水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土的靜力特性

劉雨，陳俊樺，朱自強

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙，410012；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075)

化學(xué)改良土具有良好的抗水軟化性、較高的強度與剛度等特點，是建筑地基、路基等基礎(chǔ)工程中常用的填料。工程中常見的化學(xué)改良土主要包括水泥改良土和石灰改良土等。對于水泥改良土或者石灰改良土，水泥或石灰的膠凝作用導(dǎo)致改良土形成水泥-土骨架或者石灰-土骨架[1]，使得化學(xué)改良土的力學(xué)性質(zhì)介于普通土料和類巖石材料之間[2]，較復(fù)雜。目前，對化學(xué)改良土靜力性質(zhì)的研究方法主要為無側(cè)限抗壓強度試驗、直剪試驗和三軸壓縮試驗，根據(jù)研究結(jié)果評價改良效果，如：俞永華等[3]針對水泥改良黃土、賈厚華[4]針對石灰改良泥質(zhì)板巖土和水泥改良泥質(zhì)板巖土、高曉波等[5]針對石灰改良膨脹土開展了無側(cè)限抗壓強度試驗研究。李志清等[6]針對水泥改良黃土、邊加敏等[7]針對石灰改良膨脹土和楊俊等[8]針對水泥改良風(fēng)化砂土開展了直剪試驗研究。賀建清等[9]針對水泥改良淤泥質(zhì)亞黏土、李作恒[10]針對石灰改良鹽漬土和周葆春等[11]針對石灰改良膨脹土開展了三軸靜壓縮試驗研究。雖然無側(cè)限抗壓強度試驗條件最簡單，但由試驗只能獲得無側(cè)限抗壓強度這1個力學(xué)參數(shù)。與無側(cè)限抗壓強度試驗相比，通過直剪試驗可得較多的土力學(xué)參數(shù)如剪切強度、內(nèi)摩擦角和黏聚力等，但剪切面受人為控制，其均勻性很難保證[12-13]，直剪試驗結(jié)果可能與工程實際相差較大。三軸壓縮試驗?zāi)苡行M圍壓、排水條件等因素，通過試驗可以獲得抗壓強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等，對改良效果評價最全面，在工程中應(yīng)用最廣。對承載性能要求較高的基礎(chǔ)工程如鐵路、公路和飛機場跑道等路基工程，一般選用粗粒土作為填料，但目前化學(xué)改良土靜力性質(zhì)研究主要是針對改良粉土、改良黏性土等細粒土，而針對粗粒土的研究成果很少，這是因為粗粒土力學(xué)性質(zhì)研究一般需要利用大型三軸試驗開展，而無論是試驗設(shè)備還是試驗過程，大型三軸試驗都要比無側(cè)限抗壓強度試驗、直剪試驗和小型三軸試驗復(fù)雜。泥質(zhì)板巖土遇水浸泡易軟化、崩解，水穩(wěn)性差，為使泥質(zhì)板巖土能夠滿足基礎(chǔ)填筑要求，需要對泥質(zhì)板巖土進行水泥改良或者石灰改良[4]?？紤]到粗粒土的應(yīng)用較廣并可為泥質(zhì)板巖改良粗粒土的本構(gòu)關(guān)系研究和改良效果評價等提供參考，本文作者以水泥改良前后的泥質(zhì)板巖粗粒土為研究對象，利用大型三軸儀開展靜力性質(zhì)試驗，得到土的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系、強度和彈性模量等，并比較水泥改良土和未改良土的力學(xué)性質(zhì)。

1 水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土三軸壓縮試驗方案

1.1 未改良土樣

試驗所用的未改良土樣取自湖南省岳陽市區(qū)。土樣為褐黃色泥質(zhì)板巖粗粒土。土中主要含白云母、石英、綠泥石和高嶺石等礦物成分，其中黏土礦物主要為綠泥石和高齡石。土樣天然含水率為5%～20%，密度為1.04～1.71 g/cm3。土樣顆粒粒度小于60 mm，土中礫粒組質(zhì)量分數(shù)為 58.8%，砂粒組質(zhì)量分數(shù)為33.6%，細粒土質(zhì)量分數(shù)為8%，土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為133.6和 0.28，級配曲線見圖1。根據(jù)GB/T 50145—2007“土的工程分類標準”，未改良土樣為含細粒土礫。

圖1 泥質(zhì)板巖粗粒土(未改良)的級配曲線Fig.1 Gradation curve of argillaceous slate coarse-grained soil (unimproved)

1.2 試驗設(shè)計

1) 試驗設(shè)備為中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室的TAJ-2000大型靜動三軸儀。

2) 利用普通硅酸鹽水泥P.O32.5對土進行化學(xué)改良?，F(xiàn)有研究表明[1-4,14-15]，當改良土中水泥質(zhì)量分數(shù)不小于 4%時，土的改良效果能滿足設(shè)計要求。根據(jù)文獻[14-15]的研究成果，本文試驗在土中摻入質(zhì)量分數(shù)為5%的水泥，以15%的含水率和1.9 g/cm3的干密度制作改良土試樣。試樣為圓柱體，直徑為300 mm，高度為 600 mm。對試樣進行標準養(yǎng)護，當養(yǎng)護齡期達到28 d 時進行試驗。

3) 為考慮圍壓對土力學(xué)性質(zhì)的影響，設(shè)計4種圍壓S，即100，150，400和800 kPa。為了評價改良土效果，以改良土和未改良土為試樣。試驗步驟為：首先，在設(shè)計的圍壓作用下對試樣進行等向固結(jié)；然后，利用位移控制模式在試樣軸向施加荷載，加載速率為1 mm/mim，在加載過程中排水。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2 改良土的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Curves of relationship between axial stress and axial strain for improved soil

圖3S=100 kPa時，改良土和未改良土的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線對比Fig.3 Comparisons of axial stress-strain curve between improved soil and unimproved soil whenS=100 kPa

在不同圍壓S作用下，改良土軸向應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1之間的關(guān)系曲線見圖2。當圍壓為100 kPa時，改良土和未改良土的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系對比見圖3。圖2和圖3中，σ1為軸向應(yīng)力和最大主應(yīng)力；σ3=S，為圍壓和最小主應(yīng)力。從圖2和圖3可看出：改良土和未改良土的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系變化趨勢基本相同；當應(yīng)力較小時，土的應(yīng)力-應(yīng)變近似為直線；隨著應(yīng)力增加，應(yīng)力-應(yīng)變逐漸偏離直線，呈非線性增加；在應(yīng)力到達峰值點后，隨著軸向應(yīng)變ε1不斷增加，土的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)下降趨勢；當曲線下降到一定程度后，軸向應(yīng)力差逐漸趨于穩(wěn)定。這表明在三軸壓縮試驗條件下，改良土和未改良土在應(yīng)力達到峰值后均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化性質(zhì)；在應(yīng)力峰值點后，試樣具有一定的殘余強度，這與密實砂土、類巖石材料等的力學(xué)性質(zhì)一樣。對于改良土，在外力加載作用下，土中水泥–土骨架逐漸被壓密。當加載初始時，由于水泥-土骨架具有較大的剛度，使得改良土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線性遞增關(guān)系；隨著外力繼續(xù)增加，骨架中出現(xiàn)不斷累積的微裂紋，使得土中逐漸釋放應(yīng)變能，從而降低應(yīng)力的增長率，土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也由線性遞增向非線性遞增轉(zhuǎn)變；應(yīng)力峰值后，釋放的應(yīng)變能不斷增加，同時，應(yīng)變也持續(xù)增加，這迫使應(yīng)力不斷下降，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化；隨著土中水泥-土骨架結(jié)構(gòu)持續(xù)被破壞，土中顆粒開始不斷產(chǎn)生滑移、翻轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，使得土內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列，在一定程度上恢復(fù)抵抗外力的能力，表現(xiàn)為應(yīng)力峰值后土中應(yīng)力下降至一定程度后變化不大，即應(yīng)力峰值后土具有殘余強度。

從圖2還可以看出：圍壓不同，曲線的下降程度不同，這表明圍壓對應(yīng)變軟化程度有影響。為考慮圍壓對應(yīng)力峰值后應(yīng)變軟化性質(zhì)的影響。定義應(yīng)變軟化系數(shù)如下：

其中：

α為應(yīng)變軟化系數(shù)；Y為抗壓強度； m ax(σ1-σ3)表示對軸向應(yīng)力差 (σ1-σ3)取最大值；Y′為殘余強度；(σ1-σ3)ε1=5%為軸向應(yīng)變達到 5%時對應(yīng)的軸向應(yīng)力差，由于本文試驗的軸向最大正應(yīng)變?yōu)?5%，因此，近似取Y′=(σ1-σ3)ε1=5%。α越大，應(yīng)力峰值點后應(yīng)力下跌程度越大。當α→0，Y→Y′即抗壓強度等于殘余強度時，土力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，沒有出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。因此，α在一定程度上反映了應(yīng)變軟化程度。

α與S之間的關(guān)系見圖4。從圖4可看出：對于改良土，隨著S從100 kPa增加到800 kPa，α由0.50下降到0.21。這表明隨著圍壓增加，改良土的應(yīng)變軟化程度減弱。這是因為圍壓加大了改良土中水泥–土骨架抵抗變形與破壞的能力，減小了加載過程中釋放的應(yīng)變能，從而減弱了改良土的應(yīng)變軟化性。

圖4 應(yīng)變軟化系數(shù)與圍壓之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between softening coefficient and confining pressure

從圖4還可以看出：在相同圍壓作用下，改良土的應(yīng)變軟化系數(shù)均顯著比未改良土的大，如當圍壓S為100，150，400，800 kPa時，改良土的應(yīng)變軟化系數(shù)分別為0.50，0.40，0.31和 0.21，而未改良土的應(yīng)變軟化系數(shù)分別為0.30，0.22，0.18和0.10，這表明改良土的應(yīng)變軟化性比未改良土的應(yīng)變軟化性顯著。改良土內(nèi)部結(jié)構(gòu)比未改良土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)致改良土在應(yīng)力峰值前儲存的應(yīng)變能比未改良土的多。與未改良土的骨架相比，改良土內(nèi)部的水泥-土骨架具有較強的彈脆性，這使得改良土在應(yīng)力峰值后釋放應(yīng)變能的速率比未改良土的大，表現(xiàn)為改良土的應(yīng)力下降程度比未改良土的大。

2.2 體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系

不同圍壓S作用下的改良土軸向體積應(yīng)變εv與軸向應(yīng)變ε1之間的關(guān)系曲線見圖5。當圍壓S為100 kPa時，改良土和未改良土的εv-ε1關(guān)系見圖6。假定壓縮為正，拉伸為負，從圖5和圖6可看出：無論是改良土還是未改良土，當ε1較小時，隨著ε1增加，εv逐漸增加，即當軸向變形較小時，試樣體積變形表現(xiàn)為壓縮；當體積壓縮應(yīng)變εv達到最大值后，隨著軸向應(yīng)變ε1繼續(xù)增加，試樣的體積應(yīng)變εv開始減小，出現(xiàn)剪脹或者體積膨脹的現(xiàn)象；當軸向應(yīng)變ε1相同時，圍壓S越小，試樣的體積膨脹越明顯。

圖5 改良土的體積應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的關(guān)系Fig.5 Relationship between volumetric strain and axial strain for improved soil

圖6S=100 kPa時，改良土和未改良土的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線對比Fig.6 Comparison of volumetric strain-axial strain curve between improved soil and unimproved soil whenS=100 kPa

從表1和表2可看出：無論是改良土還是未改良土，最大體積壓縮應(yīng)變、與最大體積壓縮應(yīng)變對應(yīng)的軸向正應(yīng)變均隨圍壓S的增大而增大；殘余體積應(yīng)變′為負值，表明殘余應(yīng)力作用下試樣處于體積膨脹狀態(tài)；殘余體積應(yīng)變隨圍壓S的增加而減小，即殘余體積膨脹量(殘余膨脹體積應(yīng)變的數(shù)值)隨圍壓S的增大而增大。如據(jù)表1，對于改良土，當圍壓S從100增加到800 kPa時，從0.000 40增加至0.013 90，從0.002 16增至0.005 85，′從-0.007 81增至-0.001 09(殘余體積膨脹量從 0.007 81減少至0.001 09)，這表明隨著圍壓增加，土樣體積壓縮變形增加，而體積膨脹變形減少。這與密實砂土的力學(xué)性質(zhì)相同。

表1 改良土的剪脹特征參數(shù)Table 1 Dilatancy parameters of improved soil

表2 未改良土的剪脹特征參數(shù)Table 2 Dilatancy parameters of unimproved soil

從表1和表2還可看出：當圍壓相同時，改良土的最大壓縮體積應(yīng)變以及與最大體積壓縮應(yīng)變對應(yīng)的軸向應(yīng)變均比未改良土的小，而殘余體積膨脹量比未改良土的大。如當圍壓S=150 kPa 時，對于改良土和未改良土，最大壓縮體積應(yīng)變分別為 0.006 20和0.003 82，與最大體積壓縮應(yīng)變對應(yīng)的軸向正應(yīng)變分別0.002 52和0.026 82，殘余體積膨脹量分為0.006 30和0.003 06。這表明改良土的可壓縮性比未改良土的小，但剪脹性比未改良土的顯著。

2.3 抗壓強度參數(shù)、破壞應(yīng)變和彈性模量

2.3.1 抗壓強度參數(shù)

抗壓強度Y與圍壓S之間的關(guān)系見圖7。從圖7可看出：無論是改良土還是未改良土，抗壓強度均隨圍壓近似呈線性增長關(guān)系。因此，可以根據(jù)摩爾-庫侖破壞準則擬合抗壓強度和圍壓之間的關(guān)系。摩爾-庫侖破壞準則的表達式如下：

式中：φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力。

圖7 抗壓強度與圍壓之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between compressive strength and confining pressure

表3 內(nèi)摩擦角φ和黏聚力cTable 3 Internal fraction angle and cohesion

內(nèi)摩擦角和黏聚力見表3。從表3可看出：未改良土的黏聚力為37.4 kPa，內(nèi)摩擦角為32.4o；改良土的黏聚力為309.1 kPa，與未改良土的黏聚力相比增大約7倍；改良土的內(nèi)摩擦角為34.3o，比未改良土增大約 6%。從圖7可看出：在相同圍壓下，改良土的抗壓強度均比未改良土的大，兩者至少相差約0.83 MPa，因此，水泥改良后，雖然土的內(nèi)摩擦角變化不大，但土的黏聚力顯著提高，從而顯著地提高了土的抗壓強度，這與陳樂求等[2]得到的結(jié)論一致。水泥改良土中的水泥-土骨架由水泥膠結(jié)網(wǎng)絡(luò)形成，水泥膠物的黏聚力遠大于未改良土中由顆粒相互咬合形成的黏聚力，從而使改良土的黏聚力遠比未改良土的大。據(jù)式(4)，土的抗壓強度Y由黏聚力和內(nèi)摩擦角確定，因此，水泥改良實際上是通過增加土的黏聚力來提高土的抗壓強度。

2.3.2 破壞應(yīng)變

軸向破壞應(yīng)變εf(與峰值點對應(yīng))和圍壓S之間的關(guān)系見圖8。從圖8可看出：隨著圍壓增加，改良土和未改良土的軸向破壞應(yīng)變均增大；在相同圍壓下，相對未改良土，改良土的軸向破壞應(yīng)變顯著減小，即水泥改良后，泥質(zhì)板巖粗粒土破壞時的變形變小。究其原因在于：水泥改良后，改良土中原有的土骨架被水泥-土骨架取代，水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土的力學(xué)性質(zhì)由水泥-土骨架確定，而水泥骨架通常水泥骨架具有顯著的彈脆性，且水泥骨架破壞時的變形比普通土的變形小。

圖8 軸向破壞應(yīng)變與圍壓之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between axial failure strain and confining pressure

2.3.3 彈性模量

從圖2可以看出：當軸向應(yīng)變ε1較小時，軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似為線性。例如，對于圍壓S=100 kPa的曲線，當軸向應(yīng)變滿足0≤ε1≤2.7×10-4，軸向應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線近似為直線，此時，線彈性變形的極限應(yīng)變近似為2.7×10-4。

定義軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線線性段的斜率為彈性模量，記為E。線彈性極限應(yīng)變記為。彈性模量與圍壓、線彈性極限應(yīng)變與圍壓之間的關(guān)系分別見圖9和圖10。

圖9 彈性模量與圍壓之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between elastic modulus and confining pressure

圖10 線彈性極限應(yīng)變與圍壓之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between linear elastic ultimate strain and confining pressure

從圖9和圖10可看出：無論是改良土，還是未改良土，隨著圍壓增加，土的彈性模量和線彈性變形范圍均增加。例如，對于改良土，當S從100 kPa增加到800 kPa，E從1.10 GPa增加到1.85 GPa，則從2.7×10-4增大到6.0×10-4。這是因為無論是改良土還是未改良土，土中都有孔隙存在，孔隙在圍壓作用下被壓縮，使得土體結(jié)構(gòu)趨于密實，從而增大了土的彈性模量和彈性變形范圍。

從圖9和圖10還可看出：在相同圍壓作用下，與未改良土相比，改良土的彈性模量和線彈性極限應(yīng)變均顯著增大，其中彈性模量增大約0.38 GPa，線彈性極限應(yīng)變至少增大4.5倍。這表明水泥改良后，泥質(zhì)板巖粗粒土的剛度顯著提高，線彈性變形范圍顯著增大。

3 結(jié)論

1) 水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土和未改良土均具有應(yīng)變軟化性，但改良土的應(yīng)變軟化性比未改良土的顯著。無論是改良土還是未改良土，當應(yīng)力達到峰值后，軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中應(yīng)力出現(xiàn)明顯下降，土具有殘余強度。在相同圍壓作用下，改良土的應(yīng)變軟化程度比未改良土的大。

2) 無論是改良土還是未改良土， 在加載過程中，土樣體積都經(jīng)歷了先壓縮后膨脹的過程。在相同圍壓作用下，改良土的最大體積壓縮變形比未改良土的小，而殘余體積膨脹變形比未改良土的大，因此，水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土和未改良土均具有剪脹性，但改良土的剪脹性比未改良土的顯著。

3) 水泥改良效果良好，提高了土的力學(xué)性能。與未改良土相比，改良土的強度和剛度均顯著提高，應(yīng)力峰值點對應(yīng)的應(yīng)變顯著減小。水泥改良前后，泥質(zhì)板巖粗粒土的內(nèi)摩擦角變化不大，但改良后泥質(zhì)板巖粗粒土的黏聚力、彈性模量顯著提高，線彈性變形范圍顯著增大。