纤维水泥砂浆桩三轴压缩试验研究

俞琛

纤维水泥砂浆桩三轴压缩试验研究

俞琛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

通过三轴压缩试验，研究纤维水泥砂浆桩的力学特性。研究结果表明：在100 kPa围压下，水泥砂浆桩及1‰纤维掺量的纤维水泥砂浆桩应力应变曲线呈应变软化型，在高围压及高纤维掺量的情况下，应力应变曲线均呈应变硬化型；纤维水泥砂浆桩的破坏应力及黏聚力均随着纤维掺量的增大而增大，内摩擦角受纤维掺量影响不大，纤维水泥砂浆桩的内摩擦角在31.4°~33.5°范围内。

三轴压缩试验；纤维水泥砂浆桩；破坏应力；黏聚力；内摩擦角

水泥砂浆桩是近年来在水泥土桩的基础上改进的一种新型深层搅拌桩，它是由水泥、细砂、水按一定的配合比拌和，与土体搅拌而成，具有一定的强度，它与桩间土一起，通过褥垫层形成水泥砂浆桩复合地基[1]。然而，掺入砂之后，桩体脆性增强，黏聚力降低[2]。聚丙烯纤维具有强度高、弹性好、耐腐蚀等特性，在水泥砂浆桩中加入一定量的聚丙烯纤维，可以降低材料的脆性，提高其强度。刘鑫等[3]通过试验研究了聚丙烯纤维含量和长度对不同水泥含量的砂质黏土后开裂反应的影响；Festugato等[4]研究了纤维长度、水泥含量和孔隙比对水泥土抗拉及抗压强度的影响规律；Consoli等[5]研究了水泥掺量对纤维水泥土强度的影响，结果表明在水泥掺量小于等于5%时，抗剪强度随纤维掺量的增加而增加；Correia等[6]研究了聚丙烯纤维水泥土无侧限抗压强度与抗拉强度之间的关系；胡亚元等[7]通过排水三轴试验研究了纤维对淤泥固化土工程性质和邓肯－张模型参数的影响；阮波等[8]通过无侧限抗压强度试验研究了纤维掺量和纤维长度对纤维加筋水泥土无侧限抗压强度的影响；唐朝生等[9]通过研究聚丙烯纤维和水泥加固软土的强度特性，提出了最优含水率和最优纤维长度。国内外学者对纤维水泥土研究较多，对纤维水泥砂浆桩的研究相对较少。因此，本文通过三轴固结排水试验，研究不同纤维掺量对纤维水泥砂浆桩力学特性的影响。

1 试验材料

土样取自湖南洞庭湖区某高速公路软基淤泥质黏土，主要物理性质指标见表1，颗粒级配曲线见图1。水泥采用PC32.5级复合硅酸盐水泥，物理指标见表2，试验用砂采用天然河砂，其颗粒级配见表3，细度模数为2.1，为细砂，试验所用聚丙烯纤维长度为6 mm，其物理力学参数如表4所示，试验用水为自来水。

图1 淤泥质土的颗粒级配曲线

表1 淤泥质土的物理性质

表2 水泥的物理力学指标

表3 细砂颗粒级配

表4 聚丙烯纤维的物理力学参数

2 试验方案

掺砂量s，水泥掺入比c，纤维掺量比f表达式如下：

试验考虑纤维掺量对纤维水泥砂浆桩三轴压缩试验的影响，纤维掺量f分别为0，1‰，3‰，5‰和7‰。掺砂量为40%，水泥掺入比c采用17.2%，水灰比采用0.5。每组试样分别在100，200，300和400 kPa围压下进行固结排水剪切试验，为了保证试验的准确性，每组试样制作6个。

3 试样制备及试验

按照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233－2011)[10]要求进行制样。选取代表性的土样风干、碾碎、过0.5 mm筛，取筛分后的干土进行试验，根据拟定的试验方案分别称取试验所需的干土、水泥、砂、纤维和水，然后按顺序依次在干土中加入水泥、砂、纤维，最后加水搅拌均匀。在试模内涂抹凡士林，然后往试模中装入试料，将水泥砂浆拌合物分2次插倒、振实、刮平制作成高度为80 mm，直径为39.1 mm的标准圆柱体试样，注意成型时间不能超过25 min。经过24 h之后进行脱模，然后放入标准养护箱中养护28 d。养护条件为：温度为(20± 2) ℃，相对湿度≥95%。进行试验前，对试样进行抽气饱和。采用TSZ-1全自动三轴仪，试验方法为固结排水试验，剪切速率控制在0.015 mm/min。

4 试验结果及分析

4.1 应力应变曲线

分别绘制同一围压下，不同纤维掺量的纤维水泥砂浆桩的应力应变曲线，如图2所示。

(a) σ3=100 kPa；(b) σ3=200 kPa；(c) σ3=300 kPa；(d) σ3=400 kPa

由图2(a)可以看出，在100 kPa围压下，水泥砂浆桩和纤维掺量为1‰的纤维水泥砂浆桩应力应变曲线类似，为应变软化型，在初始受压阶段，主应力差随着应变的增大而增大，并且在达到峰值应力前主应力差增长速率逐渐减小，到达峰值后，主应力差略有下降，最终趋于稳定；当纤维掺量为3‰，5‰和7‰时，应力应变曲线为应变硬化型，呈现出双曲线的特征，曲线没有明显下降趋势，主应力差随着轴向应变的增加而一直增大，应力增大的速率随应变的增大会慢慢变小。而图2(b)~2(d)中应力应变曲线都为应变硬化型，其变化规律符合上述双曲线的特征。

4.2 纤维掺量对破坏应力的影响

当试样的主应力差有峰值时，取应力峰值为破坏应力(1−3)f；当主应力差无峰值时，选取=15%时的主应力差为破坏应力(1−3)f。根据图2所得应力应变曲线得出同一围压下，不同纤维掺量的纤维水泥砂浆桩的破坏应力，绘制破坏应力随纤维掺量的变化曲线图如图3 所示。

图3 破坏偏应力随纤维掺量变化的曲线

由图3可见，围压为100 kPa和200 kPa时，破坏应力随纤维掺量的变化规律类似，破坏应力随着纤维掺量的增大而增大，且增长速率随着纤维掺量的增大而减小；当围压为300 kPa和400 kPa时，破坏应力随纤维掺量的变化规律类似，破坏应力也随着纤维掺量的增大而增大，但增长幅度较小。

根据图3所得破坏应力结果，在−应力平面上绘制出试样破坏时的摩尔应力圆和强度包线，得出土体的黏聚力和内摩擦角，并分别绘制黏聚力和内摩擦角随纤维掺量的变化规律如图4~5所示。

从图4中可以看出，纤维掺量从0增加到7‰时，黏聚力从45.7 kPa增加到152.3 kPa。从图5中可以看出，纤维掺量从0增加到7‰时，试样的内摩擦角在31.4°~33.5°范围内。这是因为分散的短纤维在土中形成三维网状结构，通过水泥的胶结作用把砂、土颗粒联结在一起，一旦土体受到剪切，纤维网产生拉应力，从而抑制破坏趋势。基于上述规律获得纤维水泥砂浆桩黏聚力的幂函数型经验公式为：

式中：Af为纤维掺量，相关系数R2=0.963。

图5 内摩擦角随掺砂量变化的曲线

4.3 破坏模式

如图6所示分别为水泥砂浆桩和纤维水泥砂浆桩的破坏形态。

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从图6(a)中可以看出，水泥砂浆桩试样破坏形式为脆性破坏，剪切后的试样出现一个与水平方向约成60°的破裂面；从图6(b)中可以看出，纤维水泥砂浆桩试样破坏形式为塑性破坏，破坏后的试样中部出现鼓胀，未出现剪切破裂面。这表明，掺入纤维使试样由脆性破坏转为塑性破坏，随着纤维掺量的增大试样的塑性进一步增强。

(a) 水泥砂浆桩；(b) 纤维水泥砂浆桩

5 纤维水泥砂浆桩工程成本分析

利用上述三轴固结排水试验所得力学参数，采用FLAC3D数值模拟软件建立铁路路基模型，路基计算宽度为28 m，桩径为0.5 m，桩长为10 m，梅花桩布置。水泥砂浆桩和纤维水泥砂浆桩的水泥掺入比均为17.2%，掺砂量为40%，纤维水泥砂浆桩的纤维掺量为5‰。调整水泥砂浆桩和纤维水泥砂浆桩间距使路基沉降为5 mm。经FLAC3D模拟计算得出结论：当采用水泥砂浆桩进行地基加固时，桩间距为1.2 m；当采用纤维水泥砂浆桩进行加固时，桩间距为1.4 m。

根据《铁路工程预算定额》，水泥含量为55 kg/m时的水泥掺入比对应本文所采用的17.2%水泥掺入比。水泥砂浆搅拌桩基价2为32.23元/m，纤维除税价格为6 000元/t，计算得5‰纤维掺量的纤维水泥砂浆桩基价为42.25元/m。

每公里路基桩数

式中：为路基长度，m；为路基宽度，m；为桩径，m；为桩间距，m。

每公里桩基费用

式中：为桩长，m；为基价，元/m。

经计算得，每公里水泥砂浆桩费用为1 421 446.2元，每公里纤维水泥砂浆桩费用为1 368 714.0元。对比分析可知：采用纤维水泥砂浆桩比采用水泥砂浆桩更加节约工程成本。

5 结论

1) 在低围压及低纤维掺量的情况下，应力应变曲线为应变软化型；在高围压及高纤维掺量的情况下，应力应变曲线呈应变硬化型。

2) 纤维掺量从0增加到7‰时，试样的破坏偏应力逐渐增大，试样黏聚力从45.7 kPa增加到152.3 kPa，而内摩擦角在31.4°~33.5°范围内。

3)水泥砂浆桩破坏模式为脆性破坏，而纤维水泥砂浆桩破坏模式为塑性破坏，随着纤维掺量的增大试样的塑性进一步增强。

4) 采用FLAC3D软件建立路基模型，对比分析在同一地质条件及工程要求的情况下所需桩的数目，并计算工程成本，结果表明采用纤维水泥砂浆桩比水泥砂浆桩造价更低。

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Experimental study on triaxial compression of fiber reinforced cement mortar pile

YU Chen

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China)

The influence of fiber content on the mechanical property of fiber reinforced cement mortar pile was studied by triaxial compression test. The results show that the stress-strain curve of the cement mortar pile and the fiber reinforced cement mortar pile with 1‰ fiber content present strain softening type under the confining pressure of 100kPa. Under the condition of high confining pressure and high fiber content, the stress-strain curve present strain hardening type. The failure stress and cohesion increase with the increase of fiber content. The fiber content has little influence on internal friction angle of fiber reinforced cement mortar pile and the internal friction angle is between 31.4°~33.5°.

triaxial compression test; cement mortar pile; fiber reinforced cement mortar pile; failure stress; cohesion; internal friction angle

TU447

A

1672 − 7029(2019)06− 1427 − 06

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.06.010

2018−08−20

俞琛(1970−)，男，湖北武汉人，高级工程师，从事工程经济方面的研究；E−mail：1287823360@qq.com

(编辑 涂鹏)