黃土制備人工結構性土方法的可行性研究

汪儒鴻，周海清，彭國園

（1陸軍勤務學院軍事設施系，重慶 401331；2西北核技術研究所，陜西西安710024）

0 引言

天然結構性土具有膠結、大孔隙的特點[1]，其巖土本構關系研究在國內外尚處發展階段。由于天然結構性土的室內實驗存在材料不均勻性、現場取樣對試樣的擾動以及試驗重復性低等問題，目前針對原狀結構性土展開的室內研究較少，催生了許多以人工結構性土代替天然結構性土進行研究的方法。從制樣原料上來說，普遍的做法包括往粉質黏土中添加水泥粉末[2]，或同時加入冰片[3]、鹽粒[4]等來制得具有粒間膠結效應的人工結構性土。有的也嘗試以砂土為主要原料來制取人工膠結土[5-6]；從制樣方法上來說，目前既有擊樣法制樣[7]，也有壓樣法制樣[8]，還有的采取泥漿灌注法制得人工結構性土試樣[9]。通過以上方法制得的人工結構性土，均能較好反映部分天然結構性土的主要力學性質，特別是在表現高結構性強度所導致的土體應變軟化特性[10]上較好。然而，以粉質黏土為主要原料的人工結構性土制樣工藝較為繁瑣，且粉質黏土種類較多，不同粉質黏土制得的人工結構性土區別較大，其研究不具有對比意義。更重要的是：以粉質黏土或砂土作為主要原料的人工結構性土在制樣過程中需耗費較多的水泥，要水泥水化時間較長才能保證試樣出現明顯的應變軟化特性，這也說明這兩種土體并不容易形成結構性強度。因此，這里探討以天然結構性黃土為主要原料來制備人工結構性土的可行性，并結合大量三軸壓縮試驗，從各個角度對其制得試樣的主要力學特性進行了分析。

1 人工結構性土的制樣

1.1制樣原料

制備人工結構性土的原料為天然黃土粉末及普通硅酸鹽水泥粉末。由于原狀黃土本身就具有天然結構性強度，經充分破碎后采用其粉末加水泥制成的人工結構性土在顆粒粒徑、顆粒級配以及土粒膠結形式上都更近似于天然結構性土。

實驗用黃土取自延安新區工地現場，為原狀Q3黃土，土體的物理性質見表1。

表1 原狀Q3土樣的基本物理指標

1.2制樣過程

將黃土及水泥充分破碎后過0.1 mm孔徑的標準篩，這樣有助于顆粒之間更好地形成膠結。然后，將兩類粉末同時烘干，按一定水泥質量配比混合，即成人工結構性土制備的完整原料粉末。將混合好的完整原料粉末加水配置成初始含水率ω=12%的土樣，經放置一晚后，測其實際含水率，按土工試驗方法標準GB/T 50123—1999的要求制成干密度均為1.5g/cm2的三軸試樣。最后，將所有三軸試樣抽氣飽和并浸水養護48h。

2 人工結構性土的力學特性分析

2.1三軸壓縮試驗條件

按水泥質量配比的不同，將人工結構性土試樣分為四組，每組包含若干個試樣。每組試樣的初始水泥質量配比按從小到大依次為無、1%、2%、5%，以下簡稱為無、1%、2%、5%水泥試樣。將每組試樣分別在100kPa、150kPa、200kPa的圍壓中進行多次不固結不排水三軸壓縮試驗，得到應力-應變曲線。

2.2偏應力-軸向應變曲線

不同水泥質量配比的人工結構性土在不同圍壓條件下的偏應力-軸向應變曲線如圖1所示。

圖1 偏應力-軸向應變曲線

2.3人工結構性土的力學特性分析

2.3.1 應力-應變曲線

如圖1所示，在所選取的最高水泥質量配比及水化時間范圍內，水泥質量配比對黃土制備人工結構性土試樣的應力-應變曲線影響巨大。相同圍壓條件下：水泥質量配比越高的試樣應變軟化特性越強，同時峰值強度與殘余強度的比值越大。與同類型研究[11-13]相比，5%的水泥質量配比以及48h的水泥水化時間在原材料耗費、時間耗費等方面均屬較低程度。說明黃土制備人工結構性土的結構性強度對水泥質量配比具有較高的敏感性，比較適合模擬不同結構性強度的天然結構性土。

2.3.2 材料破壞特點

不同水泥質量配比試樣在三軸壓縮試驗過程中同樣表現出明顯不同的破壞特征。圖2所示為三軸試樣實驗前的初始狀態，此時試樣呈完整圓柱狀，表面光滑無裂痕。

實驗結束之后，以5%水泥質量配比為主的試樣多呈現縱向或斜向劈裂型破壞，整體裂隙及變形較少，具有明顯脆性破壞的特征，如圖3a所示；以2%水泥質量配比為主的試樣在破壞時表面裂隙更多，整體呈現出更復雜的破壞狀態，如圖3b所示；以1%和無水泥質量配比為主的試樣多呈現鼓脹破壞，土體表面無明顯裂隙，土體變形較大，如圖3c所示。

綜合來看，水泥質量配比越高的試樣表現出越明顯的脆性破壞特征，試樣破壞時以剪切面的貫通為主，整體形變較小；水泥質量配比越低的試樣，在破壞時以均勻剪切為主，整體形變更大。

圖2 三軸試樣初始狀態

3 結構性系數的應用

為定量分析不同水泥質量配比的人工結構性土的應變軟化規律不同，這里提出結構性系數的概念。結構性系數屬于無量綱常數，其數值等于不同圍壓條件下人工結構性土偏應力-軸向應變曲線上材料峰值強度與殘余強度之比。其峰值強度取試樣的最大偏應力，殘余強度取試樣軸向應變達到15%左右時的偏應力。

圖3 三軸試樣破壞狀態

選取水泥質量配比分別為5%、2%以及無的三種人工結構性土來進行對比，以下簡稱為5%、2%、無水泥試樣。各人工結構性土在不同圍壓下的結構性系數如表2—表4所示。

表2 結構性系數-5%試樣

表3 結構性系數-2%試樣

表4 結構性系數-無水泥試樣

從數值上來看，相同水泥質量配比的人工結構性土在不同圍壓下的結構性系數相近；而不同水泥質量配比的人工結構性土則呈現出在相同圍壓條件下，水泥質量配比越高的試樣其結構性系數越大。結合文獻[14-15]作進一步分析：結構性系數的大小實際上反映了人工結構性土的結構性強度占整體材料強度的比例，即類似于結構性土二元介質模型中對膠結元強度與摩擦元強度的界定。對水泥質量配比越高的試樣而言，結構性強度占整體材料強度的比例較大，與殘余強度的比值較大，相應的結構性系數也較大。

4 結論

結合室內三軸壓縮實驗，探討以黃土作為主要原料制備人工結構性土的可行性；以人工結構性土的力學特性為基礎，提出了結構性系數的概念。所得結論如下：

1）原狀Q3黃土粉末適合作為人工結構性土制樣的主要原料，其制得人工結構性土的材料強度對水泥質量配比有較高敏感性；

2）以黃土為主要原料的人工結構性土在最高5%水泥含量及48h的水化時間以內，隨水泥質量配比的不同而表現出規律性力學特性變化。其中，水泥配比越高的試樣具有的應變軟化現象越明顯，且試樣破壞時越接近脆性破壞；

3）結構性系數的大小反映了人工結構性土的初始結構性強度占整體材料強度的比例，屬于自身材料屬性，受外界圍壓的影響較小。