水泥土單軸抗拉強度試驗研究＊

朱崇輝 王增紅

（西北農林科技大學水利與建筑工程學院 楊凌 712100）

0 引 言

將水泥摻入土中加水拌和壓實以固化土體，增強土體的工程力學性能的水泥土研究始于20世紀初的日本和美國［1－2］，20世紀70年代，我國才開始水泥土的工程性質理論和應用研究．

從目前國內外水泥土的研究成果來看，主要集中在水泥土的抗壓強度與齡期、水泥摻量、含水率關系方面．隨著電子顯微鏡掃描技術的發展，水泥土微觀結構隨時間變化機理方面研究也逐漸興起［3］．

在水泥土抗壓強度與齡期關系研究方面，葉觀寶［4］通過大量試驗得出了水泥土強度與齡期成指數相關的結論．在水泥土抗壓強度與水泥摻量關系研究方面，F．Gallavresi［5］提出了水泥土強度與水泥摻量的回歸分析表達式；G．Lorenzo等［6］在考慮水泥摻量的同時，還引入了孔隙比參數，得出了水泥土強度修正經驗公式；Lee F H等［7］提出了水泥土強度與水、水泥、土的比例關系試驗公式；湯怡新等［8］在水泥土強度與水泥摻量關系研究方面也得出了不同的回歸方程．在水泥土抗壓強度與含水率關系研究方面，張家柱等［9］進行過試驗研究，由于研究重點不同，結論不盡相同．在微觀結構變化機理研究方面，劉順妮［10］等研究者，通過電子顯微鏡、X射線衍射儀、化學分析、電阻率測定等儀器和技術手段，研究了水泥土的微觀結構變化機理和過程．

對于水泥土抗拉強度研究，目前文獻成果還很少，原因在于研究手段不足．為了獲得水泥土更精準的直接抗拉強度及其變化規律，課題組自行設計了水泥土單軸拉伸儀，對黃土拌合的水泥土，進行了不同水泥摻量和齡期的單軸直接抗拉強度試驗研究．

1 水泥土單軸抗拉強度試驗研究

1．1 水泥土單軸拉伸儀設計

參照粘性土的抗拉強度試驗，測定水泥土抗拉強度的試驗方法主要有5種，包括土梁彎曲法、軸向壓裂法、徑向壓裂法、三軸拉伸法、單軸拉伸法．前3種為間接測定法，后2種為直接測定法．間接測定法操作簡單，但測定結果不能直接反映其實際抗拉強度，直接測定法、特別是單軸拉伸法測定結果物理意義直接明了，但拉伸儀器與土樣間的合理連接和制樣密度的均勻性問題是目前單軸拉伸試驗的技術難題．

為此，課題組設計了水泥土單軸拉伸儀，解決了已有一些單軸拉伸方法所用試樣夾具不合理或采用膠粘拉伸試驗帶來試驗結果不準確問題．自行設計的拉伸儀器結構原理見圖1，設計思想為：將水泥土樣制成密度均勻、中間細、兩端粗的異形樣，將異形水泥土樣固定在如圖1所示的一對與水泥土樣外形完全吻合的對開拉伸儀中拉伸，保證土樣完全沿著中間細部斷裂，從而精準測定出水泥土的單軸抗拉強度．試驗證明，效果比較理想，單軸拉伸斷裂效果實物照片見圖2．

圖1 水泥土單軸拉伸儀結構示意圖

圖2 單軸拉伸斷裂效果實物照片

1．2 試樣制備與試驗

土料取自陜西省楊凌工業園區以北的崔西溝黃土苔原，通過測試，土的基本物理參數為：天然含水率12．8%，土粒相對密度2．71，液限34．5%，塑限17．7%，塑性指數16．8．按《土工試驗規程》［11］（SL237－1999）中塑性圖分類屬低液限粘土（黃土）．水泥為陜西秦嶺水泥股份有限公司生產的秦嶺牌425JHJ普通硅酸鹽水泥．

水泥摻量（aw）按干水泥與干土質量分數計算，制樣含水率參考前期不同水泥摻量水泥土擊實試驗最優含水率配水，將試樣所需全部水量分層噴灑入過2mm篩后的素土中悶制24h后拌勻．制樣前將每個試樣對應的水泥量摻入土中拌勻后立即進行制樣，不同齡期水泥土試樣水泥摻量均為10%，干密度控制為1．70g／cm3，同一齡期不同水泥摻量水泥土試樣干密度按前期擊實結果最大干密度乘0．98的壓實系數控制，試驗齡期為7d．拉伸試樣的制樣不能采用分層擊實法制樣，否則會出現試樣分層現象，造成人為軟弱結構面，只能采用靜壓法一次成型．初期制樣發現，采用三軸飽和器對壓法制樣，由于土樣長度較大，靜壓過程中，由于兩端行程大，因邊壁摩擦效應，試樣密度出現兩端大，中間小的不均勻狀態．為保證試樣密度均勻，后來采用方形模具，從短邊方向對壓成型，使土樣在靜壓過程中行程最短，從而保證了試樣密度均勻．試樣制好后放入標準養護箱內養護2d后，采用專門模具將試樣削制成中間細、兩端粗，并且與拉伸夾具外形完全吻合的異形試樣，然后養護至設定的齡期進行試驗．

將試樣放入單軸拉伸儀中，利用普通三軸儀的應力應變測試系統，進行水泥土試樣不同狀態的單軸直接拉伸試驗，試驗采用應變控制法進行，拉伸速度為0．002mm／s，應力和應變均采用大量程的千分表測量．

2 結果分析

試驗結果中，應力按拉力除以試樣受拉面最小的中間部分面積計算，應變按變形量除以中間細部斷面長度計算．將不同水泥摻量、齡期的水泥土試樣試驗結果見圖3～8．

圖3 不同齡期σ－ε曲線

圖4 σu－t曲線

圖5 εu－t曲線

圖6 不同水泥摻量σ－ε曲線

圖7 σu－aw 曲線

圖8 εu－aw 曲線

水泥土不同齡期單軸拉伸σ－ε曲線圖3顯示，在水泥摻量和干密度一定情況下，水泥土不同齡期的單軸抗拉強度σ－ε曲線較密集，且幾乎為一組向上翹曲的平行曲線．說明該種情況下，水泥土表現為彈性材料特征，齡期越長的曲線位于上方，說明在拉伸過程中，相同應變條件下，齡期越長，應力越大；曲線向上翹曲，表明隨應變增加，水泥土的彈性模量增大，彈性表現更加突出，試樣破壞均表現為脆性斷裂破壞．將不同齡期試樣拉伸破壞時的極限應力（σu）和極限應變（εu）整理為圖4和圖5所示的σu－t和εu－t關系曲線．σu－t關系曲線圖4顯示，干密度和水泥摻量相同的水泥土，隨齡期的延長，單軸直接拉伸破壞強度提高，提高幅度隨齡期延長逐漸變緩，前期強度增長較快，7d齡期抗拉強度已基本達到90d齡期強度的70%以上．對干密度和含水率與水泥土相同的素土單軸拉伸試驗顯示，素土單軸直接抗拉強度為28 kPa，極限應變為3．4%，而水泥摻量為10%的3～90d齡期的水泥土，單軸直接抗拉強度在100～200kPa之間，比素土單軸抗拉強度顯著提高．10%水泥摻量不同齡期的水泥土，拉伸破壞時的εu－t曲線圖5顯示，隨齡期的延長，極限應變增加，增加幅度同樣隨齡期延長而變緩，極限應變與極限應力變化具有相同趨勢．

不同水泥摻量水泥土σ－ε曲線見圖6，在相同壓實度條件下，7d齡期不同水泥摻量的水泥土，應力應變曲線同樣為上翹曲線，隨水泥摻量不同，翹曲弧度隨水泥摻量增加而增大，表明水泥土隨水泥摻量增加，彈性性質表現更加顯著．隨拉應力的和拉應變的增加，水泥摻量越大的水泥土上翹弧度更大，表明彈性模量增大，水泥土的彈性性質表現更加突出，不同水泥摻量的水泥土單軸拉伸破壞也均表現為脆性破壞，無殘余變形和殘余強度．σu－aw曲線圖7顯示，隨水泥摻量增加，單軸直接拉伸強度逐漸增大，但增大幅度顯著不同，在水泥摻量為10%左右出現跳躍式增長，在σu－aw曲線上出現拐點現象，此現象表明：當水泥摻量增大到10%左右時，水泥土內部出現顯著微觀結構變化，出現了連續的水泥網紋結構．圖8εu－aw曲線表明，隨水泥摻量增加，水泥土單軸拉伸極限應變逐漸增大，增大弧度變緩并趨于穩定．不同情況的水泥土拉伸試樣破壞時的極限應變可達到8%～13%，較素土拉伸極限應變也顯著增強．

綜合水泥土隨水泥摻量和齡期的變化過程，猶如地表沉積巖形成過程，水泥的作用如同沉積巖中膠結物的作用．沉積巖中膠結物對巖石的固結效率是十分緩慢的，往往需成千上萬年甚至更長時間，而水泥的膠結效率在時間反應方面顯著加強，一般在數天或數周就能完成，水泥具有加速土體固化的顯著功能，在土中加入水泥形成水泥土的過程，實際上是一種硅質膠結的人工快速造巖過程．

3 結 論

1）在水泥土干密度、水泥摻量保持一定的條件下，單軸拉伸強度和極限應變隨齡期延長而增長，增長弧度逐漸減小并逐漸趨于穩定．

2）在水泥土齡期一定條件下，單軸拉伸強度和極限應變隨水泥摻量增加而增大，水泥摻量增大到10%左右，水泥土內部出現連續水泥網紋結構，單軸拉伸強度出現跳躍性增長．

3）不同情況的水泥土拉伸試樣，破壞時的極限應力和應變較素土都顯著增強，屬脆性斷裂拉伸破壞，水泥在水泥土固化過程中的作用猶如沉積巖中的膠結物作用，在土中加入水泥形成水泥土的過程，實際上是一種硅質膠結的人工快速造巖過程．

本文主要從水泥摻量、齡期方面定性探討了以黃土拌合的水泥土單軸拉伸破壞的宏觀變化規律，土的類別、水泥型號、養護條件等因素也會是影響水泥土單軸抗拉強度的重要因素，其作用大小，建議繼續深入研究．

［1］樊恒輝，高建恩，吳普特．土壤固化劑研究現狀與展望［J］．西北農林科技大學學報：自然科學版，2006，34（2）：141－142．

［2］李彥智．水泥土工程性能實驗研究［D］．北京：中國地質大學，2006．

［3］楊 濱．水泥土強度規律研究［D］．上海：上海交通大學，2007．

［4］葉觀寶．深層攪拌樁加固軟基的試驗研究與分析［D］．上海：同濟大學，1991．

［5］GALLAVRESI F．Grouting improvement of foundation soils，Proceedings of grouting，Soil improvement and geosynthetics［J］．ASCE，1992，1：1－38．

［6］LORENZO G，BERGADO D T．Fundamental parameters of cement－admixed clay－new approach［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2004，130（10）：1042－1050．

［7］LEE F H，LEE Y，CHEW S H，et al．Strength and modulus of marine clay－cement mixes［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131（2），178－186．

［8］湯怡新，劉漢龍，朱 偉．水泥固化土工程特性試驗研究［J］．巖土工程學報，2000，22（5）：549－554．

［9］張家柱，程 釗，余金煌．水泥土性能的試驗研究［J］．巖土工程技術，1999（3）：38－40．

［10］劉順妮，林宗壽，陳云波．高含水量黏土固化劑的研究［J］．巖土工程學報，1998，20（4）：72－75．

［11］南京水利科學研究院．土工試驗規程SL237—1999［S］．北京：中國水利水電出版社，1999．