兰州水泥改良黄土拉压强度对比试验研究

2018-11-02梁庆国王丽丽

铁道建筑 2018年10期

房军，梁庆国，贺谱，王丽丽

(1.兰州交通大学土木工程国家级实验教学示范中心,甘肃兰州 730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,甘肃兰州 730070；3.兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070；4.中国地震局兰州地震研究所黄土地震工程重点实验室，甘肃兰州 730000)

黄土是最新地质时期形成的一种多孔隙的陆相疏松沉积物，具有明显的水敏感性、特殊的结构性及强烈的湿陷性，因此会导致路基沉陷、建筑物不均匀沉降、桥涵结构破坏等一系列工程地质问题[1]。

由于各区域黄土的地质力学性质差异很大，近年来，众多学者对我国各地黄土特性做了大量研究。文献[2]通过研究兰州黄土，提出各向异性对土体力学性质影响较大；文献[3]对延安Q2原状黄土和重塑黄土做了无侧限抗压与贯入抗拉试验，分析了加载速率对黄土压拉强度的影响；文献[4]通过室内三轴试验，研究了定西Q3原状黄土的各向异性对黄土抗剪强度和变形参数的影响；文献[5]依托天水市税湾地震黄土滑坡，剖析了地震黄土滑坡发生的力学机制。文献[6]基于1∶50 000工程地质调查，结合大型直剪试验深入分析了松潘黄土的力学特性等。现有研究表明，外在因素对黄土力学特性影响很大。如雨季浸水会使黄土的承载力急剧下降，诱发黄土地基变形失稳等隐患。为使黄土地区构筑物地基能满足强度、沉降、水稳性及耐久性要求，有必要对黄土进行改良。目前在黄土改良这一课题上，国内外相关研究已取得了丰硕的成果。文献[7]提出石灰和水泥改良红土的改良效果受龄期的影响；文献[8]指出特定龄期与水灰比对水泥土抗剪强度影响较大，并提出相应的经验公式。文献[9]通过三轴试验，研究了不同水泥掺入比、不同制样含水率、不同围压的水泥黄土力学特性与变形特性；文献[10]通过室内试验对水泥土、石灰土、石灰粉煤灰土的物理力学特性进行了研究；文献[11]定量评价了不同养护龄期水泥土的微观结构特征；文献[12]在大量动三轴试验的基础上，深入研究了低掺量水泥土的动力特性。文献[13]通过三轴试验验证了冻结黄土、冻结石灰改良黄土、冻结水泥改良黄土的强度变化，并提出水泥对黄土的改良效果较石灰更好。

目前，有关黄土改良的研究大多集中在各影响因素的综合讨论，很少具体分析特定条件下对黄土的改良效果。本文对宝兰客运专线王家沟隧道黄土进行室内无侧限抗压试验、轴向劈裂试验、单轴拉伸试验，研究含水率及压实度对水泥改良黄土及重塑黄土拉压强度特性的影响，并量化分析水泥改良效果。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用土取自宝兰客运专线王家沟隧道，距离洞口约100 m、埋深约70 m的DK983+902掌子面上台阶处。该处黄土属于粉质黄土，其物理性能指标见表1。试验采用甘肃祁连山P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

表1 试验土样物理性能指标

1.2 试验方法及试样制备

首先在105 ℃温度下烘干天然黄土样，然后过0.5 mm 的筛子；改良时按照5%配合比掺入水泥，改良黄土养护龄期为7 d[14]。研究含水率为3%，15%，17%，19%，压实度为92%，95%，97%，100%时重塑黄土与水泥改良黄土的强度特性，并验证分析轴向劈裂和单轴拉伸试验结果。

水泥改良土的加水拌合与进行试验间隔时间越长，水化作用产生结硬程度就越大，致使水泥混合料所能达到的密实度也越大[15]。在重塑黄土中按设计掺量均匀拌入水泥，等待4 h后统一采用静压制样，无侧限抗压试验与单轴拉伸试验均采用高12.5 cm，直径6.18 cm 的圆柱样，轴向劈裂试验采用高6.18 cm、直径6.18 cm的圆柱样，其中作为劈裂用的加载体用高度2 cm、直径1.5 cm的刚性小圆柱[16]。为保证试验准确度，每组做2个平行试验，试验仪器采用WDW电子万能试验机，加载速率采用1 mm/min[16]。本次试验严格按照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》、GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》进行。

2 试验结果及分析

2.1 抗压特性

在无侧向压力条件下，测试土样抵抗轴向压力的极限强度，土样的无侧限抗压破坏形态见图1。可知：重塑黄土破坏时，在土样中间部位有胀鼓现象，破裂面沿鼓起部位基本呈60°，且胀鼓现象随着含水率增大越发明显；水泥改良黄土在破坏时，试样破裂方向略大于45°，无胀鼓。

图1 土样的无侧限抗压破坏形态

2.1.1 含水率的影响

试验所采用重塑黄土的最优含水率为13%，其抗压强度随着含水率的增大不断减小。水泥改良黄土的最优含水率因水泥掺入而增大[17]，在5%掺合比下，水泥改良黄土最优含水率变为15%左右。随着含水率增长水泥改良黄土抗压强度呈先增后减的趋势。

土样的含水率与抗压强度关系见图2。可知：重塑黄土抗压强度在含水率15%～17%时变化幅度最大，最大减少44%；水泥改良黄土抗压强度在含水率13%～15%时变化幅度最大，最大增长73%。整体来看，无论重塑黄土还是水泥改良黄土，其抗压强度都随着压实度的增大而增大。

图2 土样的含水率与抗压强度关系

2.1.2 压实度的影响

土样的压实度与抗压强度关系见图3。可知：当含水率一定时，黄土抗压强度随着压实度的增大而增大；但在不同含水率下，黄土抗压强度增长趋势表现不同。重塑黄土含水率为13%～15%时，抗压强度随压实度近似单调线性增长，当含水率增大到17%以上时，增长趋势开始逐渐放缓；水泥改良黄土含水率为15%～17%时，抗压强度随压实度近似单调线性增长，在含水率为13%时增长最缓慢，曲线近似呈抛物线状。

图3 土样的压实度与抗压强度关系

2.2 抗拉特性

2.2.1 轴向劈裂试验

根据文献[18]论述的径向压裂法测定黄土抗拉强度的可行性，先采用常规轴向劈裂试验方法来研究黄土的抗拉特性。通过施加荷载发生轴向匀速位移获取应力和加载圆柱的贯入深度，取土样发生破坏时最大应力作为抗拉强度。劈裂试验抗拉强度σ计算式[19]为

(1)

式中:P为施加荷载；K为常数，取决于试样穿孔大小和土壤类型，本试验取1.0；b为试样直径；h为试样高度；α为加载圆柱直径。

试验表明，土样的含水率越低，干密度越大，脆性越强。达到极限抗拉强度后，试样会突然裂成两瓣或者三瓣，且在圆柱加载处产生高约1 cm的锥状加载核，破坏形态如图4所示。

图4 劈裂破坏形态

2.2.2 单轴拉伸试验

为了进一步研究黄土抗拉特性，现使用专制夹具，对土样进行单轴拉伸试验，直接测得土体抗拉强度，并与轴向劈裂试验结果对比分析。

土样的含水率与抗拉强度关系见图5。可知，黄土抗拉强度在最优含水率处最大，并随着含水率的增长而不断减小。其中重塑黄土含水率在13%～15%的抗拉强度变化幅度最大，最大降幅为37.5%；而水泥改良黄土含水率在15%～17%时抗拉强度变化幅度最大，最大降幅为49%。综合对比图2和图5可知：重塑黄土和水泥改良黄土的拉压、抗拉强度随含水率增长变化趋势一致。

图5 土样的含水率与抗拉强度关系

图6 土样的压实度与抗拉强度关系

土样的压实度与抗拉强度关系见图6。可知，黄土抗拉强度随着压实度增长呈非线性增大。其中重塑黄土在压实度为95%～98%时增长幅度最大，最大涨幅为38%，且随着含水率的增长，重塑黄土抗拉强度受压实度的影响越来越小；水泥改良黄土在压实度为98%～100%时增长幅度最大，最大增幅为34%。综合对比图3和图6可知，重塑黄土和改良黄土的抗拉、抗压强度随压实度增长变化趋势一致。

2.3 重塑黄土与水泥改良黄土强度比较

2.3.1 改良效果

相同条件下土样强度对比见图7。可知：重塑黄土的无侧限抗压强度约为抗拉强度的16倍；水泥改良黄土的无侧限抗压强度约为抗拉强度的30倍。经水泥改良后，黄土强度特性改善明显。黄土本身具有较好的抗压特性。

图7 相同条件下土样强度对比

经试验可得，重塑黄土抗压强度为51～229 kPa，改良后抗压强度增长 1 388～4 196 kPa，提高18倍以上，改良效果显著。黄土抗拉强度较弱。重塑黄土抗拉强度为4.42～18.37 kPa，改良后抗拉强度增长99.69～250.75 kPa，提高13倍以上，改良效果明显。

2.3.2 脆性分析

现对试验土体强度采用归一化处理。按照基于归一化方法的强度定量分析公式(2)，绘制压实度为95%时含水率影响下的归一化强度曲线和含水率为15%时压实度影响下的归一化强度曲线。

(2)

式中：Z为归一化强度；σi为不同含水率、压实度下的强度；σt在含水率归一化强度曲线中含水率为19%时的强度、在压实度归一化强度曲线中压实度为100%时的强度。

归一化强度曲线见图8。由图8(a)可知：在含水率影响下，重塑黄土归一化强度起始值明显高于水泥改良黄土，且衰减趋势更明显，水泥改良黄土强度归一化值最大为1.4，重塑黄土强度归一化值最大为2.9，是水泥改良黄土的2倍有余。由此可知，相对于水泥改良黄土，含水率对同条件下的重塑黄土强度影响更大。

由图8(b)可知：在压实度影响下，重塑黄土与水泥改良黄土的归一化强度起始值相差不大，但随着压实度的增长，重塑黄土归一化抗压强度曲线起始值更小，最高值更大，而水泥改良黄土归一化抗压强度曲线近似呈线性；在压实度为95%～98%时，重塑黄土归一化抗拉强度曲线斜率明显大于水泥改良黄土。

图8 归一化强度曲线

3 讨论

图9 水泥改良黄土单轴拉伸与劈裂试验结果对比

本文通过室内轴向劈裂和单轴拉伸试验对比分析了重塑黄土及水泥改良黄土的抗拉特性，证明了由单轴劈裂试验测算土样抗拉强度的可行性。试验表明，用轴向劈裂法间接测算土体抗拉强度，设备简单，操作方便，结果稳定。但与单轴拉伸试验结果相比，由轴向劈裂试验得出的抗拉强度偏大(见图9)，主要原因为：①试样的影响。在单轴拉伸试验中水泥改良黄土因经过一定龄期的养护，试样已具有相对的强度，则可忽略因试样自重而产生的拉力影响；而测定重塑黄土时，为避免含水率变化过大，在完成制样后就直接进行试验，此时试样抗拉能力很小，则自重产生的拉力对试验结果影响较大。②夹具的影响。在单轴拉伸试验中，采用的夹具是由硬质铁皮自制而成。试验过程中，对土样施加的拉力由夹具和土样间的摩擦力承担。试验时，夹具对土样施加了约束力，因而土样端头产生局部围压，更容易被拉断。再者，试验过程中，由于夹具与试样不密贴导致夹具滑移，对试验结果也有很大影响。③温度和湿度的影响。本次试验是在室温18～ 26 ℃，湿度不低于30%的条件下进行的。由于在室温高、湿度小的情况下，试样会产生收缩现象，收缩量有可能会大于拉伸量。故在试验时应对温度和湿度加以考虑。