水泥改良泥質板巖粗粒土的靜力特性

劉雨，陳俊樺，朱自強

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410012；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075)

化學改良土具有良好的抗水軟化性、較高的強度與剛度等特點，是建筑地基、路基等基礎工程中常用的填料。工程中常見的化學改良土主要包括水泥改良土和石灰改良土等。對于水泥改良土或者石灰改良土，水泥或石灰的膠凝作用導致改良土形成水泥-土骨架或者石灰-土骨架[1]，使得化學改良土的力學性質介于普通土料和類巖石材料之間[2]，較復雜。目前，對化學改良土靜力性質的研究方法主要為無側限抗壓強度試驗、直剪試驗和三軸壓縮試驗，根據研究結果評價改良效果，如：俞永華等[3]針對水泥改良黃土、賈厚華[4]針對石灰改良泥質板巖土和水泥改良泥質板巖土、高曉波等[5]針對石灰改良膨脹土開展了無側限抗壓強度試驗研究。李志清等[6]針對水泥改良黃土、邊加敏等[7]針對石灰改良膨脹土和楊俊等[8]針對水泥改良風化砂土開展了直剪試驗研究。賀建清等[9]針對水泥改良淤泥質亞黏土、李作恒[10]針對石灰改良鹽漬土和周葆春等[11]針對石灰改良膨脹土開展了三軸靜壓縮試驗研究。雖然無側限抗壓強度試驗條件最簡單，但由試驗只能獲得無側限抗壓強度這1個力學參數。與無側限抗壓強度試驗相比，通過直剪試驗可得較多的土力學參數如剪切強度、內摩擦角和黏聚力等，但剪切面受人為控制，其均勻性很難保證[12-13]，直剪試驗結果可能與工程實際相差較大。三軸壓縮試驗能有效模擬圍壓、排水條件等因素，通過試驗可以獲得抗壓強度、黏聚力、內摩擦角、彈性模量和應力-應變關系等，對改良效果評價最全面，在工程中應用最廣。對承載性能要求較高的基礎工程如鐵路、公路和飛機場跑道等路基工程，一般選用粗粒土作為填料，但目前化學改良土靜力性質研究主要是針對改良粉土、改良黏性土等細粒土，而針對粗粒土的研究成果很少，這是因為粗粒土力學性質研究一般需要利用大型三軸試驗開展，而無論是試驗設備還是試驗過程，大型三軸試驗都要比無側限抗壓強度試驗、直剪試驗和小型三軸試驗復雜。泥質板巖土遇水浸泡易軟化、崩解，水穩性差，為使泥質板巖土能夠滿足基礎填筑要求，需要對泥質板巖土進行水泥改良或者石灰改良[4]。考慮到粗粒土的應用較廣并可為泥質板巖改良粗粒土的本構關系研究和改良效果評價等提供參考，本文作者以水泥改良前后的泥質板巖粗粒土為研究對象，利用大型三軸儀開展靜力性質試驗，得到土的應力與應變關系、強度和彈性模量等，并比較水泥改良土和未改良土的力學性質。

1 水泥改良泥質板巖粗粒土三軸壓縮試驗方案

1.1 未改良土樣

試驗所用的未改良土樣取自湖南省岳陽市區。土樣為褐黃色泥質板巖粗粒土。土中主要含白云母、石英、綠泥石和高嶺石等礦物成分，其中黏土礦物主要為綠泥石和高齡石。土樣天然含水率為5%～20%，密度為1.04～1.71 g/cm3。土樣顆粒粒度小于60 mm，土中礫粒組質量分數為 58.8%，砂粒組質量分數為33.6%，細粒土質量分數為8%，土的不均勻系數和曲率系數分別為133.6和 0.28，級配曲線見圖1。根據GB/T 50145—2007“土的工程分類標準”，未改良土樣為含細粒土礫。

圖1 泥質板巖粗粒土(未改良)的級配曲線Fig.1 Gradation curve of argillaceous slate coarse-grained soil (unimproved)

1.2 試驗設計

1) 試驗設備為中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室的TAJ-2000大型靜動三軸儀。

2) 利用普通硅酸鹽水泥P.O32.5對土進行化學改良。現有研究表明[1-4,14-15]，當改良土中水泥質量分數不小于 4%時，土的改良效果能滿足設計要求。根據文獻[14-15]的研究成果，本文試驗在土中摻入質量分數為5%的水泥，以15%的含水率和1.9 g/cm3的干密度制作改良土試樣。試樣為圓柱體，直徑為300 mm，高度為 600 mm。對試樣進行標準養護，當養護齡期達到28 d 時進行試驗。

3) 為考慮圍壓對土力學性質的影響，設計4種圍壓S，即100，150，400和800 kPa。為了評價改良土效果，以改良土和未改良土為試樣。試驗步驟為：首先，在設計的圍壓作用下對試樣進行等向固結；然后，利用位移控制模式在試樣軸向施加荷載，加載速率為1 mm/mim，在加載過程中排水。

2 試驗結果及分析

2.1 軸向應力-應變關系

圖2 改良土的軸向應力-軸向應變關系曲線Fig.2 Curves of relationship between axial stress and axial strain for improved soil

圖3S=100 kPa時，改良土和未改良土的軸向應力-軸向應變曲線對比Fig.3 Comparisons of axial stress-strain curve between improved soil and unimproved soil whenS=100 kPa

在不同圍壓S作用下，改良土軸向應力差(σ1-σ3)與軸向應變ε1之間的關系曲線見圖2。當圍壓為100 kPa時，改良土和未改良土的軸向應力與軸向應變關系對比見圖3。圖2和圖3中，σ1為軸向應力和最大主應力；σ3=S，為圍壓和最小主應力。從圖2和圖3可看出：改良土和未改良土的軸向應力與軸向應變關系變化趨勢基本相同；當應力較小時，土的應力-應變近似為直線；隨著應力增加，應力-應變逐漸偏離直線，呈非線性增加；在應力到達峰值點后，隨著軸向應變ε1不斷增加，土的軸向應力-應變關系曲線均呈現下降趨勢；當曲線下降到一定程度后，軸向應力差逐漸趨于穩定。這表明在三軸壓縮試驗條件下，改良土和未改良土在應力達到峰值后均表現出應變軟化性質；在應力峰值點后，試樣具有一定的殘余強度，這與密實砂土、類巖石材料等的力學性質一樣。對于改良土，在外力加載作用下，土中水泥–土骨架逐漸被壓密。當加載初始時，由于水泥-土骨架具有較大的剛度，使得改良土的應力-應變關系為線性遞增關系；隨著外力繼續增加，骨架中出現不斷累積的微裂紋，使得土中逐漸釋放應變能，從而降低應力的增長率，土的應力-應變關系也由線性遞增向非線性遞增轉變；應力峰值后，釋放的應變能不斷增加，同時，應變也持續增加，這迫使應力不斷下降，表現為應變軟化；隨著土中水泥-土骨架結構持續被破壞，土中顆粒開始不斷產生滑移、翻轉等現象，使得土內部結構重新排列，在一定程度上恢復抵抗外力的能力，表現為應力峰值后土中應力下降至一定程度后變化不大，即應力峰值后土具有殘余強度。

從圖2還可以看出：圍壓不同，曲線的下降程度不同，這表明圍壓對應變軟化程度有影響。為考慮圍壓對應力峰值后應變軟化性質的影響。定義應變軟化系數如下：

其中：

α為應變軟化系數；Y為抗壓強度； m ax(σ1-σ3)表示對軸向應力差 (σ1-σ3)取最大值；Y′為殘余強度；(σ1-σ3)ε1=5%為軸向應變達到 5%時對應的軸向應力差，由于本文試驗的軸向最大正應變為 5%，因此，近似取Y′=(σ1-σ3)ε1=5%。α越大，應力峰值點后應力下跌程度越大。當α→0，Y→Y′即抗壓強度等于殘余強度時，土力學性質表現為應變硬化，沒有出現應變軟化現象。因此，α在一定程度上反映了應變軟化程度。

α與S之間的關系見圖4。從圖4可看出：對于改良土，隨著S從100 kPa增加到800 kPa，α由0.50下降到0.21。這表明隨著圍壓增加，改良土的應變軟化程度減弱。這是因為圍壓加大了改良土中水泥–土骨架抵抗變形與破壞的能力，減小了加載過程中釋放的應變能，從而減弱了改良土的應變軟化性。

圖4 應變軟化系數與圍壓之間的關系Fig.4 Relationship between softening coefficient and confining pressure

從圖4還可以看出：在相同圍壓作用下，改良土的應變軟化系數均顯著比未改良土的大，如當圍壓S為100，150，400，800 kPa時，改良土的應變軟化系數分別為0.50，0.40，0.31和 0.21，而未改良土的應變軟化系數分別為0.30，0.22，0.18和0.10，這表明改良土的應變軟化性比未改良土的應變軟化性顯著。改良土內部結構比未改良土的內部結構穩定，導致改良土在應力峰值前儲存的應變能比未改良土的多。與未改良土的骨架相比，改良土內部的水泥-土骨架具有較強的彈脆性，這使得改良土在應力峰值后釋放應變能的速率比未改良土的大，表現為改良土的應力下降程度比未改良土的大。

2.2 體積應變-軸向應變關系

不同圍壓S作用下的改良土軸向體積應變εv與軸向應變ε1之間的關系曲線見圖5。當圍壓S為100 kPa時，改良土和未改良土的εv-ε1關系見圖6。假定壓縮為正，拉伸為負，從圖5和圖6可看出：無論是改良土還是未改良土，當ε1較小時，隨著ε1增加，εv逐漸增加，即當軸向變形較小時，試樣體積變形表現為壓縮；當體積壓縮應變εv達到最大值后，隨著軸向應變ε1繼續增加，試樣的體積應變εv開始減小，出現剪脹或者體積膨脹的現象；當軸向應變ε1相同時，圍壓S越小，試樣的體積膨脹越明顯。

圖5 改良土的體積應變與軸向正應變的關系Fig.5 Relationship between volumetric strain and axial strain for improved soil

圖6S=100 kPa時，改良土和未改良土的體積應變-軸向應變曲線對比Fig.6 Comparison of volumetric strain-axial strain curve between improved soil and unimproved soil whenS=100 kPa

從表1和表2可看出：無論是改良土還是未改良土，最大體積壓縮應變、與最大體積壓縮應變對應的軸向正應變均隨圍壓S的增大而增大；殘余體積應變′為負值，表明殘余應力作用下試樣處于體積膨脹狀態；殘余體積應變隨圍壓S的增加而減小，即殘余體積膨脹量(殘余膨脹體積應變的數值)隨圍壓S的增大而增大。如據表1，對于改良土，當圍壓S從100增加到800 kPa時，從0.000 40增加至0.013 90，從0.002 16增至0.005 85，′從-0.007 81增至-0.001 09(殘余體積膨脹量從 0.007 81減少至0.001 09)，這表明隨著圍壓增加，土樣體積壓縮變形增加，而體積膨脹變形減少。這與密實砂土的力學性質相同。

表1 改良土的剪脹特征參數Table 1 Dilatancy parameters of improved soil

表2 未改良土的剪脹特征參數Table 2 Dilatancy parameters of unimproved soil

從表1和表2還可看出：當圍壓相同時，改良土的最大壓縮體積應變以及與最大體積壓縮應變對應的軸向應變均比未改良土的小，而殘余體積膨脹量比未改良土的大。如當圍壓S=150 kPa 時，對于改良土和未改良土，最大壓縮體積應變分別為 0.006 20和0.003 82，與最大體積壓縮應變對應的軸向正應變分別0.002 52和0.026 82，殘余體積膨脹量分為0.006 30和0.003 06。這表明改良土的可壓縮性比未改良土的小，但剪脹性比未改良土的顯著。

2.3 抗壓強度參數、破壞應變和彈性模量

2.3.1 抗壓強度參數

抗壓強度Y與圍壓S之間的關系見圖7。從圖7可看出：無論是改良土還是未改良土，抗壓強度均隨圍壓近似呈線性增長關系。因此，可以根據摩爾-庫侖破壞準則擬合抗壓強度和圍壓之間的關系。摩爾-庫侖破壞準則的表達式如下：

式中：φ為內摩擦角；c為黏聚力。

圖7 抗壓強度與圍壓之間的關系Fig.7 Relationship between compressive strength and confining pressure

表3 內摩擦角φ和黏聚力cTable 3 Internal fraction angle and cohesion

內摩擦角和黏聚力見表3。從表3可看出：未改良土的黏聚力為37.4 kPa，內摩擦角為32.4o；改良土的黏聚力為309.1 kPa，與未改良土的黏聚力相比增大約7倍；改良土的內摩擦角為34.3o，比未改良土增大約 6%。從圖7可看出：在相同圍壓下，改良土的抗壓強度均比未改良土的大，兩者至少相差約0.83 MPa，因此，水泥改良后，雖然土的內摩擦角變化不大，但土的黏聚力顯著提高，從而顯著地提高了土的抗壓強度，這與陳樂求等[2]得到的結論一致。水泥改良土中的水泥-土骨架由水泥膠結網絡形成，水泥膠物的黏聚力遠大于未改良土中由顆粒相互咬合形成的黏聚力，從而使改良土的黏聚力遠比未改良土的大。據式(4)，土的抗壓強度Y由黏聚力和內摩擦角確定，因此，水泥改良實際上是通過增加土的黏聚力來提高土的抗壓強度。

2.3.2 破壞應變

軸向破壞應變εf(與峰值點對應)和圍壓S之間的關系見圖8。從圖8可看出：隨著圍壓增加，改良土和未改良土的軸向破壞應變均增大；在相同圍壓下，相對未改良土，改良土的軸向破壞應變顯著減小，即水泥改良后，泥質板巖粗粒土破壞時的變形變小。究其原因在于：水泥改良后，改良土中原有的土骨架被水泥-土骨架取代，水泥改良泥質板巖粗粒土的力學性質由水泥-土骨架確定，而水泥骨架通常水泥骨架具有顯著的彈脆性，且水泥骨架破壞時的變形比普通土的變形小。

圖8 軸向破壞應變與圍壓之間的關系Fig.8 Relationship between axial failure strain and confining pressure

2.3.3 彈性模量

從圖2可以看出：當軸向應變ε1較小時，軸向應力-應變關系近似為線性。例如，對于圍壓S=100 kPa的曲線，當軸向應變滿足0≤ε1≤2.7×10-4，軸向應力–應變關系曲線近似為直線，此時，線彈性變形的極限應變近似為2.7×10-4。

定義軸向應力-應變關系曲線線性段的斜率為彈性模量，記為E。線彈性極限應變記為。彈性模量與圍壓、線彈性極限應變與圍壓之間的關系分別見圖9和圖10。

圖9 彈性模量與圍壓之間的關系Fig.9 Relationship between elastic modulus and confining pressure

圖10 線彈性極限應變與圍壓之間的關系Fig.10 Relationship between linear elastic ultimate strain and confining pressure

從圖9和圖10可看出：無論是改良土，還是未改良土，隨著圍壓增加，土的彈性模量和線彈性變形范圍均增加。例如，對于改良土，當S從100 kPa增加到800 kPa，E從1.10 GPa增加到1.85 GPa，則從2.7×10-4增大到6.0×10-4。這是因為無論是改良土還是未改良土，土中都有孔隙存在，孔隙在圍壓作用下被壓縮，使得土體結構趨于密實，從而增大了土的彈性模量和彈性變形范圍。

從圖9和圖10還可看出：在相同圍壓作用下，與未改良土相比，改良土的彈性模量和線彈性極限應變均顯著增大，其中彈性模量增大約0.38 GPa，線彈性極限應變至少增大4.5倍。這表明水泥改良后，泥質板巖粗粒土的剛度顯著提高，線彈性變形范圍顯著增大。

3 結論

1) 水泥改良泥質板巖粗粒土和未改良土均具有應變軟化性，但改良土的應變軟化性比未改良土的顯著。無論是改良土還是未改良土，當應力達到峰值后，軸向應力-應變關系曲線中應力出現明顯下降，土具有殘余強度。在相同圍壓作用下，改良土的應變軟化程度比未改良土的大。

2) 無論是改良土還是未改良土， 在加載過程中，土樣體積都經歷了先壓縮后膨脹的過程。在相同圍壓作用下，改良土的最大體積壓縮變形比未改良土的小，而殘余體積膨脹變形比未改良土的大，因此，水泥改良泥質板巖粗粒土和未改良土均具有剪脹性，但改良土的剪脹性比未改良土的顯著。

3) 水泥改良效果良好，提高了土的力學性能。與未改良土相比，改良土的強度和剛度均顯著提高，應力峰值點對應的應變顯著減小。水泥改良前后，泥質板巖粗粒土的內摩擦角變化不大，但改良后泥質板巖粗粒土的黏聚力、彈性模量顯著提高，線彈性變形范圍顯著增大。