浸泡吸水条件下陶粒土的抗剪强度

殷 伟 ，徐玉桂 ，韩爱民 ，王志华 ，申志福

（1.南京市江北新区建设和交通工程质量安全监督站，江苏 南京 210032；2.南京江北新区中心区发展有限公司，江苏 南京 211899；3.南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京 210009）

引言

陶粒是以黏土、页岩、粉煤灰等为原料，经高温烧结或加入胶凝剂经免烧工艺形成的一种内部疏松多孔的轻质散粒状材料。除用于不受力的填充墙或受力的结构构件[1-2]外，自1960 年来，陶粒在美国就已被广泛用作土工回填材料[3]。林钟强和丁建彤[4]对我国五种商业陶粒进行了一系列压实试验和三轴剪切试验，结果表明陶粒土（由陶粒构成的粗粒土）的内摩擦角大于35°，表观粘聚力约为10kPa。Bakeer 等[5]的界面剪切试验表明陶粒土与土工格栅的界面摩擦角高达48°。陶粒土密度低，内摩擦角高，透水性好，是一种优质土工回填料。陶粒土可减小甚至消除附加应力、减少墙背土压力，在软土路堤、挡墙结构、边坡工程等工程实践中都有极大应用潜力[3]。如Puppala 等[6]实测表明，陶粒回填可减小2/3 的沉降。本文针对由一种超轻陶粒形成的陶粒土，开展了风干状态和浸泡水3 天后的直剪试验，研究了陶粒吸水率对陶粒土剪切强度的弱化作用，试验结果可为陶粒土工程应用设计提供参考。

1 陶粒土物理性质

陶粒在回转窑中经800-1050℃高温烧结过程中，部分成分转换为气体迫使颗粒膨胀，形成蜂窝状的气孔结构，外表面熔化烧结形成较坚硬的外壳，最终形成一种疏松多孔的轻质颗粒。本次试验选用的陶粒以粘土为原料烧制而成，形态多为圆球型或椭球型，如图1 所示。

试验所用陶粒土颗粒粒径范围为2-5mm，级配如图2 所示。图中实线级配曲线是由500g 陶粒土试样测得，不均匀系数Cu=1.27，曲率系数Cc=0.89，自然堆积密度为0.43g/cm3，属于超轻陶粒（堆积密度在0.3-0.5g/cm3的陶粒）。陶粒颗粒表观密度0.71g/cm3，按照无孔陶质材料比重2.55 计算，陶粒内部孔隙率为0.71。

图1 粒径2-5mm 的试验用陶粒

图2 陶粒土级配曲线

2 浸泡吸水对陶粒土抗剪强度的影响

由于陶粒的多孔结构特征，实际工程中的陶粒土处于地下水位以下时将吸水，自然风干条件下陶粒吸水率为0.2%，在水中浸泡2 小时后吸水率迅速增加至9.4%，浸泡3 天后吸水率迅速增加至21%，随后缓慢增加，在21 天时达到稳定值31%，如图3 所示。

图3 陶粒吸水率与重度随时间的变化

对处于自然风干状态的陶粒土和浸水3 天的陶粒土开展了一系列直剪试验，剪切速率1.94%/min，法向应力范围为10-300kPa。施加法向应力前试样初始孔隙比0.8。对于浸水陶粒土，首先用滤纸吸收陶粒表面水分后再装样。每次直剪试验前对试样进行级配测试，如图2 中虚线所示。图4 给出了直剪试验的剪应力-剪切位移曲线。当法向应力不超过100kPa 时，陶粒土表现为软化型响应，浸泡吸水使得陶粒土抗剪强度和初始刚度都有明显降低；而当法向应力为200、300kPa 时，浸泡吸水对剪切强度与刚度的影响已不明显。图5 为直剪试验所得陶粒土的非线性强度包线。这种强度包线的非线性特征及浸水导致强度降低的试验现象与Caldeira 和Neves[7]对陶粒土进行的三轴试验结果一致。

图4 风干和浸水3 天后陶粒土试样直剪试验结果

图5 陶粒土剪切强度包线

3 结论

针对超轻陶粒土开展了吸水对剪切强度及剪切导致的颗粒级配变化影响的研究。结果表明：法向压力和浸泡吸水是控制陶粒土抗剪强度的两个关键因素。由于剪切过程中颗粒破碎，本试验所用陶粒土的割线内摩擦角随法向压力增大而降低。当法向压力不超过100kPa 时，浸泡吸水将引起陶粒土抗剪强度降低。当法向压力更高时，浸泡吸水引起的强度降低不明显，工程中宜以颗粒吸水饱和的陶粒土强度指标作为设计值。