分利用水泥强度，降低工程造价，对复合地基搅拌桩和防渗墙搅拌桩的水泥土试块，国内外都取90d龄期为标准龄期。按《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）和《深层搅拌法技术规范》（DL/T 5425—2009）的规定，取90d龄期试块的无侧限抗压强度为加固土强度标准值。90d龄期强度是指水泥土试块在室内标准养护条件下所达到的强度。对起支挡作用承受水平荷载的搅拌桩，水泥土强度标准取28d龄期为标准龄期。从抗压强度试验得知，在其他条件相同时，不同龄期的水泥土抗压强度间关系大致呈线性关系，其经验关系式如下：

其中f_cu7、f_cu14、f_cu28、f_cu60、f_cu90分别为7d、14d、28d、60d、90d龄期的水泥土抗压强度。

当龄期超过3个月后，水泥土强度仍缓慢增长。180d的水泥土强度为90d的1.25倍，而180d后的水泥土强度增长仍未终止。

（3）水泥掺入比。水泥掺入比通常指水泥掺入重量与被加固土天然湿容重的比。表2-7～表2-9表明了水泥土的强度随水泥掺入比增加而增长。其特点是随着掺入比增大，水泥土后期强度增长幅度加大。这从图2-4可以看得更清楚。

周丽萍、申向东等人根据单轴抗压试验，认为粉质黏土中随着水泥掺入比增加，水泥土强度增加，图2-4为7～90d龄期水泥土强度与水泥掺入比的关系曲线。黄新、宁建国、郭晔、朱宝林研究了水泥土抗压强度与水泥含量之间的关系，研究结果表明当水泥掺入量较少时，水泥水化物只能胶结土颗粒，因而水泥土抗压强度与水泥含量呈线性相关；当水泥掺入量大于胶结含量后，如进一步增加水泥掺入量生成水化物填充固化土孔隙，抗压强度与掺入量呈指数相关；并且认为水化物填充对水泥土抗剪强度提高起着重要作用。Consoli·N·C则认为水泥掺入量与无侧限抗压强度呈幂函数关系。

Consolinilo和Nilo Cesar 等人对水泥掺入量、孔隙比和含水量对水泥土抗压强度影响进行试验研究，结果表明，无侧限抗压强度随水泥掺入量增加而增大，水泥土孔隙比与抗压强度呈线性减少，水泥土中含水率变化对抗压强度有明显影响。

缪志萍、刘汉龙在堤身水泥土加固试验研究中，发现当水泥掺入量为3%～5%时，在不同水灰比和不同龄期条件下，水泥土28d无侧限抗压强度小于200kPa；当水泥掺入量为8%～10%时，无侧限抗压强度为200～400kPa，认为水泥土作为堤身加固土时，水泥掺入量应大于8%。

（4）土的含水量。天然土的含水量越小，水泥土的抗压强度越高。图2-5是用不同含水量的淤泥质黏土掺入12%的水泥制成试块，分别在两个龄期测得的试块强度曲线。含水量对强度的影响与水泥掺入比有关，水泥掺入比越大，则含水量对强度的影响越大。反之，水泥掺入比较小时，含水量对强度的影响不甚明显。

采用水泥分别固化不同初始含水量的海相软土，试验结果表明，水泥土的无侧限抗压强度随待加固土样的初始含水量的增加近似线性降低。当被加固土样的初始含水量在70%～130%范围内变化时，含水量每降低10%，强度可提高10%～30%。

（5）土的化学性质。土的化学性质，如酸碱度（pH值）、有机质含量、硫酸盐含量等对加固土强度的影响甚大。酸性土（pH＜7）加固后的强度较碱性土差，且pH值越低，强度越低。土的有机质或腐殖会使土具有酸性，并会增加土的水溶性和膨胀性，降低其透水性，影响水泥水化反应的进行，从而会降低加固土的强度，因此pH值小于4时不适用。

在实际工程中，当土层局部范围遇pH值偏低的情况时，可在水泥中掺入少量石膏CaSO₄，即可使土的pH值明显提高。

（6）外掺剂。固化剂中可选用某些工业废料或化学品作为外掺剂，因它分别具有改善土性、提高强度、节约水泥、促进早强、缓凝或减水等作用，所以加外掺剂是改善水泥土凝固体的性能和提高早期强度的有效措施。常用的外掺剂有碳酸钙、氧化钙、三乙醇胺、木质素磺酸钙等。但相同的外掺剂以不同的掺入量加入于不同的土类或不同的水泥掺入比，会产生不同的效果。

掺入0.05%三乙醇胺，28d龄期强度可增加45%左右，60d龄期强度可增加18%左右，90d龄期可增加强度14%。三乙醇胺是一种早强剂，一般掺入量取水泥重量的0.05%。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%。

粉煤灰是具有较高的活性和明显的水硬性的工业废料，可作为搅拌桩的外掺剂。室内试验表明，用10%的水泥加固淤泥质黏土，当掺入占土重5%～10%的粉煤灰时，其90d龄期强度比不掺入粉煤灰时提高20%以上，而且其早期强度增长十分明显。但当粉煤灰掺入量超过一定量（12%～15%）后，对水泥土的强度提高是不利的，因此存在最佳掺入量。

用几种化学外掺剂，按照不同配方掺入水泥，研究其对加固土的抗压强度的影响，结果表明，水泥土强度以三乙醇胺0.05%加木质素磺酸钙0.2%时最高，其次是三乙醇胺0.05%加氯化钠0.5%。

粉煤灰加入水泥土中使水泥土的强度稍有增加，主要原因可能是由于粉煤灰的粒径尺寸相对试样土而言比较大，在加入初期具有填充孔隙的作用，后期由于其活性被激发后其发挥的作用越来越大。粉煤灰的活性成分（主要是SiO₂）与Ca（OH）₂发生化学反应生成硅酸钙，相当于增加了水泥的水化产物或增加了水泥的掺入比。但在水泥掺入比小于5%时，由于水泥水化产生的Ca（OH）₂数量较少，难以激发粉煤灰的活性；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龄期强度可增加10%左右，90d龄期强度反而减少7%，石膏具有早强作用,但是石膏掺量不能过大，否则会使水泥土变成脆性。

经过掺加磷石膏的试验和工程实践，认为水泥磷石膏固化剂之所以比水泥固化剂效果好，是因为水泥磷石膏除了有与水泥相同的胶凝作用外，还能与水泥水化物反应产生大量钙矾石，这些钙矾石，一方面，因固相体积膨胀填充水泥土部分孔隙，降低了混合体的孔隙量；另一方面，由于其针状或棒状晶体在孔隙中相互交叉，与水泥硅酸钙等一起形成空间结构，因而提高了加固土的强度。

（7）养护环境。养护条件对水泥土的强度影响主要表现在养护环境的温度和湿度方面。国内外试验资料都表明，养护方法对早期水泥土强度的影响很大，随着时间的增长，不同养护方法对水泥土后期强度的影响较小。

日本的试验研究表明，温度对于水泥土强度的影响随着时间的增长而减小，不同养护温度下的无侧限抗压强度与20℃（标准养护温度）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。

研究混凝土时，采用熟化度M［（养护温度+10）×养护龄期］表示混凝土强度与养护温度和养护龄期的关系。类似的，水泥土强度与温度的关系也可以采用“熟化度”来表示。水泥土强度可以表示为：

系数a₁和a₂随土性不同而不同。水泥土强度和熟化度的对数成比例，这表示水泥土的长期强度受养护温度的影响较小，养护温度主要影响水泥土的早期强度。

式中 M——熟化度,d·℃；

T_c——养护龄期,d；

t——养护温度,℃。

实际工程中，水泥土的养护温度受地温的影响，但是应该注意的是，水泥土水化过程是放热反应，将会产生一定的热量。由水泥水化反应引起的地温改变值受水泥掺入量、加固体大小、土体热传导性以及边界条件等影响。

现场的养护条件和试验室的标准养护条件相差较大，因此，现场水泥土强度随养护龄期的发展过程将会明显不同于室内水泥土强度增长情况。深层搅拌形成的水泥土桩，周围被土壤包围着，周围土壤的透水性、温度都直接影响水泥土的强度的增长。试验表明，周围土壤的透水性好、温度高，水泥土的强度增长就快。天津某电厂在淤泥质黏土层中深层搅拌桩试桩，施工后15d取芯进行室内养护至28d，水泥土无侧限抗压强度达1.2MPa以上，而28d现场取芯却发现5m以下水泥土强度仅0.2MPa，但取出后在室内养护7d后强度可达1.0MPa，60d后现场再取芯5m以下水泥土试验结果已达0.8MPa。上述情况在长江大堤加固中也多次出现。在地下水环境下，在粉细砂层、粉质黏土层中的固结速度快，早期强度高；在淤泥质黏土层中固结慢，早期强度低。因此，导致了桩体取芯室内养护与地下养护试验结果的不同，但最终强度仍会不断增大，甚至达到标准龄期强度。

另外，在淤泥、淤泥质黏土层中，由于经过机械的强制搅拌，加上高压水泥浆的注入，孔隙水压力升高，孔隙水压力消散需要较长时间，也是影响早期强度的因素。

（8）混合方法。被加固土、固化剂的混合处理由深层搅拌机械来完成。被加固土和固化剂的拌和效率和均匀程度受搅拌翼形状、翼数、转数、搅拌时间等各种条件制约，所以混合方法应予注意。

2.3.2 抗剪和抗拉强度

（1）抗剪强度。水泥土的抗剪强度随抗压强度提高而增大。一般地说，当无侧限抗压强度f_cu=0.5～4.0MPa时，其黏聚力c=0.1～1.1MPa,内摩擦角φ在20°～30°之间，抗剪强度相当于（0.2～0.3）f_cu。

水泥土三轴剪切试验破坏时，试件剪切面与最大主应力面夹角约为60°。

当水泥土的f_cu=0.3~1.0MPa时，采用直剪快剪，三轴不排水剪和三轴固结不排水剪三种试验方法，得到的抗剪强度相差不大，一般不超过20%。

Saitou等（1980年）比较了21组28d龄期的水泥土在无竖向压力时直剪强度和无侧限抗压强度的关系。

当f_cu<1MPa时，τ=0.475f_cu。

当f_cu＞1MPa时，τ=29.8+0.39f_cu-0.000016。

（2）抗拉强度。水泥土的抗拉强度σ_t与无侧限抗压强度f_cu的关系，试验表明，当f_cu=0.5～4.0MPa时,σ_t≈（0.15～0.25）f_cu。表2-10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。

2.3.3 变形特性

水泥土的变形模量与无侧限抗压强度f_cu有关，但其关系尚无定论。国内的研究认为：

当f_cu=0.5～4.0MPa时，E=(100~150)f_cu；

日本未松（1983）的试验结果是：

当f_cu<1.5MPa时，E₅₀=(75~200)f_cu；

当f_cu>1.5MPa时，E₅₀=(200~1000)f_cu。

上述式中E₅₀指水泥土加固50d后的变形模量。

表2-11为水泥土无侧限抗压强度f_cu与变形模量的统计经验关系式汇总。

大量工程实践表明，变形模量与无侧限抗压强度的关系和土质关系密切，黏性土可取E=（100～120）f_cu，砂性土可取E=（200~1000）f_cu。