水泥稳定路基土力学特性研究

丁鹏飞，张振寰

(1.张家口翰得交通公路勘察设计有限责任公司，河北省张家口市桥东区东建街14号 075000；2.河北建筑工程学院，河北省张家口市桥东区朝阳西大街13号 075000)

水泥作为一种建筑中常用的水硬性胶凝材料，广泛应用于实际工程中。例如：作为固化剂利用搅拌机械与软土强制搅拌，形成水泥土搅拌桩以加固饱和软黏土地基；加入到不良路基材料中改善路基土的路用性能；胶结砂、石、钢材形成混凝土或钢筋混凝土；与砂石按一定比例混合，作为喷射混凝土护坡的干拌合料等。

水泥可以大幅提高原位土的强度和模量，因此前人对水泥土也做了很多的力学研究。水泥土用于二级公路基层、底基层的加固，不但可以处理软粘土，同样也可以处理含泥量较低的砂砾土、碎石土[1]。解邦龙[2]等指出不同养护龄期下粉煤灰水泥土应力应变曲线呈软化型，随龄期增加抗剪强度增大；赵庆新[3]等对不同龄期下的水泥磨细矿渣固化土进行无侧限抗压强度试验，试样强度与固化物含量呈正相关；卢玉华[4]等通过对原有配方水泥土加入外加剂并对增强配方水泥土进行了力学性能室内试验；封喜波[5]分别对低液限路基土掺入水泥和石灰来探究处治后的路基土的强度和变形，提出水泥加入量为4%、石灰加入量为6%时为最佳；伍永平[6]等对不同偏高土掺量和不同龄期下的水泥土进行无侧限抗压强度试验，发现偏高岭土可以提高水泥土早期强度；芮凯军[7]等对黏土、粉质黏土、细砂3种土掺入水泥测定其无侧限抗压强度和微观固化改良情况，发现黏土受水泥水化作用的影响效果最明显；艾志伟[8]等发现水泥掺入比、养护龄期为影响水泥土强度的主要因素；赫文秀[9]等指出当水泥掺量为10%时,掺入一定量的砂可以提高水泥土的强度，最佳掺砂量为50%。

用水泥稳定路基土可以提高路基刚度与耐久性，减少不均匀沉降，并在季节性冻土区域展现较好的抗冻性能，提高路基承载能力。文中根据当地土质特点，探究水泥稳定路基土达到最佳强度状态的水泥掺量，为实际工程提供理论参考。

1 无侧限抗压强度试验

1.1 试验方法

试验用土取自张小线路基土，通过室内土工试验测定土的基本物理性质，如表1所示。路基土属于粉质黏土，经处理后可用于季节性冻土地区的道路路基。水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，试验用水采用当地自来水。

表1 素土的主要物理性质指标

依据路基土的物理性质，初步确定无侧限抗压强度试验试样的各用料取值范围，由规范及前人研究经验选取水泥掺量为2%，4%，6%，8%，考虑到水泥水化反应会消耗一定量的水分，所以水泥稳定路基土的含水率选取比素土最优含水率略大，为12%，14%，16%，试样为70.7mm×70.7mm×70.7mm的标准立方体试块，平行试样数量为3个，无侧限抗压强度试验采取7d标准养护试样，同一工况下的试样达到养护龄期后进行抗压强度试验。

1.2 试验结果与分析

由无侧限抗压强度试验得到不同水泥掺量下不同含水率的水泥稳定土单轴抗压强度，见表2。

表2 水泥稳定土立方体无侧限抗压强度fcu的实测数据Tab.2 Measured data of unconfined compressive strength fcu of cement stabilized soil cube

从表2中可以看出：当试样处于较小的水泥用量时，水泥稳定土无侧限抗压强度随含水率的增加呈降低趋势，说明少量的水泥水化胶结作用不强，水泥水化作用消耗较小部分水量，多余的水分会使土中颗粒间的摩擦力减小，水泥胶结的较大团簇状土颗粒会因过多水分的浸泡整体性减弱，不易形成稳定的骨架结构；当水泥掺量增大时，试样无侧限抗压强度均随含水率增大而先增大后减小，表明含水率与水泥用量在一定范围可以增强水泥稳定土的抗压强度，过多过少都达不到最佳强度；同一含水率下，随着水泥掺量的增大，无侧限抗压强度逐渐增大，说明水泥可以增强素土的抗压强度，其中当含水率为14%时，随着水泥掺量的增大，水泥稳定路基土的无侧限抗压强度增长明显，增长幅度达到2.6倍，表明在这个含水率下，水泥水化反应最充分，未水化水泥及多余水分含量较低，试样内部颗粒排布紧密，整体性良好。

由于水泥掺量为2%时，无侧限抗压强度均未达到路基规范规定的最低强度，且在工程中出于经济实用性的考虑在稳定路基土中不宜使用较高用量的稳定剂，因此在实际工程中水泥掺量宜为4%～8%，含水率选用14%。

1.3 无侧限抗压强度回归分析

为分析水泥掺量对水泥稳定路基土无侧限抗压强度的影响，采用回归分析法研究每一含水率下无侧限抗压强度随水泥用量增加的变化规律曲线，得到抗压强度与水泥加入量之间的拟合方程：

(1)

(2)

(3)

式(1)中由于含水率接近素土最优含水率，没有足够的水分供水泥进行水化反应，强度变化规律接近素土，可在无水泥掺量情况下表征素土的无侧限抗压强度。式(2)、式(3)中水泥水化反应明显，不适用于无掺量的情况。3个拟合式均表明水泥稳定路基土无侧限抗压强度随一定范围内的水泥掺量的增加，强度呈增长的趋势。在实际工程中可以根据规范要求的强度范围推测适宜的水泥掺量范围。(回归方程仅适用于张家口地区的粉质黏土)

2 三轴压缩试验

2.1 三轴压缩试验应力应变曲线

由三轴压缩试验可得到水泥稳定路基土的应力应变曲线。综合无侧限抗压强度试验所得结论及混合料各用料范围，以水泥掺量4%，6%，8%，含水率14%，水泥水化充分反应7d作为试样的试验研究条件，试样制备采用三瓣膜饱和器，分3层击实制得，试样尺寸为39.1mm×80mm。三轴压缩试验围压依据路基受到荷载影响的厚度，经换算后选取为20kP，50kP，80kPa。平行试件为3个，以保证试验数据准确性。各水泥掺量下的应力应变曲线如图1所示。

(a)水泥掺量4%

(b)水泥掺量6%

(c)水泥掺量8%图1 各水泥掺量下不同围压作用应力应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of different confining pressures under various cement content

由图1可以看出：同一围压条件下随水泥掺量的增加，水泥稳定路基土的峰值应力增长明显，3个围压下的增幅分别为57.4%，48.5%，43.3%，水泥掺量的增加对强度提升作用显著；随着水泥掺量的增加，试样应力应变曲线由缓变陡，说明水泥掺量较高时试样脆性增强，破坏较为突然，易开裂；当水泥掺量一定时，峰值强度随围压的增大而增大，围压为试样提供了附加承载力，使试样能够承受更高的荷载，提高试样的整体性，围压越大时，试样破坏后碎块越整齐，呈贯通斜裂破坏，无过多剥落细小碎块。

2.2 破坏残余强度

水泥稳定路基土试样经三轴压缩试验破坏后残余强度如表3所示。

表3 三轴压缩试验残余强度

相同围压条件下，随着水泥掺量的增加，水泥稳定路基土试样破坏后残余强度逐渐增大，说明水泥的掺入使路基土整体强度提高，结构密实，承载能力提高，失稳破坏后仍具有一定程度的承载强度。水泥掺量在4%～6%之间，残余强度增幅随围压的增大而增大；当水泥掺量在6%～8%之间时，残余强度随围压增长增幅不显著；水泥掺量超过6%后对残余强度提升作用不大。

同一水泥掺量下，残余强度随围压提升明显升高，并且随水泥掺量从4%到8%，残余强度的涨幅从60%增加到90%。这说明水泥掺量和围压的增长均可提升水泥稳定路基土的强度。在实际工程中可通过掺加适量水泥、提高路基土压实度和加固提升边坡稳定等方法提高路基承载力。

2.3 抗剪强度指标参数

由各水泥掺量下水泥稳定路基土的应力应变曲线求得相应的抗剪强度指标参数黏聚力和内摩擦角，如图2所示。由图2可以看出，7d标准养护条件下，内摩擦角有波动但变幅不大，而黏聚力则随水泥掺量的增加而明显增加，但在较高水泥掺量下有下降趋势。这表明水泥的水化作用胶结了土颗粒，形成的水泥石构成了试样的结构骨架，土颗粒填充骨架空隙，形成较强的整体性，使路基土的颗粒结构更加密实，内部孔隙减小，提供较强的抗剪强度，提高了路基土的路用性能和耐久性。

图2 随水泥掺量增加黏聚力与内摩擦角变化曲线Fig.2 Curve of change of cohesion and internal friction angle with increasing cement content

3 结论

通过对水泥稳定路基土进行室内强度试验，得到了不同含水率、水泥掺量、围压下的强度变化规律及最佳配比范围：

(1)本地区路基土经水泥稳定后在含水率14%时，水泥加入量在4%，6%，8%范围内水泥水化效果最好，无侧限抗压强度最高，水泥掺量为2%时强度增长不明显。

(2)随围压增大，水泥稳定路基土峰值应力、残余强度均增大，有利于路基土承载能力的提升；随着水泥掺量的增大，在掺量为4%～6%时峰值应力、残余强度、黏聚力的增幅较大，掺量超过6%时强度增长减缓，黏聚力有下降趋势。

综上可知，水泥掺量和围压都可以提高水泥稳定路基土的强度，最佳含水率为14%，考虑到强度提升效率与工程经济实用性，水泥掺量4%为最佳掺量。文中根据实际工程用土的性质，结合无侧限抗压强度和三轴压缩试验，将水泥掺量和围压对水泥稳定土单轴抗压强度、抗剪强度、残余强度的影响综合考虑，较其他单独考虑单轴抗压强度、掺量、龄期的研究更加全面且具有实际意义，所得水泥稳定土配比取值为后续深入研究奠定基础。