水泥固化土强度特性试验研究_杨廷玉

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｉｌ，ｕｎｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ－ｕｎ－
ｄｒａｉｎｅｄ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｒｉａｘｉａｌ ｔｅｓｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｒｅａｃｈｅｓ ａ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｉｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄ－ ｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ ｆｒｏｍ ｃｅｍｅｎｔ ｈａｒｄｅｎｅｒ，ｉｔ ｉｓ ｋｎｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｈａｒｄｅｎｅｒ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ，ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｆｒｏｍ ｂｉｇ ｔｏ ｓｍａｌｌ ｉｓ ５％ ，８％ ，１２％ ，２％ ．Ｉｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｉｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｅ－ ｍｅｎｔ ｃａｎ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｏｉｌ ｂｏｄｙ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅ，ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｐａｒａｂｏｌａ ｔｙｐｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｒｅａｃｈｅｓ ａ ｐｅａｋ ｐｏｉｎｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅ ｉｓ ５％ ．Ｔｈｅ ｃｏｈｅｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｉｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｆｉｒｍｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｂｕｔ ｉｔ ａｐｐｅａｒｓ ｓｍｏｏｔｈ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅ ｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ５％ ａｎｄ ８％，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｇｏｅｓ ｏｎ ｉｎ－ ｃｒｅａｓｉｎｇ；ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｎｅａｒｌｙ ｋｅｅｐｓ ｉｎｖａｒｉａｎｔ，ｓｏ ｔｈｅ ｃｏｈｅｓｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｉｌ．Ｓｏ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｓｏｉｌ ｂｏｄｙ ｗｉｔｈ ｃｅｍｅｎｔ ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅ ｔｏ ５％ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｃｏｎｏｍｉ－ ｃａｌ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔ；ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ；ｔｒｉａｘｉａｌ ｔｅｓｔ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
第２６卷第３期 黑 龙 江 工 程 学 院 学 报（自然科学版） Ｖｏｌ．２６ №．３ ２０１２年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｐ．，２０１２
水泥固化土强度特性试验研究
型”（见图 ３ 和 表 １），即 随 着 水 泥 固 化 剂 掺 量 的 增 加 ，呈 现 先 增 加 后 减 小 再 增 加 的 变 化 趋 势 ，故 而 存 在 一个峰值点，这个峰 值 点 就 是 水 泥 固 化 土 最 合 理 的
２．４ 水泥固化剂 掺 量 对 水 泥 固 化 土 抗 剪 强 度 的 影 响
杨 廷 玉１，周 宇１，赵 莹 莹１，陈 德 鹏１，赵 阳 阳２，马 千 惠１
（１．佳木斯大学 建筑工程学院，黑龙江 佳木斯 １５４００７；２．黑龙江省收费公路管理局 佳木斯管理处，黑龙江 佳木斯 １５４００７）
摘 要 ：为研究水泥固化土强度特性，对水泥固化土进行室内不固结不排水三轴试验。结果表明，达到一定 应 变 条 件 下，随 着围压的增加水泥固化土应力不断增加。说明随着围压的增加，水泥固化土的强度不断增强，水泥对土体具有很好的加固 作用。从不同水泥固化剂掺量应 力应变关系曲线可知，水泥 固 化 剂 掺 量 对 应 力 应 变 关 系 的 影 响 从 大 到 小 顺 序 为 ５％ 、８％ 、 １２％、２％。随着水泥固化剂掺量的增加，破坏应力与应变成“波浪型”，在水泥掺量５％处出现一峰值点。水泥固化剂掺量 对固化土抗剪强度的影响，随着水泥掺量的增加黏聚力增加，但在水泥掺量５％～８％出现平稳过渡段，然后继续增加，而内 摩擦角却几乎保持不变，说明水泥可以很好地改善土体 强 度，水 泥 固 化 土 抗 剪 强 度 的 重 要 指 标 是 黏 聚 力。 因 此，采 用 水 泥 来加固土体，可以大大改善土体的力学性能，选取水泥掺量５％作为最佳配比，最经济合理。 关 键 词 ：水 泥 ；砂 土 ；三 轴 试 验 ；强 度 特 性 中图分类号：ＴＵ４７２．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－４６７９（２０１２）０３－０００６－０４
图２ 主应力差σ１ －σ３ 与轴向应变εａ 关系（不同水泥掺量）
２．３ 水 泥 掺 量 对 水 泥 固 化 土 破 坏 应 力 的 影 响 随 着 水 泥 固 化 剂 掺 量 的 增 加 ，破 坏 应 力 成 “波 浪
固化方案，即 水 泥 掺 量 ５％ 为 水 泥 固 化 图 最 佳 配 比 方 案 ，最 经 济 合 理 。
收 稿 日 期 ：２０１２－０３－１２ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１１０８１３４）；黑 龙 江 省 教 育 厅 科 学
技 术 研 究 资 助 项 目 （１２５１１５６６） 作 者 简 介 ：杨 廷 玉 （１９６７－ ），男 ，副 教 授 ，研 究 方 向 ：固 化 改 良 土 ．
水 泥 固 化 土 是 土 （或 集 料 ）、水 泥 、外 加 剂 和 水 混 合 压 实 和 养 护 后 的 一 种 拌 和 物 ，来 源 较 广 泛 ，价 格 低 廉 ，其 物 理 力 学 性 能 远 优 于 原 状 土 ，目 前 已 广 泛 应 用 于截渗工程、基坑支 护 及 软 土 路 基 的 改 良 和 加 固 等
第 ３ 期 杨 廷 玉 ，等 ：水 泥 固 化 土 强 度 特 性 试 验 研 究
·７·
各类工程中［１］。２０世纪以来，对 于 固 化 土 研 究 主 要 集中在固化 剂 研 发 和 固 化 土 性 质 等 方 面 。 ［２－５］ 对 沙 漠地区特殊风沙土用固化剂来加固的力学性能和工 程性能已取得一些研 究 成 果 。 ［６－１１］ 本 文 从 不 固 结 不 排水三轴试验入手，对 水 泥 固 化 土 的 强 度 特 性 进 行 研 究 ，深 入 了 解 其 物 理 力 学 特 性 。
随 着 水 泥 固 化 剂 掺 量 的 增 加 ，黏 聚 力 明 显 增 加 ，
·８·
黑 龙 江 工 程 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ） 第 ２６ 卷
图 ３ 破 坏 应 力（σ１－σ３）ｆ 与 水 泥 固 化 剂 掺量ｍ 关系曲线
１ 试验方案
土样选取典型 沙 漠 地 区 特 殊 的 风 成 风 沙 土，采 用固化材料为 水 泥 固 化 剂，选 取 ４ 种 掺 量 ｍ （水 泥 重量与 干 土 重 量 的 百 分 比 ）分 别 为 ２％、５％、８％、 １２％ ，把 水 泥 固 化 剂 掺 入 风 沙 土 中 将 其 进 行 拌 合 ，分 ３层击实，每层击实次数为２５ 次。 每 层 间 用 刮 土 刀 刨 毛 ，以 便 于 土 层 间 更 好 的 结 合 ，避 免 出 现 明 显 的 界 面。然后将试件从 击 实 筒 中 取 出，称 取 其 质 量 后 套 上橡皮膜备用。
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｉｌ
ＹＡＮＧ Ｔｉｎｇ－ｙｕ１，ＺＨＯＵ Ｙｕ１，ＺＨＡＯ Ｙｉｎｇ－ｙｉｎｇ１，ＣＨＥＮ Ｄｅ－ｐｅｎｇ１， ＺＨＡＯ Ｙａｎｇ－ｙａｎｇ２，ＭＡ Ｑｉａｎ－ｈｕｉ １
在小应变情况下围 压 对 应 力 的 影 响 并 不 明 显，说 明 小应变时围压对土 体 强 度 的 影 响 不 大；随 着 应 变 的 增 加 ，应 力 应 变 曲 线 开 始 不 断 分 离 ，随 着 围 压 的 增 加 水泥固化土应力不 断 增 加，说 明 当 达 到 一 定 应 变 条 件下，随着 围 压 的 增 加，水 泥 固 化 土 的 强 度 不 断 增 强 ，水 泥 对 土 体 具 有 很 好 的 加 固 作 用 。
（１．Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊａｍｕｓｉ １５４００７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉａｍｕｓｉ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｏｆｆｉｃｅ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｓ Ｆｅｅｓ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｒｅａｕ，Ｊｉａｍｕｓｉ １５４００７，Ｃｈｉｎａ ）
试验设备是南京电 力 自 动 化 设 备 厂 生 产 的 ＳＪ－ １Ａ 型应变控制式三 轴 剪 力 仪，主 要 由 试 验 机、测 量 系 统 、压 力 室 、制 备 试 样 工 具 等 ４ 部 分 组 成 。 三 轴 剪 切采用不固 结 不 排 水 （ＵＵ）的 方 式，试 验 剪 切 应 变 速率为０．８２８ｍｍ／ｍｉｎ，分级加载 测 试，围 压 分 别 取 １００ｋＰａ、２００ｋＰａ、３００ｋＰａ。 试 样 直 径 为３９．１ｍｍ， 高为８０ｍｍ。 所 有 试 样 均 剪 切 至 破 坏 或 达 到 一 定 的 轴 向 应 变 （１５％ ）后 停 机 。
在水泥固化剂掺量５％～８％ 阶段 出 现 一 个 稳 定 段， 然后继续增加，说明 水 泥 固 化 剂 的 掺 入 明 显 提 高 土 体 的 强 度 ，但 当 增 加 到 一 定 程 度 ，水 泥 固 化 剂 的 增 加 对 土 体 强 度 的 影 响 就 不 明 显 了 ，过 了 这 段 停 滞 段 ，随 着水泥固 化 剂 掺 量 的 增 加 继 续 增 强，如 图 ４（ａ）所 示。因此，选择 水 泥 固 化 剂 掺 量 ５％ 作 为 最 佳 水 泥 配 比 方 案 ，最 为 经 济 合 理 ，这 与 水 泥 固 化 剂 掺 量 对 水 泥固化土应力应变关系和破坏应力的影响分析是一 致的。
２．２ 水 泥 掺 量 对 水 泥 固 化 土 应 力 应 变 关 系 的 影 响 不 同 水 泥 掺 量 下 主 应 力 差σ１ －σ３ 与 轴 向 应 变
εａ 关 系 曲 线 如 图２ 所 示 ，水 泥 掺 量 对 应 力 应 变 关 系 的影 响 从 大 到 小 顺 序 为 ５％ 、８％ 、１２％ 、２％ ，水 泥 掺 量 为 ５％ 时 ，应 力 应 变 曲 线 最 高 。 说 明 水 泥 固 化 土 的 最 佳 固 化 方 案 ，即 水 泥 掺 量 为 ５％ 时 ，水 泥 固 化 土 的 强 度 最 高 ，选 取 此 时 为 水 泥 固 化 土 最 佳 配 比方案。
２ 试验结果分析
２．１ 围 压 对 水 泥 固 化 土 应 力 应 变 关 系 的 影 响 不同围压下主应力差σ１ －σ３ 与 轴 向 应 变εａ 关
系 曲 线 如 图 １ 所 示 ，随 着 应 变 的 增 加 ，水 泥 固 化 土 应 力不断增加。开始段应力应变关系曲线比较接近，
图１ 主Hale Waihona Puke Baidu力差σ１ －σ３ 与轴向应变εａ 的关系（不同围压）