水泥固化土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性研究

張國(guó)忠，肖 勇，陳德鵬，馬千惠，楊廷玉

(佳木斯大學(xué) 建筑工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007)

水泥固化土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性研究

張國(guó)忠，肖 勇，陳德鵬，馬千惠，楊廷玉

(佳木斯大學(xué) 建筑工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007)

水泥固化劑；應(yīng)力應(yīng)變；切線模量；特性

1969年Aidal最先給出了地基加固技術(shù)的概念和原理，并指出在土體中加入一些加固材料能夠有效地提高土體的強(qiáng)度[1]。對(duì)目前眾多的土體加固方法進(jìn)行分類，可以歸納為:物理方法、化學(xué)方法、物理—化學(xué)方法[2]。土壤固化劑以自然土體為固結(jié)對(duì)象，在常溫下能將土壤顆粒表面黏結(jié)并與顆粒中的鋁硅酸鹽礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)[3-4]。在含水土壤中摻入少量的土壤固化劑，固化劑、土和水之間就會(huì)產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，使混合料逐漸硬化成為固化土，廣泛應(yīng)用于道路工程以及各種建筑物的地基處理中[5]。但目前主要側(cè)重于對(duì)某些固化劑適用性上的研究[6-7]，對(duì)于固化土的強(qiáng)度問(wèn)題研究還不夠深入。本文主要針對(duì)沙漠地區(qū)干旱半干旱區(qū)形成的一種特殊性質(zhì)的風(fēng)沙土進(jìn)行研究，其具有顆粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度較低的特點(diǎn)[8]，非常需要進(jìn)行加固處理，主要研究水泥固化風(fēng)沙土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，水泥固化土模型的選取和參數(shù)的確定。

1 試驗(yàn)方案

選取典型的沙漠地區(qū)風(fēng)沙土，其粒度成分絕大部分由細(xì)沙組成，粗沙和中沙的含量都很低，粒徑比較集中。風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)較小，粒徑比較均勻，屬于不良級(jí)配沙。粒徑主要分布在0.025～0.074 mm范圍內(nèi)，屬于砂類土中的細(xì)沙。由于風(fēng)積沙中的粉粘粒含量極少，使得風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散、無(wú)粘性、水穩(wěn)性好。采用2%、5%、8%和12%摻量的水泥固化劑固化風(fēng)沙土，進(jìn)行固化風(fēng)沙土三軸試驗(yàn)。土樣取自庫(kù)布其沙漠，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)取壓實(shí)度為95%的干密度進(jìn)行制備，成型后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所用設(shè)備系南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠生產(chǎn)的SJ-1A型應(yīng)變控制式三軸剪力儀，主要由試驗(yàn)機(jī)、測(cè)量系統(tǒng)、壓力室、制備試樣工具等4部分組成。三軸剪切采用不固結(jié)不排水(UU)的方式，圍壓分別取100 kPa、200 kPa、300 kPa，試樣直徑為39.1 mm，高為80 mm。

2 水泥固化土固化機(jī)理分析

水泥固化劑摻入風(fēng)沙土中，在水的參與下，水泥與風(fēng)沙土發(fā)生一系列作用，水泥顆粒表面的礦物質(zhì)很快與風(fēng)沙土中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，逐漸使土形成膠體、水泥水化物，其中一部分水泥水化物繼續(xù)硬化，形成早期水泥土的骨架；另一部分及其溶液與風(fēng)沙土顆粒發(fā)生反應(yīng)形成土團(tuán)粒結(jié)合形成粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步凝聚反應(yīng)形成水穩(wěn)性水化物。隨著水泥水化反應(yīng)的深入，形成堅(jiān)固的核心，在所有的空隙中形成水化水泥的致密空間網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，使得水泥固化土具有較好的整體強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水泥固化土主應(yīng)力差σ1-σ3與軸向應(yīng)變?chǔ)臿的關(guān)系

圖1 應(yīng)力應(yīng)變～εa關(guān)系曲線

表1 與εa的關(guān)系線性擬合參數(shù)a,b

在不同水泥固化劑摻量情況下，3種圍壓表現(xiàn)的規(guī)律是一致的，均表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。水泥固化劑摻量相同的情況下，隨著圍壓的增加斜率減小。

3.2 水泥摻量對(duì)水泥固化土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響

以峰值點(diǎn)或應(yīng)變值(εa=15%)來(lái)確定土的強(qiáng)度(σ1-σ3)f。

鄧肯-張模型的切線模量Et參數(shù)選取見表2。

由以上公式確定破壞比Rf、初始切線模量Ei、試驗(yàn)中的終值強(qiáng)度(σ1-σ3)f3個(gè)參數(shù)，進(jìn)而確定出鄧肯-張模型中切線模量Et的值，就可以很好地分析水泥固化風(fēng)沙土的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。

4 結(jié) 論

表2 鄧肯-張模型的切線模量Et參數(shù)選取

2)水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為雙曲線形式，符合土的非線性彈性模型中的鄧肯-張模型，因此，可以選取鄧肯-張模型作為水泥固化土的本構(gòu)關(guān)系，其中切線模量Et確定的關(guān)鍵是利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定破壞比Rf、初始切線模量Ei、試驗(yàn)中的終值強(qiáng)度(σ1-σ3)f3個(gè)參數(shù)。

3)水泥固化劑摻入風(fēng)沙土，使土中形成堅(jiān)固的核心，在所有的空隙中形成水化水泥的致密空間網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，使得水泥固化土具有較好的整體強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

[1]何真,梁文泉,李亞杰.土體固結(jié)劑(HEC)固化三峽工程棄渣試驗(yàn)[J].人民長(zhǎng)江,1999, 30(7):4-6.

[2]王鳴真.土壤固化劑在水利工程中的應(yīng)用[J].東北水利水電,1997(5):35-39.

[3]Vidal H.The principle of reinforced earth[J]．Highway research record,1969,282:1-16.

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[7]董邑寧,張青娥,徐日慶,等.ZDYT-2固化軟土試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2002,35(3):82-86.

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Researchontherelationshipcharacteristicsofcementstabilizedsoilstress-strain

ZHANG Guo-zhong, XIAO Yong, CHEN De-peng, MA Qian-hui, YANG Ting-yu

(School of Architecture and Civil Engineering, Jiamusi University，Jiamusi 154007，China)

To carry on the triaxial test of cement solidified sand soil, it analyzes the stress-strain relationship characteristics of cement stabilized soil and curing mechanism. Research shows that the stress-strain relationship under the condition of different concrete curing agent content, makes three kinds of confining pressure to serve a good linear relationship. Concrete curing agent content is the same situation, with the increase of confining pressure gradient in the decrease. Cement stabilized soil stress-strain relationship curve is hyperbola form, in line with the nonlinear elastic model of soil Duncan-chang model. Selecting Duncan-chang model as the cement stabilized soil constitutive model, the tangent modulus is determined, and the stress-strain relationship determines its damage ratio, initial tangent modulus and the strength of final three parameters. Concrete curing agent is mixed with sand soil, which forms in its solid core. The hydrated cement skeleton dense space network structure makes cement solidified soil equiped with better overall strength and water stability.

concrete curing agent;stress and strain;the tangent modulus;characteristics

2013-06-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108131)；佳木斯大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助(L2011-032)

張國(guó)忠(1969-)，男，副教授，研究方向：土體固化改良.

TU411

A

1671-4679(2014)01-0038-03

劉文霞]