固化黄土力学特性三轴试验研究

刘忠玉, 朱少培, 张家超, 宁秉正

(郑州大学土木工程学院, 河南 郑州 450001)

0 引言

黄土,作为一种特殊土,具有多孔性以及沉陷性等特点,且在我国分布较广。针对这类土质,大量学者已对其工程性能进行了一系列的研究。其中,黄土的变形及强度问题是不少学者关注的焦点。在这方面,国外较早的研究是由Savvateev[1]开展的。后来,国内刘祖典等[2-3]就陕西关中地区黄土的变形特性进行了探讨。自那以后,学者们分别从湿陷性[4-5]、温度荷载[6]、结构性[7-8]以及干湿循环因素[9-10]等角度入手,探究了影响黄土变形的因素,也相继提出了不同因素下黄土的应力应变关系[11-13]。上述研究使我们对黄土的基本特性有了较为充分的认识。

为改善黄土的不良工程特性,固化是对黄土进行改良的常用方法之一。其中,郭婷婷等[14]利用粉煤灰对黄土进行了固化,并研究了粉煤灰掺量对固化后土体的压缩性、渗透性以及强度的影响。吴文飞等[15]利用水泥对黄土进行了固化,研究了水泥掺量对固化土的强度、水稳性以及湿陷性的影响。除了上述固化材料外,有学者[16]提出应用水玻璃固化黄土,即硅化法处理黄土。为了提高该方法对黄土的固化性能,不断学者也对此进行改进,比如温度改性[17-18]、电场改性[19]等。然而,上述处理地基的方法各有不足,比如传统固化剂(比如水泥、粉煤灰等)具有耗能高、污染环境等特点,而硅化法处理地基的成本则比较昂贵。为此,一些学者着手研制新型固化剂,以期改善上述固化剂的不足。例如,王银梅等[20]、张虎元等[21-22]、彭宇等[23]先后开发出新型高分子(SH)固化材料和抗疏力固化剂,将其应用到黄土固化中,并探讨了这些固化剂对黄土的强度、渗透性以及膨胀性的影响。同时,贺智强等[24]、侯鑫等[25]先后从宏观与微观的层面入手,探讨了木质素对黄土的固化作用。值得注意的是,上述研究中土体取材大多集中于陕甘地区,然而不同地域的黄土性能具有明显的差异性。当前,为合理规划黄河流域周边城市群的发展,国家提出了“黄河流域生态保护和高质量发展”的战略。因此,研究沿线地区黄土的固化性能对工程建设具有重要意义。

本文以郑州地区典型黄土为试验材料,选取某新型固化剂进行固化,利用GDSTTS标准应力路径三轴仪开展了固化黄土的力学性能研究。这里,笔者主要探讨了围压、固化剂掺量以及固化土养护龄期对固化土剪切过程应力应变关系的影响。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验用黄土取自郑州某地,取土深度为5 m。经测定,该土密度为2.7 g/cm3,液限为22.9%,塑限为14.7%,塑性指数为8.2,为黄土状粉土。土壤固化剂选用河南嘉科吉地科技实业有限公司生产的一种新型无机类固化剂,主要由矿渣硅酸盐水泥、火山质灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥以及某种激发剂按照一定的配比掺和而成。

1.2 试样制备

首先,将试验用土风干碾碎,并过2 mm筛子去除杂质。然后,将试验用土与固化剂按照3%、5%、7%、9%、11%掺量进行配制,以含水率为17%进行均匀拌和后,利用分层击实法制成密度为1.75 g/cm3,直径为38 mm,高度为76 mm的圆柱形试样。最后,将试样放入恒温恒湿试验箱,在温度20±2 ℃,湿度95%条件下养护到试验所需龄期的最后一天采用真空饱和法将试样饱和备用。这里养护龄期分别设定为7 d、28 d、60 d、90 d。

1.3 试验方法

采用GDSTTS标准应力路径三轴仪对试样进行CU试验。首先对试样进行反压饱和,直到B值大于0.95。然后设定围压分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa,当孔压完全消散后,在不排水条件下施加偏应力直至试样破坏。

2 试验结果分析

2.1 围压对固化黄土力学特性的影响

图1给出了掺量3%和5%,7 d龄期的试样在不同围压下轴向应变εd随偏应力q变化的曲线。很明显,不同围压下固化土的应力应变曲线呈现应变软化的特征。也就是说,固化土具有明显的结构性。从图中也可以发现,围压对固化土的峰值应力和残余强度均有影响,具体表现为,二者会随围压的增大而增大。

图1 围压对固化黄土偏应力-轴向应变曲线的影响Fig.1 Influence of confining pressure on the deviatoric stress-axial strain curve of solidified loess

2.2 掺量对固化土力学性能的影响

图2给出了不同掺量的龄期7 d和28 d的固化黄土试样分别在围压100 kPa和200 kPa条件下轴向应变εd随偏应力q变化的曲线。由图2可知,固化剂掺量对固化土峰值应力以及残余应力的影响十分明显。并且,掺量越大,固化土的峰值应力与残余强度就会越大。对于这种现象,我们可以这样理解:当固化剂遇水时,二者会发生化学反应,并形成易与土颗粒结合的水化产物。由于这种产物的存在,土体中的孔隙会大量缩小,进而提高了土体的抗剪强度。

图2 固化剂掺量对固化黄土偏应力-轴向应变曲线的影响Fig.2 Influence of solidified agent content on the deviatoric stress-axial strain curve of solidified loess

2.3 养护龄期对固化土力学特性的影响

图3给出了固化剂掺量5%和7%的试样在200 kPa围压下轴向应变εd与偏应力q的关系曲线。图3表明,随着龄期的延长,固化土的峰值应力与残余强度均会增大。这是由于养护时间越长,固化土中的固化剂与水反应越充分,进而提高了固化土的相应强度值。但是,这种增幅并不会随着龄期的增长而变大。相反,这种趋势会越来越小。以图3(a)为例,28 d的峰值应力是7 d峰值应力的1.39倍,而90 d的峰值应力则是60 d相应值的1.09倍。

图3 龄期对固化黄土偏应力-轴向应变曲线的影响Fig.3 Influence of curing age on the deviatoric stress-axial strain curve of solidified loess

产生这种现象的原因,我们可以认为:在养护初期,固化剂与水反应强烈,产生相应的水化产物较多,进而填充土颗粒间的孔隙;而随着养护时间的增大,这种水化反应会越来越弱,因而相应强度的增加也就不再明显。

3 固化黄土应力应变关系表达式

上述研究结果表明,固化黄土具有显著的结构性特征。为描述结构性土的应力应变特征,学者们提出了一系列的本构关系式。其中,沈珠江[26]曾提出一个描述剪切过程的驼峰型三参数表达式:

(1)

式中:a、b、d均为待定参数,它们的单位均为kPa-1。这样,峰值应力对应的轴向应变εs=a/(b-2d),峰值应力qs=1/[4(b-d)],相应的残余应力qr=d/b2。

该模型中相关参数物理意义明确,并且能够利用常规的三轴剪切试验获得。为此,笔者采用该模型对本文试验结果进行拟合。图4中给出了示于图1(b)和图3(a)的试验结果的拟合曲线,相应的拟合参数示于表1和表2。其中R2最小为0.968,因此该表达式能够较好地描述固化黄土的剪切过程。

表1 图4(a)所用参数取值

表2 图4(b)所用参数取值

图4 驼峰型表达式对固化土应力-应变关系的拟合Fig.4 Fitting of stress-strain relationship of solidified soil by hump expression

4 结论

(1) 郑州地区黄土经固化剂固化后具有显著的结构性,其应力应变曲线表现出应变软化特征。围压越大,固化剂掺量越多,养护龄期越长,固化土的峰值应力与残余强度就会越大。

(2) 较之围压与掺量,养护龄期对固化土应力应变曲线的影响具有范围性。当龄期较短时,固化黄土强度随龄期延长而增长较快;而随着龄期的延长,龄期对固化黄土强度的影响越来越弱。

(3) 郑州地区固化黄土的应力应变关系可用驼峰曲线描述。