不同水泥摻灰率下膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)分析

蔣曉慶，李永彪 ， 林雁

(1．安徽廣播電視大學(xué)，合肥 230022；2.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601)

一、引言

改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度一直是巖土界的熱點(diǎn)研究對象。其主要集中表現(xiàn)為三大類：化學(xué)改良法、物理改良法、生物改良法?；瘜W(xué)改良法常用的材料有水泥[1-2]、石灰[3-4]、粉煤灰[5-6]或者兩兩組合[7]，目前還有一些新型材料，如建筑渣土[8]、煤矸石粉[9]、納米水泥[10]等；物理改良法常用的是在膨脹土中加一些加筋纖維材料，達(dá)到降低膨脹性的效果；生物改良法則是利用微生物改變膨脹土土顆粒的結(jié)構(gòu)，提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度?；瘜W(xué)改良法相對施工容易，價格便宜，本次試驗(yàn)選擇水泥作為改良材料，分析不同摻灰率、不同初始含水率下改良土的剪應(yīng)力—剪位移關(guān)系特征，研究膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化趨勢。

二、 試驗(yàn)方法

土樣取自合肥瑤海區(qū)某小區(qū)附近，土樣深度在3至5米，土樣呈黃褐色，夾有少量的鐵錳結(jié)核，呈硬塑狀態(tài)。對土樣進(jìn)行常規(guī)的物理力學(xué)試驗(yàn)，物理指標(biāo)見表1。

表1 膨脹土基本物理特性指標(biāo)

土樣在烘箱內(nèi)烘干，過0.5 mm細(xì)篩后，與水泥采用質(zhì)量比摻灰，摻灰率分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%、5.5%、6%。重塑土的初始含水率分別為16.5%、18.5%、19.5%、21.5%、23.5%，每組初始含水率在同一個摻灰率，需要四份土樣，13個摻灰率共計(jì)52份土樣，共計(jì)260份土樣。本次試驗(yàn)量較大，試驗(yàn)持續(xù)時間長，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次土樣的配置不宜過多。本次試樣的養(yǎng)護(hù)周期為7天，放在恒溫保濕箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)好的土樣取出，利用輕型擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)，土樣規(guī)格為一個標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)刀尺寸，即直徑為61.8 mm，高度為20 mm。采用全自動直剪儀進(jìn)行抗剪強(qiáng)度的測定，豎向應(yīng)力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。剪切速率為0.8 mm/min。

三、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖1顯示，隨著初始含水率的增加，剪應(yīng)力峰值先增大后變小，當(dāng)初始含水率為18.5%時，剪應(yīng)力峰值最大，曲線呈應(yīng)變軟化狀態(tài)。在初始含水率為21.5%和23.5%時，曲線呈應(yīng)變硬化狀態(tài)，且剪位移越來越大，土體的塑性變形越來越明顯。圖2顯示，隨著豎向應(yīng)力的增加，不同初始含水率的剪應(yīng)力峰值都在增加，曲線除16.5%含水率的呈應(yīng)變軟化狀態(tài)，其余四條曲線均呈應(yīng)變硬化狀態(tài)，剪位移較100 kPa作用下也發(fā)生了相應(yīng)的增加。以上現(xiàn)象說明適當(dāng)?shù)耐夂奢d作用和增加膨脹土的初始含水率可以有效地增加膨脹土的破壞時間，對于膨脹土邊坡失穩(wěn)有一定的理論參考意義。

圖1 100 kPa下不同初始含水率的剪應(yīng)力—剪位移關(guān)系曲線

圖2 400 kPa下不同初始含水率的剪應(yīng)力—剪位移關(guān)系曲線

圖3、圖4曲線顯示，摻灰后的剪應(yīng)力—剪位移曲線基本呈應(yīng)變硬化型，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，很快就達(dá)到穩(wěn)定強(qiáng)度，差值較小。初始含水率為16.5%時，隨著摻灰率的增加，剪切峰值在逐漸增加，且0.5%到2.5%之間增加幅度較小，3%時峰值突然增加，剪切位移集中在2～3 mm之間。不同的摻灰率下，相應(yīng)的剪切位移分別為：2.815 mm、2.987 mm，2.156 mm，2.008 mm，2.798 mm。圖4顯示，在初始含水率同為23.8%時，隨著摻灰率的增加，剪切峰值也在逐漸增加，其中0.5%到2%之間增加幅度不大，2.5%時峰值突然增加，不同摻灰率下的剪切位移集中在3～4 mm。不同的摻灰率下，相應(yīng)的剪切位移分別為：3.67 mm、3.523 mm，3.524 mm，3.207 mm，3.27 mm。綜上所述，在相同的豎向作用下，低摻灰率的土樣隨著初始含水率的增加，剪切位移會變大，但是不同摻灰率下剪切位移的變化規(guī)律并不明顯。

圖3 16.5%含水率，400 kPa下低摻灰率下剪應(yīng)力—剪位移曲線

圖4 23.5%含水率，400 kPa下低摻灰率下剪應(yīng)力—剪位移曲線

圖5試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)初始含水率保持不變，隨著水泥摻灰率的提高，黏聚力逐漸增大。在較低摻灰率作用下，黏聚力的增加幅度不大，一般不超過20 kPa；在較高摻灰率作用下，黏聚力的增加幅度顯著增加，最高可達(dá)44.5 kPa；當(dāng)摻灰率超過最佳摻灰率時，黏聚力的增加幅度又降低。因此，在同一初始含水率下，黏聚力隨著摻灰率的增加，呈現(xiàn)出緩慢增加快速增加又緩慢增加的趨勢。不同初始含水率的最佳摻灰率也不同，初始含水率越大，最佳摻灰率呈現(xiàn)出增加的趨勢。五組不同含水率所對應(yīng)的摻灰率分別為4.5%、4%、4.5%、5%、5.5%。

圖5 不同初始含水率下?lián)交衣逝c黏聚力的關(guān)系曲線

圖6試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)初始含水率保持不變，隨著水泥摻灰率的提高，內(nèi)摩擦角逐漸增大，增加幅度偏小。當(dāng)ω=23.8%時，內(nèi)摩擦角最大差值為15.33°。內(nèi)摩擦角隨著摻灰率的提高而增大，主要是因?yàn)樵谕缓氏?，膨脹土的?nèi)摩擦角主要和土顆粒的大小、形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)水泥顆粒與膨脹土的顆粒之間發(fā)生了一系列的離子交換、聚合反應(yīng)，直至形成晶體結(jié)構(gòu)，土顆粒經(jīng)歷了聚合變大，纖維狀、細(xì)棱柱狀、鏈條狀等晶體結(jié)構(gòu)的變化時，土顆粒之間的摩擦面逐漸變大，內(nèi)摩擦角會相應(yīng)地增大。但是內(nèi)摩擦角的增加明顯低于黏聚力，主要是由于膨脹土吸力的存在，吸力對黏聚力有貢獻(xiàn)作用，但是對內(nèi)摩擦角幾乎沒有影響。

圖6 不同初始含水率下?lián)交衣逝c內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

圖7試驗(yàn)曲線顯示，當(dāng)水泥摻灰率保持不變，隨著初始含水率的增加，黏聚力呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)ω=18.3%時，不同摻灰率下的黏聚力最大(6%作用下的除外)。因此，18.3%稱為黏聚力的最佳含水率。低于最佳含水率時，黏聚力隨著初始含水率的增加而增大，高于最佳含水率時，黏聚力隨著初始含水率的增加而降低。這主要是因?yàn)楹士梢苑从惩令w粒公共結(jié)合水膜聯(lián)結(jié)的情況，當(dāng)初始含水率低于最佳含水率時，一方面隨著含水率的增加，土顆粒之間的公共水膜聯(lián)結(jié)力增大，此時吸力的貢獻(xiàn)也比較大，黏聚力會相應(yīng)地增加；另一方面是由于環(huán)刀的約束也可以提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而反映在黏聚力的提高上。超過最佳含水率時，土顆粒結(jié)合水膜距離增大，顆粒之間的公共結(jié)合水膜聯(lián)結(jié)力減弱，同時吸力隨著含水率的增加也會降低，進(jìn)而導(dǎo)致土體的黏聚力又相應(yīng)地減小。

圖7 不同摻灰率下初始含水率與黏聚力的關(guān)系曲線

圖8試驗(yàn)曲線顯示，當(dāng)水泥摻灰率保持不變，隨著初始含水率的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。原因同黏聚力變化原因相同。超過最佳含水率時，水在土顆粒之間起到了潤滑的作用，內(nèi)摩擦角會相應(yīng)地降低。

圖8 不同摻灰率下初始含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

四、結(jié)論

研究結(jié)論如下：

(1)摻灰率為0%時，隨著初始含水率和豎向應(yīng)力的增加，剪應(yīng)力—剪位移曲線由應(yīng)變軟化型向硬化型轉(zhuǎn)變，剪切位移也在相應(yīng)的增加，因此，適當(dāng)?shù)卦黾油夂奢d的作用和土體內(nèi)的含水率可以延長土體剪切破壞的時間。較低摻灰率的改良膨脹土的剪應(yīng)力—剪位移關(guān)系曲線基本呈應(yīng)變硬化型，和初始含水率大小無關(guān)。初始含水率越大，剪切位移越大。

(2)每個初始含水率對應(yīng)一個最佳摻灰率。摻灰率與最佳摻灰率差值越小，改良土的黏聚力增加幅度越大。內(nèi)摩擦角隨著摻灰率的增加一直呈緩慢增加趨勢。

(3)存在一個黏聚力和內(nèi)摩擦角的最佳含水率，在本次試驗(yàn)中的最佳含水率為18.3%。小于最佳含水率時，黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著初始含水率的增加而增大；超過最佳含水率時，黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著初始含水率的增加而降低。