錢 彪，俞文杰，方 睿，劉 磊，姚 揚(yáng)

1.同創(chuàng)工程設(shè)計有限公司，浙江 紹興 312000

2.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000

1 研究背景

沿海城市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展使得其周邊工程建設(shè)項目層出不窮，這就導(dǎo)致地表可使用面積越來越少，不再能滿足城市發(fā)展需求。填海造地是增加土地面積的方法之一，但沿海土壤大多屬于軟土，其一般具有高含水率、高孔隙比、高靈敏度、可壓縮性能較強(qiáng)、承載能力強(qiáng)度低的特性，在建設(shè)過程中這些特性會帶來許多的工程問題。常見的問題有樁基沉降位移大、基坑邊坡不穩(wěn)定以及施工后建筑物的穩(wěn)定性等。為了滿足工程建設(shè)的需求，施工人員往往會在工程建設(shè)施工之前對軟土地基進(jìn)行相應(yīng)的處理，并且采取相應(yīng)的加固措施[1-4]。

近幾年來，國內(nèi)外大量學(xué)者對濱海軟土的特性進(jìn)行了研究，并根據(jù)軟土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系，提出了相應(yīng)的本構(gòu)模型[5-6]。王偉等[7]對在不同凍融循環(huán)作用下的濱海軟土進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線受凍融循環(huán)次數(shù)影響，且隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線由軟化型向硬化型轉(zhuǎn)變。曾玲玲等[8]同樣對濱海軟土進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)固結(jié)狀態(tài)不變時，其有效應(yīng)力路徑有且只有一條。同時，眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)在土壤中加入適量的纖維材料和納米材料，可以提高其力學(xué)性能[9-12]。Plé O等[13]通過一系列壓縮試驗(yàn)和直接拉伸試驗(yàn)對聚丙烯纖維加筋土進(jìn)行研究，結(jié)果表明在壓縮試驗(yàn)下，復(fù)合材料變得越來越硬。相反，在直接拉伸試驗(yàn)下，纖維加筋土的延展性表現(xiàn)突出，可以減緩開裂速度。Tang C等[14]通過單纖維拉出試驗(yàn)對聚丙烯纖維改性土的界面強(qiáng)度進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著纖維含量和固化時間的增加，纖維/土壤的界面峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均逐漸提高。并且，根據(jù)SEM試驗(yàn)可知，纖維/土壤的界面剪切阻力與纖維表明粗糙度有關(guān)。有學(xué)者認(rèn)為，土壤強(qiáng)度并不是隨著纖維含量的增加而一直增加。Yang Y等[15]對不同摻量的聚丙烯纖維改性土進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，結(jié)果顯示聚丙烯纖維改性土的強(qiáng)度隨著纖維含量的增加呈先增后減的趨勢，當(dāng)其纖維含量為3%時，纖維的改性效果最佳。Gao L等[16]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對納米氧化鎂改性黏土進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著納米氧化硅含量的增加而增加，而隨著土壤含水率的增加而減小。不同納米材料同樣可以提高土壤的強(qiáng)度。Samala H R等[17]利用納米二氧化硅對軟土進(jìn)行處理，并對其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著納米SiO2含量的增加，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸提高。纖維材料和納米材料可以提高路基土的力學(xué)性能，除此之外，還可以在路基土中摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水泥。Vakili A H等[18]采用水泥加固土壤的方式來彌補(bǔ)土壤本身強(qiáng)度低的缺陷。對不同含量的水泥土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在土壤中加入水泥可以提高其強(qiáng)度，并且水泥摻量存在一個最佳值。

以上研究表明，將一些傳統(tǒng)的材料和新型材料加入土壤中，可以有效改善土壤的力學(xué)性能。文章通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究在路基土中摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水泥后，其力學(xué)性能的改善效果，從而為水泥路基土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

本研究中使用的材料為路基土、水泥和水。路基土來源于紹興濱海新城江濱區(qū)，其主要物理指標(biāo)見表1。水泥使用P·O42.5，水為自來水。

表1 濱海路基土的主要物理指標(biāo)

2.2 試樣制備

無側(cè)限試樣的制作流程如下：首先，將路基土放置在105℃的烘箱中烘干；其次，對烘好的路基土進(jìn)行粉碎，并將粉碎后的路基土過2mm孔徑的篩子；最后將適量的路基土、水泥和水放在一起攪拌，并按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999），將攪拌后的試樣放置在直徑為39.1mm、高度為80mm的塑料圓柱筒中，在試樣表面封上一層濾紙，并用橡皮筋固定，最后將試樣放入水中濕養(yǎng)7d。

2.3 試驗(yàn)方案

在路基土，水泥和水的混合物上進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。此研究中，首先考慮了濱海軟土高含水率的問題，將含水率設(shè)定為80%（以所有混合物為基礎(chǔ)）。

為了獲得經(jīng)水泥處理過的路基土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，將養(yǎng)護(hù)后的試樣放置在全自動多功能無側(cè)限抗壓機(jī)上，將剪切速度設(shè)置為1mm/min。為避免試驗(yàn)的偶然性，每組水泥摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)重復(fù)4次。

3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，剪切速度為1mm/min。三組不同水泥摻量路基土共12份試樣，測得的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)見圖1。其中，圖1（a）是水泥摻量為10%的路基土應(yīng)力-應(yīng)變曲線；圖1（b）是水泥摻量為20%的路基土應(yīng)力-應(yīng)變曲線；圖1（c）是水泥摻量為30%的路基土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖中CS-1～CS-4表示4份試樣分別測得的數(shù)據(jù)。剪切破壞后的試樣見圖2。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 破壞后的試樣

由圖1可知，三組水泥摻量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈軟化型曲線，且大致可分為三個階段。（1）在加載初期階段，不同水泥摻量下的改性路基土應(yīng)力-應(yīng)變曲線都基本呈線性增長關(guān)系。（2）在加載中期階段，試樣應(yīng)力均隨應(yīng)變的增加而緩慢上升，最后達(dá)到峰值。其中，當(dāng)水泥摻量分別為10%、20%和30%時，試樣的峰值強(qiáng)度一般分別出現(xiàn)在1.51%～2.51%、1.13%～1.51%以及1.14%～1.56%。（3）在加載后期階段，水泥摻量30%的改性路基土應(yīng)力下降趨勢較水泥摻量10%的改性路基土平緩，殘余韌性較好。當(dāng)軸向應(yīng)變?yōu)?%時，各水泥摻量（10%、20%和30%）路基土的殘余應(yīng)力分別為15～21kPa、13～33kPa、15～40kPa。

圖1中應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)即為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，每組水泥摻量的改性路基土分別可以獲得4個無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，見圖3。由于試驗(yàn)時的環(huán)境、儀器的測量精度、人員的操作熟練度以及材料等因素都會造成測試數(shù)據(jù)發(fā)生一定的偏差，并不會達(dá)到完全一致，因此對圖3中12份試樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，依據(jù)公式（1），計算出三種水泥摻量下路基土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值分別為105kPa、186kPa和243kPa，見圖4。

圖3 不同水泥摻量改性路基土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖4 不同水泥摻量改性路基土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值

式中：qa、qmax、qmin分別為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值、最大值和最小值；n為除最大、最小值以外的試樣個數(shù)。

從圖4可知，隨著水泥摻量的增加，其強(qiáng)度呈線性增加。同時還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥摻量為20%和30%時，它們的抗壓強(qiáng)度相對于水泥摻量10%和20%的水泥土分別提高了77%和31%。這意味著水泥摻量為20%時，其抗壓強(qiáng)度增幅效果最佳，而繼續(xù)增加水泥摻量，其強(qiáng)度增幅效果降低。結(jié)合上述三組水泥摻量對試樣強(qiáng)度提高幅度的變化，同時考慮經(jīng)濟(jì)性，可知本研究的水泥最佳摻量為20%。

4 結(jié)論

依據(jù)上述三組水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論：（1）將不同摻量的水泥加入路基土中，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈軟化型。（2）水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量呈線性增長的關(guān)系。（3）水泥摻量為20%時，其抗壓強(qiáng)度增幅效果最佳。繼續(xù)增加水泥摻量，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度增幅效果降低。最后結(jié)合上述三組水泥摻量對試樣強(qiáng)度提高幅度的變化，同時考慮經(jīng)濟(jì)性，可知本研究的水泥最佳摻量為20%。

需要說明的是，文章僅討論了短齡期下不同水泥摻量對路基土的力學(xué)性能的增強(qiáng)效果，該增強(qiáng)效果隨齡期變化的時間效應(yīng)還有待進(jìn)一步探究。