CN111008457B - 一种水泥加固膨胀土的水灰比、强度和刚度预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥加固膨胀土的水灰比、强度和刚度预测方法，提出了一个水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型。另外，通过结合新加坡国立大学Lee等提出的水泥土强度预测模型以及水泥土强度刚度之间的线性关系，可以对该水灰比范围内的水泥土无侧限抗压强度和割线模量进行准确预测。本发明提供的方法填补了膨胀土地区水泥土搅拌桩水灰比选择方法的空白，改进了传统水泥土水灰比选择方法极大地依赖经验判断的缺陷，并在给出水灰比选择范围的同时，可以对其无侧限抗压强度和割线模量进行预测，可以为膨胀土地区水泥土搅拌桩的设计和应用提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及水泥土水灰比选择方法及其力学性质预测技术领域，具体涉及一种水泥加固膨胀土的水灰比、强度和刚度预测方法。
背景技术
水泥加固方法在工程中广泛地用于提高地基的强度和刚度。其中，深层搅拌法作为一种地基处理技术在控制地基沉降，提高地基承载力方面具有良好的效果。深层搅拌法广泛地应用在软土，砂土和黄土地区，而在膨胀土地区的使用仍相对较少。美国德州交通运输局(TxDOT)与德克萨斯大学阿灵顿分校首次将深层搅拌法应用于膨胀土地区，有效地提高了土体的强度和刚度，并显著降低了土体的胀缩性。
水灰比对于水泥土强度和刚度的影响非常巨大，但是目前水泥土水灰比的选择方法非常依靠经验判断，规范中对于水泥土搅拌桩水灰比选择范围的规定并不适用于膨胀土地区。膨胀土具有超固结性，裂隙性和胀缩性，这导致了它的性质与其他土体具有很大的区别。并且，与软土大多为饱和土不同，膨胀土自然条件下大多为非饱和状态，因此，传统的高含水率水泥土并不适用于膨胀土地区，这也限制了该施工方法在膨胀土地区的应用。而解决这些问题的基础和关键是寻找一种可靠地水泥土水灰比选择方法，尽量减少经验判断对水泥土搅拌桩水灰比选择的影响。另外，在选择最优水灰比的同时，对水泥土的7天养护期无侧限抗压强度和割线模量进行合理的预测，可以为工程设计工作提供一定的参考价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有方法的不足，提供一种可靠、简便的水泥加固膨胀土最优水灰比的选择和强度预测方法，通过考虑水泥加固膨胀土不同水泥掺量下的液限和泌水极限对水灰比选择范围进行限定，并结合经验公式对其无侧限抗压强度和割线模量进行预测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、提出水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型，具体表现形式如下：
上式中，w/c为水灰比，定义为水泥浆中水的质量与水泥质量之比，N为放大系数，Aw为水泥掺量，定义为水泥质量与干土质量之比，Csoil为膨胀土液限，Cc,0h为水泥无养护期液限，a为材料参数；ws,n为土的天然含水率；
步骤2、选取膨胀土以及水泥为原料，并将膨胀土和水泥分别磨碎筛选备用；
步骤3、根据土工试验方法标准对膨胀土和水泥分别进行液限试验，测得步骤1中的参数Csoil和Cc,0h；
步骤4、根据土工试验方法标准测定膨胀土的自然含水率，测得步骤1中的参数ws,n；
步骤5、利用步骤2中原料制备已知水泥掺量的水泥土，进行液限试验，得到该水泥掺量下水泥土的无养护期液限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤1模型中放大系数的最小值；
步骤6、制备与步骤5中相同水泥掺量的水泥土，进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤1 模型中放大系数的最大值，即完成步骤1中模型中参数确定；
步骤7、利用步骤3、4、5中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最小值，利用步骤3、4、6中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最大值，即得到不同水泥掺量的水泥土水灰比选择范围。
进一步地，步骤3中，所述水泥的液限试验，每个试样须在5分钟以内完成试验并立即放入烘箱，在100-120℃下进行烘干，110℃为最佳。
进一步地，步骤6中，泌水极限确定方法为：对制备与步骤5中相同水泥掺量的水泥土，在含水率为无养护期液限不同倍数的条件下进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限。
进一步地，步骤6，进行泌水极限试验过程中，含水率为无养护期液限的1-1.5倍，进行泌水极限试验的组数为5-15组。
进一步地，所述步骤1，水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型适用于水泥掺量为10％-100％的水泥加固膨胀土。
进一步地，所述步骤1，材料参数a的取值为0.49。
进一步地，所述膨胀土为南阳膨胀土，所述水泥为OPC 42.5#水泥。
一种利用上述中水灰比进行水泥加固膨胀土的强度预测方法，其特征在于，强度用以下公式表示：
上式中qu为无侧限抗压强度，q0，m，n为经验参数。
一种水泥加固膨胀土的刚度预测方法，其特征在于，刚度预测公式如下：
E50＝βqu
上式中，E50为割线模量，即刚度；β为经验参数，qu为无侧限抗压强度。
进一步地，所述无侧限抗压强度采用上 述中水灰比进行水泥加固膨胀土的 强度预测方法计算。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供一种可靠、简便的水泥加固膨胀土水灰比优化选择、强度和刚度预测方法，最大程度地减少经验因素对水灰比选择的影响；
(2)通过结合强度预测模型，可以对水泥加固膨胀土的7天养护期无侧限抗压强度和割线模量进行预测，为工程设计提供参考；
(3)本发明的方法可以推广至其他水泥土材料的水灰比选择及其强度刚度预测，例如水泥加固软土，有利于改进传统方法的不足，减少水泥土搅拌桩施工质量不稳定的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1、2、3、4、5、6所制备的水泥加固膨胀土水灰比实测值与模型预测值对比图；
图2为本发明实施例1、2、3、4、5、6所制备的水泥加固膨胀土不同水泥掺量下泌水沉降曲线图；
图3为本发明实施例1、2、3、4、5、6所制备的水泥加固膨胀土无侧限抗压强度实测值与模型预测值对比图；
图4为本发明实施例1、2、3、4、5、6所制备的水泥加固膨胀土割线模量实测值与模型预测值对比图；
图5为本发明实施例1、2、3、4、5、6所制备的水泥加固膨胀土在水灰比优选范围内无侧限抗压强度实测值与模型预测值对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，包括以下步骤：
(1)提出水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型，其具体表现形式如下：
式中，w/c为水灰比，定义为水泥浆中水的质量与水泥质量之比，N为放大系数，Aw为水泥掺量，定义为水泥质量与干土质量之比，Csoil为膨胀土液限，Cc,0h为水泥无养护期液限，a为材料参数；ws,n为土的天然含水率；
(2)选取南阳膨胀土以及地基处理常用的42.5号普通硅酸盐水泥(OPC 42.5#)为原料；
(3)将步骤(2)选取的膨胀土磨碎并过2mm筛备用；
(4)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)对膨胀土和水泥进行液限试验，测得步骤(1)中的参数Csoil和Cc,0h；本实施例中，试验测得参数Csoil和Cc,0h分别为44.9％和30.8％。
(5)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)测定膨胀土的自然含水率，测得步骤 (1)中的参数ws,n；本实施例中，试验测得参数ws,n为20％；
(6)根据工程中要求水泥土含水率应在其液限与泌水极限之间，将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备10％水泥掺量的水泥土进行液限试验，得到该水泥掺量下水泥土的无养护期液限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最小值，即N＝1；
(7)将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备10％水泥掺量的水泥土，在含水率分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍无养护期液限的条件下进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最大值，即即N＝1.15，完成步骤(1)中模型中参数确定；
利用步骤(4)、(5)、(6)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最小值，利用步骤(4)、(5)、(7)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最大值，即得到不同水泥掺量的水泥土水灰比选择范围。
一种利用水灰比进行水泥加固膨胀土的强度预测方法，包括以下步骤：
(8)根据新加坡国立大学Lee等在《Strength and modulus of marine clay-cement mixes》中提出的水泥土强度预测模型，可以对水泥土7天养护期无侧限抗压强度进行预测，具体表现形式如下：
式中qu为无侧限抗压强度，q0，m，n为经验参数；上述水泥土强度预测模型适用于水泥掺量为10％-100％的水泥加固膨胀土，且对于南阳膨胀土和OPC 42.5#，参数q0，m，n分别取值1500kPa，0.28和3.0。
一种水泥加固膨胀土的刚度预测方法，包括以下步骤：
(9)根据强度与刚度之间存在的线性关系，提出水泥土强度刚度关系公式，结合步骤(8) 得到的水泥土无侧限抗压刚度，可以得到其对应的割线模量，具体表现形式如下：
E50＝βqu
式中，E50为割线模量，即水泥土无侧限抗压刚度；β为经验参数；本实施例中，对于南阳膨胀土和OPC 42.5#，上述参数β取值为60，实验结果允许在±20％的范围内进行波动。
(10)根据步骤(1)中提出的水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型中N的取值范围，制备N分别为1、1.05、1.10、1.15的水泥土试样，养护7天后进行无侧限抗压试验，加载速率为1mm/min，根据步骤(8)和步骤(9)得到水泥加固膨胀土7天养护期无侧限抗压强度与割线模量，完成强度和刚度预测。
利用液塑限联合测定仪测得实施例1制备的10％水泥掺量水泥土的无养护期液限C0h，其对应的水灰比与N＝1时模型预测值的拟合程度良好，结果如图1所示。
工程中定义泌水高度占初始高度1％时的水泥土含水率为水泥土的泌水极限，通过泌水极限试验测得实施例1中10％水泥掺量水泥土的泌水极限为1.15倍的无养护期液限，结果如图 2所示，水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型所选择的水灰比范围未超出其泌水极限对应的水灰比，结果如图1所示，说明该模型所选择的水灰比范围符合工程要求。
利用实施例1中制备的4个不同水灰比的10％水泥掺量水泥土进行无侧限抗压试验，测得其7天养护期无侧限抗压强度与水泥土强度预测模型结果拟合程度良好，结果如图3所示。其割线模量与水泥土强度刚度关系公式的结果拟合程度良好，且波动范围未超过±20％，结果如图4所示。
结合水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型与水泥土强度预测模型，可以得到在该水灰比下水泥加固膨胀土的强度预测值，且预测值与实测值拟合效果良好，结果如图5所示。
需要指出的是本发明实施例中模型对象不限于普通硅酸盐水泥，还可以为复合硅酸盐水泥等市面常见水泥。
实施例2
一种水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，包括以下步骤：
(1)提出水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型，其具体表现形式如下：
式中，w/c为水灰比，定义为水泥浆中水的质量与水泥质量之比，N为放大系数，Aw为水泥掺量，定义为水泥质量与干土质量之比，Csoil为膨胀土液限，Cc,0h为水泥无养护期液限， a为材料参数；ws,n为土的天然含水率；
(2)选取南阳膨胀土以及地基处理常用的42.5号普通硅酸盐水泥(OPC 42.5#)为原料；
(3)将步骤(2)选取的膨胀土磨碎并过2mm筛备用；
(4)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)对膨胀土和水泥进行液限试验，测得步骤(1)中的参数Csoil和Cc,0h；本实施例中，试验测得参数Csoil和Cc,0h分别为44.9％和30.8％。
(5)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)测定膨胀土的自然含水率，测得步骤 (1)中的参数ws,n；本实施例中，试验测得参数ws,n为20％；
(6)根据工程中要求水泥土含水率应在其液限与泌水极限之间，将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备20％水泥掺量的水泥土进行液限试验，得到该水泥掺量下水泥土的无养护期液限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最小值，即N＝1；
(7)将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备20％水泥掺量的水泥土，在含水率分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍无养护期液限的条件下进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最大值，即即N＝1.15，完成步骤(1)中模型中参数确定；
利用步骤(4)、(5)、(6)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最小值，利用步骤(4)、(5)、(7)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最大值，即得到不同水泥掺量的水泥土水灰比选择范围。
根据步骤(1)中提出的水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型中N的取值范围，制备N 分别为1、1.05、1.10、1.15的水泥土试样，养护7天后进行无侧限抗压试验，加载速率为1mm/min，得到水泥加固膨胀土7天养护期无侧限抗压强度与割线模量。
利用液塑限联合测定仪测得实施例2制备的20％水泥掺量水泥土的无养护期液限C0h，其对应的水灰比与N＝1时模型预测值的拟合程度良好，结果如图1所示。
工程中定义泌水高度占初始高度1％时的水泥土含水率为水泥土的泌水极限，通过泌水极限试验测得实施例2中20％水泥掺量水泥土的泌水极限为1.2倍的无养护期液限，结果如图2 所示，水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型所选择的水灰比范围未超出其泌水极限对应的水灰比，结果如图1所示，说明该模型所选择的水灰比范围符合工程要求。
利用实施例2中制备的4个不同水灰比的20％水泥掺量水泥土进行无侧限抗压试验，测得其7天养护期无侧限抗压强度与水泥土强度预测模型结果拟合程度良好，结果如图3所示。其割线模量与水泥土强度刚度关系公式的结果拟合程度良好，且波动范围未超过±20％，结果如图4所示。
结合水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型与水泥土强度预测模型，可以得到在该水灰比下水泥加固膨胀土的强度预测值，且预测值与实测值拟合效果良好，结果如图5所示。
实施例3
一种水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，包括以下步骤：
(1)提出水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型，其具体表现形式如下：
式中，w/c为水灰比，定义为水泥浆中水的质量与水泥质量之比，N为放大系数，Aw为水泥掺量，定义为水泥质量与干土质量之比，Csoil为膨胀土液限，Cc,0h为水泥无养护期液限， a为材料参数；ws,n为土的天然含水率；
(2)选取南阳膨胀土以及地基处理常用的42.5号普通硅酸盐水泥(OPC 42.5#)为原料；
(3)将步骤(2)选取的膨胀土磨碎并过2mm筛备用；
(4)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)对膨胀土和水泥进行液限试验，测得步骤(1)中的参数Csoil和Cc,0h；本实施例中，试验测得参数Csoil和Cc,0h分别为44.9％和30.8％。
(5)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)测定膨胀土的自然含水率，测得步骤 (1)中的参数ws,n；本实施例中，试验测得参数ws,n为20％；
(6)根据工程中要求水泥土含水率应在其液限与泌水极限之间，将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备30％水泥掺量的水泥土进行液限试验，得到该水泥掺量下水泥土的无养护期液限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最小值，即N＝1；
(7)将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备30％水泥掺量的水泥土，在含水率分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍无养护期液限的条件下进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最大值，即即N＝1.15，完成步骤(1)中模型中参数确定；
利用步骤(4)、(5)、(6)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最小值，利用步骤(4)、(5)、(7)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最大值，即得到不同水泥掺量的水泥土水灰比选择范围。
根据步骤(1)中提出的水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型中N的取值范围，制备N 分别为1、1.05、1.10、1.15的水泥土试样，养护7天后进行无侧限抗压试验，加载速率为1mm/min，得到水泥加固膨胀土7天养护期无侧限抗压强度与割线模量。
利用液塑限联合测定仪测得实施例3制备的30％水泥掺量水泥土的无养护期液限C0h，其对应的水灰比与N＝1时模型预测值的拟合程度良好，结果如图1所示。
工程中定义泌水高度占初始高度1％时的水泥土含水率为水泥土的泌水极限，通过泌水极限试验测得实施例3中30％水泥掺量水泥土的泌水极限为1.18倍的无养护期液限，结果如图 2所示，水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型所选择的水灰比范围未超出其泌水极限对应的水灰比，结果如图1所示，说明该模型所选择的水灰比范围符合工程要求。
利用实施例3中制备的4个不同水灰比的10％水泥掺量水泥土进行无侧限抗压试验，测得其7天养护期无侧限抗压强度与水泥土强度预测模型结果拟合程度良好，结果如图3所示。其割线模量与水泥土强度刚度关系公式的结果拟合程度良好，且波动范围未超过±20％，结果如图4所示。
结合水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型与水泥土强度预测模型，可以得到在该水灰比下水泥加固膨胀土的强度预测值，且预测值与实测值拟合效果良好，结果如图5所示。
实施例4
一种水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，包括以下步骤：
(1)提出水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型，其具体表现形式如下：
式中，w/c为水灰比，定义为水泥浆中水的质量与水泥质量之比，N为放大系数，Aw为水泥掺量，定义为水泥质量与干土质量之比，Csoil为膨胀土液限，Cc,0h为水泥无养护期液限， a为材料参数；ws,n为土的天然含水率；
(2)选取南阳膨胀土以及地基处理常用的42.5号普通硅酸盐水泥(OPC 42.5#)为原料；
(3)将步骤(2)选取的膨胀土磨碎并过2mm筛备用；
(4)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)对膨胀土和水泥进行液限试验，测得步骤(1)中的参数Csoil和Cc,0h；本实施例中，试验测得参数Csoil和Cc,0h分别为44.9％和30.8％。
(5)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)测定膨胀土的自然含水率，测得步骤 (1)中的参数ws,n；本实施例中，试验测得参数ws,n为20％；
(6)根据工程中要求水泥土含水率应在其液限与泌水极限之间，将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备50％水泥掺量的水泥土进行液限试验，得到该水泥掺量下水泥土的无养护期液限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最小值，即N＝1；
(7)将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备50％水泥掺量的水泥土，在含水率分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍无养护期液限的条件下进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最大值，即即N＝1.15，完成步骤(1)中模型中参数确定；
利用步骤(4)、(5)、(6)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最小值，利用步骤(4)、(5)、(7)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最大值，即得到不同水泥掺量的水泥土水灰比选择范围。
根据步骤(1)中提出的水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型中N的取值范围，制备N 分别为1、1.05、1.10、1.15的水泥土试样，养护7天后进行无侧限抗压试验，加载速率为1mm/min，得到水泥加固膨胀土7天养护期无侧限抗压强度与割线模量。
利用液塑限联合测定仪测得实施例4制备的50％水泥掺量水泥土的无养护期液限C0h，其对应的水灰比与N＝1时模型预测值的拟合程度良好，结果如图1所示。
工程中定义泌水高度占初始高度1％时的水泥土含水率为水泥土的泌水极限，通过泌水极限试验测得实施例4中50％水泥掺量水泥土的泌水极限为1.2倍的无养护期液限，结果如图2 所示，水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型所选择的水灰比范围未超出其泌水极限对应的水灰比，结果如图1所示，说明该模型所选择的水灰比范围符合工程要求。
利用实施例4中制备的4个不同水灰比的10％水泥掺量水泥土进行无侧限抗压试验，测得其7天养护期无侧限抗压强度与水泥土强度预测模型结果拟合程度良好，结果如图3所示。其割线模量与水泥土强度刚度关系公式的结果拟合程度良好，且波动范围未超过±20％，结果如图4所示。
结合水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型与水泥土强度预测模型，可以得到在该水灰比下水泥加固膨胀土的强度预测值，且预测值与实测值拟合效果良好，结果如图5所示。
实施例5
一种水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，包括以下步骤：
(1)提出水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型，其具体表现形式如下：
式中，w/c为水灰比，定义为水泥浆中水的质量与水泥质量之比，N为放大系数，Aw为水泥掺量，定义为水泥质量与干土质量之比，Csoil为膨胀土液限，Cc,0h为水泥无养护期液限， a为材料参数；ws,n为土的天然含水率；
(2)选取南阳膨胀土以及地基处理常用的42.5号普通硅酸盐水泥(OPC 42.5#)为原料；
(3)将步骤(2)选取的膨胀土磨碎并过2mm筛备用；
(4)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)对膨胀土和水泥进行液限试验，测得步骤(1)中的参数Csoil和Cc,0h；本实施例中，试验测得参数Csoil和Cc,0h分别为44.9％和30.8％。
(5)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)测定膨胀土的自然含水率，测得步骤 (1)中的参数ws,n；本实施例中，试验测得参数ws,n为20％；
(6)根据工程中要求水泥土含水率应在其液限与泌水极限之间，将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备70％水泥掺量的水泥土进行液限试验，得到该水泥掺量下水泥土的无养护期液限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最小值，即N＝1；
(7)将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备70％水泥掺量的水泥土，在含水率分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍无养护期液限的条件下进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最大值，即即N＝1.15，完成步骤(1)中模型中参数确定；
利用步骤(4)、(5)、(6)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最小值，利用步骤(4)、(5)、(7)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最大值，即得到不同水泥掺量的水泥土水灰比选择范围。
(6)根据步骤(1)中提出的水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型中N的取值范围，制备N分别为1、1.05、1.10、1.15的水泥土试样，养护7天后进行无侧限抗压试验，加载速率为1mm/min，得到水泥加固膨胀土7天养护期无侧限抗压强度与割线模量。
利用液塑限联合测定仪测得实施例5制备的70％水泥掺量水泥土的无养护期液限C0h，其对应的水灰比与N＝1时模型预测值的拟合程度良好，结果如图1所示。
工程中定义泌水高度占初始高度1％时的水泥土含水率为水泥土的泌水极限，通过泌水极限试验测得实施例5中70％水泥掺量水泥土的泌水极限为1.2倍的无养护期液限，结果如图2 所示，水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型所选择的水灰比范围未超出其泌水极限对应的水灰比，结果如图1所示，说明该模型所选择的水灰比范围符合工程要求。
利用实施例5中制备的4个不同水灰比的70％水泥掺量水泥土进行无侧限抗压试验，测得其7天养护期无侧限抗压强度与水泥土强度预测模型结果拟合程度良好，结果如图3所示。其割线模量与水泥土强度刚度关系公式的结果拟合程度良好，且波动范围未超过±20％，结果如图4所示。
结合水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型与水泥土强度预测模型，可以得到在该水灰比下水泥加固膨胀土的强度预测值，且预测值与实测值拟合效果良好，结果如图5所示。
实施例6
一种水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，包括以下步骤：
(1)提出水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型，其具体表现形式如下：
式中，w/c为水灰比，定义为水泥浆中水的质量与水泥质量之比，N为放大系数，Aw为水泥掺量，定义为水泥质量与干土质量之比，Csoil为膨胀土液限，Cc,0h为水泥无养护期液限， a为材料参数；ws,n为土的天然含水率；
(2)选取南阳膨胀土以及地基处理常用的42.5号普通硅酸盐水泥(OPC 42.5#)为原料；
(3)将步骤(2)选取的膨胀土磨碎并过2mm筛备用；
(4)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)对膨胀土和水泥进行液限试验，测得步骤(1)中的参数Csoil和Cc,0h；本实施例中，试验测得参数Csoil和Cc,0h分别为44.9％和30.8％。
(5)根据土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)测定膨胀土的自然含水率，测得步骤 (1)中的参数ws,n；本实施例中，试验测得参数ws,n为20％；
(6)根据工程中要求水泥土含水率应在其液限与泌水极限之间，将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备100％水泥掺量的水泥土进行液限试验，得到该水泥掺量下水泥土的无养护期液限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1) 模型中放大系数N的最小值，即N＝1；
(7)将步骤(3)制备的膨胀土与OPC 42.5#混合，制备100％水泥掺量的水泥土，在含水率分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍无养护期液限的条件下进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤(1)模型中放大系数N的最大值，即即N＝1.15，完成步骤(1)中模型中参数确定；
利用步骤(4)、(5)、(6)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最小值，利用步骤(4)、(5)、(7)中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最大值，即得到不同水泥掺量的水泥土水灰比选择范围。
根据步骤(1)中提出的水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型中N的取值范围，制备N 分别为1、1.05、1.10、1.15的水泥土试样，养护7天后进行无侧限抗压试验，加载速率为1mm/min，得到水泥加固膨胀土7天养护期无侧限抗压强度与割线模量。
利用液塑限联合测定仪测得实施例6制备的10％水泥掺量水泥土的无养护期液限C0h，其对应的水灰比与N＝1时模型预测值的拟合程度良好，结果如图1所示。
工程中定义泌水高度占初始高度1％时的水泥土含水率为水泥土的泌水极限，通过泌水极限试验测得实施例6中100％水泥掺量水泥土的泌水极限为1.2倍的无养护期液限，结果如图 2所示，水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型所选择的水灰比范围未超出其泌水极限对应的水灰比，结果如图1所示，说明该模型所选择的水灰比范围符合工程要求。
利用实施例6中制备的4个不同水灰比的10％水泥掺量水泥土进行无侧限抗压试验，测得其7天养护期无侧限抗压强度与水泥土强度预测模型结果拟合程度良好，结果如图3所示。其割线模量与水泥土强度刚度关系公式的结果拟合程度良好，且波动范围未超过±20％，结果如图4所示。
结合水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型与水泥土强度预测模型，可以得到在该水灰比下水泥加固膨胀土的强度预测值，且预测值与实测值拟合效果良好，结果如图5所示。
Claims (9)
1.一种水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、提出水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型，具体表现形式如下：
上式中，w/c为水灰比，定义为水泥浆中水的质量与水泥质量之比，N为放大系数，Aw为水泥掺量，定义为水泥质量与干土质量之比，Csoil为膨胀土液限，Cc,0h为水泥无养护期液限，a为材料参数；ws,n为土的天然含水率；
步骤2、选取膨胀土以及水泥为原料，并将膨胀土和水泥分别磨碎筛选备用；
步骤3、根据土工试验方法标准对膨胀土和水泥分别进行液限试验，测得步骤1中的参数Csoil和Cc,0h；
步骤4、根据土工试验方法标准测定膨胀土的自然含水率，测得步骤1中的参数ws,n；
步骤5、利用步骤2中原料制备已知水泥掺量的水泥土，进行液限试验，得到该水泥掺量下水泥土的无养护期液限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤1模型中放大系数的最小值；
步骤6、制备与步骤5中相同水泥掺量的水泥土，进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限，并换算得到该状态下的水灰比，利用该水灰比和水泥掺量确定步骤1模型中放大系数的最大值，即完成步骤1中模型中参数确定；
步骤7、利用步骤3、4、5中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最小值，利用步骤3、4、6中参数即可确定不同水泥掺量下水泥土的水灰比的最大值，即得到不同水泥掺量的水泥土水灰比选择范围。
2.如权利要求1所述水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，其特征在于：步骤3中，所述水泥的液限试验，每个试样须在5分钟以内完成试验并立即放入烘箱，在100-120℃下进行烘干。
3.如权利要求1所述水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，其特征在于：步骤6中，泌水极限确定方法为：对制备与步骤5中相同水泥掺量的水泥土，在含水率为无养护期液限不同倍数的条件下进行泌水极限试验，得到该水泥掺量下水泥土的泌水极限。
4.如权利要求3所述水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，其特征在于：步骤6，进行泌水极限试验过程中，含水率为无养护期液限的1-1.5倍，进行泌水极限试验的组数为5-15组。
5.如权利要求1所述水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，其特征在于：所述步骤1中，水泥加固膨胀土水灰比优化选择模型适用于水泥掺量为10％-100％的水泥加固膨胀土。
6.如权利要求1所述水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，其特征在于：所述步骤1中，材料参数a的取值为0.49。
7.如权利要求1所述水泥加固膨胀土的水灰比预测方法，其特征在于：所述膨胀土为南阳膨胀土，所述水泥为OPC 42.5#水泥。
8.一种利用权利要求1-7任意一项中水灰比进行水泥加固膨胀土的强度预测方法，其特征在于，强度用以下公式表示：
上式中qu为无侧限抗压强度，q0，m，n为经验参数。
9.一种水泥加固膨胀土的刚度预测方法，其特征在于，刚度预测公式如下：
E50＝βqu
上式中，E50为割线模量，即刚度；β为经验参数；qu为无侧限抗压强度，采用权利要求8所述强度预测方法计算得到。
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