劉文獻(xiàn), 呂業(yè)鋒, 楊 棟, 唐昌意, 馬祖遙

(1 珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，珠海 519000；2 珠海市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)站，珠海 519000)

0 引言

濱海相淤泥具有含水量高、孔隙比大、壓縮性強(qiáng)和黏粒含量高等特點(diǎn)[1],其工程性質(zhì)差。水泥土攪拌樁是加固海相沉積淤泥軟土地基的一種有效方法,該方法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、施工速度快、成本低,已成功應(yīng)用于我國(guó)東南沿海和內(nèi)陸軟土地區(qū)[2]。淤泥水泥土的工程性質(zhì)會(huì)因其類型多樣性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、攪拌均勻性以及外部受力環(huán)境的變化而存在明顯的差異。淤泥水泥土的失穩(wěn)破壞會(huì)給工程建設(shè)帶來(lái)安全隱患,開展淤泥水泥土力學(xué)性能的研究尤為重要。唐昌意等[3]以洪灣典型淤泥為研究對(duì)象,分別進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和滲透試驗(yàn),獲得了淤泥水泥土各項(xiàng)指標(biāo)之間的換算關(guān)系。張新建[4]等以洪灣市政基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目為依托,進(jìn)行了淤泥水泥土室內(nèi)試驗(yàn),獲得淤泥水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)規(guī)律,同時(shí)開展不同水泥摻入量的試樁及檢測(cè)工作,芯樣的RQD至基本在75%以上。唐昌意等[5]以珠海斗門區(qū)典型淤泥質(zhì)土為研究對(duì)象,進(jìn)行不同固化劑、摻入量、鉆頭和施工工藝的試樁工作,研究表明攪拌均勻性和固化材料是攪拌樁成樁的兩個(gè)重要因素。

水泥土剪切力學(xué)特性是研究水泥土樁、墻等結(jié)構(gòu)物承載和變形機(jī)理的關(guān)鍵。在邊坡工程中,水泥土攪拌樁在其樁身質(zhì)量較為薄弱的地方容易發(fā)生剪切破壞[6],造成邊坡失穩(wěn),因此水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)軟土邊坡的加固至關(guān)重要。陳四利等[7]對(duì)硫酸鈉溶液腐蝕后的水泥土進(jìn)行了不固結(jié)排水直剪試驗(yàn),結(jié)果表明,水泥土的抗剪強(qiáng)度隨著硫酸鈉溶液濃度的增加而逐步降低。賀佐躍等[8]通過(guò)三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)和直剪快剪試驗(yàn),對(duì)不同水泥摻入量下水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)中,當(dāng)摻入比和齡期均相同時(shí),峰值強(qiáng)度隨圍壓線性增加,當(dāng)摻入比和圍壓均相同時(shí),峰值強(qiáng)度隨齡期逐漸增加。吳章平等[9]對(duì)攪拌樁抽芯芯樣進(jìn)行抗壓和抗剪試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果為抗剪強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的40%。呂業(yè)鋒等[10]針對(duì)海相淤泥水泥土開展了變形特性研究,研究結(jié)果表明,彈性模量可取為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的120～150倍;彈性模量是壓縮模量的9.5倍。

目前淤泥水泥土變角剪切試驗(yàn)研究較少。不同類型的淤泥水泥土受力狀態(tài)極其復(fù)雜,其剪切破壞是在壓剪條件下作用在剪切面上的剪切力達(dá)到極限平衡狀態(tài)所導(dǎo)致的,破壞會(huì)因剪切角度的變化、黏聚力的大小以及所受正應(yīng)力的大小而呈不同的特征,不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥土試塊剪切破壞過(guò)程中裂紋的擴(kuò)展程度也具有不同的特點(diǎn)。

鑒于此,本文以珠海洪灣典型淤泥為研究對(duì)象,開展了淤泥水泥土變角剪切力學(xué)試驗(yàn),研究水泥摻入量、養(yǎng)護(hù)齡期和剪切角度等參數(shù)對(duì)淤泥水泥土力學(xué)特性的影響;并分析由淤泥水泥土室內(nèi)變角剪切試驗(yàn)獲得的剪切強(qiáng)度隨水泥摻入量、養(yǎng)護(hù)齡期和剪切角度變化的變化規(guī)律,研究成果可為濱海地區(qū)水泥攪拌樁的設(shè)計(jì)以及工程事故鑒定評(píng)估提供參考。

1 試驗(yàn)方案及條件

1.1 淤泥采集和試塊制備

本研究所用的土樣取自珠海市洪灣典型海相淤泥,其物理力學(xué)特性指標(biāo)見表1。由土樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果(表1)可知,該淤泥具有含水量高、孔隙比大、飽和、粘粒含量高、抗剪強(qiáng)度低、流塑狀態(tài)等特點(diǎn)。

表1 淤泥物理力學(xué)特性指標(biāo)

對(duì)淤泥水泥土試塊進(jìn)行變角剪切試驗(yàn),淤泥水泥土試塊共計(jì)180個(gè),試塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為100mm×100mm×100mm,誤差小于1%。試塊各端面確保平行,試塊表面凸起小于0.05mm。養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、14、28、60、90d,按養(yǎng)護(hù)齡期的不同可各分為5組,平均每組含有36個(gè)試塊;每組試塊中的水泥摻入量有3種,分別為15%、20%和25%;同一水泥摻入量的淤泥水泥土試塊共12個(gè)。試驗(yàn)過(guò)程中相同水泥摻入量的淤泥水泥土試塊按剪切角度的不同各分為4個(gè)小組,每組3個(gè)試塊,剪切角度分別為40°、50°、60°和70°。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)加載裝置為微機(jī)控制液壓油伺服單軸萬(wàn)能壓力機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1),軸向最大載荷為1 000kN,精度為0.001kN。采用位移控制加載模式,加載速率為2.0mm/min。

圖1 單軸萬(wàn)能壓力機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 變角剪切強(qiáng)度計(jì)算方法

變角剪切法是利用單軸萬(wàn)能壓力機(jī)對(duì)試塊施加垂直荷載,通過(guò)變角剪切工裝[11-12]實(shí)現(xiàn)不同角度的剪切。如圖2所示,通過(guò)特制的夾具使得試塊沿著某一剪切面發(fā)生剪切破壞;然后通過(guò)靜力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法求得作用在剪切面上的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力,從而繪制法向壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線,求得試塊的黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù),進(jìn)而了解試塊的力學(xué)特性。

圖2 試塊受力情況示意圖

可根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算試塊所受的正應(yīng)力和剪切力:

N-Pcosα-Pfsinα=0

(1)

Q+Pfcosα-Psinα=0

(2)

式中:P為壓力機(jī)上施加的總垂直力,kN;N為作用在試塊剪切面上的法向總壓力,kN;Q為作用在試塊剪切面上的切向總剪力,kN;f為壓力機(jī)墊板下的滾珠摩擦系數(shù),本試驗(yàn)f值取0;α為剪切面與水平面所成的角度。

將式(1)和式(2)分別除以剪切面積A可得:

σ=(P/A)(cosα+fsinα)

(3)

τ=(P/A)(sinα-fcosα)

(4)

式中:σ為剪切面上的法向應(yīng)力,kPa;τ為剪切面上的切應(yīng)力,kPa。

試塊剪切試驗(yàn)前后對(duì)比見圖3。當(dāng)試塊破壞時(shí),對(duì)應(yīng)每一個(gè)最大軸向力的值可以得出一組σ和τ值,進(jìn)而繪制兩者關(guān)系的曲線圖,結(jié)合莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論式(5)求得黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

圖3 試塊剪切試驗(yàn)前后對(duì)比圖

τ=c+σtanφ

(5)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單因素條件下剪切強(qiáng)度變化規(guī)律

2.1.1 不同剪切角度條件下剪切強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律

為了分析剪切強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律,作不同剪切角度條件下剪切強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的擬合曲線,如圖4所示。由圖4可知,淤泥水泥土的剪切強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大,兩者大致呈對(duì)數(shù)關(guān)系。

圖4 不同剪切角度條件下剪切強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線

不同剪切角度及水泥摻量條件下剪切強(qiáng)度τ與養(yǎng)護(hù)齡期d的換算公式如下:

τ40°,15%= 84.18lnd+231.7(R2= 0.986)

(6)

τ40°,20%= 120.9lnd+ 361.0(R2= 0.985)

(7)

τ40°,25%= 171.4lnd+ 438.3(R2= 0.956)

(8)

τ50°,15%= 59.01lnd+ 214.9(R2= 0.880)

(9)

τ50°,20%= 101.1lnd+ 353.6(R2= 0.839)

(10)

τ50°,25%= 138.1lnd+ 371.8(R2= 0.959)

(11)

τ60°,15%= 45.38lnd+ 213.1(R2= 0.815)

(12)

τ60°,20%= 62.71lnd+ 321.0(R2= 0.700)

(13)

τ60°,25%= 90.35lnd+ 394.5(R2= 0.855)

(14)

τ70°,15%= 35.50lnd+ 158.1(R2= 0.782)

(15)

τ70°,20%= 78.30lnd+ 147.3(R2= 0.644)

(16)

τ70°,25%= 100.1lnd+ 270.1(R2= 0.975)

(17)

式中R2為擬合優(yōu)度。

分析不同剪切角度下的擬合優(yōu)度可知,剪切角度40°時(shí),擬合優(yōu)度較高(R2均值為0.976);隨著剪切角度的加大,擬合優(yōu)度逐漸減低,剪切角度70°時(shí),擬合優(yōu)度較低(R2為0.800);從圖4可知,出現(xiàn)擬合優(yōu)度降低的原因主要是隨著剪切角度的加大,28d和60d的剪切強(qiáng)度降低所致。從式(6)～(17)可以看出,當(dāng)水泥摻入量為25%時(shí),剪切角度40°、50°、60°、70°對(duì)應(yīng)的擬合優(yōu)度分別為0.956、0.959、0.855和0.975,說(shuō)明水泥摻入量較大時(shí)剪切角度對(duì)擬合優(yōu)度的影響較小,進(jìn)而說(shuō)明當(dāng)水泥摻入量較大時(shí),淤泥水泥土強(qiáng)度較高,剪切角度因素影響較小。

2.1.2 不同剪切角度條件下剪切強(qiáng)度隨水泥摻入量的變化規(guī)律

為了分析剪切強(qiáng)度隨水泥摻入量的變化規(guī)律,作不同剪切角度條件下剪切強(qiáng)度與水泥摻入量的擬合曲線,如圖5所示。由圖5可知,淤泥水泥土的剪切強(qiáng)度隨著水泥摻入量的增加而增大,兩者大致呈線性關(guān)系。

圖5 不同剪切角度條件下剪切強(qiáng)度與水泥摻入量的關(guān)系

不同剪切角度及養(yǎng)護(hù)齡期條件下剪切強(qiáng)度與水泥摻入量的換算公式如式(18)～(29)所示?？梢?剪切角度40°～70°時(shí),擬合優(yōu)度R2為0.953～0.999,表明剪切強(qiáng)度與水泥摻入量?jī)烧邤M合程度較好,剪切強(qiáng)度τ與水泥摻入量αw呈正的線性相關(guān)性。

τ40°,7d= 37.43αw-153.5 (R2= 0.999)

(18)

τ40°,28d= 55.98αw-337.1 (R2= 0.999)

(19)

τ40°,90d= 56.72αw-222.8 (R2= 0.999)

(20)

τ50°,7d= 28.34αw-62.98 (R2= 0.973)

(21)

τ50°,28d= 46.37αw-290.9 (R2= 0.969)

(22)

τ50°,90d= 51.64αw-238.8 (R2= 0.961)

(23)

τ60°,7d= 29.79αw-135.3 (R2= 0.994)

(24)

τ60°,28d= 30.82αw-108.5 (R2= 0.993)

(25)

τ60°,90d= 40.51αw-157.5 (R2= 0.998)

(26)

τ70°,7d= 24.38αw-135.4 (R2= 0.982)

(27)

τ70°,28d= 33.17αw-257.4 (R2= 0.953)

(28)

τ70°,90d= 39.32αw-231.5 (R2= 0.985)

(29)

2.2 雙因素條件下剪切強(qiáng)度變化規(guī)律

2.2.1 剪切強(qiáng)度與水泥摻入量、養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系

為了直觀分析水泥摻入量與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律,作不同剪切角度條件下的剪切強(qiáng)度與水泥摻入量、養(yǎng)護(hù)齡期的三維關(guān)系圖,如圖6所示。由圖6可知,淤泥水泥土剪切強(qiáng)度與水泥摻入量和養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)性,即淤泥水泥土剪切強(qiáng)度隨著水泥摻入量和養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大。

2.2.2 剪切強(qiáng)度與剪切角度、養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系

為了直觀分析剪切角度與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律,作不同水泥摻入量條件下的剪切強(qiáng)度與剪切角度、養(yǎng)護(hù)齡期的三維關(guān)系圖,如圖7所示。由圖7可知,淤泥水泥土剪切強(qiáng)度與剪切角度呈負(fù)相關(guān)性,與養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)性,即淤泥水泥土剪切強(qiáng)度隨剪切角度的增大而減小,隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大。

圖7 不同水泥摻入量條件下剪切強(qiáng)度與剪切角度、養(yǎng)護(hù)齡期的三維關(guān)系

2.2.3 剪切強(qiáng)度與剪切角度、水泥摻入量的關(guān)系

為了直觀分析剪切角度與水泥摻入量對(duì)剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律,作不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下的剪切強(qiáng)度與剪切角度、水泥摻入量的三維關(guān)系圖,如圖8所示。由圖8可知,淤泥水泥土剪切強(qiáng)度與剪切角度呈負(fù)相關(guān)性,與水泥摻入量呈正相關(guān)性,即淤泥水泥土剪切強(qiáng)度隨剪切角度的增大而減小,隨水泥摻入量的增大而增大。

圖8 不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下剪切強(qiáng)度與剪切角度、水泥摻入量的三維關(guān)系

綜上分析可知,剪切角度較小、水泥摻入量較高、養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)時(shí),淤泥水泥土的剪切強(qiáng)度較高,反之則剪切強(qiáng)度較低。

2.3 黏聚力與內(nèi)摩擦角

通過(guò)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得剪切面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力,根據(jù)式(5),并采用作圖法擬合得到淤泥水泥土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ列于表2。由表2可知,內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻入量無(wú)相關(guān)性,內(nèi)摩擦角分布在20.3°～26.6°之間,均值23.3°。

表2 黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ統(tǒng)計(jì)

淤泥水泥土黏聚力與養(yǎng)護(hù)齡期的擬合曲線如圖9所示。由圖9可知,淤泥水泥土的黏聚力隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大,不同水泥摻入量的三條曲線大致平行。

圖9 黏聚力與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線

采用回歸分析方法得到不同水泥摻量條件下黏聚力與養(yǎng)護(hù)齡期的換算公式,如式(30)～(32)所示。由式(30)～(32可知,黏聚力與養(yǎng)護(hù)齡期呈指數(shù)相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.908～0.986,表明擬合程度較好。

c15%= 214.8e0.003d(R2= 0.908)

(30)

c20%= 304.3e0.005d(R2= 0.954)

(31)

c25%= 433.5e0.004d(R2= 0.986)

(32)

淤泥水泥土黏聚力與水泥摻入量的擬合曲線如圖10所示。由圖10可知,淤泥水泥土的黏聚力隨著水泥摻入量的增大而增大。

圖10 黏聚力與水泥摻入量的關(guān)系曲線

采用回歸分析方法得到不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下黏聚力與水泥摻入量的換算公式,如式(33)～(37)所示。由式(33)～(37)可知,黏聚力與養(yǎng)護(hù)齡期呈線性相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.986～0.999,表明擬合程度較好。

c7d=2 204αw-113.5 (R2= 0.997)

(33)

c14d=2 326αw-124.7 (R2= 0.986)

(34)

c28d=2 629αw-157.5 (R2= 0.999)

(35)

c60d=3 017αw-203.5 (R2= 0.999)

(36)

c90d=3 402αw-186.1 (R2= 0.987)

(37)

2.4 剪切強(qiáng)度、黏聚力與抗壓強(qiáng)度換算關(guān)系

剪切強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系如表3所示,由表3可知,水泥摻入量為15%～25%時(shí),剪切強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的換算系數(shù)(剪切強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值)范圍0.35～0.40,均值0.37。

表3 剪切強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度換算關(guān)系

黏聚力與抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系如表4所示。由表4可知,水泥摻入量為15%～25%時(shí),黏聚力與抗壓強(qiáng)度的換算系數(shù)(黏聚力與抗壓強(qiáng)度)為0.22～0.27,均值0.24。

表4 黏聚力與抗壓強(qiáng)度換算關(guān)系

3 結(jié)論

(1)淤泥水泥土剪切強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期基本呈對(duì)數(shù)關(guān)系,剪切角度較小時(shí)擬合程度較好;隨著剪切角度的增大,擬合程度逐步變差;在水泥摻入量為25%時(shí),剪切角度對(duì)擬合程度影響較小;淤泥水泥土的剪切強(qiáng)度與水泥摻入量呈正線性相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.953～0.999,擬合程度較好。

(2) 采用雙因素分析淤泥水泥土剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律可知,當(dāng)剪切角度小、水泥摻入量高、養(yǎng)護(hù)齡期長(zhǎng)時(shí),剪切強(qiáng)度較高,反之則較低。

(3) 淤泥水泥土的黏聚力與養(yǎng)護(hù)齡期呈指數(shù)相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.908～0.986,擬合程度較好。黏聚力與養(yǎng)護(hù)齡期呈線性相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.986～0.999,擬合程度也較好。淤泥水泥土的內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻入量無(wú)相關(guān)性,內(nèi)摩擦角分布在20.3°～26.6°之間,均值23.3°。

(4) 水泥摻入量為15%～20%時(shí),剪切強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的換算系數(shù)范圍0.35～0.40,均值0.37;黏聚力與抗壓強(qiáng)度的換算系數(shù)范圍0.22～0.27,均值0.24。