杜長(zhǎng)鈴，黃順佩，朱尚明，甘 鑫，陳華軍

(1.中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，北京 100070;2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都 611730;3.武漢理工大學(xué)，武漢 430070;4.日昇創(chuàng)意景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)湖北有限公司，武漢 430074)

福州市南港道大橋與福州地鐵6號(hào)線壺井站-萬壽站區(qū)間隧道交匯工程，施工的高架橋樁基樁徑2.2 m、樁長(zhǎng)達(dá)88 m，與鄰近在建地鐵隧道最小間距僅2.1 m，樁基與地鐵隧道近接段地質(zhì)軟土厚達(dá)35 m。由于軟土具有高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性、流變性及觸變性，在工程建設(shè)中極易被擾動(dòng)而造成不利的環(huán)境變形，因此考慮在施工過程中同時(shí)對(duì)擾動(dòng)軟土進(jìn)行固化改性，提高其強(qiáng)度，以滿足變形控制要求。

目前各土的抗剪強(qiáng)度特性影響因素中，水泥改良對(duì)土的抗剪強(qiáng)度特性影響研究較少，部分學(xué)者通過對(duì)一定水泥摻量比例的水泥改良膨脹土進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，研究表明：水泥的摻入能有效提高改良膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角[1-3]。吳剛等[4]對(duì)摻入不同水泥比和不同的養(yǎng)護(hù)齡期的河積軟土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)表明：應(yīng)力相同的前提下，隨著水泥摻量和齡期的增大，應(yīng)變會(huì)越來越小，強(qiáng)度會(huì)越來越大。李永彪等[5]和梁勇等[6]認(rèn)為隨著水泥摻量的增加，水泥改良膨脹土的內(nèi)摩擦角會(huì)逐漸增大，之后又逐漸變緩直至穩(wěn)定；而膨脹土的粘聚力也會(huì)隨著水泥的增加而增加。內(nèi)摩擦角的增大趨勢(shì)為先快后慢，而粘聚力增大的趨勢(shì)先慢后快,然后逐漸減慢。閆奇等[7]通過直剪及濾紙法試驗(yàn)建立了某邊坡黏土含水率不同情況下的基質(zhì)吸力變化函數(shù)，得到不同含水率對(duì)應(yīng)的不同基質(zhì)吸力對(duì)非飽和黏土的抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。曹志翔等[8]使用疊環(huán)式剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同含水率砂土的直剪試驗(yàn)，表明砂土在較低法向應(yīng)力作用及某特定含水率情況下有利于土體抗剪強(qiáng)度的提升。

目前大多數(shù)研究主要集中在重塑土或原狀土剪切速率對(duì)土的抗剪強(qiáng)度特性的影響，對(duì)擾動(dòng)重塑后及水泥改性后的抗剪強(qiáng)度特征的研究甚少，探究土的抗剪強(qiáng)度特征影響因素方面，也只是含水率、干密度、圍壓、固結(jié)狀態(tài)等單一因素的影響規(guī)律。論文以福州原狀軟土、重塑軟土及水泥改性土為對(duì)象，分別以不同的剪切速率進(jìn)行直剪試驗(yàn)，探究福州軟土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，為軟土地區(qū)加固設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案與試樣制備

1.1 土樣及試樣制備

原狀土試樣取自福州新城高速公路南港道大橋與地鐵6號(hào)線隧道交匯處地鐵隧道頂板到底板高程中間段，土樣呈灰黑色，淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土為主，呈現(xiàn)飽和、軟塑-軟可塑狀態(tài)，含少量貝殼和云母類物質(zhì)，屬于福州地區(qū)典型的海相沉積軟土。原狀土試樣嚴(yán)格按照土試樣等級(jí)Ⅰ級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)取出置于環(huán)刀中，進(jìn)行基本物理試驗(yàn)，其基本物理指標(biāo)如表1所示。

表1 原狀土基本物理指標(biāo)

試驗(yàn)用1%、2%水泥土樣制備不同擾動(dòng)程度的土樣，采用原狀土在室外風(fēng)干后碾碎過0.45 mm土工篩的重塑土、型號(hào)為525硅酸鹽的水泥、食用鹽、水作為材料，在重塑土中加入水泥，具體制備方法如下：1)將以上所述混合料充分混合攪拌均勻后置于環(huán)刀中，采用壓樣法進(jìn)行壓實(shí)，再加入適量的水并置于潮濕的環(huán)境中達(dá)到初凝。2)土樣置于流動(dòng)的水中1 d，將食用鹽粒全部溶解隨水流帶走。3)將試樣抽氣飽和，并將所有試樣養(yǎng)護(hù)3 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

人工制備結(jié)構(gòu)性土的配比如表2所示。

表2 人工制備結(jié)構(gòu)性土的配比

1.2 試驗(yàn)方法

飽和的土樣從飽和器中取出后緩慢從環(huán)刀中推入剪切盒中待土樣加垂直壓力固結(jié)100 min后進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)確保飽和。原狀土樣、重塑土樣、水泥摻量為1%、2%的人工結(jié)構(gòu)性土各有四組土樣，每組制備六個(gè)試樣，分別在剪切速率為 0.2 mm/min、0.8mm/min、1.6 mm/min、2.4 mm/min和法向應(yīng)力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的條件下進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。

2 水泥摻量對(duì)擾動(dòng)土強(qiáng)度性能的改良效果

2.1 直接剪切強(qiáng)度

根據(jù)剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線無明顯的剪應(yīng)力峰值，取剪切位移為4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度值，對(duì)4組法向應(yīng)力為200 kPa、300 kPa、400 kPa試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖1、圖2所示。在相同的法向應(yīng)力條件下，隨著水泥摻量的增加，抗剪強(qiáng)度值也隨之增大。原狀土與重塑土黏聚力大小變化范圍為0～12.57 kPa，2%水泥土、1%水泥土，重塑土黏聚力減少幅值分別為21.0%、81.1%、100%。原狀土與重塑土內(nèi)摩擦角大小變化范圍為10.29°～11.22°，2%水泥土、1%水泥土，重塑土內(nèi)摩擦角減少量分別為0.075°、0.241°、0.927°，擾動(dòng)程度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響范圍小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：引起內(nèi)摩擦角變化的大小主要受土顆粒形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)以及密實(shí)度的影響[9]，而水泥改性土重構(gòu)了土顆粒間的膠結(jié)作用，并沒有改變土顆粒的形態(tài)和大小，所以內(nèi)摩擦角只在10.29°～11.22°小區(qū)域變化。

2.2 剪切速率影響

根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在剪應(yīng)力和剪切位移關(guān)系曲線上取峰值點(diǎn)或穩(wěn)定值作為抗剪強(qiáng)度值，對(duì)于沒有明顯峰值點(diǎn)，取剪切位移為4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度值。對(duì)不同剪切速率下的各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，繪制土體抗剪強(qiáng)度包線，如圖3所示。原狀土、2%水泥土、1%水泥土與重塑土內(nèi)摩擦角φ和剪切速率v的關(guān)系曲線如圖4(a)，原狀土、2%水泥土、1%水泥土、重塑土的內(nèi)摩擦角從剪切速率變化范圍0.2～2.4 mm/min分別減小了44.7%、39.1%、36.6%、29.9%，原狀土內(nèi)摩擦角受剪切速率的影響更加明顯，隨著剪切速率的增加內(nèi)摩擦角減少幅度增大，原狀土在2.4 mm/min剪切速率下內(nèi)摩擦角小于重塑土的內(nèi)摩擦角。

各土樣黏聚力c和剪切速率v的關(guān)系曲線見圖4(b)，原狀土的黏聚力在各剪切速率下均大于重塑土的黏聚力，隨著剪切速率的增加差值分別為6.53 kPa、13.1 kPa、10.9 kPa、19.3 kPa；2%水泥摻量土的黏聚力在各剪切速率下均大于1%水泥摻量土的黏聚力，隨著剪切速率的增加差值分別為2.73 kPa、4.24 kPa、5.00 kPa、4.01 kPa，呈逐漸增大的趨勢(shì)；隨著剪切速率的增加，黏聚力均出現(xiàn)先增大后降低再增大的現(xiàn)象。兩種水泥土與原狀土、重塑土的黏聚力隨著剪切速率的增加表現(xiàn)處相似的規(guī)律。黏聚力從產(chǎn)生原因上分析[3]，主要有結(jié)合水的聯(lián)結(jié)作用、礦物質(zhì)的膠結(jié)作用、毛細(xì)水的連結(jié)作用及化學(xué)健力等。飽和土含水率降低時(shí)土粒周圍的結(jié)合水厚度變薄，孔隙率降低，土顆粒間的距離變短，水膜膠結(jié)作用力加強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)為黏聚力增加。由于原狀土有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性弱化了這方面的影響，重塑土的黏聚力則表現(xiàn)為隨著剪切速率的增加而減少。

3 結(jié) 論

a.從原狀土、2%水泥改性土、1%水泥改性土到重塑土，內(nèi)摩擦角和黏聚力均隨著擾動(dòng)程度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，原狀土與重塑土黏聚力大小變化范圍為0～7.05 kPa，內(nèi)摩擦角在10.29°～11.22°區(qū)域變化。水泥摻量為1%時(shí)改性土接近重塑土的剪切力學(xué)特征，隨著水泥摻入比增加到2%，改性土接近原狀土的剪切力學(xué)特征。

b.隨著剪切速率的增加，原狀土的內(nèi)摩擦角在0.2～2.4 mm/min剪切速率范圍內(nèi)減小了44.7%，2%水泥摻量土減少了39.1%，1%水泥摻量土減少了36.6%，重塑土減少了29.9%。原狀土在2.4 mm/min剪切速率下內(nèi)摩擦角小于重塑土的內(nèi)摩擦角。

c.原狀土的黏聚力在各剪切速率下均大于重塑土的黏聚力，隨著剪切速率的增加差值分別為6.53 kPa、13.1 kPa、10.9 kPa、19.3 kPa；2%水泥摻量土的黏聚力在各剪切速率下均大于1%水泥摻量土的黏聚力，隨著剪切速率的增加差值分別為2.73 kPa、4.24 kPa、5.00 kPa、4.01 kPa，呈逐漸增大的趨勢(shì);隨著剪切速率的增加，黏聚力均出現(xiàn)先增大后降低再增大的現(xiàn)象。