二灰稳定三峡库区风化砂三轴试验研究

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(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064；2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

风化砂是地表岩石经过长期的物理、化学、生物等风化作用而形成的一种大小不一、棱角分明、堆积松散的矿物颗粒。由于长时间受到自然环境的侵蚀作用，它的物理力学性质极不稳定，在外力作用下极其容易破碎成更小的颗粒。风化砂在自然界中分布广泛，资源十分丰富，而且具有就地取材方便、成本及运输价格低廉等优点，同时具有良好的透水性、水稳定性等工程特性，因此在实际工程应用中通常将其变废为宝用作路基填料[1-2]或者将其与二灰、水泥等结合料拌合压实处理后用作路面基层、底基层以及垫层等[3-7]。

无论将风化砂用在路基中还是路面中，其抗剪强度都是一个非常重要的指标。较高的抗剪强度不但能够保证路基的长期稳定性，而且能够减少路面因抗剪强度不足而产生的一些病害，如裂缝、沉陷等。目前抗剪强度主要通过直剪试验和三轴压缩试验得到，由于直剪试验在测量抗剪强度指标时存在一定的不合理性，如试样的破坏面为一固定直面且随剪切过程逐渐减小，而三轴试验能够更加合理地模拟试件实际破坏过程，所以较直剪试验而言三轴试验往往能够得到更加准确的结果。李翠华等[8]通过对三峡隔流堤风化砂进行三轴试验研究，得出了风化砂的应力-应变特性。胡舜娥等[9]进行了水泥固化滨海风积沙三轴试验，分析了在高含水量状态下有效围压、水泥剂量和龄期对风积沙应力-应变曲线发展规律的影响。二灰作为最常见的胶结剂用来稳定粒料材料具有强度增长稳定、水稳定性好等优点，然而针对二灰稳定风化砂的三轴试验却鲜有研究。本文以三峡库区废弃风化砂为研究对象，用二灰将其稳定后进行不固结不排水三轴试验以得到其抗剪强度指标，并将所得结果与直剪试验进行对比分析，为三峡库区废弃风化砂的再生利用提供参考。

2 试验材料及试验设备

2.1 试验材料

2.1.1 风化砂

试验所用风化砂取自湖北省宜昌市三峡库区百岁溪大桥附近一带，为黑云母石英闪长岩风化而成，外观呈现黄褐色，风化砂大小不一、颗粒分明，天然含水率较低，用手触摸感觉棱角突出，不粘手，且大颗粒容易被捏碎。风化砂基本物理性质见表1。通过颗粒筛分等试验得到其级配曲线如图1。

表1 风化砂基本物理性质Table 1 Basic physical properties of weathered sand

图1 风化砂级配曲线Fig.1 Gradation curve of weathered sand

2.1.2 石 灰

试验所用石灰为宜昌当地生产的生石灰经过完全熟化后得到，烘干后为白色粉末状，用手触摸有滑腻感，其中有效CaO含量为83.6%>80%，MgO含量为4.7%<5%，属于Ⅱ级钙质石灰。

2.1.3 粉煤灰

试验所用粉煤灰取自湖北省宜昌市某热电厂排灰，颜色呈现灰褐色。该粉煤灰中SiO2，Al2O3，Fe2O3的总含量为76.3%，烧失量为7.4%，比表面积为2 654 cm2/g，液限为49.8%，塑限为8.2%，塑性指数为41.6，为F类二级灰。

2.2 试验设备

试验用三轴仪为南京南土仪器设备有限公司生产的TFB-1型非饱和土三轴仪，该系统包括数据采集软件、压力室、控制主机，标准试件尺寸为直径39.1 mm、高80 mm，最大轴向力为10 kN，最大围压为2 MPa，轴向加载时可进行等应力控制和等应变控制，本试验加载采用等应变控制。

3 试验方案及步骤

3.1 试验方案

根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/TF 20—2015)，当采用石灰粉煤灰稳定材料做基层或底基层时，石灰与粉煤灰的质量比=1∶2～1∶4，石灰粉煤灰与被稳定材料的质量比=20∶80～15∶85。本试验在参考技术细则和实际工程的基础上综合确定采用的石灰和粉煤灰的质量比分别为1∶2，1∶3，1∶4三种，石灰的比例分别为4%，5%，6%，石灰粉煤灰和风化砂的质量比为30∶70～12∶88，石灰、粉煤灰、风化砂三者比例最终按照表2中所示的比例进行组合设计。

3.2 试验步骤

取适量的风化砂、石灰、粉煤灰烘干后备用，首先进行击实试验以确定不同配比下试件的最佳含水率和最大干密度。通过击实试验发现，不同配比混合料的最大干密度和最佳含水率相差并不是很大，因此为了便于试验操作和减小干密度和含水率对试验结果的影响，统一取最大干密度为1.90 g/cm3,最佳含水率取12%。

表2 石灰、粉煤灰和风化砂的质量配比Table 2 Mass proportions of lime, fly ash andweathered sand %

图3 不同围压下二灰稳定风化砂应力-应变关系曲线Fig.3 Stress-strain curves of weathered sand stabilized by lime-fly ash under different confining pressures

然后以最佳含水率和最大干密度为控制指标制作试件，三轴试验所需试件为高80 mm、直径39.1 mm的圆柱体。制作试件前将三瓣模表面涂一层凡士林，再将三瓣模拼装固定好，将按表2配制好的混合料搅拌均匀后分5层加入其中并用击实器击实，击实完成后抹平上下表面并贴上一层密封薄膜，静置2 h后拆除三瓣模并尽量避免对试件造成初步损伤，将制作好的试件用塑料薄膜包裹后放在养护箱中标准条件(温度(20±2)℃，湿度≥98%)下养护7 d。

最后将养护好的试件取出，套上橡胶模装进压力室中，注入纯净水并将围压依次设定为25，50，100，150 kPa，施加轴向压力进行不固结不排水三轴试验。轴向加载速度为0.08 mm/min，试验过程中电脑程序自动采集试验数据，试验结束后将数据导出即可，整个试验过程如图2所示。

图2 试验过程Fig.2 Test process

4 三轴试验结果及分析

4.1 应力-应变关系

根据采集到的数据，绘制不同围压下二灰稳定风化砂的应力-应变关系曲线，如图3所示。

图3中ε1表示轴向压应变，σ1-σ3表示偏应力。从图3中可以看出，不同二灰掺量及围压下的应力-应变关系曲线走势大致相同，均呈现出偏应力随着轴向压应变的增加而先增大后减小的趋势，存在峰值应力，即应力-应变表现为应变软化型。应力-应变关系曲线呈现明显的3个阶段：第1阶段为应变<0.01左右时，应力随应变增长的速度较为缓慢，变形主要是在仪器和试件接触压密的过程中产生；第2个阶段为0.01<应变<0.02左右时，应力-应变增长呈线性关系，变形以弹性变形为主；第3个阶段为应变>0.02左右时，应力-应变增长呈非线性关系，试件进入塑性屈服阶段进而发展破坏。各峰值点对应的应变如表3所示。

表3 峰值点轴向压应变Table 3 Peak axial strain

从表3中可以看出，不同试件对应的峰值点轴向压应变随围压的增大整体呈现增大的趋势，25，50，100，150 kPa围压对应的平均压应变分别为0.019 7，0.023 4，0.026 8，0.030 0，每级围压下的平均压应变较前级围压下的平均压应变依次增大了18.8%，14.53%，11.94%。而同一围压下峰值点轴向压应变随二灰比例的变化并未出现显著增大或减少的情况。

表4 不同二灰掺量和围压下的偏应力峰值Table 4 Peak values of deviatoric stress under varying dosage of lime-fly ash and confining pressure

4.2 二灰掺量对抗剪强度的影响

由图3可得到不同围压及二灰掺量下的偏应力峰值即抗剪强度大小，如表4所示。

从表4中数据可以看出，不同围压对应的偏应力峰值不同，同一试件围压越大所对应的偏应力峰值也越大。这是因为围压越大，对试件的径向约束作用也越强，试件破坏时的抗变形能力越强，因此达到破坏时所要施加的轴向力也越大。

根据表4中的数据，分别以二灰比和石灰剂量为横坐标，偏应力峰值为纵坐标，绘制不同围压下偏应力峰值与二灰比、石灰剂量之间的关系曲线，如图4和图5所示。

图4 不同二灰比下的偏应力峰值Fig.4 Peak values of deviatoric stress with different lime-fly ash ratios

图5 不同石灰剂量下的偏应力峰值Fig.5 Peak values of deviatoric stress with different lime dosages

从图4可以看出，偏应力峰值均随着二灰比的增大而增大。当石灰剂量为4%时，二灰比1∶3下偏应力峰值比二灰比1∶2下增大了45.7%，二灰比1∶4下的偏应力峰值比1∶3下增大了12.9%；同理，当石灰剂量为5%时，依次增大了62.2%和14.0%；当石灰剂量为6%时，依次增大了31.4%和22.1%；增长的速率随二灰比的增大而降低，这主要是由于粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3需要石灰激发，当粉煤灰掺量过多而石灰剂量不足时无法充分参与化学反应，因此导致强度增长的速率降低。

从图5可以看出，偏应力峰值均随着石灰剂量的增加而增大，且增长的速率随石灰剂量的增加而并未出现显著降低的趋势，这主要是因为石灰不但能够与粉煤灰发生火山灰反应，而且石灰自身能够与空气中CO2发生碳化反应从而使强度继续增大。

4.3 二灰掺量对c，φ值的影响

根据表4中的数据画出不同围压下的莫尔圆，作莫尔圆的切线便可得出不同二灰掺量下试件的黏聚力c值和内摩擦角φ值,如表5所示。

表5 各试件的黏聚力和内摩擦角Table 5 Cohesion and internal friction angle of testspecimens with different lime-flyash ratios

从表5可以看出，内摩擦角在48.26°～55.55°的范围内变动，最大值比最小值增大了约15%；而黏聚力在179.96～683.25 kPa范围内变动，最大值比最小值增大了约2.80倍。由此可见，石灰剂量及二灰比的变动对黏聚力的影响较对内摩擦角的影响更为明显。这主要是因为影响内摩擦角的因素主要有含水率、孔隙比、颗粒表面的粗糙程度、颗粒尺寸、级配等，而影响黏聚力的主要因素为颗粒之间的胶结程度。对于本试验而言所成型的试件为同一种材料而且控制相同的含水率与干密度，所以内摩擦角的变化不大，而石灰粉煤灰比例及剂量的改变使得二者之间发生化学反应的速率及胶结产物发生变化，胶结产物越多黏聚力相应越大。

根据表5中的数据，分别以黏聚力和内摩擦角为纵坐标，石灰剂量为横坐标，绘制不同二灰比下黏聚力、内摩擦角和石灰剂量之间的柱状关系图，如图6所示。

图6 不同二灰比掺量下的黏聚力和内摩擦角Fig.6 Cohesion and internal friction angle of test specimens with different lime-flyash ratios

从图6(a)可以看出，当石灰剂量恒定时黏聚力的大小随二灰比的增加而增大；当二灰比恒定时黏聚力的大小随石灰剂量的增加也呈增大趋势。这主要是因为二灰之间发生火山灰反应，参与反应的物质越多反应后的胶结产物也相应越多，所以黏聚力也会相应增大。

从图6(b)可以看出，当石灰剂量一定时内摩擦角的大小随二灰比的增大呈现先增大后减小的趋势，并在二灰比为1∶3时达到最大值；当二灰比恒定时内摩擦角的大小随石灰剂量的增加总体呈增大趋势，但增加量并不是很大。这主要是因为石灰作为激发剂能够有效激发粉煤灰中活性SiO2和Al2O3[10]，二者发生火山灰反应，石灰剂量一定时，少量粉煤灰掺入时化学活性表现较好，随着粉煤灰掺量增大其化学活性到达峰值后便会降低，过多的粉煤灰因无法与充足的石灰发生化学反应反而会起润滑作用，从而使得内摩擦角先增大后减小。

5 三轴试验和直剪试验结果对比

三轴试验和直剪试验均可以得到土体的抗剪强度指标，但由于二者的试验原理、试验设备、试验数据的处理方法等均不相同，因此对同一种材料所得到的试验结果也不尽相同。通过对二灰稳定风化砂进行快剪试验得到内摩擦角和黏聚力，如表6所示，并将直剪试验得到的指标和三轴试验相比较，如图7所示。

表6 直剪试验得到的黏聚力和内摩擦角

从图7(a)可以看出三轴试验得出的黏聚力均大于对应直剪试验得出的黏聚力，三轴试验得出的黏聚力平均是直剪试验得出的黏聚力大小的1.78倍。这主要是因为三轴试验的剪切面不固定为试件的薄弱部位，而直剪试验中的剪切面固定且有效剪切面积随着剪切位移的增加而不断减小[11]，减少的剪切面在一定程度上削弱了粒料间黏结作用，从而使得黏结力有所降低。

从图7(b)可以看出三轴试验得出的内摩擦角与对应直剪试验得出的内摩擦角之间相差不是很大，三轴试验得出的内摩擦角平均值为51.06°，直剪试验得出的内摩擦角平均值为51.66°，可见试验方式对内摩擦角的影响较小。

图7 直剪试验和三轴试验黏聚力和内摩擦角对比Fig.7 Comparison of cohesion and internal frictionangle between direct shear test and triaxial test

6 结 论

(1)二灰稳定风化砂的应力-应变关系表现为应变软化型，且峰值点轴向压应变随围压的增大整体呈现增大的趋势。

(2)偏应力峰值均随着二灰比例和石灰剂量的增加而增大，增长的速率随二灰比例的增大而降低。

(3)黏聚力随二灰比和石灰剂量的增加而增大，而内摩擦角随二灰比的增大呈现先增大后减小的趋势，并在二灰比为1∶3时达到最大值。

(4)三轴试验得出的黏聚力大于对应直剪试验得出的黏聚力，约是其1.78倍，而二者得出的内摩擦角相差不大，试验方式对黏聚力的影响较内摩擦角显著。