三軸應(yīng)力條件下泡沫輕質(zhì)土壓縮特性

袁化強(qiáng)，朱登元,2，張宏慶，吳佳杰，徐茜茜，孫仁娟

(1.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，濟(jì)南 250000;2.臨沂大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，臨沂 276000;3.山東高速集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000)

0 引 言

泡沫輕質(zhì)土是由膠凝材料、水、外加劑、摻合料制備成大流動(dòng)度漿液，然后加入提前制備的泡沫群混合攪拌均勻，經(jīng)養(yǎng)護(hù)之后形成的一種輕質(zhì)高強(qiáng)的材料[1-3]。將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用在道路工程中，可以降低路基的工后沉降，解決“橋頭跳車”典型病害，也能夠避免擋土墻的墻背土壓力過(guò)大或者高邊坡失穩(wěn)等病害的發(fā)生[4-5]。此外，泡沫輕質(zhì)土在實(shí)際工程中由于密度和強(qiáng)度可調(diào)、硬化后能夠自立、流動(dòng)度大可泵送施工等特性具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[6-8]。

目前我國(guó)采用泡沫輕質(zhì)土做路基填料時(shí)，通常以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度來(lái)表征其力學(xué)性能，進(jìn)行路基設(shè)計(jì)和施工控制[9-10]。但實(shí)際應(yīng)用中泡沫輕質(zhì)土路基還需要滿足穩(wěn)定性要求，目前部分學(xué)者開展了輕質(zhì)土的抗剪性能研究[11-13]，但由于其組分復(fù)雜，性能影響因素較多且差異性大，而現(xiàn)有研究成果相對(duì)較少，不能充分表征其抗剪強(qiáng)度特性。盡管有規(guī)范中給出了抗剪強(qiáng)度推薦取值，但與輕質(zhì)土真實(shí)抗剪性能相差較大。此外，泡沫輕質(zhì)土路基的實(shí)際受力狀況較為復(fù)雜，在有圍壓存在的條件下的力學(xué)行為表現(xiàn)和破壞形態(tài)均有待進(jìn)一步的探究。

泡沫輕質(zhì)土水化硬化后雖然具有大量的孔隙但并無(wú)孔隙水存在，因此本文采用不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)(UU)研究三種不同濕密度的泡沫輕質(zhì)土在多個(gè)圍壓狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和破壞變形特征，從而掌握三軸應(yīng)力條件下泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)特性，并通過(guò)三軸試驗(yàn)結(jié)果分析泡沫輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，認(rèn)識(shí)其壓縮變形的機(jī)理和最終破壞的原因，研究結(jié)果對(duì)于路基穩(wěn)定性計(jì)算分析和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要參考意義，有利于泡沫輕質(zhì)土技術(shù)的進(jìn)一步推廣使用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

泡沫輕質(zhì)土主要由膠凝材料、水、泡沫三部分組成，其中水泥采用濟(jì)南山水公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，水泥力學(xué)性能如表1所示。泡沫通過(guò)機(jī)械發(fā)泡法制得，使用煙臺(tái)馳龍建筑節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)的陰離子復(fù)合蛋白型發(fā)泡劑，稀釋倍率40～50倍，發(fā)泡倍率800～1 000倍，標(biāo)準(zhǔn)泡沫密度45～55 kg/m3，試驗(yàn)測(cè)得30 min泌水率<18%，符合規(guī)范要求。表2為泡沫輕質(zhì)土配合比，其中水膠比為0.55，三種濕密度泡沫輕質(zhì)土的孔隙率分別為62.5%、56.7%和50.9%。

表1 水泥力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of cement

表2 泡沫輕質(zhì)土配合比Table 2 Mix proportion of foamed lightweight soil

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)用三軸壓縮試件為圓柱體，尺寸為φ50 mm×H100 mm，抗壓試件為立方體，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。采用大型不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)(UU)研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期時(shí)不同圍壓狀態(tài)下的三種濕密度泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變特性。取泡沫輕質(zhì)土28 d齡期時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度20%～40%作為圍壓的取值范圍，最終選取0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa作為三軸試驗(yàn)圍壓參數(shù)。

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51)，使用材料強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行泡沫輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率為1 mm/min。

如圖1所示，采用濟(jì)南海威爾HSW-1000B微機(jī)控制電液伺服三軸儀進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，首先以0.1 kN/s的加載速率預(yù)加載值至0.5 kN，然后以0.02 MPa/s的加載速率加載圍壓至目標(biāo)值并保持恒載，最后以0.05 MPa/s速率進(jìn)行軸向加載,直至試件破壞或軸向位移接近傳感器量程極限值則停止試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)軸向變形傳感器和徑向變形傳感器檢測(cè)試件的變形情況，試驗(yàn)結(jié)束后觀測(cè)試件的破壞位置及形態(tài)。

圖1 三軸壓縮試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1 Photo of triaxial test

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫輕質(zhì)土基本性能

表3為實(shí)驗(yàn)室制備的泡沫輕質(zhì)土基本性能。由表3可知，新拌泡沫輕質(zhì)土實(shí)測(cè)濕密度與目標(biāo)濕密度較為一致，二者的密度比接近1，小于規(guī)范中±3%的誤差規(guī)定，表明泡沫輕質(zhì)土制備過(guò)程中未出現(xiàn)嚴(yán)重的消泡和離析。同時(shí)，新拌泡沫輕質(zhì)土流值介于170～190 mm之間，能夠滿足直接用于現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工的要求。

此外，由表3可知，同一齡期的泡沫輕質(zhì)土試件抗壓強(qiáng)度均隨著濕密度的增大而增大，如28 d齡期時(shí)，WD700抗壓強(qiáng)度為2.01 MPa，WD900達(dá)到3.70 MPa，抗壓強(qiáng)度提高了84%?？梢姖衩芏葘?duì)于其力學(xué)性能具有顯著影響，這是由于隨著濕密度增加，泡沫輕質(zhì)土中膠凝材料的用量增大，同時(shí)所用泡沫質(zhì)量降低，試件內(nèi)部孔隙率減小，泡沫輕質(zhì)土變得更為密實(shí)，因此強(qiáng)度值增大。

表3 泡沫輕質(zhì)土基本性能Table 3 Basic properties of foamed lightweight soil

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變特性

泡沫輕質(zhì)土三軸壓縮下應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2(a)～(c)所示。由圖2可知，泡沫輕質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的非線性特性。如圖2(a)所示，可以將泡沫輕質(zhì)土三軸壓縮曲線劃分為彈性變形、應(yīng)變硬化、壓密破壞三個(gè)階段。彈性變形階段內(nèi)泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系并且該階段內(nèi)輕質(zhì)土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)完整，卸載后彈性變形可完全恢復(fù)。當(dāng)應(yīng)變超過(guò)彈性階段的極限應(yīng)變后，隨著變形的繼續(xù)增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率減小，表明泡沫輕質(zhì)土變形進(jìn)入應(yīng)變硬化階段,此時(shí)試件內(nèi)部出現(xiàn)塑性變形，材料表現(xiàn)為彈塑性特性。隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大，輕質(zhì)土內(nèi)部塑性區(qū)不斷擴(kuò)展，材料逐漸發(fā)生劣化。當(dāng)主應(yīng)力差(即偏應(yīng)力Δσ，Δσ=σ1-σ3，其中，σ1為第一主應(yīng)力，σ3為第三主應(yīng)力)達(dá)到最大值，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值后，試件內(nèi)部裂縫發(fā)展成為宏觀裂縫，試件發(fā)生脆性破壞，主應(yīng)力差值快速下降，此后泡沫輕質(zhì)土變形進(jìn)入壓密破壞階段，該階段內(nèi)隨著應(yīng)變的不斷增大，應(yīng)力在一定的范圍內(nèi)基本不變或者變化幅度較小。此時(shí)，試件不斷壓縮，破壞區(qū)域內(nèi)氣孔被完全破壞，試件密度增大，摩擦力補(bǔ)償粘聚力的損失，從而保持主應(yīng)力差值基本不變或略有升高。

對(duì)比圖2(a)～(c)可知，在不同圍壓狀態(tài)下，不同濕密度的泡沫輕質(zhì)土具有相同的上述壓縮變形特性。對(duì)于WD700和WD800而言，隨著圍壓的增大，偏應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。這是由于在低圍壓狀態(tài)下，圍壓遠(yuǎn)小于泡沫輕質(zhì)土的彈性極限強(qiáng)度，不會(huì)對(duì)試件造成內(nèi)部損傷并且可以限制試件的徑向變形進(jìn)而限制裂縫的發(fā)展，從而隨著圍壓增加，能夠提高偏應(yīng)力值。而在高圍壓狀態(tài)下，圍壓接近泡沫輕質(zhì)土的彈性極限強(qiáng)度，試件在圍壓下產(chǎn)生較大的變形，故而隨著圍壓增大，偏應(yīng)力反而降低。WD900由于彈性極限強(qiáng)度較高，試驗(yàn)中采取圍壓偏小，故隨著圍壓增大，偏應(yīng)力未出現(xiàn)拐點(diǎn)。

圖2(d)為三種不同濕密度泡沫輕質(zhì)土各自最佳圍壓狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2(d)可知，彈性階段內(nèi)泡沫輕質(zhì)土能達(dá)到的極限變形和極限強(qiáng)度與濕密度具有較大的關(guān)系。增大泡沫輕質(zhì)土濕密度，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中彈性階段的極限變形和極限強(qiáng)度均增大。此外三種濕密度泡沫輕質(zhì)土最佳圍壓狀態(tài)下偏應(yīng)力較表3中同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了46%、36%和64%，可見加載適當(dāng)?shù)膰鷫嚎商岣吲菽p質(zhì)土的承載能力。

圖2 泡沫輕質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of foamed lightweight soil

2.3 抗剪強(qiáng)度特性

采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，結(jié)合摩爾應(yīng)力圓與庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度定理分析泡沫輕質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度規(guī)律。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲得的參數(shù)，繪制不同圍壓下同一濕密度泡沫輕質(zhì)土摩爾應(yīng)力圓，并得到應(yīng)力圓的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如圖3所示。則抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線與縱坐標(biāo)截距即為輕質(zhì)土粘聚力c，與水平軸的夾角為內(nèi)摩擦角φ。由圖3分析得到的泡沫輕質(zhì)土的粘聚力和內(nèi)摩擦角匯總于表4。結(jié)果表明，濕密度對(duì)于泡沫輕質(zhì)土粘聚力和內(nèi)摩擦角具有顯著影響。泡沫輕質(zhì)土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨著濕密度增大而增大，濕密度700 kg/m3泡沫輕質(zhì)土粘聚力為0.70 MPa,內(nèi)摩擦角為18°，當(dāng)濕密度增大至900 kg/m3時(shí)，粘聚力提高80%，達(dá)到1.26 MPa,內(nèi)摩擦角增大至22°。這是由于隨著濕密度增大，孔隙率降低，孔壁厚度增大，因此孔壁強(qiáng)度得到提高，從而使泡沫輕質(zhì)土的粘聚力提高。此外，泡沫輕質(zhì)土在壓密破壞階段沿著破壞面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，雖然該階段輕質(zhì)土內(nèi)部孔壁已經(jīng)塌陷破壞，孔結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)輕質(zhì)土的內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響，但是孔隙率減小，其內(nèi)部破壞產(chǎn)生的顆粒數(shù)量增多，導(dǎo)致顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力增大，因此輕質(zhì)土內(nèi)摩擦角隨著濕密度增大而增大，表明其具有更好的邊坡穩(wěn)定性。值得注意的是，目前僅有《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》(TJG F10)規(guī)定，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)泡沫輕質(zhì)土內(nèi)聚力宜取120 kPa,內(nèi)摩擦角宜取2°，與試驗(yàn)測(cè)得的輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度相比較，規(guī)范推薦值偏于安全保守，未能真實(shí)體現(xiàn)輕質(zhì)土的抗剪性能。另外，通過(guò)計(jì)算不同濕密度輕質(zhì)土粘聚力與同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值(即c/fc)，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的線性關(guān)系，粘聚力約為抗壓強(qiáng)度0.34倍。

圖3 泡沫輕質(zhì)土摩爾圓Fig.3 Molar circle of foamed lightweight soil

表4 泡沫輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度Table 4 Shear strength of foamed lightweight soil

此外，根據(jù)摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則[14-15]，可知主應(yīng)力間具有以下關(guān)系式：

(1)

(2)

(3)

式中：c為輕質(zhì)土粘聚力;φ為輕質(zhì)土內(nèi)摩擦角;fc為輕質(zhì)土單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;k為側(cè)向壓力系數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的有關(guān)數(shù)據(jù)繪制不同濕密度輕質(zhì)土試件在不同圍壓下的σ1/fc與σ3/fc關(guān)系曲線，如圖4所示，按照公式(2)的形式，擬合直線方程則直線斜率即為實(shí)測(cè)輕質(zhì)土的側(cè)向壓力系數(shù)k值。同時(shí)，根據(jù)表4中得到的輕質(zhì)土內(nèi)摩擦角，按照公式(3)計(jì)算輕質(zhì)土的理論側(cè)向壓力系數(shù)k值，結(jié)果匯總于表5。由表5可知，實(shí)測(cè)輕質(zhì)土壓力系數(shù)k值與理論計(jì)算值吻合較好，二者誤差最大僅為2.6%。需要說(shuō)明的是輕質(zhì)土k值小于普通混凝土(普通混凝土k=4.1～5.3[14])，表明泡沫輕質(zhì)土軸壓強(qiáng)度受圍壓影響的程度小于普通混凝土。

圖4 泡沫輕質(zhì)土的σ1/fc與σ3/fc關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between σ1/fc and σ3/fc of foamed lightweight soil

表5 泡沫輕質(zhì)土側(cè)向壓力系數(shù)Table 5 Lateral pressure coefficient of foamed lightweight soil

2.4 試件破壞形態(tài)

圖5顯示了不同濕密度泡沫輕質(zhì)土試件三軸壓縮試驗(yàn)后的破壞形態(tài)，與未進(jìn)行試驗(yàn)的試件相比，試驗(yàn)后輕質(zhì)土試件高度明顯降低,其直徑略有增加，試件發(fā)生了較大的塑性變形，內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)多數(shù)塌陷破壞。

圖5 泡沫輕質(zhì)土試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure patterns of foamed lightweight soil specimens

對(duì)比三種濕密度輕質(zhì)土試件破壞圖片，WD900試件的破壞形態(tài)與普通混凝土相類似，主要表現(xiàn)為剪切破壞，在試件中部區(qū)域處可以明顯觀察到傾斜的主破裂面，并且試件在該破壞面上發(fā)生了較大的相對(duì)滑動(dòng)。此外，在破裂面周圍可以觀察到橫向裂紋和部分縱向裂紋，但試件在發(fā)生較大的軸向應(yīng)變后仍然基本保持完整，未發(fā)生明顯的表面剝落現(xiàn)象，整體性較好。WD700和WD800試件在荷載作用下，試件逐漸壓密并在局部位置出現(xiàn)明顯的錐形破裂面，并最終形成“壓實(shí)錐”，導(dǎo)致壓密破壞，“壓實(shí)錐”內(nèi)部呈現(xiàn)粉末狀，外部有明顯的斜裂紋和橫向裂紋，局部區(qū)域有剝落，部分試件在產(chǎn)生壓實(shí)錐后會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵嚰哑茐?，這種破壞形態(tài)與其他學(xué)者研究結(jié)果相類似[16]。

3 結(jié) 論

(1)實(shí)驗(yàn)室制備的泡沫輕質(zhì)土具有較好的工作性能和力學(xué)強(qiáng)度。濕密度與其力學(xué)強(qiáng)度具有顯著的相關(guān)性，各齡期輕質(zhì)土試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕密度增大均有所提高。

(2)泡沫輕質(zhì)土三軸壓縮變形過(guò)程分為彈性變形、應(yīng)變硬化和壓密破壞三個(gè)階段。適當(dāng)增加圍壓或降低輕質(zhì)土孔隙率，均有利于提高輕質(zhì)土的軸向極限抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變。

(3)減小泡沫輕質(zhì)土孔隙率能夠顯著提高其抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)獲得的抗剪強(qiáng)度值遠(yuǎn)高于有關(guān)路基設(shè)計(jì)規(guī)范的推薦取值。此外，輕質(zhì)土粘聚力與同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有較好的線性關(guān)系，且粘聚力約為抗壓強(qiáng)度的0.34倍。

(4)泡沫輕質(zhì)土試件破壞形態(tài)與其內(nèi)部孔隙率及力學(xué)性能有關(guān)，低孔隙率高強(qiáng)度試件，其破壞形態(tài)主要為剪切破壞，有明顯的傾斜破裂面。高孔隙率低強(qiáng)度試件會(huì)產(chǎn)生“壓實(shí)錐”，導(dǎo)致壓密破壞，“壓實(shí)錐”持續(xù)增大則可能導(dǎo)致試件劈裂破壞。