粉煤灰对水泥土三轴剪切峰值强度的影响性分析

2024-04-22戴玉明贺佐跃

广东土木与建筑 2024年3期

戴玉明，贺佐跃

（1、广州开发区财政投资建设项目管理中心广州 510663；2、广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司广州 510507）

0 引言

水泥土广泛应用在软土地区的地基处理中，如水泥搅拌桩［1］、高压旋喷桩［2］、就地固化［3］及注浆［4］等。在这些地基处理方法中，水泥土的无侧限抗压强度通常被视为重要参数。然而，若水泥土应用在边坡范围内，除提高复合地基模量减少沉降外，水泥土还具有抵抗剪切增强抗滑的作用［5］。此时，水泥土剪切强度是影响边坡稳定性的主要因素。无侧限抗压强度试验无围压，但实际上土体处于有侧限状态，侧向变形处于周围土体的围压作用下，土体实际上是三维应力状态［6］。

水泥土三轴剪切强度尚处于初步研究阶段。阮波等人［7］对黔张常铁路软土地基进行了水泥土室内试验，水泥掺量对水泥土强度具有显著影响；许胜才等人［8］通过三轴试验表明水泥土的应力应变关系呈软化型；钟石明等人［9］水泥土的剪切破坏形式进行了研究，表明脆性破坏和张拉破坏是可能破坏形式，但均未发生显著的塑性形变；陈利宏等人［10］通过直剪试验研究了水泥土的剪胀特性，且在剪切过程中有趋于脆性破坏的现象；王伟等人［11］研究了水泥土的碳化时间对强度的影响，并分析了碳化过程中的能量耗散情况；陈四利等人［12］基于三轴试验，发现水泥土的脆性、延性破坏与水泥掺量和围压有关；宋新江等人［13］基于真三轴试验，随围压增加水泥土应力应变关系由软化逐渐变为硬化；王军等人［14］研究了三轴剪切强度特性，并建立了考虑应变软化特性的修正邓肯-张模型。上述文献从不同角度阐述了水泥土的三轴剪切应力-应变特性，为深入了解水泥土的三维应力状态提供了重要依据。然而，关于水泥土的三轴剪切强度整体上仍然较少，粉煤灰对强度的影响规律研究也非常有限，掺入比、龄期、围压及粉煤灰等因素对强度的影响仍需进一步深入研究。此外，软土具有显著的地域性，不同地区的软土物理、力学性质差异性较大［15-18］，某一地区的水泥土三轴剪切特性在其他地区的适用性具有明显限制。

本文基于三轴剪切试验，对胶凝材料总掺入比、龄期、围压和粉煤灰掺入比等因素及其对三轴剪切强度之间的影响性进行分析，揭示各因素与强度之间的影响规律，为珠三角软土区水泥土处理的设计与施工提供试验依据。

1 试验介绍

淤泥取自中山市某路基，淤泥级配曲线如图1 所示，土体基本物理参数如表1 所示。试验仪器为全自动应变控制式三轴仪，剪切速率为0.640 mm/min。水泥土试样均在不固结不排水状态下进行试验，轴向应变不大于15%。保持胶凝材料的总掺入比不变，但改变粉煤灰的掺入比，具体试验方案如表2所示。其中，胶凝材料的总掺入比分别为：10.6、16.6%，序号1、2、3总掺入比为10.6%，序号4、5、6总掺入比为16.6%。粉煤灰掺入比共分为4 个等级，分别为5.0%、10.6%、13.6%和16.6%。试验围压共分为4 个等级，分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa。养护在标准条件下进行，通过控制养护时间，分别得到龄期为14 d、28 d和90 d的三轴剪切强度。试样高80 mm、直径39.1 mm。

表1 软土的基本参数Tab.1 The Basical Parameters of Soft Soil

表2 粉煤灰三轴剪切试验方案Tab.2 The Triaxial Shear Test Scheme Considering Fly Ash

图1 软土级配曲线Fig.1 The Gradation Curve of Soft Soil

2 峰值强度

2.1 围压

试验围压对峰值强度的影响如图2 所示，由图2可以得出以下结论：

图2 峰值强度与围压的关系Fig.2 Relationship between Peak Strength and Confining Pressure

⑴当胶凝材料的总掺入比、龄期和粉煤灰掺入比等条件均相同时，试样的峰值强度均随围压逐渐增加，且呈现出相关性很好的线性相关关系；而斜率并不完全相同，说明峰值强度随围压的变化还受到其他因素的影响。试样所受围压越大，表示受到的约束越强，土样也越不容易破坏，即峰值强度也会随之增加。

⑵当试验围压、龄期和粉煤灰掺入比等条件均相同时，总体上试样的峰值强度随胶凝材料总掺入比逐渐增加。水泥、粉煤灰等胶凝材料能显著改善软土的土性，对提升软土的力学性能具有明显的作用，因此当胶凝材料的总掺入比较小时，峰值强度随总掺入比会逐渐增加。

2.2 龄期

龄期对峰值强度的影响如图3 所示。由图3 可以看出，当胶凝材料的总掺入比、龄期和粉煤灰掺入比等条件均相同时，试样的峰值强度均随龄期逐渐增加，但并未表现出很好的线性关系。此外，总掺入比对峰值强度随龄期的变化趋势（即曲线发展趋势）也有一定影响。

图3 峰值强度与龄期的关系Fig.3 Relationship between Peak Strength and Age

由表1可知，当胶凝材料的总掺入比较小，且胶凝材料的总掺入比、试验围压和龄期均保持不变时，试样的峰值强度随粉煤灰掺入比均逐渐增加。这说明在这些情况下，相较于水泥，粉煤灰对软土力学性能的提升作用更大，在水泥中掺入一定量的粉煤灰能较好地增大峰值强度。然而，当胶凝材料的总掺入比较大时，例如胶凝材料总掺入比为16.6%时，试样的峰值强度随粉煤灰掺入比的变化趋势会有所不同。下面将针对这一对象，研究峰值强度随粉煤灰掺入比的影响规律。

2.3 粉煤灰掺入比

当胶凝材料的总掺入比为16.6%时，粉煤灰掺入比对峰值强度的影响如图4 所示。可以看出，当试验围压、龄期等条件保持不变时，试样的峰值强度均先随粉煤灰掺入比逐渐增加，当粉煤灰掺入比超过一定程度后，峰值强度随粉煤灰掺入比有所下降。这表明，当胶凝材料的总掺入比一定且数值较大时，粉煤灰并不能总是提高峰值强度，较大的粉煤灰掺入比反而会起到相反的作用。换句话说，存在一个粉煤灰掺入比的最优值，在该最优值条件下，可使峰值强度达到最大。当然，不同条件下的最优值也是不一样的，需进一步开展研究。

图4 峰值强度与粉煤灰掺入的关系（总掺入比为16.6%）Fig.4 Relationship between Peak Strength and fly Ash Incorporation Ratio（Total Incorporation Ratio is 16.6%）

3 峰值强度增量

3.1 围压

峰值强度增量与试验围压之间的关系如图5 所示，其中，实线、虚线分别表示粉煤灰掺入比为5.0%、10.6%，线条颜色黑、红、蓝分别表示龄期为14 d、28 d、90 d。由图5 可以看出，总的来说，试验围压对峰值强度的影响没有明显的规律，关系曲线起伏较大，且峰值增量大部分处于0～1.5 MPa范围内。当胶凝材料总掺入比为16.6%时，龄期为14 d、28 d时的峰值强度增量随围压逐渐增加，而龄期为90 d 时的峰值强度随围压变化较为平缓，且并未表现出明显的增加。

图5 峰值强度增量与围压的关系Fig.5 Relationship between Peak Strength Increment and Confining Pressure

3.2 龄期

峰值强度增量与龄期之间的关系如图6所示。其中，实线、虚线、点线、点画线分别表示试验围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，黑、红、蓝、绿色分别表示粉煤灰掺入比为5.0%、10.6%、13.6%、16.6%。由图6可以看出，总的来说，与试验围压的影响规律类似，龄期对峰值强度增量的影响也没有明显的规律，关系曲线起伏也较大，在胶凝材料的总掺入比较小时尤其如此。然而，当胶凝材料的总掺入比为16.6%时，峰值强度增量总体上均随龄期逐渐减小，但减小幅度也并无明显的变化规律。

图6 峰值强度增量与龄期的关系Fig.6 Relationship between Peak Strength Increment and Age

与峰值强度类似，当胶凝材料的总掺入比较小，且胶凝材料的总掺入比、试验围压和龄期均保持不变时，试样的峰值强度增量随粉煤灰掺入比均逐渐增加。这说明在这些情况下，相较于水泥，粉煤灰对软土力学性能的提升作用更大，在水泥中掺入一定量的粉煤灰能较好地增大峰值强度增量。然而，当胶凝材料的总掺入比较大时，例如胶凝材料总掺入比为16.6%时，试样的峰值强度增量随粉煤灰掺入比的变化趋势会有所不同。下面将以这一情况为对象，研究峰值强度增量随粉煤灰掺入比的影响规律。

3.3 粉煤灰掺入比

峰值强度增量与粉煤灰掺入比之间的关系如图7所示，可以看出，当试验围压、龄期等条件保持不变时，试样的峰值强度增量均先随粉煤灰掺入比逐渐增加，当粉煤灰掺入比超过一定程度后，峰值强度增量随粉煤灰掺入比有所下降。这表明，当胶凝材料的总掺入比一定且数值较大时，粉煤灰并不能总是提高峰值强度增量，较大的粉煤灰掺入比反而会起到相反的作用。换句话说，存在一个粉煤灰掺入比的最优值，可使峰值强度增量达到最大。当然，不同条件下的最优值也是不一样的，需进一步开展研究。