水泥固化土的室内三轴试验分析

赵燕飞

摘要：结合水泥固化土的力学性能分析需求，本文通过开展室内三轴试验对固化剂掺量和养护时间给土体力学性能带来的影响展开了分析。从试验结果来看，相较于素土，水泥固化土拥有更高的应力、强度和刚度，力学性能得到了明显改善。随着固化剂掺量和养护时间的增加，土体轴向应力、破坏应力、强度提高系数和刚度均有所增加，因此能够使土体力学性能得到改善。

关键词：水泥固化土;室内测试;三轴试验

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用水泥固化剂为固化材料，用土为铁路路基土，属于粗颗粒土，含水量9.5%，最大干密度为2.12g/cm?。在试验过程中，按照《公路土工试验规程》，需要对土样进行重塑制备，先将样品捣碎风干^[1]。过2mm筛后，按含水量要求进行闷料，经过一昼夜后使样品中水分保持均匀。采用所需水泥进行搅拌，然后分三层进行击实。各层需要利用拉毛器进行刨毛处理，避免分层问题的发生。在制样期间，需要将干密度控制在2.12g/cm?。在试块制作阶段，需要按照95%压实度进行，尺寸为80mm×39.1mm。脱模后，需要采用聚乙烯塑料袋进行封装，然后在20±2℃、湿度55%±2%的条件下利用养护室养护，分别开展3d、7d、28d的三轴试验。水泥固化土的强度变化速度较快，在28d能够达到最大强度的95%，因此可用于开展三轴试验。

1.2 试验方法

开展三轴试验，可选用TSZ30-2.0型应变控制型三轴剪切仪。由于试验采用的土样并非是饱和土，所以可以保持1.25mm/min速率进行试件剪切。在对试件进行加载时，需要采用不固结不排水的方法，围压达到200kPa。等压固结2h后，可以对围压进行加载，然后利用计算机实现轴向应力、强度提高系数等数据的采集、分析和处理。为对试验结果进行客观分析，采用素土作为空白试样进行试验结果对比。对比结果固化剂掺量取值分别为0%、3%、4%、5%、6%和7%，养护时间分别为3d、7d、28d。

2 试验结果与分析

2.1 固化剂掺量对土体力学性能的影响

2.1.1 对土体应力的影响

从土体应力变化情况来看，在养护时间为3d的条件下，固化剂掺量为0，素土应力随着应变增加而不断增加。而在加入固化剂后，土体应力随着应变的增加呈现出先增加后减小的变化趋势，存在一个峰值点，比如在固化剂掺量达到6%的情况下，土体最大应力为3300kPa。伴随着固化剂掺量的增加，土体的应力随之提高。相较于素土，水泥固化土的应力显然更高。出现这种情况，主要是由于土的抗剪强度与摩擦角和粘聚力有关。加入固化剂，能够加强水泥与土颗粒间氧化钙的水化作用，促使土颗粒的粘结作用得到改善，达到固化的效果，从而使土体应力得到提高^[2]。在应变较小的情况下，水泥固化土与素土的应力相差不大，就是由于初期固化剂的固化作用尚未得到充分发挥。相比较而言，素土明显带有加工软化型特征，固化土则带有加工硬化型特征。在应力峰值点，存在应力降低现象，属于塑性破坏表现。从破坏应力分析结果来看，相较于素土，掺入固化剂的土体拥有更大破坏应力。伴随着固化剂掺入量的增加，土体破坏强度得到了明显提高，能够提高0.98到2.41倍。由此可见，增加固化剂掺量，能够使土体强度得到提高，继而获得较好工程性能。

2.1.2 对土体强度的影响

在对土体强度展开分析时，还要采用强度提高系数，即破坏时水泥固化应力与破坏时素土应力的比值。作为一个无量纲数，强度提高系数能够对土体强度提高效果进行反映。在养护时间为3d，固化剂掺量由0%增加至6%的过程中，土体强度提高系数呈现出线性关系，满足Rα=an+b，a取值0.4802，b取值0.5355，n则是固化剂掺量。

2.1.3 对土体刚度的影响

除了对土体应力和强度展开分析，开展三轴试验也能利用割线弹性模量进行土体刚度变化的反映。所谓的割线弹性模量，实际就是土体应力和应变关系曲线上点与原点连线的割线斜率，研究该指标能够使土体强度变形性能和刚度软化特性得到反映^[3]。在养护时间不变的情况下，从水泥固化土刚度和应变关系来看，伴随着土体轴向应力不断提高，土体割线弹性模量随之减小。出现这一现象，主要是由于土体发生了刚度软化。在围压加载的初期，割线弹性模量迅速衰减。在轴向应力增加的情况下，衰减速度逐渐变缓。在相同的围压下，相较于素土，固化体显然拥有更高刚度。分析原因可以发现，掺入固化剂，能够使水泥与土中矿物产反应，促使土体发生胶结，逐步硬化，最终使土体刚度得到提高。在相同的土体轴向应变条件下，使用更多固化剂，明显能够增加土体刚度。由此可见，增加固化剂掺量能够提高土体胶结硬化程度，促使土体产生更强的胶结力，因此能够使土体力学性能得到改善。

2.2 养护时间对土体力学性能的影响

2.2.1 对土体应力的影响

在固化剂掺量相同的情况下，无论养护时间如何变化，水泥固化土都表现出加工硬化特征，应力随着应变的增加而呈现出现增加后减小的变化趋势。在养护时间增加的情况下，固化土的初期强度有所提高，残余强度也随之增加，显现出较强的抗变形能力。从破坏应力变化情况来看，在养护时间增加的情况下，土体破坏应力不断增加，应变与应力之间保持较好线性关系。在28d以后，水泥的抗破坏能力将较强，能够达到设计值的90%以上。因此实际进行工程建设时，应当避免在养护初期进行结构承重，以免结构产生早期裂纹，给结构后期强度带来不良影响。

2.2.2 对土体强度的影响

从养护时间对土体强度的影响来看，无论是素土还是水泥固化土，土体强度都将随着氧化时间的增加而提高。在固化剂掺量不变的条件，28d水泥固化土强度明显高于7d强度，7d土体强度则比3d土体强度要大。

2.2.3 对土体刚度的影响

从养护时间对土体刚度影响来看，在固化剂掺量不变的情况下，水泥固化土刚度和应变关系呈现出相同的变化趋势，即在土体轴向应力不断提高时，土体割线弹性模量不断减小。在养护时间不断增加时，土体刚度之所以增加，是由于固化剂与土体中的矿物产生了更进一步的反应。随着反应的不断进行，将会有更多胶结物质产生，促使土体刚度得到提高。因此在相同的土体轴向应变条件下，通过对固化土进行养护能够增加土体刚度。由此可见，在固化土工程技术应用过程中，还要加强土体养护管理，以便使土体胶结硬化程度得到提高，最终达成提高土体力学性能的目标。

3 结语

通过室内三轴试验可以发现，不同于天然土体和岩石，水泥固化体工程性质较为特殊，强度变形取决于固化剂掺量、养护时间等因素。相较于素土，参加固化剂的固化体明显拥有更高的应力、强度和刚度，力学性能可以得到明显改善。而在固化剂掺量和养护时间有所增加的情况下，土体各项力学指标得到了提高。因此在实践工作中，还要加强水泥固化土的固化剂掺量和养护工作的管理，继而较好实现土体固化技术的应用。

参考文献：

[1]杨秀武，瞿瑜，周浩然.水泥硅微粉固化黄土的三轴试验[J].桂林理工大学学报，2017，37（04）：624-628.

[2]刘金辉，杨秀武.水泥镁渣固化粉砂土的抗剪强度试验研究[J].宁夏工程技术，2017，16（04）：355-358.

[3]盛明强，乾增珍，田開平.土体固化/稳定技术与固化土性质研究综述[J].江西水利科技，2017，43（05）：313-317.