固化輕質(zhì)土在干濕循環(huán)及大變形條件下力學(xué)特性研究

楊愛(ài)武，姜 帥，封安坤，陳立杰，趙夢(mèng)生

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300384；3.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

固化輕質(zhì)土[1]是一種在土體中加入固化材料、發(fā)泡材料制備出的新型土工材料，由于其具有輕質(zhì)且強(qiáng)度高等特點(diǎn)，故將其應(yīng)用到路基填料工程當(dāng)中能有效地解決道路不均勻沉降引起的路基失穩(wěn)破壞、橋頭跳車以及差異沉降等問(wèn)題[2-4]。在實(shí)際工程中，路基不僅要承受本身的自重、上部覆蓋的荷載以及外部加載下的變形，還要在季節(jié)更替、地震及滑坡等自然因素作用下滿足力學(xué)特性的要求，因此，探究在各種環(huán)境因素影響下固化輕質(zhì)土的結(jié)構(gòu)性、穩(wěn)定性以及耐久性是否滿足工程需求是我們考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土體在干濕循環(huán)及大變形條件下力學(xué)特性的研究取得了一定的成果。如劉文化等[5]對(duì)干濕循環(huán)后的土體進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)對(duì)土體的影響與其本身的初始干密度有密切的關(guān)系；Guan等[6]進(jìn)一步證明了在干濕循環(huán)作用后,土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化；梁諫杰等[7]、張祖蓮等[8]研究了在干濕循環(huán)作用影響下庫(kù)岸紅土的抗剪強(qiáng)度與其微結(jié)構(gòu)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，并進(jìn)一步揭示了干濕循環(huán)作用與加砂紅土物理力學(xué)特性變化之間的關(guān)系；張芳枝等[9]對(duì)非飽和土在干濕循環(huán)作用下的變形和強(qiáng)度的影響效應(yīng)進(jìn)行了研究；慕煥東等[10]研究得出強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，但強(qiáng)度衰減的幅度也隨之逐漸減?。怀碳衙鞯萚11]發(fā)現(xiàn)固化后的黃土的抗剪強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低；王順等[12]研究了不同環(huán)剪方式對(duì)殘余應(yīng)力的影響；TIWARI[13]、吳迪等[14]研究了在較大剪切位移下土體抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。

然而，對(duì)于固化輕質(zhì)土的研究主要集中在常規(guī)狀態(tài)下的力學(xué)特性[15-19]，對(duì)干濕循環(huán)條件下力學(xué)特性的變化規(guī)律涉及相對(duì)較少，另外國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于固化輕質(zhì)土在滑坡作用等大變形條件下力學(xué)特性變化規(guī)律的研究報(bào)道也較為少見(jiàn)，無(wú)法提供相應(yīng)的理論依據(jù)?；诖?，本文擬制備不同密度的固化輕質(zhì)土，研究干濕循環(huán)條件下土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律及其作用機(jī)理，同時(shí)對(duì)大變形條件下土體殘余強(qiáng)度進(jìn)行了研究，以期能更好地了解固化輕質(zhì)土的特性，從而為相關(guān)工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備及其基本性質(zhì)

本次試驗(yàn)采用天津?yàn)I海新區(qū)吹填軟土為原料土，固化材料為自行研制的固體粉末狀固化劑(已申請(qǐng)專利，專利號(hào)：IB167149)，固化輕質(zhì)土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)制備過(guò)程為：首先將土體置于烘箱內(nèi)24 h，使其徹底干燥。為了提高試樣的均勻性，將烘干的土粉碎過(guò)1 mm篩，然后按照試驗(yàn)先期設(shè)定的配比將原料土、生石灰、發(fā)泡材料、固化材料混合，攪拌均勻，待固體顆粒材料混合均勻后加入稱量好的水再次攪拌均勻，隨后將泥漿狀的土樣倒入模具中(模具在裝入土樣前在內(nèi)壁涂凡士林，以利于后期土樣達(dá)到養(yǎng)護(hù)期齡后脫模方便)，為了保證試樣的均勻密實(shí)性，在倒入模具過(guò)程中應(yīng)盡量避免黏附在模具內(nèi)壁上，最后將模具頂部用打孔的有機(jī)玻璃板密封(板內(nèi)側(cè)為透氣不透水薄膜，防止土樣水分從孔洞流失，造成試驗(yàn)誤差)。待土樣制備完成后置入養(yǎng)護(hù)箱，等達(dá)到預(yù)定養(yǎng)護(hù)期齡后脫模進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，定義自然發(fā)泡的固化輕質(zhì)土樣的密度為1.0ρ，本次試驗(yàn)通過(guò)壓縮體積的方法控制發(fā)泡量，以制備出1.1ρ和1.2ρ的試樣，其基本物性指標(biāo)如表1所示。

表1 固化輕質(zhì)土基本物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

1.2.1預(yù)試驗(yàn)

進(jìn)行正式試驗(yàn)前，需通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定合理的干濕循環(huán)次數(shù)。預(yù)試驗(yàn)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d、密度為1.0ρ的固化輕質(zhì)土進(jìn)行0～15次干濕循環(huán)試驗(yàn)，并在每次干濕循環(huán)后均對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示，通過(guò)分析干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律給定干濕循環(huán)次數(shù)的大致范圍。干濕循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程為：先對(duì)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)取出的試樣進(jìn)行稱重測(cè)量，然后將其放入溫控養(yǎng)護(hù)箱(50±2 ℃)使其含水率達(dá)到25%，測(cè)量其重量后密封靜置12 h，即完成脫濕過(guò)程；再將其放入真空飽和罐中進(jìn)行吸濕控制，使其含水率達(dá)到95%以上，取出測(cè)其重量并密封靜置12 h，即完成吸濕過(guò)程。一個(gè)干濕循環(huán)周期過(guò)程如圖2所示，在試驗(yàn)過(guò)程中均采用土壤水分濕度測(cè)試儀測(cè)試試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的濕度變化。

圖1 不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖2 干濕循環(huán)過(guò)程示意圖

由圖1可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到7次左右后，強(qiáng)度衰減趨勢(shì)變緩，趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖1結(jié)果選擇循環(huán)次數(shù)為1，3，5，7，10，15次進(jìn)行正式循環(huán)試驗(yàn)。

1.2.2試驗(yàn)方案

具體試驗(yàn)方案與預(yù)試驗(yàn)的步驟相同，只是在正式試驗(yàn)中，試樣取1.0ρ，1.1ρ，1.2ρ三種不同密度的固化輕質(zhì)土，其養(yǎng)護(hù)齡期分別取7 d，14 d，28 d，60 d，干濕循環(huán)的次數(shù)參照預(yù)試驗(yàn)結(jié)果選定為1，3，5，7，10，15次，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 固化輕質(zhì)土干濕循環(huán)試驗(yàn)方案

1.3 環(huán)剪試驗(yàn)

試樣為外徑150 mm、內(nèi)徑100 mm、高30 mm的環(huán)形試樣，密度為1.0ρ，1.1ρ和1.2ρ。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，用SRS-150環(huán)剪儀對(duì)固化輕質(zhì)土分別進(jìn)行單級(jí)剪切、預(yù)剪切及多級(jí)剪切三種不同形式的環(huán)剪試驗(yàn)，研究其峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及變形發(fā)展規(guī)律。

(1)單級(jí)剪切試驗(yàn)是直接在法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切，法向應(yīng)力選取50，100，200，400 kPa，剪切速率為0.02 mm/min，剪切應(yīng)力-位移曲線基本穩(wěn)定后停止試驗(yàn)。

(2)預(yù)剪試驗(yàn)是先進(jìn)行快剪，剪切速率為0.1 mm/min，若內(nèi)部形成剪切面，則轉(zhuǎn)為慢剪，剪切速率為0.02 mm/min，待殘余強(qiáng)度趨于穩(wěn)定后停止試驗(yàn)。

(3)多級(jí)剪切試驗(yàn)是指土樣在剪切過(guò)程中，先對(duì)試樣進(jìn)行法向有效應(yīng)力為50 kPa的單級(jí)剪切試驗(yàn)，待剪切應(yīng)力-位移曲線基本穩(wěn)定后，在此土樣上繼續(xù)進(jìn)行100，200，400 kPa應(yīng)力等級(jí)條件下的單級(jí)剪切試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)每種情況取3組平行樣進(jìn)行試驗(yàn)，3組試樣的平均值作為試驗(yàn)的最終結(jié)果。具體的試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 固化輕質(zhì)土環(huán)剪試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)作用下固化輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及其機(jī)理

干濕循環(huán)作用下固化輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，總體上來(lái)說(shuō)，固化輕質(zhì)土在干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度有所下降，但不同養(yǎng)護(hù)齡期及密度下強(qiáng)度下降的速度以及強(qiáng)度保持穩(wěn)定的時(shí)間不同，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化輕質(zhì)土的強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。這是由于在干濕循環(huán)的作用下，土體內(nèi)部易破壞的結(jié)構(gòu)會(huì)迅速破壞，導(dǎo)致土體的強(qiáng)度急速下降。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定時(shí)，土體內(nèi)易壞結(jié)構(gòu)已完全失效，此時(shí)強(qiáng)度完全由土體內(nèi)部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)提供，而干濕循環(huán)作用對(duì)其影響較小，使得土體強(qiáng)度趨于穩(wěn)定值。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期固化輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

在同一密度條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化輕質(zhì)土強(qiáng)度的衰減程度逐漸減小且趨于穩(wěn)定的時(shí)間變短。這是由于當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較短(7 d)時(shí)，土體結(jié)構(gòu)還不穩(wěn)定，本身含有的固化劑成分效果還未完全發(fā)揮，發(fā)泡作用形成的新的顆粒群及新結(jié)構(gòu)還不穩(wěn)定，易受到外界因素的影響而破壞。而土樣的養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)(28 d)時(shí)，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而越發(fā)穩(wěn)定，抵抗干濕循環(huán)影響的能力就越強(qiáng)，土體在干濕循環(huán)作用下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低的幅值減小，并且強(qiáng)度會(huì)更快地趨于穩(wěn)定值。

對(duì)于不同的密度條件，當(dāng)固化輕質(zhì)土的養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，土體的密度越大，土體的衰減程度就越小。這是因?yàn)樵嚇拥拿芏仍酱?，土體內(nèi)部的固體顆粒越多，顆粒間相互作用力越大，結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，抵抗干濕循環(huán)作用的能力就越強(qiáng)，衰減的幅度就越小。

由上述分析可得，土體強(qiáng)度與土結(jié)構(gòu)性存在密切的聯(lián)系，齊吉琳等[20]曾指出土的結(jié)構(gòu)性是指土中顆?；蛲令w粒集合體以及它們之間孔隙的大小、形狀、排列組合及聯(lián)結(jié)等綜合特征，土的結(jié)構(gòu)性除了包括顆粒之間的聯(lián)結(jié)特征，還應(yīng)包括土的骨架和孔隙的幾何特征(即土顆粒和孔隙的數(shù)量、大小、形狀和分布等)。為了更好地研究固化輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，本文開(kāi)展了不同密度的固化輕質(zhì)土孔隙率隨養(yǎng)護(hù)齡期及干濕循環(huán)次數(shù)變化的研究，具體成果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體孔隙率呈現(xiàn)出先迅速增大后趨于平緩的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)過(guò)程中，土體脫水后會(huì)產(chǎn)生微裂縫，而在隨后的吸水過(guò)程中由于結(jié)合水溶劑膜的鍥入使得原結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，土體內(nèi)部的孔隙變大，甚至出現(xiàn)內(nèi)部孔隙貫通現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在干濕循環(huán)進(jìn)行的初級(jí)階段(第1，3次)最為明顯。而在干濕循環(huán)5次以后，土體內(nèi)孔隙基本貫通，結(jié)構(gòu)性變化不大，因此孔隙增大速率趨于變緩。

不同養(yǎng)護(hù)齡期的固化輕質(zhì)土孔隙變化也略有不同。養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的土樣，由于養(yǎng)護(hù)齡期較短，顆粒之間較松散，內(nèi)部結(jié)構(gòu)還不穩(wěn)定，孔隙變化較大，變化率為15%～20%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，固化效果增強(qiáng)，顆粒間的結(jié)構(gòu)性隨之增長(zhǎng)，抵抗干濕循環(huán)影響的能力逐漸增強(qiáng)，隨之孔隙增大的速率減小，變化率為10%左右。對(duì)于同種養(yǎng)護(hù)齡期的土樣，密度越大，孔隙率變化越小。這是因?yàn)槊芏却蟮耐翗釉陴B(yǎng)護(hù)完成時(shí)，孔隙率就相對(duì)較小，顆粒間接觸緊密，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，具有較好的抵抗干濕循環(huán)破壞作用的能力。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)齡期固化輕質(zhì)土孔隙率與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

綜上所述，干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙率增大也是導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低的原因，并且土樣的養(yǎng)護(hù)齡期越短、密度越小，其結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，強(qiáng)度受干濕循環(huán)影響越明顯。

2.2 不同剪切方式下殘余抗剪強(qiáng)度特性

大變形環(huán)剪試驗(yàn)中，在單級(jí)剪切、預(yù)剪切和多級(jí)剪切方式下不同密度固化輕質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

由圖5可知，在剪切試驗(yàn)初期，剪切應(yīng)力迅速增加并很快達(dá)到峰值，但隨剪切位移的繼續(xù)增加，剪切應(yīng)力出現(xiàn)明顯的衰減趨勢(shì)，而后趨于平緩。在單級(jí)剪切試驗(yàn)中，此時(shí)的強(qiáng)度即為殘余抗剪強(qiáng)度。但在預(yù)剪切試驗(yàn)中，土體的殘余抗剪強(qiáng)度還與剪切速率有關(guān)。在預(yù)剪初期階段，剪切速率相對(duì)較快，剪切面形成明顯的剪脹現(xiàn)象，導(dǎo)致土樣顆粒上的有效應(yīng)力增大，因此使得土體的殘余抗剪強(qiáng)度大于單剪試驗(yàn)下的殘余抗剪強(qiáng)度。對(duì)于多級(jí)剪切試驗(yàn)而言，盡管在改變法向應(yīng)力階段，土體的抗剪強(qiáng)度會(huì)降低(這是由于在完成上一級(jí)(50 kPa)試驗(yàn)后，剪切位移不發(fā)生變化，土體內(nèi)部顆粒之間的摩擦?xí)p少，使其抗剪強(qiáng)度降低)，但當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)入下一階段(100 kPa)，土顆粒之間的摩擦作用會(huì)隨剪切位移的增大而有較大的提高，剪應(yīng)力會(huì)迅速增大到殘余強(qiáng)度。另外，土體在低有效應(yīng)力作用下發(fā)生沉降，使其密度增大，這也增大了土體的抗剪強(qiáng)度。因此，多級(jí)剪的殘余抗剪強(qiáng)度略大于單剪和預(yù)剪的殘余抗剪強(qiáng)度。

圖5 不同密度固化輕質(zhì)土不同剪切試驗(yàn)下的τ-s曲線

不同密度固化輕質(zhì)土的殘余強(qiáng)度隨著密度的增大而增大。這是因?yàn)槊芏仍酱?，相同體積內(nèi)固化輕質(zhì)土顆粒群組越多，顆粒之間的摩擦力與黏聚力也就越大，并且隨著密度增大，土體達(dá)到殘余強(qiáng)度值所需要的剪切位移減小，殘余剪切強(qiáng)度值與剪切應(yīng)力峰值之間的差距也會(huì)隨之減小。

對(duì)于同種密度固化輕質(zhì)土，法向有效應(yīng)力的逐級(jí)增大使得土體的軸向應(yīng)力變大，增大了土體的密實(shí)度，因此，土體達(dá)到殘余強(qiáng)度值的剪切位移就會(huì)越小，且殘余強(qiáng)度值越接近初期峰值剪應(yīng)力。

根據(jù)剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，固化輕質(zhì)土殘余抗剪強(qiáng)度的大小與剪切方式有密切的關(guān)系。本文根據(jù)抗剪強(qiáng)度公式(1)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得不同剪切方式下固化輕質(zhì)土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ(表4)。

τf=c+σtgφ

(1)

式中：τf——土的抗剪強(qiáng)度；

σ——破壞面上的法向應(yīng)力；

c，φ——土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

表4 不同密度固化輕質(zhì)土在不同剪切方式下殘余強(qiáng)度c，φ

由表4可知，同種密度的土樣在單剪、預(yù)剪及多剪三種不同方式的剪切試驗(yàn)中，黏聚力依次減小，而內(nèi)摩擦角依次增大，這是由于土樣受到擾動(dòng)次數(shù)增加，使剪切變形增大，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞更為嚴(yán)重，顆粒間出現(xiàn)錯(cuò)位、移動(dòng)，導(dǎo)致黏聚力下降。同時(shí)，顆粒間的移動(dòng)使得顆粒群變小、分散，相同體積內(nèi)的顆粒數(shù)目增多，內(nèi)摩擦角變大。相同作用條件下，單級(jí)剪切作用土樣的黏聚力值最大，預(yù)剪試驗(yàn)次之，單級(jí)剪切最小，而內(nèi)摩擦角的變化則呈相反趨勢(shì)。密度越大的固化輕質(zhì)土，黏聚力減小以及內(nèi)摩擦角增大的趨勢(shì)都變緩，這是因?yàn)椋馏w本身內(nèi)部顆粒群組的數(shù)量隨著密度的增大而增多，顆粒之間的固化效果和黏聚力也隨著密度的增大而更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1)在干濕循環(huán)試驗(yàn)中，固化輕質(zhì)土的強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先降低后趨于穩(wěn)定。養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，強(qiáng)度越高，土體強(qiáng)度衰減的趨勢(shì)越緩；同齡期的情況下，密度大的土樣穩(wěn)定性能較好，抵抗干濕循環(huán)的能力較強(qiáng)。

(2)干濕循環(huán)作用對(duì)孔隙率的影響與強(qiáng)度相反，養(yǎng)護(hù)齡期越短，土體抵抗破壞能力越差，孔隙率增大越明顯，土體趨于穩(wěn)定所需要的時(shí)間越長(zhǎng)；而在相同養(yǎng)護(hù)齡期的情況下，固化輕質(zhì)土的密度越大，孔隙率的變化越小，土體的穩(wěn)定性越強(qiáng)。

(3)在環(huán)剪試驗(yàn)中，固化輕質(zhì)土的殘余抗剪強(qiáng)度與密度及有效法向應(yīng)力成正比，與位移成反比；通過(guò)對(duì)不同剪切方式下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析，當(dāng)優(yōu)先選擇單級(jí)剪切試驗(yàn)測(cè)試固化輕質(zhì)土的殘余強(qiáng)度。