不同掺量水泥改性路基土无侧限特性试验研究*

钱 彪，俞文杰，方 睿，刘 磊，姚 扬

1.同创工程设计有限公司，浙江 绍兴 312000

2.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000

1 研究背景

沿海城市经济的迅速发展使得其周边工程建设项目层出不穷，这就导致地表可使用面积越来越少，不再能满足城市发展需求。填海造地是增加土地面积的方法之一，但沿海土壤大多属于软土，其一般具有高含水率、高孔隙比、高灵敏度、可压缩性能较强、承载能力强度低的特性，在建设过程中这些特性会带来许多的工程问题。常见的问题有桩基沉降位移大、基坑边坡不稳定以及施工后建筑物的稳定性等。为了满足工程建设的需求，施工人员往往会在工程建设施工之前对软土地基进行相应的处理，并且采取相应的加固措施[1-4]。

近几年来，国内外大量学者对滨海软土的特性进行了研究，并根据软土的应力-应变曲线关系，提出了相应的本构模型[5-6]。王伟等[7]对在不同冻融循环作用下的滨海软土进行三轴试验研究，发现其应力-应变曲线受冻融循环次数影响，且随冻融循环次数的增加，其应力-应变曲线由软化型向硬化型转变。曾玲玲等[8]同样对滨海软土进行了三轴试验，根据试验数据，发现当固结状态不变时，其有效应力路径有且只有一条。同时，众多学者发现在土壤中加入适量的纤维材料和纳米材料，可以提高其力学性能[9-12]。Plé O等[13]通过一系列压缩试验和直接拉伸试验对聚丙烯纤维加筋土进行研究，结果表明在压缩试验下，复合材料变得越来越硬。相反，在直接拉伸试验下，纤维加筋土的延展性表现突出，可以减缓开裂速度。Tang C等[14]通过单纤维拉出试验对聚丙烯纤维改性土的界面强度进行研究，结果表明随着纤维含量和固化时间的增加，纤维/土壤的界面峰值强度和残余强度均逐渐提高。并且，根据SEM试验可知，纤维/土壤的界面剪切阻力与纤维表明粗糙度有关。有学者认为，土壤强度并不是随着纤维含量的增加而一直增加。Yang Y等[15]对不同掺量的聚丙烯纤维改性土进行常规三轴试验，结果显示聚丙烯纤维改性土的强度随着纤维含量的增加呈先增后减的趋势，当其纤维含量为3%时，纤维的改性效果最佳。Gao L等[16]通过无侧限抗压强度试验对纳米氧化镁改性黏土进行了研究，试验结果表明，试样的无侧限抗压强度随着纳米氧化硅含量的增加而增加，而随着土壤含水率的增加而减小。不同纳米材料同样可以提高土壤的强度。Samala H R等[17]利用纳米二氧化硅对软土进行处理，并对其进行无侧限抗压强度试验，结果表明，随着纳米SiO2含量的增加，试样的无侧限抗压强度逐渐提高。纤维材料和纳米材料可以提高路基土的力学性能，除此之外，还可以在路基土中掺入不同质量分数的水泥。Vakili A H等[18]采用水泥加固土壤的方式来弥补土壤本身强度低的缺陷。对不同含量的水泥土进行无侧限抗压强度试验，分析试验数据可知，在土壤中加入水泥可以提高其强度，并且水泥掺量存在一个最佳值。

以上研究表明，将一些传统的材料和新型材料加入土壤中，可以有效改善土壤的力学性能。文章通过无侧限抗压强度试验，研究在路基土中掺入不同质量分数的水泥后，其力学性能的改善效果，从而为水泥路基土在实际工程中的应用提供参考。

2 试验方案

2.1 试验材料

本研究中使用的材料为路基土、水泥和水。路基土来源于绍兴滨海新城江滨区，其主要物理指标见表1。水泥使用P·O42.5，水为自来水。

表1 滨海路基土的主要物理指标

2.2 试样制备

无侧限试样的制作流程如下：首先，将路基土放置在105℃的烘箱中烘干；其次，对烘好的路基土进行粉碎，并将粉碎后的路基土过2mm孔径的筛子；最后将适量的路基土、水泥和水放在一起搅拌，并按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999），将搅拌后的试样放置在直径为39.1mm、高度为80mm的塑料圆柱筒中，在试样表面封上一层滤纸，并用橡皮筋固定，最后将试样放入水中湿养7d。

2.3 试验方案

在路基土，水泥和水的混合物上进行了无侧限抗压强度测试。此研究中，首先考虑了滨海软土高含水率的问题，将含水率设定为80%（以所有混合物为基础）。

为了获得经水泥处理过的路基土的无侧限抗压强度，将养护后的试样放置在全自动多功能无侧限抗压机上，将剪切速度设置为1mm/min。为避免试验的偶然性，每组水泥掺量的无侧限抗压强度试验重复4次。

3 应力-应变曲线

无侧限抗压试验，剪切速度为1mm/min。三组不同水泥掺量路基土共12份试样，测得的应力-应变数据见图1。其中，图1（a）是水泥掺量为10%的路基土应力-应变曲线；图1（b）是水泥掺量为20%的路基土应力-应变曲线；图1（c）是水泥掺量为30%的路基土应力-应变曲线。图中CS-1～CS-4表示4份试样分别测得的数据。剪切破坏后的试样见图2。

图1 应力-应变曲线

图2 破坏后的试样

由图1可知，三组水泥掺量试样的应力-应变曲线均呈软化型曲线，且大致可分为三个阶段。（1）在加载初期阶段，不同水泥掺量下的改性路基土应力-应变曲线都基本呈线性增长关系。（2）在加载中期阶段，试样应力均随应变的增加而缓慢上升，最后达到峰值。其中，当水泥掺量分别为10%、20%和30%时，试样的峰值强度一般分别出现在1.51%～2.51%、1.13%～1.51%以及1.14%～1.56%。（3）在加载后期阶段，水泥掺量30%的改性路基土应力下降趋势较水泥掺量10%的改性路基土平缓，残余韧性较好。当轴向应变为8%时，各水泥掺量（10%、20%和30%）路基土的残余应力分别为15～21kPa、13～33kPa、15～40kPa。

图1中应力-应变曲线的峰值点即为无侧限抗压强度，每组水泥掺量的改性路基土分别可以获得4个无侧限抗压强度值，见图3。由于试验时的环境、仪器的测量精度、人员的操作熟练度以及材料等因素都会造成测试数据发生一定的偏差，并不会达到完全一致，因此对图3中12份试样的数据进行修正，依据公式（1），计算出三种水泥掺量下路基土的无侧限抗压强度平均值分别为105kPa、186kPa和243kPa，见图4。

图3 不同水泥掺量改性路基土的无侧限抗压强度

图4 不同水泥掺量改性路基土的无侧限抗压强度均值

式中：qa、qmax、qmin分别为无侧限抗压强度的平均值、最大值和最小值；n为除最大、最小值以外的试样个数。

从图4可知，随着水泥掺量的增加，其强度呈线性增加。同时还发现，当水泥掺量为20%和30%时，它们的抗压强度相对于水泥掺量10%和20%的水泥土分别提高了77%和31%。这意味着水泥掺量为20%时，其抗压强度增幅效果最佳，而继续增加水泥掺量，其强度增幅效果降低。结合上述三组水泥掺量对试样强度提高幅度的变化，同时考虑经济性，可知本研究的水泥最佳掺量为20%。

4 结论

依据上述三组水泥土的无侧限抗压强度试验数据，可以得到如下结论：（1）将不同掺量的水泥加入路基土中，其应力-应变曲线均呈软化型。（2）水泥土的无侧限抗压强度与水泥掺量呈线性增长的关系。（3）水泥掺量为20%时，其抗压强度增幅效果最佳。继续增加水泥掺量，发现其强度增幅效果降低。最后结合上述三组水泥掺量对试样强度提高幅度的变化，同时考虑经济性，可知本研究的水泥最佳掺量为20%。

需要说明的是，文章仅讨论了短龄期下不同水泥掺量对路基土的力学性能的增强效果，该增强效果随龄期变化的时间效应还有待进一步探究。