粉煤灰對(duì)水泥土三軸剪切峰值強(qiáng)度的影響性分析

戴玉明，賀佐躍

（1、廣州開發(fā)區(qū)財(cái)政投資建設(shè)項(xiàng)目管理中心 廣州 510663；2、廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510507）

0 引言

水泥土廣泛應(yīng)用在軟土地區(qū)的地基處理中，如水泥攪拌樁［1］、高壓旋噴樁［2］、就地固化［3］及注漿［4］等。在這些地基處理方法中，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度通常被視為重要參數(shù)。然而，若水泥土應(yīng)用在邊坡范圍內(nèi)，除提高復(fù)合地基模量減少沉降外，水泥土還具有抵抗剪切增強(qiáng)抗滑的作用［5］。此時(shí)，水泥土剪切強(qiáng)度是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)無圍壓，但實(shí)際上土體處于有側(cè)限狀態(tài)，側(cè)向變形處于周圍土體的圍壓作用下，土體實(shí)際上是三維應(yīng)力狀態(tài)［6］。

水泥土三軸剪切強(qiáng)度尚處于初步研究階段。阮波等人［7］對(duì)黔張常鐵路軟土地基進(jìn)行了水泥土室內(nèi)試驗(yàn)，水泥摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度具有顯著影響；許勝才等人［8］通過三軸試驗(yàn)表明水泥土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈軟化型；鐘石明等人［9］水泥土的剪切破壞形式進(jìn)行了研究，表明脆性破壞和張拉破壞是可能破壞形式，但均未發(fā)生顯著的塑性形變；陳利宏等人［10］通過直剪試驗(yàn)研究了水泥土的剪脹特性，且在剪切過程中有趨于脆性破壞的現(xiàn)象；王偉等人［11］研究了水泥土的碳化時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響，并分析了碳化過程中的能量耗散情況；陳四利等人［12］基于三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥土的脆性、延性破壞與水泥摻量和圍壓有關(guān)；宋新江等人［13］基于真三軸試驗(yàn)，隨圍壓增加水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由軟化逐漸變?yōu)橛不?；王軍等人?4］研究了三軸剪切強(qiáng)度特性，并建立了考慮應(yīng)變軟化特性的修正鄧肯-張模型。上述文獻(xiàn)從不同角度闡述了水泥土的三軸剪切應(yīng)力-應(yīng)變特性，為深入了解水泥土的三維應(yīng)力狀態(tài)提供了重要依據(jù)。然而，關(guān)于水泥土的三軸剪切強(qiáng)度整體上仍然較少，粉煤灰對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律研究也非常有限，摻入比、齡期、圍壓及粉煤灰等因素對(duì)強(qiáng)度的影響仍需進(jìn)一步深入研究。此外，軟土具有顯著的地域性，不同地區(qū)的軟土物理、力學(xué)性質(zhì)差異性較大［15-18］，某一地區(qū)的水泥土三軸剪切特性在其他地區(qū)的適用性具有明顯限制。

本文基于三軸剪切試驗(yàn)，對(duì)膠凝材料總摻入比、齡期、圍壓和粉煤灰摻入比等因素及其對(duì)三軸剪切強(qiáng)度之間的影響性進(jìn)行分析，揭示各因素與強(qiáng)度之間的影響規(guī)律，為珠三角軟土區(qū)水泥土處理的設(shè)計(jì)與施工提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)介紹

淤泥取自中山市某路基，淤泥級(jí)配曲線如圖1 所示，土體基本物理參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)儀器為全自動(dòng)應(yīng)變控制式三軸儀，剪切速率為0.640 mm/min。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%。保持膠凝材料的總摻入比不變，但改變粉煤灰的摻入比，具體試驗(yàn)方案如表2所示。其中，膠凝材料的總摻入比分別為：10.6、16.6%，序號(hào)1、2、3總摻入比為10.6%，序號(hào)4、5、6總摻入比為16.6%。粉煤灰摻入比共分為4 個(gè)等級(jí)，分別為5.0%、10.6%、13.6%和16.6%。試驗(yàn)圍壓共分為4 個(gè)等級(jí)，分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa。養(yǎng)護(hù)在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，通過控制養(yǎng)護(hù)時(shí)間，分別得到齡期為14 d、28 d和90 d的三軸剪切強(qiáng)度。試樣高80 mm、直徑39.1 mm。

表1 軟土的基本參數(shù)Tab.1 The Basical Parameters of Soft Soil

表2 粉煤灰三軸剪切試驗(yàn)方案Tab.2 The Triaxial Shear Test Scheme Considering Fly Ash

圖1 軟土級(jí)配曲線Fig.1 The Gradation Curve of Soft Soil

2 峰值強(qiáng)度

2.1 圍壓

試驗(yàn)圍壓對(duì)峰值強(qiáng)度的影響如圖2 所示，由圖2可以得出以下結(jié)論：

圖2 峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系Fig.2 Relationship between Peak Strength and Confining Pressure

⑴當(dāng)膠凝材料的總摻入比、齡期和粉煤灰摻入比等條件均相同時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度均隨圍壓逐漸增加，且呈現(xiàn)出相關(guān)性很好的線性相關(guān)關(guān)系；而斜率并不完全相同，說明峰值強(qiáng)度隨圍壓的變化還受到其他因素的影響。試樣所受圍壓越大，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)隨之增加。

⑵當(dāng)試驗(yàn)圍壓、齡期和粉煤灰摻入比等條件均相同時(shí)，總體上試樣的峰值強(qiáng)度隨膠凝材料總摻入比逐漸增加。水泥、粉煤灰等膠凝材料能顯著改善軟土的土性，對(duì)提升軟土的力學(xué)性能具有明顯的作用，因此當(dāng)膠凝材料的總摻入比較小時(shí)，峰值強(qiáng)度隨總摻入比會(huì)逐漸增加。

2.2 齡期

齡期對(duì)峰值強(qiáng)度的影響如圖3 所示。由圖3 可以看出，當(dāng)膠凝材料的總摻入比、齡期和粉煤灰摻入比等條件均相同時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度均隨齡期逐漸增加，但并未表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。此外，總摻入比對(duì)峰值強(qiáng)度隨齡期的變化趨勢(shì)（即曲線發(fā)展趨勢(shì)）也有一定影響。

圖3 峰值強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig.3 Relationship between Peak Strength and Age

由表1可知，當(dāng)膠凝材料的總摻入比較小，且膠凝材料的總摻入比、試驗(yàn)圍壓和齡期均保持不變時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度隨粉煤灰摻入比均逐漸增加。這說明在這些情況下，相較于水泥，粉煤灰對(duì)軟土力學(xué)性能的提升作用更大，在水泥中摻入一定量的粉煤灰能較好地增大峰值強(qiáng)度。然而，當(dāng)膠凝材料的總摻入比較大時(shí)，例如膠凝材料總摻入比為16.6%時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度隨粉煤灰摻入比的變化趨勢(shì)會(huì)有所不同。下面將針對(duì)這一對(duì)象，研究峰值強(qiáng)度隨粉煤灰摻入比的影響規(guī)律。

2.3 粉煤灰摻入比

當(dāng)膠凝材料的總摻入比為16.6%時(shí)，粉煤灰摻入比對(duì)峰值強(qiáng)度的影響如圖4 所示?？梢钥闯?，當(dāng)試驗(yàn)圍壓、齡期等條件保持不變時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度均先隨粉煤灰摻入比逐漸增加，當(dāng)粉煤灰摻入比超過一定程度后，峰值強(qiáng)度隨粉煤灰摻入比有所下降。這表明，當(dāng)膠凝材料的總摻入比一定且數(shù)值較大時(shí)，粉煤灰并不能總是提高峰值強(qiáng)度，較大的粉煤灰摻入比反而會(huì)起到相反的作用。換句話說，存在一個(gè)粉煤灰摻入比的最優(yōu)值，在該最優(yōu)值條件下，可使峰值強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)然，不同條件下的最優(yōu)值也是不一樣的，需進(jìn)一步開展研究。

圖4 峰值強(qiáng)度與粉煤灰摻入的關(guān)系（總摻入比為16.6%）Fig.4 Relationship between Peak Strength and fly Ash Incorporation Ratio（Total Incorporation Ratio is 16.6%）

3 峰值強(qiáng)度增量

3.1 圍壓

峰值強(qiáng)度增量與試驗(yàn)圍壓之間的關(guān)系如圖5 所示，其中，實(shí)線、虛線分別表示粉煤灰摻入比為5.0%、10.6%，線條顏色黑、紅、藍(lán)分別表示齡期為14 d、28 d、90 d。由圖5 可以看出，總的來說，試驗(yàn)圍壓對(duì)峰值強(qiáng)度的影響沒有明顯的規(guī)律，關(guān)系曲線起伏較大，且峰值增量大部分處于0～1.5 MPa范圍內(nèi)。當(dāng)膠凝材料總摻入比為16.6%時(shí)，齡期為14 d、28 d時(shí)的峰值強(qiáng)度增量隨圍壓逐漸增加，而齡期為90 d 時(shí)的峰值強(qiáng)度隨圍壓變化較為平緩，且并未表現(xiàn)出明顯的增加。

圖5 峰值強(qiáng)度增量與圍壓的關(guān)系Fig.5 Relationship between Peak Strength Increment and Confining Pressure

3.2 齡期

峰值強(qiáng)度增量與齡期之間的關(guān)系如圖6所示。其中，實(shí)線、虛線、點(diǎn)線、點(diǎn)畫線分別表示試驗(yàn)圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，黑、紅、藍(lán)、綠色分別表示粉煤灰摻入比為5.0%、10.6%、13.6%、16.6%。由圖6可以看出，總的來說，與試驗(yàn)圍壓的影響規(guī)律類似，齡期對(duì)峰值強(qiáng)度增量的影響也沒有明顯的規(guī)律，關(guān)系曲線起伏也較大，在膠凝材料的總摻入比較小時(shí)尤其如此。然而，當(dāng)膠凝材料的總摻入比為16.6%時(shí)，峰值強(qiáng)度增量總體上均隨齡期逐漸減小，但減小幅度也并無明顯的變化規(guī)律。

圖6 峰值強(qiáng)度增量與齡期的關(guān)系Fig.6 Relationship between Peak Strength Increment and Age

與峰值強(qiáng)度類似，當(dāng)膠凝材料的總摻入比較小，且膠凝材料的總摻入比、試驗(yàn)圍壓和齡期均保持不變時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度增量隨粉煤灰摻入比均逐漸增加。這說明在這些情況下，相較于水泥，粉煤灰對(duì)軟土力學(xué)性能的提升作用更大，在水泥中摻入一定量的粉煤灰能較好地增大峰值強(qiáng)度增量。然而，當(dāng)膠凝材料的總摻入比較大時(shí)，例如膠凝材料總摻入比為16.6%時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度增量隨粉煤灰摻入比的變化趨勢(shì)會(huì)有所不同。下面將以這一情況為對(duì)象，研究峰值強(qiáng)度增量隨粉煤灰摻入比的影響規(guī)律。

3.3 粉煤灰摻入比

峰值強(qiáng)度增量與粉煤灰摻入比之間的關(guān)系如圖7所示，可以看出，當(dāng)試驗(yàn)圍壓、齡期等條件保持不變時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度增量均先隨粉煤灰摻入比逐漸增加，當(dāng)粉煤灰摻入比超過一定程度后，峰值強(qiáng)度增量隨粉煤灰摻入比有所下降。這表明，當(dāng)膠凝材料的總摻入比一定且數(shù)值較大時(shí)，粉煤灰并不能總是提高峰值強(qiáng)度增量，較大的粉煤灰摻入比反而會(huì)起到相反的作用。換句話說，存在一個(gè)粉煤灰摻入比的最優(yōu)值，可使峰值強(qiáng)度增量達(dá)到最大。當(dāng)然，不同條件下的最優(yōu)值也是不一樣的，需進(jìn)一步開展研究。

圖7 峰值強(qiáng)度增量與粉煤灰摻入比的關(guān)系（總摻入比為16.6%）Fig.7 Relationship betweenPeak Strength Increment and Fly Ash Incorporation Ratio（Total Incorporation Ratio is 16.6%）

4 結(jié)論

⑴試樣的峰值強(qiáng)度均隨圍壓逐漸增加，且呈現(xiàn)出相關(guān)性很好的線性相關(guān)關(guān)系?？傮w上試樣的峰值強(qiáng)度隨膠凝材料總摻入比逐漸增加。試樣的峰值強(qiáng)度均隨齡期逐漸增加，但并未表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。試樣的峰值強(qiáng)度均先隨粉煤灰摻入比逐漸增加，當(dāng)粉煤灰摻入比超過一定程度后，峰值強(qiáng)度隨粉煤灰摻入比有所下降。

⑵ 試驗(yàn)圍壓對(duì)峰值強(qiáng)度的影響沒有明顯的規(guī)律，關(guān)系曲線起伏較大，且峰值增量大部分處于0～1.5 MPa 范圍內(nèi)。齡期也表現(xiàn)出類似的影響規(guī)律。試樣的峰值強(qiáng)度增量均先隨粉煤灰摻入比逐漸增加，當(dāng)粉煤灰摻入比超過一定程度后，峰值強(qiáng)度增量隨粉煤灰摻入比有所下降。

⑶本文揭示了膠凝材料總摻入比、齡期、圍壓和粉煤灰摻入比等因素及其對(duì)三軸剪切強(qiáng)度之間的影響性規(guī)律，為珠三角軟土區(qū)水泥土處理的設(shè)計(jì)與施工提供試驗(yàn)依據(jù)。