水泥-礦渣固化黃土的抗剪強度探討

李俊

摘要：黃土中添加一定數量的水泥和礦渣不僅能改良黃土的力學性能，而且實現了廢料的再利用，因而水泥-礦渣固化黃土廣泛用作各類基礎設施的建設材料。釆用三軸剪切試驗手段，研究水泥-礦渣固化黃土的強度特性。試驗結果表明：三軸剪切過程中偏應力峰值和固化黃土中無機結合材料的摻量有關，水泥-礦渣摻量越多偏應力峰值越大;水泥-礦渣摻量增加時，壓縮過程中平均法向有效應力的峰值越大;固化黃土的屈服應力面隨水泥-礦渣摻量的增加而增大。所得結果為水泥-礦渣固化黃土的設計施工提供借鑒。

關鍵詞：黃土;水泥-礦渣固化黃土;抗剪強度

中圖分類號：TU476文獻標志碼：A

黃土主要分布在東亞、中亞、中歐及美國中西部'成，自然狀態的黃土強度較高、穩定性好，但遇水后會出現較大的變形、強度降低;且當黃土充分浸水后土的結構發生破壞，在自重應力或附加應力作用下出現顯著的附加變形，這種現象稱為黃土的濕陷官。黃土的濕陷會引發邊坡滑塌、地基沉降等工程事故，這些事故對人們的生命財產安全構成了嚴重威脅網，因此，采用無機結合材料固化黃土以提高其強度和穩定性很有必要51。水泥固化黃土雖然早期強度高，但由于黃土的塑性指數較高，固化黃土的溫度收縮和干燥收縮大;而工業廢渣（粉煤灰、礦渣、煤砰石）固化黃土的強度高、穩定性好及收縮小團。本論述中采用的礦渣，是冶煉生鐵的廢渣磨成的一種細粉，作為固化材料在穩定土體中已得到廣泛應用。因此，水泥-礦渣固化黃土可作為路面基層和建筑物地基。本論述對水泥-礦渣固化黃土的力學性質進行研究，探索固化黃土剪切特性及屈服特點，對黃土地區基礎設施建設提齢考。

1試驗原材料及配合比

1.1試驗材料

試驗用黃土取自甘肅蘭州九州某一基坑，將天然黃土風干、用木槌碾碎，最后過0.5 mm孔徑的標準篩。采用標準方法測試黃土的比重、界限含水量3，所得黃±的基本物理參數見表1所列。水泥和礦渣購自某有限公司，比重分別為2.59和2.89，利用X衍射測得水泥、黃土及礦渣的化學成分見表2和表3所列，礦渣的基本物理參數由廠家提供見表4所列。

1.2配合比及試樣制作

根據固化黃土在工程中的使用情況，水泥和礦渣的比例（質量比）擬定為2.33，黃土的含量分別為90%（1類）和70%（II類），具體的配合比如表5所列。不同配合比下水泥礦渣穩定黃土的最佳含水量和最大干密度通過標準擊實實驗得出[12]。試樣制作時采用內徑61.8 mm、高125 mm的中空圓柱形模具，利用手動液壓千斤頂提供動力采用靜壓法壓實試樣'[12]。試樣制備時首先計算制作1個試樣時所需混合物的質量，再按照配合比計算制備一個試樣所需水泥、礦渣、黃土和水的質量并稱量，將所稱量的礦渣、水泥和黃土倒入攪拌鍋中并快速攪拌90 s，保證固化黃土混合物攪拌均勻，接著加入去離子水繼續攪拌均勻為止，接著把混合物均勻的分為5份，依次往金屬模具中倒入每份混合物、壓實每層混合物。最后，將壓實的試樣脫模后貼上標簽并放入溫度20±2℃、濕度95%以上的養護箱中養護28 d。

2三軸剪切試驗方法

三軸剪切試驗能夠模擬水泥-礦渣固化黃土在工程中的實際受力情況，是固化黃土力學性質的常用測試方法，筆者采用固結排水剪切試驗測試水泥-礦渣固化黃土的抗剪強度特性。試驗設備采用TT-ATS2全自動三軸儀，該設備可實現各向同性固結和抗剪強度的測試。

3試驗結果與分析

3.1應力應變

3.1.1 I類固化黃土

不同圍壓條件下I類水泥-礦渣固化黃土的應力應變曲線如圖1所示。由圖1可知：隨著剪切過程的進行，不同圍壓作用下偏應力逐漸增加，到達峰值后迅速減小，圍壓越大對應的偏應力峰值越高。

3.1.2 II類固化黃土

II類水泥-礦渣固化黃土的應力應變曲線如圖2所示。由圖2可以看出隨著剪應變的增加，偏應力q逐漸增加，到達某一峰值后迅速減小。比較兩類固化黃土，發現II類固化黃土的偏應力峰值遠大于I類，這主要和黃土中的無機結合材料摻量有關，當水泥-礦渣摻量越大時，偏應力峰值越大。

3.2有效應力

3.2.1I類固化黃土

不同圍壓作用下三軸試驗過程中I類固化黃土平均法向有效應力的變化如圖3所示。由圖3可知在剪切過程中比容首先增大然后逐漸變小，隨著施加圍壓的增大，對應平均法向有效應力的峰值變大。

3.2.2II類固化黃土

剪切過程中II類固化黃土平均法向有效應力的變化如圖4所示。由圖4得出比容先增大，達到峰值后逐漸減小。比較圖3和圖4，可知II類固化黃土的平均法向有效應力大于I類，說明水泥-礦渣摻量越大，平均法向有效應力的峰值越大。

3.3固化黃土的應力路徑

不同圍壓下的水泥-礦渣固化黃土的應力路徑如圖5所示，從圖5可知屈服應力面隨水泥礦渣摻量的增加而增大。

4結論

本論述采用三軸剪切試驗對水泥-礦渣綜合固化黃土的力學性能開展了研究，所得主要結論有：

（1）三軸剪切過程中偏應力峰值和固化黃土中無機結合材料的摻量有關，當水泥-礦渣摻量越多偏應力峰值越大。

（2）水泥-礦渣摻量增加，壓縮過程中平均法向有效應力峰值越大。

（3）固化黃土的屈服應力面隨水泥-礦渣摻量的增加而增大。

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