水泥土抗剪强度参数试验研究

阮波，彭学先，邓林飞

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)



水泥土抗剪强度参数试验研究

阮波，彭学先，邓林飞

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

摘要:采用三轴不固结不排水试验方法，分别研究水泥掺入比为10.7%，13.7%和16.7%的水泥土在14，28和90 d龄期的抗剪强度。试验结果表明，水泥土应力应变曲线表现为应变软化型，峰值强度对应的应变为1.56%～5.31%。随着养护龄期的增大，峰值强度不断变大，峰值强度对应的应变却不断减小。随着水泥掺入比和龄期的增大，水泥土较原状土而言，黏聚力从11.2 kPa提高到797.2 kPa，提高了9.0～71.0倍，内摩擦角从23.8°提高到38.4°，提高幅度为1.1～1.7倍。本文的研究成果可为实际工程中水泥土搅拌桩的设计和施工提供参考。

关键词：水泥土；三轴压缩试验；应力应变关系；粘聚力；内摩擦角；掺入比；龄期

水泥加固土具有最大限度利用原位土，搅拌时无振动和无噪声，对环境影响较小，加固形式灵活、经济等优点，因此在各类软土地基处理工程中得到了广泛应用。国内外学者对水泥土进行了大量研究，Kaniray等[1]研究了水泥土的无侧限抗压强度与水泥掺入比、养护龄期及含水率之间的关系；Janiraj等[2]研究了水泥加固软质黏土的物理力学特性，讨论了软质黏土水泥土的无侧限抗压强度、承载比与水泥掺入比关系；欧明喜等[3]通过水泥土三轴疲劳试验，研究了水泥掺量、加载频率和循环周数对水泥土疲劳特性的影响规律；王星华[4]对水泥土的固化过程进行了微观研究；周丽萍等[5]对粉质黏土水泥土进行了研究，提出了水泥土在单轴受压条件下应力-应变曲线的本构方程。阮锦楼等[6-7]研究了水泥土的无侧限抗压强度的影响因素及机理。水泥土的抗剪强度参数对复合地基设计和路基稳定性分析具有很大作用，而国内外学者对之研究较少，本文结合黔张常铁路某软土地基处理工程，通过不固结不排水三轴压缩试验，对水泥土的抗剪强度参数进行研究。

1试验研究

1.1试验材料

试验所用的土样来自黔张常铁路某软土地基处理工程，其物理力学指标如表1所示。选取的水泥为普通的425#的硅酸盐水泥，其物理力学指标见表2。

表1　原状土物理力学性质

表2　水泥化学参数

1.2试验方案

由于现场设计的水泥搅拌桩桩径为0.5 m，设计的水泥掺入比为55 kg/m,换成湿土掺入比aw(式(1)所示)为13.7%，设计水灰比为1.0。试验所用的仪器为TSZ-1全自动三轴仪试验采取应变控制方式，三轴试验方法为不固结不排水试验，剪切控制在速率为0.640 mm/min，轴向应变控制为15%。同时，为了保证试验的准确性，每组试样制作6个。试验方案见表3所示。

(1)

式中：aw为湿土掺入比，%；mc为水泥的质量，kg；ms为湿土的质量，kg。

表3　试验方案

1.3试样制备

土样风干、碾碎、过2 mm筛，然后按照上述的水泥掺入比、水灰比和含水率要求分别称取适量的水泥、水。按照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T233—2011)[8]规定：将风干土和水泥先拌合均匀，洒水并搅拌至20 min。将水泥浆拌合物分两次插倒、振实、刮平制作成高度为80 mm，直径为39.1 mm的标准圆柱体试样，注意成型时间不能超过25 min。经过24 h之后进行脱模，标号后放入养护室进行养护，养护条件为:温度为(20±2) ℃，相对湿度≥95%，养护到相应龄期后进行试验。

2试验结果及分析

2.1水泥土的应力应变关系

图1为试样在不同水泥掺入比aw和不同龄期t下的应力应变关系曲线，各组试样的试验结果见表4所示。

(a)aw=10.7%，t=14 d；(b) aw=10.7%，t=28 d；(c) aw=10.7%，t=90 d；(d) aw=13.7%，t=14 d；(e)aw=13.7%，t=28 d；(f)aw=13.7%，t=90 d；(g) aw=16.7%，t=14 d；(h) aw=16.7%， t=28 d；(i)aw=16.7%， t=90 d图1　各组水泥土应力—应变关系曲线Fig.1 Curves of stress versus strain of cement stabilized soil

从图1中可以看出：应力应变曲线表现为应变软化型，曲线大致可以分为3个阶段：第1阶段从起始点到应力峰值点的曲线上升段，该阶段偏差应力随着应变的增大而增大，只是到峰值点附近时增加幅度变缓。第2阶段，从应力峰值点到残余强度点曲线下降段，该阶段应力随着应变的增大而减小，结束时没有出现反弯点，大部分平缓下降。第3阶段，为残余强度持续阶段，该阶段随着应变的增大，应力变化幅度不大，试样产生较大的塑性变形。另外，结合试验过程中试样变形情况可以发现，当试样破坏时，它仍可以承受一定的压力，说明此时试样仍然存有残余应力与残余应变。

2.2水泥土的峰值强度及其对应的应变

应力应变关系反应了试样在受到荷载作用后，水泥土内部各部分之间产生的相互力的作用，以及由此产生的相应的变形。对于水泥土搅拌桩而言，特别要注重的是其峰值强度、残余强度以及峰值强度对应的应变，表4为水泥土峰值强度及其对应的应变关系。

表4　水泥土的峰值强度及其对应的应变

由图1和表4可以发现，随着轴向应变的增加，水泥土的应力也在不断增加。在上升阶段，不同围压的下的四条曲线的并未分离，曲线原点的切线斜率几近相同，但围压变大，切线斜率则表现越陡，快接近峰值强度时，曲线逐渐分离。峰值强度对应的应变一般较小，变化范围在1.56%～5.31%。随着龄期的增长，峰值强度在不断变大，其峰值强度对应的应变在不断减小，说明水泥土试样在向脆性发展。残余强度保持阶段，应变持续时间较长，同时残余强度与峰值强度的比值也在不断缩小。

2.3水泥土的抗剪强度参数

2.3.1水泥土的强度包络线及抗剪参数

在τ-σ平面上绘制摩尔应力圆，并绘制几个圆的公切线就可以得到抗剪强度指标的黏聚力c和摩擦角φ，水泥土抗剪强度包络线如图3所示。

2.3.2水泥土的抗剪参数

表5为水泥土抗剪强度参数及水泥土与原状土抗剪参数之间的比较。

表5　各组试样的抗剪强度与原状土的比值

(a)aw=10.7%，t=14 d；(b) aw=10.7%，t=28 d；(c) aw=10.7%，t=90 d；(d) aw=13.7%，t=14 d；(e)aw=13.7%，t=28 d；(f)aw=13.7%，t=90 d；(g) aw=16.7%，t=14 d；(h) aw=16.7%， t=28 d；(i)aw=16.7%， t=90 d图3　各组水泥土抗剪强度包络线Fig.3 Shear strength envelope of cement stabilized soil

表5反映各组试验的抗剪指标，每组的相关系数都达到了0.99以上，说明试验结果可靠性好。随着水泥掺量的增加，水泥土的内部结构得到改善。随着水泥掺入比和龄期的增大，水泥土较原状土黏聚力提高很大，幅度达到了9.0～71.0倍，而水泥土内摩擦角提升幅度较小，较原状土而言提升了1.1～1.7倍。上述结果说明水泥的掺加对土的水泥土可以起到明显的加固增强效果。

图4和图5反映了抗剪强度指标与水泥掺入比和养护龄期之间的关系。

(a)c与aw关系；(b)φ与aw关系图4　抗剪强度与水泥掺入比aw之间关系Fig.4 Relation between shear strength and cement mixing ratio

(a)c与t关系；(b)φ与t关系图5　抗剪强度与养护龄期t之间关系Fig.5 Relationship between shear strength and curing age

图4和图5反映了抗剪强度随着水泥掺入比和龄期的变化关系，随着掺入量的增大，黏聚力逐渐增大，相应的摩擦角逐渐减小，且随着龄期的变大，这种变化幅度尤为明显，内摩擦角和龄期之间存在对数规律，规律性不是很强，而黏聚力在前期发展较快，后期增大速度变缓。这是由于水泥掺入量越大，它与土颗粒间的水解和水化作用就越明显，生成的硅酸钙、硅铝酸钙和胶凝物也就充斥在土颗粒中，其强度自然而然越高。一般在实际工程中，水泥掺量不能太多也不能太少。若太多，则形成的水泥土强度很大，其压缩模量也比较高，其构成的水泥土搅拌桩在外部荷载的作用下，桩体本身承载的荷载较多，位移相对较小，而桩周土压缩模量小，承担的荷载较小，从而桩土的应力比较大，不利于复合地基的整体稳定性。若太少，水泥土强度不高，桩体的承载能力较低。因此在设计过程中要结合实际地质条件和经济原因。

3结论

1)水泥土的应力应变曲线表现为应变软化型，峰值强度对应的应变为1.56%～5.31%。随着养护龄期的增大，峰值强度在不断变大，峰值强度对应的应变却在不断减小，水泥土试样在向脆性发展。

2)随着水泥掺入比和龄期的增大，水泥土较原状土粘聚力提高很大，幅度达到了9.0～71.0倍，而水泥土内摩擦角提升幅度较小，较原状土而言提升了1.1～1.7倍。

3)随着掺入量的增大，黏聚力逐渐增大，相应的内摩擦角逐渐减小，且随着龄期的变大，这种变化规律尤为明显。

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Experimental study on shear strength parameters of cement-soilRUAN Bo, PENG Xuexian, DENG Linfei

( School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

Abstract:In this paper, a series of samples were prepared and subjected to the triaxial compression test in order to research the shear strength parameters of cement-soil when the cement ratio respectively were 10.7%, 13.7% and 16.7%, and the age respectively were 14 d, 28 d and 90 d. The results indicate that curves of stress versus strain of cement stabilized soil performance strain softening model. With the increase of curing age, the corresponding strain of peak intensity decreases and range between 1.56% ～ 5.31%. Peak intensity increases, but the peak intensity corresponding strain have been continuously reduced. With the increase of cement mixing ratio and ages, cohesive force of cement-soil relatively increased by 9.0 ～ 71.0 times from 11.2 kPa to 797.2 kPa as well as friction angle increased 1.1 ～ 1.7 times from 23.8° to 38.4° in comparing with the undisturbed soil. The rearch result of this paper can provide reference for practical engineering of cement-soil mixing pile’s design and construction.

Key words:cement soil; triaxial compression test; relationship between stress and strain; cohesive; friction angle; mixing ratio; age

中图分类号：TU 411.7

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0662-07

通讯作者：阮波(1972-)，男，河南新县人，副教授，博士，从事岩土工程方面的研究；E-mail:421084359@126.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50678175)

收稿日期：2015-11-24