水泥改良风化泥页岩填料应力-应变与强度特性研究

梁欣欣 ,  王胜超 ,  陈世玉 ,  徐湘田 ,  华树广 ,  刘宇航 ,  赵新彪 ,  王继伟

内蒙古大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 57 ›› Issue (3) : 283 -292.

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内蒙古大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 57 ›› Issue (3) : 283 -292. DOI: 10.13484/j.nmgdxxbzk.20260307
土木工程与交通运输

水泥改良风化泥页岩填料应力-应变与强度特性研究

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Study on Stress-Strain and Strength Characteristics of Cement-Modified Weathered Mud Shale Fillers

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摘要

泥页岩等软岩易风化、水稳性差,遇水极易崩解,直接填筑路堤易引发不均匀沉降和边坡失稳等工程问题。本文依托实际工程,采用硅酸盐水泥对强风化泥页岩填料进行改性。通过物理化学测试和三轴压缩试验,系统研究了水泥掺量、围压、压实度及饱和度对改良土应力-应变与强度特性的影响。结果表明,增加水泥掺量能显著提升改良土的初始弹性模量、抗剪强度、黏聚力与内摩擦角,并降低破坏应变;在同等饱和度与压实度下,弹性模量、破坏应变及抗剪强度与水泥掺量、围压均呈良好线性关系。此外,提高压实度或降低饱和度均有助于提升改良土的强度与抗变形特性。

Abstract

Soft rocks such as mud shale are prone to weathering and have poor water stability.They are highly prone to disintegration when exposed to water, which can easily lead to uneven settlement and slope instability in embankment construction.Based on an actual project, Portland cement was used to modify strongly weathered mud shale fill.Through physical and chemical tests and triaxial compression tests, the effects of cement content, confining pressure, compaction degree and saturation on the stress-strain and strength characteristics of the modified soil were systematically studied.The results show that increasing the cement content can significantly improve the initial elastic modulus, shear strength, cohesion and internal friction angle of the modified soil, and reduce the failure strain.Under the same saturation and compaction degree, the elastic modulus, failure strain and shear strength have a good linear relationship with the cement content and confining pressure.In addition, increasing the compaction degree or reducing the saturation can enhance the strength and deformation resistance of the modified soil.

Graphical abstract

关键词

水泥改良土 / 泥页岩填料 / 应力-应变特性 / 力学强度 / 三轴压缩试验

Key words

cement-improved soil / mud shale fill material / stress-strain characteristics / mechanical strength / triaxial compression test

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梁欣欣,王胜超,陈世玉,徐湘田,华树广,刘宇航,赵新彪,王继伟. 水泥改良风化泥页岩填料应力-应变与强度特性研究[J]. 内蒙古大学学报(自然科学版), 2026, 57(3): 283-292 DOI:10.13484/j.nmgdxxbzk.20260307

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泥页岩作为泥岩与页岩的过渡产物,分布广泛,年路基填筑量约为30万t。但其强度低、水稳性差,遇水易崩解软化,属不良填料,无法直接用于路基填筑1。软岩路基经常出现下沉和滑坡等问题2,崩解性岩石和强风化软岩等不能直接用于路基填筑3,若弃置处理,需建设弃土场,既占用土地又增加成本,因此需通过改良降低工程造价。实践表明,经改良且指标符合规范的软岩可作为路基填料4。软岩改良方式分为物理和化学两类:物理方式包括换填法、排水固结法和强夯法等;化学方式则通过掺入有机结合料、无机结合料或固化剂,利用化学反应增强土体强度与稳定性5-7。其中,石灰改良与水泥改良是化学改良的主要手段,二者通过化学反应改变土体内部联结结构,从而增大黏聚力、提高刚度、降低水渗透性及水侵效应8-10。国内外学者已针对土体改良开展大量研究。屈俊童等6通过动三轴试验发现,围压、加载频率及水泥掺量的增大,会同步提升改良炭质泥土体的刚度、强度与抗变形能力。钟瑞芹等9发现,提高水泥与固化剂掺量可显著提升膨胀土的无侧限抗压强度和水稳性。黄启友10研究证实,水泥改良在提升饱和膨胀土黏聚力及无侧限峰值强度方面优于石灰。高曙光等11通过击实试验、承载比和无侧限抗压强度等室内试验,对比不同无机结合料的改良效果,发现水泥效果最优。贺建清等12指出,软土路基中水泥掺量超过10%时,对土体结构强度的提升更为显著。陈四利等13发现,随着水泥掺量增加,改良软土的脆性特征加剧,偏应力峰值与峰值强度均逐渐增大。吴刚等14和艾志伟等15研究表明,水泥改良土的压缩模量随着掺量及养护龄期的增加而增大。吴雷16则分析了水泥掺入比、压实度对改良土压缩性与渗透性的影响。刘雨等17-18和陈乐求等19-21系统探究了水泥改良泥质板岩在常规环境及干湿循环条件下的静动力特性。邬智峰等22研究了细颗粒含量和初始基质吸力对非饱和粗粒土力学性质的影响。秦卫军等23通过系统开展静力三轴试验,分析不同粗颗粒含量混合土的强度和变形特性。在物理改良方面,Ali等24明确纤维长度与含量对泥页岩承载比的改善作用。Chen等25证实适量碎石可提高粉土强度。在化学改良方面,Han等26和Abdi等27分别研究冻融作用对石灰改良泥页岩性能的影响及石灰改良微观机理。Wang等28还通过添加纳米材料优化水泥改良效果,证实其可减少土体孔隙,提升改良土强度。综上所述,当前研究仍存在以下不足:一是研究对象多为软土和膨胀土等,针对泥页岩强崩解、低水稳性的专项研究较少;二是对水泥掺量和围压等关键参数的协同作用及实际工程环境的系统性分析不足;三是新型改良技术对泥页岩的适用性验证较少。
为满足泥页岩路基性能提升与就地取材需求,通过分析风化泥页岩理化特性,选用高效无机结合料进行改性处理,采用室内三轴试验研究水泥掺量、围压、压实度及饱和状态对应力-应变关系、初始弹性模量、破坏应变、抗剪强度参数(黏聚力c、内摩擦角φ)的影响,旨在为同类软岩路基填筑提供适用改良方案与技术依据。

1 试验材料及方法

1.1 泥页岩基本理化性质

试样取自某高速公路泥页岩取土场,如图1所示,其基本物理性质见表1

对现场4组土样A—D及混合样E进行筛分和X射线衍射分析,图谱见图2。泥页岩主要成分为石英、柏林石、水钙沸石,前两者坚硬且抗压实性强,水钙沸石硬度低。因石英占比最高,干燥泥页岩具有较好的抗压和抗弯曲性能。

先使用0.075 mm标准筛对上述5组土样进行筛分,利用激光粒度仪对筛后的土样进行粒径分析,得到颗粒级配曲线,如图3所示。根据5组试验样品的颗粒级配曲线数据,计算土样的不均匀系数Cu和曲率系数Cc,公式分别为Cu=d60/d10,Cc=d302/(d10×d60),式中,d10d30d60分别为泥页岩试样中小于某粒径的颗粒质量占比为10%、30%和60%的粒径(单位mm)。计算结果如表2所示。

表2表明,试验取土点处的泥页岩同时满足Cu≥5和Cc介于1~3之间,属于不均匀土,级配良好。粒径>0.075 mm颗粒的占比约为40%,塑性指数为Ip=12.07,符合《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)29中粉质黏土定义。

1.2 试样制备及养护

试验采用烘干24 h后过2 mm筛的泥页岩土样,利用P·O 42.5硅酸盐水泥改良,设置水泥掺量(水泥质量/干土质量)为1%、2%、3%、4%,水泥改良试样制备及养护方法参考《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233—2011)30。依据重型击实试验结果,按直径50 mm×高100 mm试样规格称取烘干土加水,过2 mm筛后确保无团粒,闷置24 h,使水分均匀分布。采用万能试验机分5层填筑,每层锤击20次,击实后在表面“拉毛”,制得直径50 mm×高100 mm的三轴试验样品,记录其高度与质量。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)31,采用油压制样器将试样连同饱和器置于真空缸内注水抽气,水线没过试样即停抽气,静置96 h,得到重塑土及水泥掺量(水泥质量/干土质量)为1%、2%、3%、4%,试样各饱和度为0.963、0.965、0.971、0.974、0.976,不同试验条件下均制备3组平行试样。试样放入YH-40B型标准恒温恒湿养护箱中。根据《水泥土配合比设计规程》进行(20±5) ℃、相对湿度不低于50%、养护龄期为7 d的标准养护。

1.3 试验设备与试验方法

试验采用GDS非饱和三轴仪(图4),根据《公路土工试验规程》,常规三轴试验轴向应变加载速率应控制在每分钟0.5%~1.0%,本次试验设置1 mm/min的轴向应变加载速率,破坏强度判定依据为应力-应变曲线呈软化型时取峰值应力;呈硬化型、无峰值时取15%轴向应变对应的偏应力,记为剪切破坏强度,每组取3个平行试样均值。

2 试验结果与讨论

2.1 水泥掺量对改良泥页岩填料液限和塑限的影响

界限含水率反映土体物质组成,主要受黏性土中黏粒含量、亲水矿物和有机质含量影响32。测试结果如表3所示,水泥改良泥页岩填料的液限和塑限均随水泥掺量的增加而增大。这是因为水泥改良泥页岩填料中的水化产物增加了土体颗粒间的胶结力,持水能力增强,且随着水泥掺量增加表现出更高的黏性。对比相关水泥改良土的界限含水率研究发现,水泥掺量与界限含水率关系复杂,需结合力学强度试验及具体工况评价改良土工程特性57

2.2 水泥掺量对改良泥页岩填料最大干密度和含水率的影响

对水泥掺量为0%、1%、2%、3%、4%的改良泥页岩填料进行重型击实试验,为减小延迟时间影响,应在拌合后0.5 h内完成试验,击实曲线如图5所示。水泥改良泥页岩填料的最大干密度有所增加,而最佳含水率显著减小,随着水泥掺量增加,击实曲线呈现逐渐变缓趋势。原因是水泥提升了土颗粒胶结能力,未反应水泥填充孔隙,增加了土体密实性,故最大干密度增大;适量水泥降低最佳含水率,且水泥掺量越高,含水率对干密度影响越小,利于施工控制。试验采用拌合后即时击实,水泥未充分反应,实际施工时需在水泥初凝前完成铺筑碾压。

2.3 水泥掺量对改良泥页岩填料应力-应变和强度特性的影响

对0%、1%、2%、3%、4%的水泥改良泥页岩填料进行了不固结不排水三轴压缩试验,共设置15组对照试验。围压分别设置为100、200与300 kPa,压实度分别设置为100%与96%,同时设置了非饱和与饱和试验条件,主要探讨了100%压实度非饱和、96%压实度非饱和、96%压实度饱和这3种组合方式。依据《公路土工试验规程》中规定的每分钟0.1%应变速率进行加载,研究了不同水泥掺量、不同围压、不同压实度及不同饱和度条件下,改良泥页岩填料的应力-应变关系、破坏应变、初始弹性模量、抗剪强度、黏聚力以及内摩擦角特性与变化规律。

68为不同围压条件下,不同水泥掺量改良泥页岩的应力-应变曲线。结果显示,改良土偏应力随着水泥掺量增加显著提高,除300 kPa围压、4%水泥掺量组外,其余曲线均呈应变软化型,存在明显偏应力峰值。应力-应变曲线可分为弹性区(应力-应变近似线性)、塑性变形区(曲线斜率减小,抗变形能力减弱)及软化区。随着水泥掺量增加,初始模量(硬化率)显著增大,土体脆性增强,原因是水泥水化反应及离子作用增强了土颗粒间的胶结效果,减少了土颗粒滑移,提升了土体密实度与硬化率。

依据图68试验结果进行相关计算,揭示出不同围压下水泥掺量对改良泥页岩填料破坏应变、初始弹性模量及抗剪强度的影响规律。①各掺量改良土的偏应力峰值多出现于轴向应变6%~9%区间;在不同围压、压实度及饱和状态下,破坏应变与水泥掺量呈显著负线性相关(R²介于0.80~0.96之间)。300 kPa围压下改良土应力随着应变增长先升后稳,无明显偏应力峰值,呈应变硬化特征,故采用最远点法确定屈服点,即应力-应变曲线中与原点及偏应力峰值点距离最远的点替代破坏应力。综上,水泥掺量对破坏应变影响显著,随着水泥掺量增加,试样破坏时的轴向应变逐渐减小。②不同围压下改良泥页岩填料的初始弹性模量与水泥掺量也呈现出强正相关性(R²>0.98)。其机理在于水泥水化生成的硅酸钙和铝酸钙等产物通过固化作用优化了泥页岩微观结构,增强了整体强度与稳定性,进而提高初始弹性模量。相同围压条件下,初始弹性模量及增长率表现为100%压实度非饱和状态>96%压实度非饱和状态>96%压实度饱和状态的规律,表明提高压实度可增强改良土抗变形能力,且该效果随着水泥掺量增加更显著;非饱和状态的初始弹性模量大于饱和状态,提示工程中需关注路基干湿状态及环境因素对路基材料饱和度与强度的影响。相同压实度与饱和状态下,初始弹性模量及增长率随着围压增大而显著提升。③改良泥页岩填料的抗剪强度与水泥掺量呈良好正相关(R²>0.94)。在相同围压与水泥掺量下,抗剪强度表现为100%压实度非饱和状态>96%压实度非饱和状态>96%压实度饱和状态;随着水泥掺量增加,其增长速率呈现96%压实度饱和状态>100%压实度非饱和状态>96%压实度非饱和状态的特征;而在相同饱和度与压实度下,抗剪强度增长速率随着围压增大而提高。

2.4 围压对改良泥页岩填料应力-应变和强度特性的影响

结合图69可知,围压对改良泥页岩填料应力-应变特性的影响因压实度和饱和状态而异。以3%、4%水泥掺量为例分析,其他掺量规律近似。随着围压增大,线弹性阶段应力-应变近似线性增长;进入非线性阶段后土样出现硬化,且硬化率随之提高,土样由塑性变形向脆性变形转变。非饱和试样的应力-应变曲线更易从软化型过渡至硬化型;压实度提升对此转变的影响较弱,而水泥掺量增加会显著强化该转变。

依据图9进行计算,进一步揭示出围压对改良泥页岩填料破坏应变、初始弹性模量及抗剪强度的影响。结果表明破坏应变与围压呈显著负相关,非饱和状态及高压实度试样拟合效果更优,且随着水泥掺量增加,围压对破坏应变的减小作用显著增强,此规律在非饱和状态及高压实度下效果更明显;初始弹性模量和抗剪强度与围压呈显著正相关,相同水泥掺量下,二者数值及增长率均表现为100%压实度非饱和状态>96%压实度非饱和状态>96%压实度饱和状态。围压增大使土颗粒间接触力和摩擦力增强,约束作用提升,进而提高改良土塑性变形后的承载能力,导致破坏应变的减小幅度随着围压增大而增加。

2.5 压实度与饱和度对改良泥页岩填料应力-应变和强度特性的影响

图9分析了压实度对改良泥页岩填料应力-应变特性的影响。在相同围压和水泥掺量条件下,提高压实度将显著提升非饱和改良土的硬化状态,这种应变软化向应变硬化转变的程度随着围压与水泥掺量的增加而提升。进一步计算表明,提高压实度和水泥掺量可显著降低改良泥页岩填料的破坏应变。随着水泥掺量增加,提升压实度会提高破坏应变拟合曲线斜率,而提高围压则会降低破坏应变拟合曲线斜率。

图9表明在相同围压和水泥掺量下,96%压实度、非饱和状态的试样应力-应变曲线均高于饱和状态的试样,且应变硬化更明显;随着围压增大,非饱和状态的试样初始切线斜率(硬化率)大于饱和状态的试样。进一步计算可知,改良泥页岩填料破坏应变随着饱和度提高而小幅增加。饱和度提升会使土体孔隙自由水增多,在压缩过程中起到缓冲作用,且土颗粒承载占比下降,进而导致土体刚度减小,影响变形特性。综上可知,不同水泥掺量和围压下,改变饱和度与压实度对土体抗剪强度影响显著,即提高水泥掺量、围压、压实度及降低饱和度可有效增强抗剪强度。

2.6 水泥改良泥页岩填料抗剪强度参数与破坏形态分析

根据莫尔-库伦准则,结合试验结果,最大偏应力S与黏聚力c和内摩擦角φ之间的关系式为

S=σ1-σ3=2ccosφ+(σ1+σ3)sinφτ=σ1-σ32cosφ=σtanφ+c

式中,S为偏应力峰值,σ1为最大主应力,σ3为最小主应力,τ为峰值强度,σ为剪切破坏时剪切面的正应力。

图10显示改良泥页岩填料的黏聚力、内摩擦角与水泥掺量呈显著正相关。相同水泥掺量下,二者数值均为100%压实度非饱和状态>96%压实度非饱和状态>96%压实度饱和状态;水泥掺量增加,黏聚力增长率表现为96%压实度饱和状态>100%压实度非饱和状态>96%压实度非饱和状态,内摩擦角增长率则相反。提升压实度,二者数值及增长率均增大;提高饱和度,二者数值减小但增长率显著提升,原因是饱和度增加使土体自由水增多、颗粒间摩擦降低、有效应力减小,导致黏聚力和内摩擦角下降,而水泥改良通过强化颗粒联系显著提升增长率,低水泥掺量下此效应更明显。

不同围压下试样破坏形态如图11所示,其表面均出现起皮、边角破损现象。在压缩过程中发生径向变形并形成剪切带,其中100和200 kPa下出现明显剪切带,破坏形态由脆性向韧性转变,而300 kPa下呈鼓状破坏现象。

3 结论

本文采用硅酸盐水泥对强风化泥页岩路基填料进行改良,通过物理化学测试及三轴压缩试验,系统研究了水泥掺量、围压、压实度及饱和状态对其应力-应变与强度特性的影响,主要结论如下。随着水泥掺量增加,改良填料液限和塑限、最大干密度增大,最佳含水率减小;相同围压、压实度及饱和状态下,应力-应变曲线提升,初始弹性模量、抗剪强度、黏聚力、内摩擦角显著增大,破坏应变显著降低;随着围压和水泥掺量增加,应力-应变曲线由应变软化向硬化过渡。相同饱和度和压实度下,弹性模量、破坏应变和抗剪强度等指标与水泥掺量、围压呈良好线性关系(多数R2>0.80)。相同围压下,随着水泥掺量增加,初始弹性模量和抗剪强度等强度指标及增长规律均表现为100%压实度非饱和状态>96%压实度非饱和状态>96%压实度饱和状态(黏聚力与内摩擦角增长率除外);相同水泥掺量下,围压增大时与上述规律一致。提高压实度或降低饱和度均能提升改良土强度与抗变形能力。研究成果可为风化泥页岩路基填筑、路基填料改良及稳定性分析提供理论与数据支撑,建议与本文泥页岩性质相近的改良土水泥掺量为2%~3%,具体需结合工程实际确定。

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