黃土制備人工結(jié)構(gòu)性土方法的可行性研究

汪儒鴻，周海清，彭國園

（1陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401331；2西北核技術(shù)研究所，陜西西安710024）

0 引言

天然結(jié)構(gòu)性土具有膠結(jié)、大孔隙的特點[1]，其巖土本構(gòu)關(guān)系研究在國內(nèi)外尚處發(fā)展階段。由于天然結(jié)構(gòu)性土的室內(nèi)實驗存在材料不均勻性、現(xiàn)場取樣對試樣的擾動以及試驗重復(fù)性低等問題，目前針對原狀結(jié)構(gòu)性土展開的室內(nèi)研究較少，催生了許多以人工結(jié)構(gòu)性土代替天然結(jié)構(gòu)性土進行研究的方法。從制樣原料上來說，普遍的做法包括往粉質(zhì)黏土中添加水泥粉末[2]，或同時加入冰片[3]、鹽粒[4]等來制得具有粒間膠結(jié)效應(yīng)的人工結(jié)構(gòu)性土。有的也嘗試以砂土為主要原料來制取人工膠結(jié)土[5-6]；從制樣方法上來說，目前既有擊樣法制樣[7]，也有壓樣法制樣[8]，還有的采取泥漿灌注法制得人工結(jié)構(gòu)性土試樣[9]。通過以上方法制得的人工結(jié)構(gòu)性土，均能較好反映部分天然結(jié)構(gòu)性土的主要力學(xué)性質(zhì)，特別是在表現(xiàn)高結(jié)構(gòu)性強度所導(dǎo)致的土體應(yīng)變軟化特性[10]上較好。然而，以粉質(zhì)黏土為主要原料的人工結(jié)構(gòu)性土制樣工藝較為繁瑣，且粉質(zhì)黏土種類較多，不同粉質(zhì)黏土制得的人工結(jié)構(gòu)性土區(qū)別較大，其研究不具有對比意義。更重要的是：以粉質(zhì)黏土或砂土作為主要原料的人工結(jié)構(gòu)性土在制樣過程中需耗費較多的水泥，要水泥水化時間較長才能保證試樣出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化特性，這也說明這兩種土體并不容易形成結(jié)構(gòu)性強度。因此，這里探討以天然結(jié)構(gòu)性黃土為主要原料來制備人工結(jié)構(gòu)性土的可行性，并結(jié)合大量三軸壓縮試驗，從各個角度對其制得試樣的主要力學(xué)特性進行了分析。

1 人工結(jié)構(gòu)性土的制樣

1.1制樣原料

制備人工結(jié)構(gòu)性土的原料為天然黃土粉末及普通硅酸鹽水泥粉末。由于原狀黃土本身就具有天然結(jié)構(gòu)性強度，經(jīng)充分破碎后采用其粉末加水泥制成的人工結(jié)構(gòu)性土在顆粒粒徑、顆粒級配以及土粒膠結(jié)形式上都更近似于天然結(jié)構(gòu)性土。

實驗用黃土取自延安新區(qū)工地現(xiàn)場，為原狀Q3黃土，土體的物理性質(zhì)見表1。

表1 原狀Q3土樣的基本物理指標(biāo)

1.2制樣過程

將黃土及水泥充分破碎后過0.1 mm孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩，這樣有助于顆粒之間更好地形成膠結(jié)。然后，將兩類粉末同時烘干，按一定水泥質(zhì)量配比混合，即成人工結(jié)構(gòu)性土制備的完整原料粉末。將混合好的完整原料粉末加水配置成初始含水率ω=12%的土樣，經(jīng)放置一晚后，測其實際含水率，按土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—1999的要求制成干密度均為1.5g/cm2的三軸試樣。最后，將所有三軸試樣抽氣飽和并浸水養(yǎng)護48h。

2 人工結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性分析

2.1三軸壓縮試驗條件

按水泥質(zhì)量配比的不同，將人工結(jié)構(gòu)性土試樣分為四組，每組包含若干個試樣。每組試樣的初始水泥質(zhì)量配比按從小到大依次為無、1%、2%、5%，以下簡稱為無、1%、2%、5%水泥試樣。將每組試樣分別在100kPa、150kPa、200kPa的圍壓中進行多次不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2.2偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

不同水泥質(zhì)量配比的人工結(jié)構(gòu)性土在不同圍壓條件下的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

2.3人工結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性分析

2.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖1所示，在所選取的最高水泥質(zhì)量配比及水化時間范圍內(nèi)，水泥質(zhì)量配比對黃土制備人工結(jié)構(gòu)性土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響巨大。相同圍壓條件下：水泥質(zhì)量配比越高的試樣應(yīng)變軟化特性越強，同時峰值強度與殘余強度的比值越大。與同類型研究[11-13]相比，5%的水泥質(zhì)量配比以及48h的水泥水化時間在原材料耗費、時間耗費等方面均屬較低程度。說明黃土制備人工結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)性強度對水泥質(zhì)量配比具有較高的敏感性，比較適合模擬不同結(jié)構(gòu)性強度的天然結(jié)構(gòu)性土。

2.3.2 材料破壞特點

不同水泥質(zhì)量配比試樣在三軸壓縮試驗過程中同樣表現(xiàn)出明顯不同的破壞特征。圖2所示為三軸試樣實驗前的初始狀態(tài)，此時試樣呈完整圓柱狀，表面光滑無裂痕。

實驗結(jié)束之后，以5%水泥質(zhì)量配比為主的試樣多呈現(xiàn)縱向或斜向劈裂型破壞，整體裂隙及變形較少，具有明顯脆性破壞的特征，如圖3a所示；以2%水泥質(zhì)量配比為主的試樣在破壞時表面裂隙更多，整體呈現(xiàn)出更復(fù)雜的破壞狀態(tài)，如圖3b所示；以1%和無水泥質(zhì)量配比為主的試樣多呈現(xiàn)鼓脹破壞，土體表面無明顯裂隙，土體變形較大，如圖3c所示。

綜合來看，水泥質(zhì)量配比越高的試樣表現(xiàn)出越明顯的脆性破壞特征，試樣破壞時以剪切面的貫通為主，整體形變較?。凰噘|(zhì)量配比越低的試樣，在破壞時以均勻剪切為主，整體形變更大。

圖2 三軸試樣初始狀態(tài)

3 結(jié)構(gòu)性系數(shù)的應(yīng)用

為定量分析不同水泥質(zhì)量配比的人工結(jié)構(gòu)性土的應(yīng)變軟化規(guī)律不同，這里提出結(jié)構(gòu)性系數(shù)的概念。結(jié)構(gòu)性系數(shù)屬于無量綱常數(shù)，其數(shù)值等于不同圍壓條件下人工結(jié)構(gòu)性土偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線上材料峰值強度與殘余強度之比。其峰值強度取試樣的最大偏應(yīng)力，殘余強度取試樣軸向應(yīng)變達到15%左右時的偏應(yīng)力。

圖3 三軸試樣破壞狀態(tài)

選取水泥質(zhì)量配比分別為5%、2%以及無的三種人工結(jié)構(gòu)性土來進行對比，以下簡稱為5%、2%、無水泥試樣。各人工結(jié)構(gòu)性土在不同圍壓下的結(jié)構(gòu)性系數(shù)如表2—表4所示。

表2 結(jié)構(gòu)性系數(shù)-5%試樣

表3 結(jié)構(gòu)性系數(shù)-2%試樣

表4 結(jié)構(gòu)性系數(shù)-無水泥試樣

從數(shù)值上來看，相同水泥質(zhì)量配比的人工結(jié)構(gòu)性土在不同圍壓下的結(jié)構(gòu)性系數(shù)相近；而不同水泥質(zhì)量配比的人工結(jié)構(gòu)性土則呈現(xiàn)出在相同圍壓條件下，水泥質(zhì)量配比越高的試樣其結(jié)構(gòu)性系數(shù)越大。結(jié)合文獻[14-15]作進一步分析：結(jié)構(gòu)性系數(shù)的大小實際上反映了人工結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)性強度占整體材料強度的比例，即類似于結(jié)構(gòu)性土二元介質(zhì)模型中對膠結(jié)元強度與摩擦元強度的界定。對水泥質(zhì)量配比越高的試樣而言，結(jié)構(gòu)性強度占整體材料強度的比例較大，與殘余強度的比值較大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)性系數(shù)也較大。

4 結(jié)論

結(jié)合室內(nèi)三軸壓縮實驗，探討以黃土作為主要原料制備人工結(jié)構(gòu)性土的可行性；以人工結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性為基礎(chǔ)，提出了結(jié)構(gòu)性系數(shù)的概念。所得結(jié)論如下：

1）原狀Q3黃土粉末適合作為人工結(jié)構(gòu)性土制樣的主要原料，其制得人工結(jié)構(gòu)性土的材料強度對水泥質(zhì)量配比有較高敏感性；

2）以黃土為主要原料的人工結(jié)構(gòu)性土在最高5%水泥含量及48h的水化時間以內(nèi)，隨水泥質(zhì)量配比的不同而表現(xiàn)出規(guī)律性力學(xué)特性變化。其中，水泥配比越高的試樣具有的應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯，且試樣破壞時越接近脆性破壞；

3）結(jié)構(gòu)性系數(shù)的大小反映了人工結(jié)構(gòu)性土的初始結(jié)構(gòu)性強度占整體材料強度的比例，屬于自身材料屬性，受外界圍壓的影響較小。