俞琛

纖維水泥砂漿樁三軸壓縮試驗研究

俞琛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

通過三軸壓縮試驗，研究纖維水泥砂漿樁的力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：在100 kPa圍壓下，水泥砂漿樁及1‰纖維摻量的纖維水泥砂漿樁應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型，在高圍壓及高纖維摻量的情況下，應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變硬化型；纖維水泥砂漿樁的破壞應(yīng)力及黏聚力均隨著纖維摻量的增大而增大，內(nèi)摩擦角受纖維摻量影響不大，纖維水泥砂漿樁的內(nèi)摩擦角在31.4°~33.5°范圍內(nèi)。

三軸壓縮試驗；纖維水泥砂漿樁；破壞應(yīng)力；黏聚力；內(nèi)摩擦角

水泥砂漿樁是近年來在水泥土樁的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種新型深層攪拌樁，它是由水泥、細(xì)砂、水按一定的配合比拌和，與土體攪拌而成，具有一定的強度，它與樁間土一起，通過褥墊層形成水泥砂漿樁復(fù)合地基[1]。然而，摻入砂之后，樁體脆性增強，黏聚力降低[2]。聚丙烯纖維具有強度高、彈性好、耐腐蝕等特性，在水泥砂漿樁中加入一定量的聚丙烯纖維，可以降低材料的脆性，提高其強度。劉鑫等[3]通過試驗研究了聚丙烯纖維含量和長度對不同水泥含量的砂質(zhì)黏土后開裂反應(yīng)的影響；Festugato等[4]研究了纖維長度、水泥含量和孔隙比對水泥土抗拉及抗壓強度的影響規(guī)律；Consoli等[5]研究了水泥摻量對纖維水泥土強度的影響，結(jié)果表明在水泥摻量小于等于5%時，抗剪強度隨纖維摻量的增加而增加；Correia等[6]研究了聚丙烯纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度與抗拉強度之間的關(guān)系；胡亞元等[7]通過排水三軸試驗研究了纖維對淤泥固化土工程性質(zhì)和鄧肯－張模型參數(shù)的影響；阮波等[8]通過無側(cè)限抗壓強度試驗研究了纖維摻量和纖維長度對纖維加筋水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響；唐朝生等[9]通過研究聚丙烯纖維和水泥加固軟土的強度特性，提出了最優(yōu)含水率和最優(yōu)纖維長度。國內(nèi)外學(xué)者對纖維水泥土研究較多，對纖維水泥砂漿樁的研究相對較少。因此，本文通過三軸固結(jié)排水試驗，研究不同纖維摻量對纖維水泥砂漿樁力學(xué)特性的影響。

1 試驗材料

土樣取自湖南洞庭湖區(qū)某高速公路軟基淤泥質(zhì)黏土，主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，顆粒級配曲線見圖1。水泥采用PC32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥，物理指標(biāo)見表2，試驗用砂采用天然河砂，其顆粒級配見表3，細(xì)度模數(shù)為2.1，為細(xì)砂，試驗所用聚丙烯纖維長度為6 mm，其物理力學(xué)參數(shù)如表4所示，試驗用水為自來水。

圖1 淤泥質(zhì)土的顆粒級配曲線

表1 淤泥質(zhì)土的物理性質(zhì)

表2 水泥的物理力學(xué)指標(biāo)

表3 細(xì)砂顆粒級配

表4 聚丙烯纖維的物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗方案

摻砂量s，水泥摻入比c，纖維摻量比f表達(dá)式如下：

試驗考慮纖維摻量對纖維水泥砂漿樁三軸壓縮試驗的影響，纖維摻量f分別為0，1‰，3‰，5‰和7‰。摻砂量為40%，水泥摻入比c采用17.2%，水灰比采用0.5。每組試樣分別在100，200，300和400 kPa圍壓下進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗，為了保證試驗的準(zhǔn)確性，每組試樣制作6個。

3 試樣制備及試驗

按照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T 233－2011)[10]要求進(jìn)行制樣。選取代表性的土樣風(fēng)干、碾碎、過0.5 mm篩，取篩分后的干土進(jìn)行試驗，根據(jù)擬定的試驗方案分別稱取試驗所需的干土、水泥、砂、纖維和水，然后按順序依次在干土中加入水泥、砂、纖維，最后加水?dāng)嚢杈鶆?。在試模?nèi)涂抹凡士林，然后往試模中裝入試料，將水泥砂漿拌合物分2次插倒、振實、刮平制作成高度為80 mm，直徑為39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，注意成型時間不能超過25 min。經(jīng)過24 h之后進(jìn)行脫模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)條件為：溫度為(20± 2) ℃，相對濕度≥95%。進(jìn)行試驗前，對試樣進(jìn)行抽氣飽和。采用TSZ-1全自動三軸儀，試驗方法為固結(jié)排水試驗，剪切速率控制在0.015 mm/min。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

分別繪制同一圍壓下，不同纖維摻量的纖維水泥砂漿樁的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示。

(a) σ3=100 kPa；(b) σ3=200 kPa；(c) σ3=300 kPa；(d) σ3=400 kPa

由圖2(a)可以看出，在100 kPa圍壓下，水泥砂漿樁和纖維摻量為1‰的纖維水泥砂漿樁應(yīng)力應(yīng)變曲線類似，為應(yīng)變軟化型，在初始受壓階段，主應(yīng)力差隨著應(yīng)變的增大而增大，并且在達(dá)到峰值應(yīng)力前主應(yīng)力差增長速率逐漸減小，到達(dá)峰值后，主應(yīng)力差略有下降，最終趨于穩(wěn)定；當(dāng)纖維摻量為3‰，5‰和7‰時，應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型，呈現(xiàn)出雙曲線的特征，曲線沒有明顯下降趨勢，主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增加而一直增大，應(yīng)力增大的速率隨應(yīng)變的增大會慢慢變小。而圖2(b)~2(d)中應(yīng)力應(yīng)變曲線都為應(yīng)變硬化型，其變化規(guī)律符合上述雙曲線的特征。

4.2 纖維摻量對破壞應(yīng)力的影響

當(dāng)試樣的主應(yīng)力差有峰值時，取應(yīng)力峰值為破壞應(yīng)力(1?3)f；當(dāng)主應(yīng)力差無峰值時，選取=15%時的主應(yīng)力差為破壞應(yīng)力(1?3)f。根據(jù)圖2所得應(yīng)力應(yīng)變曲線得出同一圍壓下，不同纖維摻量的纖維水泥砂漿樁的破壞應(yīng)力，繪制破壞應(yīng)力隨纖維摻量的變化曲線圖如圖3 所示。

圖3 破壞偏應(yīng)力隨纖維摻量變化的曲線

由圖3可見，圍壓為100 kPa和200 kPa時，破壞應(yīng)力隨纖維摻量的變化規(guī)律類似，破壞應(yīng)力隨著纖維摻量的增大而增大，且增長速率隨著纖維摻量的增大而減?。划?dāng)圍壓為300 kPa和400 kPa時，破壞應(yīng)力隨纖維摻量的變化規(guī)律類似，破壞應(yīng)力也隨著纖維摻量的增大而增大，但增長幅度較小。

根據(jù)圖3所得破壞應(yīng)力結(jié)果，在?應(yīng)力平面上繪制出試樣破壞時的摩爾應(yīng)力圓和強度包線，得出土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，并分別繪制黏聚力和內(nèi)摩擦角隨纖維摻量的變化規(guī)律如圖4~5所示。

從圖4中可以看出，纖維摻量從0增加到7‰時，黏聚力從45.7 kPa增加到152.3 kPa。從圖5中可以看出，纖維摻量從0增加到7‰時，試樣的內(nèi)摩擦角在31.4°~33.5°范圍內(nèi)。這是因為分散的短纖維在土中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過水泥的膠結(jié)作用把砂、土顆粒聯(lián)結(jié)在一起，一旦土體受到剪切，纖維網(wǎng)產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而抑制破壞趨勢。基于上述規(guī)律獲得纖維水泥砂漿樁黏聚力的冪函數(shù)型經(jīng)驗公式為：

式中：Af為纖維摻量，相關(guān)系數(shù)R2=0.963。

圖5 內(nèi)摩擦角隨摻砂量變化的曲線

4.3 破壞模式

如圖6所示分別為水泥砂漿樁和纖維水泥砂漿樁的破壞形態(tài)。

要學(xué)習(xí)福樓拜對學(xué)生的正確引導(dǎo)和嚴(yán)格要求。他的“一語說”指明了磨練語言的路徑，這條路是正確的。沿這條路往下走，就能到達(dá)語言運用的理想境界。所謂字斟句酌就是如此?！耙徽Z說”的要求也是十分嚴(yán)格的，他要求選對的詞“只有一個”，不允許“滿足于差不多”，不可以“敷衍了事”。嚴(yán)師出高徒的道理大家都明白，都會說，做起來并不容易，那需要責(zé)任心，需要耐心，還需要細(xì)心。

從圖6(a)中可以看出，水泥砂漿樁試樣破壞形式為脆性破壞，剪切后的試樣出現(xiàn)一個與水平方向約成60°的破裂面；從圖6(b)中可以看出，纖維水泥砂漿樁試樣破壞形式為塑性破壞，破壞后的試樣中部出現(xiàn)鼓脹，未出現(xiàn)剪切破裂面。這表明，摻入纖維使試樣由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞，隨著纖維摻量的增大試樣的塑性進(jìn)一步增強。

(a) 水泥砂漿樁；(b) 纖維水泥砂漿樁

5 纖維水泥砂漿樁工程成本分析

利用上述三軸固結(jié)排水試驗所得力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立鐵路路基模型，路基計算寬度為28 m，樁徑為0.5 m，樁長為10 m，梅花樁布置。水泥砂漿樁和纖維水泥砂漿樁的水泥摻入比均為17.2%，摻砂量為40%，纖維水泥砂漿樁的纖維摻量為5‰。調(diào)整水泥砂漿樁和纖維水泥砂漿樁間距使路基沉降為5 mm。經(jīng)FLAC3D模擬計算得出結(jié)論：當(dāng)采用水泥砂漿樁進(jìn)行地基加固時，樁間距為1.2 m；當(dāng)采用纖維水泥砂漿樁進(jìn)行加固時，樁間距為1.4 m。

根據(jù)《鐵路工程預(yù)算定額》，水泥含量為55 kg/m時的水泥摻入比對應(yīng)本文所采用的17.2%水泥摻入比。水泥砂漿攪拌樁基價2為32.23元/m，纖維除稅價格為6 000元/t，計算得5‰纖維摻量的纖維水泥砂漿樁基價為42.25元/m。

每公里路基樁數(shù)

式中：為路基長度，m；為路基寬度，m；為樁徑，m；為樁間距，m。

每公里樁基費用

式中：為樁長，m；為基價，元/m。

經(jīng)計算得，每公里水泥砂漿樁費用為1 421 446.2元，每公里纖維水泥砂漿樁費用為1 368 714.0元。對比分析可知：采用纖維水泥砂漿樁比采用水泥砂漿樁更加節(jié)約工程成本。

5 結(jié)論

1) 在低圍壓及低纖維摻量的情況下，應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型；在高圍壓及高纖維摻量的情況下，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型。

2) 纖維摻量從0增加到7‰時，試樣的破壞偏應(yīng)力逐漸增大，試樣黏聚力從45.7 kPa增加到152.3 kPa，而內(nèi)摩擦角在31.4°~33.5°范圍內(nèi)。

3)水泥砂漿樁破壞模式為脆性破壞，而纖維水泥砂漿樁破壞模式為塑性破壞，隨著纖維摻量的增大試樣的塑性進(jìn)一步增強。

4) 采用FLAC3D軟件建立路基模型，對比分析在同一地質(zhì)條件及工程要求的情況下所需樁的數(shù)目，并計算工程成本，結(jié)果表明采用纖維水泥砂漿樁比水泥砂漿樁造價更低。

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Experimental study on triaxial compression of fiber reinforced cement mortar pile

YU Chen

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China)

The influence of fiber content on the mechanical property of fiber reinforced cement mortar pile was studied by triaxial compression test. The results show that the stress-strain curve of the cement mortar pile and the fiber reinforced cement mortar pile with 1‰ fiber content present strain softening type under the confining pressure of 100kPa. Under the condition of high confining pressure and high fiber content, the stress-strain curve present strain hardening type. The failure stress and cohesion increase with the increase of fiber content. The fiber content has little influence on internal friction angle of fiber reinforced cement mortar pile and the internal friction angle is between 31.4°~33.5°.

triaxial compression test; cement mortar pile; fiber reinforced cement mortar pile; failure stress; cohesion; internal friction angle

TU447

A

1672 ? 7029(2019)06? 1427 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.06.010

2018?08?20

俞琛(1970?)，男，湖北武漢人，高級工程師，從事工程經(jīng)濟(jì)方面的研究；E?mail：1287823360@qq.com

(編輯 涂鵬)