高含水区改性土压剪特性试验研究

陈其帆，杨阳，姜玉荣，刘桂海，刘百明，于宪涛

1.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；2.东营市铁路港航发展中心，山东 东营 257100；3.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250014

0 引言

影响改性土压剪性能的因素较多，包括土体物理性质和级配、胶凝材料的品质和掺量、压实度、水与干土和胶凝材料的质量比、围压强度等[1-4]。在原位土中掺入少量胶凝材料可大幅提高土体的抗压抗剪能力[5-8]，技术较成熟，成本较低，在国内外软土地基处理中应用广泛。Do等[9]采用无侧限抗压强度试验，研究水泥与干土的质量比和养护龄期等对水泥改性土无侧限抗压强度的影响，得到抗压强度随水泥质量分数和养护龄期变化的回归方程。薛勇刚[10]研究低剂量石灰稳定土路用性能及其合理配合比，探讨石灰稳定土的无侧限抗压强度和抗压回弹模量等随影响因素的变化规律。曲振鹏[11]对水泥改性土与素土进行直接剪切试验，分析水泥与干土的质量比和养护龄期对水泥改性土抗剪强度的影响。孙希望[12]采用静三轴试验研究石灰改性土的应力-应变关系及抗剪强度特征，得到了不同石灰掺比对石灰改性土抗剪强度指标变化的影响规律。阮波等[13]采用三轴不固结不排水试验(unconsolidated undrained test，UU)，研究水泥掺比和养护龄期影响下抗剪强度参数的变化规律。

目前，对改性土的研究大多集中在胶凝材料与干土的质量比例和养护龄期对改性土无侧限抗压强度的影响。改性土对水敏感，以往未能研究早期改性土中水与干土和胶凝材料的质量比例较高环境下土体抗压强度的发展，及较高围压环境下改性土的抗剪强度变化。本文以济南港章丘港区改性粉土为研究对象，对水泥改性土和石灰改性土进行击实试验、无侧限抗压试验和静三轴试验，针对码头工程墙后回填水与干土和胶凝材料的质量比较高、围压较高情况下，耦合压实度、胶凝材料与干土的质量比、水与干土和胶凝材料的质量比等因素对抗压强度和抗剪强度的影响规律，为相关工程提供理论参考。

1 改性土压剪性能试验研究

1.1 试验材料

从小清河济南港章丘港区一期工程拌和站东侧取土场采集试验土，取土深度为0.8 m，土体物理性质如表1所示。改性胶凝材料选用消石灰和强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，试验用水为普通自来水。

表1 章丘港区粉土的物理性质

1.2 试验步骤

1.2.1 试件制备

根据文献[14-15]规定制备试件，抗压、抗剪试件分别制作为Ф100 mm×100 mm和Ф39.1 mm×80 mm的圆柱体，制备流程为：按要求的水与干土和胶凝材料的质量比，取素土加水闷料静置24 h，加入与干土的质量比不同的胶凝材料，将拌和均匀的混合料装填入模，在100 kN压力试验机静压成型试件，静置4 h后脱模，装入塑料袋养护室分别标准养护7、28 d。

1.2.2 抗压、抗剪特性试验

为研究试件的抗压特性，共制作64个试件。在养护龄期和胶凝材料相同时，每组试验考虑压实度(因素1)、胶凝材料与干土的质量比α(因素2)和水与干土和胶凝材料的质量比β(因素3)3个影响因素，采用抗压正交试验分析影响因素对试件抗压特性的影响，如表2所示。为研究β较大时对改性土抗压、抗剪强度的破坏情况，以水的最佳质量比为起点设置β因素，依次递增2%。抗压正交试验各水平组合设计如表3所示，为提高试验分析的精确性，在正交设计表中设置误差列，在后续数据分析中验证误差大小是否影响试验的可靠性。

表2 抗压正交试验影响因素表

表3 抗压正交试验各水平组合设计表

为研究试件的抗剪特性，相同养护龄期和胶凝材料条件下，每组试验考虑3个压实度、3个围压和4种α，压实度分别为90%、93%、96%，围压分别为100、300、500 kPa，α分别为4%、6%、8%、10%，按水的最佳质量比制备试件，采用三轴试验方案，共制作144个试件。

1.2.3 试验仪器及步骤

采用MTS万能材料试验机进行无侧限抗压试验，试验步骤为：将试件放置在MTS力学室的上下压头中心；预加50 N的荷载，观察压头与试件是否接触；位移计调零，以变形变化速度1 mm/min控制加载至试件破坏。

采用全自动三轴仪进行固结不排水试验(consolidated undrained test，CU)，试验步骤为：将试件放置在三轴仪压力室的上下压头中心，压力室冲水并关闭排气阀；设置围压，试件排水固结测定空隙水压力；测力计、位移计调0，以剪切应变速度为0.5%/min进行剪切至破坏。

2 试验结果分析

2.1 改性土的物理性质

试验采用水泥和石灰2种胶凝材料，按照水泥、石灰分别与干土的质量比α1、α2依次为4%、6%、8%、10%进行击实试验，得到α不同时改性土中水的最佳质量比和最大干密度的变化关系，如图1所示。

a)水泥改性土 b)石灰改性土

由图1可知：α1、α2由4%增至10%时，水泥改性土中水的最佳质量比提高了1.2%，最大干密度增加0.044 g/cm3；石灰改性土中水的最佳质量比提高了1.8%，最大干密度降低了0.018 g/cm3。2种胶凝材料改良章丘港粉土的最大干密度出现不同变化趋势，原因是水泥、章丘港粉土、石灰的密度依次递减，且α越大，最大干密度变化斜率越小。

2.2 改性土抗压特性

按照表3的正交试验设计，对水泥改性土、石灰改性土进行无侧限抗压试验，结果如图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

由图2～4可知：压实度、α与改性土的无侧限抗压强度正相关，β与改性土的无侧限抗压强度负相关。

采用极差分析方法分析7、28 d改性土无侧限抗压强度试验数据，得到对强度影响大小的因素顺序相同，以28 d改性土无侧限抗压强度数据为例进行极差分析，如表4、5所示。其中Ti(i=1，2，3，4)为该因素第i个水平所有无侧限抗压强度之和，i为影响该因素的水平数，ti为平均水平数，即ti=Ti/4；Ri为极差，即该因素影响因子的最大值与最小值之差，Ri越大，表明该因素对改性土无侧限抗压强度的影响越明显。由表5、6可知：按Ri从大到小排序，水泥改性土各因素依次为R2、R1、R3；石灰改性土各因素依次为R1、R3、R2，表明影响水泥改性土无侧限抗压强度的因素中，α是主要因素，压实度次之，β影响最小；影响石灰改性土无侧限抗压强度的因素中，压实度是主要因素，β次之，α影响最小。其中误差列的极差最小说明试验产生的随机误差较小。

表5 石灰改性土28 d极差分析

由表4、5可知：为明确各因素对高含水改性土抗压特性的影响，固定2个因素，比较分析单一因素的影响程度。当压实度和β相同时，α对水泥改性土的无侧限抗压强度影响更大，当α从4%增至10%，水泥改性土的无侧限抗压强度增加275%～300%，石灰改性土的无侧限抗压强度仅增加35%～65%；当α和压实度相同时，β越大对改性土无侧限抗压强度的破坏越显著，水的最佳质量比每超出1%，水泥改性土、石灰改性土的无侧限抗压强度分别损失5%、7%；当α、β相同时，压实度对水泥改性土、石灰改性土无侧限抗压强度影响呈线性分布，且对石灰改性土无侧限抗压强度影响更大，自压实度为90%开始，压实度每提高1%，水泥改性土、石灰改性土的无侧限抗压强度分别增加10%、25%。

表4 水泥改性土28 d极差分析

2.3 改性土抗剪特性

2.3.1 抗剪参数

在剪应力-正应力平面上绘制摩尔应力圆获得抗剪强度指标的黏聚力c和摩擦角φ。各因素变化下，水泥、石灰改性土c和φ与α的变化曲线如图5～7所示。

由图5～7可知：加入水泥对粉土的c改良效果更为明显，与素土的c相比，水泥改性土c增大10～17倍，石灰改性土仅增长2～8倍。2种改性土的φ仅提升1.5～2.0倍，说明水泥改性土的早期抗剪强度比石灰改性土更高，原因是改性土的φ增长较小，c对抗剪强度影响更大。

a)水泥改性土 b)石灰改性土

a)水泥改性土 b)石灰改性土

压实度为96%时，7、28 d养护的石灰改性土φ与α1负相关；其他情况下，7、28 d养护龄期下水泥改性土的c与α1和压实度正相关，石灰改性土的c与α2和压实度正相关。

2.3.2 改性土抗剪强度

按照图7的c和φ参数，根据三轴仪中莫尔-库仑剪切模型得到改性土的抗剪强度

a)水泥改性土 b)石灰改性土

式中σ1、σ3为极限平衡状态下轴向主应力和围压应力。

围压为100、300、500 kPa时，改性土τ与α、养护龄期和压实度的关系如图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

由图8～10可知：在相同养护龄期、压实度、围压强度和α条件下，水泥改性土获得的τ比石灰改性土高1倍；在相同养护龄期下，比较2种改性土受3个因素的影响程度，α对τ影响更大。

由图8～10可知：比较7 、28 d养护龄期的改性土τ，水泥改性土的τ平均增长12%，石灰改性土的τ平均减弱1%；围压强度和压实度相同条件下，α每增加1%，水泥改性土、石灰改性土的τ分别增长6%、4%；α和围压强度相同条件下，压实度每增加1%，7、28 d养护龄期水泥改性土的τ分别增长0.9%、2.8%，7、28 d养护龄期石灰改性土的抗剪强度分别增长1.5%、2.7%；α和压实度相同条件下，围压强度每增加1 kPa，水泥改性土、石灰改性土的τ分别增长0.8%、1.3%。

在养护龄期、压实度和α相同的条件下，2种改性土试件的τ均随围压强度增大而增大。7 d养护龄期改性土τ变化曲线的斜率随围压强度增长而增大，28 d养护龄期的改性土围压强度与τ增长成线性关系。从得到的数据可以发现，在工程实践中确定α后，可将改性土的压实度和围压强度作为变量，采用多元线性函数拟合不同α下τ的回归方程相对可靠，相关系数R2>0.97，多元线性回归模型为

τ=Am+Bn+C，

式中：m为改性土的压实度；n为围压强度，kPa；A、B、C为拟合得到的参数。

计算后，α与改性土的τ拟合结果如表6所示。

表6 α与改性土的τ拟合结果

由表6可知：养护28 d的改性土τ与压实度和围压的拟合相关系数比养护7 d的改性土更好。

3 结论

1)研究章丘港区改性粉土的压剪特性，获得了高含水区域改性土的压剪特性规律。在7 d养护龄期改性土无侧限抗压强度的影响因素中，胶凝材料与干土的质量比对水泥改性土影响最大，其次是压实度、水与干土和胶凝材料的质量比；压实度对石灰改性土的影响最大，其次是水与干土和胶凝材料的质量比、胶凝材料与干土的质量比；水与干土和胶凝材料的质量比较大时，水泥改性土抗压强度更高。

2)随胶凝材料与干土的质量比和压实度的增大，水泥对章丘港区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仅提升2～8倍；改性土摩擦角仅提升1.5～2.0倍；其他试验参数相同时，水泥改性土的抗剪强度更高。

3)在高含水区改性土抗剪强度的影响因素中，胶凝材料与干土的质量比是水泥改性土的最主要影响因素，且随养护龄期的增长，改性土的抗剪强度增大；胶凝材料与干土的质量比是石灰改性土的最主要影响因素；随养护龄期的增长，改性土抗剪强度小幅减小，2种改性土的抗剪强度与围压强度的增长成线性关系。

本文未分析抗压、抗剪强度的相关性，可进一步研究相同因素影响下改性土抗压、抗剪强度的近似关系，建立抗压、抗剪强度随多因素变化的回归方程和回归曲面。