房 軍，梁慶國(guó)，賀 譜，王麗麗

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070；3.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；4.中國(guó)地震局蘭州地震研究所 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

黃土是最新地質(zhì)時(shí)期形成的一種多孔隙的陸相疏松沉積物，具有明顯的水敏感性、特殊的結(jié)構(gòu)性及強(qiáng)烈的濕陷性，因此會(huì)導(dǎo)致路基沉陷、建筑物不均勻沉降、橋涵結(jié)構(gòu)破壞等一系列工程地質(zhì)問(wèn)題[1]。

由于各區(qū)域黃土的地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)差異很大，近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)我國(guó)各地黃土特性做了大量研究。文獻(xiàn)[2]通過(guò)研究蘭州黃土，提出各向異性對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)影響較大；文獻(xiàn)[3]對(duì)延安Q2原狀黃土和重塑黃土做了無(wú)側(cè)限抗壓與貫入抗拉試驗(yàn)，分析了加載速率對(duì)黃土壓拉強(qiáng)度的影響；文獻(xiàn)[4]通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了定西Q3原狀黃土的各向異性對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度和變形參數(shù)的影響；文獻(xiàn)[5]依托天水市稅灣地震黃土滑坡，剖析了地震黃土滑坡發(fā)生的力學(xué)機(jī)制。文獻(xiàn)[6]基于1∶50 000工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合大型直剪試驗(yàn)深入分析了松潘黃土的力學(xué)特性等。現(xiàn)有研究表明，外在因素對(duì)黃土力學(xué)特性影響很大。如雨季浸水會(huì)使黃土的承載力急劇下降，誘發(fā)黃土地基變形失穩(wěn)等隱患。為使黃土地區(qū)構(gòu)筑物地基能滿足強(qiáng)度、沉降、水穩(wěn)性及耐久性要求，有必要對(duì)黃土進(jìn)行改良。目前在黃土改良這一課題上，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究已取得了豐碩的成果。文獻(xiàn)[7]提出石灰和水泥改良紅土的改良效果受齡期的影響；文獻(xiàn)[8]指出特定齡期與水灰比對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度影響較大，并提出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[9]通過(guò)三軸試驗(yàn)，研究了不同水泥摻入比、不同制樣含水率、不同圍壓的水泥黃土力學(xué)特性與變形特性；文獻(xiàn)[10]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水泥土、石灰土、石灰粉煤灰土的物理力學(xué)特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[11]定量評(píng)價(jià)了不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥土的微觀結(jié)構(gòu)特征；文獻(xiàn)[12]在大量動(dòng)三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，深入研究了低摻量水泥土的動(dòng)力特性。文獻(xiàn)[13]通過(guò)三軸試驗(yàn)驗(yàn)證了凍結(jié)黃土、凍結(jié)石灰改良黃土、凍結(jié)水泥改良黃土的強(qiáng)度變化，并提出水泥對(duì)黃土的改良效果較石灰更好。

目前，有關(guān)黃土改良的研究大多集中在各影響因素的綜合討論，很少具體分析特定條件下對(duì)黃土的改良效果。本文對(duì)寶蘭客運(yùn)專線王家溝隧道黃土進(jìn)行室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、軸向劈裂試驗(yàn)、單軸拉伸試驗(yàn)，研究含水率及壓實(shí)度對(duì)水泥改良黃土及重塑黃土拉壓強(qiáng)度特性的影響，并量化分析水泥改良效果。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自寶蘭客運(yùn)專線王家溝隧道，距離洞口約100 m、埋深約70 m的DK983+902掌子面上臺(tái)階處。該處黃土屬于粉質(zhì)黃土，其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用甘肅祁連山P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 試驗(yàn)土樣物理性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法及試樣制備

首先在105 ℃溫度下烘干天然黃土樣，然后過(guò)0.5 mm 的篩子；改良時(shí)按照5%配合比摻入水泥，改良黃土養(yǎng)護(hù)齡期為7 d[14]。研究含水率為3%，15%，17%，19%，壓實(shí)度為92%，95%，97%，100%時(shí)重塑黃土與水泥改良黃土的強(qiáng)度特性，并驗(yàn)證分析軸向劈裂和單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

水泥改良土的加水拌合與進(jìn)行試驗(yàn)間隔時(shí)間越長(zhǎng)，水化作用產(chǎn)生結(jié)硬程度就越大，致使水泥混合料所能達(dá)到的密實(shí)度也越大[15]。在重塑黃土中按設(shè)計(jì)摻量均勻拌入水泥，等待4 h后統(tǒng)一采用靜壓制樣，無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)與單軸拉伸試驗(yàn)均采用高12.5 cm，直徑6.18 cm 的圓柱樣，軸向劈裂試驗(yàn)采用高6.18 cm、直徑6.18 cm的圓柱樣，其中作為劈裂用的加載體用高度2 cm、直徑1.5 cm的剛性小圓柱[16]。為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確度，每組做2個(gè)平行試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器采用WDW電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速率采用1 mm/min[16]。本次試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗壓特性

在無(wú)側(cè)向壓力條件下，測(cè)試土樣抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，土樣的無(wú)側(cè)限抗壓破壞形態(tài)見(jiàn)圖1?？芍褐厮茳S土破壞時(shí)，在土樣中間部位有脹鼓現(xiàn)象，破裂面沿鼓起部位基本呈60°，且脹鼓現(xiàn)象隨著含水率增大越發(fā)明顯；水泥改良黃土在破壞時(shí)，試樣破裂方向略大于45°，無(wú)脹鼓。

圖1 土樣的無(wú)側(cè)限抗壓破壞形態(tài)

2.1.1 含水率的影響

試驗(yàn)所采用重塑黃土的最優(yōu)含水率為13%，其抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增大不斷減小。水泥改良黃土的最優(yōu)含水率因水泥摻入而增大[17]，在5%摻合比下，水泥改良黃土最優(yōu)含水率變?yōu)?5%左右。隨著含水率增長(zhǎng)水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度呈先增后減的趨勢(shì)。

土樣的含水率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖2?？芍褐厮茳S土抗壓強(qiáng)度在含水率15%～17%時(shí)變化幅度最大，最大減少44%；水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度在含水率13%～15%時(shí)變化幅度最大，最大增長(zhǎng)73%。整體來(lái)看，無(wú)論重塑黃土還是水泥改良黃土，其抗壓強(qiáng)度都隨著壓實(shí)度的增大而增大。

圖2 土樣的含水率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.1.2 壓實(shí)度的影響

土樣的壓實(shí)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖3。可知：當(dāng)含水率一定時(shí)，黃土抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增大而增大；但在不同含水率下，黃土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)表現(xiàn)不同。重塑黃土含水率為13%～15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度近似單調(diào)線性增長(zhǎng)，當(dāng)含水率增大到17%以上時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)開(kāi)始逐漸放緩；水泥改良黃土含水率為15%～17%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度近似單調(diào)線性增長(zhǎng)，在含水率為13%時(shí)增長(zhǎng)最緩慢，曲線近似呈拋物線狀。

圖3 土樣的壓實(shí)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.2 抗拉特性

2.2.1 軸向劈裂試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[18]論述的徑向壓裂法測(cè)定黃土抗拉強(qiáng)度的可行性，先采用常規(guī)軸向劈裂試驗(yàn)方法來(lái)研究黃土的抗拉特性。通過(guò)施加荷載發(fā)生軸向勻速位移獲取應(yīng)力和加載圓柱的貫入深度，取土樣發(fā)生破壞時(shí)最大應(yīng)力作為抗拉強(qiáng)度。劈裂試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度σ計(jì)算式[19]為

(1)

式中:P為施加荷載；K為常數(shù)，取決于試樣穿孔大小和土壤類型，本試驗(yàn)取1.0；b為試樣直徑；h為試樣高度；α為加載圓柱直徑。

試驗(yàn)表明，土樣的含水率越低，干密度越大，脆性越強(qiáng)。達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度后，試樣會(huì)突然裂成兩瓣或者三瓣，且在圓柱加載處產(chǎn)生高約1 cm的錐狀加載核，破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 劈裂破壞形態(tài)

2.2.2 單軸拉伸試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究黃土抗拉特性，現(xiàn)使用專制夾具，對(duì)土樣進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，直接測(cè)得土體抗拉強(qiáng)度，并與軸向劈裂試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。

土樣的含水率與抗拉強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖5?？芍S土抗拉強(qiáng)度在最優(yōu)含水率處最大，并隨著含水率的增長(zhǎng)而不斷減小。其中重塑黃土含水率在13%～15%的抗拉強(qiáng)度變化幅度最大，最大降幅為37.5%；而水泥改良黃土含水率在15%～17%時(shí)抗拉強(qiáng)度變化幅度最大，最大降幅為49%。綜合對(duì)比圖2和圖5可知：重塑黃土和水泥改良黃土的拉壓、抗拉強(qiáng)度隨含水率增長(zhǎng)變化趨勢(shì)一致。

圖5 土樣的含水率與抗拉強(qiáng)度關(guān)系

圖6 土樣的壓實(shí)度與抗拉強(qiáng)度關(guān)系

土樣的壓實(shí)度與抗拉強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖6?？芍?，黃土抗拉強(qiáng)度隨著壓實(shí)度增長(zhǎng)呈非線性增大。其中重塑黃土在壓實(shí)度為95%～98%時(shí)增長(zhǎng)幅度最大，最大漲幅為38%，且隨著含水率的增長(zhǎng)，重塑黃土抗拉強(qiáng)度受壓實(shí)度的影響越來(lái)越?。凰喔牧键S土在壓實(shí)度為98%～100%時(shí)增長(zhǎng)幅度最大，最大增幅為34%。綜合對(duì)比圖3和圖6可知，重塑黃土和改良黃土的抗拉、抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度增長(zhǎng)變化趨勢(shì)一致。

2.3 重塑黃土與水泥改良黃土強(qiáng)度比較

2.3.1 改良效果

相同條件下土樣強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)圖7?？芍褐厮茳S土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的16倍；水泥改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的30倍。經(jīng)水泥改良后，黃土強(qiáng)度特性改善明顯。黃土本身具有較好的抗壓特性。

圖7 相同條件下土樣強(qiáng)度對(duì)比

經(jīng)試驗(yàn)可得，重塑黃土抗壓強(qiáng)度為51～229 kPa，改良后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng) 1 388～4 196 kPa，提高18倍以上，改良效果顯著。黃土抗拉強(qiáng)度較弱。重塑黃土抗拉強(qiáng)度為4.42～18.37 kPa，改良后抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)99.69～250.75 kPa，提高13倍以上，改良效果明顯。

2.3.2 脆性分析

現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)土體強(qiáng)度采用歸一化處理。按照基于歸一化方法的強(qiáng)度定量分析公式(2)，繪制壓實(shí)度為95%時(shí)含水率影響下的歸一化強(qiáng)度曲線和含水率為15%時(shí)壓實(shí)度影響下的歸一化強(qiáng)度曲線。

(2)

式中：Z為歸一化強(qiáng)度；σi為不同含水率、壓實(shí)度下的強(qiáng)度；σt在含水率歸一化強(qiáng)度曲線中含水率為19%時(shí)的強(qiáng)度、在壓實(shí)度歸一化強(qiáng)度曲線中壓實(shí)度為100%時(shí)的強(qiáng)度。

歸一化強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖8。由圖8(a)可知：在含水率影響下，重塑黃土歸一化強(qiáng)度起始值明顯高于水泥改良黃土，且衰減趨勢(shì)更明顯，水泥改良黃土強(qiáng)度歸一化值最大為1.4，重塑黃土強(qiáng)度歸一化值最大為2.9，是水泥改良黃土的2倍有余。由此可知，相對(duì)于水泥改良黃土，含水率對(duì)同條件下的重塑黃土強(qiáng)度影響更大。

由圖8(b)可知：在壓實(shí)度影響下，重塑黃土與水泥改良黃土的歸一化強(qiáng)度起始值相差不大，但隨著壓實(shí)度的增長(zhǎng)，重塑黃土歸一化抗壓強(qiáng)度曲線起始值更小，最高值更大，而水泥改良黃土歸一化抗壓強(qiáng)度曲線近似呈線性；在壓實(shí)度為95%～98%時(shí)，重塑黃土歸一化抗拉強(qiáng)度曲線斜率明顯大于水泥改良黃土。

圖8 歸一化強(qiáng)度曲線

3 討論

圖9 水泥改良黃土單軸拉伸與劈裂試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文通過(guò)室內(nèi)軸向劈裂和單軸拉伸試驗(yàn)對(duì)比分析了重塑黃土及水泥改良黃土的抗拉特性，證明了由單軸劈裂試驗(yàn)測(cè)算土樣抗拉強(qiáng)度的可行性。試驗(yàn)表明，用軸向劈裂法間接測(cè)算土體抗拉強(qiáng)度，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，結(jié)果穩(wěn)定。但與單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果相比，由軸向劈裂試驗(yàn)得出的抗拉強(qiáng)度偏大(見(jiàn)圖9)，主要原因?yàn)椋孩僭嚇拥挠绊憽Ｔ趩屋S拉伸試驗(yàn)中水泥改良黃土因經(jīng)過(guò)一定齡期的養(yǎng)護(hù)，試樣已具有相對(duì)的強(qiáng)度，則可忽略因試樣自重而產(chǎn)生的拉力影響；而測(cè)定重塑黃土?xí)r，為避免含水率變化過(guò)大，在完成制樣后就直接進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)試樣抗拉能力很小，則自重產(chǎn)生的拉力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。②夾具的影響。在單軸拉伸試驗(yàn)中，采用的夾具是由硬質(zhì)鐵皮自制而成。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)土樣施加的拉力由夾具和土樣間的摩擦力承擔(dān)。試驗(yàn)時(shí)，夾具對(duì)土樣施加了約束力，因而土樣端頭產(chǎn)生局部圍壓，更容易被拉斷。再者，試驗(yàn)過(guò)程中，由于夾具與試樣不密貼導(dǎo)致夾具滑移，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有很大影響。③溫度和濕度的影響。本次試驗(yàn)是在室溫18～ 26 ℃，濕度不低于30%的條件下進(jìn)行的。由于在室溫高、濕度小的情況下，試樣會(huì)產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，收縮量有可能會(huì)大于拉伸量。故在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)溫度和濕度加以考慮。

4 結(jié)論

1)重塑黃土試樣在抗壓破壞時(shí)，破裂面沿脹鼓部位近似呈60°，隨著含水率增大脹鼓現(xiàn)象也較明顯；水泥改良黃土試樣抗壓破裂面略大于45°，無(wú)脹鼓。重塑黃土與水泥改良黃土在軸向劈裂和單軸拉伸時(shí)均為脆性破壞，且含水率越低，干密度越大，其脆性越強(qiáng)。

2)黃土改良前抗壓強(qiáng)度為51～229 kPa，抗拉強(qiáng)度為4.42～18.37 kPa；黃土經(jīng)水泥改良后抗壓強(qiáng)度為 1 388～4 196 kPa，抗拉強(qiáng)度為99.69～250.75 kPa。黃土經(jīng)水泥改良后，抗壓強(qiáng)度提高18倍，抗拉強(qiáng)度提高12倍，改良效果明顯。

3)重塑黃土和水泥改良黃土的強(qiáng)度特性均隨壓實(shí)度增大呈非線性增大，隨含水率增大呈非線性減小，在最優(yōu)含水率處達(dá)到最大值。經(jīng)歸一化分析，相對(duì)水泥改良黃土，含水率和壓實(shí)度對(duì)重塑黃土強(qiáng)度特性的影響更明顯。