改良土抗剪性能影響因素對比試驗研究

摘要：為分析水泥改良土和石灰改良土的抗剪性能，在不同膠凝材料與干土的質量比條件下，對2種改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角進行試驗研究，分析膠凝材料與干土的質量比、壓實度、含水量、養護齡期等對改良土抗剪性能的影響規律。結果表明：同齡期下，2種改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角均隨膠凝材料與干土質量比由4%增至10%而增大，擬合函數相關系數均大于0.980，擬合曲線均符合二次多項式關系；隨壓實度由90%增至99%而線性增大，壓實度對石灰改良土黏聚力的影響更顯著；隨含水量由13%增至22%而減小，抗剪強度、內摩擦角與含水量呈二次多項式關系；隨養護齡期由7 d增至120 d時先迅速增大，養護60 d后抗剪性能趨穩。

關鍵詞：改良土；剪切試驗；抗剪性能；膠凝材料

中圖分類號：U416.217文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）04-0057-08

0引言

作為抗壓、抗剪性能良好的填料，改良土已在公路工程領域應用多年，改良土是在土或骨料中摻加一定質量的水泥或石灰，加水經過拌和、壓實和養護后形成明顯改善工程性能的建筑材料，能有效降低施工成本[1-3]。影響改良土抗剪性能的因素較多，主要包括膠凝材料與干土的質量比[4-6]、干密度[7]、含水量[8-9]、養護齡期[10-11]等。

陳曉靜等[12]研究水泥改良土抗壓、抗剪強度與各影響參數間的關系，對不同養護齡期下不同配比的水泥改良土試樣進行無側限抗壓強度試驗和快剪試驗，分析抗壓、抗剪強度隨水泥與干土的質量比的變化規律，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，結果表明，隨水泥與干土的質量比的增大，水泥改良土試樣的無側限抗壓強度和黏聚力均增大，二者線性相關。嚴赪強等[13]通過不固結不排水三軸剪切試驗研究石灰改良土的剪切強度，發現干密度、養護齡期、石灰與土的質量比越大，石灰改良土的剪切強度越大，且圍壓越大，石灰改良土剪切強度和破壞應變越大；石灰改良土在單軸壓縮條件下呈明顯的脆性破壞特征；石灰改良土在三軸剪切條件下呈脆性破壞和塑性破壞2種破壞模式，隨干密度、養護齡期及石灰與土的質量比增大，石灰改良土的黏聚力和內摩擦角也相應增大，黏聚力變化較內摩擦角更明顯。陳其帆等[14]采用水泥、石灰為膠凝材料改性高含水區原位土，通過試驗研究高含水區改性土的養護齡期、膠凝材料與干土的質量比、土體壓實度、圍壓強度等因素對改性土無側限抗壓強度和抗剪強度的影響，發現膠凝材料與干土的質量比是影響水泥改性土和石灰改性土的抗壓強度和抗剪強度的主要因素，在相同條件下，隨干密度增大，水泥改性土和石灰改性土的抗滲能力均增強，石灰改性土的抗壓強度主要受壓實度影響，可通過調整膠凝材料與干土的質量比增強土體的抗壓和抗剪特性。Do等[15]采用無側限抗壓強度試驗研究水泥與干土的質量比、養護齡期等對水泥改良土無側限抗壓強度的影響，得到抗壓強度隨水泥與干土質量比和養護齡期變化的回歸方程。曲振鵬[16]通過水泥改良鹽漬土直剪試驗確定水泥改良土的黏聚力和內摩擦角；通過直剪試驗對比分析含水量對鹽漬土抗剪強度的影響，發現最佳含水量下的水泥改良鹽漬土的抗剪強度表現最好，增大含水量并不能有效提升鹽漬土的抗剪強度。現有研究多集中于單一影響因素下改良土的抗剪性能研究，多因素交叉影響下改良土的性能研究較少。

本文在標準養護條件下對水泥改良土和石灰改良土進行室內試驗，對比分析膠凝材料與干土的質量比、干密度、含水量和養護齡期4個影響因素的試驗數據，明確各因素共同作用下改良土抗剪性能指標的變化規律，為改良土的工程應用提供參考。

1改良土抗剪性能試驗研究

1.1試驗材料

水泥改良土和石灰改良土的組成材料包括原位素土、水泥、石灰和水。

原位素土來自小清河濱州博興港取土拌和站，取土后將土料風干、碾碎后過篩（篩孔邊長為5 mm）后制成干土。按文獻[17]對所取土樣進行篩分試驗和相對密度試驗等，黏土顆粒粒徑分布曲線如圖1所示，黏土的物理性質指標如表1所示。

選用P·O 42.5硅酸鹽水泥，對水泥進行物理性質測試，結果如表2所示。水泥的各項物理性質指標均符合文獻[18]要求，水泥在保質期內，未受潮。

采用南京某公司生產的消石灰，有效成分是MgO和CaO，二者在消石灰中的質量分數越高，消石灰的活性和整體質量越好。按文獻[19]檢測消石灰，檢測結果為：CaO在消石灰中的質量分數為71.8%；MgO在消石灰中的質量分數為3.5%，滿足不大于4.0%的要求[19]；二者在消石灰中的質量分數總和為75.3%，滿足不小于60.0%的要求[16]，為Ⅱ級鈣質消石灰。試驗所用清水為普通自來水，符合文獻[20]要求。

1.2試驗方案

制備水泥、石灰與干土質量比w1、w2分別為4%、6%、8%、10%的改良土試件，并標準養護7、28 d，通過標準擊實試驗測量改良土試件的最佳含水量和最大干密度。成型改良土試件的質量

m=ρd，maxV（1+ωopt）K，

式中：ρd，max為改良土的最大干密度，g/cm3；V為改良土試件的體積，cm3；ωopt為改良土的最佳含水量，%；K為改良土試件的壓實度，%。

采用電動擊實儀和電動脫模進行擊實試驗，將拌和好的水泥混合料分3次裝入模具中，每層用擊實器錘擊相同次數，層間進行拉毛，完成后在試模內靜置1 h，脫模得到直徑39.1 mm、高80.0 mm的成型圓柱體試件。將試樣置于標準養護室內，確保養護溫度為（20±2）℃，養護濕度不小于95%，在標準養護的最后1天將試件浸泡于（20±2）℃的水中，水深大于試件高度至少3 cm。

為測試改良土對剪切滑動的抵抗力，采用黏聚力和內摩擦角反映回填土的抗剪性能。采用全自動三軸儀MCU和真空飽和儀進行三軸試驗，模擬不同深度處改良土在不同圍壓下的受力特點。制備試樣滲透系數較小，可采用固結不排水剪切試驗研究水泥改良土和石灰改良土的抗剪強度τ、黏聚力c、內摩擦角φ與膠凝材料與干土的質量比、干密度、含水量、養護齡期等影響因素間的關系。

采用真空飽和缸將改良土試件快速飽和，靜置12 h后取出改良土試件立刻進行三軸剪切試驗，將壓力室底座充水排氣，在試件上端粘貼濾紙條，試件兩端放濕濾紙和透水石，套橡皮膜后排出膜內空氣并扎緊在底座上，最后放置壓力室罩后注滿蒸餾水，剪切速率為0.5 mm/min，設置圍壓分別為100、200、300 kPa，剪切3個試件后得到改良土試件的黏聚力和內摩擦角，抗剪強度

τ=c+0.5（σ1+σ3）-0.5（σ1-σ3）sin φtan φ，

式中：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。

2試驗結果分析

2.1膠凝材料與干土的質量比對抗剪性能指標的影響

不同膠凝材料與干土的質量比下，改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角的擬合曲線及擬合函數如圖2所示。

由圖2可知：每組擬合曲線的相關系數均大于0.980，擬合曲線均符合二次多項式關系；膠凝材料與干土的質量比為4%～10%時，改良土的抗剪強度、黏聚力和內內摩擦角均隨膠凝材料與干土質量比的增大而增大，水泥改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角的增速逐漸放緩，石灰改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角的增速加快；隨養護齡期由7 d增至28 d，改良土的抗剪性能指標均增大。

當水泥與干土的質量比為4%～10%時，每增大2%，養護7、28 d的水泥改良土的抗剪強度比同齡期試件分別增大12.8%、28.9%、34.3%和15.2%、28.8%、36.3%，黏聚力比同齡期試件分別增大12.2%、28.6%、35.3%和12.5%、30.0%、35.6%，內摩擦角比同齡期試件分別增大5.9%、11.8%、12.8%和8.0%、10.7%、14.3%，抗剪強度和黏聚力的增速是內摩擦角的2～3倍。表明水泥與干土的質量比不大于10%時，黏聚力增長受水泥與干土的質量比影響更大。水泥與干土的質量比越大，水泥的黏結作用下降，黏聚力對抗剪強度的影響減小，內摩擦角的作用增強。

當石灰與干土的質量比為4%～10%時，每增大2%，養護7、28 d的石灰土的抗剪強度比同齡期試件分別增大19.2%、38.9%、66.9%和19.5%、37.1%、63.9%，黏聚力比同齡期試件分別增大47.2%、101.7%、172.6%和48.0%、97.1%、167.7%，內摩擦角比同齡期試件分別增大3.5%、5.3%、9.1%和3.4%、4.9%、7.7%，黏聚力的增速遠大于內摩擦角，石灰與干土的質量比對黏聚力的影響遠大于內摩擦角[18]。說明石灰與干土的質量比不大于10%時，隨石灰與干土的質量比的增大，石灰改良土抗剪性能的提高主要是黏聚力的快速增大。

在膠凝材料與干土的質量比相同，養護7 d條件下，水泥改良土的抗剪強度是石灰改良土的1.78～2.21倍，黏聚力是2.06～4.05倍，內摩擦角是1.14～1.21倍，養護28 d后各抗剪性能指標變化較小。水泥對改良土的抗剪性能影響更顯著，改良效果更好[21-23]。

2.2壓實度對抗剪性能指標的影響

為研究最大干密度ρd，max對改良土抗剪強度、黏聚力、內摩擦角的影響，設計壓實度分別為90%、93%、96%、99%。通過調整試樣的壓實度達到預設干密度，膠凝材料與干土的質量比分別為8%、10%，選擇最佳含水量，標準養護28 d。水泥改良土和石灰改良土抗剪強度、黏聚力、內摩擦角與壓實度的擬合曲線及擬合函數如圖3所示。

由圖3可知：每組擬合曲線的相關系數均大于0.910，抗剪強度、黏聚力、內摩擦角與壓實度均線性相關，且隨壓實度的增大而增大；壓實度對改良土抗剪強度的影響最明顯，其次是黏聚力，對內摩擦角的影響最小；水泥與干土的質量比分別為8%、10%時，水泥改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角與壓實度擬合直線的斜率較接近；石灰與干土的質量比為10%時，石灰改良土的抗剪強度、黏聚力與壓實度的擬合直線斜率大于石灰與干土的質量比為8%的石灰改良土，二者內摩擦角的擬合曲線斜率相近。原因是隨壓實度的增大，改良土土體中孔隙比減小、顆粒排列更緊密、團聚程度增強，內摩擦角增長不顯著，但能提高黏聚力，在一定范圍內滿足路基工程需要，具有較好的抗滲性能，減少凍脹性。

2.3含水量對抗剪性能指標的影響

試驗測得水泥與干土的質量比分別為8%、10%的水泥改良土的最佳含水量ωopt分別為13.8%、14.1%，石灰與干土的質量比分別為8%、10%石灰改良土的ωopt分別為14.8%、15.2%。為研究含水量對改良土抗剪強度、黏聚力、內摩擦角的影響，設計含水量分別為ωopt、ωopt+2%、ωopt+4%、ωopt+6%，膠凝材料與干土的質量比分別為8%、10%，對壓實度為96%的試件標準養護28 d。2種改良土的抗剪強度、黏聚力、內摩擦角與含水量的擬合曲線及擬合函數如圖4所示。

由圖4可知：抗剪強度、黏聚力、內摩擦角與含水量的擬合曲線的相關系數均大于0.960，擬合精度較高；2種改良土的抗剪強度、內摩擦角與含水量均呈二次多項式關系；2種改良土的黏聚力隨含水量的增大而減小，含水量每增大2%，膠凝材料與干土的質量比分別為8%、10%時，水泥改良土的黏聚力分別減小5.36%、3.02%，石灰改良土的黏聚力分別減小14.30%、7.21%，含水量對石灰改良土黏聚力的影響比水泥改良土大；2種改良土的抗剪強度、內摩擦角均隨含水量的增大而先迅速減小后降幅趨緩；膠凝材料與干土的質量比分別為8%、10%時，含水量為14%～16%時，水泥改良土的抗剪強度和內摩擦角降幅最大，其次為16%～18%；含水量為15%～17%時，石灰改良土的抗剪強度和內摩擦角降幅最大，其次為17%～19%；含水量對石灰改良土抗剪強度的影響比水泥改良土大；含水量的增大對水泥與干土的質量比為8%的水泥改良土影響較大。石灰改良土的變化規律與此相似。

2.4養護齡期對抗剪性能指標影響分析

為研究養護齡期對改良土抗剪強度、黏聚力、內摩擦角的影響，設計養護齡期分別為7、28、60、120 d，膠凝材料與干土的質量比分別為8%、10%，壓實度為96%，采用最佳含水量制備試件。2種改良土的抗剪強度、黏聚力、內摩擦角與養護齡期的擬合曲線及擬合函數如圖5所示。

由圖5可知：1）抗剪強度、黏聚力、內摩擦角與養護齡期的擬合曲線的相關系數均大于0.960，各曲線均為指數函數關系；膠凝材料與干土的質量比為8%和10%時，2種改良土的抗剪強度、黏聚力與內摩擦角均隨養護齡期的增大而先迅速增大，養護齡期為7～28 d時增速最快，養護齡期為60 d后，各指標趨穩；養護齡期對水泥改良土的影響比石灰改良土大，對改良土抗剪強度、黏聚力的影響大于內摩擦角。

2）養護齡期為7 d，膠凝材料與干土的質量比分別為8%、10%時，水泥改良土的抗剪強度可達到養護120 d水泥改良土的89.4%、88.5%，黏聚力可達到91.0%、92.6%，內摩擦角可達到94.4%、92.2%；石灰改良土的抗剪強度可達到養護120 d石灰改良土的93.2%、93.6%，黏聚力可達到92.5%、91.7%，內摩擦角可達到96.7%、97.9%；改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角在養護7 d內基本形成，各指標增幅隨養護齡期增大而減小[24-25]，養護齡期大于28 d，改良土的內摩擦角增大不明顯，養護28 d內改良土的內摩擦角增幅大于黏聚力。

3結論

對膠凝材料與干土的不同質量比制備的水泥改良土和石灰改良土進行三軸剪切試驗，確定2種改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角隨膠凝材料與干土的質量比、壓實度、含水量、養護齡期等因素的變化規律。

1）同齡期下2種改良土的抗剪強度均隨膠凝材料與干土質量比的增大而增大，擬合曲線為二次多項式關系；隨膠凝材料與干土質量比的增大，水泥改良土的抗剪強度增幅減小，石灰改良土的抗剪強度增幅增大。

2）2種改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角均隨壓實度的增大而線性增大，壓實度對抗剪強度影響最明顯，其次是黏聚力，對內摩擦角影響最小。

3）2種改良土的抗剪強度、內摩擦角與含水量呈二次多項式關系，2種改良土的黏聚力與含水量呈線性關系。隨含水量的增大，改良土的抗剪指標減小，含水量的增大對膠凝材料與干土的質量比為8%的改良土影響較大。

4）2種改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角均隨養護齡期的增大而先迅速增大后增幅減小，養護7 d后2種改良土的抗剪性能已基本形成，養護60 d抗剪性能趨于穩定，抗剪強度、內摩擦角、含水量與養護齡期的擬合曲線均為指數函數關系。

水泥改良土的抗剪性能比石灰改良土好，通過試驗明確膠凝材料與干土的質量比、壓實度、含水量、養護齡期對改良土抗剪性能的影響規律，為改良土在北方平原河網地區碼頭工程的應用及工程設計提供依據。

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Comparative experimental study on the influencing factors of

shear strength of improved soil

Abstract：To analyze the shear properties of cement-stabilized soil and lime-stabilized soil， experimental studies are conducted on the shear strength， cohesion， and friction angle of the two types of stabilized soil under different mass ratios of cement and lime to dry soil. The effects of the mass ratio of cementitious materials to dry soil， dry density， moisture content， and curing age on the shear performance of the stabilized soil are analyzed. The results show that under the same curing age， the shear strength， cohesion， and friction angle of both types of stabilized soil increase as the mass ratio of cementitious materials to dry soil rises from 4% to 10%. The correlation coefficients of the fitting functions are all greater than 0.980， and the fitting curves all follow a quadratic polynomial relationship. As the compaction degree increases from 90% to 99%， these parameters linearly increase， with compaction degree having a more significant effect on the cohesion of lime-stabilized soil. As the moisture content increases from 13% to 22%， the shear strength and friction angle exhibit a quadratic polynomial relationship， while cohesion is linearly related to moisture content. When the curing age is increased from 7 days to 120 days， the shear performance rapidly increases initially， stabilizing after 60 days of curing.

Keywords：improved soil; shear test; shear strength; cementitious material