二灰穩(wěn)定三峽庫(kù)區(qū)風(fēng)化砂三軸試驗(yàn)研究

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(1.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

風(fēng)化砂是地表巖石經(jīng)過長(zhǎng)期的物理、化學(xué)、生物等風(fēng)化作用而形成的一種大小不一、棱角分明、堆積松散的礦物顆粒。由于長(zhǎng)時(shí)間受到自然環(huán)境的侵蝕作用，它的物理力學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，在外力作用下極其容易破碎成更小的顆粒。風(fēng)化砂在自然界中分布廣泛，資源十分豐富，而且具有就地取材方便、成本及運(yùn)輸價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有良好的透水性、水穩(wěn)定性等工程特性，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中通常將其變廢為寶用作路基填料[1-2]或者將其與二灰、水泥等結(jié)合料拌合壓實(shí)處理后用作路面基層、底基層以及墊層等[3-7]。

無論將風(fēng)化砂用在路基中還是路面中，其抗剪強(qiáng)度都是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。較高的抗剪強(qiáng)度不但能夠保證路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而且能夠減少路面因抗剪強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的一些病害，如裂縫、沉陷等。目前抗剪強(qiáng)度主要通過直剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)得到，由于直剪試驗(yàn)在測(cè)量抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)存在一定的不合理性，如試樣的破壞面為一固定直面且隨剪切過程逐漸減小，而三軸試驗(yàn)?zāi)軌蚋雍侠淼啬M試件實(shí)際破壞過程，所以較直剪試驗(yàn)而言三軸試驗(yàn)往往能夠得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。李翠華等[8]通過對(duì)三峽隔流堤風(fēng)化砂進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究，得出了風(fēng)化砂的應(yīng)力-應(yīng)變特性。胡舜娥等[9]進(jìn)行了水泥固化濱海風(fēng)積沙三軸試驗(yàn)，分析了在高含水量狀態(tài)下有效圍壓、水泥劑量和齡期對(duì)風(fēng)積沙應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展規(guī)律的影響。二灰作為最常見的膠結(jié)劑用來穩(wěn)定粒料材料具有強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定、水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，然而針對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的三軸試驗(yàn)卻鮮有研究。本文以三峽庫(kù)區(qū)廢棄風(fēng)化砂為研究對(duì)象，用二灰將其穩(wěn)定后進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)以得到其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并將所得結(jié)果與直剪試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，為三峽庫(kù)區(qū)廢棄風(fēng)化砂的再生利用提供參考。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 風(fēng)化砂

試驗(yàn)所用風(fēng)化砂取自湖北省宜昌市三峽庫(kù)區(qū)百歲溪大橋附近一帶，為黑云母石英閃長(zhǎng)巖風(fēng)化而成，外觀呈現(xiàn)黃褐色，風(fēng)化砂大小不一、顆粒分明，天然含水率較低，用手觸摸感覺棱角突出，不粘手，且大顆粒容易被捏碎。風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)見表1。通過顆粒篩分等試驗(yàn)得到其級(jí)配曲線如圖1。

表1 風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of weathered sand

圖1 風(fēng)化砂級(jí)配曲線Fig.1 Gradation curve of weathered sand

2.1.2 石 灰

試驗(yàn)所用石灰為宜昌當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的生石灰經(jīng)過完全熟化后得到，烘干后為白色粉末狀，用手觸摸有滑膩感，其中有效CaO含量為83.6%>80%，MgO含量為4.7%<5%，屬于Ⅱ級(jí)鈣質(zhì)石灰。

2.1.3 粉煤灰

試驗(yàn)所用粉煤灰取自湖北省宜昌市某熱電廠排灰，顏色呈現(xiàn)灰褐色。該粉煤灰中SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3的總含量為76.3%，燒失量為7.4%，比表面積為2 654 cm2/g，液限為49.8%，塑限為8.2%，塑性指數(shù)為41.6，為F類二級(jí)灰。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用三軸儀為南京南土儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的TFB-1型非飽和土三軸儀，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集軟件、壓力室、控制主機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為直徑39.1 mm、高80 mm，最大軸向力為10 kN，最大圍壓為2 MPa，軸向加載時(shí)可進(jìn)行等應(yīng)力控制和等應(yīng)變控制，本試驗(yàn)加載采用等應(yīng)變控制。

3 試驗(yàn)方案及步驟

3.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/TF 20—2015)，當(dāng)采用石灰粉煤灰穩(wěn)定材料做基層或底基層時(shí)，石灰與粉煤灰的質(zhì)量比=1∶2～1∶4，石灰粉煤灰與被穩(wěn)定材料的質(zhì)量比=20∶80～15∶85。本試驗(yàn)在參考技術(shù)細(xì)則和實(shí)際工程的基礎(chǔ)上綜合確定采用的石灰和粉煤灰的質(zhì)量比分別為1∶2，1∶3，1∶4三種，石灰的比例分別為4%，5%，6%，石灰粉煤灰和風(fēng)化砂的質(zhì)量比為30∶70～12∶88，石灰、粉煤灰、風(fēng)化砂三者比例最終按照表2中所示的比例進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

3.2 試驗(yàn)步驟

取適量的風(fēng)化砂、石灰、粉煤灰烘干后備用，首先進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)以確定不同配比下試件的最佳含水率和最大干密度。通過擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同配比混合料的最大干密度和最佳含水率相差并不是很大，因此為了便于試驗(yàn)操作和減小干密度和含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，統(tǒng)一取最大干密度為1.90 g/cm3,最佳含水率取12%。

表2 石灰、粉煤灰和風(fēng)化砂的質(zhì)量配比Table 2 Mass proportions of lime, fly ash andweathered sand %

圖3 不同圍壓下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Stress-strain curves of weathered sand stabilized by lime-fly ash under different confining pressures

然后以最佳含水率和最大干密度為控制指標(biāo)制作試件，三軸試驗(yàn)所需試件為高80 mm、直徑39.1 mm的圓柱體。制作試件前將三瓣模表面涂一層凡士林，再將三瓣模拼裝固定好，將按表2配制好的混合料攪拌均勻后分5層加入其中并用擊實(shí)器擊實(shí)，擊實(shí)完成后抹平上下表面并貼上一層密封薄膜，靜置2 h后拆除三瓣模并盡量避免對(duì)試件造成初步損傷，將制作好的試件用塑料薄膜包裹后放在養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度(20±2)℃，濕度≥98%)下養(yǎng)護(hù)7 d。

最后將養(yǎng)護(hù)好的試件取出，套上橡膠模裝進(jìn)壓力室中，注入純凈水并將圍壓依次設(shè)定為25，50，100，150 kPa，施加軸向壓力進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。軸向加載速度為0.08 mm/min，試驗(yàn)過程中電腦程序自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出即可，整個(gè)試驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)過程Fig.2 Test process

4 三軸試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，繪制不同圍壓下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3中ε1表示軸向壓應(yīng)變，σ1-σ3表示偏應(yīng)力。從圖3中可以看出，不同二灰摻量及圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線走勢(shì)大致相同，均呈現(xiàn)出偏應(yīng)力隨著軸向壓應(yīng)變的增加而先增大后減小的趨勢(shì)，存在峰值應(yīng)力，即應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)明顯的3個(gè)階段：第1階段為應(yīng)變<0.01左右時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的速度較為緩慢，變形主要是在儀器和試件接觸壓密的過程中產(chǎn)生；第2個(gè)階段為0.01<應(yīng)變<0.02左右時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)呈線性關(guān)系，變形以彈性變形為主；第3個(gè)階段為應(yīng)變>0.02左右時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)呈非線性關(guān)系，試件進(jìn)入塑性屈服階段進(jìn)而發(fā)展破壞。各峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表3 峰值點(diǎn)軸向壓應(yīng)變Table 3 Peak axial strain

從表3中可以看出，不同試件對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)軸向壓應(yīng)變隨圍壓的增大整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，25，50，100，150 kPa圍壓對(duì)應(yīng)的平均壓應(yīng)變分別為0.019 7，0.023 4，0.026 8，0.030 0，每級(jí)圍壓下的平均壓應(yīng)變較前級(jí)圍壓下的平均壓應(yīng)變依次增大了18.8%，14.53%，11.94%。而同一圍壓下峰值點(diǎn)軸向壓應(yīng)變隨二灰比例的變化并未出現(xiàn)顯著增大或減少的情況。

表4 不同二灰摻量和圍壓下的偏應(yīng)力峰值Table 4 Peak values of deviatoric stress under varying dosage of lime-fly ash and confining pressure

4.2 二灰摻量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

由圖3可得到不同圍壓及二灰摻量下的偏應(yīng)力峰值即抗剪強(qiáng)度大小，如表4所示。

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，不同圍壓對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力峰值不同，同一試件圍壓越大所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力峰值也越大。這是因?yàn)閲鷫涸酱?，?duì)試件的徑向約束作用也越強(qiáng)，試件破壞時(shí)的抗變形能力越強(qiáng)，因此達(dá)到破壞時(shí)所要施加的軸向力也越大。

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，分別以二灰比和石灰劑量為橫坐標(biāo)，偏應(yīng)力峰值為縱坐標(biāo)，繪制不同圍壓下偏應(yīng)力峰值與二灰比、石灰劑量之間的關(guān)系曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 不同二灰比下的偏應(yīng)力峰值Fig.4 Peak values of deviatoric stress with different lime-fly ash ratios

圖5 不同石灰劑量下的偏應(yīng)力峰值Fig.5 Peak values of deviatoric stress with different lime dosages

從圖4可以看出，偏應(yīng)力峰值均隨著二灰比的增大而增大。當(dāng)石灰劑量為4%時(shí)，二灰比1∶3下偏應(yīng)力峰值比二灰比1∶2下增大了45.7%，二灰比1∶4下的偏應(yīng)力峰值比1∶3下增大了12.9%；同理，當(dāng)石灰劑量為5%時(shí)，依次增大了62.2%和14.0%；當(dāng)石灰劑量為6%時(shí)，依次增大了31.4%和22.1%；增長(zhǎng)的速率隨二灰比的增大而降低，這主要是由于粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3需要石灰激發(fā)，當(dāng)粉煤灰摻量過多而石灰劑量不足時(shí)無法充分參與化學(xué)反應(yīng)，因此導(dǎo)致強(qiáng)度增長(zhǎng)的速率降低。

從圖5可以看出，偏應(yīng)力峰值均隨著石灰劑量的增加而增大，且增長(zhǎng)的速率隨石灰劑量的增加而并未出現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)槭也坏軌蚺c粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，而且石灰自身能夠與空氣中CO2發(fā)生碳化反應(yīng)從而使強(qiáng)度繼續(xù)增大。

4.3 二灰摻量對(duì)c，φ值的影響

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)畫出不同圍壓下的莫爾圓，作莫爾圓的切線便可得出不同二灰摻量下試件的黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值,如表5所示。

表5 各試件的黏聚力和內(nèi)摩擦角Table 5 Cohesion and internal friction angle of testspecimens with different lime-flyash ratios

從表5可以看出，內(nèi)摩擦角在48.26°～55.55°的范圍內(nèi)變動(dòng)，最大值比最小值增大了約15%；而黏聚力在179.96～683.25 kPa范圍內(nèi)變動(dòng)，最大值比最小值增大了約2.80倍。由此可見，石灰劑量及二灰比的變動(dòng)對(duì)黏聚力的影響較對(duì)內(nèi)摩擦角的影響更為明顯。這主要是因?yàn)橛绊憙?nèi)摩擦角的因素主要有含水率、孔隙比、顆粒表面的粗糙程度、顆粒尺寸、級(jí)配等，而影響?zhàn)ぞ哿Φ闹饕蛩貫轭w粒之間的膠結(jié)程度。對(duì)于本試驗(yàn)而言所成型的試件為同一種材料而且控制相同的含水率與干密度，所以內(nèi)摩擦角的變化不大，而石灰粉煤灰比例及劑量的改變使得二者之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率及膠結(jié)產(chǎn)物發(fā)生變化，膠結(jié)產(chǎn)物越多黏聚力相應(yīng)越大。

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，分別以黏聚力和內(nèi)摩擦角為縱坐標(biāo)，石灰劑量為橫坐標(biāo)，繪制不同二灰比下黏聚力、內(nèi)摩擦角和石灰劑量之間的柱狀關(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 不同二灰比摻量下的黏聚力和內(nèi)摩擦角Fig.6 Cohesion and internal friction angle of test specimens with different lime-flyash ratios

從圖6(a)可以看出，當(dāng)石灰劑量恒定時(shí)黏聚力的大小隨二灰比的增加而增大；當(dāng)二灰比恒定時(shí)黏聚力的大小隨石灰劑量的增加也呈增大趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槎抑g發(fā)生火山灰反應(yīng)，參與反應(yīng)的物質(zhì)越多反應(yīng)后的膠結(jié)產(chǎn)物也相應(yīng)越多，所以黏聚力也會(huì)相應(yīng)增大。

從圖6(b)可以看出，當(dāng)石灰劑量一定時(shí)內(nèi)摩擦角的大小隨二灰比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在二灰比為1∶3時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)二灰比恒定時(shí)內(nèi)摩擦角的大小隨石灰劑量的增加總體呈增大趨勢(shì)，但增加量并不是很大。這主要是因?yàn)槭易鳛榧ぐl(fā)劑能夠有效激發(fā)粉煤灰中活性SiO2和Al2O3[10]，二者發(fā)生火山灰反應(yīng)，石灰劑量一定時(shí)，少量粉煤灰摻入時(shí)化學(xué)活性表現(xiàn)較好，隨著粉煤灰摻量增大其化學(xué)活性到達(dá)峰值后便會(huì)降低，過多的粉煤灰因無法與充足的石灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)反而會(huì)起潤(rùn)滑作用，從而使得內(nèi)摩擦角先增大后減小。

5 三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)均可以得到土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，但由于二者的試驗(yàn)原理、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法等均不相同，因此對(duì)同一種材料所得到的試驗(yàn)結(jié)果也不盡相同。通過對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂進(jìn)行快剪試驗(yàn)得到內(nèi)摩擦角和黏聚力，如表6所示，并將直剪試驗(yàn)得到的指標(biāo)和三軸試驗(yàn)相比較，如圖7所示。

表6 直剪試驗(yàn)得到的黏聚力和內(nèi)摩擦角

從圖7(a)可以看出三軸試驗(yàn)得出的黏聚力均大于對(duì)應(yīng)直剪試驗(yàn)得出的黏聚力，三軸試驗(yàn)得出的黏聚力平均是直剪試驗(yàn)得出的黏聚力大小的1.78倍。這主要是因?yàn)槿S試驗(yàn)的剪切面不固定為試件的薄弱部位，而直剪試驗(yàn)中的剪切面固定且有效剪切面積隨著剪切位移的增加而不斷減小[11]，減少的剪切面在一定程度上削弱了粒料間黏結(jié)作用，從而使得黏結(jié)力有所降低。

從圖7(b)可以看出三軸試驗(yàn)得出的內(nèi)摩擦角與對(duì)應(yīng)直剪試驗(yàn)得出的內(nèi)摩擦角之間相差不是很大，三軸試驗(yàn)得出的內(nèi)摩擦角平均值為51.06°，直剪試驗(yàn)得出的內(nèi)摩擦角平均值為51.66°，可見試驗(yàn)方式對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。

圖7 直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)比Fig.7 Comparison of cohesion and internal frictionangle between direct shear test and triaxial test

6 結(jié) 論

(1)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，且峰值點(diǎn)軸向壓應(yīng)變隨圍壓的增大整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

(2)偏應(yīng)力峰值均隨著二灰比例和石灰劑量的增加而增大，增長(zhǎng)的速率隨二灰比例的增大而降低。

(3)黏聚力隨二灰比和石灰劑量的增加而增大，而內(nèi)摩擦角隨二灰比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在二灰比為1∶3時(shí)達(dá)到最大值。

(4)三軸試驗(yàn)得出的黏聚力大于對(duì)應(yīng)直剪試驗(yàn)得出的黏聚力，約是其1.78倍，而二者得出的內(nèi)摩擦角相差不大，試驗(yàn)方式對(duì)黏聚力的影響較內(nèi)摩擦角顯著。