水泥土单轴抗拉强度试验研究＊

朱崇辉 王增红

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院 杨凌 712100）

0 引 言

将水泥掺入土中加水拌和压实以固化土体，增强土体的工程力学性能的水泥土研究始于20世纪初的日本和美国［1－2］，20世纪70年代，我国才开始水泥土的工程性质理论和应用研究．

从目前国内外水泥土的研究成果来看，主要集中在水泥土的抗压强度与龄期、水泥掺量、含水率关系方面．随着电子显微镜扫描技术的发展，水泥土微观结构随时间变化机理方面研究也逐渐兴起［3］．

在水泥土抗压强度与龄期关系研究方面，叶观宝［4］通过大量试验得出了水泥土强度与龄期成指数相关的结论．在水泥土抗压强度与水泥掺量关系研究方面，F．Gallavresi［5］提出了水泥土强度与水泥掺量的回归分析表达式；G．Lorenzo等［6］在考虑水泥掺量的同时，还引入了孔隙比参数，得出了水泥土强度修正经验公式；Lee F H等［7］提出了水泥土强度与水、水泥、土的比例关系试验公式；汤怡新等［8］在水泥土强度与水泥掺量关系研究方面也得出了不同的回归方程．在水泥土抗压强度与含水率关系研究方面，张家柱等［9］进行过试验研究，由于研究重点不同，结论不尽相同．在微观结构变化机理研究方面，刘顺妮［10］等研究者，通过电子显微镜、X射线衍射仪、化学分析、电阻率测定等仪器和技术手段，研究了水泥土的微观结构变化机理和过程．

对于水泥土抗拉强度研究，目前文献成果还很少，原因在于研究手段不足．为了获得水泥土更精准的直接抗拉强度及其变化规律，课题组自行设计了水泥土单轴拉伸仪，对黄土拌合的水泥土，进行了不同水泥掺量和龄期的单轴直接抗拉强度试验研究．

1 水泥土单轴抗拉强度试验研究

1．1 水泥土单轴拉伸仪设计

参照粘性土的抗拉强度试验，测定水泥土抗拉强度的试验方法主要有5种，包括土梁弯曲法、轴向压裂法、径向压裂法、三轴拉伸法、单轴拉伸法．前3种为间接测定法，后2种为直接测定法．间接测定法操作简单，但测定结果不能直接反映其实际抗拉强度，直接测定法、特别是单轴拉伸法测定结果物理意义直接明了，但拉伸仪器与土样间的合理连接和制样密度的均匀性问题是目前单轴拉伸试验的技术难题．

为此，课题组设计了水泥土单轴拉伸仪，解决了已有一些单轴拉伸方法所用试样夹具不合理或采用胶粘拉伸试验带来试验结果不准确问题．自行设计的拉伸仪器结构原理见图1，设计思想为：将水泥土样制成密度均匀、中间细、两端粗的异形样，将异形水泥土样固定在如图1所示的一对与水泥土样外形完全吻合的对开拉伸仪中拉伸，保证土样完全沿着中间细部断裂，从而精准测定出水泥土的单轴抗拉强度．试验证明，效果比较理想，单轴拉伸断裂效果实物照片见图2．

图1 水泥土单轴拉伸仪结构示意图

图2 单轴拉伸断裂效果实物照片

1．2 试样制备与试验

土料取自陕西省杨凌工业园区以北的崔西沟黄土苔原，通过测试，土的基本物理参数为：天然含水率12．8%，土粒相对密度2．71，液限34．5%，塑限17．7%，塑性指数16．8．按《土工试验规程》［11］（SL237－1999）中塑性图分类属低液限粘土（黄土）．水泥为陕西秦岭水泥股份有限公司生产的秦岭牌425JHJ普通硅酸盐水泥．

水泥掺量（aw）按干水泥与干土质量分数计算，制样含水率参考前期不同水泥掺量水泥土击实试验最优含水率配水，将试样所需全部水量分层喷洒入过2mm筛后的素土中闷制24h后拌匀．制样前将每个试样对应的水泥量掺入土中拌匀后立即进行制样，不同龄期水泥土试样水泥掺量均为10%，干密度控制为1．70g／cm3，同一龄期不同水泥掺量水泥土试样干密度按前期击实结果最大干密度乘0．98的压实系数控制，试验龄期为7d．拉伸试样的制样不能采用分层击实法制样，否则会出现试样分层现象，造成人为软弱结构面，只能采用静压法一次成型．初期制样发现，采用三轴饱和器对压法制样，由于土样长度较大，静压过程中，由于两端行程大，因边壁摩擦效应，试样密度出现两端大，中间小的不均匀状态．为保证试样密度均匀，后来采用方形模具，从短边方向对压成型，使土样在静压过程中行程最短，从而保证了试样密度均匀．试样制好后放入标准养护箱内养护2d后，采用专门模具将试样削制成中间细、两端粗，并且与拉伸夹具外形完全吻合的异形试样，然后养护至设定的龄期进行试验．

将试样放入单轴拉伸仪中，利用普通三轴仪的应力应变测试系统，进行水泥土试样不同状态的单轴直接拉伸试验，试验采用应变控制法进行，拉伸速度为0．002mm／s，应力和应变均采用大量程的千分表测量．

2 结果分析

试验结果中，应力按拉力除以试样受拉面最小的中间部分面积计算，应变按变形量除以中间细部断面长度计算．将不同水泥掺量、龄期的水泥土试样试验结果见图3～8．

图3 不同龄期σ－ε曲线

图4 σu－t曲线

图5 εu－t曲线

图6 不同水泥掺量σ－ε曲线

图7 σu－aw 曲线

图8 εu－aw 曲线

水泥土不同龄期单轴拉伸σ－ε曲线图3显示，在水泥掺量和干密度一定情况下，水泥土不同龄期的单轴抗拉强度σ－ε曲线较密集，且几乎为一组向上翘曲的平行曲线．说明该种情况下，水泥土表现为弹性材料特征，龄期越长的曲线位于上方，说明在拉伸过程中，相同应变条件下，龄期越长，应力越大；曲线向上翘曲，表明随应变增加，水泥土的弹性模量增大，弹性表现更加突出，试样破坏均表现为脆性断裂破坏．将不同龄期试样拉伸破坏时的极限应力（σu）和极限应变（εu）整理为图4和图5所示的σu－t和εu－t关系曲线．σu－t关系曲线图4显示，干密度和水泥掺量相同的水泥土，随龄期的延长，单轴直接拉伸破坏强度提高，提高幅度随龄期延长逐渐变缓，前期强度增长较快，7d龄期抗拉强度已基本达到90d龄期强度的70%以上．对干密度和含水率与水泥土相同的素土单轴拉伸试验显示，素土单轴直接抗拉强度为28 kPa，极限应变为3．4%，而水泥掺量为10%的3～90d龄期的水泥土，单轴直接抗拉强度在100～200kPa之间，比素土单轴抗拉强度显著提高．10%水泥掺量不同龄期的水泥土，拉伸破坏时的εu－t曲线图5显示，随龄期的延长，极限应变增加，增加幅度同样随龄期延长而变缓，极限应变与极限应力变化具有相同趋势．

不同水泥掺量水泥土σ－ε曲线见图6，在相同压实度条件下，7d龄期不同水泥掺量的水泥土，应力应变曲线同样为上翘曲线，随水泥掺量不同，翘曲弧度随水泥掺量增加而增大，表明水泥土随水泥掺量增加，弹性性质表现更加显著．随拉应力的和拉应变的增加，水泥掺量越大的水泥土上翘弧度更大，表明弹性模量增大，水泥土的弹性性质表现更加突出，不同水泥掺量的水泥土单轴拉伸破坏也均表现为脆性破坏，无残余变形和残余强度．σu－aw曲线图7显示，随水泥掺量增加，单轴直接拉伸强度逐渐增大，但增大幅度显著不同，在水泥掺量为10%左右出现跳跃式增长，在σu－aw曲线上出现拐点现象，此现象表明：当水泥掺量增大到10%左右时，水泥土内部出现显著微观结构变化，出现了连续的水泥网纹结构．图8εu－aw曲线表明，随水泥掺量增加，水泥土单轴拉伸极限应变逐渐增大，增大弧度变缓并趋于稳定．不同情况的水泥土拉伸试样破坏时的极限应变可达到8%～13%，较素土拉伸极限应变也显著增强．

综合水泥土随水泥掺量和龄期的变化过程，犹如地表沉积岩形成过程，水泥的作用如同沉积岩中胶结物的作用．沉积岩中胶结物对岩石的固结效率是十分缓慢的，往往需成千上万年甚至更长时间，而水泥的胶结效率在时间反应方面显著加强，一般在数天或数周就能完成，水泥具有加速土体固化的显著功能，在土中加入水泥形成水泥土的过程，实际上是一种硅质胶结的人工快速造岩过程．

3 结 论

1）在水泥土干密度、水泥掺量保持一定的条件下，单轴拉伸强度和极限应变随龄期延长而增长，增长弧度逐渐减小并逐渐趋于稳定．

2）在水泥土龄期一定条件下，单轴拉伸强度和极限应变随水泥掺量增加而增大，水泥掺量增大到10%左右，水泥土内部出现连续水泥网纹结构，单轴拉伸强度出现跳跃性增长．

3）不同情况的水泥土拉伸试样，破坏时的极限应力和应变较素土都显著增强，属脆性断裂拉伸破坏，水泥在水泥土固化过程中的作用犹如沉积岩中的胶结物作用，在土中加入水泥形成水泥土的过程，实际上是一种硅质胶结的人工快速造岩过程．

本文主要从水泥掺量、龄期方面定性探讨了以黄土拌合的水泥土单轴拉伸破坏的宏观变化规律，土的类别、水泥型号、养护条件等因素也会是影响水泥土单轴抗拉强度的重要因素，其作用大小，建议继续深入研究．

［1］樊恒辉，高建恩，吴普特．土壤固化剂研究现状与展望［J］．西北农林科技大学学报：自然科学版，2006，34（2）：141－142．

［2］李彦智．水泥土工程性能实验研究［D］．北京：中国地质大学，2006．

［3］杨 滨．水泥土强度规律研究［D］．上海：上海交通大学，2007．

［4］叶观宝．深层搅拌桩加固软基的试验研究与分析［D］．上海：同济大学，1991．

［5］GALLAVRESI F．Grouting improvement of foundation soils，Proceedings of grouting，Soil improvement and geosynthetics［J］．ASCE，1992，1：1－38．

［6］LORENZO G，BERGADO D T．Fundamental parameters of cement－admixed clay－new approach［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2004，130（10）：1042－1050．

［7］LEE F H，LEE Y，CHEW S H，et al．Strength and modulus of marine clay－cement mixes［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131（2），178－186．

［8］汤怡新，刘汉龙，朱 伟．水泥固化土工程特性试验研究［J］．岩土工程学报，2000，22（5）：549－554．

［9］张家柱，程 钊，余金煌．水泥土性能的试验研究［J］．岩土工程技术，1999（3）：38－40．

［10］刘顺妮，林宗寿，陈云波．高含水量黏土固化剂的研究［J］．岩土工程学报，1998，20（4）：72－75．

［11］南京水利科学研究院．土工试验规程SL237—1999［S］．北京：中国水利水电出版社，1999．