水泥固化土的室内三轴试验研究

杨廷玉，张国忠，张同伟，马千惠，肖　永，陈德鹏，王　琦

(佳木斯大学 建筑工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)



水泥固化土的室内三轴试验研究

杨廷玉，张国忠，张同伟，马千惠，肖永，陈德鹏，王琦

(佳木斯大学 建筑工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

摘要：对水泥固化土进行三轴试验研究其力学特性，分析水泥固化剂掺量、养护时间对水泥固化土的应力-应变、强度及刚度的影响，并分析其产生的原因。研究结果表明：随着轴向应变的增加，偏应力不断增加，在轴向应变相同时偏应力随着水泥固化剂掺量和养护时间的增加而增加；破坏应力随着水泥固化剂掺量和养护时间的增加而增加；强度提高系数随着水泥固化剂掺量的增加而增加；随着轴向应变的增加，刚度不断衰减，加载初期刚度衰减较快，随着轴向应变的增加曲线逐渐趋于平稳，在轴向应变相同时刚度随着水泥固化剂掺量和养护时间的增加而增加；水泥固化剂的掺入使得土体的强度、刚度及抵抗变形的能力较未加固土明显增强，且随着水泥固化剂掺量和养护时间的增加而增强。

关键词：三轴试验；水泥固化土；水泥；强度；刚度

水泥固化土是将水泥与填土材料混合形成一种复合土，水泥固化材料与土颗粒进行凝结硬化，提高土体强度，减小变形，改善土体的工程特性，同时，工程造价比较低、施工期比较短，在路基工程中得到了广泛应用，引起了广大学者的关注。Fisher等对不同水泥固化黏性土的力学特性进行研究[1]。Mostafa A.Ismail等对水泥土进行三轴试验研究，分析不同种类水泥对水泥固化土抗剪强度的影响[2]。Yuzhen Yu等对水泥固化土进行三轴试验研究，分析水泥固化土强度特性，试验表明，随着围压的增加，水泥固化土峰值应力对应的应变显著增加，而初始模量影响较小[3]。王军等对水泥土进行不排水三轴试验研究，分析水泥土的力学特性[4]。试验表明，分析围压与水泥掺入比对水泥土强度、孔压及刚度的影响。刘鑫等对水泥砂浆固化土进行固结不排水三轴试验，分析不同掺砂量、水泥掺入比、含水率及砂料粒径对水泥砂浆固化土力学特性的影响，及水泥砂浆固化土抗剪强度和最佳水泥砂浆固化土配比[5]。对于水泥土的力学特性的研究，及其影响因素分析，国内外学者现已积累了一些研究[6-10]。对水泥固化土进行三轴试验，研究其力学特性，分析水泥固化剂掺量、养护时间对水泥固化土的应力-应变、强度及刚度的影响及原因。本研究对于深入了解水泥固化土的工程特性具有很好的实用价值。

1试验方案

1.1　试验材料及试样制备

试验采用固化材料为水泥固化剂，试验用土为粗颗粒土，取自京哈线铁路路基土，最优含水量9.5%，最大干密度2.12 g/cm3。试验土样按照《公路土工试验规程》重塑土样进行制备。先将土样捣碎风干，然后过2 mm筛，按所需的含水量配备，闷料一昼夜，待水分均匀后备用。制样前加入所需水泥拌匀，分三层击实，每层层面上用拉毛器刨毛，以避免分层，控制干密度为2.12 g/cm3。试验尺寸H×D为80 mm×39.1 mm。将制备好的试样放入养护箱中养护，待达到养护时间后上机试验。

1.2　试验过程

试验所用仪器为南京土壤仪器厂生产的TSZ30-2.0型应变控制型三轴剪切仪。试验时土样为非饱和土，剪切速率为1.25 mm/min,试验采用不固结不排水方式加载，施加200 kPa围压，进行等压固结2 h后，进行加载试验。在加载过程中，轴向应力、轴向应变、孔压等试验数据由电脑采集自动处理。试验分水泥固化土和素土两种情况，以资对比，具体工况见表1。

2试验结果及分析

2.1　应力-应变关系分析

从图1水泥固化剂掺量对水泥固化土应力-应变关系的影响可知，在小应变段，水泥固化土与素土应力-应变关系曲线比较接近，说明初始段水泥固化剂作用尚未发挥。随着应变的增加，水泥固化土的应力-应变关系曲线高于素土，并且随着水泥固化剂掺量的增加，水泥固化土应力-应变曲线越来越高，说明水泥固化剂的掺入可很好地提高土体强度，且随着水泥固化剂掺量的增加，水泥固化土强度越强。素土的应力-应变关系曲线表现为加工软化型特征，随着应变的增加应力不断增加，不存在峰值点，也没有应力降。不同水泥固化剂掺量的固化土，其应力-应变关系曲线形态一致，均表现为加工硬化型特征，随着应变的增加应力先增加后减小，存在一个应力峰值点，有明显的应力降现象，破坏表现为塑性破坏。

表1　水泥固化土三轴试验参数

图1　水泥固化剂掺量对水泥土应力-应变关系的影响

从图2养护时间对水泥固化土的应力-应变关系曲线的影响可知，不同养护时间的水泥固化土的应力-应变关系曲线性状是相同的，均表现为加工硬化型特征，随着养护时间的增加，应力-应变关系曲线越高，水泥固化土的初期强度和残余强度均明显提高，抵抗变形的能力增强。

图2　养护时间对水泥土应力-应变关系的影响

2.2　破坏应力分析

从表2和图3水泥固化剂掺量对水泥固化土下的水泥固化土破坏应力的影响可以看出，水泥固化土破坏应力明显大于素土，掺入水泥后土体的力学性能得到改善，破坏强度提高0.98~2.41倍。可以看出，随着水泥固化剂掺量的增加，破坏应力不断增加，说明水泥固化剂掺量越多，水泥固化土的强度越高，工程性能越好。

表2　水泥固化土破坏应力、强度提高效果系数

图3　水泥固化剂掺量对水泥土破坏应力的影响

从图4养护时间对水泥固化土的破坏应力的影响可以看出。随着养护时间的增加，水泥固化土破坏强度越来越大，基本呈现良好的线性关系。说明养护时间越长水泥土抵抗破坏的能力越强，后期强度越高，但一般养护28 d以后，水泥土的强度基本达到90%以上。因此，在养护初期应尽量避免承重，水泥土会出现早期裂纹，影响水泥土后期强度。

图4　养护时间对水泥土破坏应力的影响

2.3　强度提高系数分析

强度提高系数Rσ是用来评价水泥固化剂对土体强度提高效果的指标，是一个无量纲数。

(1)

式中:(σ1-σ3)fg为破坏时水泥固化土应力；(σ1-σ3)fs为破坏时素土应力。

从表2和图5水泥固化剂掺量对水泥固化土强度提高系数的影响可以看出，随着水泥固化剂掺量的增加，水泥固化土的强度提高系数不断增加，呈线性关系。

(2)

其中：n为水泥固化剂掺量，干土重的百分率，强度提高系数与水泥固化剂掺量线性关系斜率为a，a=0.480 2，截距为b,b=0.535 5。

图5　水泥固化剂掺量对水泥土强度提高系数的影响

2.4　刚度软化性能分析

在三轴试验中粗粒土的刚度常用割线弹性模量E来表示，割线弹性模量E为应力-应变关系曲线上点与原点连线得到的割线斜率来计算。本文除了研究水泥固化土的强度变形方面的性能，还扩展到刚度软化特性的研究，此部分对于水泥土的研究尚缺乏。从图6和图7不同水泥固化剂掺量和养护时间下水泥土刚度与应变关系曲线可以看出，随着轴向应变的增加，割线弹性模量成衰减趋势，即发生了刚度软化现象，且在加载初期割线弹性模量E衰减比较快，然后随着轴向应变的继续增加曲线趋于平稳。当围压相同时，水泥固化土刚度明显高于素土，这是因为水泥固化剂的掺入，水泥和土中矿物发生复杂的化学反应，使土体胶结硬化，使得土体的刚度增加。

由图6可知，轴向应变相同时，随着水泥固化剂掺量的增加刚度不断增加，说明水泥固化剂掺量越多，胶结硬化程度越好，胶结力越强，土体刚度就越大。

图6　不同水泥固化剂掺量下水泥土刚度与应变关系曲线

由图7可知，轴向应变相同时，随着养护时间的增加刚度不断增加，说明养护时间越长，水泥固化剂与土颗粒中矿物反应越充分越彻底，故而，强度越高，刚度越大。

图7　不同养护时间下水泥土刚度与应变关系曲线

3结论

1)素土的应力-应变关系曲线表现为加工软化型，水泥固化土的应力-应变关系表现为加工硬化型，破坏形式为塑性破坏。

2)随着应变的增加，水泥固化土的应力-应变关系曲线明显高于素土，且随着水泥固化剂掺量和养护时间的增加，水泥固化土应力-应变曲线越来越高，说明水泥固化剂的掺入可很好地提高土体强度，随着水泥固化剂掺量和养护时间的增加，水泥固化土的强度增强。

3)水泥固化土破坏应力明显大于素土，掺入水泥后土体的力学性能得到了很好的改善，强度提高

0.98~2.41倍。随着水泥固化剂掺量和养护时间的增加，破坏应力不断增加，说明水泥固化剂掺量越多，养护时间越长，水泥固化土的强度越高，工程性能越好。

4)随着水泥固化剂掺量的增加，水泥固化土的强度提高系数不断增加，呈线性关系。

5)随着轴向应变的增加，割线弹性模量成衰减趋势，即发生了刚度软化现象，且在加载初期割线弹性模量E衰减比较快，然后随着轴向应变的继续增加曲线趋于平稳。当围压相同时，水泥固化土刚度明显高于未加固土，随着水泥固化剂掺量和养护时间的增加，相同轴向应变时水泥固化土的刚度不断增加。

综上所述，水泥固化剂的掺入使得土体的强度、刚度及抵抗变形的能力较未加固素土明显增强，且随着水泥固化剂掺量和养护时间的增加而增强。

参考文献

[1]FISHER K P.Properties of an artificially cemented-clay[J].Cansdian Geotechnieal Journal,1978,15(1):25-37.

[2]ISMAIL M A,JOER H A,SIM W H,et al.Effect of cement type on shear behavior of cemented calcareous soil.Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering.2002,128(6):520-529.

[3]YU Yuzhen,PU Jialiu,UGAI K.Study of mechanical properties of soil-cement mixture.Soils and foundations.1997,37(4):93-103.

[4]王军,丁光亚,潘林有,等．静三轴试验中水泥土力学特性及本构模型研究[J].岩土力学,2010,31(5):1407-1412.

[5]刘鑫,范晓秋,洪宝宁.水泥砂浆固化土三轴试验研究[J].岩土力学,2011,32(6):1676-1682.

[6]杨廷玉,周宇,赵莹莹,等.水泥固化土强度特性试验研究[J].黑龙江工程学院学报(自然科学版),2012,26(3):6-9.

[7]张国忠,肖勇,陈德鹏,等.水泥固化土应力应变关系特性研究[J].黑龙江工程学院学报,2014,28(1):38-40.

[8]周丽萍,申向东.水泥土力学性能的试验研究[J].硅酸盐通报,2009,28(2):359-365.

[9]陈达,庄宁,廖迎娣,等.水泥土力学特性随龄期发展规律试验研究[J].水利水运工程学报,2012(1):26-29.

[10] 李建军,梁仁旺.水泥土抗压强度和变形模量试验研究[J].岩土力学,2009,30(2):473-477.

[责任编辑：刘文霞]

Laboratory triaxial test of cement stabilized soil research

YANG Ting-yu，ZHANG Guo-zhong，ZHANG Tong-wei，MA Qian-hui，XIAO Yong，CHEN De-peng,WANG Qi

(School of Architectural and Civil Engineering，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China)

Abstract：Triaxial compression tests are carried out to investigate the mechanical properties of cement stabilized soils. In this study, influences of cement content and curing time on the strength and stiffness of cement stabilized soils are taken into account, and influence mechanism is analyzed. Test results show that deviatoric stress of cement stabilized soils increases with increasing axial strain, and also increases with increasing cement content and curing time at same strain. Failure stress increases with increasing cement content and curing time. Strength increasing coefficient increases with increasing cement content. As axial strain increases, stiffness involves a continuous attenuation. At the beginning, stiffness has a sharp decline, and then the attenuation rate gradually tends to a smooth stage as axial strain increases. At the same time, stiffness increases with increasing cement content and curing time. The inclusion of cement in soils significantly enhances the strength, stiffness and non-deformability of soils, which are proportional to the cement content and curing time.

Key words：triaxial test;cement stabilized soil;cement;strength;stiffness

作者简介：杨廷玉(1967-)，男，副教授，研究方向：土体固化剂加固技术.

基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目资助(20140222038)；佳木斯大学重点项目资助(12Z1201522)

收稿日期：2015-07-25

中图分类号：TU411

文献标志码：A

文章编号：1671-4679(2015)06-0026-04