不同垂直荷載與剪切速率條件下水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂直剪試驗研究

楊 俊，楊 志，張國棟，唐云偉，陳紅萍

(1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.宜昌市交通運輸局，湖北 宜昌 443002；4.宜昌市公路管理局，湖北 宜昌 443002）

不同垂直荷載與剪切速率條件下水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂直剪試驗研究

楊 俊1，2，楊 志1，2，張國棟1，2，唐云偉3，陳紅萍4

(1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.宜昌市交通運輸局，湖北 宜昌 443002；4.宜昌市公路管理局，湖北 宜昌 443002）

以湖北宜昌三峽庫區(qū)風(fēng)化砂為研究對象，在風(fēng)化砂中摻入不同量的水泥，然后改變剪切速率、改變上覆垂直荷載，進行室內(nèi)直接剪切試驗，研究了剪切速率、垂直荷載對不同摻量水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂抗剪強度指標(biāo)的影響。試驗結(jié)果表明：剪切速率、垂直荷載對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂抗剪強度指標(biāo)有明顯影響。在相同的剪切速率和垂直荷載下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力會隨著水泥摻量的增加顯著提高，但內(nèi)摩擦角會先增大再減?。辉谙嗤乃鄵搅肯?，增大剪切速率和垂直荷載均會顯著增大水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力而減小其內(nèi)摩擦角。剪切速率較大時，試樣在剪切破壞過程中不僅要克服顆粒間的滑移，還要克服顆粒的旋轉(zhuǎn)、滾動與換位阻力，使黏聚力增大。較大的垂直荷載會使試樣產(chǎn)生較大的壓縮固結(jié)，粒間的孔隙減少，孔隙間的水應(yīng)力和垂向附加應(yīng)力增大，砂顆粒間的相互作用力加強，抗剪強度提高。

水泥；風(fēng)化砂；剪切速率；垂直荷載；抗剪強度；黏聚力；內(nèi)摩擦角

風(fēng)化砂是一種顆粒呈棱角狀、強度較弱、物理力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的巖石風(fēng)化產(chǎn)物，在我國許多地區(qū)廣泛存在［1］。根據(jù)風(fēng)化程度的不同，風(fēng)化砂顆粒常伴有或多或少的裂縫，而這些含有細微裂縫的風(fēng)化砂顆粒在外力作用下容易破碎，使風(fēng)化砂的強度大大降低，再加上風(fēng)化砂為松散粒料不能產(chǎn)生黏聚力，使得風(fēng)化砂長期以來被視為廢棄原料而未在公路建設(shè)中進行開發(fā)利用［2］。然而風(fēng)化砂具有很強的抗水性，固結(jié)較快，可以作為良好的透水或半透水材料，如果采用資源豐富的風(fēng)化砂作為筑路原料，摻入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)物質(zhì)改善其力學(xué)性能，達到路用標(biāo)準(zhǔn)，則具有取料方便、成本低廉、工藝合理、技術(shù)可行的特點。在湖北宜昌三峽庫區(qū)廣泛分布著大量的廢棄風(fēng)化砂。本文擬在該地區(qū)風(fēng)化砂中摻入黏聚力強的水泥進行改良，研究水泥穩(wěn)定廢棄風(fēng)化砂的路用特性，以期達到就地取材、變廢為寶、節(jié)約成本的目的［3-5］。

路用材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一是抗剪強度，開展對水泥穩(wěn)定廢棄風(fēng)化砂抗剪強度的研究具有重要意義。關(guān)于剪切速率及上覆垂直荷載對紅黏土、膨脹土、粉土等的抗剪強度的影響，在20世紀(jì)七八十年代就有國內(nèi)外專家開展研究，并得出了許多有益的結(jié)論。水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂應(yīng)用于公路路面基層，是在近年才開始嘗試的。因此，深入開展剪切速率及垂直荷載對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂抗剪強度指標(biāo)的影響，具有重要的理論意義，并能為工程實踐提供室內(nèi)試驗依據(jù)。本文采用室內(nèi)直接剪切試驗，通過調(diào)整上覆荷載及剪切速率，模擬車輛行駛的作用，研究了不同水泥摻量改良廢棄風(fēng)化砂在不同垂直荷載、不同剪切速率下的響應(yīng)，為水泥穩(wěn)定廢棄風(fēng)化砂用作道路路面基層提供了理論依據(jù)。

1 試驗原材料基本性質(zhì)

1.1 風(fēng)化砂

本試驗用風(fēng)化砂取自湖北省宜昌市三峽庫區(qū)太平溪鎮(zhèn)的百歲溪。該風(fēng)化砂呈土黃色，粒徑分布不均，有顯著棱角，粒徑大的砂顆粒表面有微小裂縫，容易破碎，經(jīng)過室內(nèi)顆粒分析試驗(如圖1），得到其基本物理性質(zhì)指標(biāo)，見表1。

圖1 風(fēng)化砂顆粒分布Fig.1 Particle distribution of weathered sand

表1 風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties indexes of weathered sand

由表1可知：風(fēng)化砂的不均勻系數(shù)Cu=10.21，曲率系數(shù)Cc=3.08＞3，故該風(fēng)化砂為級配不良砂。

1.2 水 泥

試驗所用水泥為市場上銷售的普通硅酸鹽水泥，具有良好的和易性、保水性、耐磨性和抗凍性，初凝時間大于45 min，終凝時間較長達6 h以上。

2 試驗方案

試驗參考《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007）和《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009）進行。

水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂試樣的制作采用外摻法，首先將風(fēng)化砂風(fēng)干后過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，并在(105～110）℃下烘干，烘干時間不小于12 h，直至恒重，然后在干燥器中冷卻至恒溫。其次，稱取一定質(zhì)量的風(fēng)化砂，根據(jù)重型擊實所得到的最佳含水率用噴壺噴灑所需的水，并預(yù)留2%的水，然后裝入密閉容器，料悶24 h后，分別稱取所需的水泥摻量，并與悶料拌合均勻，加入預(yù)留的2%水；最后根據(jù)其最佳干密度稱取所需的混合料質(zhì)量壓樣器內(nèi)，采用靜壓制樣的方法制成不同水泥摻量的水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂試樣，將試樣置入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)，養(yǎng)護7 d后將試樣在四聯(lián)式應(yīng)變直剪儀進行試驗(如圖2）。每種試樣做3組平行試驗，取最相近的兩組平均值作為最終結(jié)果。其中，水泥摻量分別為3%，5%，7%和9%；直剪儀剪切速率分別設(shè)定為0.8和2.4 mm/min；垂直荷載分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，Ⅰ級垂直荷載為12.5，25.0，37.5和50.0 kPa，Ⅱ級垂直荷載為62.5，75.0，87.5和100.0 kPa，Ⅲ級垂直荷載為100.0，200.0，300.0和400.0 kPa。

圖2 直剪試驗Fig.2 Direct shear tests

3 水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂直剪試驗結(jié)果及分析

3.1 不同剪切速率的影響

通過直剪試驗，得出了在標(biāo)準(zhǔn)荷重下(Ⅲ級垂直荷載），不同剪切速率對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角影響的試驗結(jié)果，見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)荷載、不同剪切速率下水泥心定風(fēng)化砂的黏聚力Tab.2 Cohesive force and internal friction angle of cement stabilized weathered sand under standard load and different shear rates

從表2中的試驗結(jié)果可以得到在標(biāo)準(zhǔn)荷載、不同剪切速率作用下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力、內(nèi)摩擦角與水泥摻量之間的關(guān)系曲線(圖3）。

圖3 不同剪切速率下水泥摻量與水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂黏聚力和內(nèi)摩擦角關(guān)系Fig.3 Relationships of cement dosage，cohesive force and internal friction angle of cement stabilized weathered sand under different shear rates

從表2和圖3可見：

(1）在相同的剪切速率下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力隨著水泥摻量的增加而增大，速度先快后慢。其中，當(dāng)剪切速率為0.8 mm/min時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力在水泥摻量3%～5%之間增長了16.11 kPa，在5%～7%之間增長了23.78 kPa，在7%～9%之間增長了13.04 kPa；當(dāng)剪切速率為2.4 mm/min時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力在水泥摻量3%～5%之間增長了21.84 kPa，在5%～7%之間增長了39.78 kPa，在7%～9%之間增長了8.22 kPa。這是因為當(dāng)風(fēng)化砂摻入水泥時，水泥的膠結(jié)、團?；饔煤陀材磻?yīng)會使風(fēng)化砂顆粒間的相互作用增強，促使水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的強度提高，黏聚力迅速增大，這種作用會伴隨著水泥摻量的增加而加強，但是水泥摻量的增大也會導(dǎo)致試樣出現(xiàn)干縮裂縫，致使其強度有所減小，從而導(dǎo)致水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力增長變緩。

(2）在同一剪切速率下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角會隨著水泥摻量的增加先增大后減小。當(dāng)剪切速率為2.4 mm/min時，在水泥摻量為5%時，內(nèi)摩擦角達到峰值；當(dāng)剪切速率為0.8 mm/min時，在水泥摻量為7%時，內(nèi)摩擦角達到峰值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)在風(fēng)化砂中摻入水泥時，水泥顆粒會進入風(fēng)化砂顆粒之間的縫隙內(nèi)，致使顆粒間聯(lián)系更加緊密，以及風(fēng)化砂有明顯的棱角，會產(chǎn)生很大的摩阻力，使內(nèi)摩擦角迅速增大；但是當(dāng)水泥摻量超過一定量時，水泥的水化作用會造成試樣的干燥收縮，裂縫數(shù)量會明顯增加，從而引起內(nèi)摩擦角減小。

(3）剪切速率對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的抗剪強度指標(biāo)有較大影響。在水泥摻量相同時，剪切速率為2.4 mm/min時的水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂與剪切速率為0.8 mm/min的相比，前者的內(nèi)摩擦角明顯小于后者，而黏聚力大于后者；其中，黏聚力從剪切速率0.8～2.4 mm/min之間最大增加54.07 kPa，內(nèi)摩擦角減小8.38°。說明剪切速率對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角有較大影響。這是由于：在剪切速率較小時，試樣剪切破壞的時間較長，試樣會產(chǎn)生比較充分的水平固結(jié)，孔隙比減小，使顆粒間有效接觸點增加，剪切阻力會相應(yīng)增大，并隨著剪切位移的增加，剪切強度也緩慢上升，于是內(nèi)摩擦角增加。當(dāng)剪切速率增大時，試樣會迅速剪切完畢，雖然也將產(chǎn)生一定的水平固結(jié)，但因為時間較短，孔隙比減少會較小，故內(nèi)摩擦角較小，且在較大剪切速率時，試樣在剪切破壞的過程中不僅要克服顆粒間的滑移，還要克服顆粒旋轉(zhuǎn)、滾動與換位阻力，因此較大剪切速率下的黏聚力會增大［6-8］。

3.2 不同垂直荷載的影響

依據(jù)試驗規(guī)程，在標(biāo)準(zhǔn)剪切速率下(0.8 mm/min），得出了不同的垂直荷載對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響結(jié)果(表3）.

表3 標(biāo)準(zhǔn)剪切速率、不同垂直荷載下水泥心定風(fēng)化砂的黏聚力和體靡擦角Tab.3 Cohesive force and internal friction angle of cement-stabilized weathered sand under standard shear rates and different vertical loads

從表3可得不同的垂直荷載和水泥摻量下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化曲線(圖4）。

圖4 不同情況下水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線Fig.4 Change curves of the vertical load and internal friction angle of cement-stabilized weathered sand under different conditions

從圖4可見：

(1）水泥摻量對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角有很大影響，在相同的垂直荷載下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力隨著水泥摻量的增加穩(wěn)步增長，而內(nèi)摩擦角隨著水泥摻量的增加會先增大后減小，因此要適當(dāng)?shù)目刂扑鄵搅坎庞兄谔岣唢L(fēng)化砂的抗剪強度，這與有關(guān)文獻［9-10］的結(jié)果一致。

(2）在水泥摻量一定時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力隨著垂直荷載的增加迅速增大；其中，水泥摻量為3%，5%，7%和9%時，Ⅲ級荷載的黏聚力較Ⅰ級荷載分別增加了44.02，51.91，38.04和53.93 kPa。這是因為：當(dāng)施加的垂直荷載越大時，試樣在剪切破壞過程中會產(chǎn)生較大的壓縮，使空隙比減小，顆粒間的粒間力變大，強度提高，故黏聚力越大［11-13］。

(3）在相同的水泥摻量下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角隨著垂直荷載的增加會明顯減小，其速度先慢后快；其中，內(nèi)摩擦角從Ⅲ級荷載到Ⅱ級荷載減小6°左右，從Ⅱ級荷載到Ⅰ級荷載減小1.5°左右，表明垂直荷載對內(nèi)摩擦角影響很大。這是由于抗剪強度是在一定的垂直應(yīng)力范圍內(nèi)用庫侖方程表示的一條直線來近似代替實際上一條向下彎曲的曲線，在不同的垂直應(yīng)力段內(nèi)近似直線的斜率不同，且隨垂直應(yīng)力增大其斜率減小，也就是黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，當(dāng)垂直荷載較大時，垂直應(yīng)力會迅速增大，內(nèi)摩擦角就會迅速減小。

3.3 不同垂直荷載對水泥心定風(fēng)化砂抗剪強度的影響

根據(jù)各個垂直荷載下的黏聚力和內(nèi)摩擦角，可以按照庫侖方程τ=σtanφ+c，得到每級垂直荷載下水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的抗剪強度，抗剪強度與垂直荷載的關(guān)系曲線如圖5。

從圖5可見：在相同的水泥摻量下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的抗剪強度隨垂直荷載的增加先緩慢增大后迅速增大。其中，抗剪強度在垂直荷載12.5～100 kPa之間增長較慢，在100～400 kPa之間增長最快。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：試樣在較大的垂直荷載下，垂直應(yīng)力越大，從開始剪切至破壞所需的水平壓力就會越大，粒間的空隙得到壓縮，則孔隙水應(yīng)力和垂向附加應(yīng)力增加也越大，砂顆粒間的相互作用力加強，強度提高，抗剪強度增大，當(dāng)垂直荷載增加較快時，抗剪強度也就迅速增大。

圖5 不同水泥摻量的垂直荷載與水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂抗剪強度關(guān)系Fig.5 Relationships between vertical load and shear strength of cement-stabilized weathered sand under different cement dosages

4 結(jié) 語

(1）由以上試驗分析可以得到：剪切速率和垂直荷載對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角有明顯影響，增大剪切速率和垂直荷載均會增大水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力，減小其內(nèi)摩擦角。文中的試驗結(jié)果與闞衛(wèi)明［14］等對粉質(zhì)黏土的試驗結(jié)果相吻合，與劉天韻［15］等對淤泥土的試驗結(jié)果基本一致。

(2）水泥摻量的大小對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角影響較為明顯；隨著水泥摻量增大，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力會有顯著提高，但內(nèi)摩擦角會先增大再減小，這是因為水泥的硬化作用將增加顆粒間的聯(lián)系，提高其強度，但超過一定摻量時，易發(fā)生干燥收縮而產(chǎn)生裂縫，降低其強度。

(3）剪切速率較大時，試樣剪切破壞的時間相應(yīng)較短，在相同的垂直荷載下較剪切速率小的產(chǎn)生固結(jié)時間少，孔隙比減少會較小，且在試樣剪切破壞過程中不僅要克服顆粒間的滑移，還要克服顆粒的旋轉(zhuǎn)、滾動與換位阻力，使內(nèi)摩擦角減小，黏聚力增大。

(4）較大的垂直荷載，會使試樣產(chǎn)生較大的壓縮固結(jié)；粒間的空隙減少，孔隙間的水應(yīng)力和垂向附加應(yīng)力增大，砂顆粒間的相互作用力加強，抗剪強度提高，同時使用庫侖方程表示的莫爾圓直線斜率減小，導(dǎo)致黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小。

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Direct shear test analysis of cement-stabilized weathered sand under different vertical loads and shear rates

YANG Jun1，2，YANG Zhi1，2，ZHANG Guo-dong1，2，TANG Yun-wei3，CHEN Hong-ping4
(1.Collaboratiυe Innoυation Center of Geological Hazards and Ecological Enυironment in Three Gorges Area in Hubei Proυince，China Three Gorges Uniυersity，Yichang 443002，China；2.Ciυil and Architectural Institute，China Three Gorges Uniυersity，Yichang 443002，China；3.Yichang Transport Bureau，Yichang 443002，China；4.Yichang HighWay Administration，Yichang 443002，China）

Taking the weathered sand situated in the Three Gorges reservoir area as the research object，mixing different amounts of cement with the weathered sand，and then changing the shear rates，changing the overlying vertical load，indoor direct shear tests have been carried out.This study has analyzed the impacts of the shear rates，the vertical load on the shear strength index of the cement-stabilized weathered sand having different cement contents.Experimental analysis results show that the shear rate and the vertical load have a significant effect upon the shear strength index of the cement-stabilized weathered sand.By the same action of the shear rates and the vertical load，the cohesive force of the cement-stabilized weathered sand will significantly increase with increase in the cement content，but the internal friction angle will first become great and then small；when the cement content is the same，increasing the shear rates and the vertical load will significantly increase the cohesive force of the cement-stabilized weathered sand and reduce its internal friction angle.When the shear rates are large，the sample in the process of shear failure not only overcomes the slip among the particles，but also overcomes the rotation of the particles and the transposition rolling resistance to increase the cohesive force.Larger vertical load will make the specimen have greater compression consolidation，reduce intergranular porosity，increase the water stress and the vertical additional stress within pores，and finally enhance the intergranular interaction force as well as the shear strength of the weathered sand.

cement；weathered sand；shear rate；vertical load；shear strength；cohesive force；internal friction angle

TU411.7 文獻標(biāo)心碼：A

1009-640X(2014）03-0077-07

2013-10-16

湖北省教育廳自然科學(xué)研究重點項目(D20131304）

楊 俊(1976-），男，湖北武漢人，副教授，博士，主要從事道路特殊土路基處理、路面新材料開發(fā)利用、建筑垃圾及工業(yè)垃圾的路用特性研究。E-mail：wangjing750301@163.com