王晟華,王小敬,崔宏環(huán),金成勇

(1.北旺建設(shè)集團有限公司，承德 067000；2.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，張家口 075000)

路面基層是在原始地面線上按照公路的縱斷面設(shè)計和橫斷面設(shè)計要求挖方或填方而成的巖土結(jié)構(gòu)物[1-3]。對于公路面基層層而言，強度和穩(wěn)定性是其主要的評價指標。影響路面基層土強度和穩(wěn)定性的因素有很多，水的作用是主要的因素之一。低液限黏土是華北中部地區(qū)常見土質(zhì)之一，用作路面基層填料，易產(chǎn)生不均勻沉降、塌陷等工程病害。因此要對路面基層土進行加固，水泥加固土是化學(xué)加固土中的一種，主要通過在素土中加入水泥固化劑來提高素土的工程性能。在實際工程中降雨和地下水對路面基層的影響尤為顯著，因此對水泥加固土作為路面基層填料的水穩(wěn)定性進行研究是非常重要的。

在重塑土或者結(jié)構(gòu)土中加入一定量的固化劑，均勻混合后得到的混合料在擊實與養(yǎng)生后，其強度滿足公路路面基層設(shè)計規(guī)范要求的材料稱為水泥加固材料[4]。水泥加固土的物理力學(xué)特性主要有應(yīng)力-應(yīng)變特性、疲勞特性和干縮溫縮特性等。劉占一[5]進行了水泥加固土的抗剪試驗研究，指出水泥加固可以很大程度上提高土樣的抗剪強度；隨著加水量和水泥占比的增加，抗剪強度不斷增大；張凱等[6]研究了重塑水泥加固黃土的力學(xué)特性，得到了水泥加固土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)加固土表現(xiàn)出明顯的脆性破壞；董城等[7]對水泥加固高液限黏土進行了研究，指出水泥加固土的有效應(yīng)力與周圍壓力均對動三軸下的彈模有顯著性影響，但有效應(yīng)力的影響更為顯著；劉雨等[8]對水泥加固土的靜力特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)水泥加固土和未加固土均具有應(yīng)變軟化性和剪脹性，加固土的應(yīng)變軟化性和剪脹性均比未加固土的顯著；阮慶等[9]對水泥土力學(xué)性能展開了研究，指出水泥加固土的單軸抗壓強度隨著水泥占比的增加而增大,隨著含水率的增大而減小。

目前，對水泥加固土研究多集中在標準養(yǎng)生條件下，對于地下水位較淺、降水量大的地區(qū)，地表水下滲到路面基層極端不利狀況，路面基層水泥加固土填料在浸水的條件下強度的變化規(guī)律，以及在水中養(yǎng)生的加固土強度特性的研究并不多，相關(guān)記錄文獻也比較少，試驗對水泥加固土在水中養(yǎng)生的力學(xué)特性進行重點研究，以期為路面基層加固土填料的全面研究提供理論參考。

1 試驗概況

1.1 土樣的物理性質(zhì)

試驗所用土樣取自路面基層土。根據(jù)土的工程分類判定土樣為低液限黏土，通過篩分試驗得到了級配曲線，其中小于0.075 mm粒徑的占26.81%，小于0.005 mm粒徑的占13.17%，黏粒占比較高，其主要物理性質(zhì)如表1所示。

表1 素土的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of plain soil

1.2 試樣制備

試驗所用固化劑為水泥(PC32.5),初凝時間為4 h。試樣制備過程需考慮水泥的初凝時間，所以需先配制一定含水率的土樣，裝入保鮮袋悶制24 h，保證水分充分擴散，根據(jù)水泥占比的不同加入水泥質(zhì)量：干土質(zhì)量為1∶50、1∶25、3∶50、2∶25的水泥。采用靜壓制件法以95%壓實度制成直徑×高(50 mm×50 mm)圓柱形試件，成件后脫模進行養(yǎng)生，一部分進行標準養(yǎng)生，另一部分先進行標準養(yǎng)生，再進行水中養(yǎng)生，如圖1所示；水中養(yǎng)生是將試件浸沒于恒溫(20±2) ℃養(yǎng)生箱中養(yǎng)生，水面沒過試樣頂面20 mm，具體養(yǎng)生周期安排如表2所示。試驗的制件工藝、試驗過程，標準養(yǎng)生方法參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2015)[10]。

圖1 試件水中養(yǎng)生Fig.1 Specimen curing in water

表2 水中養(yǎng)生周期Table 2 Water curing cycle

2 試驗結(jié)果分析

2.1 擊實試驗

擊實試驗是保證路面基層壓實度可以達到規(guī)范要求必不可少的試驗，對不同水泥占比(素土、1∶50、1∶25、3∶50、2∶25)的加固土進行重型擊實試驗，測定出每種占比下加固土的最佳含水率和對應(yīng)的最大的干密度，如表3所示。

表3 不同水泥占比下的擊實試驗結(jié)果Table 3 Compaction tests result under different cement contents

由表3可知，原土樣經(jīng)水泥加固后，加固土的最佳含水率靈敏度比原土樣有減小的趨勢，且隨著水泥含量的增加而下降。從圖2所示的擊實曲線可以看出，原土樣的擊實曲線較為陡峭，經(jīng)水泥加固后較為平緩，隨著水泥含量的增加，擊實曲線越發(fā)平緩。

圖2 不同水泥占比下的擊實曲線Fig.2 Compaction curves under different cement contents

由于水泥粒徑較小，單位質(zhì)量的水泥與水的接觸面積大，即使攜帶著土顆粒反映仍然劇烈，在短時間內(nèi)可使土顆粒凝聚成團，大體積的球體影響壓實效果，從而導(dǎo)致最大干密度下降，圖3是土樣的最大干密度隨水泥占比增加的趨勢，隨著水泥摻量的增加，土樣的最大干密度減小，但最佳含水率變化沒有明顯規(guī)律。

圖3 最大干密度與水泥摻量的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum dry density and cement content

2.2 浸水單軸抗壓強度

2.2.1 水泥占比

試驗的含水率為擊實試驗得到的不同水泥摻量下的最佳含水率，壓實度為95%，水泥摻量為1∶50、1∶25、3∶50、2∶25，養(yǎng)生時間為7、14、28、90 d。為保證試驗結(jié)果精度，每種情況采取平行試件不少于6 個[11]。水中養(yǎng)生條件下水泥加固土單軸抗壓強度如表4所示，擬合曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，在養(yǎng)生時間一定的情況下，加固土的抗壓強度隨著水泥占比的增加而增加，采用一次函數(shù)模型對水泥加固土的單軸抗壓強度平均值和水泥占比進行線性擬合，養(yǎng)生時間為7、14、28、90 d的水泥加固土試件的單軸抗壓強度與水泥占比函數(shù)關(guān)系式分別為

y= 10.95x+ 1.536,R2=0.976 1

(1)

y= 14.5x+ 1.6,R2=0.980 4

(2)

y= 19.6x+ 1.628,R2=0.998 6

(3)

y= 29.8x+ 1.679,R2=0.998 9

(4)

由式(1)～式(4)可知，線性擬合相關(guān)系數(shù)均較高，表明采用一次函數(shù)模型能夠較好地表征水泥加固土試件的單軸抗壓強度與水泥占比的相關(guān)關(guān)系。隨著養(yǎng)生時間的增加，擬合函數(shù)的斜率也逐漸增大，28 d和90 d擬合函數(shù)的斜率較7 d和14 d的斜率增加1倍，表明水泥占比的增加對水泥加固土后期強度的影響較前期強度更顯著。

表4 水中不同養(yǎng)生時間下水泥加固土的抗壓強度Table 4 Compressive strength of cement improved soil under different water curing time

圖4 浸水單軸抗壓強度隨水泥占比變化擬合曲線Fig.4 Fitting curve of unconfined compressive strength under immersion with the change of cement content

2.2.2 養(yǎng)生時間

圖5所示為浸水單軸抗壓強度隨養(yǎng)生時間變化曲線圖，可以看出：水泥加固土的抗壓強度都隨著養(yǎng)生時間增加而增加，養(yǎng)生前28 d，水泥加固土抗壓強度曲線走勢較陡，28 d后，水泥加固土的抗壓強度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，之后抗壓強度增長趨于平緩。

圖5 浸水單軸抗壓強度隨養(yǎng)生時間變化曲線Fig.5 Change curve of unconfined compressive strength of immersed water with curing time

單軸抗壓強度RC與養(yǎng)生時間T的關(guān)系可用復(fù)合對數(shù)方程表示，即

RC=ln(bT+c)

(5)

式(5)中：RC為水泥加固土單軸抗壓強度，MPa；T為養(yǎng)生時間，d；b、c為與加固土物理性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)。

為了進一步研究水泥加固土的單軸抗壓強度和養(yǎng)生時間的關(guān)系，引入了單軸抗壓強度增長速率的概念，即

V=dRC/dT=b/(bT+c)

(6)

式(6)中：V為單軸抗壓強度增長速率，MPa/d。

從水中養(yǎng)生條件下水泥加固土的單軸抗壓強度增長速率的曲線中可以看出，隨著時間的增加，抗壓強度的增長速率逐漸減小，水泥占比為6%的試件7 d的增長速率是28 d的3倍，到28 d時水泥加固土的抗壓強度平均增長速率減小到0.101 MPa/d，基本上趨于穩(wěn)定，同時其抗壓強度達到90 d抗壓強度的92%，水泥的水化反應(yīng)基本完成。

由式(6)得到水泥加固土單軸抗壓強度增長速率關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 水中養(yǎng)生單軸抗壓強度增長速率Fig.6 Growth rate of unconfined compressive strength in water curing

2.3 耐水性

標準養(yǎng)生條件為恒溫恒濕，溫度恒為(20±2) ℃，相對濕度為≥95%。在養(yǎng)生時間的最后一天將試件浸水，通過單軸試驗測的抗壓強度，得到了標準養(yǎng)生條件下單軸抗壓強度數(shù)據(jù)[12]，如表5所示。

對比浸水條件下水泥加固土抗壓強度，標準養(yǎng)生條件下的加固土抗壓強度要大很多，水中養(yǎng)生條件下7 d抗壓強度最大值為1.59 MPa，而標準養(yǎng)生條件下6%水泥占比養(yǎng)生7 d的抗壓強度已經(jīng)達到了2.1 MPa，為了更好地研究水中養(yǎng)生對水泥加固土的影響，引進了材料的耐水系數(shù)[13]。

耐水系數(shù)是表征材料耐水性的一個指標，其值越大代表耐水性能越好，表達式為

K=f/F

(7)

式(7)中：K為材料的耐水系數(shù)；f為試件在水中養(yǎng)生條件下的單軸抗壓強度，MPa；F為試件在標準養(yǎng)生條件下的單軸抗壓強度，MPa。

根據(jù)式(7)得到不同水泥摻入與不同齡期下加固土的耐水系數(shù)，如表6所示。隨著水泥占比的增加，各齡期下耐水系數(shù)均隨水泥占比的增加而增大，表明隨著水泥占比的增加加固土的水穩(wěn)定性在增強。這是因為隨著水泥占比的增加，水泥形成的膠凝物質(zhì)越多，加固土的強度越高，但各種條件下耐水系數(shù)均小于0.75。

表5 標準養(yǎng)生條件下單軸抗壓強度Table 5 Unconfined compressive strength under standard curing conditions

表6 耐水系數(shù)與水泥占比關(guān)系Table 6 Relation between softening coefficient and cement content

3 結(jié)論

對用于路面基層的低液限黏土進行水泥固化改良。通過擊實試驗、浸水條件下單軸抗壓強度試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結(jié)論。

(1)原土樣經(jīng)水泥加固后，最佳含水率的靈敏度有減小的趨勢，且隨著水泥占比的增加而下降；最大干密度隨著水泥占比的增加減小，但最佳含水率變化沒有明顯規(guī)律。

(2)水中養(yǎng)生時，養(yǎng)生時間一定的情況下，加固土的抗壓強度隨著水泥占比的增加而增大；水泥占比的增加對水泥加固土后期強度的影響更為顯著。

(3)水中養(yǎng)生時，水泥加固土的抗壓強度隨著養(yǎng)生時間增加而增大，抗壓強度的增長速率逐漸減小，28 d時水泥的水化反應(yīng)基本完成。

(4)隨著水泥占比的增加，各齡期下耐水系數(shù)均增大，表明加固土的耐水性增強。但各種條件下耐水系數(shù)均小于0.75。