水泥固化土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)分析

趙燕飛

摘要：結(jié)合水泥固化土的力學(xué)性能分析需求，本文通過開展室內(nèi)三軸試驗(yàn)對(duì)固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間給土體力學(xué)性能帶來的影響展開了分析。從試驗(yàn)結(jié)果來看，相較于素土，水泥固化土擁有更高的應(yīng)力、強(qiáng)度和剛度，力學(xué)性能得到了明顯改善。隨著固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，土體軸向應(yīng)力、破壞應(yīng)力、強(qiáng)度提高系數(shù)和剛度均有所增加，因此能夠使土體力學(xué)性能得到改善。

關(guān)鍵詞：水泥固化土;室內(nèi)測試;三軸試驗(yàn)

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用水泥固化劑為固化材料，用土為鐵路路基土，屬于粗顆粒土，含水量9.5%，最大干密度為2.12g/cm?。在試驗(yàn)過程中，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，需要對(duì)土樣進(jìn)行重塑制備，先將樣品搗碎風(fēng)干^[1]。過2mm篩后，按含水量要求進(jìn)行悶料，經(jīng)過一晝夜后使樣品中水分保持均勻。采用所需水泥進(jìn)行攪拌，然后分三層進(jìn)行擊實(shí)。各層需要利用拉毛器進(jìn)行刨毛處理，避免分層問題的發(fā)生。在制樣期間，需要將干密度控制在2.12g/cm?。在試塊制作階段，需要按照95%壓實(shí)度進(jìn)行，尺寸為80mm×39.1mm。脫模后，需要采用聚乙烯塑料袋進(jìn)行封裝，然后在20±2℃、濕度55%±2%的條件下利用養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，分別開展3d、7d、28d的三軸試驗(yàn)。水泥固化土的強(qiáng)度變化速度較快，在28d能夠達(dá)到最大強(qiáng)度的95%，因此可用于開展三軸試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

開展三軸試驗(yàn)，可選用TSZ30-2.0型應(yīng)變控制型三軸剪切儀。由于試驗(yàn)采用的土樣并非是飽和土，所以可以保持1.25mm/min速率進(jìn)行試件剪切。在對(duì)試件進(jìn)行加載時(shí)，需要采用不固結(jié)不排水的方法，圍壓達(dá)到200kPa。等壓固結(jié)2h后，可以對(duì)圍壓進(jìn)行加載，然后利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)軸向應(yīng)力、強(qiáng)度提高系數(shù)等數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。為對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行客觀分析，采用素土作為空白試樣進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。對(duì)比結(jié)果固化劑摻量取值分別為0%、3%、4%、5%、6%和7%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為3d、7d、28d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固化劑摻量對(duì)土體力學(xué)性能的影響

2.1.1 對(duì)土體應(yīng)力的影響

從土體應(yīng)力變化情況來看，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d的條件下，固化劑摻量為0，素土應(yīng)力隨著應(yīng)變增加而不斷增加。而在加入固化劑后，土體應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，存在一個(gè)峰值點(diǎn)，比如在固化劑摻量達(dá)到6%的情況下，土體最大應(yīng)力為3300kPa。伴隨著固化劑摻量的增加，土體的應(yīng)力隨之提高。相較于素土，水泥固化土的應(yīng)力顯然更高。出現(xiàn)這種情況，主要是由于土的抗剪強(qiáng)度與摩擦角和粘聚力有關(guān)。加入固化劑，能夠加強(qiáng)水泥與土顆粒間氧化鈣的水化作用，促使土顆粒的粘結(jié)作用得到改善，達(dá)到固化的效果，從而使土體應(yīng)力得到提高^[2]。在應(yīng)變較小的情況下，水泥固化土與素土的應(yīng)力相差不大，就是由于初期固化劑的固化作用尚未得到充分發(fā)揮。相比較而言，素土明顯帶有加工軟化型特征，固化土則帶有加工硬化型特征。在應(yīng)力峰值點(diǎn)，存在應(yīng)力降低現(xiàn)象，屬于塑性破壞表現(xiàn)。從破壞應(yīng)力分析結(jié)果來看，相較于素土，摻入固化劑的土體擁有更大破壞應(yīng)力。伴隨著固化劑摻入量的增加，土體破壞強(qiáng)度得到了明顯提高，能夠提高0.98到2.41倍。由此可見，增加固化劑摻量，能夠使土體強(qiáng)度得到提高，繼而獲得較好工程性能。

2.1.2 對(duì)土體強(qiáng)度的影響

在對(duì)土體強(qiáng)度展開分析時(shí)，還要采用強(qiáng)度提高系數(shù)，即破壞時(shí)水泥固化應(yīng)力與破壞時(shí)素土應(yīng)力的比值。作為一個(gè)無量綱數(shù)，強(qiáng)度提高系數(shù)能夠?qū)ν馏w強(qiáng)度提高效果進(jìn)行反映。在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d，固化劑摻量由0%增加至6%的過程中，土體強(qiáng)度提高系數(shù)呈現(xiàn)出線性關(guān)系，滿足Rα=an+b，a取值0.4802，b取值0.5355，n則是固化劑摻量。

2.1.3 對(duì)土體剛度的影響

除了對(duì)土體應(yīng)力和強(qiáng)度展開分析，開展三軸試驗(yàn)也能利用割線彈性模量進(jìn)行土體剛度變化的反映。所謂的割線彈性模量，實(shí)際就是土體應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系曲線上點(diǎn)與原點(diǎn)連線的割線斜率，研究該指標(biāo)能夠使土體強(qiáng)度變形性能和剛度軟化特性得到反映^[3]。在養(yǎng)護(hù)時(shí)間不變的情況下，從水泥固化土剛度和應(yīng)變關(guān)系來看，伴隨著土體軸向應(yīng)力不斷提高，土體割線彈性模量隨之減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象，主要是由于土體發(fā)生了剛度軟化。在圍壓加載的初期，割線彈性模量迅速衰減。在軸向應(yīng)力增加的情況下，衰減速度逐漸變緩。在相同的圍壓下，相較于素土，固化體顯然擁有更高剛度。分析原因可以發(fā)現(xiàn)，摻入固化劑，能夠使水泥與土中礦物產(chǎn)反應(yīng)，促使土體發(fā)生膠結(jié)，逐步硬化，最終使土體剛度得到提高。在相同的土體軸向應(yīng)變條件下，使用更多固化劑，明顯能夠增加土體剛度。由此可見，增加固化劑摻量能夠提高土體膠結(jié)硬化程度，促使土體產(chǎn)生更強(qiáng)的膠結(jié)力，因此能夠使土體力學(xué)性能得到改善。

2.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)土體力學(xué)性能的影響

2.2.1 對(duì)土體應(yīng)力的影響

在固化劑摻量相同的情況下，無論養(yǎng)護(hù)時(shí)間如何變化，水泥固化土都表現(xiàn)出加工硬化特征，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后減小的變化趨勢。在養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加的情況下，固化土的初期強(qiáng)度有所提高，殘余強(qiáng)度也隨之增加，顯現(xiàn)出較強(qiáng)的抗變形能力。從破壞應(yīng)力變化情況來看，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加的情況下，土體破壞應(yīng)力不斷增加，應(yīng)變與應(yīng)力之間保持較好線性關(guān)系。在28d以后，水泥的抗破壞能力將較強(qiáng)，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%以上。因此實(shí)際進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免在養(yǎng)護(hù)初期進(jìn)行結(jié)構(gòu)承重，以免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生早期裂紋，給結(jié)構(gòu)后期強(qiáng)度帶來不良影響。

2.2.2 對(duì)土體強(qiáng)度的影響

從養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)土體強(qiáng)度的影響來看，無論是素土還是水泥固化土，土體強(qiáng)度都將隨著氧化時(shí)間的增加而提高。在固化劑摻量不變的條件，28d水泥固化土強(qiáng)度明顯高于7d強(qiáng)度，7d土體強(qiáng)度則比3d土體強(qiáng)度要大。

2.2.3 對(duì)土體剛度的影響

從養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)土體剛度影響來看，在固化劑摻量不變的情況下，水泥固化土剛度和應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即在土體軸向應(yīng)力不斷提高時(shí)，土體割線彈性模量不斷減小。在養(yǎng)護(hù)時(shí)間不斷增加時(shí)，土體剛度之所以增加，是由于固化劑與土體中的礦物產(chǎn)生了更進(jìn)一步的反應(yīng)。隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，將會(huì)有更多膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生，促使土體剛度得到提高。因此在相同的土體軸向應(yīng)變條件下，通過對(duì)固化土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)能夠增加土體剛度。由此可見，在固化土工程技術(shù)應(yīng)用過程中，還要加強(qiáng)土體養(yǎng)護(hù)管理，以便使土體膠結(jié)硬化程度得到提高，最終達(dá)成提高土體力學(xué)性能的目標(biāo)。

3 結(jié)語

通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，不同于天然土體和巖石，水泥固化體工程性質(zhì)較為特殊，強(qiáng)度變形取決于固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等因素。相較于素土，參加固化劑的固化體明顯擁有更高的應(yīng)力、強(qiáng)度和剛度，力學(xué)性能可以得到明顯改善。而在固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間有所增加的情況下，土體各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)得到了提高。因此在實(shí)踐工作中，還要加強(qiáng)水泥固化土的固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)工作的管理，繼而較好實(shí)現(xiàn)土體固化技術(shù)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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