陳其帆，楊陽(yáng)，姜玉榮，劉桂海，劉百明，于憲濤

1.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；2.東營(yíng)市鐵路港航發(fā)展中心，山東 東營(yíng) 257100；3.山東省路橋集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014

0 引言

影響改性土壓剪性能的因素較多，包括土體物理性質(zhì)和級(jí)配、膠凝材料的品質(zhì)和摻量、壓實(shí)度、水與干土和膠凝材料的質(zhì)量比、圍壓強(qiáng)度等[1-4]。在原位土中摻入少量膠凝材料可大幅提高土體的抗壓抗剪能力[5-8]，技術(shù)較成熟，成本較低，在國(guó)內(nèi)外軟土地基處理中應(yīng)用廣泛。Do等[9]采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究水泥與干土的質(zhì)量比和養(yǎng)護(hù)齡期等對(duì)水泥改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，得到抗壓強(qiáng)度隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)和養(yǎng)護(hù)齡期變化的回歸方程。薛勇剛[10]研究低劑量石灰穩(wěn)定土路用性能及其合理配合比，探討石灰穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量等隨影響因素的變化規(guī)律。曲振鵬[11]對(duì)水泥改性土與素土進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，分析水泥與干土的質(zhì)量比和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥改性土抗剪強(qiáng)度的影響。孫希望[12]采用靜三軸試驗(yàn)研究石灰改性土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及抗剪強(qiáng)度特征，得到了不同石灰摻比對(duì)石灰改性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化的影響規(guī)律。阮波等[13]采用三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)(unconsolidated undrained test，UU)，研究水泥摻比和養(yǎng)護(hù)齡期影響下抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律。

目前，對(duì)改性土的研究大多集中在膠凝材料與干土的質(zhì)量比例和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。改性土對(duì)水敏感，以往未能研究早期改性土中水與干土和膠凝材料的質(zhì)量比例較高環(huán)境下土體抗壓強(qiáng)度的發(fā)展，及較高圍壓環(huán)境下改性土的抗剪強(qiáng)度變化。本文以濟(jì)南港章丘港區(qū)改性粉土為研究對(duì)象，對(duì)水泥改性土和石灰改性土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和靜三軸試驗(yàn)，針對(duì)碼頭工程墻后回填水與干土和膠凝材料的質(zhì)量比較高、圍壓較高情況下，耦合壓實(shí)度、膠凝材料與干土的質(zhì)量比、水與干土和膠凝材料的質(zhì)量比等因素對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，為相關(guān)工程提供理論參考。

1 改性土壓剪性能試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

從小清河濟(jì)南港章丘港區(qū)一期工程拌和站東側(cè)取土場(chǎng)采集試驗(yàn)土，取土深度為0.8 m，土體物理性質(zhì)如表1所示。改性膠凝材料選用消石灰和強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

表1 章丘港區(qū)粉土的物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 試件制備

根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]規(guī)定制備試件，抗壓、抗剪試件分別制作為Ф100 mm×100 mm和Ф39.1 mm×80 mm的圓柱體，制備流程為：按要求的水與干土和膠凝材料的質(zhì)量比，取素土加水悶料靜置24 h，加入與干土的質(zhì)量比不同的膠凝材料，將拌和均勻的混合料裝填入模，在100 kN壓力試驗(yàn)機(jī)靜壓成型試件，靜置4 h后脫模，裝入塑料袋養(yǎng)護(hù)室分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、28 d。

1.2.2 抗壓、抗剪特性試驗(yàn)

為研究試件的抗壓特性，共制作64個(gè)試件。在養(yǎng)護(hù)齡期和膠凝材料相同時(shí)，每組試驗(yàn)考慮壓實(shí)度(因素1)、膠凝材料與干土的質(zhì)量比α(因素2)和水與干土和膠凝材料的質(zhì)量比β(因素3)3個(gè)影響因素，采用抗壓正交試驗(yàn)分析影響因素對(duì)試件抗壓特性的影響，如表2所示。為研究β較大時(shí)對(duì)改性土抗壓、抗剪強(qiáng)度的破壞情況，以水的最佳質(zhì)量比為起點(diǎn)設(shè)置β因素，依次遞增2%。抗壓正交試驗(yàn)各水平組合設(shè)計(jì)如表3所示，為提高試驗(yàn)分析的精確性，在正交設(shè)計(jì)表中設(shè)置誤差列，在后續(xù)數(shù)據(jù)分析中驗(yàn)證誤差大小是否影響試驗(yàn)的可靠性。

表2 抗壓正交試驗(yàn)影響因素表

表3 抗壓正交試驗(yàn)各水平組合設(shè)計(jì)表

為研究試件的抗剪特性，相同養(yǎng)護(hù)齡期和膠凝材料條件下，每組試驗(yàn)考慮3個(gè)壓實(shí)度、3個(gè)圍壓和4種α，壓實(shí)度分別為90%、93%、96%，圍壓分別為100、300、500 kPa，α分別為4%、6%、8%、10%，按水的最佳質(zhì)量比制備試件，采用三軸試驗(yàn)方案，共制作144個(gè)試件。

1.2.3 試驗(yàn)儀器及步驟

采用MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟為：將試件放置在MTS力學(xué)室的上下壓頭中心；預(yù)加50 N的荷載，觀察壓頭與試件是否接觸；位移計(jì)調(diào)零，以變形變化速度1 mm/min控制加載至試件破壞。

采用全自動(dòng)三軸儀進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)(consolidated undrained test，CU)，試驗(yàn)步驟為：將試件放置在三軸儀壓力室的上下壓頭中心，壓力室沖水并關(guān)閉排氣閥；設(shè)置圍壓，試件排水固結(jié)測(cè)定空隙水壓力；測(cè)力計(jì)、位移計(jì)調(diào)0，以剪切應(yīng)變速度為0.5%/min進(jìn)行剪切至破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 改性土的物理性質(zhì)

試驗(yàn)采用水泥和石灰2種膠凝材料，按照水泥、石灰分別與干土的質(zhì)量比α1、α2依次為4%、6%、8%、10%進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到α不同時(shí)改性土中水的最佳質(zhì)量比和最大干密度的變化關(guān)系，如圖1所示。

a)水泥改性土 b)石灰改性土

由圖1可知：α1、α2由4%增至10%時(shí)，水泥改性土中水的最佳質(zhì)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質(zhì)量比提高了1.8%，最大干密度降低了0.018 g/cm3。2種膠凝材料改良章丘港粉土的最大干密度出現(xiàn)不同變化趨勢(shì)，原因是水泥、章丘港粉土、石灰的密度依次遞減，且α越大，最大干密度變化斜率越小。

2.2 改性土抗壓特性

按照表3的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)水泥改性土、石灰改性土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，結(jié)果如圖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

由圖2～4可知：壓實(shí)度、α與改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度正相關(guān)，β與改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度負(fù)相關(guān)。

采用極差分析方法分析7、28 d改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到對(duì)強(qiáng)度影響大小的因素順序相同，以28 d改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)為例進(jìn)行極差分析，如表4、5所示。其中Ti(i=1，2，3，4)為該因素第i個(gè)水平所有無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之和，i為影響該因素的水平數(shù)，ti為平均水平數(shù)，即ti=Ti/4；Ri為極差，即該因素影響因子的最大值與最小值之差，Ri越大，表明該因素對(duì)改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響越明顯。由表5、6可知：按Ri從大到小排序，水泥改性土各因素依次為R2、R1、R3；石灰改性土各因素依次為R1、R3、R2，表明影響水泥改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素中，α是主要因素，壓實(shí)度次之，β影響最??；影響石灰改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素中，壓實(shí)度是主要因素，β次之，α影響最小。其中誤差列的極差最小說(shuō)明試驗(yàn)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差較小。

表5 石灰改性土28 d極差分析

由表4、5可知：為明確各因素對(duì)高含水改性土抗壓特性的影響，固定2個(gè)因素，比較分析單一因素的影響程度。當(dāng)壓實(shí)度和β相同時(shí)，α對(duì)水泥改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響更大，當(dāng)α從4%增至10%，水泥改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加275%～300%，石灰改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅增加35%～65%；當(dāng)α和壓實(shí)度相同時(shí)，β越大對(duì)改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的破壞越顯著，水的最佳質(zhì)量比每超出1%，水泥改性土、石灰改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別損失5%、7%；當(dāng)α、β相同時(shí)，壓實(shí)度對(duì)水泥改性土、石灰改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響呈線性分布，且對(duì)石灰改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響更大，自壓實(shí)度為90%開始，壓實(shí)度每提高1%，水泥改性土、石灰改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加10%、25%。

表4 水泥改性土28 d極差分析

2.3 改性土抗剪特性

2.3.1 抗剪參數(shù)

在剪應(yīng)力-正應(yīng)力平面上繪制摩爾應(yīng)力圓獲得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的黏聚力c和摩擦角φ。各因素變化下，水泥、石灰改性土c和φ與α的變化曲線如圖5～7所示。

由圖5～7可知：加入水泥對(duì)粉土的c改良效果更為明顯，與素土的c相比，水泥改性土c增大10～17倍，石灰改性土僅增長(zhǎng)2～8倍。2種改性土的φ僅提升1.5～2.0倍，說(shuō)明水泥改性土的早期抗剪強(qiáng)度比石灰改性土更高，原因是改性土的φ增長(zhǎng)較小，c對(duì)抗剪強(qiáng)度影響更大。

a)水泥改性土 b)石灰改性土

a)水泥改性土 b)石灰改性土

壓實(shí)度為96%時(shí)，7、28 d養(yǎng)護(hù)的石灰改性土φ與α1負(fù)相關(guān)；其他情況下，7、28 d養(yǎng)護(hù)齡期下水泥改性土的c與α1和壓實(shí)度正相關(guān)，石灰改性土的c與α2和壓實(shí)度正相關(guān)。

2.3.2 改性土抗剪強(qiáng)度

按照?qǐng)D7的c和φ參數(shù)，根據(jù)三軸儀中莫爾-庫(kù)侖剪切模型得到改性土的抗剪強(qiáng)度

a)水泥改性土 b)石灰改性土

式中σ1、σ3為極限平衡狀態(tài)下軸向主應(yīng)力和圍壓應(yīng)力。

圍壓為100、300、500 kPa時(shí)，改性土τ與α、養(yǎng)護(hù)齡期和壓實(shí)度的關(guān)系如圖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

由圖8～10可知：在相同養(yǎng)護(hù)齡期、壓實(shí)度、圍壓強(qiáng)度和α條件下，水泥改性土獲得的τ比石灰改性土高1倍；在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，比較2種改性土受3個(gè)因素的影響程度，α對(duì)τ影響更大。

由圖8～10可知：比較7 、28 d養(yǎng)護(hù)齡期的改性土τ，水泥改性土的τ平均增長(zhǎng)12%，石灰改性土的τ平均減弱1%；圍壓強(qiáng)度和壓實(shí)度相同條件下，α每增加1%，水泥改性土、石灰改性土的τ分別增長(zhǎng)6%、4%；α和圍壓強(qiáng)度相同條件下，壓實(shí)度每增加1%，7、28 d養(yǎng)護(hù)齡期水泥改性土的τ分別增長(zhǎng)0.9%、2.8%，7、28 d養(yǎng)護(hù)齡期石灰改性土的抗剪強(qiáng)度分別增長(zhǎng)1.5%、2.7%；α和壓實(shí)度相同條件下，圍壓強(qiáng)度每增加1 kPa，水泥改性土、石灰改性土的τ分別增長(zhǎng)0.8%、1.3%。

在養(yǎng)護(hù)齡期、壓實(shí)度和α相同的條件下，2種改性土試件的τ均隨圍壓強(qiáng)度增大而增大。7 d養(yǎng)護(hù)齡期改性土τ變化曲線的斜率隨圍壓強(qiáng)度增長(zhǎng)而增大，28 d養(yǎng)護(hù)齡期的改性土圍壓強(qiáng)度與τ增長(zhǎng)成線性關(guān)系。從得到的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在工程實(shí)踐中確定α后，可將改性土的壓實(shí)度和圍壓強(qiáng)度作為變量，采用多元線性函數(shù)擬合不同α下τ的回歸方程相對(duì)可靠，相關(guān)系數(shù)R2>0.97，多元線性回歸模型為

τ=Am+Bn+C，

式中：m為改性土的壓實(shí)度；n為圍壓強(qiáng)度，kPa；A、B、C為擬合得到的參數(shù)。

計(jì)算后，α與改性土的τ擬合結(jié)果如表6所示。

表6 α與改性土的τ擬合結(jié)果

由表6可知：養(yǎng)護(hù)28 d的改性土τ與壓實(shí)度和圍壓的擬合相關(guān)系數(shù)比養(yǎng)護(hù)7 d的改性土更好。

3 結(jié)論

1)研究章丘港區(qū)改性粉土的壓剪特性，獲得了高含水區(qū)域改性土的壓剪特性規(guī)律。在7 d養(yǎng)護(hù)齡期改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素中，膠凝材料與干土的質(zhì)量比對(duì)水泥改性土影響最大，其次是壓實(shí)度、水與干土和膠凝材料的質(zhì)量比；壓實(shí)度對(duì)石灰改性土的影響最大，其次是水與干土和膠凝材料的質(zhì)量比、膠凝材料與干土的質(zhì)量比；水與干土和膠凝材料的質(zhì)量比較大時(shí)，水泥改性土抗壓強(qiáng)度更高。

2)隨膠凝材料與干土的質(zhì)量比和壓實(shí)度的增大，水泥對(duì)章丘港區(qū)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僅提升2～8倍；改性土摩擦角僅提升1.5～2.0倍；其他試驗(yàn)參數(shù)相同時(shí)，水泥改性土的抗剪強(qiáng)度更高。

3)在高含水區(qū)改性土抗剪強(qiáng)度的影響因素中，膠凝材料與干土的質(zhì)量比是水泥改性土的最主要影響因素，且隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，改性土的抗剪強(qiáng)度增大；膠凝材料與干土的質(zhì)量比是石灰改性土的最主要影響因素；隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，改性土抗剪強(qiáng)度小幅減小，2種改性土的抗剪強(qiáng)度與圍壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)成線性關(guān)系。

本文未分析抗壓、抗剪強(qiáng)度的相關(guān)性，可進(jìn)一步研究相同因素影響下改性土抗壓、抗剪強(qiáng)度的近似關(guān)系，建立抗壓、抗剪強(qiáng)度隨多因素變化的回歸方程和回歸曲面。