室內(nèi)粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)性的人工制備及其實(shí)驗(yàn)研究★

朱建明，劉 麟，任瑞樂(lè)，王柳茜，邵 坤

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京 101601)

土的結(jié)構(gòu)性是指土在長(zhǎng)期沉積過(guò)程中表現(xiàn)出的特性,其存在對(duì)土產(chǎn)生附加的強(qiáng)度,對(duì)土體力學(xué)特性的研究有著重要的意義[1]。在開挖土體時(shí),不可避免要對(duì)原狀土產(chǎn)生擾動(dòng)作用,其結(jié)構(gòu)性遭到了破壞。而在實(shí)驗(yàn)室的土工試驗(yàn)中,普遍采用人工制備的重塑土作為試驗(yàn)對(duì)象,并未充分考慮原狀土的結(jié)構(gòu)性影響,因此開展室內(nèi)人工制備結(jié)構(gòu)性土的試驗(yàn)研究具有十分重要的意義[2-5]。在人工制備結(jié)構(gòu)性土的方法研究中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)室內(nèi)的結(jié)構(gòu)性土的制備方法進(jìn)行了研究,并提出了一些有效方法[6-8]。其中采用加入少量水泥和食鹽構(gòu)造多組結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱不同的方法來(lái)制備人工結(jié)構(gòu)性土效果較好[9]。本文開展的人工制備方法也主要采用加入少量水泥和食鹽構(gòu)造多組結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱不同的方法來(lái)模擬土的結(jié)構(gòu)性,室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的土樣來(lái)自蘇州市城市軌道交通S1線路在穿越陽(yáng)澄湖底部遇到的粉質(zhì)黏土。通過(guò)對(duì)最佳水泥含量的結(jié)構(gòu)性土進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析,為后期的施工參數(shù)確定提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

蘇州市城市軌道交通S1線路由于屬于首次穿越該地區(qū),需要對(duì)該穿越區(qū)域的粉質(zhì)黏土開展室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)就顯得十分必要。本文研究主要是針對(duì)從工業(yè)園區(qū)夷亭路站開始,經(jīng)園區(qū)到昆山,止于昆山花橋站,全長(zhǎng)41.27 km,該線路均為地下線,共設(shè)站28座,S1線在夷亭路站與蘇州軌道交通3號(hào)線銜接換乘,在花橋站與上海軌道交通11號(hào)線銜接換乘。

1.2 工程地質(zhì)

漁家燈火站—陽(yáng)澄湖南站區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)主要涉及第④1層、④2層、⑤1層、⑦1層,上述區(qū)間地層特征表見(jiàn)表1。

表1 漁家燈火站—陽(yáng)澄湖南站區(qū)間地層特征表

本次勘察所采集的原狀土樣除進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)試驗(yàn),還進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、三軸CU剪切試驗(yàn),根據(jù)各工程地質(zhì)層劃分結(jié)果,各土層的三軸指標(biāo)見(jiàn)表1。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)土樣制備

2.1 盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)的土層分析

S1線陽(yáng)澄湖地區(qū)盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)的主要土層有:②y淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③3粉土夾粉砂層、④2粉砂夾粉土、⑤1粉質(zhì)黏土,綜合圍巖分級(jí)皆為Ⅵ級(jí)。各土層對(duì)盾構(gòu)施工影響分析見(jiàn)表2。

表2 盾構(gòu)施工影響土層分析

2.2 現(xiàn)場(chǎng)土樣提取與室內(nèi)試件制備

用取土袋去施工現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)的出渣口取下5 kg左右的粉質(zhì)黏土,在密封干燥環(huán)境處保存,取土當(dāng)天先做土樣的界限含水率試驗(yàn),將塑限、液限算出。剩下的土制成計(jì)算好配比的土樣為三軸試驗(yàn)做準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)室所采用的制樣模具尺寸按照《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定高為8 cm,直徑為3.91 cm,經(jīng)計(jì)算試樣的體積為96 cm3,所取蘇州粉質(zhì)黏土的密度為1.82 g/cm3,孔隙比為1.054,需制備出包含三種水泥配比共9組試樣。

1)土樣前期處理。將從現(xiàn)場(chǎng)取得的土樣放入烘干箱中,在105 ℃的溫度下烘干水分,待24 h后取出,得到的是堅(jiān)硬塊狀的土體。用橡膠錘把土塊砸碎,過(guò)0.5 mm篩后得到較為細(xì)小的土顆粒。

2)室內(nèi)人工結(jié)構(gòu)性土的制備。根據(jù)現(xiàn)有土樣條件進(jìn)行室內(nèi)結(jié)構(gòu)性土樣制備,主要包括以下幾個(gè)步驟:

a.添加水泥和食鹽恢復(fù)原狀土的結(jié)構(gòu)性。試驗(yàn)所使用的膠結(jié)添加劑為普通硅酸鹽水泥,添加的水泥含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))依次為水泥與土顆粒總質(zhì)量比值的0%,1%,2%,5%,還原孔隙則通過(guò)在土中添加食用鹽,并在后期利用水流來(lái)溶解并將其帶出土體,由食用鹽碾碎并過(guò)0.5 mm的篩子,放入盆中備用。在試樣中,鹽粒占總質(zhì)量的10%。整體制備過(guò)程中,保證土顆粒與水泥質(zhì)量的總和不變,具體人工制備土樣的配比如下:

0%水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣制樣配比:

m(土)=135.072 g;m(水泥)=0 g;m(鹽)=13.5 g。

1%水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣制樣配比:

m(土)=133.735 g;m(水泥)=1.34 g;m(鹽)=13.5 g。

2%水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣制樣配比:

m(土)=132.423 g;m(水泥)=2.64 g;m(鹽)=13.5 g。

5%水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣制樣配比:

m(土)=128.640 g;m(水泥)=6.43 g;m(鹽)=13.5 g。

b.采用干粉制樣法替代傳統(tǒng)的濕式制樣方法。“干粉制樣法”即將篩好的土樣直接倒入飽和器中進(jìn)行擊實(shí)操作,這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是能保證土樣中鹽粒的完整度,以免影響后期對(duì)孔隙的還原程度[10]。并保證干燥的粉末在擊實(shí)后不會(huì)從飽和器中脫落。具體要求在擊實(shí)過(guò)程中,按照固定的配比將土、水泥、食鹽放入燒杯中均勻攪拌,以保證水泥與鹽粒的均勻分布。在擊實(shí)前先將飽和器底座上放置一片濕濾紙,把所得混合物分多次倒入土壤飽和器中,少量多次擊實(shí),盡量降低由于擊實(shí)所帶來(lái)的各向異性的干擾,以保證試樣最后的完整性。然后將制作好的干式試樣放入到真空飽和器中進(jìn)行飽和,控制抽氣時(shí)間,并在抽氣結(jié)束后將真空飽和器內(nèi)徐徐注入水,在充分飽和后,將試樣放入流水中,利用流水的作用將飽和器中的鹽分帶出試樣,從而保證制作的室內(nèi)土樣符合原狀土的結(jié)構(gòu)性。圖1表示采用干粉制樣法與傳統(tǒng)濕式的對(duì)比效果。

3 室內(nèi)結(jié)構(gòu)性土最佳配比的確定

3.1 粉質(zhì)黏土液塑限測(cè)定結(jié)果

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的土樣,按照液塑限測(cè)定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求,得出蘇州陽(yáng)澄湖地區(qū)的粉質(zhì)黏土液塑限測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 蘇州陽(yáng)澄湖土樣液塑限測(cè)定

蘇州陽(yáng)澄湖粉質(zhì)黏土Ip=15,IL=1。根據(jù)粉質(zhì)黏土定塑性指數(shù)范圍在10～17之間,可驗(yàn)證蘇州地區(qū)所實(shí)驗(yàn)的土體對(duì)象是粉質(zhì)黏土。

3.2 粉質(zhì)黏土的三軸固結(jié)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土體的受力情況,室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)選擇固結(jié)不排水剪切(CU)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)定的固結(jié)試驗(yàn)的參數(shù)后,點(diǎn)擊開始試驗(yàn),待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥門,再施加豎向壓力,使試樣在不排水的條件下剪切破壞,剪切階段測(cè)量的參數(shù)有主應(yīng)力差、軸向變形、孔隙水壓力。記錄上述數(shù)據(jù),并繪制主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線、有效應(yīng)力比與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。

3.3 結(jié)構(gòu)性土最佳水泥配比的確定

根據(jù)前面提到的實(shí)驗(yàn)原則,為了很好地在室內(nèi)模擬土的結(jié)構(gòu)性,本文采用加入少量水泥和食鹽構(gòu)造多組結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱不同的方法來(lái)模擬制備人工結(jié)構(gòu)性土的方法模擬土的結(jié)構(gòu)性,由于只考慮結(jié)構(gòu)性土的強(qiáng)度指標(biāo),因此這里設(shè)定食鹽含量保持不變。對(duì)于土的強(qiáng)度而言,隨著水泥含量的增加,在相同固結(jié)圍壓下試樣的破壞現(xiàn)象也越來(lái)越明顯,表明試樣隨著水泥含量的增加而變脆,因此設(shè)置水泥含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%,否則模擬土的結(jié)構(gòu)性就失去意義,并考慮主應(yīng)力差和軸向變形的關(guān)系能較好地體現(xiàn)土的力學(xué)特征。圖2為不同水泥配比下室內(nèi)實(shí)驗(yàn)土樣的c,φ值的關(guān)系。

通過(guò)依次增加水泥含量,實(shí)驗(yàn)后求出重塑結(jié)構(gòu)性土的物理指標(biāo)與原位試驗(yàn)對(duì)比,誤差不超過(guò)10%的一組被認(rèn)為最接近原狀土的水泥配比。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)蘇州土中水泥含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1%時(shí),所制人工結(jié)構(gòu)性土強(qiáng)度與原狀土的強(qiáng)度相接近。因此可以確定其室內(nèi)人工制備的結(jié)構(gòu)性土的最佳配比應(yīng)確定為1%,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 重塑結(jié)構(gòu)性土與原位試驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 室內(nèi)結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性分析

根據(jù)之前所得出的最佳配比,針對(duì)1%水泥含量的結(jié)構(gòu)性土進(jìn)行分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

4.1 不同圍壓下室內(nèi)結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)關(guān)系

不同圍壓下(1%水泥配比)σ1-σ3與ε的關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

從圖3中可看出,當(dāng)水泥配比不變時(shí),隨著圍壓的增強(qiáng),在固結(jié)過(guò)程中土?xí)粔好堋６覈鷫涸礁?土的固結(jié)程度就會(huì)越高,相應(yīng)的土的先期固結(jié)壓力就會(huì)越大。在之后的不排水剪切過(guò)程中,隨著試樣的不斷剪切,土體也在不斷地變形。而且相應(yīng)的固結(jié)圍壓越大,其剪切屈服應(yīng)力會(huì)越高,土的變形也越不明顯。在同一種結(jié)構(gòu)性土中,隨著圍壓的增高,固結(jié)程度也在增加,土的抗剪強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)的增加。

4.2 有效應(yīng)力比與軸向變形的關(guān)系

有效應(yīng)力比與軸向變形的關(guān)系如圖4所示。

根據(jù)圖4可得:在相同的水泥含量情況下,隨著軸向應(yīng)變的不斷增加,試樣的有效主應(yīng)力比也在不斷增加,達(dá)到某一個(gè)定值后,有效主應(yīng)力比基本保持不變。

在相同的周圍壓力作用下,隨著水泥含量的增高,試樣的有效主應(yīng)力比值也會(huì)逐漸增高,在到達(dá)一個(gè)臨界值后會(huì)保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。此臨界值一般穩(wěn)定在3～5 之間,而且隨著水泥含量的升高,這個(gè)臨界值也會(huì)逐漸地增大。

5 結(jié)論

1)在本次實(shí)驗(yàn)中可以得出此種在試樣中摻入一定含量的水泥及鹽粒的方法在一定程度上可以用來(lái)模擬實(shí)際中土的結(jié)構(gòu)性,而且基于“干粉制樣法”所制人工制備結(jié)構(gòu)性土方法基本可行,在一定的圍壓下也可滿足相應(yīng)的強(qiáng)度,驗(yàn)證了人工制備結(jié)構(gòu)性土樣的可行性。

2)得出了蘇州地區(qū)粉質(zhì)黏土室內(nèi)重塑結(jié)構(gòu)性土的最佳配比應(yīng)為1%,為室內(nèi)開展結(jié)構(gòu)性土的實(shí)驗(yàn)確定了配比參數(shù)。

3)得出了室內(nèi)結(jié)構(gòu)性土的主要力學(xué)參數(shù)及其力學(xué)特征。