方 睿，李 犇，張 晨，錢 彪，張 芳

（1.同創(chuàng)工程設(shè)計(jì)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(jì)的發(fā)展和工程技術(shù)的進(jìn)步，工程人員在城市道路的路基施工中經(jīng)常會(huì)遇到各類土壤，其中一些土壤存在著承載力低、剛度小和強(qiáng)度弱等缺陷，不能滿足工程實(shí)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(qiáng)度和較差的水穩(wěn)性，在雨季施工時(shí)易發(fā)生濕陷現(xiàn)象，對(duì)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(yàn)探究了水泥對(duì)粉質(zhì)黏土的改性效果。結(jié)果表明，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的提升，水泥的摻入能夠較好地提升土樣的抗壓強(qiáng)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(duì)土樣力學(xué)特性的改善效果往往不能滿足實(shí)際工程的需求。如何對(duì)水泥粉質(zhì)黏土進(jìn)行改性，從而提升其力學(xué)特性成了近年來的研究重點(diǎn)[6]。朱定華等[7]通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)探究了纖維對(duì)水泥粉質(zhì)黏土的改性效果。結(jié)果表明，纖維對(duì)土樣的抗壓強(qiáng)度具有較好的提升效果。上述文獻(xiàn)表明，摻入合適的材料對(duì)水泥粉質(zhì)黏土進(jìn)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(duì)改性效果的影響。在實(shí)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(huì)對(duì)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(duì)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(duì)3 d 養(yǎng)護(hù)齡期的水泥土和納米水泥土進(jìn)行了一系列三軸UU 試驗(yàn)，并探討了短齡期下，不同圍壓和納米MgO 對(duì)水泥粉質(zhì)黏土的改性效果，以期為納米水泥土運(yùn)用于實(shí)際工程提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

本試驗(yàn)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(jì)規(guī)范》[9]（GB 50007—2011），其屬于粉質(zhì)黏土，具體實(shí)物見圖1。試驗(yàn)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(dòng)三軸儀，型號(hào)為TKA-TTS-3S。

圖1 路基土樣

圖2 全自動(dòng)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(yàn)根據(jù)《土工試驗(yàn)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(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d。試樣養(yǎng)護(hù)完成后，進(jìn)行UU 三軸試驗(yàn)[10]。試驗(yàn)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(yàn)方案

2 試驗(yàn)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(diǎn)、曲線外凸、存在極值點(diǎn)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(shí)，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(duì)不同試樣的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力進(jìn)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(qiáng)度和試樣破壞后抵抗外部荷載的能力（簡(jiǎn)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(shí)，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(duì)圍壓的升高具有較好的敏感性。而對(duì)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(qiáng)度曲線

為了繪制不同試樣的強(qiáng)度包線，并得出其強(qiáng)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(qiáng)度參數(shù)c、φ（見表4）。

表4 抗剪強(qiáng)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(duì)水泥土試樣的抗剪強(qiáng)度具有較好的提升效果。其與Wang 等[12]的試驗(yàn)結(jié)果基本相符，他們分別通過直剪和無側(cè)限試驗(yàn)探究了納米MgO 對(duì)濱海軟土的改性效果。結(jié)果表明，納米MgO 的摻入對(duì)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?yàn)?，納米MgO 的摻入會(huì)起到促進(jìn)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(diǎn)、曲線外凸、存在極值點(diǎn)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(shí)，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(duì)水泥土試樣的承載力、抗破壞力和抗剪強(qiáng)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(duì)圍壓的升高均具有較好的敏感性。

本研究通過UU 三軸試驗(yàn)，探討了不同圍壓和短齡期下，納米MgO 對(duì)水泥土試樣的改性效果。結(jié)果表明，納米MgO 的摻入對(duì)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(duì)于不同試驗(yàn)條件和摻量的影響有待進(jìn)一步討論。