楊愛武，姜 帥，封安坤，陳立杰，趙夢生

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300384；3.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

固化輕質(zhì)土[1]是一種在土體中加入固化材料、發(fā)泡材料制備出的新型土工材料，由于其具有輕質(zhì)且強度高等特點，故將其應(yīng)用到路基填料工程當(dāng)中能有效地解決道路不均勻沉降引起的路基失穩(wěn)破壞、橋頭跳車以及差異沉降等問題[2-4]。在實際工程中，路基不僅要承受本身的自重、上部覆蓋的荷載以及外部加載下的變形，還要在季節(jié)更替、地震及滑坡等自然因素作用下滿足力學(xué)特性的要求，因此，探究在各種環(huán)境因素影響下固化輕質(zhì)土的結(jié)構(gòu)性、穩(wěn)定性以及耐久性是否滿足工程需求是我們考慮的重點問題。

近幾年，國內(nèi)外學(xué)者對土體在干濕循環(huán)及大變形條件下力學(xué)特性的研究取得了一定的成果。如劉文化等[5]對干濕循環(huán)后的土體進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)對土體的影響與其本身的初始干密度有密切的關(guān)系；Guan等[6]進一步證明了在干濕循環(huán)作用后,土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化；梁諫杰等[7]、張祖蓮等[8]研究了在干濕循環(huán)作用影響下庫岸紅土的抗剪強度與其微結(jié)構(gòu)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，并進一步揭示了干濕循環(huán)作用與加砂紅土物理力學(xué)特性變化之間的關(guān)系；張芳枝等[9]對非飽和土在干濕循環(huán)作用下的變形和強度的影響效應(yīng)進行了研究；慕煥東等[10]研究得出強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，但強度衰減的幅度也隨之逐漸減?。怀碳衙鞯萚11]發(fā)現(xiàn)固化后的黃土的抗剪強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低；王順等[12]研究了不同環(huán)剪方式對殘余應(yīng)力的影響；TIWARI[13]、吳迪等[14]研究了在較大剪切位移下土體抗剪強度的變化規(guī)律。

然而，對于固化輕質(zhì)土的研究主要集中在常規(guī)狀態(tài)下的力學(xué)特性[15-19]，對干濕循環(huán)條件下力學(xué)特性的變化規(guī)律涉及相對較少，另外國內(nèi)外學(xué)者對于固化輕質(zhì)土在滑坡作用等大變形條件下力學(xué)特性變化規(guī)律的研究報道也較為少見，無法提供相應(yīng)的理論依據(jù)?；诖?，本文擬制備不同密度的固化輕質(zhì)土，研究干濕循環(huán)條件下土體無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律及其作用機理，同時對大變形條件下土體殘余強度進行了研究，以期能更好地了解固化輕質(zhì)土的特性，從而為相關(guān)工程實踐提供理論依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試樣制備及其基本性質(zhì)

本次試驗采用天津濱海新區(qū)吹填軟土為原料土，固化材料為自行研制的固體粉末狀固化劑(已申請專利，專利號：IB167149)，固化輕質(zhì)土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d后進行試驗。具體的試驗制備過程為：首先將土體置于烘箱內(nèi)24 h，使其徹底干燥。為了提高試樣的均勻性，將烘干的土粉碎過1 mm篩，然后按照試驗先期設(shè)定的配比將原料土、生石灰、發(fā)泡材料、固化材料混合，攪拌均勻，待固體顆粒材料混合均勻后加入稱量好的水再次攪拌均勻，隨后將泥漿狀的土樣倒入模具中(模具在裝入土樣前在內(nèi)壁涂凡士林，以利于后期土樣達到養(yǎng)護期齡后脫模方便)，為了保證試樣的均勻密實性，在倒入模具過程中應(yīng)盡量避免黏附在模具內(nèi)壁上，最后將模具頂部用打孔的有機玻璃板密封(板內(nèi)側(cè)為透氣不透水薄膜，防止土樣水分從孔洞流失，造成試驗誤差)。待土樣制備完成后置入養(yǎng)護箱，等達到預(yù)定養(yǎng)護期齡后脫模進行相關(guān)試驗。

試驗中，定義自然發(fā)泡的固化輕質(zhì)土樣的密度為1.0ρ，本次試驗通過壓縮體積的方法控制發(fā)泡量，以制備出1.1ρ和1.2ρ的試樣，其基本物性指標(biāo)如表1所示。

表1 固化輕質(zhì)土基本物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 干濕循環(huán)試驗

1.2.1預(yù)試驗

進行正式試驗前，需通過預(yù)試驗確定合理的干濕循環(huán)次數(shù)。預(yù)試驗是對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d、密度為1.0ρ的固化輕質(zhì)土進行0～15次干濕循環(huán)試驗，并在每次干濕循環(huán)后均對試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果如圖1所示，通過分析干濕循環(huán)次數(shù)對試樣無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律給定干濕循環(huán)次數(shù)的大致范圍。干濕循環(huán)試驗過程為：先對養(yǎng)護箱內(nèi)取出的試樣進行稱重測量，然后將其放入溫控養(yǎng)護箱(50±2 ℃)使其含水率達到25%，測量其重量后密封靜置12 h，即完成脫濕過程；再將其放入真空飽和罐中進行吸濕控制，使其含水率達到95%以上，取出測其重量并密封靜置12 h，即完成吸濕過程。一個干濕循環(huán)周期過程如圖2所示，在試驗過程中均采用土壤水分濕度測試儀測試試樣在試驗過程中的濕度變化。

圖1 不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下無側(cè)限抗壓強度變化曲線

圖2 干濕循環(huán)過程示意圖

由圖1可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度逐漸減小，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到7次左右后，強度衰減趨勢變緩，趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖1結(jié)果選擇循環(huán)次數(shù)為1，3，5，7，10，15次進行正式循環(huán)試驗。

1.2.2試驗方案

具體試驗方案與預(yù)試驗的步驟相同，只是在正式試驗中，試樣取1.0ρ，1.1ρ，1.2ρ三種不同密度的固化輕質(zhì)土，其養(yǎng)護齡期分別取7 d，14 d，28 d，60 d，干濕循環(huán)的次數(shù)參照預(yù)試驗結(jié)果選定為1，3，5，7，10，15次，具體試驗方案如表2所示。

表2 固化輕質(zhì)土干濕循環(huán)試驗方案

1.3 環(huán)剪試驗

試樣為外徑150 mm、內(nèi)徑100 mm、高30 mm的環(huán)形試樣，密度為1.0ρ，1.1ρ和1.2ρ。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后，用SRS-150環(huán)剪儀對固化輕質(zhì)土分別進行單級剪切、預(yù)剪切及多級剪切三種不同形式的環(huán)剪試驗，研究其峰值強度、殘余強度及變形發(fā)展規(guī)律。

(1)單級剪切試驗是直接在法向應(yīng)力下進行剪切，法向應(yīng)力選取50，100，200，400 kPa，剪切速率為0.02 mm/min，剪切應(yīng)力-位移曲線基本穩(wěn)定后停止試驗。

(2)預(yù)剪試驗是先進行快剪，剪切速率為0.1 mm/min，若內(nèi)部形成剪切面，則轉(zhuǎn)為慢剪，剪切速率為0.02 mm/min，待殘余強度趨于穩(wěn)定后停止試驗。

(3)多級剪切試驗是指土樣在剪切過程中，先對試樣進行法向有效應(yīng)力為50 kPa的單級剪切試驗，待剪切應(yīng)力-位移曲線基本穩(wěn)定后，在此土樣上繼續(xù)進行100，200，400 kPa應(yīng)力等級條件下的單級剪切試驗。

本次試驗每種情況取3組平行樣進行試驗，3組試樣的平均值作為試驗的最終結(jié)果。具體的試驗方案如表3所示。

表3 固化輕質(zhì)土環(huán)剪試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)作用下固化輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度及其機理

干濕循環(huán)作用下固化輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，總體上來說，固化輕質(zhì)土在干濕循環(huán)作用下強度有所下降，但不同養(yǎng)護齡期及密度下強度下降的速度以及強度保持穩(wěn)定的時間不同，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化輕質(zhì)土的強度呈現(xiàn)出先減小后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。這是由于在干濕循環(huán)的作用下，土體內(nèi)部易破壞的結(jié)構(gòu)會迅速破壞，導(dǎo)致土體的強度急速下降。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到一定時，土體內(nèi)易壞結(jié)構(gòu)已完全失效，此時強度完全由土體內(nèi)部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)提供，而干濕循環(huán)作用對其影響較小，使得土體強度趨于穩(wěn)定值。

圖3 不同養(yǎng)護齡期固化輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

在同一密度條件下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，固化輕質(zhì)土強度的衰減程度逐漸減小且趨于穩(wěn)定的時間變短。這是由于當(dāng)養(yǎng)護齡期較短(7 d)時，土體結(jié)構(gòu)還不穩(wěn)定，本身含有的固化劑成分效果還未完全發(fā)揮，發(fā)泡作用形成的新的顆粒群及新結(jié)構(gòu)還不穩(wěn)定，易受到外界因素的影響而破壞。而土樣的養(yǎng)護齡期較長(28 d)時，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著養(yǎng)護齡期的增加而越發(fā)穩(wěn)定，抵抗干濕循環(huán)影響的能力就越強，土體在干濕循環(huán)作用下無側(cè)限抗壓強度降低的幅值減小，并且強度會更快地趨于穩(wěn)定值。

對于不同的密度條件，當(dāng)固化輕質(zhì)土的養(yǎng)護齡期相同時，土體的密度越大，土體的衰減程度就越小。這是因為試樣的密度越大，土體內(nèi)部的固體顆粒越多，顆粒間相互作用力越大，結(jié)構(gòu)性越強，抵抗干濕循環(huán)作用的能力就越強，衰減的幅度就越小。

由上述分析可得，土體強度與土結(jié)構(gòu)性存在密切的聯(lián)系，齊吉琳等[20]曾指出土的結(jié)構(gòu)性是指土中顆?；蛲令w粒集合體以及它們之間孔隙的大小、形狀、排列組合及聯(lián)結(jié)等綜合特征，土的結(jié)構(gòu)性除了包括顆粒之間的聯(lián)結(jié)特征，還應(yīng)包括土的骨架和孔隙的幾何特征(即土顆粒和孔隙的數(shù)量、大小、形狀和分布等)。為了更好地研究固化輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，本文開展了不同密度的固化輕質(zhì)土孔隙率隨養(yǎng)護齡期及干濕循環(huán)次數(shù)變化的研究，具體成果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體孔隙率呈現(xiàn)出先迅速增大后趨于平緩的趨勢。這是因為在干濕循環(huán)過程中，土體脫水后會產(chǎn)生微裂縫，而在隨后的吸水過程中由于結(jié)合水溶劑膜的鍥入使得原結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，土體內(nèi)部的孔隙變大，甚至出現(xiàn)內(nèi)部孔隙貫通現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在干濕循環(huán)進行的初級階段(第1，3次)最為明顯。而在干濕循環(huán)5次以后，土體內(nèi)孔隙基本貫通，結(jié)構(gòu)性變化不大，因此孔隙增大速率趨于變緩。

不同養(yǎng)護齡期的固化輕質(zhì)土孔隙變化也略有不同。養(yǎng)護齡期為7 d的土樣，由于養(yǎng)護齡期較短，顆粒之間較松散，內(nèi)部結(jié)構(gòu)還不穩(wěn)定，孔隙變化較大，變化率為15%～20%。隨著養(yǎng)護齡期增長，固化效果增強，顆粒間的結(jié)構(gòu)性隨之增長，抵抗干濕循環(huán)影響的能力逐漸增強，隨之孔隙增大的速率減小，變化率為10%左右。對于同種養(yǎng)護齡期的土樣，密度越大，孔隙率變化越小。這是因為密度大的土樣在養(yǎng)護完成時，孔隙率就相對較小，顆粒間接觸緊密，結(jié)構(gòu)性較強，具有較好的抵抗干濕循環(huán)破壞作用的能力。

圖4 不同養(yǎng)護齡期固化輕質(zhì)土孔隙率與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

綜上所述，干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙率增大也是導(dǎo)致土體強度降低的原因，并且土樣的養(yǎng)護齡期越短、密度越小，其結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，強度受干濕循環(huán)影響越明顯。

2.2 不同剪切方式下殘余抗剪強度特性

大變形環(huán)剪試驗中，在單級剪切、預(yù)剪切和多級剪切方式下不同密度固化輕質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

由圖5可知，在剪切試驗初期，剪切應(yīng)力迅速增加并很快達到峰值，但隨剪切位移的繼續(xù)增加，剪切應(yīng)力出現(xiàn)明顯的衰減趨勢，而后趨于平緩。在單級剪切試驗中，此時的強度即為殘余抗剪強度。但在預(yù)剪切試驗中，土體的殘余抗剪強度還與剪切速率有關(guān)。在預(yù)剪初期階段，剪切速率相對較快，剪切面形成明顯的剪脹現(xiàn)象，導(dǎo)致土樣顆粒上的有效應(yīng)力增大，因此使得土體的殘余抗剪強度大于單剪試驗下的殘余抗剪強度。對于多級剪切試驗而言，盡管在改變法向應(yīng)力階段，土體的抗剪強度會降低(這是由于在完成上一級(50 kPa)試驗后，剪切位移不發(fā)生變化，土體內(nèi)部顆粒之間的摩擦?xí)p少，使其抗剪強度降低)，但當(dāng)試驗進入下一階段(100 kPa)，土顆粒之間的摩擦作用會隨剪切位移的增大而有較大的提高，剪應(yīng)力會迅速增大到殘余強度。另外，土體在低有效應(yīng)力作用下發(fā)生沉降，使其密度增大，這也增大了土體的抗剪強度。因此，多級剪的殘余抗剪強度略大于單剪和預(yù)剪的殘余抗剪強度。

圖5 不同密度固化輕質(zhì)土不同剪切試驗下的τ-s曲線

不同密度固化輕質(zhì)土的殘余強度隨著密度的增大而增大。這是因為密度越大，相同體積內(nèi)固化輕質(zhì)土顆粒群組越多，顆粒之間的摩擦力與黏聚力也就越大，并且隨著密度增大，土體達到殘余強度值所需要的剪切位移減小，殘余剪切強度值與剪切應(yīng)力峰值之間的差距也會隨之減小。

對于同種密度固化輕質(zhì)土，法向有效應(yīng)力的逐級增大使得土體的軸向應(yīng)力變大，增大了土體的密實度，因此，土體達到殘余強度值的剪切位移就會越小，且殘余強度值越接近初期峰值剪應(yīng)力。

根據(jù)剪切試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，固化輕質(zhì)土殘余抗剪強度的大小與剪切方式有密切的關(guān)系。本文根據(jù)抗剪強度公式(1)，對數(shù)據(jù)進行處理，求得不同剪切方式下固化輕質(zhì)土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ(表4)。

τf=c+σtgφ

(1)

式中：τf——土的抗剪強度；

σ——破壞面上的法向應(yīng)力；

c，φ——土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

表4 不同密度固化輕質(zhì)土在不同剪切方式下殘余強度c，φ

由表4可知，同種密度的土樣在單剪、預(yù)剪及多剪三種不同方式的剪切試驗中，黏聚力依次減小，而內(nèi)摩擦角依次增大，這是由于土樣受到擾動次數(shù)增加，使剪切變形增大，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞更為嚴(yán)重，顆粒間出現(xiàn)錯位、移動，導(dǎo)致黏聚力下降。同時，顆粒間的移動使得顆粒群變小、分散，相同體積內(nèi)的顆粒數(shù)目增多，內(nèi)摩擦角變大。相同作用條件下，單級剪切作用土樣的黏聚力值最大，預(yù)剪試驗次之，單級剪切最小，而內(nèi)摩擦角的變化則呈相反趨勢。密度越大的固化輕質(zhì)土，黏聚力減小以及內(nèi)摩擦角增大的趨勢都變緩，這是因為，土體本身內(nèi)部顆粒群組的數(shù)量隨著密度的增大而增多，顆粒之間的固化效果和黏聚力也隨著密度的增大而更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1)在干濕循環(huán)試驗中，固化輕質(zhì)土的強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先降低后趨于穩(wěn)定。養(yǎng)護齡期越長，強度越高，土體強度衰減的趨勢越緩；同齡期的情況下，密度大的土樣穩(wěn)定性能較好，抵抗干濕循環(huán)的能力較強。

(2)干濕循環(huán)作用對孔隙率的影響與強度相反，養(yǎng)護齡期越短，土體抵抗破壞能力越差，孔隙率增大越明顯，土體趨于穩(wěn)定所需要的時間越長；而在相同養(yǎng)護齡期的情況下，固化輕質(zhì)土的密度越大，孔隙率的變化越小，土體的穩(wěn)定性越強。

(3)在環(huán)剪試驗中，固化輕質(zhì)土的殘余抗剪強度與密度及有效法向應(yīng)力成正比，與位移成反比；通過對不同剪切方式下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析，當(dāng)優(yōu)先選擇單級剪切試驗測試固化輕質(zhì)土的殘余強度。