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水泥土强度的试件形状和尺寸效应试验研究



第 #* 卷 #&&# 年

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水泥土强度的试件形状和尺寸效应试验研究
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(" $ 苏州科技学院, 江苏 苏州

更生" , 彭建忠# , 韩静云" , 顾欢达"
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(江苏段) 建设指挥部, 江苏 苏州 #"%&"";# $ 苏州市苏嘉杭高速公路



要: 对不同形状、 尺寸、 端部边界约束条件以及龄期的水泥土试件进行了无侧限抗压强度试验, 探讨了水泥土强度的试件形状

和尺寸效应。 关键词: 水泥土; 强度; 形状; 尺寸 中图分类号: () *+" 作者简介: 陈
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文献标识码: ,

文章编号: (#&&#) "&&& - *%*. &% - &%.& - &*

更生 ("/’# - ) , 男, 江苏人, 苏州科技学院副教授, 现主要从事岩土工程的教学与科研工作。

0123 45 , 6237 89:;!<=>;?# , 1,3 89;?!@5;" , 7) 15:;!A:"
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土, 为了防止因试件密度不一致而造成其强度值的离

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散, 水泥土试件以容重作为控制指标, 采用液压方式使 试件成型, 成型后试件放入养护室进行标准养护至规 定龄期。 试件分圆柱体和立方体两种形状, 圆柱体试件直 径为 +& DD, 高度与直径比 (高径比) 为 " 和 # 两种 (以 下分别简称试件 " 和试件 #) , 立方体试件边长为 ! F (以下分别简称试件 C 和 +& $ + DD 和 ! F "%& DD 两种 试件 *) , 试件养护龄期分别为 #. 和 /& A。每组形状、 尺寸、 端部边界约束条件 (见后, 两种, 受压面抹油与不 抹油) 和龄期的试件 ’ 块 (个别 C B * 块) , 共计试件 +* 块, 由于个别试件强度值的离散性 (同一条件下试件强 度值极差大于 C&E 者剔除) , 实际参加强度统计的试 件为 ’# 块, 占总数的 .C $ .E 。试件实际的平均尺寸和 容重见表 "。
表! (:GHI " 试件 形状 圆柱体 试件实际平均尺寸和容重 ,JIK:?I L9<I :;A ?K:J9M@ AI;L9M@ >N OIDI;M!LM:G9H9<IA L>9H LPIO9DI; 试件 编号 " # C * 直径 (受压面边长) 高度 Q DD Q DD +& $ ’ +& $ + +& $ ’ "%" $ . +& $ C "C. $ # +& $ * "*/ $ ’ 容重 ( ? Q R3 D- C ) "/ $ ’ "/ $ % "/ $ ’ "/ $ C

水泥土桩是近年来广泛应用于软土地基处理的一 种方法, 但在实际工程应用中也出现了一些工程质量 事故, 因此加强其施工质量的管理和检测, 已越来越受 到重视。尽管目前水泥土桩施工质量的检测方法很 多, 但钻芯取样 (辅以标准贯入试验) 检测, 由于其具有 可连续检测桩体材料强度、 均匀性, 直接检测桩长以及 检测时间较短、 费用较低等优点, 在工程中得到了普遍 采用。通常用于桩体水泥土强度检测测定的试件形状 为圆柱体, 而确定桩体水泥土设计强度 (包括确定水泥 土施工配合比) 时所用试件的形状则一般为立方体, 两 者在形状和尺寸上均存在较大的差异, 这样就造成用 一种条件下的实际强度去检验、 评判另一种条件下的 设计强度, 其可比性就差, 严格地讲不存在可比性, 而
[" B C] 也均未对用于确定水泥土设计 现行有关技术规范

强度 (包括确定水泥土施工配合比) 和检测其芯样强度 的试件形状和尺寸作出明确的规定, 所以有必要对此 问题作探索研究。

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"#!

试验方法
试件制作 现场取回的土料, 经自然凉晒风干, 人工碾碎并过
立方体

按 C&E 的含水率 (配制含水率) 和 "%E 的水 % DD 筛, 泥掺入比将水和水泥加入风干土中, 充分拌匀水泥和

#&&" - "# - #" ! 收稿日期:

第<期



更生, 等 X 水泥土强度的试件形状和尺寸效应试验研究 表! !"#$% & 无侧限抗压强度 >? - 强度 6 78" 9 <==9A9 & <=5=A> : <@;9A& ; <@=;A< ;=?9A: <;95A: ;:@9A9 < <5;:A@ <@<@A< = — <???A=

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试件 端部边 编号 界条件 9 & : ;

&5 - 强度 6 78"

均值 9 & : ; < = 不抹油 :?@<A@ &=:;A= &>?<A: :&@@A; :9==A= :9<5A> :?:=A; 抹 油 &@>=A? &>;=A5 &=&9A; :?&;A& :;;5A=! :?&?A? &559A@ 不抹油 — — — — — — — 抹 油 — — — — — — — 不抹油 &9==A; &<?>A@ &<:>A& &;5@A5 &@55A@ &:5:A< &;@>A& 抹 油 9>;?A= &<<<A&! 95<?A= &&>5A& &9??A= &&@:A< &?>&A@ 不抹油 &?>:A& &9;?A< 9@=@A= 9>?5A: — — 9>@@A; ! — — 抹 油 9>@:A= 9=<@A5 &&?;A< 9>:=A9 95<<A5

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打 “! ” 者离散性大, 未统计入平均值。

试件原料土取自某高速公路取土坑, 取土深度约 淤泥质亚黏土, 其天然含水率 ! B :@ A 5C , 容重 & A < ., : 比重 " B & A @9, 孔隙比 # B 9 A ?>, 塑 ! B 9@ A > 7D 6 . , 性指数 $ 8 B 99 A ?, 液性指数 $ E B 9 A 5=, 内摩擦角" B 黏 聚 力 % B =: A < 78", 压 缩 系 数 & G9H & B ? A :> 5 A5F, 水泥为 ;&< L 普通硅 压缩模量 ’ K B < A :> I8"。 I8"J9 , 酸盐水泥。 !"! 水泥土无侧限抗压强度试验 将龄期达到 &5 和 >? - 的试件, 在 MN J <?O 型压 力机 (少部分在 POQ 仪上) 上测试其无侧限抗压强度 值, 试验以应变控制, 即加荷时试件竖向变形每增加 (小尺寸试件) 或 ? A & .. (大尺寸试件) , 读取 9 ? A 9 .. 次压力值, 试验至试件的压力值不再增加或呈负增大 后再读取 9 R & 个数据后结束。 为测定试件在受力过程中的应力应变变化过程, 进一步为水泥土试件强度形状和尺寸效应的理论分析 提供实测数据, 如图 9 所示, 在每个试件的表面布设了 其中 & 片测定试件竖向应变, 沿 = R 5 个电阻应变片, 试件高度对称布置在中间, (; 片、 ;或=片 = 片的试件 数各占 <?C ) 测定试件水平向应变, 分别沿试件高度 的上、 中、 下 (或上、 中) 水平向对称布设。

抗压强度试验时, 一半数量的试件在其上下端面上抹 了凡士林 (模拟剪应力为零边界条件) , 另一半则未抹 (模拟有剪应力边界条件) 。

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试验结果及其分析
试验结果 不同形状、 尺寸、 边界约束条件和龄期试件的无侧

限抗压强度值和部分试件的应力应变曲线见表 &, 表: 和图 &。
!"#$% : 龄期 6试件 编号 9 &5 : ; (均值) 9 & >? : ; (均值) 水泥土泊松比# 8*,11*(’ 1 0"2,* *+ )%.%(2H12"#,$,V%- 1*,$ 水泥土泊松比# 试件端部抹油 上、 下部 ? A 9?9 ? A ?<5 ? A ?&; ? A ?=9 ? A 9<= ? A 9@& ? A 9=< ? A ?=? ? A 9:5 中部 ? A 9;= ? A 9?9 ? A ?=& ? A 9?: ? A 95; ? A 9=< ? A 95< ? A ?@9 ? A 9<9 试件端部不抹油 上、 下部 ? A ?=> ? A ?<@ ? A ?:9 ? A ?<& ? A 99; ? A &?= ? A &9< ? A ?@: ? A 9<& 中部 ? A 99@ ? A ?5? ? A ?;; ? A ?5? ? A 9@? ? A 95= ? A &?> ? A ?5; ? A ?=& 表$

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结果分析 (9) 试件形状对强度的影响 不同试件形状的强度比值见表 ;。由表 ; 可以看

出, 在同等条件下, 圆柱体试件强度值比立方体试件强 度值高, 试件 9 强度值分别是试件 : 和试件 ; 强度值 的 9 A &;; 倍和 9 A =?9 倍, 试件 & 强度值则分别为试件 :
图# S,3A 9 试件表面应变片布置示意图

和试件 ; 强度值的 9 A 9:; 倍和 9 A <5; 倍。这是由于立 方体试件在实际制作成型过程中, 其 ; 个角上的水泥 土往往难以压实, 试件均匀性较圆柱体试件均匀性差, 同时, 试件在受压过程中, ; 个角上应力产生集中等原 因所造成的。

T00"(3%.%(2 *+ %U2%(1*.%2%0 *( )%.%(2H12"#,$,V%1*,$ 1/%),.%( 1W0+")%

为测定试件上、 下受压面上不同的约束条件对其 强度的影响, 同一形状、 尺寸和龄期的试件, 在无侧限

CB)













)##) 年

(A) 试件端部边界条件对强度的影响 不同的试件端部边界条件下的试件强度结果比值 见表 D。试件在受轴向压力的作用时, 由于试件上下 端面不抹油直接与压力机接触, 因此上下端与压力机 接触面间存在摩阻力, 这种向内的径向摩阻力的存在, 阻止了试件上下端附近的土体向外膨胀变形, 使得在 同等条件下, 其试件强度值要比上、 下端面抹油 (认为 没有向内的摩阻力存在或向内的摩阻力很小) 的试件 强度值高, 表 D 数据表明, 前者约为后者的 @ ( @@) 倍。
表$ :,;-1 D 龄期 ?$ )B "# 不同试件边界条件的强度比值 </012’/= 0,/&6 67 .813&912 >&/= $&771012/ ;642$,0G 362$&/&62 端部边 界条件 强度比值 试件 @ 试件 ) — @ ( @## @ ( @## 试件 A @ ( @BC @ ( #EC @ ( @A# 试件 ! @ ( #DD @ ( @BA @ ( @)C

不抹油 ? 抹油 @ ( #C! 不抹油 ? 抹油 @ ( @)" (均值) @ ( #")

(!) 试件龄期对强度的影响
图! 试件 ! 竖向应力应变曲线 ("# $ 龄期) 表" :,;-1 ! 龄期 ?$ )B "# 不同试件形状的强度比值

不同的试件龄期条件下的强度比值见表 E。随着 水泥土龄期的增长, 水泥水化的程度更充分, 水泥土强 在同等条件下, 度也不断增加。表 E 表明, "# $ 龄期的 水泥土强度与 )B $ 龄期的水泥土强度值相比, 前者约 为后者的 @ ( B!! 倍。
表 % "# $ 龄期与 )B $ 龄期的试件强度比值 :,;-1 E </012’/= 0,/&6 67 .813&912 >&/= $&771012/ 340&2’ /&91 ("# $ ,2$ )B $) 端部边 界条件 不抹油 抹 油 龄期比 "# $ ? )B $ 强度比值 试件 @ @ ( B"# @ ( ED! @ ( B)E 试件 A @ ( "#A ) ( #"E ) ( ### 试件 ! @ ( E"A @ ( D@C @ ( E#!

%&’() *+&,- ./01.. ,2$ ./0,&2 34051. 67 .813&912 ( ! 340&2’ /&91: "# $)

</012’/= 0,/&6 67 .813&912 >&/= $&771012/ .=,81 强度比值 试件 @ ? 试件 A @ ( ))C @ ( AEE @ ( )@D @ ( @C" @ ( )!! 试件 @ ? 试件 ! @ ( CAD @ ( CCA @ ( D@" @ ( D"E @ ( D#@ 试件 ) ? 试件 A — — @ ( @!E @ ( @)@ @ ( @A! 试件 ) ? 试件 ! — — @ ( C)D @ ( D!) @ ( CB!

端部边 界条件 不抹油 抹 抹 油 油 不抹油

(均值)

()) 试件尺寸对强度的影响 不同试件尺寸的强度比值见表 C。由于试件尺寸 越大, 水泥土的均匀性越差, 内部存在微裂缝和孔隙等 缺陷的机率大, 这些将减少试件的有效受力面积以及 引起应力集中, 因此其实测强度值随之而下降, 且随着 这种尺寸差异的增加, 强度值下降得越多。表 C 表明, 同等条件下, 试件 @ 强度值是试件 ) 强度值的 @ ( #!E 倍, 试件 A 强度值约为试件 ! 强度值的 @ ( )"! 倍。
表# :,;-1 C 龄期 ?$ )B "# 不同试件尺寸的强度比值 </012’/= 0,/&6 67 .813&912 >&/= $&771012/ .&F1 端部边 界条件 不抹油 抹 抹 (均值) 油 油 不抹油 强度比值 圆柱体 试件 @ ? 试件 ) — — @ ( #D@ @ ( #AA @ ( #!E 立方体 试件 A ? 试件 ! @ ( )C! @ ( @)B @ ( AA@ @ ( !D! @ ( )"!

"# $ ? )B $ (均值)

(C) 水泥土泊松比 由表 A 可以看出, 水泥土泊松比为 # ( #C) H # ( @C), 而且受试件端部边界约束条件的影响, 试件上、 下部水 平向应变小于中部水平向应变, 同一试件竖向位置处, 试件端部不抹油时的水平向应变比抹油时的水平向应 变小。 水泥土应力应变曲线 (D) 文献 [!] 表明, 水泥土的应力应变曲线 (在无侧限 抗压强度试验时) , 可用抛物线拟合。选择本次试验中 (试件 A, 上下端面不 A 条实测应力应变曲线 )B $ 龄期, 抹油; 试件 ), 上下端面抹油; 试件 !, "# $ 龄期, "# $ 龄 期, 上下端面不抹油。分别称之为曲线 @、 曲线 ) 和曲 线 A) , 用抛物线拟合, 抛物线方程如下:

式中

", ) ( ", ) ) [ ( ] (@) J " ! I! # ! "# "# !# 为最大应力 # 4 ; "# 为相应于最大应力时的

第B期



更生, 等 E 水泥土强度的试件形状和尺寸效应试验研究

B>&

应变值; 待定。变换上式有 !, " 为试验参数,

时的强度值, 比没有 (或较小) 端面摩阻力 (抹油) 时强 度值高。 (%) 水泥土试件强度值随龄期增长而增加。试件 试 =! 天龄期强度值约为 %> 天龄期强度值的 ; * >?? 倍; 件水泥土应力应变曲线基本呈抛物线状, 可用抛物线 拟合。但需注意的是, 试件表面的平整度对水泥土应 力应变曲线的形状影响甚大, 因此, 试验时试件表面必 须磨平或用砂浆找平。 (&) 试件水平向应变受其端部边界约束条件影响, 靠近试件端部的水平向应变比远离试件端部的水平向 应变小, 同一试件竖向位置的水平向应变, 端部不抹油 比抹油时小。 (?) 考虑到试件强度的形状和尺寸效应及现场取

"# ) ( "# ) % ! " ! ( (%) $ " !! "! "! 计算的拟合曲线见图 &。 实测曲线与按式 (%)

图! ’()* &

水泥土应力应变曲线

出芯样的具体形状和尺寸, 建议室内外水泥土强度检 测测定时, 采用直径 @! 77、 高径比为 ; A % 的圆柱体 试件, 以便统一试件的形状和尺寸, 减小检测评判误 差。 (B) 不同形状、 尺寸和端部边界约束条件下强度值 的相关关系, 还有待于通过更多的对比试验, 积累数据 资料。
本课题由苏州市苏嘉杭高速公路 (江苏段) 建设指挥部和 苏州科技学院共同承担完成, 参加本课题试验工作的有陈越、 陈家瑾、 周映雪、 陈建兵、 吴好汉、 郜志海和沈剑林等同志。

+,-./0 12 03-/00 #45 03-#(4 12 6/7/43803#(9(:/5 01(9

经计算, 抛物线方程中待定参数 ! 和 " 值之差约 为 ; * !, 抛物线与实测应力应变曲线拟合状况良好, 拟 合是可行的。但从本次试验所有试件水泥土的应力应 变曲线中也可看出, 少量试件水泥土的应力应变曲线 形状异常, 并不符合抛物线型, 这主要是试件表面不平 整, 试件在加压初期由于表面的不平整, 局部受压而导 致应变很大, 应力很小, 所以曲线成 < 型, 这也是今后 同类试验时值得注意、 改进的地方。

"





(;) 在相同条件下, 水泥土试件强度随试件形状的 变化而变化, 圆柱体试件强度值高于立方体试件强度 值; 水泥土试件强度值随试件尺寸的变化而变化, 试件 尺寸越大, 强度值越低; 水泥土试件强度值随试件端部 边 界约束条件的变化而变化, 有端面摩阻力 (不抹油)

参考文献:
[;]!"! !;@—=C, 公路软土地基路堤设计与施工技术规范 [#] * [%]"$ ;!;;&—=C, 粉体喷搅法加固软弱土层技术规范 [#] * [&]!%! @=—=;, 建筑地基处理技术规范 [#] * [?]董邑宁, 等 * 固化剂 &’(" $ ; 加固土试验研究 [ !] * 岩土工 程学报, (?) : ?@% $ ?@B * %!!;, #!

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《人民珠江》 %!!& 年征订启事
《人民珠江》 是水利部珠江水利委员会主办的综合性水利 水电技术刊物, 其内容包含治理开发珠江的学术论著、 技术总 结、 调查报告、 学术讨论与争鸣、 流域介绍、 勘测规划、 工程设计 与运行管理、 三角洲整治与研究等方面。 《人民珠江》 名列优 ;==; 年荣获广东省首届优秀期刊称号, 秀科技期刊之首; ;==% 年获全国优秀科技期刊奖; ;==C 年荣获 全国水利系统优秀科技期刊称号; ;==@ 年荣获广东省第二届优 秀科技期刊一等奖; %!!; 年荣获广东省第三届优秀科技期刊一 等奖。 《人民珠江》 以广大水利水电工作者和有关专业人员为主 要读者对象, 并供关心珠江开发建设和需要了解珠江情况的各 界读者阅读。 《人民珠江》 为双月刊, 大 ;C 开本, 每期 ?> 页, 公开发行, 国 内统一刊号 )*?? $ ;!&@ D "+,国际标准刊号 ,##*;!!; $ =%&B, 中国国际图书贸易总公司代办国外发行, 国外代号 $-?%?&。 本刊 %!!& 年继续自办发行, 每期定价 ? * B 元, 全年 %@ 元。 需要订阅的单位及个人可将订刊款直接邮汇到本刊编辑部, 并 写明收件人姓名、 详细地址及邮政编码。 邮汇地址: 广州市天寿路珠江水利委员会 《人民珠江》 编辑 部; 邮编: 电话: (!%!) B;!C;;; >@;;@=&&。



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