王智超,彭 柱,彭 峰,閆 實(shí)
(1.湘潭大學(xué) 巖土力學(xué)與工程安全湖南重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411105; 2.湘潭大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411105;3.中國(guó)建筑第五工程局有限公司, 長(zhǎng)沙 410000)
隨著“一帶一路”倡儀的提出,南海海域的島礁工程建設(shè)方興未艾。南沙群島周?chē)植贾罅康拟}質(zhì)砂土,就地取材把鈣質(zhì)砂作為地基土的回填材料,可降低工程造價(jià)成本、縮短施工工期。鈣質(zhì)砂與陸源砂相比有較大的差異[1-5],具有高壓縮性[6]、易破碎性[7]等特點(diǎn),在實(shí)際工程中易造成坍塌、裂縫、樁基承載能力不足等問(wèn)題,故需對(duì)鈣質(zhì)砂及改良后的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。
傳統(tǒng)的改良方法是通過(guò)添加水泥、石灰等固化劑固化鈣質(zhì)砂完成的。Ma等[8]研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)混凝土與珊瑚砂混凝土有著不同的失效模式,這是因?yàn)樯汉魃暗墓橇想m然黏結(jié)面的強(qiáng)度比較大,但是整體的強(qiáng)度低,顆粒內(nèi)孔隙大且形狀不規(guī)則。并且水泥初終凝時(shí)間無(wú)法調(diào)整,干縮性較大,易開(kāi)裂。聚氨酯是一種高分子化合物,具有發(fā)泡時(shí)間短、輕質(zhì)高強(qiáng)、防水抗?jié)B、耐久性好、操作簡(jiǎn)單、安全環(huán)保等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多將高聚物類應(yīng)用于加固邊坡、路基、堤防等工程,在碎石、堆石料等材料中已經(jīng)有了比較成熟、廣泛的運(yùn)用。Buzzi等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)先注入聚氨酯形成的樹(shù)脂-黏土的復(fù)合材料可解決不同地基沉降問(wèn)題,通常在完全密閉條件下,土的膨脹壓力預(yù)期比實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量要低。Woodward等[10]通過(guò)對(duì)鐵路道渣進(jìn)行高聚物注漿并展開(kāi)疲勞試驗(yàn),研究表明聚氨酯注漿可以使路堤沉降量明顯減小。劉平等[11]通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)對(duì)聚氨酯凝膠堆石料的靜力特征展開(kāi)了分析研究,發(fā)現(xiàn)其初始模量隨聚氨基酸甲酯(Poly-urethane Foam Adhesive,PFA)含量的增大而增大,摻聚氨酯減小了堆石料的破碎,增加了黏聚力,內(nèi)摩擦角幾乎不改變,PFA可降低邊坡滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn),安全系數(shù)得以提升。劉漢龍等[12]通過(guò)對(duì)固結(jié)比、圍壓、動(dòng)應(yīng)力比、不同高聚物含量開(kāi)展動(dòng)三軸試驗(yàn)研究高聚物凝膠堆石料的動(dòng)殘余變形,得到高聚物能夠明顯減小堆石料的殘余變形,可作為石壩抗震加固。Gao等[13]通過(guò)一系列無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和共振柱試驗(yàn)對(duì)低應(yīng)變下膨脹聚苯乙烯復(fù)合土的含量、水泥含量和圍壓對(duì)其剛度和阻尼特性的影響進(jìn)行研究,并進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化剪切模量和阻尼比退化模型校正。
鑒于此,本文以馬爾代夫芭環(huán)礁路基工程為背景,采用聚氨酯對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行改良。通過(guò)開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、靜動(dòng)力荷載下的三軸試驗(yàn)以及滲透特性試驗(yàn),研究聚氨酯固化鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、動(dòng)剪切模量和阻尼比以及滲透特性,從而為將聚氨酯應(yīng)用于南海島礁鈣質(zhì)砂地基加固提供一些試驗(yàn)和理論參考。
試驗(yàn)采用的鈣質(zhì)砂取自馬爾代夫,取適量砂樣進(jìn)行淘洗、風(fēng)干、篩分,保留粒徑<2 mm的顆粒,本試驗(yàn)鈣質(zhì)砂天然級(jí)配曲線如圖1所示,不均勻系數(shù)Cu=3.21,曲率系數(shù)Cc=0.57,為級(jí)配不良砂土。
圖1 芭環(huán)礁鈣質(zhì)砂天然級(jí)配Fig.1 Natural gradation of calcareous sand of Baa Atoll
試驗(yàn)采用的PFA是由聚合物多元醇(白料)與異氰酸酯(黑料)按照質(zhì)量比1∶1進(jìn)行反應(yīng)生成,如圖2所示。PFA具有反應(yīng)速度快、輕質(zhì)高強(qiáng)、防水抗?jié)B性能好、耐久性好、操作簡(jiǎn)便、安全環(huán)保等特點(diǎn)。
圖2 黑料、白料及反應(yīng)效果Fig.2 Polymer polyol and isocyanate and their reaction effect
制備試樣時(shí),需使鈣質(zhì)砂與聚氨酯均勻混合,同時(shí)盡量減少制備過(guò)程中鈣質(zhì)砂顆粒破碎。本試驗(yàn)以鈣質(zhì)砂質(zhì)量恒為132 g作為控制標(biāo)準(zhǔn)(干密度控制為1.374 g/cm3),將PFA質(zhì)量與鈣質(zhì)砂試樣質(zhì)量之比定義為PFA的摻量w。把132g鈣質(zhì)砂均分成5份,根據(jù)試驗(yàn)需求分別添加質(zhì)量均等的白料進(jìn)行充分混合,再添加相對(duì)應(yīng)質(zhì)量的黑料,迅速攪拌均勻后,分5層倒入制樣器,并分層擊實(shí)。試樣如圖2(b)所示。
對(duì)南海鈣質(zhì)砂采用PFA快速改良后,繼續(xù)開(kāi)展室內(nèi)土工試驗(yàn)如下:
(1)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。制備摻量2%、5%、8%、10%的聚氨酯鈣質(zhì)砂分別進(jìn)行凝膠時(shí)間(從聚氨酯白黑料混合開(kāi)始計(jì)時(shí))為20 min、45 min、1 h、3 h、6.5 h、10 h的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。
(2)三軸壓縮試驗(yàn)。制備摻量0%、2%、5%、8%、10%的聚氨酯鈣質(zhì)砂分別進(jìn)行圍壓50、100、200 kPa下的固結(jié)不排水試驗(yàn)[14];制備摻量2%、8%的聚氨酯鈣質(zhì)砂分別在淡水和人工制備海水養(yǎng)護(hù)14 d后,進(jìn)行50、100、200 kPa固結(jié)不排水試驗(yàn)。
(3)循環(huán)三軸試驗(yàn)。制備摻量0%、2%、5%、8%、10%的聚氨酯鈣質(zhì)砂等向固結(jié)并分別進(jìn)行頻率為1 Hz,圍壓50、100、200 kPa下的循環(huán)三軸試驗(yàn)。
(4)三軸滲透試驗(yàn)。采用恒壓差控制滲流,恒壓差設(shè)置為20 kPa,制備摻量2%、5%、8%、10%的聚氨酯鈣質(zhì)砂分別在圍壓50、100、200 kPa下進(jìn)行恒水頭滲透試驗(yàn)[15]。
圖3給出了不同摻量下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凝膠時(shí)間的關(guān)系,圖3中的起始點(diǎn)表示鈣質(zhì)素砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖3可知:① 鈣質(zhì)素砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為33.5 kPa,鈣質(zhì)砂顆粒之間的分子吸引力相對(duì)較小;由于鈣質(zhì)砂孔隙較大,顆粒與顆粒之間并無(wú)連結(jié),鈣質(zhì)砂骨架不穩(wěn)定,在外荷載的作用下,顆粒易發(fā)生滑移導(dǎo)致顆粒間的孔隙變小,故鈣質(zhì)砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較小。② 4組曲線變化趨勢(shì)相同,隨著凝膠時(shí)間的增加,強(qiáng)度均逐漸增大。在前20 min的增長(zhǎng)速率最大,在20~45 min、45 min~1 h,斜率均有小幅度的降低,初步固化時(shí)間為1 h,在1~6.5 h強(qiáng)度穩(wěn)定提高,但強(qiáng)度變化變小,這說(shuō)明此段時(shí)間固化穩(wěn)定增加,在6.5~10 h強(qiáng)度基本不變,這說(shuō)明在6.5 h,聚氨酯固化鈣質(zhì)砂強(qiáng)度趨近穩(wěn)定。
圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凝膠時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between unconfined compressive strength and gelling time
2.2.1 靜強(qiáng)度特性
圖4給出了為聚氨酯鈣質(zhì)砂的破壞強(qiáng)度與摻量及圍壓之間的關(guān)系,其主要強(qiáng)度指標(biāo)如表1所示。
表1 不同聚氨酯含量50 kPa圍壓下的破壞參數(shù)Table 1 Failure parameters of samples with different polyester content under confining pressure 50 kPa
圖4 摻量、圍壓及破壞強(qiáng)度擬合三維圖Fig.4 Fitted 3D diagram of dosage, confining pressure and failure strength
由圖4和表1可知:①摻入聚氨酯改良之后的鈣質(zhì)砂的破壞強(qiáng)度顯著提高;圍壓越大,破壞強(qiáng)度越大;②摻入聚氨酯的鈣質(zhì)砂在圍壓為50 kPa下的破壞強(qiáng)度提高最顯著,摻量為10%的固化試樣強(qiáng)度提升率最高,當(dāng)圍壓逐漸增大,強(qiáng)度提升率逐漸降低;③破壞強(qiáng)度隨摻量的增加而逐漸增大,各圍壓下強(qiáng)度變化趨勢(shì)相近,呈線性關(guān)系,即
(1)
式中:Te為破壞強(qiáng)度 (kPa);σ3為圍壓 (kPa);w為摻量(%)。
由表2可以看出:①原狀鈣質(zhì)砂的黏聚力c為39.0 kPa,內(nèi)摩擦角φ為38.1°;②當(dāng)聚氨酯摻量增加,固化后試樣的黏聚力c增加明顯,摻量2%、5%、8%、10%試樣黏聚力c分別是鈣質(zhì)素砂的1.4、1.9、3.4、4.3倍,內(nèi)摩擦角改變較鈣質(zhì)素砂有較小幅度的增加,因此聚氨酯鈣質(zhì)砂的黏聚力有顯著提高,對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小。其中,臨界狀態(tài)應(yīng)力比M=6sinφ(3-sinφ)。
表2 聚氨酯摻量不同的鈣質(zhì)砂黏聚力、內(nèi)摩擦角及MTable 2 Cohesion, internal friction angle and M of calcareous sand with different polyurethane content
2.2.2 聚氨酯鈣質(zhì)砂適應(yīng)性
圖5為不同養(yǎng)護(hù)條件下聚氨酯鈣質(zhì)砂的三軸剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系。由圖5可知:海水與淡水中應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)相同,抗剪強(qiáng)度均得到穩(wěn)定提高;相同摻量下海水養(yǎng)護(hù)條件達(dá)到峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變基本相同。由圖5中不同峰值強(qiáng)度可算出,摻量2%和10%的聚氨酯鈣質(zhì)砂在海水環(huán)境下,黏聚力分別為50.9、157.2 kPa,內(nèi)摩擦角分別為38.8°、39.6°,較相應(yīng)淡水環(huán)境下黏聚力分別降低了4.6、11.4 kPa,內(nèi)摩擦角分別提高了0.4°、0.7° 。因此,使用聚氨酯固化鈣質(zhì)砂仍然可用于海水鹽浴環(huán)境下鈣質(zhì)砂地基土的快速加固。
圖5 淡水、海水養(yǎng)護(hù)不同聚氨酯摻量鈣質(zhì)砂的三軸試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Triaxial test results of calcareous sand with different polyurethane content cured in freshwater and seawater
土的動(dòng)力特性的主要參數(shù)為動(dòng)剪切模量 (降低剪切變形的能力) 和阻尼比 (消耗能量的尺度) 。圖6為同一圍壓下不同摻量聚氨酯鈣質(zhì)砂剪應(yīng)變與動(dòng)剪切模量和阻尼比[16]的關(guān)系曲線。由圖6可知:①摻量影響聚氨酯鈣質(zhì)砂試樣的累積應(yīng)變(即動(dòng)三軸剪應(yīng)變),摻量增加,累積應(yīng)變減小。②動(dòng)剪切模量和阻尼比受摻量影響顯著,摻量越大,動(dòng)剪切模量越大,阻尼比越小。③在低圍壓(50 kPa) 下,摻量2%、5%、8%、10%試樣的初始動(dòng)剪切模量較鈣質(zhì)素砂分別提高了4.69、18.14、49.19、67.33 MPa,最大阻尼比分別為鈣質(zhì)素砂的82.9%、77.3%、59.8%、40%;在高圍壓 (200 kPa) 下動(dòng)剪切模量分別提高了6.89、35.69、79.57、109.51 MPa,最大阻尼分別為鈣質(zhì)素砂阻尼比的79.6%、65%、51%、35%。④剪應(yīng)變?chǔ)胐-阻尼比λ曲線在摻量增加的情況下會(huì)下移。⑤在低圍壓 (50 kPa) 下,不同摻量下聚氨酯鈣質(zhì)砂的動(dòng)剪切模量在剪應(yīng)變?chǔ)胐增加的情況下,變化不斷變小,這說(shuō)明圍壓較低時(shí),摻量對(duì)剪應(yīng)變?chǔ)胐較大時(shí)的動(dòng)剪切模量影響較小。
圖6 不同摻量下聚氨酯鈣質(zhì)砂動(dòng)剪切模量和阻尼比Fig.6 Dynamic shear modulus and damping ratio of calcareous sand with different polyurethane dosages
由于聚氨酯鈣質(zhì)砂的孔隙結(jié)構(gòu)與應(yīng)力波的傳播速度密切相關(guān),聚氨酯反應(yīng)之后生成泡沫會(huì)填充到鈣質(zhì)砂顆粒的間隙中,減少了孔隙,動(dòng)力荷載的傳播速度加大。聚氨酯泡沫能夠?qū)⑩}質(zhì)砂顆粒粘結(jié)在一起,減少了鈣質(zhì)砂顆粒的重新排列,試樣黏聚力增大,當(dāng)摻量增加,聚氨酯產(chǎn)生泡沫更多,與鈣質(zhì)砂顆粒聯(lián)系得更為緊密,固化效果更為顯著。通過(guò)擬合圍壓、摻量以及初始動(dòng)剪切模量,得到的函數(shù)關(guān)系如式(2)所示,繪制三維圖如圖7所示。
圖7 摻量、圍壓及初始動(dòng)剪切模量三維圖Fig.7 Three-dimensional plots of dosage, confining pressure and initial dynamic shear modulus
G0=69.27+2.4w1.55+
(2)
式中:G0為初始動(dòng)剪切模量(MPa);σ3為圍壓(kPa)。
隨著摻量、圍壓的增加,抗剪切強(qiáng)度增加顯著。通過(guò)擬合圍壓、摻量以及最大阻尼比λmax得到函數(shù)關(guān)系如式(3)所示,繪制其三維圖如圖8所示,摻量、圍壓越大,最大阻尼比越低。
圖8 摻量、圍壓及最大阻尼比三維圖Fig.8 Three-dimensional plots of dosage, confining pressure and maximum damping ratio
由圖9可知:①隨著聚氨酯摻量的增加,各組試樣滲透系數(shù)的變化規(guī)律均是逐漸變小的;②在不同圍壓水平下,隨聚氨酯摻量的增加,變化速率減緩,即滲透系數(shù)對(duì)摻量較低的試樣敏感性更大,速率變化越大;③聚氨酯摻量<5%時(shí),滲透系數(shù)對(duì)圍壓敏感性較強(qiáng),聚氨酯摻量>5%時(shí),滲透系數(shù)對(duì)圍壓敏感性較弱;④鈣質(zhì)素砂滲透系數(shù)[17]數(shù)量級(jí)為10-6,在摻了2%、5%、8%、10%的聚氨酯之后其滲透系數(shù)的數(shù)量級(jí)分別降到了10-7、10-8、10-9、10-9,說(shuō)明聚氨酯對(duì)鈣質(zhì)砂補(bǔ)漏效果較好。
圖9 不同聚氨酯摻量鈣質(zhì)砂的滲透系數(shù)Fig.9 Permeability coefficient of calcareous sand with different polyurethane content
摻量較低的固化試樣,凝膠含量較低,凝結(jié)速度較慢,泡沫多且易破裂,孔隙率在凝結(jié)硬化后較高,填充在鈣質(zhì)砂顆粒之間的縫隙較小,故滲流的通道也更多,滲透系數(shù)也較大;隨著摻量的增加,凝膠含量增高,凝結(jié)硬化后的孔隙更低,泡沫減少,破裂產(chǎn)生的滲流通道減少,因而抗?jié)B性能得到提升,滲透系數(shù)降低。以摻量2%和5%為例,在圍壓為50 kPa下,摻量為2%的鈣質(zhì)砂滲透系數(shù)為7.55×10-7m/s,而摻量為5%的鈣質(zhì)砂滲透系數(shù)為7.15×10-8m/s,兩者之間相差10.6倍。摻量>5%,密實(shí)試樣結(jié)構(gòu)的難度加大,故滲透系數(shù)的變化率減緩。整理可得到滲透系數(shù)與圍壓、摻量的經(jīng)驗(yàn)公式為
lgk=(-3.05+215.75×0.92σ3)w+3.4σ3-0.1。(4)
式中k為滲透系數(shù)(10-8m/s)。
式 (4)可針對(duì)實(shí)際工程預(yù)測(cè)滲透系數(shù),繪制三者之間關(guān)系的三維圖,如圖10所示。
圖10 摻量、圍壓及滲透系數(shù)三維圖Fig.10 Three-dimensional plots of dosage, confining pressure and permeability coefficient
可見(jiàn),在70 kPa以內(nèi),在滲透系數(shù)-摻量平面內(nèi),摻量與滲透系數(shù)的曲線斜率逐漸變大,在70 kPa以上,斜率均保持大小不變,在滲透系數(shù)-摻量面的投影幾近重合。
本文對(duì)鈣質(zhì)砂基本物理性質(zhì)及聚氨酯改良鈣質(zhì)砂后的力學(xué)性能展開(kāi)了研究。通過(guò)一系列試驗(yàn),研究了聚氨酯固化的最優(yōu)凝膠時(shí)間,不同摻量聚氨酯鈣質(zhì)砂的靜、動(dòng)強(qiáng)度,聚氨酯鈣質(zhì)砂的滲透特性,以及海水養(yǎng)護(hù)下聚氨酯鈣質(zhì)砂的適應(yīng)性。主要結(jié)論如下:
(1)聚氨酯固化鈣質(zhì)砂抗壓強(qiáng)度前期增長(zhǎng)較快,中期增長(zhǎng)逐漸降低,后期增長(zhǎng)較慢。初步的固化時(shí)間為1 h,在6.5 h之后趨于穩(wěn)定,運(yùn)用于工程上的最佳凝膠時(shí)間為6.5 h。
(2)聚氨酯的摻入有效地改善了鈣質(zhì)砂的靜力特性和抗壓性能。固化試樣黏聚力得到顯著提高,內(nèi)摩擦角基本保持不變,且在海水條件養(yǎng)護(hù)下與淡水環(huán)境下靜強(qiáng)度相差不大,耐鹽性較好。
(3)在低圍壓下,摻量2%、5%、8%、10%的初始動(dòng)剪切模量較鈣質(zhì)素砂分別提高了4.69、18.14、49.19、67.33 MPa,最大阻尼比分別為鈣質(zhì)素砂的82.9%、77.3%、59.8%、40%。在高圍壓下動(dòng)剪切模量分別提高了6.89、35.69、79.57、109.51 MPa,最大阻尼分別為鈣質(zhì)素砂阻尼比的79.6%、65%、51%、35%。
(4)鈣質(zhì)素砂滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)為10-6,在摻了2%、5%、8%、10%的聚氨酯之后其滲透系數(shù)分別降了1~2個(gè)數(shù)量級(jí),說(shuō)明聚氨酯對(duì)鈣質(zhì)砂補(bǔ)漏效果較好。