李燦 周海清 趙尚毅

摘 ?????要： 通過(guò)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，研究了水泥摻入比小于5%的水泥土早期強(qiáng)度特征，探討了素土與不同摻量水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律，分析了土樣的破壞形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥土強(qiáng)度隨水泥摻量增加而增加，1%水泥摻量下土樣與素土強(qiáng)度特性與破壞特性相似，2%水泥摻量一定程度上能增加土體強(qiáng)度，5%水泥摻量能夠顯著增加土體強(qiáng)度，起到良好的加固作用。研究結(jié)果對(duì)于深入認(rèn)識(shí)低摻量水泥土的早期加固機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)施工合理選擇水泥摻入比具有指導(dǎo)意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：水泥土;三軸壓縮實(shí)驗(yàn);力學(xué)特性;抗剪強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 172 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）01-0013-04

Abstract： The early strength characteristics of cemented soil with cement mixing ratio less than 5% were studied by unconsolidated undrained triaxial test. The stress-strain relationship and shear strength index change rule of plain soil and different cement soil were discussed， and the failure mode of soil samples was analyzed. The test results showed that the strength of cement soil increased with the increase of cement content. The strength and failure characteristics of plain soil and soil sample with 1% cement content were similar;2% cement content increased the soil strength to some extent;5% cement content significantly increased the soil strength and provided good reinforcement. The research results have guiding significance for understanding the early reinforcement mechanism of low-volume cement soil and rational selection of cement incorporation ratio.

Key words： Cement soil; Triaxial compression test; Mechanical properties; Shear strength

近年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展，高速公路、鐵路、高架橋、水庫(kù)大壩等在建設(shè)過(guò)程中遇到許多軟弱地基問(wèn)題，水泥土是最為經(jīng)濟(jì)有效的解決辦法，其具有強(qiáng)度增長(zhǎng)快、加固效果好、造價(jià)低、施工簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。水泥土是土、水泥、外加劑和水混合壓實(shí)和養(yǎng)護(hù)后的一種拌合物，是一種具有加固土體能力的硬化材料[1，2]。

目前，針對(duì)低摻量水泥土強(qiáng)度特性和普通水泥土早期強(qiáng)度特性有了一定的研究成果[3]。張?zhí)旒t等[4]在軟黏土中摻入5%水泥，研究了不同條件對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響;賀建清[5]和曾勝華[6]開(kāi)展了低摻量水泥土的CU試驗(yàn)，探討了低摻量下水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律。目前開(kāi)展的低摻量水泥土試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)齡期一般為28、60、90 d等標(biāo)準(zhǔn)齡期，對(duì)于齡期較短的水泥土強(qiáng)度特性研究不足。薛慧君等[7]研究了內(nèi)蒙古默川地區(qū)黏土在不同水泥摻量下早期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律;韓鵬舉等[8]研究了不同含量的氯化鎂對(duì)水泥土早期強(qiáng)度影響機(jī)理。目前開(kāi)展的水泥土早期強(qiáng)度試驗(yàn)，水泥摻量均大于5%。

鑒于低摻量水泥土早期強(qiáng)度特性研究開(kāi)展較少，內(nèi)容不夠深入，為了更好探究低摻量水泥土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，同時(shí)為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，有必要開(kāi)展低摻量水泥土早期強(qiáng)度特性研究。本文利用不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，模擬水泥土在工程施工初期的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為2 d，水泥摻量小于5%的水泥土強(qiáng)度特性進(jìn)行了深入的研究。

1 ?試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過(guò)程

1.1 ?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自延安新區(qū)工地，為原狀Q3黃土，其物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 ?試樣制備

將原狀Q3黃土風(fēng)干后，碾碎過(guò)2 mm孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩。水泥過(guò)1 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，按干土質(zhì)量1%、2%、5%摻入試樣中。將按質(zhì)量比配合好的混合料配置成初始含水率ω=10%的土樣，浸潤(rùn)24 h。利用三瓣飽和器和標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)器，將所需重量的土料分5層擊實(shí)，層與層之間需用刀片劃割，避免試樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象影響試驗(yàn)，最終統(tǒng)一制成干密度為1.5 g/cm?的三軸標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣高h(yuǎn)=80 mm，直徑d=39.1 mm。同時(shí)制備一組未加水泥的素土樣，對(duì)比試驗(yàn)效果。將裝有標(biāo)準(zhǔn)試樣的飽和器放入飽和罐進(jìn)行抽氣飽和并浸水養(yǎng)護(hù)48 h。

1.3 ?試驗(yàn)方案

為了反應(yīng)施工初期實(shí)際情況，采用不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)[9]。每組試樣制備3個(gè)土樣，試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)試樣的算術(shù)平均值，如果單個(gè)試樣與平均值的差值超過(guò)平均值的正負(fù)15%，去掉該試樣的測(cè)試值，取其余兩個(gè)試樣的平均值。

試樣達(dá)到要求養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，將其從飽和器中取出，按照試驗(yàn)操作要求進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖1，將每組試樣分別在100、150、200 kPa的圍壓中進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)。試樣分組為：素土樣、1%水泥土樣、2%水泥土樣、5%水泥土樣。

2 ?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ?偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系

素土樣和水泥土樣的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。素土樣和1%水泥土樣在不同圍壓下的峰值強(qiáng)度相差不大，其原因是水泥摻量小，養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，難以有效發(fā)揮水泥的硬化性能。2%水泥土樣在同一圍壓下峰值強(qiáng)度相比于素土樣平均上升35%，強(qiáng)度有所提升。5%水泥土強(qiáng)度得到明顯提升，峰值強(qiáng)度相比于素土增幅400%～600%說(shuō)明在低摻量條件下，5%摻量能夠在施工初期有效發(fā)揮水泥的硬化性能，對(duì)土體有一定的加固效果。同時(shí)從偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線圖中可以明顯看出，2%水泥土樣和5%水泥土樣在經(jīng)過(guò)峰值點(diǎn)后有一段明顯下降，水泥摻量越高，下降程度越大，殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度比值越小，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于應(yīng)變軟化型。素土樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后沒(méi)有明顯下降段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于應(yīng)變硬化型。1%水泥土樣在達(dá)到峰值強(qiáng)度后雖有所下降，但下降程度低，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系介于應(yīng)變軟化型和應(yīng)變硬化型之間。

（a）素土樣

（b）1%水泥土樣

（c）2%水泥土樣

（d）5%水泥土樣

在同一圍壓下4種土樣的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。在3種相同圍壓下，素土樣與1%水泥土洋曲線形狀及峰值都接近，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相似，從這一角度再次說(shuō)明1%水泥土難以有效發(fā)揮水泥的硬化性能，不適用于工程實(shí)際。在相同偏應(yīng)力條件下，隨著水泥摻量的增加，其軸向應(yīng)變減小，反映了水泥土的強(qiáng)度和抵抗變形的能力增強(qiáng)。水泥摻量為5%時(shí)，其強(qiáng)度和抵抗變形能力顯著增加，說(shuō)明該摻量能夠充分發(fā)揮水泥的早期固土能力。

（a）圍壓100 kPa

（b）圍壓150 kPa

（c）圍壓200 kPa

2.2 ?黏聚力和內(nèi)摩擦角

根據(jù)每組試樣達(dá)到的峰值強(qiáng)度，在 應(yīng)力平面圖上繪制應(yīng)力摩爾圓，得到摩爾圓的包絡(luò)線，從而得到各組試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角。具體數(shù)值見(jiàn)表3。

從表中可以看出，隨著水泥摻量的增加，土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角增加。素土樣與1%水泥土樣內(nèi)摩擦角基本相同，說(shuō)明水泥摻量為1%時(shí)，黏聚力和內(nèi)摩擦角提升很小，不能使土體的強(qiáng)度增加;2%水泥土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有所增加，在一定程度上能夠增強(qiáng)土體強(qiáng)度;5%水泥土樣黏聚力和內(nèi)摩擦角相比于素土樣提升程度大，該摻量下水泥能夠有效加固土體。

2.3 ?破壞形態(tài)

土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，破壞后的情況如圖4所示。

素土樣與1%水泥土樣破壞形態(tài)一樣，都屬于鼓脹破壞，表面無(wú)明顯裂隙;2%水泥土樣破壞形態(tài)復(fù)雜，沒(méi)有明顯的劈裂狀，但表面裂隙較多;5%水泥土樣破壞狀態(tài)為斜向劈裂破壞，有明顯脆性破壞特征，其脆性破壞特征主要來(lái)自水泥材料發(fā)揮的硬化性能，說(shuō)明5%水泥摻量在早期能夠?qū)ν馏w起到加固作用。

3 ?結(jié) 論

利用不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，對(duì)低摻量水泥土早期強(qiáng)度進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

（1）在土中摻入一定比例的水泥形成水泥土，其在早期能夠發(fā)揮加固土體的作用，改善土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加土體黏聚力和內(nèi)摩擦角，從而提高土體抗剪強(qiáng)度。

（2）水泥摻量為1%時(shí)，水泥在土體中發(fā)揮作用有限，不能有效改善土體結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)與素土差別不大，不能起到加固土體的作用。水泥摻量為2%時(shí)在一定程度上能夠改善土體結(jié)構(gòu)，增加土體的早期抗剪強(qiáng)度，有一定的固土作用，該摻量可根據(jù)工程重要性合理選用。

（3）土體強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增加，當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，其早期強(qiáng)度增加效果明顯，破壞呈脆性破壞，有效的改善了土體結(jié)構(gòu)，對(duì)土體的早期加固效果好。

（4）隨著水泥摻量的增加，水泥土的破壞形態(tài)由塑性破壞過(guò)渡到脆性破壞，塑性破壞主要表現(xiàn)為鼓脹破壞，脆性破壞主要表現(xiàn)為劈裂破壞，過(guò)渡階段的破壞主要表現(xiàn)在破壞試樣表面多裂隙。

（致謝：感謝中國(guó)建筑股份有限公司提供的資助（課題編號(hào)CSCEC-2016-Z-3），感謝中建五局三公司長(zhǎng)東基礎(chǔ)建設(shè)一期工程項(xiàng)目部提供的試驗(yàn)支持。）

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