乌审旗粉细砂水泥改良土三轴试验特性研究

杨 越 董 捷* 赵 聪

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

0 引 言

乌审旗风沙土面积已达1355.6万亩(其中中度以上沙化面积已达54.6%)，占总土地面积77.6%，粉细砂是该地区的主要表层物质，如图1所示.西部大开发是我国的经济发展的重要策略，为带动西部地区的经济发展，路网成为必不可少的存在.随着我国铁路、公路建设领域的跨越式发展，我国交通运输行业对路基安全性要求的不断提高.为提高乌审旗地区路基承载能力和稳定性，论文将采用在粉细砂中掺入一定比例的水泥的方法对该地区粉细砂路堤基床表层进行土质改良.

图1 乌审旗地区代表性粉细砂现场图

祝艳波等[1]对红层泥岩改良土通过开展击实、承载比，无侧限抗压强度试验，认为改良土消除泥岩路基土的膨胀特性，大幅度提高其承载力及抗压强度指标，水泥改良路基土效果最佳，掺和比为5%位最优.林罗斌等[2]通过三轴实验分析了木质素纤维-粉煤灰改良土在工程中应用的可能性，得出既满足强度需要，又满足成本控制的木质素纤维配比.杨广庆[3]进行了水泥改良土的动三轴试验，研究了水泥土的临界动应力、弹性变形和回弹模量的变化规律及影响因素.

然而，有关乌审旗地区粉细砂改良土的力学性能研究不是很多.粉细砂质量较小，在水中单个下沉时碰到已沉积的土粒就可能因粒间引力而停留在接触点上不再下沉，形成孔隙很大的蜂窝结构，颗粒之间胶结力小[4].目前，关于对粉细砂的改良，可以采用石灰、水泥、粉煤灰等方法[5-6].考虑到现场施工等原因，本文采用水泥对乌审旗粉细砂改良土进行三轴试验，以选取合理的改良方法，为该领域路基粉细砂改良设计提供借鉴.

1 试样制备及试验设计

1.1 试样制备及物理性质

选取颇具代表性的乌审旗粉砂土料作为试验土样，分别对粉细砂原状土和水泥掺比3%、5%、7%、9%的改良土进行基本物性试验，得出最优含水率以及最大干密度.室内击实试验是在土的最大压实度下确定土的最优含水率和最大干密度的重要方法.击实试验设定参数[8]详见表1.本试验采用电动击实仪(HAD/DZY-II)，测试通过重型击实法进行.

表1 击实试验参数

通过大量测试，取原状土和配置不同含水率的改良土，依据试验拟控制的目标含水率，每组相邻含水率的差值为2%～4%相对合理.击实样静置24 h后，分别进行试验.将试验土样分5层填入，每层交界处进行刨毛处理[9-11].测出击实筒和土样的质量以及击实筒的质量，脱模将击实后的土块打碎，取出中间部位土样装入小器皿中测量含水率如图2所示.击实样的干密度[12]表示为

(1)

式中：ρd为击实筒中心处土样的干密度(g/cm3)，ρ0为击实筒中心处土样的湿密度(g/cm3)，ωi为击实筒中心处试样的含水率.

图2 击实仪装入土样

经测试，原状土与水泥掺和比为3%、5%、7%、9%改良土的干密度和含水率的关系曲线见图3.含原状土的最优含水率为9.95%，最大干密度为1.75 g/cm3，水泥掺和比为3%、5%、7%、9%水泥改良土的最优含水率分别为10%、10.4%、10.7%、11%，最大干密度分别为1.76 g/cm3、1.78 g/cm3、1.81 g/cm3、1.85 g/cm3.原状土的最大干密度和最优含水率均比改良土小，且粘聚力抗剪强度小.

制样时采用分层击实法，根据击样器型号可得，试样的直径为39.1 mm，高度为80 mm.依据已测定不同水泥比的土样最优含水率，取足够土样，按最优含水率进行配置.所需加水量[13]应按照式(2)计算.

(2)

式中w0为风干土样的含水率，w1为最优含水率.根据试样所需的压实度，计算制样所需土的质量[14]，见式(3).式中m为制样所需土的质量(g)，K为式样的压实度，ω1为最优含水率.分别制成含不同水泥搀比的水泥改良土.

m=K·V(1+ω1)ρdmax

(3)

图3干密度随含水率变化曲线图4原状土力学特性曲线

1.2 试验设计

粉细砂因其粘聚力c很小，不易制成三轴实验试块，故采用TKA-DDS-20A中型土直剪仪对原状土进行直剪试验.试验中轴向应变的加载速率设定为2 mm/min，剪应力出现峰值，停止试验，数据通过传感器进行采集，如图4所示.

采用TSZ型应变控制式三轴仪对粉细砂水泥改良土进行不固结不排水(UU)三轴试验.轴向应变的加载速率设定为0.8 mm/min，主应力差出现峰值时停止试验；主应力差未出现峰值，轴向应变达到15%后停止试验.进行试验后，得到剪切过程中试样的轴向位移h1和量力环的变形量R，根据公式(4)，计算轴向应变ε和主应力差[15].式中C为量力环系数(N/0.01 mm)，R为量力环变形量(0.01 mm).

(4)

2 试验结果分析

2.1 围压及水泥掺比对应力—应变的影响

四种水泥掺比的乌审旗粉细砂水泥改良土在在不用围压条件下应力—应变曲线如图5所示.

测试结果表明，随着轴向应变的增大，水泥掺比3%、5%、7%改良土的应力—应变曲线变化趋势基本一致，主应力差值均持续增长，且曲线前期呈线性增长，而后期增长相对缓慢，主应力差出现峰值后趋于平稳或下滑.当水泥掺比5%时，围压分别为100 kPa、50 kPa、20 kPa时，主应力差的峰值较3%水泥掺比时分别增长了180%、204%、250%.而水泥掺比7%改良土较5%分别增长了69%、41.6%、27.2%.水泥掺和比为9%时主应力差随着轴向应变的增加而逐渐增大，出现峰值之后急剧下降，表明当水泥掺和比达到一定数值后，继续增加水泥掺量粉细砂整体塑性下降，其强度表现出一定的脆性特征.

(a)含3%水泥改良土的应力—应变曲线 (b)含5%水泥改良土的应力—应变曲线

(c)含7%水泥改良土的应力—应变曲线 (d)含9%水泥改良土的应力—应变曲线

图5不同水泥比改良土在不同围压下的应力—应变曲线

2.2 刚度软化规律

三轴试验中常用割线模量E的大小来描述土的刚度，E定义为应力—应变曲线上某点与某点连线所得直线的斜率.以往对于水泥改良土力学特性的研究大多围绕其抗剪强度开展试验分析，而对于刚度方面的研究相对较少.鉴于此，论文通过试验分析了粉细砂水泥改良土的刚度—应变关系曲线，如图6所示.

(a)水泥掺和比为3% (b)水泥掺和比为5%

(c)水泥掺和比为7% (d)水泥掺和比为9%

图6水泥土刚度—应变关系曲线

分析发现，随着轴向应变的增加，改良土割线弹性模量均逐渐减小，发生不同程度的刚度软化现象.总体趋势表明，在加载初期，割线弹性模量E衰减较快，随着轴向应变的增加，曲线继续衰减并趋于平缓.从图6(a)～8(d)对比发现，随着水泥掺和比的增加，水泥有效地提高了粉细砂改良土小应变条件下的整体刚度，尤其是在围压相对较低的条件下.

图7 剪应力随剪切位移变化曲线

2.3 抗剪强度分析

原状土在法向应力为50 kPa、100 kPa、150 kPa条件下进行直剪试验得到剪应力-剪切位移曲线，如图7所示.通过绘制抗剪强度和法向应力关系曲线，得到原状土的粘聚力c=3.9 kPa，内摩擦角φ=33.88°.

通过莫尔应力圆计算出内摩擦角φ和粘聚力c，详见表2与图8.试样的内摩擦角和粘聚力均随着水泥掺和比的增大而增大.其中，水泥掺和比为5%改良土较水泥掺和比为3%内摩擦角增长百分比最大，为27%；水泥掺和比为5%改良土较水泥掺和比3%增长百分比最大，为80.3%.

图8 内摩擦角、粘聚力随水泥掺和比变化图

水泥内摩擦角φ/°粘聚力/kPa原状土33.883.93%34.0756.145%43.3101.267%53.91185.919%56.56195.01

3 结 论

(1)随着轴向应变的增加，粉细砂水泥改良土割线弹性模量均逐渐减小，表现为不同程度的刚度软化现象；随着水泥掺和比的增加，水泥有效地提高了粉细砂改良土小应变条件下的整体刚度，尤其是在围压相对较低的条件下.

(2)水泥改良土较原状土水泥掺和比为3%的水泥改良土粘聚力是粉细砂原状土的14倍，水泥掺和比为5%的水泥改良土粘聚力是原状土的25倍，相比对内摩擦角的影响水泥改良对粉细砂粘聚力的提高有更明显的作用.

(3)5%水泥的改良土不仅可以增大抗剪强度，且较7%具有更大的增幅百分比；而9%水泥掺量的粉细砂峰值抗剪强度呈明显的刚脆性特征；综合不同掺量粉细砂室内试验结果，建议乌审旗地区细粉砂路基改良土水泥配比可近似取5%.

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