水泥土抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗研究

阮波，彭學(xué)先，鄧林飛

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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水泥土抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗研究

阮波，彭學(xué)先，鄧林飛

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

摘要:采用三軸不固結(jié)不排水試驗方法，分別研究水泥摻入比為10.7%，13.7%和16.7%的水泥土在14，28和90 d齡期的抗剪強(qiáng)度。試驗結(jié)果表明，水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.56%～5.31%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，峰值強(qiáng)度不斷變大，峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變卻不斷減小。隨著水泥摻入比和齡期的增大，水泥土較原狀土而言，黏聚力從11.2 kPa提高到797.2 kPa，提高了9.0～71.0倍，內(nèi)摩擦角從23.8°提高到38.4°，提高幅度為1.1～1.7倍。本文的研究成果可為實際工程中水泥土攪拌樁的設(shè)計和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：水泥土；三軸壓縮試驗；應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；粘聚力；內(nèi)摩擦角；摻入比；齡期

水泥加固土具有最大限度利用原位土，攪拌時無振動和無噪聲，對環(huán)境影響較小，加固形式靈活、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，因此在各類軟土地基處理工程中得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者對水泥土進(jìn)行了大量研究，Kaniray等[1]研究了水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期及含水率之間的關(guān)系；Janiraj等[2]研究了水泥加固軟質(zhì)黏土的物理力學(xué)特性，討論了軟質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、承載比與水泥摻入比關(guān)系；歐明喜等[3]通過水泥土三軸疲勞試驗，研究了水泥摻量、加載頻率和循環(huán)周數(shù)對水泥土疲勞特性的影響規(guī)律；王星華[4]對水泥土的固化過程進(jìn)行了微觀研究；周麗萍等[5]對粉質(zhì)黏土水泥土進(jìn)行了研究，提出了水泥土在單軸受壓條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的本構(gòu)方程。阮錦樓等[6-7]研究了水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素及機(jī)理。水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)對復(fù)合地基設(shè)計和路基穩(wěn)定性分析具有很大作用，而國內(nèi)外學(xué)者對之研究較少，本文結(jié)合黔張常鐵路某軟土地基處理工程，通過不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗，對水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究。

1試驗研究

1.1試驗材料

試驗所用的土樣來自黔張常鐵路某軟土地基處理工程，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。選取的水泥為普通的425#的硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表1　原狀土物理力學(xué)性質(zhì)

表2　水泥化學(xué)參數(shù)

1.2試驗方案

由于現(xiàn)場設(shè)計的水泥攪拌樁樁徑為0.5 m，設(shè)計的水泥摻入比為55 kg/m,換成濕土摻入比aw(式(1)所示)為13.7%，設(shè)計水灰比為1.0。試驗所用的儀器為TSZ-1全自動三軸儀試驗采取應(yīng)變控制方式，三軸試驗方法為不固結(jié)不排水試驗，剪切控制在速率為0.640 mm/min，軸向應(yīng)變控制為15%。同時，為了保證試驗的準(zhǔn)確性，每組試樣制作6個。試驗方案見表3所示。

(1)

式中：aw為濕土摻入比，%；mc為水泥的質(zhì)量，kg；ms為濕土的質(zhì)量，kg。

表3　試驗方案

1.3試樣制備

土樣風(fēng)干、碾碎、過2 mm篩，然后按照上述的水泥摻入比、水灰比和含水率要求分別稱取適量的水泥、水。按照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T233—2011)[8]規(guī)定：將風(fēng)干土和水泥先拌合均勻，灑水并攪拌至20 min。將水泥漿拌合物分兩次插倒、振實、刮平制作成高度為80 mm，直徑為39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，注意成型時間不能超過25 min。經(jīng)過24 h之后進(jìn)行脫模，標(biāo)號后放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為:溫度為(20±2) ℃，相對濕度≥95%，養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后進(jìn)行試驗。

2試驗結(jié)果及分析

2.1水泥土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖1為試樣在不同水泥摻入比aw和不同齡期t下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，各組試樣的試驗結(jié)果見表4所示。

(a)aw=10.7%，t=14 d；(b) aw=10.7%，t=28 d；(c) aw=10.7%，t=90 d；(d) aw=13.7%，t=14 d；(e)aw=13.7%，t=28 d；(f)aw=13.7%，t=90 d；(g) aw=16.7%，t=14 d；(h) aw=16.7%， t=28 d；(i)aw=16.7%， t=90 d圖1　各組水泥土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 Curves of stress versus strain of cement stabilized soil

從圖1中可以看出：應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，曲線大致可以分為3個階段：第1階段從起始點到應(yīng)力峰值點的曲線上升段，該階段偏差應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，只是到峰值點附近時增加幅度變緩。第2階段，從應(yīng)力峰值點到殘余強(qiáng)度點曲線下降段，該階段應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而減小，結(jié)束時沒有出現(xiàn)反彎點，大部分平緩下降。第3階段，為殘余強(qiáng)度持續(xù)階段，該階段隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力變化幅度不大，試樣產(chǎn)生較大的塑性變形。另外，結(jié)合試驗過程中試樣變形情況可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣破壞時，它仍可以承受一定的壓力，說明此時試樣仍然存有殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變。

2.2水泥土的峰值強(qiáng)度及其對應(yīng)的應(yīng)變

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系反應(yīng)了試樣在受到荷載作用后，水泥土內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生的相互力的作用，以及由此產(chǎn)生的相應(yīng)的變形。對于水泥土攪拌樁而言，特別要注重的是其峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度以及峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變，表4為水泥土峰值強(qiáng)度及其對應(yīng)的應(yīng)變關(guān)系。

表4　水泥土的峰值強(qiáng)度及其對應(yīng)的應(yīng)變

由圖1和表4可以發(fā)現(xiàn)，隨著軸向應(yīng)變的增加，水泥土的應(yīng)力也在不斷增加。在上升階段，不同圍壓的下的四條曲線的并未分離，曲線原點的切線斜率幾近相同，但圍壓變大，切線斜率則表現(xiàn)越陡，快接近峰值強(qiáng)度時，曲線逐漸分離。峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變一般較小，變化范圍在1.56%～5.31%。隨著齡期的增長，峰值強(qiáng)度在不斷變大，其峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變在不斷減小，說明水泥土試樣在向脆性發(fā)展。殘余強(qiáng)度保持階段，應(yīng)變持續(xù)時間較長，同時殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的比值也在不斷縮小。

2.3水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

2.3.1水泥土的強(qiáng)度包絡(luò)線及抗剪參數(shù)

在τ-σ平面上繪制摩爾應(yīng)力圓，并繪制幾個圓的公切線就可以得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的黏聚力c和摩擦角φ，水泥土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如圖3所示。

2.3.2水泥土的抗剪參數(shù)

表5為水泥土抗剪強(qiáng)度參數(shù)及水泥土與原狀土抗剪參數(shù)之間的比較。

表5　各組試樣的抗剪強(qiáng)度與原狀土的比值

(a)aw=10.7%，t=14 d；(b) aw=10.7%，t=28 d；(c) aw=10.7%，t=90 d；(d) aw=13.7%，t=14 d；(e)aw=13.7%，t=28 d；(f)aw=13.7%，t=90 d；(g) aw=16.7%，t=14 d；(h) aw=16.7%， t=28 d；(i)aw=16.7%， t=90 d圖3　各組水泥土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.3 Shear strength envelope of cement stabilized soil

表5反映各組試驗的抗剪指標(biāo)，每組的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.99以上，說明試驗結(jié)果可靠性好。隨著水泥摻量的增加，水泥土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善。隨著水泥摻入比和齡期的增大，水泥土較原狀土黏聚力提高很大，幅度達(dá)到了9.0～71.0倍，而水泥土內(nèi)摩擦角提升幅度較小，較原狀土而言提升了1.1～1.7倍。上述結(jié)果說明水泥的摻加對土的水泥土可以起到明顯的加固增強(qiáng)效果。

圖4和圖5反映了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系。

(a)c與aw關(guān)系；(b)φ與aw關(guān)系圖4　抗剪強(qiáng)度與水泥摻入比aw之間關(guān)系Fig.4 Relation between shear strength and cement mixing ratio

(a)c與t關(guān)系；(b)φ與t關(guān)系圖5　抗剪強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期t之間關(guān)系Fig.5 Relationship between shear strength and curing age

圖4和圖5反映了抗剪強(qiáng)度隨著水泥摻入比和齡期的變化關(guān)系，隨著摻入量的增大，黏聚力逐漸增大，相應(yīng)的摩擦角逐漸減小，且隨著齡期的變大，這種變化幅度尤為明顯，內(nèi)摩擦角和齡期之間存在對數(shù)規(guī)律，規(guī)律性不是很強(qiáng)，而黏聚力在前期發(fā)展較快，后期增大速度變緩。這是由于水泥摻入量越大，它與土顆粒間的水解和水化作用就越明顯，生成的硅酸鈣、硅鋁酸鈣和膠凝物也就充斥在土顆粒中，其強(qiáng)度自然而然越高。一般在實際工程中，水泥摻量不能太多也不能太少。若太多，則形成的水泥土強(qiáng)度很大，其壓縮模量也比較高，其構(gòu)成的水泥土攪拌樁在外部荷載的作用下，樁體本身承載的荷載較多，位移相對較小，而樁周土壓縮模量小，承擔(dān)的荷載較小，從而樁土的應(yīng)力比較大，不利于復(fù)合地基的整體穩(wěn)定性。若太少，水泥土強(qiáng)度不高，樁體的承載能力較低。因此在設(shè)計過程中要結(jié)合實際地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)原因。

3結(jié)論

1)水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.56%～5.31%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，峰值強(qiáng)度在不斷變大，峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變卻在不斷減小，水泥土試樣在向脆性發(fā)展。

2)隨著水泥摻入比和齡期的增大，水泥土較原狀土粘聚力提高很大，幅度達(dá)到了9.0～71.0倍，而水泥土內(nèi)摩擦角提升幅度較小，較原狀土而言提升了1.1～1.7倍。

3)隨著摻入量的增大，黏聚力逐漸增大，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角逐漸減小，且隨著齡期的變大，這種變化規(guī)律尤為明顯。

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Experimental study on shear strength parameters of cement-soilRUAN Bo, PENG Xuexian, DENG Linfei

( School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

Abstract:In this paper, a series of samples were prepared and subjected to the triaxial compression test in order to research the shear strength parameters of cement-soil when the cement ratio respectively were 10.7%, 13.7% and 16.7%, and the age respectively were 14 d, 28 d and 90 d. The results indicate that curves of stress versus strain of cement stabilized soil performance strain softening model. With the increase of curing age, the corresponding strain of peak intensity decreases and range between 1.56% ～ 5.31%. Peak intensity increases, but the peak intensity corresponding strain have been continuously reduced. With the increase of cement mixing ratio and ages, cohesive force of cement-soil relatively increased by 9.0 ～ 71.0 times from 11.2 kPa to 797.2 kPa as well as friction angle increased 1.1 ～ 1.7 times from 23.8° to 38.4° in comparing with the undisturbed soil. The rearch result of this paper can provide reference for practical engineering of cement-soil mixing pile’s design and construction.

Key words:cement soil; triaxial compression test; relationship between stress and strain; cohesive; friction angle; mixing ratio; age

中圖分類號：TU 411.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0662-07

通訊作者：阮波(1972-)，男，河南新縣人，副教授，博士，從事巖土工程方面的研究；E-mail:421084359@126.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(50678175)

收稿日期：2015-11-24