水泥改良土抗剪強度試驗研究

摘要：為獲得瀕水環境下水泥改良土抗剪強度設計參數，采用室內試驗方法，研究水泥與土的質量比、壓實度、含水量及養護齡期對水泥改良土抗剪強度的影響。結果表明：含水量、壓實度、養護齡期相同時，水泥改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度隨水泥與土的質量比的增大而增大；水泥與土的質量比、含水量、養護齡期相同時，隨壓實度的增大，水泥改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度線性增大，水泥與土的質量比為8.0%時，黏聚力平均增大3.4%，水泥與土的質量比為10%時，黏聚力平均增大2.1%；水泥與土的質量比、壓實度和養護齡期相同時，水泥改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度隨含水量的增大而減小，黏聚力變化較小，內摩擦角、抗剪強度變化較大；水泥與土的質量比、壓實度和含水量相同時，水泥改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度隨養護齡期的增大而增大，但增速放緩，養護28 d后內摩擦角基本不變，抗剪強度因黏聚力繼續增大而增大。

關鍵詞：改良土；抗剪強度；水泥與土的質量比；壓實度；含水量；養護齡期

中圖分類號：U416.216；U214.1文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）04-0049-08

0引言

改良土的力學性能及耐久性良好，已廣泛應用于公路建設中。20世紀初，水泥改良土開始應用在道路工程中，隨后作為新型建筑材料廣泛應用在各類建設工程中。土的種類、膠凝材料與土的質量比、含水量、養護齡期、水泥種類和標號、水灰比、外加劑類型等因素都對成型后改良土的力學特性，尤其是抗壓、抗剪強度有顯著影響。

國內外學者研究改良土的力學性能指標，并制定一系列路用標準。陳四利等[1]通過固結不排水剪切試驗研究水泥土處于復雜環境下抗剪強度的變化，發現隨圍壓、水泥與土的質量比、酸堿度的增大，抗剪強度增大。阮波等[2]、陳其帆等[3]研究圍壓、壓實度、含水量、水泥與土的質量比和養護齡期等因素對改良土的抗壓強度、抗剪強度、變形模量和應力-應變的對應關系，發現隨養護齡期、水泥與土的質量比的增大，水泥土的抗剪強度增大。李永彪等[4]通過直剪試驗研究水泥與土的質量比對改良膨脹土抗剪強度、內摩擦角和黏聚力的影響，結果表明水泥與土的質量比在一定范圍內可提高改良膨脹土的抗剪強度。龐文臺[5]以粉質黏土為基本材料，以水泥為固化材料，添加粉煤灰、強堿和表面活性劑，研制高強度、耐久性良好的新型材料，建立單軸受壓狀態下復合水泥土的彈塑性損傷模型。Horpibulsuk等[6]對水泥改良黏土進行不排水剪切試驗，研究發現黏土處于非穩定狀態，抗剪強度和變形特性與黏土織物和膠結結構有關。牛麗坤等[7]將單獨摻加1種膠凝材料與按不同質量比摻加水泥、石灰2種材料制備的試件對比，研究膠凝材料與土的質量比與改良土抗壓強度的關系，認為水泥與土的質量比為13.5%，石灰取代水泥率為1.1%時，可最大程度提高改良土的力學強度和耐久性。陳曉靜等[8]對不同齡期下水泥改良土試件進行無側限抗壓強度試驗和快剪試驗，建立水泥改良土無側限抗壓強度與黏聚力、變形模量的關系。De Almeida等[9]認為水泥與土的質量比對水泥改良土抗壓強度的變化影響顯著，在任何養護齡期后，摻加粉煤灰的復合水泥土中水化產物的質量分數均明顯大于普通水泥土，且水化產物對復合水泥土中土顆粒的膠結作用更強。趙雪等[10]研究水泥對黃土崩解性的改良效果及作用機制，試驗結果表明，摻入水泥可大幅提升黃土的抗崩解能力，水泥與土的質量比為3%時土樣開始不發生崩解。張云龍等[11]通過室內三軸壓縮試驗分析水泥改良粉砂土與素土的應力-應變關系，探究凍融循環、水泥與土的質量比和圍壓對水泥改良土抗剪強度的影響，發現水泥與土的質量比為2%時，改良土已獲得較大的抗剪強度。秦玉禹等[12]通過三軸剪切試驗研究水泥與粗顆粒工程棄土復合改良淤泥土的物理力學性能，試驗結果表明，影響改良土物理力學性能的因素主要為粗顆粒棄土在工程棄土中占比、水泥與土的質量比、養護齡期，其中水泥與土的質量比和養護齡期的影響最顯著。解邦龍等[13]采用不固結不排水三軸剪切試驗研究養護齡期對粉煤灰水泥土的影響，試驗結果發現，試件的抗剪強度隨養護齡期的增大而增大并最終趨于穩定，養護28 d后抗剪強度最大。現有研究多分析改良土單項力學指標與路用性能的關系，未考慮強滲流場等條件下抗剪強度影響因素的變化，未在理論及試驗中明確長時間處于水環境侵蝕的改良土是否能保持一定的工程性能和使用壽命[14-16]。

為分析水泥改良土在瀕水環境下抗剪強度的變化規律，滿足工程應用的設計需要，本文基于室內抗剪強度試驗，研究水泥改良土在水泥與土的質量比、壓實度、含水量及養護齡期等影響因素下的黏聚力、內摩擦力及抗剪強度的變化規律，以期為在考慮安全、工期、成本等條件下改良土的選擇提供數據支撐。

1試驗方法及步驟

1.1試驗材料及模型制備

選取濟南市長清區濟菏高速東側開挖路基土為試驗材料，土體為黃褐色，最佳含水量為9.8%，土體物理性能參數如表1所示。

αw為水泥與土的質量比，設定不同的αw，計算各配合比所需水泥質量

mc=αwm0（1+ω）/（1+ω0），

式中：m0為風干土的質量，ω為試驗土體天然含水量，ω0為風干后土的含水量。

將土風干，稱取制備試件所需風干土的質量，噴水拌勻，將土裝入塑料袋密封并放置在陰涼處靜置24 h后備用；將不同配合比所需水泥與靜置后的土體混合后攪拌均勻，加入水泥后1 h內制備完成水泥改良土試件，否則應廢棄混合料；將攪拌均勻的水泥混合料采用擊實法成型，制作直徑為39.1 mm、高80.0 mm的52個圓柱體試件，將試件放入標準養護室，控制養護溫度為（20±2）℃，養護濕度不小于95%，在標準養護的最后1 d將試件浸沒于（20±2）℃水中，水面高度比試件至少高3.0 cm。采用MTS萬能試驗機進行剪切試驗。

1.2剪切試驗步驟

1）將套有橡膠膜的水泥改良土試件垂直放在MTS壓力室底板上，用橡膠圈固定。

2）放下壓力室的玻璃罩，壓至密實，調節伸縮桿的長度，與試件剛好接觸，采用油泵向壓力室內注入硅油，沒過試件頂面后關閉進油閥。

3）檢查儀器設備，無錯誤提示后安裝結束。

4）向安裝好的壓力室內通入空氣，分別在預定圍壓150、200、300 kPa時停止通入空氣，采用位移控制式加載方式，加載速度為0.01 mm/min，試件破壞后停止加載。

5）以試件所受垂直應力為橫坐標，所受剪應力為縱坐標，繪制以（σ1+σ2）/2為圓心、（σ1-σ3）/2為半徑的莫爾圓，其中，σ1為極限平衡狀態下的軸向主應力，kPa；σ3為極限平衡狀態下的圍壓應力，kPa。通過莫爾強度包絡線可獲得試件的抗剪性能指標黏聚力c和內摩擦角φ，抗剪強度[17]

τ=σtan φ+c，（1）

式中：σ為試件剪切滑動面上的法向應力，kPa。

2試驗結果分析

2.1水泥與土的質量比對改良土抗剪性能指標的影響

設定水泥與土的質量比αw分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%，在最優含水量為9.8%時制備試件，分別標準養護7、28 d，壓實度為96%。在不同水泥與土的質量比和養護齡期的條件下，水泥改良土的莫爾強度包絡線如圖1所示。

根據莫爾強度包絡線及式（1），計算各試件在不同水泥與土的質量比及養護齡期下的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度，結果如表2所示。

由表2可知：相同的養護齡期下，水泥改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度均隨水泥與土的質量比的增大而增大；2種養護齡期下，水泥與土的質量比為10%和12%時，水泥改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度相差不大。養護7 d，水泥與土的質量比為12%時，水泥改良土的抗剪強度比水泥與土的質量比為2%時增大約41.2%，養護28 d時增大約38.7%；水泥與土的質量比不大于10%，水泥與土的質量比相同時，水泥改良土黏聚力的增速是內摩擦角的2～3倍，水泥與土的質量比對改良土黏聚力的影響更大。

2.2壓實度對水泥改良土抗剪性能指標的影響

設定壓實度分別為90%、93%、96%、99%，水泥與土的質量比分別為8%和10%，在最佳含水量為9.8%時，標準養護28 d。不同水泥與土的質量比、不同壓實度下水泥改良土莫爾應力圓及強度包絡線如圖2所示。根據莫爾強度包絡線及式（1），計算各試件在不同水泥與土的質量比及壓實度下的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度，結果如表3所示。

由表3可知：水泥與土的質量比相同時，隨壓實度增大，水泥改良土的黏聚力和抗剪強度增大，內摩擦角基本不變；水泥與土的質量比為8%時，隨壓實度的增大，黏聚力平均增大3.4%，內摩擦角變化不大，抗剪強度平均增大2.1%；水泥與土的質量比為10%時，壓實度大于93%時各指標開始變化，黏聚力平均增大2.0%，內摩擦角基本不變，抗剪強度平均增大1.2%。主要原因是壓實度增大，水泥改良土顆粒間接觸更緊密、孔隙比減小，改良土的黏聚力增大；壓實度的增大未改變土顆粒的表面性質，未引起內摩擦角明顯變化；壓實度對水泥改良土的黏聚力影響顯著[18]。

2.3含水量對水泥改良土抗剪性能指標的影響

選擇水泥與土的質量比分別為8%和10%，分別以含水量12.4%、14.1%為基礎，按2.0%遞增，設計8組試件，壓實度為96%，標準養護28 d，不同水泥與土的質量比、不同含水量下水泥改良土莫爾強度包絡線結果如圖3所示。根據莫爾強度包絡線及式（1），計算各試件在不同水泥與土的質量比及壓實度下的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度，結果如表4所示。

由表4可知：1）含水量大于最佳含水量后，2種水泥改良土的黏聚力、內摩擦角均隨含水量的增大而減小，黏聚力呈線性減小。2）隨含水量的增大，水泥與土的質量比為8%時，水泥改良土的黏聚力約平均減小3.7%，內摩擦角、抗剪強度最大降幅分別為8.3%、14.7%；水泥與土的質量比為10%時，水泥改良土的黏聚力約平均減小2.0%，內摩擦角、抗剪強度最大降幅分別為10.8%、11.5%。3）水泥與土的質量比為10%時，隨含水量繼續增大，水泥改良土的抗剪強度減小并趨緩，而水泥與土的質量比為8%時，水泥改良土的抗剪強度持續減小，說明隨水泥與土的質量比增大，改良土致密性增強。

2.4養護齡期對水泥改良土抗剪性能指標的影響

設定水泥與土的質量比分別為8%和10%，壓實度均為96%，以最優含水量為9.8%制備水泥土試件，養護齡期分別為7、28、60、120 d，試驗結果如圖4所示。根據莫爾強度包絡線及式（1），計算各試件在不同水泥與土的質量比及壓實度下的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度，結果如表5所示。

由表5可知：1）隨養護齡期增大，2種水泥與土的質量比下，水泥改良土的黏聚力、摩擦角和抗剪強度均增大。2）養護改良土試件7 d后，2種水泥與土的質量比下，水泥改良土的黏聚力和摩擦角均大于養護120 d水泥改良土的90%，說明水泥改良土在養護7 d后基本完成抗剪性能的提高；從養護28 d至120 d，2種水泥與土的質量比下，水泥改良土的摩擦角僅增大約1.0%，黏聚力繼續增大，且增速隨養護齡期的增大而減小。3）水泥改良土抗剪強度的增速隨養護齡期的增大而減小，養護28 d后摩擦角基本不變，抗剪強度繼續增大，說明養護齡期對水泥改良土后期抗剪強度的增大起主要作用。

3結論

1）含水量、壓實度、養護齡期相同時，水泥改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度均隨水泥與土的質量比的增大而增大，但增幅逐漸減小。水泥與土的質量比為10%和12%時，分別養護7、28 d時水泥改良土的抗剪性能指標基本一致，黏聚力的增幅是內摩擦角的2～3倍。

2）水泥與土的質量比、含水量、養護齡期相同時，水泥改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度與壓實度基本呈線性增大關系，壓實度對水泥改良土黏聚力的影響更顯著。水泥與土的質量比為8%時，黏聚力平均增大3.4%；水泥與土的質量比為10%時，黏聚力平均增大2.0%。

3）水泥與土的質量比、壓實度和養護齡期相同時，水泥改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度隨含水量的增大而減小，黏聚力與含水量呈線性關系減小，黏聚力變化較小，內摩擦角和抗剪強度變化較大；水泥與土的質量比分別為8%和10%時，隨含水量的增大，內摩擦角的最大降幅分別為8.3%、10.8%，抗剪強度的最大降幅分別為14.7%、11.5%。

4）水泥與土的質量比、壓實度和含水量相同時，水泥土改良土的黏聚力、內摩擦角及抗剪強度隨養護齡期的增大而增大，但增速放緩，養護7 d后基本完成抗剪性能提高。

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Experimental study on shear strength of cement improved soil

Abstract：To obtain design parameters for the shear strength of cement improved soil in a wetland environment， an indoor experimental method is employed to study the effects of the cement-to-soil mass ratio， compaction degree， moisture content， and curing age on the shear strength of cement improved soil. The results indicate that， with the same moisture content， compaction degree， and curing age， the cohesion， internal friction angle， and shear strength of the cement improved soil increase with the increase of the cement-to-soil mass ratio. When the cement-to-soil mass ratio， moisture content， and curing age remain constant， the cohesion， internal friction angle， and shear strength of the cement improved soil increase linearly with the increase of compaction degree. At a cement-to-soil mass ratio of 8.0%， the average cohesion increases by 3.4%， and at a cement-to-soil mass ratio of 10%， the average cohesion increases by 2.1%. With the cement-to-soil mass ratio， compaction degree， and curing age remaining constant， the cohesion， internal friction angle， and shear strength of the cement improved soil decrease with the increase of moisture content. The change in cohesion is small， while the changes in internal friction angle and shear strength are significant. When the cement-to-soil mass ratio， compaction degree， and moisture content are constant， the cohesion， internal friction angle， and shear strength of the cement-modified soil increase with the increase of curing age， but the rate of increase slows down. After 28 days of curing， the internal friction angle remains basically unchanged， while the shear strength increases due to the continued increase in cohesion.

Keywords：improved soil; shear strength; cement-to-soil mass ratio; compaction degree; water content; curing age