特征含水率對(duì)輕量土基本性質(zhì)的影響規(guī)律

侯天順

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

1 引 言

輕量土主要有EPS（expanded polystyrene）、發(fā)泡顆?；旌陷p量土、氣泡混合輕量土、次生材料混合輕量土等種類。與常規(guī)土相比，其突出特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高、密度與強(qiáng)度可以根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行調(diào)節(jié)。每一類輕量土都有其獨(dú)特之處，但從社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展來看，發(fā)泡顆?；旌陷p量土與次生材料混合輕量土可以大規(guī)模消納廢物、保護(hù)環(huán)境，所以這兩類輕量土應(yīng)該是今后研究與應(yīng)用的重點(diǎn)。

國(guó)外關(guān)于輕量土的研究報(bào)道較多，尤其是日本，其研究及應(yīng)用都十分廣泛，這種技術(shù)引入中國(guó)不過十年時(shí)間，所以有很多問題有待探索。Oh等[1]采用下層黏土、上層輕量土的模型試驗(yàn)研究了混合土的地基承載力。Yoonz等[2]采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與三軸試驗(yàn)研究了疏浚泥輕量土的力學(xué)特性，并且指出地基改良土強(qiáng)度達(dá)到200 kPa時(shí)的最優(yōu)配比：EPS質(zhì)量比為 3%～4%，疏浚泥初始含水率為165%～175%。Yajima等[3]研究了非飽和輕量土的初始吸力與結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)這種土的應(yīng)力路徑與破壞準(zhǔn)則能夠很好地用一個(gè)獨(dú)立有效強(qiáng)度公式來描述。Nagatome等[4]利用工業(yè)X射線CT掃描設(shè)備研究了海岸工程中海水對(duì)輕量土性能的影響，結(jié)果表明，配比對(duì)吸水性影響顯著。國(guó)內(nèi)的董金梅[5]、姬鳳玲[6]亦做了大量的工作，侯天順等[7]在朱偉等[8]成果的基礎(chǔ)上建立了混合土最優(yōu)含水率模型。

土石方工程中，控制填土密實(shí)是非常重要的。由于混合土中含有一些固化劑，所以可以采用碾壓法（或夯擊法等）施工，也可以采用澆注法施工。前者必須控制含水率在wop±(2～3)%附近，后者則需要考慮到混合土的和易性。顧歡達(dá)等[9]對(duì)河道淤泥的固化與流動(dòng)化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，流動(dòng)化處理土滲透系數(shù)很小、止水能力強(qiáng)、長(zhǎng)期變形小，但沒有添加輕質(zhì)材料，無法知道流動(dòng)性EPS顆?；旌贤恋男阅?。另外，流動(dòng)性輕量土與最優(yōu)含水率時(shí)的輕量土的性能究竟有多大差異，這些問題還不是十分清楚。本文試圖通過試驗(yàn)，揭示輕量土在最優(yōu)含水率、流動(dòng)性上、下限含水率3個(gè)特征點(diǎn)附近的性質(zhì)差異，為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

2 試驗(yàn)概況

原料土為東海溫州灣靈（昆島）－霓（嶼島）北堤的典型海相沉積淤泥，其基本物理參數(shù)見表1。為了保證試驗(yàn)精度，以干土質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，將淤泥烘干以后進(jìn)行粉碎，然后過0.5 mm篩，將少量雜質(zhì)濾出。輕質(zhì)材料采用2～3 mm的EPS球粒，其堆積體密度為0.025 g/cm3，EPS純顆粒密度為0.038 g/cm3。固化劑為華新水泥有限公司制造的華新堡壘牌C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。水為普通自來水。

表1 試驗(yàn)所用淤泥的基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of test silt

2.1 最優(yōu)含水率試樣制備

按照配比稱量好各種原材料，先把水泥加入干土中，用抹刀攪拌 5 min，直到拌勻；然后加水，形成水泥土，攪拌 5 min，直到形成均勻漿體；最后，加入EPS顆粒，強(qiáng)制攪拌10 min，形成均勻的干硬性混合土。用2 000 g電子秤稱量計(jì)算好的輕量土，分3層填入高為8 cm、直徑為3.91 cm的三瓣模。填料之前，模具內(nèi)壁套好保鮮膜，用橡皮筋扎牢。每填一層，采用三軸擊實(shí)儀擊實(shí) 25次，錘重300 g，落距為30 cm。將帶模具的樣品送進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20±2 ℃，濕度大于95%，養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，迅速裝入保鮮膜密封，再放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期。

2.2 流動(dòng)性含水率試樣制備

先把水泥加入干土中，用抹刀拌勻；然后加水，再次拌勻；最后，加入EPS顆粒，攪拌5 min，直到均勻。靜置 5～10 min，再次攪拌均勻。在三瓣模內(nèi)壁安裝保鮮膜，并且固定，然后用小鐵勺把流動(dòng)性混合土裝入下端放有玻璃片的模具中，用鐵絲輕輕攪拌密實(shí)。將樣品連同模具送入養(yǎng)護(hù)箱，用保鮮膜覆蓋其上部與四周，養(yǎng)護(hù)條件同上。養(yǎng)護(hù) 7 d后脫模，迅速裝入保鮮膜密封，再放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期。

取樣后測(cè)定密度，然后采用無側(cè)限壓縮儀[10]測(cè)定強(qiáng)度。一切步驟按照規(guī)范[11]要求進(jìn)行。每個(gè)配比各有 3個(gè)樣，最后取均值作為測(cè)定值。試驗(yàn)方案見表2，wop為最優(yōu)含水率，wfmin為流動(dòng)下限含水率，wfmax為流動(dòng)上限含水率。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes

3 3種特征含水率的確定

為了研究特定含水率時(shí)混合土的性能，首先必須給出3個(gè)特征含水率。侯天順的成果[7]說明，基于最大干密度理論、最大強(qiáng)度理論、最大比強(qiáng)理論3種方法確定的最優(yōu)含水率沒有顯著差別。所以本文按照ρd-w模型[7]確定最優(yōu)含水率：ae=3%，ac=10%，wop=38.33%；ae=3%，ac=15%，wop=40%。

輕量土流動(dòng)化施工，國(guó)內(nèi)尚無相關(guān)規(guī)范可循。流動(dòng)化施工必須綜合考慮流動(dòng)性、黏聚性、保水性。在混合土中添加了輕質(zhì)材料，如果含水率過高，EPS顆粒處于上浮狀態(tài)，無法保證材料均勻，存在流動(dòng)上限含水率wfmax；如果含水率過低，混合土無法流動(dòng)，也存在流動(dòng)下限含水率wfmin。根據(jù)文獻(xiàn)[5, 9, 12－13]介紹，流動(dòng)性含水率的確定方法：①在實(shí)驗(yàn)桌上放置一塊40 cm×40 cm的方形玻璃板，然后在玻璃板正中央放置直徑為8 cm、高度為8 cm的圓筒；②用小勺把流動(dòng)性混合土裝入圓筒，直到與圓筒上端齊平；③迅速提起圓筒，測(cè)定1 min后攤開土餅的最大直徑與垂直方向直徑，均值作為流動(dòng)性指標(biāo)值，一般為180±20 mm。也就是說，流動(dòng)值dfmin=160 mm對(duì)應(yīng)的含水率就是wfmin；流動(dòng)值dfmax=200 mm對(duì)應(yīng)的含水率就是wfmax。為了得到流動(dòng)性特征含水率，按照上述制樣方法與流動(dòng)值測(cè)定方法，做了很多次流動(dòng)值測(cè)定試驗(yàn)，最終成果見圖1、2。

圖1 混合土流動(dòng)性指標(biāo)試驗(yàn)(ae=3%, ac=15%, dfmin=160 mm)Fig.1 Liquidity indexes test of mixed soil(ae=3%, ac=15%, dfmin=160 mm)

圖2 混合土流動(dòng)性指標(biāo)試驗(yàn)(ae=3%, ac=15%, dfmax=200 mm)Fig.2 Liquidity indexes test of mixed soil(ae=3%, ac=15%, dfmax=200 mm)

由試驗(yàn)過程和圖1、2可知：①采用日本流動(dòng)性指標(biāo)測(cè)定方法確定的df=180±20 mm，是基本可行的。②混合土經(jīng)過流動(dòng)化處理以后，含水率越高，流動(dòng)性越好，但圖2(b)中出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象，說明保水性變差了。③當(dāng)df=200 mm時(shí)，2～3 mm的EPS顆粒開始出現(xiàn)明顯的上浮現(xiàn)象，每次裝料前需要反復(fù)攪拌，說明取dfmax=200 mm是可信的，否則輕質(zhì)材料上浮，混合土無法均勻。注意：①筆者使用的圓筒取自廢物回收站一個(gè)塑料杯，下口內(nèi)徑為8 cm，上口內(nèi)徑為7.98 cm，高度為8 cm，不是標(biāo)準(zhǔn)圓筒，測(cè)試得到的流動(dòng)值與真實(shí)值略有差異。②混合土的流動(dòng)值與它在碗中的靜置時(shí)間有一定關(guān)系，靜置時(shí)間過短，材料沒有充分吸水，流動(dòng)值很大，反之會(huì)減小。③水泥劑量變化很小時(shí)，流動(dòng)值變化不敏感。

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)與流動(dòng)性指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)，得到了不同配比輕量土的3個(gè)特征含水率，見表3。

表3 不同配比輕量土的3個(gè)特征含水率Table 3 Three characteristic water contents of light weight soil with different mixed ratios

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 含水率對(duì)無側(cè)限應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響規(guī)律

由圖3、4可知，①對(duì)于同一配比的輕量土來說，隨著含水率的增加，變形模量減小，強(qiáng)度減小，破壞應(yīng)變?cè)龃?；②相同配比、相同含水率的輕量土，隨齡期增長(zhǎng)，強(qiáng)度不斷增大；③相同條件下，不管含水率高低，水泥劑量增加 5%可以顯著改善土壤強(qiáng)度；④流動(dòng)性指標(biāo)最大值與最小值之差為40 mm，但對(duì)應(yīng)的含水率之差僅為10%，流動(dòng)上、下限含水率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線幾乎重合，說明流動(dòng)性指標(biāo)采用df=180±20 mm是可行的，而沒有必要設(shè)定一個(gè)精確值，施工過程中可以在一定范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)含水率。

4.2 含水率對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律

碾壓法或夯擊法施工，土壤往往處于塑性狀態(tài)，能夠得到很高的強(qiáng)度，減小壓縮性與滲透性，獲取優(yōu)良的工程性質(zhì)。但是處于最優(yōu)含水率時(shí)，混合土難以完全攪拌均勻。把土壤流動(dòng)化處理以后，采用澆注法施工，便于攪拌與運(yùn)輸，尤其適用于充填窄小空間，然而前期強(qiáng)度很小，影響施工進(jìn)度。

圖3 不同齡期的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（ae=3%, ac=10%）Fig.3 Stress-strain relation curves (ae=3%, ac=10%)

圖4 不同齡期的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（ae=3%, ac=15%）Fig.4 Stress-strain relation curves (ae=3%, ac=15%)

由圖 5可知，不同配比的輕量土在相同齡期時(shí)，隨含水率增加強(qiáng)度減小，而且強(qiáng)度減小趨勢(shì)受到齡期與水泥摻入比的影響，但流動(dòng)性上、下限含水率對(duì)應(yīng)強(qiáng)度差別很小。施工過程中，一般非常關(guān)注28 d時(shí)的強(qiáng)度值。通過回歸分析，得到：

（1）當(dāng)ae=3%，ac=10%時(shí)，有

（2）當(dāng)ae=3%，ac=15%時(shí)，有

由圖6可知，不同配比的輕量土，在相同含水率時(shí)，強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增大。通過回歸分析可得

圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-含水率關(guān)系曲線Fig.5 Unconfined compressive strength-water content relation curves

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-齡期關(guān)系曲線Fig.6 Unconfined compressive strength-age relation curves

式中：a、b均為試驗(yàn)常數(shù)，可以采用雙曲線模型預(yù)測(cè)土壤強(qiáng)度增長(zhǎng)情況。另外，任意配比、任意含水率的混合土，90 d與28 d強(qiáng)度存在如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

當(dāng) wfmin≤ w ≤ wfmax，7 d與28 d強(qiáng)度存在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

4.3 含水率對(duì)變形的影響規(guī)律

由圖7、8知，對(duì)于不同配比的輕量土，處于最優(yōu)含水率時(shí)，直徑與高度都不隨齡期發(fā)生變化；流動(dòng)化處理以后，土樣的直徑與高度都出現(xiàn)了收縮。從圖7可知，含水率越高，土樣收縮越嚴(yán)重，土樣在28 d以后收縮量很小。無論含水率高低，土樣初始直徑都是3.91 cm，但流動(dòng)化處理后的土樣的初始高度則是無法精確測(cè)定的，加之高度測(cè)定過程中的誤差，所以高度的收縮現(xiàn)象沒有直徑的明顯。

圖7 直徑-齡期關(guān)系曲線Fig.7 Diameter-age relation curves

圖8 高度-齡期關(guān)系曲線Fig.8 Height-age relation curves

圖9 線收縮率-齡期關(guān)系曲線Fig.9 Line shrinkage ratio-age relation curves

圖10 體積收縮率-齡期關(guān)系曲線Fig.10 Volume shrinkage ratio-age relation curves

4.4 含水率對(duì)濕密度的影響規(guī)律

由圖11可知，輕量土在最優(yōu)含水率狀態(tài)時(shí)，濕密度不隨齡期變化；流動(dòng)化處理后，土壤的濕密度隨齡期逐漸增大，28 d以后基本無變化。

混合土的濕密度是工程設(shè)計(jì)與施工中基本技術(shù)指標(biāo)之一，通常采用理想密度模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。理想密度模型為[10]

式中：ρ輕為輕量土的密度；ms為輕量土中土顆粒的質(zhì)量；ρs為土粒相對(duì)密度；mc為水泥的質(zhì)量；ρc為水泥顆粒相對(duì)密度；me為EPS顆粒的質(zhì)量；ρe為EPS純顆粒密度；mw為水的質(zhì)量；ρw為常溫下水的相對(duì)密度。

圖11 濕密度-齡期關(guān)系曲線Fig.11 Wet density-age relation curves

為了驗(yàn)證模型的適用性，把模型計(jì)算值與各種配比的輕量土28 d時(shí)的濕密度做對(duì)比。定義：絕對(duì)誤差=相對(duì)誤差=絕對(duì)誤差/實(shí)測(cè)密度。由表4可知，最優(yōu)含水率時(shí)，土壤理論密度與實(shí)測(cè)密度基本一致；高含水率時(shí)，土壤理論密度的相對(duì)誤差范圍為3.834%～8.231%。綜合分析，采用理想密度模型基本上可以正確預(yù)測(cè)不同含水率時(shí)混合土的濕密度。

表4 濕密度理論值與實(shí)測(cè)值比較表Table 4 Comparison of predictive values and measured values for wet density theory

5 結(jié) 論

（1）采用日本流動(dòng)性指標(biāo)180±20 mm控制輕量土的流動(dòng)性，基本可行。對(duì)于一般配比的輕量土（28 d強(qiáng)度接近普通土），在不同齡期時(shí)，流動(dòng)性上、下限含水率時(shí)的無側(cè)限應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線幾乎重合，說明流動(dòng)性上、下限含水率范圍內(nèi)，土壤的性能比較接近，實(shí)際施工過程中可以適當(dāng)調(diào)節(jié)含水率，方便施工。

（2）不同配比的輕量土，含水率增加，強(qiáng)度急速衰減，但流動(dòng)性上、下限含水率對(duì)應(yīng)強(qiáng)度差別不大。不管含水率高低，強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)，都可以采用雙曲線模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且總結(jié)了7 d、90 d強(qiáng)度與28 d強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

（3）輕量土在最優(yōu)含水率時(shí)，收縮性微小，可以不予考慮；經(jīng)過流動(dòng)化處理以后，線收縮率范圍為1.53%～4.71%，體積收縮率范圍為4.53%～13.46%，收縮性受含水率、水泥劑量等因素影響。

（4）濕密度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相比較，最優(yōu)含水率時(shí)，二者基本一致；在流動(dòng)性上、下限含水率范圍內(nèi)，二者的相對(duì)誤差范圍為3.834%～8.231%。所以，可以采用理想密度模型對(duì)濕密度進(jìn)行近似預(yù)測(cè)。

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