董猛榮, 楊俊杰, 阮媚媚, 王思雨, 孫 濤, 王子玉

(1. 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室(中國海洋大學(xué)), 山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100;3. 山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590; 4. 海南熱帶海洋學(xué)院生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 海南 三亞 572022)

水泥土的無側(cè)限抗壓強度是工程設(shè)計的一個重要指標(biāo)。但是對于劣化水泥土這一非均質(zhì)體不宜采用無側(cè)限抗壓強度等單元體試驗,應(yīng)該采用微型貫入等模型試驗進(jìn)行相關(guān)研究[1-8]。微型貫入試驗可獲得劣化水泥土內(nèi)部連續(xù)的貫入阻力,但無法評價對應(yīng)強度。因此,有必要建立微型貫入試驗的貫入阻力與無側(cè)限抗壓強度的定量關(guān)系。

盛海洋等[9]認(rèn)為可用3～5 d對樁身靜力觸探曲線貫入阻力值預(yù)估樁身無側(cè)限抗壓強度,并提出了預(yù)測式,但未進(jìn)行相關(guān)試驗驗證。盧發(fā)亮和王曉聲[10]采用靜力觸探和無側(cè)限抗壓強度試驗,對比分析了成樁7 d的粉噴和漿噴兩種水泥土攪拌樁不同深度處的樁身比貫入阻力和無側(cè)限抗壓強度。其中,靜力觸探采用的是探頭直徑3.57 cm、錐尖角度60°、側(cè)壁面積200 cm2的雙橋探頭。張浩和顧長存[11]在對盧發(fā)亮和王曉聲的試驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,得到了比貫入阻力與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系,并結(jié)合7 d齡期與28 d齡期無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系,提出了利用7 d齡期的比貫入阻力評價28 d齡期無側(cè)限抗壓強度的方法。由于試驗數(shù)據(jù)取自同一樁體的不同深度,所以水泥土試樣的強度分布范圍較窄,換算關(guān)系具有一定的局限性。李國維[12]等采用與只管法對成樁7 d的水泥土攪拌樁進(jìn)行靜力觸探試驗,認(rèn)為不同土層 7 d 齡期的靜力觸探錐尖阻力與芯樣 28 d 強度具有良好的線性相關(guān)性。提出了快速檢測水泥土攪拌樁強度的方法。Kitazume等[13]利用直徑為0.56 mm的探頭對不同水泥摻入比的水泥土進(jìn)行微型貫入試驗,并與無側(cè)限抗壓強度進(jìn)行了對比,探針在2、5、10 mm處的貫入阻力與無側(cè)限抗壓強度呈線性關(guān)系,但未給出二者之間的換算關(guān)系式。Consoli等[14]制備了不同固化劑種類、摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期的水泥土試樣,實施了微型貫入試驗。探頭為平端,探頭直徑分別為7.98、10.29、13.82和20.26 mm,貫入深度為10.0 mm。對于強度較高的試樣采用直徑較小的探頭以避免貫入阻力值超出量力環(huán)量程。比貫入阻力隨著貫入深度線性增加。貫入深度10 mm時的比貫入阻力與無側(cè)限抗壓強度呈線性關(guān)系,據(jù)此可將貫入試驗結(jié)果換算成無側(cè)限抗壓強度,換算關(guān)系與固化劑種類、摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期無關(guān)。但是,該換算關(guān)系沒有考慮探頭直徑對比貫入阻力的影響,且擬合直線有截距。

另一方面,通過整理探頭(探頭直徑3.57 cm)及樁在三種黏性土中的靜力貫入試驗資料,發(fā)現(xiàn)當(dāng)探頭錐尖角度小于60°時,貫入阻力隨錐尖角度的增大而減小;當(dāng)錐尖角度超過60°后,貫入阻力或趨于穩(wěn)定或呈增大趨勢[15]。

對于微型貫入試驗,探頭幾何尺寸是影響貫入阻力的重要因素,每位學(xué)者采用的探頭直徑和探頭錐尖角度均不相同。并且Kitazume等[13]和Consoli等[14]雖然都得到了貫入阻力或比貫入阻力與無側(cè)限抗壓強度之間的線性關(guān)系,但該關(guān)系均取決于某貫入深度。

本文針對不同原土種類、不同水泥摻入比、不同含水率、不同養(yǎng)護(hù)時間的水泥土試樣,實施不同錐尖角度、不同探頭直徑的微型貫入試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗,研究探頭幾何尺寸對微型貫入試驗結(jié)果的影響,及微型貫入試驗結(jié)果與無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系。基于研究結(jié)果,可利用貫入曲線推測無側(cè)限抗壓強度。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗用土為上海市奉賢豐誠試劑廠生產(chǎn)的純高嶺土以及日照嵐山港海相軟土、青島膠州灣海相軟土;試驗用水泥采用山東莒州水泥有限公司生產(chǎn)的42.5#復(fù)合硅酸鹽水泥。試驗用土物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗用土物理性質(zhì)

1.2 試驗裝置及試樣制備方法

貫入試驗制樣桶如圖1所示。為盡可能的減小邊界效應(yīng),探頭直徑3.4 mm的貫入試驗制樣桶選用下內(nèi)徑85.0 mm,上內(nèi)徑90.0 mm,高105.0 mm的塑料燒杯(見圖1(a));探頭直徑7.0和10.0 mm的貫入試驗試樣桶選用下內(nèi)徑135.0 mm,上內(nèi)徑150.0 mm,高150.0 mm的塑料桶(見圖1(b))。

圖1 微型貫入試驗試樣桶

制備微型貫入試樣時,為保證試樣的均勻性,將水泥土分三次填入試樣桶中,每次震動20次以排除氣泡,填樣完成后用小型制樣攪拌機上下攪拌3次、刮平表面封保鮮膜后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

無側(cè)限抗壓強度試驗用試模和制備的試樣如圖2所示,試樣直徑50.0 mm,高100.0 mm。

圖2 無側(cè)限抗壓強度試驗?zāi)＞呒霸嚇?/p>

制備無側(cè)限抗壓強度試樣時,同樣分3次填入,每次震動20次。

如圖3所示,微型貫入試驗設(shè)備為應(yīng)變控制式,貫入速度為2.0 mm/min,每行進(jìn)0.2 mm記錄貫入阻力數(shù)值一次,貫入至40.0 mm處時停止貫入。將微型貫入試驗設(shè)備簡單改裝后可實施無側(cè)限抗壓強度試驗,應(yīng)變速率為1.0 mm/min,每0.2 mm記錄數(shù)據(jù)一次,試樣已明顯破壞時停止試驗。

圖3 微型貫入儀及無側(cè)限抗壓強度試驗儀

1.3 試驗方案

1.3.1 探頭幾何尺寸對微型貫入試驗結(jié)果的影響 探頭幾何尺寸為探頭錐尖角度及探頭直徑(見圖4)。選用不同錐尖角度及直徑的探頭進(jìn)行微型貫入試驗,為避免側(cè)摩阻力的影響,探桿直徑略小于探頭直徑,試驗用探頭尺寸見圖5。

圖4 探頭錐尖角度α與探頭直徑d的定義

圖5 試驗用探頭幾何尺寸

具體的試驗方案見表3、表4。

表3 探頭錐尖角度對微型貫入試驗結(jié)果影響的試驗方案

表4 探頭直徑對微型貫入試驗結(jié)果影響的試驗方案

1.3.2 微型貫入試驗與無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果的對比 針對同一條件下的水泥土試樣分別進(jìn)行微型貫入試驗及無側(cè)限抗壓強度試驗。所用探頭直徑為3.4 mm,錐尖角度為60°。試驗方案見表5。

表5 微型貫入與無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果對比的試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 探頭幾何尺寸對微型貫入試驗結(jié)果的影響

2.1.1 探頭錐尖角度對微型貫入試驗結(jié)果的影響 微型貫入試驗得到的是貫入阻力(N)與貫入深度(mm)的關(guān)系,在此分別用探頭平面投影面積和探頭直徑進(jìn)行歸一化處理,得到比貫入阻力pc(kPa)與比貫入深度d的關(guān)系,簡稱為貫入曲線。圖6為不同錐尖角度的高嶺土水泥土貫入曲線。試樣的摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期相同,強度不同由含水率不同導(dǎo)致。開始時貫入曲線隨比貫入深度近似線性增加(部分試樣由于錐尖的影響在貫入深度很小時可能出現(xiàn)貫入阻力增大不明顯的現(xiàn)象),達(dá)到一定深度后出現(xiàn)拐點,最后趨于穩(wěn)定。這一結(jié)果與水泥土的強度無關(guān)。因此,可以得到圖7所示的貫入曲線模式圖。在此將最后穩(wěn)定的比貫入阻力定義為貫入強度,pu。

圖6 不同錐尖角度的高嶺土水泥土貫入曲線

圖7 貫入曲線模式圖

從圖6可以看出,錐尖角度越大的探頭比貫入阻力隨比貫入深度的增長越迅速,即貫入曲線斜率越大。在所有錐尖角度探頭的比貫入阻力均未達(dá)到拐點時,同一比貫入深度處(如比貫入深度為1.5時),錐尖角度越小的探頭比貫入阻力越小。

圖8為根據(jù)圖7定義的貫入強度和圖6的試驗結(jié)果整理的探頭錐尖角度與高嶺土水泥土比貫入深度為1.5時的比貫入阻力及貫入強度之間的關(guān)系。圖中空心圖例為貫入強度,實心圖例為比貫入深度為1.5時的比貫入阻力。

圖8 錐尖角度與貫入強度和比貫入深度為1.5時的比貫入阻力關(guān)系

在貫入阻力曲線達(dá)到拐點前,除個別異常點外,比貫入深度為1.5時,比貫入阻力均隨著錐尖角度的增大而增大。貫入強度在探頭錐尖角度為30°時最大,隨著錐尖角度的增加逐漸減小,當(dāng)錐尖角度為60°時達(dá)到最小,隨后隨錐尖角度的增加略微增大之后趨于穩(wěn)定。該結(jié)果與現(xiàn)場的貫入阻力結(jié)果[9]趨勢一致。

鑒于探頭錐尖角度60°的探頭最為常用,將錐尖角度為30°、90°和180°時的貫入強度與錐尖角度為60°時的貫入強度的關(guān)系整理后得到圖9。如圖9所示,錐尖角度90°和180°貫入強度基本相同,與錐尖角度60°時貫入強度關(guān)系可用式(1)表示,相關(guān)系數(shù)R2=0.915 9。

圖9 探頭錐尖角度60°時貫入強度與錐尖角度30°和90°或180°時貫入強度關(guān)系

pu60°=0.891 7pu90°/180°。

(1)

式中:pu60°為探頭錐尖角度為60°時的貫入強度;pu90°/180°為探頭錐尖角度為90°或180°時的貫入強度。

同樣,錐尖角度30°貫入強度與錐尖角度60°貫入強度關(guān)系可用式(2)表示,相關(guān)系數(shù)R2=0.914 2。

pu60°=0.832 6pu30°。

(2)

式中pu30°為探頭錐尖角度為30°時的貫入強度。

根據(jù)式(1)或式(2),可以進(jìn)行不同探頭錐尖角度所得貫入強度之間的換算。

2.1.2 探頭直徑對微型貫入試驗結(jié)果的影響 探頭錐尖角度60°、不同探頭直徑(D)的貫入曲線如圖10、圖11所示。圖10為高嶺土水泥土貫入曲線;圖11為海相軟土水泥土貫入曲線。

圖10 不同探頭直徑(D)的高嶺土水泥土貫入曲線

探頭直徑對貫入曲線的影響較小,水泥土強度相同,不同直徑的探頭所對應(yīng)的貫入曲線變化不大。對比貫入強度發(fā)現(xiàn),探頭直徑小的試樣貫入強度略高。圖12、13分別為探頭直徑對高嶺土水泥土和海相軟土水泥土比貫入深度為1時的比貫入阻力及貫入強度的影響。

圖12 探頭直徑(D)對高嶺土水泥土比貫入深度為1時的比貫入阻力及貫入強度的影響

圖13 探頭直徑(D)對海相軟土水泥土貫入深度為1時的比貫入阻力及貫入強度的影響

比貫入深度為1時的比貫入阻力隨探頭直徑的變化規(guī)律不明顯。貫入強度隨著探頭直徑的增大呈緩慢降低的趨勢,探頭直徑3.4 mm(對應(yīng)面積為9.074 6 mm2)的探頭所得的貫入強度約比探頭直徑7.0 mm(對應(yīng)面積為38.465 mm2)的探頭所得的貫入強度大2.5%左右,比探頭直徑10.0 mm(對應(yīng)面積為78.5 mm2)的探頭所得貫入強度大5%左右,貫入強度與探頭直徑呈線性關(guān)系,鑒于后續(xù)微型貫入試驗與無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果關(guān)系研究中所用的探頭為直徑為3.4 mm的探頭,將7.0、10.0 mm直徑探頭與3.4 mm直徑探頭所得貫入強度的比值與探頭直徑的關(guān)系進(jìn)行整理后,得到圖14。

貫入阻力的數(shù)值與探頭直徑存在很大的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R2=0.947 5,可將擬合式轉(zhuǎn)化為:

pu3.4=pu/(-0.008D+1.021 4)。

(3)

式中:pu3.4為探頭直徑為3.4 mm時的貫入強度;pu為探頭直徑為D的探頭貫入強度。

通過式(3)可將任意直徑(3.4～10.0 mm范圍內(nèi))探頭所得的貫入強度轉(zhuǎn)換為直徑3.4 mm探頭所得的貫入強度,也可將任意兩個直徑(3.4～10.0 mm范圍內(nèi))的探頭所得的貫入強度相互轉(zhuǎn)換。

2.2 微型貫入試驗與無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果對比

高嶺土水泥土及海相軟土水泥土試樣的貫入曲線見圖15、圖16。

圖15 高嶺土水泥土微型貫入試驗結(jié)果

圖16 海相軟土水泥土微型貫入試驗結(jié)果

高嶺土水泥土及海相軟土水泥土試樣通過無側(cè)限抗壓強度試驗獲得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖17、圖18。

圖17 高嶺土水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖18 海相軟土水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

應(yīng)力應(yīng)變曲線均出現(xiàn)峰值,取應(yīng)力峰值為無側(cè)限抗壓強度。

如圖7、15、16所示,比貫入阻力與比貫入深度有關(guān),在線性增加的階段,可用斜率描述比貫入阻力與比貫入深度的關(guān)系。圖19即為整理的貫入曲線達(dá)到拐點前直線段斜率與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系。

比貫入阻力拐點前直線段斜率與無側(cè)限抗壓強度呈線性關(guān)系R2=0.888 9。

qu=0.115 4k。

(4)

式中:qu為無側(cè)限抗壓強度;k為貫入曲線直線部分斜率。

可用貫入曲線拐點前直線段斜率通過式(4)換算無側(cè)限抗壓強度。

另一方面,貫入強度與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系則由圖15、16和圖17、18得到(見圖20)。

圖20 貫入強度與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系

無側(cè)限抗壓強度隨貫入強度的增大而增大。當(dāng)強度較小時,貫入強度與無側(cè)限抗壓強度相關(guān)性較好,強度較大時,數(shù)據(jù)離散性較大,可能是貫入試驗使用的探頭直徑小,探桿出現(xiàn)傾斜,影響試驗結(jié)果準(zhǔn)確性的緣故。將貫入強度與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系進(jìn)行線性擬合得到式(5),相關(guān)系數(shù)R2=0.859 1。

qu=0.049 5pu。

(5)

式中:qu為無側(cè)限抗壓強度;pu為貫入強度。

利用貫入強度和式(5)可得到相應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度。

試驗通過改變水泥土形成條件(原土類型、水泥摻入比、含水率、養(yǎng)護(hù)齡期),得到了不同強度的水泥土,且強度變化范圍較大,說明水泥土強度的形成條件對貫入曲線拐點前直線段斜率及貫入強度與無側(cè)限抗壓強度之間的關(guān)系沒有明顯影響。

3 結(jié)論

本文探討了探頭錐尖角度和直徑對微型貫入試驗結(jié)果的影響及微型貫入試驗與無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果的關(guān)系,得出如下結(jié)論。

(1)探頭錐尖角度和直徑對貫入曲線性狀沒有影響,即貫入阻力隨貫入深度線性增加,達(dá)到某一貫入深度時貫入曲線出現(xiàn)拐點,貫入阻力趨于穩(wěn)定,可定義此時的比貫入阻力為貫入強度。

(2)探頭錐尖角度越大,達(dá)到拐點前貫入曲線直線段斜率越大,即貫入阻力隨貫入深度增長越快;貫入強度在探頭錐尖角度為30°時最大,隨著錐尖角度的增加逐漸減小,當(dāng)錐尖角度為60°時達(dá)到最小,隨后隨錐尖角度的增加略微增大之后趨于穩(wěn)定。

(3)錐尖角度為30°、90°和180°時的貫入強度與錐尖角度為60°時貫入強度的關(guān)系呈線性關(guān)系。

(4)不同探頭直徑的貫入曲線在拐點前幾乎重合,說明探頭直徑對比貫入曲線的影響可忽略不計。但貫入強度隨探頭直徑的增大呈線性減小趨勢,探頭直徑3.4 mm的貫入強度比7.0 mm的貫入強度增大2.5%,比10.0 mm的貫入強度增大5.0% 。

(5)可用貫入曲線拐點前直線段斜率換算無側(cè)限抗壓強度,也可利用貫入強度換算無側(cè)限抗壓強度。水泥土強度的形成條件對貫入曲線拐點前直線段斜率及貫入強度與無側(cè)限抗壓強度之間的關(guān)系沒有明顯影響。