劉雨，朱自強(qiáng)，陳俊樺

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干濕循環(huán)條件下水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土的靜力特性試驗(yàn)研究

劉雨1, 2，朱自強(qiáng)1，陳俊樺3

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 湖南省有色地質(zhì)勘查研究院，湖南 長(zhǎng)沙，410015；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

為研究水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土靜力性質(zhì)的干濕循環(huán)效應(yīng)，首先，使標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d以上的試樣經(jīng)受干濕循環(huán)作用，然后，該試樣開(kāi)展大型三軸壓縮試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)得到改良土樣的軸向最大應(yīng)力差、內(nèi)摩擦角、黏聚力和彈性模量等力學(xué)參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律，并分析圍壓和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)這些變化規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明：隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)增加，軸向最大應(yīng)力差、內(nèi)摩擦角、黏聚力和彈性模量等力學(xué)參數(shù)均有所衰減，但衰減到一定程度后逐漸趨于穩(wěn)定，其中，內(nèi)摩擦角的衰減幅度最??；軸向最大應(yīng)力差和彈性模量的衰減幅度均隨圍壓的增大而減?。浑S著養(yǎng)護(hù)齡期增大，軸向最大應(yīng)力差和黏聚力的衰減幅度均減小，但養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)彈性模量和內(nèi)摩擦角的衰減幅度影響不大。

土力學(xué)；干濕循環(huán)；水泥改良粗粒土；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期；大型三軸壓縮試驗(yàn)；圍壓

對(duì)于高速公路、高速鐵路和機(jī)場(chǎng)跑道等對(duì)路基承載性能要求高的工程項(xiàng)目，膨脹土、濕陷性黃土等水穩(wěn)性差的土料不能直接用于填筑路基，為滿足工程要求，需要對(duì)這些水穩(wěn)性差的土料進(jìn)行化學(xué)改良。常見(jiàn)的化學(xué)改良方法有水泥改良和石灰改良。例如，根據(jù)文獻(xiàn)[1?2]，武廣(武漢—廣州)高鐵線路的岳陽(yáng)段大部分處于泥質(zhì)板巖區(qū)內(nèi)，而泥質(zhì)板巖土水穩(wěn)性差，不能直接用于填筑高鐵路基，為此，需要對(duì)泥質(zhì)板巖土進(jìn)行水泥改良。根據(jù)閆國(guó)棟等[2?7]的研究成果，對(duì)于工程中應(yīng)用的化學(xué)改良土，由于土內(nèi)的水泥或者石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)10%，故土中雖然形成了石灰或者水泥凝膠網(wǎng)，但凝膠網(wǎng)并不能完全隔絕網(wǎng)內(nèi)包裹的土顆粒團(tuán)與外界接觸，導(dǎo)致包裹的顆粒團(tuán)可能會(huì)受到水的作用，故水泥或者石灰發(fā)揮的作用有限。對(duì)于水穩(wěn)定性差的土，改良后也可能會(huì)受干濕循環(huán)的影響。為評(píng)價(jià)化學(xué)改良土的改良效果，需要研究干濕循環(huán)對(duì)改良土力學(xué)性質(zhì)的影響。目前，針對(duì)化學(xué)改良土靜力性質(zhì)的干濕循環(huán)效應(yīng)，通常采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行研究，而且主要針對(duì)粉土或者黏土等細(xì)粒土[1?10]，如：安愛(ài)軍[1]針對(duì)水泥改良泥質(zhì)板巖土、王建華等[3]針?biāo)喔牧挤弁梁头圪|(zhì)黏土、鄭旭等[6]針對(duì)活性MgO固化粉土，各自進(jìn)行了干濕循環(huán)條件下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)條件簡(jiǎn)單，但獲得的參數(shù)只有無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)化學(xué)改良土力學(xué)性質(zhì)的干濕循環(huán)效應(yīng)顯得較片面。三軸壓縮試驗(yàn)是研究土工程力學(xué)特性的常用方法之一，由該試驗(yàn)可以獲得彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力等工程常用參數(shù)，因此，與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相比，根據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)干濕循環(huán)效應(yīng)更全面也更合理，但三軸壓縮試驗(yàn)條件比無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)條件復(fù)雜得多。三軸壓縮試驗(yàn)包括小型三軸壓縮試驗(yàn)和大型三軸壓縮試驗(yàn)，前者主要用于研究細(xì)粒土，而后者主要研究粗粒土。在試驗(yàn)裝置、制樣和試驗(yàn)過(guò)程等方面，大型三軸壓縮試驗(yàn)又比小型三軸壓縮試驗(yàn)復(fù)雜很多，因此，目前針對(duì)化學(xué)改良土靜力學(xué)性質(zhì)的干濕循環(huán)效應(yīng)，大多數(shù)研究者采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)開(kāi)展研究，較少研究者采用小型三軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行研究[11]，而關(guān)于干濕循環(huán)對(duì)化學(xué)改良粗粒土靜力性質(zhì)影響的研究成果很少。目前，粗粒土在工程中應(yīng)用越來(lái)越廣，如我國(guó)高鐵路基通常采用粗粒土作為填料?；瘜W(xué)改良粗粒土能否應(yīng)用于實(shí)際工程有待研究，需要評(píng)價(jià)干濕循環(huán)對(duì)化學(xué)改良粗粒土力學(xué)性質(zhì)的影響。為此，本文作者針對(duì)水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土設(shè)計(jì)了干濕循環(huán)條件下的大型靜三軸壓縮試驗(yàn)，利用試驗(yàn)研究改良土的彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力等參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，并分析圍壓和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)干濕循環(huán)效應(yīng)的影響。

1 干濕循環(huán)條件下水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土的大型靜三軸壓縮試驗(yàn)

1.1 土樣

泥質(zhì)板巖土樣取自湖南省岳陽(yáng)市區(qū)。土樣顏色為褐黃色，其主要礦物成分為石英、白云母和綠泥石等。試驗(yàn)所用土的顆粒粒徑小于40 mm，不均勻系數(shù)為28.7，曲率系數(shù)為7.4，細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.7%。土的級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。按照GB/T 50145—2007“土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)”，土樣命名為級(jí)配不良的含細(xì)粒土礫。

圖1 泥質(zhì)板巖粗粒土級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)設(shè)備為中南大學(xué)的TAJ?2000大型靜動(dòng)三軸儀。對(duì)于靜態(tài)試驗(yàn)，該儀器可施加的最大軸向力為 2 MN，可施加的最大圍壓為10 MPa，加載控制方式包括力控制和位移控制。

1.2.2 改良土樣的制作

據(jù)試驗(yàn)儀器規(guī)格，試樣為圓柱體，其直徑為 300 mm，高度為600 mm?，F(xiàn)有研究表明[12?16]：當(dāng)改良土中水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)4%時(shí)，其力學(xué)性質(zhì)一般可滿足路基填筑要求。在土樣中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% 的水泥(P.O32.5)，試樣含水率為15%，干密度為 2.19 g/cm3。

1.2.3 試樣干濕循環(huán)處理

試樣的1個(gè)完整干濕循環(huán)過(guò)程應(yīng)包括吸水和失水2部分[11]。由于溫度、濕度和時(shí)間等均對(duì)試樣的吸水和失水有重要影響，而試樣的吸水量或者失水量又對(duì)其變形有重要影響，因此，試樣的干濕循環(huán)過(guò)程比較復(fù)雜，目前，國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有統(tǒng)一的干濕循環(huán)試驗(yàn)標(biāo) 準(zhǔn)。人們采用不同的方法對(duì)試樣進(jìn)行干濕循環(huán)處 理[1?3, 17?21]，如：安愛(ài)國(guó)[1]先將細(xì)粒土試樣在水中浸泡2 d，然后在室內(nèi)自然風(fēng)干2 d，認(rèn)為這是1次干濕循環(huán)；王建華等[3]首先利用自然風(fēng)干使試樣失水率達(dá)到30%，然后采用抽真空法使試樣飽和，這2部分構(gòu)成1個(gè)干濕循環(huán)；楊和平等[17]首先將土樣放在強(qiáng)光下照射96 h，使土失水、干燥，然后將試樣靜置，靜置 24 h后再將試樣浸泡水中24 h，使土樣吸水飽和，這一過(guò)程代表1次干濕循環(huán)；陳樂(lè)求等[11]認(rèn)為，與細(xì)粒土不同，泥質(zhì)板巖粗粒土的孔隙較大，土進(jìn)行完全吸水與完全失水的過(guò)程都較短，因此，將試樣泡水1 d后，再自然風(fēng)干1 d，此為1次干濕循環(huán)。本文采用陳樂(lè)求等[11]提出的方法對(duì)試樣進(jìn)行干濕循環(huán)處理。

1.2.4 試驗(yàn)方法

對(duì)改良土試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)計(jì)為28，40，60，90 和180 d，共5個(gè)齡期。各個(gè)試樣的干濕循環(huán)次數(shù)為14次。為考慮圍壓對(duì)干濕循環(huán)效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)4個(gè)圍壓()：100，150，300 和500 kPa。加載時(shí)，先對(duì)試樣進(jìn)行等向固結(jié)，然后采用位移控制模式在試樣軸向施加荷載，加荷速率為1 mm/mim。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 干濕循環(huán)作用對(duì)軸向最大應(yīng)力差的影響

2.1.1 軸向最大應(yīng)力差

對(duì)于三軸壓縮試驗(yàn)，當(dāng)軸向應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線到達(dá)峰值點(diǎn)時(shí)，表示試樣剛好達(dá)到剪切破壞狀態(tài)。若無(wú)峰值點(diǎn)，則當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)表示試樣剛好達(dá)到剪切破壞狀態(tài)。土剪切破壞時(shí)的軸向應(yīng)力差為軸向最大應(yīng)力差。根據(jù)莫爾?庫(kù)侖準(zhǔn)則，軸向最大應(yīng)力差、內(nèi)摩擦角和黏聚力之間滿足：

干濕循環(huán)數(shù)N/次：1—0；2—3；3—10。

當(dāng)齡期達(dá)到28 d時(shí)，軸向最大應(yīng)力差與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系見(jiàn)圖3，圍壓=100 kPa 時(shí)和之間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

從圖3可見(jiàn)：當(dāng)圍壓為300 kPa時(shí)，干濕循環(huán)初始的軸向最大應(yīng)力差為1.957 0 MPa，干濕循環(huán)14次后軸向最大應(yīng)力差為1.663 5 MPa，軸向最大應(yīng)力差降低15.0%。可見(jiàn)：隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，軸向最大應(yīng)力差不斷衰減直至趨于穩(wěn)定。

圍壓S/kPa：1—100；2—150；3—300。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期T/d：1—40；2—60；3—90。

從圖4可看出：當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，軸向最大應(yīng)力差剛開(kāi)始很快衰減；循環(huán)6~7次后，軸向最大應(yīng)力差衰減變緩并趨于穩(wěn)定。

2.1.2 圍壓對(duì)軸向最大應(yīng)力差衰減的影響

為方便分析，以干濕循環(huán)初始時(shí)刻最大應(yīng)力差、內(nèi)摩擦角、黏聚力和彈性模量的數(shù)值為參考，本文統(tǒng)一利用衰減率這個(gè)量綱一指標(biāo)對(duì)軸向最大應(yīng)力差、內(nèi)摩擦角、黏聚力和彈性模量的衰減進(jìn)行評(píng)價(jià)，各力學(xué)參數(shù)的衰減率計(jì)算為: