水泥對(duì)珠三角地區(qū)淤泥抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響分析

賀佐躍，李紅中，陳萬(wàn)里，梁立農(nóng)，李釗，楊志軍，黃林沖，楊飛，袁炳祥

(1.中山大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275； 2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司；3.中山大學(xué) 工學(xué)院；4.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院)

在軟土的形成過(guò)程中，由于地質(zhì)、水文及受力等自然條件的差異性，造成軟土的結(jié)構(gòu)性、成分和土粒粒徑等也存在顯著的不同，軟土的剪切強(qiáng)度參數(shù)也不盡相同。例如，湖相、河灘相與海相等軟土之間的土體性質(zhì)有明顯區(qū)別，珠三角、長(zhǎng)三角與天津?yàn)I海地區(qū)等不同地方軟土之間的土體性質(zhì)也千差萬(wàn)別。也就是說(shuō)，不同地區(qū)之間的剪切強(qiáng)度參數(shù)，并不能等同采用，應(yīng)分別進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得。即使摻入水泥土，由于上述軟土之間的差異性，相對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度參數(shù)也會(huì)不同，也應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)分別測(cè)得。在軟基處理中，水泥可用來(lái)加固軟土，或形成攪拌樁、旋噴樁等柔性復(fù)合地基，能夠很好地改善軟土性質(zhì)，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在這些應(yīng)用中至關(guān)重要，因此有必要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，有關(guān)水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)研究總體較少。劉潤(rùn)等、胡亞元等、羅大生等對(duì)水泥土進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)。然而，這些文獻(xiàn)對(duì)水泥摻量、齡期及其與強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系研究不充分，也并未對(duì)比分析兩種試驗(yàn)方法所得結(jié)果之間的區(qū)別；此外，軟土取樣位置均不在珠三角地區(qū)，不能直接用于該文工程的實(shí)際應(yīng)用之中。因此，該文將針對(duì)具體工地的軟土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，并探討兩種試驗(yàn)方法得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間的差異性關(guān)系。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 基本參數(shù)

軟土取自珠三角地區(qū)中山市某路基施工工地，該路段地處三角洲平原，藕塘密布，地形較為平坦，地面標(biāo)高為-0.5～1.5 m，部分路段地表處于水位以下。根據(jù)鉆孔資料，該地區(qū)覆蓋層主要為全新世素填土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)砂類土、粉質(zhì)黏土和砂類土，基底由燕山四期花崗斑巖及其風(fēng)化巖組成；該區(qū)域未見斷裂構(gòu)造行跡，屬于穩(wěn)定地塊，適宜路基工程建設(shè)。試驗(yàn)取淤泥為研究對(duì)象，其級(jí)配曲線如圖1所示，基本參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方案

土體應(yīng)力實(shí)際上為三維應(yīng)力狀態(tài)，采用三軸剪切強(qiáng)度指標(biāo)能夠很好地反映實(shí)際情況。試驗(yàn)儀器為全自動(dòng)三軸儀，該三軸儀為應(yīng)變控制，剪切速率為0.640 mm/min；試驗(yàn)過(guò)程中，由于通常忽略水泥土的固結(jié)，因此水泥土試樣均在不固結(jié)不排水狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)；軸向應(yīng)變不大于15%。試驗(yàn)方案如表2所示，其中水泥摻入比共3個(gè)等級(jí)：10.6%、13.6%和16.6%；試驗(yàn)圍壓共有4個(gè)等級(jí)：100、200、300、400 kPa；水灰比為1.0；養(yǎng)護(hù)在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，通過(guò)控制養(yǎng)護(hù)時(shí)間，分別得到齡期為14、28和90 d的三軸剪切強(qiáng)度參數(shù)。土樣風(fēng)干，過(guò)2 mm篩，按表2試驗(yàn)方案進(jìn)行配比，且應(yīng)符合JGJ/T 233-2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》。試樣高80 mm，直徑39.1 mm。

表1 軟土的基本參數(shù)

圖1 軟土級(jí)配曲線

表2 試驗(yàn)方案

實(shí)際工程中，也常用到土體的直接剪切強(qiáng)度參數(shù)，這里也將對(duì)不同摻入比條件下的直接剪切強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)儀器為直接剪切儀，同樣地，試驗(yàn)過(guò)程中，由于通常忽略水泥土的固結(jié)，因此水泥土試樣均在不固結(jié)不排水狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)；軸向應(yīng)變不大于15%。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性，直接剪切試驗(yàn)的試驗(yàn)方案與三軸剪切試驗(yàn)相同，如表2所示。試樣高20 mm，直徑61.8 mm。

2 三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 峰值強(qiáng)度與峰值應(yīng)變

根據(jù)試驗(yàn)方案，可以得到不同條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，且均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化，即：隨軸向應(yīng)變?cè)黾?，主?yīng)力差在較短應(yīng)變內(nèi)先快速增加，并表現(xiàn)出明顯的直線形；然后再逐漸增加并達(dá)到峰值，增加速率稍有降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線稍有緩和；到達(dá)峰值后，主應(yīng)力差隨應(yīng)變逐漸減小；最后趨于平穩(wěn)，并保持恒定。盡管一般來(lái)說(shuō)，殘余強(qiáng)度要低于峰值強(qiáng)度，但數(shù)值上仍然較大，并且隨圍壓逐漸增加。峰值強(qiáng)度如圖2所示。

由圖2可以得到：

(1) 當(dāng)摻入比和齡期均相同時(shí)，峰值強(qiáng)度隨圍壓逐漸增加，且呈現(xiàn)出相關(guān)性很好的線性相關(guān)關(guān)系。試樣受到的圍壓越大，表示受到的約束越強(qiáng)，土樣也越不容易破壞，即峰值強(qiáng)度也會(huì)越大。

(2) 當(dāng)摻入比和圍壓均相同時(shí)，峰值強(qiáng)度隨齡期逐漸增加。水泥的化學(xué)反應(yīng)與時(shí)間有關(guān)，包含兩層意思：① 水泥中某些化學(xué)成分的水化反應(yīng)具有一定的滯后性，即會(huì)在達(dá)到一定的條件、時(shí)間下才能發(fā)生；② 水泥中的水化反應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)，逐漸反應(yīng)完全。這兩種原因共同導(dǎo)致了峰值強(qiáng)度的提高。

(3) 當(dāng)齡期和圍壓均相同時(shí)，峰值強(qiáng)度隨摻入比總體上呈逐漸增加趨勢(shì)。水泥作為一種常用的固化劑，能夠起到很好的改善軟弱土層、提高強(qiáng)度作用。水泥摻入比越大，對(duì)強(qiáng)度的提高作用也越明顯。

與峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

由圖3可以得到：

(1) 當(dāng)摻入比和齡期均相同時(shí)，與峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨圍壓逐漸增加，且呈現(xiàn)出相關(guān)性很好的線性相關(guān)關(guān)系。由前文可知，由于圍壓對(duì)試樣有一定的約束作用，使峰值強(qiáng)度隨圍壓線性增加；但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的時(shí)間增加，即與峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也會(huì)增加。

(2) 當(dāng)摻入比和圍壓均相同時(shí)，與峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變會(huì)隨齡期逐漸減小。盡管齡期對(duì)峰值強(qiáng)度起到一定的增強(qiáng)作用，但由該試驗(yàn)結(jié)果可知，齡期能夠加快峰值強(qiáng)度的到來(lái)，即與峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變會(huì)減小。說(shuō)明隨齡期增加，盡管峰值強(qiáng)度也增加，但會(huì)更快破壞，即會(huì)逐漸向脆性發(fā)展。

圖2 峰值強(qiáng)度隨圍壓的變化(三軸試驗(yàn))

(3) 當(dāng)齡期和圍壓均相同時(shí)，與峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨摻入比總體上呈逐漸減小趨勢(shì)。與齡期對(duì)峰值強(qiáng)度及其相應(yīng)的應(yīng)變影響類似，盡管水泥摻入比的增加能增強(qiáng)峰值強(qiáng)度，但相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也會(huì)減小，即試樣也會(huì)更快破壞，并逐漸向脆性發(fā)展。

2.2 黏聚力與內(nèi)摩擦角

在三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)條件下，原狀軟土的黏聚力、內(nèi)摩擦角分別為6.3 kPa、3.4°。通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)后，黏聚力、內(nèi)摩擦角與齡期的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出：當(dāng)摻入比保持不變時(shí)，黏聚力隨齡期逐漸增加，且表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系；摻入一定量水泥

的軟土，黏聚力顯著增加，最大可達(dá)797 kPa，最小黏聚力也超過(guò)100 kPa，遠(yuǎn)大于未進(jìn)行任何處理的軟土黏聚力。然而，與黏聚力的變化趨勢(shì)相反，當(dāng)摻入比保持不變時(shí)，內(nèi)摩擦角隨齡期逐漸減小，盡管內(nèi)摩擦角與齡期之間也呈現(xiàn)出線性關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)較黏聚力要小得多。這表明，盡管齡期能提高強(qiáng)度，但對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響是相反的。

黏聚力與水泥摻入比的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出:當(dāng)齡期保持不變時(shí)，黏聚力與水泥摻入比之間也呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，黏聚力隨摻入比逐漸增加，且齡期越大，增加幅度越大，在圖5中表現(xiàn)為斜率增加。

內(nèi)摩擦角與水泥摻入比的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出：當(dāng)齡期保持不變時(shí)，內(nèi)摩擦角與摻入比之間也呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，但與黏聚力相反，內(nèi)摩擦角隨摻入比逐漸減小，且齡期越大，減小幅度越小，在圖6中表現(xiàn)為斜率減小，但總的來(lái)說(shuō)斜率減小幅度很小。

圖4 黏聚力、內(nèi)摩擦角與齡期的關(guān)系(三軸試驗(yàn))

圖5 黏聚力與水泥摻入比關(guān)系(三軸試驗(yàn))

3 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

為簡(jiǎn)便起見，這里僅對(duì)直接剪切試驗(yàn)結(jié)果中的黏聚力、內(nèi)摩擦角進(jìn)行分析。在直接快剪試驗(yàn)條件下，原狀軟土的黏聚力、內(nèi)摩擦角分別為4.4 kPa、3.4°。經(jīng)過(guò)直接剪切試驗(yàn)后，黏聚力、內(nèi)摩擦角與齡期之間的關(guān)系如圖7所示。

圖6 內(nèi)摩擦角與水泥摻入比關(guān)系(三軸試驗(yàn))

圖7 黏聚力、內(nèi)摩擦角與齡期關(guān)系(直剪試驗(yàn))

由圖7可知:

(1) 相對(duì)于三軸試驗(yàn)結(jié)果，黏聚力要更小，而內(nèi)摩擦角更大。

(2) 當(dāng)摻入比保持不變時(shí)，黏聚力隨齡期逐漸增加，且表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系；摻入一定量水泥的軟土，黏聚力顯著增加，最大可達(dá)796.2 kPa，最小黏聚力也可達(dá)97.6 kPa，遠(yuǎn)大于未進(jìn)行任何處理的軟土黏聚力。此外，當(dāng)摻入比保持不變時(shí)，內(nèi)摩擦角隨齡期逐漸減小，內(nèi)摩擦角與齡期之間也呈現(xiàn)出線性關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)較黏聚力要小得多。應(yīng)當(dāng)注意的是，相對(duì)于三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)摻入比、齡期均保持不變時(shí)，直接快剪試驗(yàn)得到的黏聚力要稍小，而內(nèi)摩擦角要稍大。這與試驗(yàn)方法密切相關(guān)，盡管三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)、直接快剪試驗(yàn)均處于三位應(yīng)力條件下，然而相對(duì)于前者，后者的側(cè)向變形是完全受約束的；此外，三軸試驗(yàn)應(yīng)力等級(jí)由圍壓控制，而直剪試驗(yàn)應(yīng)力等級(jí)由垂直應(yīng)力控制?？偟膩?lái)說(shuō)，兩種不同試驗(yàn)方法條件下，試樣的受力條件不同，這種受力差異性是導(dǎo)致黏聚力、內(nèi)摩擦角變化的原因之一。黏聚力、內(nèi)摩擦角的差異性減小、增加趨勢(shì)機(jī)理，有待進(jìn)一步研究。

在直接快剪條件下，黏聚力與水泥摻入比的關(guān)系如圖8所示。

圖8 黏聚力與水泥摻入比關(guān)系(直剪試驗(yàn))

由圖8可以看出：當(dāng)齡期保持不變時(shí)，黏聚力與摻入比之間也呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，黏聚力隨摻入比逐漸增加，且齡期越大，增加幅度越大，在圖8中表現(xiàn)為斜率增加。內(nèi)摩擦角與水泥摻入比的關(guān)系見圖9。

圖9 內(nèi)摩擦角與水泥摻入比關(guān)系(直剪試驗(yàn))

由圖9可知：當(dāng)齡期保持不變時(shí)，內(nèi)摩擦角與摻入比之間也呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，但與黏聚力相反，內(nèi)摩擦角隨摻入比逐漸減小，且齡期越大減小幅度越小，在圖中表現(xiàn)為斜率減小，但總的來(lái)說(shuō)減小幅度非常小。同樣，該項(xiàng)目也并未對(duì)較低水泥摻入比的情況進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)分析，后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)研究。

4 結(jié)論

(1) 在三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)中，水泥土呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力-應(yīng)變軟化關(guān)系。當(dāng)摻入比和齡期均相同時(shí)，峰值強(qiáng)度隨圍壓線性增加。當(dāng)摻入比和圍壓均相同時(shí)，峰值強(qiáng)度隨齡期逐漸增加。此外，當(dāng)摻入比保持不變時(shí)，黏聚力隨齡期線性增加，而內(nèi)摩擦角隨齡期線性減小。當(dāng)齡期保持不變時(shí)，黏聚力隨摻入比線性增加，且齡期越大，增加幅度越大，而內(nèi)摩擦角隨摻入比線性減小，且齡期越大，減小幅度越小。

(2) 在直接快剪試驗(yàn)中，相對(duì)于三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)摻入比、齡期均保持不變時(shí)，直接快剪試驗(yàn)得到的黏聚力要稍小，而內(nèi)摩擦角要稍大。當(dāng)摻入比保持不變時(shí)，黏聚力隨齡期線性增加，而內(nèi)摩擦角隨齡期線性減小。當(dāng)齡期保持不變時(shí)，黏聚力與摻入比之間也呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，黏聚力隨摻入比逐漸增加，且齡期越大，增加幅度越大；而與黏聚力相反，內(nèi)摩擦角隨摻入比線性減小，且齡期越大，減小幅度越小，但總的來(lái)說(shuō)減小幅度非常小。