高含水區改性土壓剪特性試驗研究

陳其帆，楊陽，姜玉榮，劉桂海，劉百明，于憲濤

1.山東交通學院 交通土建工程學院，山東 濟南 250357；2.東營市鐵路港航發展中心，山東 東營 257100；3.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250014

0 引言

影響改性土壓剪性能的因素較多，包括土體物理性質和級配、膠凝材料的品質和摻量、壓實度、水與干土和膠凝材料的質量比、圍壓強度等[1-4]。在原位土中摻入少量膠凝材料可大幅提高土體的抗壓抗剪能力[5-8]，技術較成熟，成本較低，在國內外軟土地基處理中應用廣泛。Do等[9]采用無側限抗壓強度試驗，研究水泥與干土的質量比和養護齡期等對水泥改性土無側限抗壓強度的影響，得到抗壓強度隨水泥質量分數和養護齡期變化的回歸方程。薛勇剛[10]研究低劑量石灰穩定土路用性能及其合理配合比，探討石灰穩定土的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量等隨影響因素的變化規律。曲振鵬[11]對水泥改性土與素土進行直接剪切試驗，分析水泥與干土的質量比和養護齡期對水泥改性土抗剪強度的影響。孫希望[12]采用靜三軸試驗研究石灰改性土的應力-應變關系及抗剪強度特征，得到了不同石灰摻比對石灰改性土抗剪強度指標變化的影響規律。阮波等[13]采用三軸不固結不排水試驗(unconsolidated undrained test，UU)，研究水泥摻比和養護齡期影響下抗剪強度參數的變化規律。

目前，對改性土的研究大多集中在膠凝材料與干土的質量比例和養護齡期對改性土無側限抗壓強度的影響。改性土對水敏感，以往未能研究早期改性土中水與干土和膠凝材料的質量比例較高環境下土體抗壓強度的發展，及較高圍壓環境下改性土的抗剪強度變化。本文以濟南港章丘港區改性粉土為研究對象，對水泥改性土和石灰改性土進行擊實試驗、無側限抗壓試驗和靜三軸試驗，針對碼頭工程墻后回填水與干土和膠凝材料的質量比較高、圍壓較高情況下，耦合壓實度、膠凝材料與干土的質量比、水與干土和膠凝材料的質量比等因素對抗壓強度和抗剪強度的影響規律，為相關工程提供理論參考。

1 改性土壓剪性能試驗研究

1.1 試驗材料

從小清河濟南港章丘港區一期工程拌和站東側取土場采集試驗土，取土深度為0.8 m，土體物理性質如表1所示。改性膠凝材料選用消石灰和強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，試驗用水為普通自來水。

表1 章丘港區粉土的物理性質

1.2 試驗步驟

1.2.1 試件制備

根據文獻[14-15]規定制備試件，抗壓、抗剪試件分別制作為Ф100 mm×100 mm和Ф39.1 mm×80 mm的圓柱體，制備流程為：按要求的水與干土和膠凝材料的質量比，取素土加水悶料靜置24 h，加入與干土的質量比不同的膠凝材料，將拌和均勻的混合料裝填入模，在100 kN壓力試驗機靜壓成型試件，靜置4 h后脫模，裝入塑料袋養護室分別標準養護7、28 d。

1.2.2 抗壓、抗剪特性試驗

為研究試件的抗壓特性，共制作64個試件。在養護齡期和膠凝材料相同時，每組試驗考慮壓實度(因素1)、膠凝材料與干土的質量比α(因素2)和水與干土和膠凝材料的質量比β(因素3)3個影響因素，采用抗壓正交試驗分析影響因素對試件抗壓特性的影響，如表2所示。為研究β較大時對改性土抗壓、抗剪強度的破壞情況，以水的最佳質量比為起點設置β因素，依次遞增2%?？箟赫辉囼灨魉浇M合設計如表3所示，為提高試驗分析的精確性，在正交設計表中設置誤差列，在后續數據分析中驗證誤差大小是否影響試驗的可靠性。

表2 抗壓正交試驗影響因素表

表3 抗壓正交試驗各水平組合設計表

為研究試件的抗剪特性，相同養護齡期和膠凝材料條件下，每組試驗考慮3個壓實度、3個圍壓和4種α，壓實度分別為90%、93%、96%，圍壓分別為100、300、500 kPa，α分別為4%、6%、8%、10%，按水的最佳質量比制備試件，采用三軸試驗方案，共制作144個試件。

1.2.3 試驗儀器及步驟

采用MTS萬能材料試驗機進行無側限抗壓試驗，試驗步驟為：將試件放置在MTS力學室的上下壓頭中心；預加50 N的荷載，觀察壓頭與試件是否接觸；位移計調零，以變形變化速度1 mm/min控制加載至試件破壞。

采用全自動三軸儀進行固結不排水試驗(consolidated undrained test，CU)，試驗步驟為：將試件放置在三軸儀壓力室的上下壓頭中心，壓力室沖水并關閉排氣閥；設置圍壓，試件排水固結測定空隙水壓力；測力計、位移計調0，以剪切應變速度為0.5%/min進行剪切至破壞。

2 試驗結果分析

2.1 改性土的物理性質

試驗采用水泥和石灰2種膠凝材料，按照水泥、石灰分別與干土的質量比α1、α2依次為4%、6%、8%、10%進行擊實試驗，得到α不同時改性土中水的最佳質量比和最大干密度的變化關系，如圖1所示。

a)水泥改性土 b)石灰改性土

由圖1可知：α1、α2由4%增至10%時，水泥改性土中水的最佳質量比提高了1.2%，最大干密度增加0.044 g/cm3；石灰改性土中水的最佳質量比提高了1.8%，最大干密度降低了0.018 g/cm3。2種膠凝材料改良章丘港粉土的最大干密度出現不同變化趨勢，原因是水泥、章丘港粉土、石灰的密度依次遞減，且α越大，最大干密度變化斜率越小。

2.2 改性土抗壓特性

按照表3的正交試驗設計，對水泥改性土、石灰改性土進行無側限抗壓試驗，結果如圖2～4所示。

a)水泥改性土 b)石灰改性土

a)水泥改性土 b)石灰改性土

a)水泥改性土 b)石灰改性土

由圖2～4可知：壓實度、α與改性土的無側限抗壓強度正相關，β與改性土的無側限抗壓強度負相關。

采用極差分析方法分析7、28 d改性土無側限抗壓強度試驗數據，得到對強度影響大小的因素順序相同，以28 d改性土無側限抗壓強度數據為例進行極差分析，如表4、5所示。其中Ti(i=1，2，3，4)為該因素第i個水平所有無側限抗壓強度之和，i為影響該因素的水平數，ti為平均水平數，即ti=Ti/4；Ri為極差，即該因素影響因子的最大值與最小值之差，Ri越大，表明該因素對改性土無側限抗壓強度的影響越明顯。由表5、6可知：按Ri從大到小排序，水泥改性土各因素依次為R2、R1、R3；石灰改性土各因素依次為R1、R3、R2，表明影響水泥改性土無側限抗壓強度的因素中，α是主要因素，壓實度次之，β影響最??；影響石灰改性土無側限抗壓強度的因素中，壓實度是主要因素，β次之，α影響最小。其中誤差列的極差最小說明試驗產生的隨機誤差較小。

表5 石灰改性土28 d極差分析

由表4、5可知：為明確各因素對高含水改性土抗壓特性的影響，固定2個因素，比較分析單一因素的影響程度。當壓實度和β相同時，α對水泥改性土的無側限抗壓強度影響更大，當α從4%增至10%，水泥改性土的無側限抗壓強度增加275%～300%，石灰改性土的無側限抗壓強度僅增加35%～65%；當α和壓實度相同時，β越大對改性土無側限抗壓強度的破壞越顯著，水的最佳質量比每超出1%，水泥改性土、石灰改性土的無側限抗壓強度分別損失5%、7%；當α、β相同時，壓實度對水泥改性土、石灰改性土無側限抗壓強度影響呈線性分布，且對石灰改性土無側限抗壓強度影響更大，自壓實度為90%開始，壓實度每提高1%，水泥改性土、石灰改性土的無側限抗壓強度分別增加10%、25%。

表4 水泥改性土28 d極差分析

2.3 改性土抗剪特性

2.3.1 抗剪參數

在剪應力-正應力平面上繪制摩爾應力圓獲得抗剪強度指標的黏聚力c和摩擦角φ。各因素變化下，水泥、石灰改性土c和φ與α的變化曲線如圖5～7所示。

由圖5～7可知：加入水泥對粉土的c改良效果更為明顯，與素土的c相比，水泥改性土c增大10～17倍，石灰改性土僅增長2～8倍。2種改性土的φ僅提升1.5～2.0倍，說明水泥改性土的早期抗剪強度比石灰改性土更高，原因是改性土的φ增長較小，c對抗剪強度影響更大。

a)水泥改性土 b)石灰改性土

a)水泥改性土 b)石灰改性土

壓實度為96%時，7、28 d養護的石灰改性土φ與α1負相關；其他情況下，7、28 d養護齡期下水泥改性土的c與α1和壓實度正相關，石灰改性土的c與α2和壓實度正相關。

2.3.2 改性土抗剪強度

按照圖7的c和φ參數，根據三軸儀中莫爾-庫侖剪切模型得到改性土的抗剪強度

a)水泥改性土 b)石灰改性土

式中σ1、σ3為極限平衡狀態下軸向主應力和圍壓應力。

圍壓為100、300、500 kPa時，改性土τ與α、養護齡期和壓實度的關系如圖8～10所示。

a)水泥改性土 b)石灰改性土

a)水泥改性土 b)石灰改性土

a)水泥改性土 b)石灰改性土

由圖8～10可知：在相同養護齡期、壓實度、圍壓強度和α條件下，水泥改性土獲得的τ比石灰改性土高1倍；在相同養護齡期下，比較2種改性土受3個因素的影響程度，α對τ影響更大。

由圖8～10可知：比較7 、28 d養護齡期的改性土τ，水泥改性土的τ平均增長12%，石灰改性土的τ平均減弱1%；圍壓強度和壓實度相同條件下，α每增加1%，水泥改性土、石灰改性土的τ分別增長6%、4%；α和圍壓強度相同條件下，壓實度每增加1%，7、28 d養護齡期水泥改性土的τ分別增長0.9%、2.8%，7、28 d養護齡期石灰改性土的抗剪強度分別增長1.5%、2.7%；α和壓實度相同條件下，圍壓強度每增加1 kPa，水泥改性土、石灰改性土的τ分別增長0.8%、1.3%。

在養護齡期、壓實度和α相同的條件下，2種改性土試件的τ均隨圍壓強度增大而增大。7 d養護齡期改性土τ變化曲線的斜率隨圍壓強度增長而增大，28 d養護齡期的改性土圍壓強度與τ增長成線性關系。從得到的數據可以發現，在工程實踐中確定α后，可將改性土的壓實度和圍壓強度作為變量，采用多元線性函數擬合不同α下τ的回歸方程相對可靠，相關系數R2>0.97，多元線性回歸模型為

τ=Am+Bn+C，

式中：m為改性土的壓實度；n為圍壓強度，kPa；A、B、C為擬合得到的參數。

計算后，α與改性土的τ擬合結果如表6所示。

表6 α與改性土的τ擬合結果

由表6可知：養護28 d的改性土τ與壓實度和圍壓的擬合相關系數比養護7 d的改性土更好。

3 結論

1)研究章丘港區改性粉土的壓剪特性，獲得了高含水區域改性土的壓剪特性規律。在7 d養護齡期改性土無側限抗壓強度的影響因素中，膠凝材料與干土的質量比對水泥改性土影響最大，其次是壓實度、水與干土和膠凝材料的質量比；壓實度對石灰改性土的影響最大，其次是水與干土和膠凝材料的質量比、膠凝材料與干土的質量比；水與干土和膠凝材料的質量比較大時，水泥改性土抗壓強度更高。

2)隨膠凝材料與干土的質量比和壓實度的增大，水泥對章丘港區粉土黏聚力的改良效果比石灰好，水泥改性土的黏聚力增大10～17倍，石灰改性土的黏聚力僅提升2～8倍；改性土摩擦角僅提升1.5～2.0倍；其他試驗參數相同時，水泥改性土的抗剪強度更高。

3)在高含水區改性土抗剪強度的影響因素中，膠凝材料與干土的質量比是水泥改性土的最主要影響因素，且隨養護齡期的增長，改性土的抗剪強度增大；膠凝材料與干土的質量比是石灰改性土的最主要影響因素；隨養護齡期的增長，改性土抗剪強度小幅減小，2種改性土的抗剪強度與圍壓強度的增長成線性關系。

本文未分析抗壓、抗剪強度的相關性，可進一步研究相同因素影響下改性土抗壓、抗剪強度的近似關系，建立抗壓、抗剪強度隨多因素變化的回歸方程和回歸曲面。