复合材料改性城市路基土短龄期三轴力学特性

方 睿，李 犇，张 晨，钱 彪，张 芳

（1.同创工程设计有限公司，浙江 绍兴 312000；2.绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000）

0 引 言

随着经济的发展和工程技术的进步，工程人员在城市道路的路基施工中经常会遇到各类土壤，其中一些土壤存在着承载力低、刚度小和强度弱等缺陷，不能满足工程实际的要求，需要采取一定的改良措施，如粉质黏土[1-2]。

粉质黏土作为一种典型的缺陷土，由于具有低强度和较差的水稳性，在雨季施工时易发生湿陷现象，对土区的施工造成严重的危害[3]。因此，如何采用一种有效的土体改良措施以避免严重的路基、路面甚至建筑物损坏，吸引了大量学者的关注[4]。例如，马卉等[5]通过无侧限抗压试验探究了水泥对粉质黏土的改性效果。结果表明，随着养护龄期的提升，水泥的掺入能够较好地提升土样的抗压强度和抗冻性能。然而，随着工程环境的变化，研究者发现水泥对土样力学特性的改善效果往往不能满足实际工程的需求。如何对水泥粉质黏土进行改性，从而提升其力学特性成了近年来的研究重点[6]。朱定华等[7]通过无侧限抗压试验探究了纤维对水泥粉质黏土的改性效果。结果表明，纤维对土样的抗压强度具有较好的提升效果。上述文献表明，掺入合适的材料对水泥粉质黏土进行改性具有较好的可行性，但很少有人考虑工作环境和纳米材料对改性效果的影响。在实际工程中，土体改造层往往被埋在地下，深度（围压）和改性材料的变化将会对土样的力学特性产生较大影响[8]。因此，有必要研究围压和纳米材料对水泥粉质黏土力学特性的影响。

另外，在路基施工中，为了尽快满足后续施工和路面应用的要求，探究短龄期条件下改性土样的力学特性也具有一定的必要性。本文基于上述研究，在0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 围压下，对3 d 养护龄期的水泥土和纳米水泥土进行了一系列三轴UU 试验，并探讨了短龄期下，不同围压和纳米MgO 对水泥粉质黏土的改性效果，以期为纳米水泥土运用于实际工程提供参考。

1 试验方案

1.1 试验材料和设备

本试验路基土样取自浙江省绍兴市某路段，其技术指标见表1。按《建筑地基基础设计规范》[9]（GB 50007—2011），其属于粉质黏土，具体实物见图1。试验选用PO32.5 硅酸盐水泥。采用纳米MgO 作为改性材料，主要参数指标见表2。采用图2 全自动三轴仪，型号为TKA-TTS-3S。

图1 路基土样

图2 全自动三轴仪

表1 路基土技术指标

表2 纳米MgO 技术指标

1.2 试样制备与方案

本试验根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019），采用三瓣饱和器，制作高度H = 80 mm、直径D =39.1 mm 的三轴试样。制样完成后，将所有试样放置在恒温（20℃）、恒湿（95%）的养护箱中标准养护3d。试样养护完成后，进行UU 三轴试验[10]。试验的具体方案见表3。表3 中，试样的含水率和水泥含量均为干土质量分数、纳米MgO 含量为水泥的质量分数。试样破坏前后特征见图3 和图4。

图3 破坏前试样

图4 破坏后试样

表3 试验方案

2 试验结果及其分析

2.1 偏应力-轴向应变曲线

数学特征分别为：过原点、曲线外凸、存在极值点及渐近线。该结果表明，水泥土和纳米水泥土试样的破坏特征均为脆性破坏。据ASTM D2850—15 相关规定，当q-ε 曲线存在明显峰值时，最大轴向应变的取值应大于峰值应力下应变的3%～5%[11]。在本研究中，最大轴向应变为10%。

2.2 峰值应力和残余应力

对不同试样的峰值应力和残余应力进行量化分析，将能较好地描述试样在有侧限条件下的轴向抗压强度和试样破坏后抵抗外部荷载的能力（简称“抗破坏力”）。由图5 相关数据可得水泥土和纳米水泥土试样的峰值应力qp和残余应力qr图（见图6）。由图6 可知，随着围压的升高，与0.1 MPa 相比，0.3 MPa围压下，水泥土和纳米水泥土试样的峰值应力增加幅度分别为63%和59%，残余应力的增加幅度分别为125%和115%。此外，当围压一定时，与水泥土相比，纳米水泥土试样的峰值应力和残余应力的增加幅度分别为11%～18%和9%～32%。上述结果表明，水泥土和纳米水泥土试样承载力和抗破坏力的提升对围压的升高具有较好的敏感性。而对比水泥土试样，随着纳米MgO 的掺入，水泥土试样的承载力和抗破坏力均有较好的提升。

图5 水泥土和纳米水泥土试样的q-ε 曲线

图6 不同试样峰值应力和残余应力

2.3 强度曲线

为了绘制不同试样的强度包线，并得出其强度参数[8]。本文以法向应力为横坐标，以剪应力为纵坐标，在横坐标上以（σ1+σ3）/2 为圆心、（σ1-σ3）/2 为半径绘制极限应力图（见图7）。由图7 可求出试样的强度参数c、φ（见表4）。

表4 抗剪强度参数

图7 水泥土和纳米水泥土试样的摩尔包络图

由图7 和表4 可知，水泥土和纳米水泥土试样的黏聚力c 分别为0.19 MPa 和0.22 MPa，内摩擦角φ 分别为41.2°和43.1°。与水泥土试样相比，纳米水泥土试样的c 和φ 值的增加幅度分别为16%和5%。该结果表明，纳米MgO 的掺入对水泥土试样的抗剪强度具有较好的提升效果。其与Wang 等[12]的试验结果基本相符，他们分别通过直剪和无侧限试验探究了纳米MgO 对滨海软土的改性效果。结果表明，纳米MgO 的掺入对水泥改性滨海软土的力学特性具有较好的改性效果，且主要原因为，纳米MgO 的掺入会起到促进水泥水化反应和孔隙填充的作用。

3 结 语

（1）水泥土和纳米水泥土试样的q-ε 曲线均为软化型曲线，其数学特征为：过原点、曲线外凸、存在极值点及渐近线。该结果表明，水泥土和纳米水泥土试样的破坏特征均表现为脆性破坏。

（2）当围压一定时，与水泥土试样相比，纳米水泥土试样的峰值应力、残余应力、黏聚力和内摩擦角的增加幅度分别为11%～18%、9%～32%、16%和5%。该结果表明，纳米MgO 的掺入对水泥土试样的承载力、抗破坏力和抗剪强度均具有较好的提升效果。另外，水泥土和纳米水泥土试样力学特性的提升对围压的升高均具有较好的敏感性。

本研究通过UU 三轴试验，探讨了不同围压和短龄期下，纳米MgO 对水泥土试样的改性效果。结果表明，纳米MgO 的掺入对水泥土试样的力学特性均具有较好的改性效果。然而，本研究只考虑了UU 三轴条件下，单一掺量及短龄期条件下试样的力学特性，对于不同试验条件和掺量的影响有待进一步讨论。