不同摻量水泥改性路基土無側限特性試驗研究*

錢 彪，俞文杰，方 睿，劉 磊，姚 揚

1.同創工程設計有限公司，浙江 紹興 312000

2.紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000

1 研究背景

沿海城市經濟的迅速發展使得其周邊工程建設項目層出不窮，這就導致地表可使用面積越來越少，不再能滿足城市發展需求。填海造地是增加土地面積的方法之一，但沿海土壤大多屬于軟土，其一般具有高含水率、高孔隙比、高靈敏度、可壓縮性能較強、承載能力強度低的特性，在建設過程中這些特性會帶來許多的工程問題。常見的問題有樁基沉降位移大、基坑邊坡不穩定以及施工后建筑物的穩定性等。為了滿足工程建設的需求，施工人員往往會在工程建設施工之前對軟土地基進行相應的處理，并且采取相應的加固措施[1-4]。

近幾年來，國內外大量學者對濱海軟土的特性進行了研究，并根據軟土的應力-應變曲線關系，提出了相應的本構模型[5-6]。王偉等[7]對在不同凍融循環作用下的濱海軟土進行三軸試驗研究，發現其應力-應變曲線受凍融循環次數影響，且隨凍融循環次數的增加，其應力-應變曲線由軟化型向硬化型轉變。曾玲玲等[8]同樣對濱海軟土進行了三軸試驗，根據試驗數據，發現當固結狀態不變時，其有效應力路徑有且只有一條。同時，眾多學者發現在土壤中加入適量的纖維材料和納米材料，可以提高其力學性能[9-12]。Plé O等[13]通過一系列壓縮試驗和直接拉伸試驗對聚丙烯纖維加筋土進行研究，結果表明在壓縮試驗下，復合材料變得越來越硬。相反，在直接拉伸試驗下，纖維加筋土的延展性表現突出，可以減緩開裂速度。Tang C等[14]通過單纖維拉出試驗對聚丙烯纖維改性土的界面強度進行研究，結果表明隨著纖維含量和固化時間的增加，纖維/土壤的界面峰值強度和殘余強度均逐漸提高。并且，根據SEM試驗可知，纖維/土壤的界面剪切阻力與纖維表明粗糙度有關。有學者認為，土壤強度并不是隨著纖維含量的增加而一直增加。Yang Y等[15]對不同摻量的聚丙烯纖維改性土進行常規三軸試驗，結果顯示聚丙烯纖維改性土的強度隨著纖維含量的增加呈先增后減的趨勢，當其纖維含量為3%時，纖維的改性效果最佳。Gao L等[16]通過無側限抗壓強度試驗對納米氧化鎂改性黏土進行了研究，試驗結果表明，試樣的無側限抗壓強度隨著納米氧化硅含量的增加而增加，而隨著土壤含水率的增加而減小。不同納米材料同樣可以提高土壤的強度。Samala H R等[17]利用納米二氧化硅對軟土進行處理，并對其進行無側限抗壓強度試驗，結果表明，隨著納米SiO2含量的增加，試樣的無側限抗壓強度逐漸提高。纖維材料和納米材料可以提高路基土的力學性能，除此之外，還可以在路基土中摻入不同質量分數的水泥。Vakili A H等[18]采用水泥加固土壤的方式來彌補土壤本身強度低的缺陷。對不同含量的水泥土進行無側限抗壓強度試驗，分析試驗數據可知，在土壤中加入水泥可以提高其強度，并且水泥摻量存在一個最佳值。

以上研究表明，將一些傳統的材料和新型材料加入土壤中，可以有效改善土壤的力學性能。文章通過無側限抗壓強度試驗，研究在路基土中摻入不同質量分數的水泥后，其力學性能的改善效果，從而為水泥路基土在實際工程中的應用提供參考。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

本研究中使用的材料為路基土、水泥和水。路基土來源于紹興濱海新城江濱區，其主要物理指標見表1。水泥使用P·O42.5，水為自來水。

表1 濱海路基土的主要物理指標

2.2 試樣制備

無側限試樣的制作流程如下：首先，將路基土放置在105℃的烘箱中烘干；其次，對烘好的路基土進行粉碎，并將粉碎后的路基土過2mm孔徑的篩子；最后將適量的路基土、水泥和水放在一起攪拌，并按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999），將攪拌后的試樣放置在直徑為39.1mm、高度為80mm的塑料圓柱筒中，在試樣表面封上一層濾紙，并用橡皮筋固定，最后將試樣放入水中濕養7d。

2.3 試驗方案

在路基土，水泥和水的混合物上進行了無側限抗壓強度測試。此研究中，首先考慮了濱海軟土高含水率的問題，將含水率設定為80%（以所有混合物為基礎）。

為了獲得經水泥處理過的路基土的無側限抗壓強度，將養護后的試樣放置在全自動多功能無側限抗壓機上，將剪切速度設置為1mm/min。為避免試驗的偶然性，每組水泥摻量的無側限抗壓強度試驗重復4次。

3 應力-應變曲線

無側限抗壓試驗，剪切速度為1mm/min。三組不同水泥摻量路基土共12份試樣，測得的應力-應變數據見圖1。其中，圖1（a）是水泥摻量為10%的路基土應力-應變曲線；圖1（b）是水泥摻量為20%的路基土應力-應變曲線；圖1（c）是水泥摻量為30%的路基土應力-應變曲線。圖中CS-1～CS-4表示4份試樣分別測得的數據。剪切破壞后的試樣見圖2。

圖1 應力-應變曲線

圖2 破壞后的試樣

由圖1可知，三組水泥摻量試樣的應力-應變曲線均呈軟化型曲線，且大致可分為三個階段。（1）在加載初期階段，不同水泥摻量下的改性路基土應力-應變曲線都基本呈線性增長關系。（2）在加載中期階段，試樣應力均隨應變的增加而緩慢上升，最后達到峰值。其中，當水泥摻量分別為10%、20%和30%時，試樣的峰值強度一般分別出現在1.51%～2.51%、1.13%～1.51%以及1.14%～1.56%。（3）在加載后期階段，水泥摻量30%的改性路基土應力下降趨勢較水泥摻量10%的改性路基土平緩，殘余韌性較好。當軸向應變為8%時，各水泥摻量（10%、20%和30%）路基土的殘余應力分別為15～21kPa、13～33kPa、15～40kPa。

圖1中應力-應變曲線的峰值點即為無側限抗壓強度，每組水泥摻量的改性路基土分別可以獲得4個無側限抗壓強度值，見圖3。由于試驗時的環境、儀器的測量精度、人員的操作熟練度以及材料等因素都會造成測試數據發生一定的偏差，并不會達到完全一致，因此對圖3中12份試樣的數據進行修正，依據公式（1），計算出三種水泥摻量下路基土的無側限抗壓強度平均值分別為105kPa、186kPa和243kPa，見圖4。

圖3 不同水泥摻量改性路基土的無側限抗壓強度

圖4 不同水泥摻量改性路基土的無側限抗壓強度均值

式中：qa、qmax、qmin分別為無側限抗壓強度的平均值、最大值和最小值；n為除最大、最小值以外的試樣個數。

從圖4可知，隨著水泥摻量的增加，其強度呈線性增加。同時還發現，當水泥摻量為20%和30%時，它們的抗壓強度相對于水泥摻量10%和20%的水泥土分別提高了77%和31%。這意味著水泥摻量為20%時，其抗壓強度增幅效果最佳，而繼續增加水泥摻量，其強度增幅效果降低。結合上述三組水泥摻量對試樣強度提高幅度的變化，同時考慮經濟性，可知本研究的水泥最佳摻量為20%。

4 結論

依據上述三組水泥土的無側限抗壓強度試驗數據，可以得到如下結論：（1）將不同摻量的水泥加入路基土中，其應力-應變曲線均呈軟化型。（2）水泥土的無側限抗壓強度與水泥摻量呈線性增長的關系。（3）水泥摻量為20%時，其抗壓強度增幅效果最佳。繼續增加水泥摻量，發現其強度增幅效果降低。最后結合上述三組水泥摻量對試樣強度提高幅度的變化，同時考慮經濟性，可知本研究的水泥最佳摻量為20%。

需要說明的是，文章僅討論了短齡期下不同水泥摻量對路基土的力學性能的增強效果，該增強效果隨齡期變化的時間效應還有待進一步探究。