方 睿，李 犇，張 晨，錢 彪，張 芳

（1.同創(chuàng)工程設(shè)計有限公司，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和工程技術(shù)的進步，工程人員在城市道路的路基施工中經(jīng)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(zhì)黏土[1-2]。

粉質(zhì)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(wěn)性，在雨季施工時易發(fā)生濕陷現(xiàn)象，對土區(qū)的施工造成嚴(yán)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(yán)重的路基、路面甚至建筑物損壞，吸引了大量學(xué)者的關(guān)注[4]。例如，馬卉等[5]通過無側(cè)限抗壓試驗探究了水泥對粉質(zhì)黏土的改性效果。結(jié)果表明，隨著養(yǎng)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(huán)境的變化，研究者發(fā)現(xiàn)水泥對土樣力學(xué)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(zhì)黏土進行改性，從而提升其力學(xué)特性成了近年來的研究重點[6]。朱定華等[7]通過無側(cè)限抗壓試驗探究了纖維對水泥粉質(zhì)黏土的改性效果。結(jié)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(zhì)黏土進行改性具有較好的可行性，但很少有人考慮工作環(huán)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(xué)特性產(chǎn)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(zhì)黏土力學(xué)特性的影響。

另外，在路基施工中，為了盡快滿足后續(xù)施工和路面應(yīng)用的要求，探究短齡期條件下改性土樣的力學(xué)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(yǎng)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(zhì)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(shè)備

本試驗路基土樣取自浙江省紹興市某路段，其技術(shù)指標(biāo)見表1。按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[9]（GB 50007—2011），其屬于粉質(zhì)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(shù)指標(biāo)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(shù)指標(biāo)

表2 納米MgO 技術(shù)指標(biāo)

1.2 試樣制備與方案

本試驗根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（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(yǎng)護箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護3d。試樣養(yǎng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)、納米MgO 含量為水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。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(jié)果及其分析

2.1 偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

數(shù)學(xué)特征分別為：過原點、曲線外凸、存在極值點及漸近線。該結(jié)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(jù)ASTM D2850—15 相關(guān)規(guī)定，當(dāng)q-ε 曲線存在明顯峰值時，最大軸向應(yīng)變的取值應(yīng)大于峰值應(yīng)力下應(yīng)變的3%～5%[11]。在本研究中，最大軸向應(yīng)變?yōu)?0%。

2.2 峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力

對不同試樣的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力進行量化分析，將能較好地描述試樣在有側(cè)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(guān)數(shù)據(jù)可得水泥土和納米水泥土試樣的峰值應(yīng)力qp和殘余應(yīng)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(yīng)力增加幅度分別為63%和59%，殘余應(yīng)力的增加幅度分別為125%和115%。此外，當(dāng)圍壓一定時，與水泥土相比，納米水泥土試樣的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力的增加幅度分別為11%～18%和9%～32%。上述結(jié)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(yīng)力和殘余應(yīng)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(shù)[8]。本文以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)上以（σ1+σ3）/2 為圓心、（σ1-σ3）/2 為半徑繪制極限應(yīng)力圖（見圖7）。由圖7 可求出試樣的強度參數(shù)c、φ（見表4）。

表4 抗剪強度參數(shù)

圖7 水泥土和納米水泥土試樣的摩爾包絡(luò)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(nèi)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(jié)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(jié)果基本相符，他們分別通過直剪和無側(cè)限試驗探究了納米MgO 對濱海軟土的改性效果。結(jié)果表明，納米MgO 的摻入對水泥改性濱海軟土的力學(xué)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(yīng)和孔隙填充的作用。

3 結(jié) 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(shù)學(xué)特征為：過原點、曲線外凸、存在極值點及漸近線。該結(jié)果表明，水泥土和納米水泥土試樣的破壞特征均表現(xiàn)為脆性破壞。

（2）當(dāng)圍壓一定時，與水泥土試樣相比，納米水泥土試樣的峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力、黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加幅度分別為11%～18%、9%～32%、16%和5%。該結(jié)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(xué)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(jié)果表明，納米MgO 的摻入對水泥土試樣的力學(xué)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(xué)特性，對于不同試驗條件和摻量的影響有待進一步討論。