固化黃土力學(xué)特性三軸試驗(yàn)研究

劉忠玉, 朱少培, 張家超, 寧秉正

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

0 引言

黃土,作為一種特殊土,具有多孔性以及沉陷性等特點(diǎn),且在我國(guó)分布較廣。針對(duì)這類(lèi)土質(zhì),大量學(xué)者已對(duì)其工程性能進(jìn)行了一系列的研究。其中,黃土的變形及強(qiáng)度問(wèn)題是不少學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。在這方面,國(guó)外較早的研究是由Savvateev[1]開(kāi)展的。后來(lái),國(guó)內(nèi)劉祖典等[2-3]就陜西關(guān)中地區(qū)黃土的變形特性進(jìn)行了探討。自那以后,學(xué)者們分別從濕陷性[4-5]、溫度荷載[6]、結(jié)構(gòu)性[7-8]以及干濕循環(huán)因素[9-10]等角度入手,探究了影響黃土變形的因素,也相繼提出了不同因素下黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[11-13]。上述研究使我們對(duì)黃土的基本特性有了較為充分的認(rèn)識(shí)。

為改善黃土的不良工程特性,固化是對(duì)黃土進(jìn)行改良的常用方法之一。其中,郭婷婷等[14]利用粉煤灰對(duì)黃土進(jìn)行了固化,并研究了粉煤灰摻量對(duì)固化后土體的壓縮性、滲透性以及強(qiáng)度的影響。吳文飛等[15]利用水泥對(duì)黃土進(jìn)行了固化,研究了水泥摻量對(duì)固化土的強(qiáng)度、水穩(wěn)性以及濕陷性的影響。除了上述固化材料外,有學(xué)者[16]提出應(yīng)用水玻璃固化黃土,即硅化法處理黃土。為了提高該方法對(duì)黃土的固化性能,不斷學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行改進(jìn),比如溫度改性[17-18]、電場(chǎng)改性[19]等。然而,上述處理地基的方法各有不足,比如傳統(tǒng)固化劑(比如水泥、粉煤灰等)具有耗能高、污染環(huán)境等特點(diǎn),而硅化法處理地基的成本則比較昂貴。為此,一些學(xué)者著手研制新型固化劑,以期改善上述固化劑的不足。例如,王銀梅等[20]、張虎元等[21-22]、彭宇等[23]先后開(kāi)發(fā)出新型高分子(SH)固化材料和抗疏力固化劑,將其應(yīng)用到黃土固化中,并探討了這些固化劑對(duì)黃土的強(qiáng)度、滲透性以及膨脹性的影響。同時(shí),賀智強(qiáng)等[24]、侯鑫等[25]先后從宏觀與微觀的層面入手,探討了木質(zhì)素對(duì)黃土的固化作用。值得注意的是,上述研究中土體取材大多集中于陜甘地區(qū),然而不同地域的黃土性能具有明顯的差異性。當(dāng)前,為合理規(guī)劃黃河流域周邊城市群的發(fā)展,國(guó)家提出了“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”的戰(zhàn)略。因此,研究沿線地區(qū)黃土的固化性能對(duì)工程建設(shè)具有重要意義。

本文以鄭州地區(qū)典型黃土為試驗(yàn)材料,選取某新型固化劑進(jìn)行固化,利用GDSTTS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸儀開(kāi)展了固化黃土的力學(xué)性能研究。這里,筆者主要探討了圍壓、固化劑摻量以及固化土養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土剪切過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黃土取自鄭州某地,取土深度為5 m。經(jīng)測(cè)定,該土密度為2.7 g/cm3,液限為22.9%,塑限為14.7%,塑性指數(shù)為8.2,為黃土狀粉土。土壤固化劑選用河南嘉科吉地科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的一種新型無(wú)機(jī)類(lèi)固化劑,主要由礦渣硅酸鹽水泥、火山質(zhì)灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥以及某種激發(fā)劑按照一定的配比摻和而成。

1.2 試樣制備

首先,將試驗(yàn)用土風(fēng)干碾碎,并過(guò)2 mm篩子去除雜質(zhì)。然后,將試驗(yàn)用土與固化劑按照3%、5%、7%、9%、11%摻量進(jìn)行配制,以含水率為17%進(jìn)行均勻拌和后,利用分層擊實(shí)法制成密度為1.75 g/cm3,直徑為38 mm,高度為76 mm的圓柱形試樣。最后,將試樣放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱,在溫度20±2 ℃,濕度95%條件下養(yǎng)護(hù)到試驗(yàn)所需齡期的最后一天采用真空飽和法將試樣飽和備用。這里養(yǎng)護(hù)齡期分別設(shè)定為7 d、28 d、60 d、90 d。

1.3 試驗(yàn)方法

采用GDSTTS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸儀對(duì)試樣進(jìn)行CU試驗(yàn)。首先對(duì)試樣進(jìn)行反壓飽和,直到B值大于0.95。然后設(shè)定圍壓分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa,當(dāng)孔壓完全消散后,在不排水條件下施加偏應(yīng)力直至試樣破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 圍壓對(duì)固化黃土力學(xué)特性的影響

圖1給出了摻量3%和5%,7 d齡期的試樣在不同圍壓下軸向應(yīng)變?chǔ)興隨偏應(yīng)力q變化的曲線。很明顯,不同圍壓下固化土的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的特征。也就是說(shuō),固化土具有明顯的結(jié)構(gòu)性。從圖中也可以發(fā)現(xiàn),圍壓對(duì)固化土的峰值應(yīng)力和殘余強(qiáng)度均有影響,具體表現(xiàn)為,二者會(huì)隨圍壓的增大而增大。

圖1 圍壓對(duì)固化黃土偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線的影響Fig.1 Influence of confining pressure on the deviatoric stress-axial strain curve of solidified loess

2.2 摻量對(duì)固化土力學(xué)性能的影響

圖2給出了不同摻量的齡期7 d和28 d的固化黃土試樣分別在圍壓100 kPa和200 kPa條件下軸向應(yīng)變?chǔ)興隨偏應(yīng)力q變化的曲線。由圖2可知,固化劑摻量對(duì)固化土峰值應(yīng)力以及殘余應(yīng)力的影響十分明顯。并且,摻量越大,固化土的峰值應(yīng)力與殘余強(qiáng)度就會(huì)越大。對(duì)于這種現(xiàn)象,我們可以這樣理解:當(dāng)固化劑遇水時(shí),二者會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并形成易與土顆粒結(jié)合的水化產(chǎn)物。由于這種產(chǎn)物的存在,土體中的孔隙會(huì)大量縮小,進(jìn)而提高了土體的抗剪強(qiáng)度。

圖2 固化劑摻量對(duì)固化黃土偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線的影響Fig.2 Influence of solidified agent content on the deviatoric stress-axial strain curve of solidified loess

2.3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土力學(xué)特性的影響

圖3給出了固化劑摻量5%和7%的試樣在200 kPa圍壓下軸向應(yīng)變?chǔ)興與偏應(yīng)力q的關(guān)系曲線。圖3表明,隨著齡期的延長(zhǎng),固化土的峰值應(yīng)力與殘余強(qiáng)度均會(huì)增大。這是由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng),固化土中的固化劑與水反應(yīng)越充分,進(jìn)而提高了固化土的相應(yīng)強(qiáng)度值。但是,這種增幅并不會(huì)隨著齡期的增長(zhǎng)而變大。相反,這種趨勢(shì)會(huì)越來(lái)越小。以圖3(a)為例,28 d的峰值應(yīng)力是7 d峰值應(yīng)力的1.39倍,而90 d的峰值應(yīng)力則是60 d相應(yīng)值的1.09倍。

圖3 齡期對(duì)固化黃土偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線的影響Fig.3 Influence of curing age on the deviatoric stress-axial strain curve of solidified loess

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,我們可以認(rèn)為:在養(yǎng)護(hù)初期,固化劑與水反應(yīng)強(qiáng)烈,產(chǎn)生相應(yīng)的水化產(chǎn)物較多,進(jìn)而填充土顆粒間的孔隙;而隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大,這種水化反應(yīng)會(huì)越來(lái)越弱,因而相應(yīng)強(qiáng)度的增加也就不再明顯。

3 固化黃土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式

上述研究結(jié)果表明,固化黃土具有顯著的結(jié)構(gòu)性特征。為描述結(jié)構(gòu)性土的應(yīng)力應(yīng)變特征,學(xué)者們提出了一系列的本構(gòu)關(guān)系式。其中,沈珠江[26]曾提出一個(gè)描述剪切過(guò)程的駝峰型三參數(shù)表達(dá)式:

(1)

式中:a、b、d均為待定參數(shù),它們的單位均為kPa-1。這樣,峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?chǔ)舠=a/(b-2d),峰值應(yīng)力qs=1/[4(b-d)],相應(yīng)的殘余應(yīng)力qr=d/b2。

該模型中相關(guān)參數(shù)物理意義明確,并且能夠利用常規(guī)的三軸剪切試驗(yàn)獲得。為此,筆者采用該模型對(duì)本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。圖4中給出了示于圖1(b)和圖3(a)的試驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線,相應(yīng)的擬合參數(shù)示于表1和表2。其中R2最小為0.968,因此該表達(dá)式能夠較好地描述固化黃土的剪切過(guò)程。

表1 圖4(a)所用參數(shù)取值

表2 圖4(b)所用參數(shù)取值

圖4 駝峰型表達(dá)式對(duì)固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的擬合Fig.4 Fitting of stress-strain relationship of solidified soil by hump expression

4 結(jié)論

(1) 鄭州地區(qū)黃土經(jīng)固化劑固化后具有顯著的結(jié)構(gòu)性,其應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征。圍壓越大,固化劑摻量越多,養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),固化土的峰值應(yīng)力與殘余強(qiáng)度就會(huì)越大。

(2) 較之圍壓與摻量,養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響具有范圍性。當(dāng)齡期較短時(shí),固化黃土強(qiáng)度隨齡期延長(zhǎng)而增長(zhǎng)較快;而隨著齡期的延長(zhǎng),齡期對(duì)固化黃土強(qiáng)度的影響越來(lái)越弱。

(3) 鄭州地區(qū)固化黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可用駝峰曲線描述。