復合材料改性城市路基土短齡期三軸力學特性

方 睿，李 犇，張 晨，錢 彪，張 芳

（1.同創工程設計有限公司，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

隨著經濟的發展和工程技術的進步，工程人員在城市道路的路基施工中經常會遇到各類土壤，其中一些土壤存在著承載力低、剛度小和強度弱等缺陷，不能滿足工程實際的要求，需要采取一定的改良措施，如粉質黏土[1-2]。

粉質黏土作為一種典型的缺陷土，由于具有低強度和較差的水穩性，在雨季施工時易發生濕陷現象，對土區的施工造成嚴重的危害[3]。因此，如何采用一種有效的土體改良措施以避免嚴重的路基、路面甚至建筑物損壞，吸引了大量學者的關注[4]。例如，馬卉等[5]通過無側限抗壓試驗探究了水泥對粉質黏土的改性效果。結果表明，隨著養護齡期的提升，水泥的摻入能夠較好地提升土樣的抗壓強度和抗凍性能。然而，隨著工程環境的變化，研究者發現水泥對土樣力學特性的改善效果往往不能滿足實際工程的需求。如何對水泥粉質黏土進行改性，從而提升其力學特性成了近年來的研究重點[6]。朱定華等[7]通過無側限抗壓試驗探究了纖維對水泥粉質黏土的改性效果。結果表明，纖維對土樣的抗壓強度具有較好的提升效果。上述文獻表明，摻入合適的材料對水泥粉質黏土進行改性具有較好的可行性，但很少有人考慮工作環境和納米材料對改性效果的影響。在實際工程中，土體改造層往往被埋在地下，深度（圍壓）和改性材料的變化將會對土樣的力學特性產生較大影響[8]。因此，有必要研究圍壓和納米材料對水泥粉質黏土力學特性的影響。

另外，在路基施工中，為了盡快滿足后續施工和路面應用的要求，探究短齡期條件下改性土樣的力學特性也具有一定的必要性。本文基于上述研究，在0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 圍壓下，對3 d 養護齡期的水泥土和納米水泥土進行了一系列三軸UU 試驗，并探討了短齡期下，不同圍壓和納米MgO 對水泥粉質黏土的改性效果，以期為納米水泥土運用于實際工程提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料和設備

本試驗路基土樣取自浙江省紹興市某路段，其技術指標見表1。按《建筑地基基礎設計規范》[9]（GB 50007—2011），其屬于粉質黏土，具體實物見圖1。試驗選用PO32.5 硅酸鹽水泥。采用納米MgO 作為改性材料，主要參數指標見表2。采用圖2 全自動三軸儀，型號為TKA-TTS-3S。

圖1 路基土樣

圖2 全自動三軸儀

表1 路基土技術指標

表2 納米MgO 技術指標

1.2 試樣制備與方案

本試驗根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），采用三瓣飽和器，制作高度H = 80 mm、直徑D =39.1 mm 的三軸試樣。制樣完成后，將所有試樣放置在恒溫（20℃）、恒濕（95%）的養護箱中標準養護3d。試樣養護完成后，進行UU 三軸試驗[10]。試驗的具體方案見表3。表3 中，試樣的含水率和水泥含量均為干土質量分數、納米MgO 含量為水泥的質量分數。試樣破壞前后特征見圖3 和圖4。

圖3 破壞前試樣

圖4 破壞后試樣

表3 試驗方案

2 試驗結果及其分析

2.1 偏應力-軸向應變曲線

數學特征分別為：過原點、曲線外凸、存在極值點及漸近線。該結果表明，水泥土和納米水泥土試樣的破壞特征均為脆性破壞。據ASTM D2850—15 相關規定，當q-ε 曲線存在明顯峰值時，最大軸向應變的取值應大于峰值應力下應變的3%～5%[11]。在本研究中，最大軸向應變為10%。

2.2 峰值應力和殘余應力

對不同試樣的峰值應力和殘余應力進行量化分析，將能較好地描述試樣在有側限條件下的軸向抗壓強度和試樣破壞后抵抗外部荷載的能力（簡稱“抗破壞力”）。由圖5 相關數據可得水泥土和納米水泥土試樣的峰值應力qp和殘余應力qr圖（見圖6）。由圖6 可知，隨著圍壓的升高，與0.1 MPa 相比，0.3 MPa圍壓下，水泥土和納米水泥土試樣的峰值應力增加幅度分別為63%和59%，殘余應力的增加幅度分別為125%和115%。此外，當圍壓一定時，與水泥土相比，納米水泥土試樣的峰值應力和殘余應力的增加幅度分別為11%～18%和9%～32%。上述結果表明，水泥土和納米水泥土試樣承載力和抗破壞力的提升對圍壓的升高具有較好的敏感性。而對比水泥土試樣，隨著納米MgO 的摻入，水泥土試樣的承載力和抗破壞力均有較好的提升。

圖5 水泥土和納米水泥土試樣的q-ε 曲線

圖6 不同試樣峰值應力和殘余應力

2.3 強度曲線

為了繪制不同試樣的強度包線，并得出其強度參數[8]。本文以法向應力為橫坐標，以剪應力為縱坐標，在橫坐標上以（σ1+σ3）/2 為圓心、（σ1-σ3）/2 為半徑繪制極限應力圖（見圖7）。由圖7 可求出試樣的強度參數c、φ（見表4）。

表4 抗剪強度參數

圖7 水泥土和納米水泥土試樣的摩爾包絡圖

由圖7 和表4 可知，水泥土和納米水泥土試樣的黏聚力c 分別為0.19 MPa 和0.22 MPa，內摩擦角φ 分別為41.2°和43.1°。與水泥土試樣相比，納米水泥土試樣的c 和φ 值的增加幅度分別為16%和5%。該結果表明，納米MgO 的摻入對水泥土試樣的抗剪強度具有較好的提升效果。其與Wang 等[12]的試驗結果基本相符，他們分別通過直剪和無側限試驗探究了納米MgO 對濱海軟土的改性效果。結果表明，納米MgO 的摻入對水泥改性濱海軟土的力學特性具有較好的改性效果，且主要原因為，納米MgO 的摻入會起到促進水泥水化反應和孔隙填充的作用。

3 結 語

（1）水泥土和納米水泥土試樣的q-ε 曲線均為軟化型曲線，其數學特征為：過原點、曲線外凸、存在極值點及漸近線。該結果表明，水泥土和納米水泥土試樣的破壞特征均表現為脆性破壞。

（2）當圍壓一定時，與水泥土試樣相比，納米水泥土試樣的峰值應力、殘余應力、黏聚力和內摩擦角的增加幅度分別為11%～18%、9%～32%、16%和5%。該結果表明，納米MgO 的摻入對水泥土試樣的承載力、抗破壞力和抗剪強度均具有較好的提升效果。另外，水泥土和納米水泥土試樣力學特性的提升對圍壓的升高均具有較好的敏感性。

本研究通過UU 三軸試驗，探討了不同圍壓和短齡期下，納米MgO 對水泥土試樣的改性效果。結果表明，納米MgO 的摻入對水泥土試樣的力學特性均具有較好的改性效果。然而，本研究只考慮了UU 三軸條件下，單一摻量及短齡期條件下試樣的力學特性，對于不同試驗條件和摻量的影響有待進一步討論。