蘭州水泥改良黃土拉壓強度對比試驗研究

房 軍，梁慶國，賀 譜，王麗麗

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程國家級實驗教學(xué)示范中心,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730070；3.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；4.中國地震局蘭州地震研究所 黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

黃土是最新地質(zhì)時期形成的一種多孔隙的陸相疏松沉積物，具有明顯的水敏感性、特殊的結(jié)構(gòu)性及強烈的濕陷性，因此會導(dǎo)致路基沉陷、建筑物不均勻沉降、橋涵結(jié)構(gòu)破壞等一系列工程地質(zhì)問題[1]。

由于各區(qū)域黃土的地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)差異很大，近年來，眾多學(xué)者對我國各地黃土特性做了大量研究。文獻[2]通過研究蘭州黃土，提出各向異性對土體力學(xué)性質(zhì)影響較大；文獻[3]對延安Q2原狀黃土和重塑黃土做了無側(cè)限抗壓與貫入抗拉試驗，分析了加載速率對黃土壓拉強度的影響；文獻[4]通過室內(nèi)三軸試驗，研究了定西Q3原狀黃土的各向異性對黃土抗剪強度和變形參數(shù)的影響；文獻[5]依托天水市稅灣地震黃土滑坡，剖析了地震黃土滑坡發(fā)生的力學(xué)機制。文獻[6]基于1∶50 000工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合大型直剪試驗深入分析了松潘黃土的力學(xué)特性等?，F(xiàn)有研究表明，外在因素對黃土力學(xué)特性影響很大。如雨季浸水會使黃土的承載力急劇下降，誘發(fā)黃土地基變形失穩(wěn)等隱患。為使黃土地區(qū)構(gòu)筑物地基能滿足強度、沉降、水穩(wěn)性及耐久性要求，有必要對黃土進行改良。目前在黃土改良這一課題上，國內(nèi)外相關(guān)研究已取得了豐碩的成果。文獻[7]提出石灰和水泥改良紅土的改良效果受齡期的影響；文獻[8]指出特定齡期與水灰比對水泥土抗剪強度影響較大，并提出相應(yīng)的經(jīng)驗公式。文獻[9]通過三軸試驗，研究了不同水泥摻入比、不同制樣含水率、不同圍壓的水泥黃土力學(xué)特性與變形特性；文獻[10]通過室內(nèi)試驗對水泥土、石灰土、石灰粉煤灰土的物理力學(xué)特性進行了研究；文獻[11]定量評價了不同養(yǎng)護齡期水泥土的微觀結(jié)構(gòu)特征；文獻[12]在大量動三軸試驗的基礎(chǔ)上，深入研究了低摻量水泥土的動力特性。文獻[13]通過三軸試驗驗證了凍結(jié)黃土、凍結(jié)石灰改良黃土、凍結(jié)水泥改良黃土的強度變化，并提出水泥對黃土的改良效果較石灰更好。

目前，有關(guān)黃土改良的研究大多集中在各影響因素的綜合討論，很少具體分析特定條件下對黃土的改良效果。本文對寶蘭客運專線王家溝隧道黃土進行室內(nèi)無側(cè)限抗壓試驗、軸向劈裂試驗、單軸拉伸試驗，研究含水率及壓實度對水泥改良黃土及重塑黃土拉壓強度特性的影響，并量化分析水泥改良效果。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自寶蘭客運專線王家溝隧道，距離洞口約100 m、埋深約70 m的DK983+902掌子面上臺階處。該處黃土屬于粉質(zhì)黃土，其物理性能指標(biāo)見表1。試驗采用甘肅祁連山P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 試驗土樣物理性能指標(biāo)

1.2 試驗方法及試樣制備

首先在105 ℃溫度下烘干天然黃土樣，然后過0.5 mm 的篩子；改良時按照5%配合比摻入水泥，改良黃土養(yǎng)護齡期為7 d[14]。研究含水率為3%，15%，17%，19%，壓實度為92%，95%，97%，100%時重塑黃土與水泥改良黃土的強度特性，并驗證分析軸向劈裂和單軸拉伸試驗結(jié)果。

水泥改良土的加水拌合與進行試驗間隔時間越長，水化作用產(chǎn)生結(jié)硬程度就越大，致使水泥混合料所能達到的密實度也越大[15]。在重塑黃土中按設(shè)計摻量均勻拌入水泥，等待4 h后統(tǒng)一采用靜壓制樣，無側(cè)限抗壓試驗與單軸拉伸試驗均采用高12.5 cm，直徑6.18 cm 的圓柱樣，軸向劈裂試驗采用高6.18 cm、直徑6.18 cm的圓柱樣，其中作為劈裂用的加載體用高度2 cm、直徑1.5 cm的剛性小圓柱[16]。為保證試驗準(zhǔn)確度，每組做2個平行試驗，試驗儀器采用WDW電子萬能試驗機，加載速率采用1 mm/min[16]。本次試驗嚴(yán)格按照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》進行。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗壓特性

在無側(cè)向壓力條件下，測試土樣抵抗軸向壓力的極限強度，土樣的無側(cè)限抗壓破壞形態(tài)見圖1?？芍褐厮茳S土破壞時，在土樣中間部位有脹鼓現(xiàn)象，破裂面沿鼓起部位基本呈60°，且脹鼓現(xiàn)象隨著含水率增大越發(fā)明顯；水泥改良黃土在破壞時，試樣破裂方向略大于45°，無脹鼓。

圖1 土樣的無側(cè)限抗壓破壞形態(tài)

2.1.1 含水率的影響

試驗所采用重塑黃土的最優(yōu)含水率為13%，其抗壓強度隨著含水率的增大不斷減小。水泥改良黃土的最優(yōu)含水率因水泥摻入而增大[17]，在5%摻合比下，水泥改良黃土最優(yōu)含水率變?yōu)?5%左右。隨著含水率增長水泥改良黃土抗壓強度呈先增后減的趨勢。

土樣的含水率與抗壓強度關(guān)系見圖2?？芍褐厮茳S土抗壓強度在含水率15%～17%時變化幅度最大，最大減少44%；水泥改良黃土抗壓強度在含水率13%～15%時變化幅度最大，最大增長73%。整體來看，無論重塑黃土還是水泥改良黃土，其抗壓強度都隨著壓實度的增大而增大。

圖2 土樣的含水率與抗壓強度關(guān)系

2.1.2 壓實度的影響

土樣的壓實度與抗壓強度關(guān)系見圖3?？芍寒?dāng)含水率一定時，黃土抗壓強度隨著壓實度的增大而增大；但在不同含水率下，黃土抗壓強度增長趨勢表現(xiàn)不同。重塑黃土含水率為13%～15%時，抗壓強度隨壓實度近似單調(diào)線性增長，當(dāng)含水率增大到17%以上時，增長趨勢開始逐漸放緩；水泥改良黃土含水率為15%～17%時，抗壓強度隨壓實度近似單調(diào)線性增長，在含水率為13%時增長最緩慢，曲線近似呈拋物線狀。

圖3 土樣的壓實度與抗壓強度關(guān)系

2.2 抗拉特性

2.2.1 軸向劈裂試驗

根據(jù)文獻[18]論述的徑向壓裂法測定黃土抗拉強度的可行性，先采用常規(guī)軸向劈裂試驗方法來研究黃土的抗拉特性。通過施加荷載發(fā)生軸向勻速位移獲取應(yīng)力和加載圓柱的貫入深度，取土樣發(fā)生破壞時最大應(yīng)力作為抗拉強度。劈裂試驗抗拉強度σ計算式[19]為

(1)

式中:P為施加荷載；K為常數(shù)，取決于試樣穿孔大小和土壤類型，本試驗取1.0；b為試樣直徑；h為試樣高度；α為加載圓柱直徑。

試驗表明，土樣的含水率越低，干密度越大，脆性越強。達到極限抗拉強度后，試樣會突然裂成兩瓣或者三瓣，且在圓柱加載處產(chǎn)生高約1 cm的錐狀加載核，破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 劈裂破壞形態(tài)

2.2.2 單軸拉伸試驗

為了進一步研究黃土抗拉特性，現(xiàn)使用專制夾具，對土樣進行單軸拉伸試驗，直接測得土體抗拉強度，并與軸向劈裂試驗結(jié)果對比分析。

土樣的含水率與抗拉強度關(guān)系見圖5?？芍?，黃土抗拉強度在最優(yōu)含水率處最大，并隨著含水率的增長而不斷減小。其中重塑黃土含水率在13%～15%的抗拉強度變化幅度最大，最大降幅為37.5%；而水泥改良黃土含水率在15%～17%時抗拉強度變化幅度最大，最大降幅為49%。綜合對比圖2和圖5可知：重塑黃土和水泥改良黃土的拉壓、抗拉強度隨含水率增長變化趨勢一致。

圖5 土樣的含水率與抗拉強度關(guān)系

圖6 土樣的壓實度與抗拉強度關(guān)系

土樣的壓實度與抗拉強度關(guān)系見圖6?？芍S土抗拉強度隨著壓實度增長呈非線性增大。其中重塑黃土在壓實度為95%～98%時增長幅度最大，最大漲幅為38%，且隨著含水率的增長，重塑黃土抗拉強度受壓實度的影響越來越??；水泥改良黃土在壓實度為98%～100%時增長幅度最大，最大增幅為34%。綜合對比圖3和圖6可知，重塑黃土和改良黃土的抗拉、抗壓強度隨壓實度增長變化趨勢一致。

2.3 重塑黃土與水泥改良黃土強度比較

2.3.1 改良效果

相同條件下土樣強度對比見圖7?？芍褐厮茳S土的無側(cè)限抗壓強度約為抗拉強度的16倍；水泥改良黃土的無側(cè)限抗壓強度約為抗拉強度的30倍。經(jīng)水泥改良后，黃土強度特性改善明顯。黃土本身具有較好的抗壓特性。

圖7 相同條件下土樣強度對比

經(jīng)試驗可得，重塑黃土抗壓強度為51～229 kPa，改良后抗壓強度增長 1 388～4 196 kPa，提高18倍以上，改良效果顯著。黃土抗拉強度較弱。重塑黃土抗拉強度為4.42～18.37 kPa，改良后抗拉強度增長99.69～250.75 kPa，提高13倍以上，改良效果明顯。

2.3.2 脆性分析

現(xiàn)對試驗土體強度采用歸一化處理。按照基于歸一化方法的強度定量分析公式(2)，繪制壓實度為95%時含水率影響下的歸一化強度曲線和含水率為15%時壓實度影響下的歸一化強度曲線。

(2)

式中：Z為歸一化強度；σi為不同含水率、壓實度下的強度；σt在含水率歸一化強度曲線中含水率為19%時的強度、在壓實度歸一化強度曲線中壓實度為100%時的強度。

歸一化強度曲線見圖8。由圖8(a)可知：在含水率影響下，重塑黃土歸一化強度起始值明顯高于水泥改良黃土，且衰減趨勢更明顯，水泥改良黃土強度歸一化值最大為1.4，重塑黃土強度歸一化值最大為2.9，是水泥改良黃土的2倍有余。由此可知，相對于水泥改良黃土，含水率對同條件下的重塑黃土強度影響更大。

由圖8(b)可知：在壓實度影響下，重塑黃土與水泥改良黃土的歸一化強度起始值相差不大，但隨著壓實度的增長，重塑黃土歸一化抗壓強度曲線起始值更小，最高值更大，而水泥改良黃土歸一化抗壓強度曲線近似呈線性；在壓實度為95%～98%時，重塑黃土歸一化抗拉強度曲線斜率明顯大于水泥改良黃土。

圖8 歸一化強度曲線

3 討論

圖9 水泥改良黃土單軸拉伸與劈裂試驗結(jié)果對比

本文通過室內(nèi)軸向劈裂和單軸拉伸試驗對比分析了重塑黃土及水泥改良黃土的抗拉特性，證明了由單軸劈裂試驗測算土樣抗拉強度的可行性。試驗表明，用軸向劈裂法間接測算土體抗拉強度，設(shè)備簡單，操作方便，結(jié)果穩(wěn)定。但與單軸拉伸試驗結(jié)果相比，由軸向劈裂試驗得出的抗拉強度偏大(見圖9)，主要原因為：①試樣的影響。在單軸拉伸試驗中水泥改良黃土因經(jīng)過一定齡期的養(yǎng)護，試樣已具有相對的強度，則可忽略因試樣自重而產(chǎn)生的拉力影響；而測定重塑黃土?xí)r，為避免含水率變化過大，在完成制樣后就直接進行試驗，此時試樣抗拉能力很小，則自重產(chǎn)生的拉力對試驗結(jié)果影響較大。②夾具的影響。在單軸拉伸試驗中，采用的夾具是由硬質(zhì)鐵皮自制而成。試驗過程中，對土樣施加的拉力由夾具和土樣間的摩擦力承擔(dān)。試驗時，夾具對土樣施加了約束力，因而土樣端頭產(chǎn)生局部圍壓，更容易被拉斷。再者，試驗過程中，由于夾具與試樣不密貼導(dǎo)致夾具滑移，對試驗結(jié)果也有很大影響。③溫度和濕度的影響。本次試驗是在室溫18～ 26 ℃，濕度不低于30%的條件下進行的。由于在室溫高、濕度小的情況下，試樣會產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，收縮量有可能會大于拉伸量。故在試驗時應(yīng)對溫度和濕度加以考慮。

4 結(jié)論

1)重塑黃土試樣在抗壓破壞時，破裂面沿脹鼓部位近似呈60°，隨著含水率增大脹鼓現(xiàn)象也較明顯；水泥改良黃土試樣抗壓破裂面略大于45°，無脹鼓。重塑黃土與水泥改良黃土在軸向劈裂和單軸拉伸時均為脆性破壞，且含水率越低，干密度越大，其脆性越強。

2)黃土改良前抗壓強度為51～229 kPa，抗拉強度為4.42～18.37 kPa；黃土經(jīng)水泥改良后抗壓強度為 1 388～4 196 kPa，抗拉強度為99.69～250.75 kPa。黃土經(jīng)水泥改良后，抗壓強度提高18倍，抗拉強度提高12倍，改良效果明顯。

3)重塑黃土和水泥改良黃土的強度特性均隨壓實度增大呈非線性增大，隨含水率增大呈非線性減小，在最優(yōu)含水率處達到最大值。經(jīng)歸一化分析，相對水泥改良黃土，含水率和壓實度對重塑黃土強度特性的影響更明顯。