，

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

風(fēng)化砂是地表巖石經(jīng)過長期的物理、化學(xué)、生物等風(fēng)化作用而形成的一種大小不一、棱角分明、堆積松散的礦物顆粒。由于長時間受到自然環(huán)境的侵蝕作用，它的物理力學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，在外力作用下極其容易破碎成更小的顆粒。風(fēng)化砂在自然界中分布廣泛，資源十分豐富，而且具有就地取材方便、成本及運輸價格低廉等優(yōu)點，同時具有良好的透水性、水穩(wěn)定性等工程特性，因此在實際工程應(yīng)用中通常將其變廢為寶用作路基填料[1-2]或者將其與二灰、水泥等結(jié)合料拌合壓實處理后用作路面基層、底基層以及墊層等[3-7]。

無論將風(fēng)化砂用在路基中還是路面中，其抗剪強度都是一個非常重要的指標(biāo)。較高的抗剪強度不但能夠保證路基的長期穩(wěn)定性，而且能夠減少路面因抗剪強度不足而產(chǎn)生的一些病害，如裂縫、沉陷等。目前抗剪強度主要通過直剪試驗和三軸壓縮試驗得到，由于直剪試驗在測量抗剪強度指標(biāo)時存在一定的不合理性，如試樣的破壞面為一固定直面且隨剪切過程逐漸減小，而三軸試驗?zāi)軌蚋雍侠淼啬M試件實際破壞過程，所以較直剪試驗而言三軸試驗往往能夠得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。李翠華等[8]通過對三峽隔流堤風(fēng)化砂進(jìn)行三軸試驗研究，得出了風(fēng)化砂的應(yīng)力-應(yīng)變特性。胡舜娥等[9]進(jìn)行了水泥固化濱海風(fēng)積沙三軸試驗，分析了在高含水量狀態(tài)下有效圍壓、水泥劑量和齡期對風(fēng)積沙應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展規(guī)律的影響。二灰作為最常見的膠結(jié)劑用來穩(wěn)定粒料材料具有強度增長穩(wěn)定、水穩(wěn)定性好等優(yōu)點，然而針對二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的三軸試驗卻鮮有研究。本文以三峽庫區(qū)廢棄風(fēng)化砂為研究對象，用二灰將其穩(wěn)定后進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗以得到其抗剪強度指標(biāo)，并將所得結(jié)果與直剪試驗進(jìn)行對比分析，為三峽庫區(qū)廢棄風(fēng)化砂的再生利用提供參考。

2 試驗材料及試驗設(shè)備

2.1 試驗材料

2.1.1 風(fēng)化砂

試驗所用風(fēng)化砂取自湖北省宜昌市三峽庫區(qū)百歲溪大橋附近一帶，為黑云母石英閃長巖風(fēng)化而成，外觀呈現(xiàn)黃褐色，風(fēng)化砂大小不一、顆粒分明，天然含水率較低，用手觸摸感覺棱角突出，不粘手，且大顆粒容易被捏碎。風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)見表1。通過顆粒篩分等試驗得到其級配曲線如圖1。

表1 風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of weathered sand

圖1 風(fēng)化砂級配曲線Fig.1 Gradation curve of weathered sand

2.1.2 石 灰

試驗所用石灰為宜昌當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的生石灰經(jīng)過完全熟化后得到，烘干后為白色粉末狀，用手觸摸有滑膩感，其中有效CaO含量為83.6%>80%，MgO含量為4.7%<5%，屬于Ⅱ級鈣質(zhì)石灰。

2.1.3 粉煤灰

試驗所用粉煤灰取自湖北省宜昌市某熱電廠排灰，顏色呈現(xiàn)灰褐色。該粉煤灰中SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3的總含量為76.3%，燒失量為7.4%，比表面積為2 654 cm2/g，液限為49.8%，塑限為8.2%，塑性指數(shù)為41.6，為F類二級灰。

2.2 試驗設(shè)備

試驗用三軸儀為南京南土儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的TFB-1型非飽和土三軸儀，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集軟件、壓力室、控制主機，標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為直徑39.1 mm、高80 mm，最大軸向力為10 kN，最大圍壓為2 MPa，軸向加載時可進(jìn)行等應(yīng)力控制和等應(yīng)變控制，本試驗加載采用等應(yīng)變控制。

3 試驗方案及步驟

3.1 試驗方案

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/TF 20—2015)，當(dāng)采用石灰粉煤灰穩(wěn)定材料做基層或底基層時，石灰與粉煤灰的質(zhì)量比=1∶2～1∶4，石灰粉煤灰與被穩(wěn)定材料的質(zhì)量比=20∶80～15∶85。本試驗在參考技術(shù)細(xì)則和實際工程的基礎(chǔ)上綜合確定采用的石灰和粉煤灰的質(zhì)量比分別為1∶2，1∶3，1∶4三種，石灰的比例分別為4%，5%，6%，石灰粉煤灰和風(fēng)化砂的質(zhì)量比為30∶70～12∶88，石灰、粉煤灰、風(fēng)化砂三者比例最終按照表2中所示的比例進(jìn)行組合設(shè)計。

3.2 試驗步驟

取適量的風(fēng)化砂、石灰、粉煤灰烘干后備用，首先進(jìn)行擊實試驗以確定不同配比下試件的最佳含水率和最大干密度。通過擊實試驗發(fā)現(xiàn)，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，因此為了便于試驗操作和減小干密度和含水率對試驗結(jié)果的影響，統(tǒng)一取最大干密度為1.90 g/cm3,最佳含水率取12%。

表2 石灰、粉煤灰和風(fēng)化砂的質(zhì)量配比Table 2 Mass proportions of lime, fly ash andweathered sand %

圖3 不同圍壓下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線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為控制指標(biāo)制作試件，三軸試驗所需試件為高80 mm、直徑39.1 mm的圓柱體。制作試件前將三瓣模表面涂一層凡士林，再將三瓣模拼裝固定好，將按表2配制好的混合料攪拌均勻后分5層加入其中并用擊實器擊實，擊實完成后抹平上下表面并貼上一層密封薄膜，靜置2 h后拆除三瓣模并盡量避免對試件造成初步損傷，將制作好的試件用塑料薄膜包裹后放在養(yǎng)護箱中標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度(20±2)℃，濕度≥98%)下養(yǎng)護7 d。

最后將養(yǎng)護好的試件取出，套上橡膠模裝進(jìn)壓力室中，注入純凈水并將圍壓依次設(shè)定為25，50，100，150 kPa，施加軸向壓力進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗。軸向加載速度為0.08 mm/min，試驗過程中電腦程序自動采集試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出即可，整個試驗過程如圖2所示。

圖2 試驗過程Fig.2 Test process

4 三軸試驗結(jié)果及分析

4.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，繪制不同圍壓下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3中ε1表示軸向壓應(yīng)變，σ1-σ3表示偏應(yīng)力。從圖3中可以看出，不同二灰摻量及圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線走勢大致相同，均呈現(xiàn)出偏應(yīng)力隨著軸向壓應(yīng)變的增加而先增大后減小的趨勢，存在峰值應(yīng)力，即應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)明顯的3個階段：第1階段為應(yīng)變<0.01左右時，應(yīng)力隨應(yīng)變增長的速度較為緩慢，變形主要是在儀器和試件接觸壓密的過程中產(chǎn)生；第2個階段為0.01<應(yīng)變<0.02左右時，應(yīng)力-應(yīng)變增長呈線性關(guān)系，變形以彈性變形為主；第3個階段為應(yīng)變>0.02左右時，應(yīng)力-應(yīng)變增長呈非線性關(guān)系，試件進(jìn)入塑性屈服階段進(jìn)而發(fā)展破壞。各峰值點對應(yīng)的應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表3 峰值點軸向壓應(yīng)變Table 3 Peak axial strain

從表3中可以看出，不同試件對應(yīng)的峰值點軸向壓應(yīng)變隨圍壓的增大整體呈現(xiàn)增大的趨勢，25，50，100，150 kPa圍壓對應(yīng)的平均壓應(yīng)變分別為0.019 7，0.023 4，0.026 8，0.030 0，每級圍壓下的平均壓應(yīng)變較前級圍壓下的平均壓應(yīng)變依次增大了18.8%，14.53%，11.94%。而同一圍壓下峰值點軸向壓應(yīng)變隨二灰比例的變化并未出現(xiàn)顯著增大或減少的情況。

表4 不同二灰摻量和圍壓下的偏應(yīng)力峰值Table 4 Peak values of deviatoric stress under varying dosage of lime-fly ash and confining pressure

4.2 二灰摻量對抗剪強度的影響

由圖3可得到不同圍壓及二灰摻量下的偏應(yīng)力峰值即抗剪強度大小，如表4所示。

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，不同圍壓對應(yīng)的偏應(yīng)力峰值不同，同一試件圍壓越大所對應(yīng)的偏應(yīng)力峰值也越大。這是因為圍壓越大，對試件的徑向約束作用也越強，試件破壞時的抗變形能力越強，因此達(dá)到破壞時所要施加的軸向力也越大。

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，分別以二灰比和石灰劑量為橫坐標(biāo)，偏應(yīng)力峰值為縱坐標(biāo)，繪制不同圍壓下偏應(yīng)力峰值與二灰比、石灰劑量之間的關(guān)系曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 不同二灰比下的偏應(yīng)力峰值Fig.4 Peak values of deviatoric stress with different lime-fly ash ratios

圖5 不同石灰劑量下的偏應(yīng)力峰值Fig.5 Peak values of deviatoric stress with different lime dosages

從圖4可以看出，偏應(yīng)力峰值均隨著二灰比的增大而增大。當(dāng)石灰劑量為4%時，二灰比1∶3下偏應(yīng)力峰值比二灰比1∶2下增大了45.7%，二灰比1∶4下的偏應(yīng)力峰值比1∶3下增大了12.9%；同理，當(dāng)石灰劑量為5%時，依次增大了62.2%和14.0%；當(dāng)石灰劑量為6%時，依次增大了31.4%和22.1%；增長的速率隨二灰比的增大而降低，這主要是由于粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3需要石灰激發(fā)，當(dāng)粉煤灰摻量過多而石灰劑量不足時無法充分參與化學(xué)反應(yīng)，因此導(dǎo)致強度增長的速率降低。

從圖5可以看出，偏應(yīng)力峰值均隨著石灰劑量的增加而增大，且增長的速率隨石灰劑量的增加而并未出現(xiàn)顯著降低的趨勢，這主要是因為石灰不但能夠與粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，而且石灰自身能夠與空氣中CO2發(fā)生碳化反應(yīng)從而使強度繼續(xù)增大。

4.3 二灰摻量對c，φ值的影響

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)畫出不同圍壓下的莫爾圓，作莫爾圓的切線便可得出不同二灰摻量下試件的黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值,如表5所示。

表5 各試件的黏聚力和內(nèi)摩擦角Table 5 Cohesion and internal friction angle of testspecimens with different lime-flyash ratios

從表5可以看出，內(nèi)摩擦角在48.26°～55.55°的范圍內(nèi)變動，最大值比最小值增大了約15%；而黏聚力在179.96～683.25 kPa范圍內(nèi)變動，最大值比最小值增大了約2.80倍。由此可見，石灰劑量及二灰比的變動對黏聚力的影響較對內(nèi)摩擦角的影響更為明顯。這主要是因為影響內(nèi)摩擦角的因素主要有含水率、孔隙比、顆粒表面的粗糙程度、顆粒尺寸、級配等，而影響?zhàn)ぞ哿Φ闹饕蛩貫轭w粒之間的膠結(jié)程度。對于本試驗而言所成型的試件為同一種材料而且控制相同的含水率與干密度，所以內(nèi)摩擦角的變化不大，而石灰粉煤灰比例及劑量的改變使得二者之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率及膠結(jié)產(chǎn)物發(fā)生變化，膠結(jié)產(chǎn)物越多黏聚力相應(yīng)越大。

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，分別以黏聚力和內(nèi)摩擦角為縱坐標(biāo)，石灰劑量為橫坐標(biāo)，繪制不同二灰比下黏聚力、內(nèi)摩擦角和石灰劑量之間的柱狀關(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 不同二灰比摻量下的黏聚力和內(nèi)摩擦角Fig.6 Cohesion and internal friction angle of test specimens with different lime-flyash ratios

從圖6(a)可以看出，當(dāng)石灰劑量恒定時黏聚力的大小隨二灰比的增加而增大；當(dāng)二灰比恒定時黏聚力的大小隨石灰劑量的增加也呈增大趨勢。這主要是因為二灰之間發(fā)生火山灰反應(yīng)，參與反應(yīng)的物質(zhì)越多反應(yīng)后的膠結(jié)產(chǎn)物也相應(yīng)越多，所以黏聚力也會相應(yīng)增大。

從圖6(b)可以看出，當(dāng)石灰劑量一定時內(nèi)摩擦角的大小隨二灰比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在二灰比為1∶3時達(dá)到最大值；當(dāng)二灰比恒定時內(nèi)摩擦角的大小隨石灰劑量的增加總體呈增大趨勢，但增加量并不是很大。這主要是因為石灰作為激發(fā)劑能夠有效激發(fā)粉煤灰中活性SiO2和Al2O3[10]，二者發(fā)生火山灰反應(yīng)，石灰劑量一定時，少量粉煤灰摻入時化學(xué)活性表現(xiàn)較好，隨著粉煤灰摻量增大其化學(xué)活性到達(dá)峰值后便會降低，過多的粉煤灰因無法與充足的石灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)反而會起潤滑作用，從而使得內(nèi)摩擦角先增大后減小。

5 三軸試驗和直剪試驗結(jié)果對比

三軸試驗和直剪試驗均可以得到土體的抗剪強度指標(biāo)，但由于二者的試驗原理、試驗設(shè)備、試驗數(shù)據(jù)的處理方法等均不相同，因此對同一種材料所得到的試驗結(jié)果也不盡相同。通過對二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂進(jìn)行快剪試驗得到內(nèi)摩擦角和黏聚力，如表6所示，并將直剪試驗得到的指標(biāo)和三軸試驗相比較，如圖7所示。

表6 直剪試驗得到的黏聚力和內(nèi)摩擦角

從圖7(a)可以看出三軸試驗得出的黏聚力均大于對應(yīng)直剪試驗得出的黏聚力，三軸試驗得出的黏聚力平均是直剪試驗得出的黏聚力大小的1.78倍。這主要是因為三軸試驗的剪切面不固定為試件的薄弱部位，而直剪試驗中的剪切面固定且有效剪切面積隨著剪切位移的增加而不斷減小[11]，減少的剪切面在一定程度上削弱了粒料間黏結(jié)作用，從而使得黏結(jié)力有所降低。

從圖7(b)可以看出三軸試驗得出的內(nèi)摩擦角與對應(yīng)直剪試驗得出的內(nèi)摩擦角之間相差不是很大，三軸試驗得出的內(nèi)摩擦角平均值為51.06°，直剪試驗得出的內(nèi)摩擦角平均值為51.66°，可見試驗方式對內(nèi)摩擦角的影響較小。

圖7 直剪試驗和三軸試驗黏聚力和內(nèi)摩擦角對比Fig.7 Comparison of cohesion and internal frictionangle between direct shear test and triaxial test

6 結(jié) 論

(1)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，且峰值點軸向壓應(yīng)變隨圍壓的增大整體呈現(xiàn)增大的趨勢。

(2)偏應(yīng)力峰值均隨著二灰比例和石灰劑量的增加而增大，增長的速率隨二灰比例的增大而降低。

(3)黏聚力隨二灰比和石灰劑量的增加而增大，而內(nèi)摩擦角隨二灰比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在二灰比為1∶3時達(dá)到最大值。

(4)三軸試驗得出的黏聚力大于對應(yīng)直剪試驗得出的黏聚力，約是其1.78倍，而二者得出的內(nèi)摩擦角相差不大，試驗方式對黏聚力的影響較內(nèi)摩擦角顯著。