水泥固化土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究

楊廷玉，張國(guó)忠，張同偉，馬千惠，肖　永，陳德鵬，王　琦

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

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水泥固化土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究

楊廷玉，張國(guó)忠，張同偉，馬千惠，肖永，陳德鵬，王琦

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

摘要：對(duì)水泥固化土進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究其力學(xué)特性，分析水泥固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變、強(qiáng)度及剛度的影響，并分析其產(chǎn)生的原因。研究結(jié)果表明：隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力不斷增加，在軸向應(yīng)變相同時(shí)偏應(yīng)力隨著水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加；破壞應(yīng)力隨著水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加；強(qiáng)度提高系數(shù)隨著水泥固化劑摻量的增加而增加；隨著軸向應(yīng)變的增加，剛度不斷衰減，加載初期剛度衰減較快，隨著軸向應(yīng)變的增加曲線逐漸趨于平穩(wěn)，在軸向應(yīng)變相同時(shí)剛度隨著水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加；水泥固化劑的摻入使得土體的強(qiáng)度、剛度及抵抗變形的能力較未加固土明顯增強(qiáng)，且隨著水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：三軸試驗(yàn)；水泥固化土；水泥；強(qiáng)度；剛度

水泥固化土是將水泥與填土材料混合形成一種復(fù)合土，水泥固化材料與土顆粒進(jìn)行凝結(jié)硬化，提高土體強(qiáng)度，減小變形，改善土體的工程特性，同時(shí)，工程造價(jià)比較低、施工期比較短，在路基工程中得到了廣泛應(yīng)用，引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。Fisher等對(duì)不同水泥固化黏性土的力學(xué)特性進(jìn)行研究[1]。Mostafa A.Ismail等對(duì)水泥土進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究，分析不同種類水泥對(duì)水泥固化土抗剪強(qiáng)度的影響[2]。Yuzhen Yu等對(duì)水泥固化土進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究，分析水泥固化土強(qiáng)度特性，試驗(yàn)表明，隨著圍壓的增加，水泥固化土峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變顯著增加，而初始模量影響較小[3]。王軍等對(duì)水泥土進(jìn)行不排水三軸試驗(yàn)研究，分析水泥土的力學(xué)特性[4]。試驗(yàn)表明，分析圍壓與水泥摻入比對(duì)水泥土強(qiáng)度、孔壓及剛度的影響。劉鑫等對(duì)水泥砂漿固化土進(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，分析不同摻砂量、水泥摻入比、含水率及砂料粒徑對(duì)水泥砂漿固化土力學(xué)特性的影響，及水泥砂漿固化土抗剪強(qiáng)度和最佳水泥砂漿固化土配比[5]。對(duì)于水泥土的力學(xué)特性的研究，及其影響因素分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者現(xiàn)已積累了一些研究[6-10]。對(duì)水泥固化土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究其力學(xué)特性，分析水泥固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變、強(qiáng)度及剛度的影響及原因。本研究對(duì)于深入了解水泥固化土的工程特性具有很好的實(shí)用價(jià)值。

1試驗(yàn)方案

1.1　試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)采用固化材料為水泥固化劑，試驗(yàn)用土為粗顆粒土，取自京哈線鐵路路基土，最優(yōu)含水量9.5%，最大干密度2.12 g/cm3。試驗(yàn)土樣按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》重塑土樣進(jìn)行制備。先將土樣搗碎風(fēng)干，然后過(guò)2 mm篩，按所需的含水量配備，悶料一晝夜，待水分均勻后備用。制樣前加入所需水泥拌勻，分三層擊實(shí)，每層層面上用拉毛器刨毛，以避免分層，控制干密度為2.12 g/cm3。試驗(yàn)尺寸H×D為80 mm×39.1 mm。將制備好的試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后上機(jī)試驗(yàn)。

1.2　試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)所用儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ30-2.0型應(yīng)變控制型三軸剪切儀。試驗(yàn)時(shí)土樣為非飽和土，剪切速率為1.25 mm/min,試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水方式加載，施加200 kPa圍壓，進(jìn)行等壓固結(jié)2 h后，進(jìn)行加載試驗(yàn)。在加載過(guò)程中，軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變、孔壓等試驗(yàn)數(shù)據(jù)由電腦采集自動(dòng)處理。試驗(yàn)分水泥固化土和素土兩種情況，以資對(duì)比，具體工況見(jiàn)表1。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

從圖1水泥固化劑摻量對(duì)水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響可知，在小應(yīng)變段，水泥固化土與素土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線比較接近，說(shuō)明初始段水泥固化劑作用尚未發(fā)揮。隨著應(yīng)變的增加，水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線高于素土，并且隨著水泥固化劑摻量的增加，水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線越來(lái)越高，說(shuō)明水泥固化劑的摻入可很好地提高土體強(qiáng)度，且隨著水泥固化劑摻量的增加，水泥固化土強(qiáng)度越強(qiáng)。素土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為加工軟化型特征，隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力不斷增加，不存在峰值點(diǎn)，也沒(méi)有應(yīng)力降。不同水泥固化劑摻量的固化土，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)一致，均表現(xiàn)為加工硬化型特征，隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力先增加后減小，存在一個(gè)應(yīng)力峰值點(diǎn)，有明顯的應(yīng)力降現(xiàn)象，破壞表現(xiàn)為塑性破壞。

表1　水泥固化土三軸試驗(yàn)參數(shù)

圖1　水泥固化劑摻量對(duì)水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

從圖2養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的影響可知，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線性狀是相同的，均表現(xiàn)為加工硬化型特征，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線越高，水泥固化土的初期強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均明顯提高，抵抗變形的能力增強(qiáng)。

圖2　養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

2.2　破壞應(yīng)力分析

從表2和圖3水泥固化劑摻量對(duì)水泥固化土下的水泥固化土破壞應(yīng)力的影響可以看出，水泥固化土破壞應(yīng)力明顯大于素土，摻入水泥后土體的力學(xué)性能得到改善，破壞強(qiáng)度提高0.98~2.41倍。可以看出，隨著水泥固化劑摻量的增加，破壞應(yīng)力不斷增加，說(shuō)明水泥固化劑摻量越多，水泥固化土的強(qiáng)度越高，工程性能越好。

表2　水泥固化土破壞應(yīng)力、強(qiáng)度提高效果系數(shù)

圖3　水泥固化劑摻量對(duì)水泥土破壞應(yīng)力的影響

從圖4養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥固化土的破壞應(yīng)力的影響可以看出。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥固化土破壞強(qiáng)度越來(lái)越大，基本呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。說(shuō)明養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)水泥土抵抗破壞的能力越強(qiáng)，后期強(qiáng)度越高，但一般養(yǎng)護(hù)28 d以后，水泥土的強(qiáng)度基本達(dá)到90%以上。因此，在養(yǎng)護(hù)初期應(yīng)盡量避免承重，水泥土?xí)霈F(xiàn)早期裂紋，影響水泥土后期強(qiáng)度。

圖4　養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥土破壞應(yīng)力的影響

2.3　強(qiáng)度提高系數(shù)分析

強(qiáng)度提高系數(shù)Rσ是用來(lái)評(píng)價(jià)水泥固化劑對(duì)土體強(qiáng)度提高效果的指標(biāo)，是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)。

(1)

式中:(σ1-σ3)fg為破壞時(shí)水泥固化土應(yīng)力；(σ1-σ3)fs為破壞時(shí)素土應(yīng)力。

從表2和圖5水泥固化劑摻量對(duì)水泥固化土強(qiáng)度提高系數(shù)的影響可以看出，隨著水泥固化劑摻量的增加，水泥固化土的強(qiáng)度提高系數(shù)不斷增加，呈線性關(guān)系。

(2)

其中：n為水泥固化劑摻量，干土重的百分率，強(qiáng)度提高系數(shù)與水泥固化劑摻量線性關(guān)系斜率為a，a=0.480 2，截距為b,b=0.535 5。

圖5　水泥固化劑摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度提高系數(shù)的影響

2.4　剛度軟化性能分析

在三軸試驗(yàn)中粗粒土的剛度常用割線彈性模量E來(lái)表示，割線彈性模量E為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上點(diǎn)與原點(diǎn)連線得到的割線斜率來(lái)計(jì)算。本文除了研究水泥固化土的強(qiáng)度變形方面的性能，還擴(kuò)展到剛度軟化特性的研究，此部分對(duì)于水泥土的研究尚缺乏。從圖6和圖7不同水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下水泥土剛度與應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，隨著軸向應(yīng)變的增加，割線彈性模量成衰減趨勢(shì)，即發(fā)生了剛度軟化現(xiàn)象，且在加載初期割線彈性模量E衰減比較快，然后隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加曲線趨于平穩(wěn)。當(dāng)圍壓相同時(shí)，水泥固化土剛度明顯高于素土，這是因?yàn)樗喙袒瘎┑膿饺?，水泥和土中礦物發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使土體膠結(jié)硬化，使得土體的剛度增加。

由圖6可知，軸向應(yīng)變相同時(shí)，隨著水泥固化劑摻量的增加剛度不斷增加，說(shuō)明水泥固化劑摻量越多，膠結(jié)硬化程度越好，膠結(jié)力越強(qiáng)，土體剛度就越大。

圖6　不同水泥固化劑摻量下水泥土剛度與應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖7可知，軸向應(yīng)變相同時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加剛度不斷增加，說(shuō)明養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，水泥固化劑與土顆粒中礦物反應(yīng)越充分越徹底，故而，強(qiáng)度越高，剛度越大。

圖7　不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下水泥土剛度與應(yīng)變關(guān)系曲線

3結(jié)論

1)素土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為加工軟化型，水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為加工硬化型，破壞形式為塑性破壞。

2)隨著應(yīng)變的增加，水泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線明顯高于素土，且隨著水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線越來(lái)越高，說(shuō)明水泥固化劑的摻入可很好地提高土體強(qiáng)度，隨著水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥固化土的強(qiáng)度增強(qiáng)。

3)水泥固化土破壞應(yīng)力明顯大于素土，摻入水泥后土體的力學(xué)性能得到了很好的改善，強(qiáng)度提高

0.98~2.41倍。隨著水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，破壞應(yīng)力不斷增加，說(shuō)明水泥固化劑摻量越多，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，水泥固化土的強(qiáng)度越高，工程性能越好。

4)隨著水泥固化劑摻量的增加，水泥固化土的強(qiáng)度提高系數(shù)不斷增加，呈線性關(guān)系。

5)隨著軸向應(yīng)變的增加，割線彈性模量成衰減趨勢(shì)，即發(fā)生了剛度軟化現(xiàn)象，且在加載初期割線彈性模量E衰減比較快，然后隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加曲線趨于平穩(wěn)。當(dāng)圍壓相同時(shí)，水泥固化土剛度明顯高于未加固土，隨著水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，相同軸向應(yīng)變時(shí)水泥固化土的剛度不斷增加。

綜上所述，水泥固化劑的摻入使得土體的強(qiáng)度、剛度及抵抗變形的能力較未加固素土明顯增強(qiáng)，且隨著水泥固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增強(qiáng)。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Laboratory triaxial test of cement stabilized soil research

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

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

Abstract：Triaxial compression tests are carried out to investigate the mechanical properties of cement stabilized soils. In this study, influences of cement content and curing time on the strength and stiffness of cement stabilized soils are taken into account, and influence mechanism is analyzed. Test results show that deviatoric stress of cement stabilized soils increases with increasing axial strain, and also increases with increasing cement content and curing time at same strain. Failure stress increases with increasing cement content and curing time. Strength increasing coefficient increases with increasing cement content. As axial strain increases, stiffness involves a continuous attenuation. At the beginning, stiffness has a sharp decline, and then the attenuation rate gradually tends to a smooth stage as axial strain increases. At the same time, stiffness increases with increasing cement content and curing time. The inclusion of cement in soils significantly enhances the strength, stiffness and non-deformability of soils, which are proportional to the cement content and curing time.

Key words：triaxial test;cement stabilized soil;cement;strength;stiffness

作者簡(jiǎn)介：楊廷玉(1967-)，男，副教授，研究方向：土體固化劑加固技術(shù).

基金項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助(20140222038)；佳木斯大學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目資助(12Z1201522)

收稿日期：2015-07-25

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-4679(2015)06-0026-04