低掺量水泥土早期强度特性试验研究

李灿 周海清 赵尚毅

摘      要： 通过不固结不排水三轴试验，研究了水泥掺入比小于5%的水泥土早期强度特征，探讨了素土与不同掺量水泥土的应力-应变关系，抗剪强度指标的变化规律，分析了土样的破坏形态。试验结果表明，水泥土强度随水泥掺量增加而增加，1%水泥掺量下土样与素土强度特性与破坏特性相似，2%水泥掺量一定程度上能增加土体强度，5%水泥掺量能够显著增加土体强度，起到良好的加固作用。研究结果对于深入认识低掺量水泥土的早期加固机理和现场施工合理选择水泥掺入比具有指导意义。

关  键  词：水泥土;三轴压缩实验;力学特性;抗剪强度

中图分类号：TQ 172       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）01-0013-04

Abstract： The early strength characteristics of cemented soil with cement mixing ratio less than 5% were studied by unconsolidated undrained triaxial test. The stress-strain relationship and shear strength index change rule of plain soil and different cement soil were discussed， and the failure mode of soil samples was analyzed. The test results showed that the strength of cement soil increased with the increase of cement content. The strength and failure characteristics of plain soil and soil sample with 1% cement content were similar;2% cement content increased the soil strength to some extent;5% cement content significantly increased the soil strength and provided good reinforcement. The research results have guiding significance for understanding the early reinforcement mechanism of low-volume cement soil and rational selection of cement incorporation ratio.

Key words： Cement soil; Triaxial compression test; Mechanical properties; Shear strength

近年来，我国基础建设快速发展，高速公路、铁路、高架桥、水库大坝等在建设过程中遇到许多软弱地基问题，水泥土是最为经济有效的解决办法，其具有强度增长快、加固效果好、造价低、施工简便的优点。水泥土是土、水泥、外加剂和水混合压实和养护后的一种拌合物，是一种具有加固土体能力的硬化材料[1，2]。

目前，针对低掺量水泥土强度特性和普通水泥土早期强度特性有了一定的研究成果[3]。张天红等[4]在软黏土中掺入5%水泥，研究了不同条件对强度增长的影响;贺建清[5]和曾胜华[6]开展了低掺量水泥土的CU试验，探讨了低掺量下水泥土抗剪强度指标的变化规律。目前开展的低掺量水泥土试验，养护龄期一般为28、60、90 d等标准龄期，对于龄期较短的水泥土强度特性研究不足。薛慧君等[7]研究了内蒙古默川地区黏土在不同水泥掺量下早期强度发展规律;韩鹏举等[8]研究了不同含量的氯化镁对水泥土早期强度影响机理。目前开展的水泥土早期强度试验，水泥掺量均大于5%。

鉴于低掺量水泥土早期强度特性研究开展较少，内容不够深入，为了更好探究低掺量水泥土强度发展规律，同时为实际工程设计提供理论依据，有必要开展低掺量水泥土早期强度特性研究。本文利用不固结不排水三轴试验，模拟水泥土在工程施工初期的应力状态，对养护龄期为2 d，水泥掺量小于5%的水泥土强度特性进行了深入的研究。

1  试验方案设计与试验过程

1.1  试验材料

试验用土取自延安新区工地，为原状Q3黄土，其物理力学指标见表1。

1.2  试样制备

将原状Q3黄土风干后，碾碎过2 mm孔径的标准筛。水泥过1 mm标准筛，按干土质量1%、2%、5%掺入试样中。将按质量比配合好的混合料配置成初始含水率ω=10%的土样，浸润24 h。利用三瓣饱和器和标准击实器，将所需重量的土料分5层击实，层与层之间需用刀片划割，避免试样出现分层现象影响试验，最终统一制成干密度为1.5 g/cm?的三轴标准试样，试样高h=80 mm，直径d=39.1 mm。同时制备一组未加水泥的素土样，对比试验效果。将装有标准试样的饱和器放入飽和罐进行抽气饱和并浸水养护48 h。

1.3  试验方案

为了反应施工初期实际情况，采用不固结不排水三轴试验[9]。每组试样制备3个土样，试验结果取3个试样的算术平均值，如果单个试样与平均值的差值超过平均值的正负15%，去掉该试样的测试值，取其余两个试样的平均值。

试样达到要求养护时间后，将其从饱和器中取出，按照试验操作要求进行三轴压缩试验，试验过程见图1，将每组试样分别在100、150、200 kPa的围压中进行不固结不排水三轴压缩试验。试样分组为：素土样、1%水泥土样、2%水泥土样、5%水泥土样。

2  试验结果与分析

2.1  偏应力与轴向应变的关系

素土样和水泥土样的偏应力与轴向应变关系曲线如图2所示。素土样和1%水泥土样在不同围压下的峰值强度相差不大，其原因是水泥掺量小，养护时间短，难以有效发挥水泥的硬化性能。2%水泥土样在同一围压下峰值强度相比于素土样平均上升35%，强度有所提升。5%水泥土强度得到明显提升，峰值强度相比于素土增幅400%～600%说明在低掺量条件下，5%掺量能够在施工初期有效发挥水泥的硬化性能，对土体有一定的加固效果。同时从偏应力与轴向应变曲线图中可以明显看出，2%水泥土样和5%水泥土样在经过峰值点后有一段明显下降，水泥掺量越高，下降程度越大，残余强度与峰值强度比值越小，应力-应变关系属于应变软化型。素土样达到峰值强度后没有明显下降段，应力-应变关系属于应变硬化型。1%水泥土样在达到峰值强度后虽有所下降，但下降程度低，应力-应变关系介于应变软化型和应变硬化型之间。

（a）素土样

（b）1%水泥土样

（c）2%水泥土样

（d）5%水泥土样

在同一围压下4种土样的偏应力与轴向应变关系曲线如图3所示。在3种相同围压下，素土样与1%水泥土洋曲线形状及峰值都接近，应力-应变关系相似，从这一角度再次说明1%水泥土难以有效发挥水泥的硬化性能，不适用于工程实际。在相同偏应力条件下，随着水泥掺量的增加，其轴向应变减小，反映了水泥土的强度和抵抗变形的能力增强。水泥掺量为5%时，其强度和抵抗变形能力显著增加，说明该掺量能够充分发挥水泥的早期固土能力。

（a）围压100 kPa

（b）围压150 kPa

（c）围压200 kPa

2.2  黏聚力和内摩擦角

根据每组试样达到的峰值强度，在 应力平面图上绘制应力摩尔圆，得到摩尔圆的包络线，从而得到各组试样的黏聚力和内摩擦角。具体数值见表3。

从表中可以看出，随着水泥掺量的增加，土样的黏聚力和内摩擦角增加。素土样与1%水泥土样内摩擦角基本相同，说明水泥掺量为1%时，黏聚力和内摩擦角提升很小，不能使土体的强度增加;2%水泥土样的黏聚力和内摩擦角均有所增加，在一定程度上能够增强土体强度;5%水泥土样黏聚力和内摩擦角相比于素土样提升程度大，该掺量下水泥能够有效加固土体。

2.3  破坏形态

土样进行三轴试验，破坏后的情况如图4所示。

素土样与1%水泥土样破坏形态一样，都属于鼓胀破坏，表面无明显裂隙;2%水泥土样破坏形态复杂，没有明显的劈裂状，但表面裂隙较多;5%水泥土样破坏状态为斜向劈裂破坏，有明显脆性破坏特征，其脆性破坏特征主要来自水泥材料发挥的硬化性能，说明5%水泥掺量在早期能够对土体起到加固作用。

3  结 论

利用不固结不排水三轴试验，对低掺量水泥土早期强度进行了研究，得出如下结论：

（1）在土中掺入一定比例的水泥形成水泥土，其在早期能够发挥加固土体的作用，改善土体内部结构，增加土体黏聚力和内摩擦角，从而提高土体抗剪强度。

（2）水泥掺量为1%时，水泥在土体中发挥作用有限，不能有效改善土体结构，其性质与素土差别不大，不能起到加固土体的作用。水泥掺量为2%时在一定程度上能够改善土体结构，增加土体的早期抗剪强度，有一定的固土作用，该掺量可根据工程重要性合理选用。

（3）土体强度随着水泥掺量的增加而增加，当水泥掺量为5%时，其早期强度增加效果明显，破坏呈脆性破坏，有效的改善了土体结构，对土体的早期加固效果好。

（4）随着水泥掺量的增加，水泥土的破坏形态由塑性破坏过渡到脆性破坏，塑性破坏主要表现为鼓胀破坏，脆性破坏主要表现为劈裂破坏，过渡阶段的破坏主要表现在破坏试样表面多裂隙。

（致谢：感谢中国建筑股份有限公司提供的资助（课题编号CSCEC-2016-Z-3），感谢中建五局三公司长东基础建设一期工程项目部提供的试验支持。）

参考文献：

[1] 姜自超， 齐召庆. 纤维对磷酸镁水泥性能的影响试验研究[J]. 当代化工， 2017（02）：215-218.

[2] 刘晓明， 付海雄， 郭鸣琴. 水泥土的力学性能综述[J]. 湖南工程学院学报（自然科学版）， 2006，16（1）：84-88.

[3] 王海龙， 申向东. 水泥掺量对固化土早期结构形成的影响[J]. 硅酸盐通报， 2011，30（2）：469-473.

[4] 张天红， 周易平， 叶阳升， 等. 水泥土的强度及影响因素初探[J]. 中国铁道科学， 2003，24（6）：53-56.

[5] 贺建清， 曾娟， 孙希望. 低掺量水泥土抗剪强度试验研究[J]. 矿冶工程， 2009，29（6）：9-12.

[6] 曾胜华， 曾娟. 低掺量水泥土强度特性试验研究[J]. 路基工程， 2010（4）：17-19.

[7] 薛慧君， 申向东， 邹春霞， 等. 水泥土早期力学性能影响因素分析[J]. 硅酸盐通报， 2014，33（8）：2056-2062.

[8] 韓鹏举， 张文博， 刘新， 等. 氯化镁对水泥土早期强度的影响研究[J]. 岩土工程学报， 2014（6）：1173-1178.

[9] 田昌奇. 掺入有机化合物改性剂对水泥的影响试验研究[J]. 当代化工， 2018（08）：1578-1581.