脫水泥餅與加氣混凝土粉混合料的抗剪強(qiáng)度特性研究

王子昂，詹良通，劉超洋，黃勤，堯俊，劉茹

(1.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州，310058；2.深圳市特區(qū)建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，廣東 深圳，518048；3.深圳市住房和建設(shè)局，廣東 深圳，518031)

脫水泥餅是采用板框壓濾機(jī)等機(jī)械設(shè)備對(duì)工程泥漿進(jìn)行壓濾脫水后形成的塊狀產(chǎn)物，含水率通常介于35%～50%之間，且細(xì)粒含量較多[1]。隨著我國(guó)對(duì)城市地下空間建設(shè)的大力推進(jìn)，工程泥漿產(chǎn)量急劇上升，可預(yù)見在未來(lái)幾年內(nèi)脫水泥餅產(chǎn)量將繼續(xù)增加。由于目前對(duì)脫水泥餅的處置方式以堆填為主，而堆填體的穩(wěn)定安全性主要受其力學(xué)特性影響，通常其含水率越高，粗粒含量越少，抗剪強(qiáng)度越低。因此，為提升脫水泥餅的堆填高度，避免性質(zhì)較差的泥餅在堆填體內(nèi)部形成軟弱夾層造成的安全隱患，選取適當(dāng)材料作為摻合料，對(duì)高含水率泥餅的力學(xué)特性進(jìn)行研究，具有十分重要的工程意義。

大尺寸直剪試驗(yàn)由于具有弱化試樣尺寸效應(yīng)[2]、貼近工程實(shí)際[3]、可靠性高[4]等優(yōu)點(diǎn)，得到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者[5-7]的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于試樣剪切強(qiáng)度特性的研究，但目前對(duì)脫水泥餅力學(xué)特性的系統(tǒng)研究很少，較多研究集中在土石混填體方面。例如，徐文杰等[8]通過(guò)對(duì)虎跳峽地區(qū)土石混合體進(jìn)行大型原位水平推剪試驗(yàn)，分析了試樣強(qiáng)度參數(shù)在浸水前后的變化規(guī)律。李維樹等[9]以三峽庫(kù)區(qū)滑坡體為研究對(duì)象，基于直剪試驗(yàn)結(jié)果建立了試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)與含水率的關(guān)系。楊繼紅等[10]通過(guò)對(duì)堆積體邊坡開展大型直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣剪切面形態(tài)及剪切強(qiáng)度與試樣含石量密切相關(guān)。董云[11]基于大型直剪試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了含水率、含石量和母巖性質(zhì)等因素對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度的影響。趙明華等[12]通過(guò)控制單一變量，研究了試樣級(jí)配參數(shù)及壓實(shí)度對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響。楊繼紅等[13]則研究了含石量對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度和剪應(yīng)力-剪切位移曲線的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著含石量的增加，試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線將呈現(xiàn)出3 種不同模式。上述研究表明，適當(dāng)?shù)暮磕軌蝻@著提高土體材料的抗剪強(qiáng)度[13-15]。但若通過(guò)增加含石量以提升脫水泥餅堆填體的抗剪強(qiáng)度，不僅會(huì)造成建材資源浪費(fèi)，而且會(huì)使泥餅消納成本大大增加。

近年來(lái)，我國(guó)城市建筑固廢產(chǎn)量急劇增加[16-17]。相比于純土體，建筑固廢含水率通常較低，而強(qiáng)度較高，按照適當(dāng)比例將其與脫水泥餅進(jìn)行混合堆填，不僅可以改善泥餅力學(xué)性能，而且可以在一定程度上解決建筑垃圾的處置問(wèn)題。目前，已有較多學(xué)者[18-20]對(duì)磚混材料的再利用進(jìn)行了研究，通過(guò)將破碎、分選后的磚混材料和土體混合，使得土體成為了類似土石混填體的材料，大大增加了其抗剪強(qiáng)度，證實(shí)了將其作為土體改性材料的可行性。然而，隨著建筑材料向輕質(zhì)、節(jié)能方向發(fā)展，工程建設(shè)中越來(lái)越多地將加氣混凝土用作新型墻體材料[21]，建筑垃圾中加氣混凝土材料的占比逐年增加，相關(guān)處置需求越發(fā)迫切。相較于磚混材料，加氣混凝土密度更低，表面孔隙更多，吸水性更強(qiáng)，但由于對(duì)其抗剪強(qiáng)度特性的認(rèn)識(shí)和研究仍明顯不足，目前尚未發(fā)現(xiàn)將其作為土體改性材料進(jìn)行利用的相關(guān)報(bào)道。

因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文作者通過(guò)開展室內(nèi)脫水泥餅與加氣混凝土粉混合料大尺寸直剪試驗(yàn)，對(duì)純泥餅和混合料試樣的剪應(yīng)力-位移關(guān)系進(jìn)行研究；分析加氣混凝土粉摻量、含水率和壓實(shí)度等因素對(duì)試樣不排水抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，并揭示其變化機(jī)理；提出適宜深圳市高含水率泥餅的加氣混凝土粉料摻量。通過(guò)本文研究，以期能為脫水泥餅的抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究以及工程建設(shè)提供一定啟示和參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用浙江大學(xué)建工學(xué)院的Geotest S2450 大型直剪儀進(jìn)行直剪試驗(yàn)，該儀器主要由剪切盒、加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。在試驗(yàn)過(guò)程中，固定直剪儀上剪切盒并利用水平加載系統(tǒng)勻速推動(dòng)下剪切盒，使試樣在均勻受力的條件下進(jìn)行剪切。剪切盒內(nèi)部長(zhǎng)×寬×高為300 mm×300 mm×150 mm；加載系統(tǒng)包括水平加載系統(tǒng)和垂直加載系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)加壓、保壓等功能；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以在剪切過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣豎向壓力、剪應(yīng)力、剪切位移和豎向位移的采集記錄。

1.2 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)所用泥餅取自深圳市某脫水泥餅生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，是利用板框壓濾機(jī)對(duì)工程渣土洗砂后的泥漿壓濾脫水形成(見圖1(a))。該脫水泥餅的相對(duì)密度、界限含水率、含水率等基本物理性質(zhì)如表1所示。由于泥餅為塊狀結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)所得的試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，因此，本文參照GB/T 50123—2019“土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”[22]首先將塊狀泥餅過(guò)5 mm篩碾碎，然后對(duì)過(guò)篩樣品含水率進(jìn)行調(diào)配，并對(duì)不同含水率下的樣品在室內(nèi)進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，進(jìn)而確定其最大干密度和最優(yōu)含水率。

圖1 試驗(yàn)材料Fig.1 Test materials

根據(jù)表1 可知，泥餅顆粒組成中細(xì)粒含量較高，砂粒含量較少。按照液塑限分類[23]，泥餅試樣屬于粉質(zhì)黏土。本試驗(yàn)所用建筑固廢材料為深圳市破碎、分選后的加氣混凝土粉料(見圖1(b))，相對(duì)密度為2.63，其顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

表1 試驗(yàn)所用泥餅試樣的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of dewatered slurry cake

圖2 試驗(yàn)材料原始級(jí)配曲線Fig.2 Original grain-size distribution curves of test materials

由圖2 可知，加氣混凝土粉料粒徑相對(duì)較大，但最大粒徑仍在1 cm 之內(nèi)。通過(guò)輕型擊實(shí)試驗(yàn)得到不同加氣混凝土粉摻量下泥餅試樣的最優(yōu)含水率wop和最大干密度ρdmax的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知：隨著加氣混凝土粉摻量增加，混合料試樣最優(yōu)含水率逐漸增大，最大干密度逐漸減小。這是由于加氣混凝土粉顆粒內(nèi)部及表面富含大量微細(xì)孔通道，隨著其在混合料中占比增加，樣品吸水性逐漸增大，導(dǎo)致試樣最優(yōu)含水率的升高[24]；又由于其密度和相對(duì)密度較低，導(dǎo)致試樣最大干密度逐漸減小。

圖3 不同加氣混凝土粉摻量下試樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Compaction test results of samples with different autoclaved aerated concrete powder contents

1.3 試驗(yàn)方法

在快速堆填條件下，脫水泥餅堆填體內(nèi)的孔隙水不能及時(shí)排出，外界豎向壓力增加而孔隙水壓力來(lái)不及消散。因此，本文利用大尺寸直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)，模擬泥餅堆填體在快速堆填條件下的抗剪強(qiáng)度特性。本文共進(jìn)行15 組直剪試驗(yàn)，主要用于探究加氣混凝土粉、含水率及壓實(shí)度對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度的影響，各試驗(yàn)工況見表2，其中，Z-1 為現(xiàn)場(chǎng)含水率試樣；Z-2～Z-5，Z-10 和Z-13～Z-15 為按設(shè)計(jì)比例將加氣混凝土粉摻入泥餅，并混合均勻后獲得的試樣；Z-6～Z-9 和Z～11～Z-12 為通過(guò)控制相應(yīng)含水率及加氣混凝土粉摻量制得的試樣。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了試樣含水率處于最優(yōu)含水率左側(cè)、最優(yōu)含水率以及最優(yōu)含水率右側(cè)3類工況。為保證剪切過(guò)程中所用試驗(yàn)材料的水分均勻分布，在進(jìn)行剪切試驗(yàn)前，用防水密封膜將試驗(yàn)材料進(jìn)行密封，并悶料24 h[25]。在快剪試驗(yàn)完成后，對(duì)Z-10～Z-12試樣進(jìn)行篩分析試驗(yàn)，取剪切面上、下各10 mm 厚試樣，烘干后通過(guò)篩分定量統(tǒng)計(jì)剪切面的顆粒級(jí)配。

表2 直剪試驗(yàn)試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions of direct shear test

在試樣裝填過(guò)程中，為保證試樣壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本文將相應(yīng)質(zhì)量的試樣分成3 層裝填，并采用控制剪切盒內(nèi)試樣體積的方法[12]達(dá)到相應(yīng)壓實(shí)度。在試驗(yàn)過(guò)程中，豎向壓力施加完成后馬上進(jìn)行剪切，試樣剪切速率設(shè)定為4 mm/min。試樣剪切完成后，若剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線存在峰值剪應(yīng)力，則將其作為試樣抗剪強(qiáng)度；若無(wú)明顯峰值剪應(yīng)力出現(xiàn)，則將剪切位移為試樣邊長(zhǎng)1/10時(shí)的剪應(yīng)力作為試樣抗剪強(qiáng)度[22,26]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 純泥餅的抗剪強(qiáng)度特性

定義試樣壓縮為正，膨脹為負(fù)。圖4所示為快剪過(guò)程中純泥餅試樣(Z-1)的剪切測(cè)試曲線。由圖4可知，純泥餅試樣剪應(yīng)力隨著剪切位移增加逐漸趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)為塑性發(fā)展型破壞，且不同豎向壓力下的最大剪應(yīng)力相差不大。

圖4 純泥餅試樣剪切測(cè)試曲線Fig.4 Shear test curves of pure dewatered slurry cake

這是由于純泥餅試樣僅在試驗(yàn)初期(剪切位移15 mm 內(nèi))發(fā)生了剪縮現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣剪應(yīng)力在剪切試驗(yàn)初期逐漸增加，但當(dāng)其內(nèi)部形成一條貫通的剪切面后便趨于穩(wěn)定。又由于試樣初始飽和度已接近飽和，并且剪切速度較快，在剪切過(guò)程中，試樣的孔隙水壓力難以及時(shí)消散，外界豎向壓力增加而試樣的有效應(yīng)力基本不變；其不排水抗剪強(qiáng)度主要是細(xì)粒間的黏聚力提供，因此，在不同外界豎向壓力下差別不大。

2.2 混合料的抗剪強(qiáng)度特性

2.2.1 破壞模式分析

從含有加氣混凝土粉料的14 組試驗(yàn)中選出2組具有代表性的Z-5 和Z-9 試樣的剪切測(cè)試曲線，如圖5 所示。由圖5 可知：在豎向壓力200 kPa 試驗(yàn)中，Z-5試樣表現(xiàn)為塑性發(fā)展型破壞，其余試驗(yàn)中均表現(xiàn)為軟化型破壞；而在所有試驗(yàn)中Z-9試樣均表現(xiàn)為硬化型破壞。這說(shuō)明當(dāng)加氣混凝土粉摻量相同時(shí)，含水率對(duì)混合料的破壞模式有較大影響。

圖5 Z-5和Z-9試樣的剪切測(cè)試曲線Fig.5 Shear test curves of Z-5 and Z-9 samples

具體而言，低含水率試樣顆粒間的摩擦較大，咬合作用較強(qiáng)，具有明顯的剪脹趨勢(shì)，但隨著剪切的進(jìn)行，顆粒間的咬合狀態(tài)逐漸被破壞，導(dǎo)致剪應(yīng)力在達(dá)到峰值后開始降低，宏觀上表現(xiàn)為軟化型破壞。然而，隨著豎向壓力增加，剪切過(guò)程中試樣受到的限制越發(fā)顯著，當(dāng)豎向壓力達(dá)到一定程度(如200 kPa)時(shí)，試樣將不再具有明顯剪脹趨勢(shì)(與圖4 中純泥餅類似)，這導(dǎo)致軟化破壞現(xiàn)象減弱，宏觀上表現(xiàn)為塑性發(fā)展型破壞。高含水率試樣的壓縮性較大，在試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)剪縮，顆粒間摩擦作用逐漸增強(qiáng)，表現(xiàn)出試樣的壓硬性，故剪應(yīng)力持續(xù)增加，表現(xiàn)為硬化型破壞。

2.2.2 顆粒破碎分析

圖6 所示為Z-10，Z-11 和Z-12 試樣剪切前后的顆粒級(jí)配曲線。由圖6可知：混合料級(jí)配曲線在剪切后均有所上移，并且含水率越小、豎向壓力越大，曲線上移幅度越高，說(shuō)明剪切過(guò)程中發(fā)生了顆粒破碎，且破碎程度與豎向壓力和含水率有關(guān)[25]。

圖6 試驗(yàn)前后混合料的顆粒級(jí)配曲線Fig.6 Grain-size distribution curves of test materials before and after shearing

為分析豎向壓力和含水率對(duì)顆粒破碎程度的影響規(guī)律，引入相對(duì)破碎率(Br)[27]指標(biāo)對(duì)顆粒破碎程度進(jìn)行表征，其計(jì)算公式為

式中，Bpi和Bpf分別為試驗(yàn)前后的顆粒級(jí)配曲線與粒徑為0.074 mm豎線所圍成的面積。

圖7所示為顆粒相對(duì)破碎率Br與豎向壓力P和含水率w之間的關(guān)系。

由圖7可知，三者之間滿足如下函數(shù)關(guān)系：

圖7 相對(duì)破碎率與豎向壓力和含水率的關(guān)系Fig.7 Relationship among Br,P and w

式中：a，b，c為試驗(yàn)參數(shù)，本文取值為a=0.002 2 kPa-1，b=0.473 2，c=0.063 7。根據(jù)式(2)可知，含水率越小，豎向壓力越大，在剪切試驗(yàn)過(guò)程中，顆粒破碎程度越高。這是由于豎向壓力越大，其對(duì)試樣的約束作用越強(qiáng)，剪切時(shí)顆粒更難以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)和翻越行為避免其破碎；含水率越小，水對(duì)顆粒的潤(rùn)滑作用越弱，孔隙水壓力越小，因此，在相同條件下也更易產(chǎn)生顆粒破碎現(xiàn)象。本文研究結(jié)論與劉新榮等[25]的研究結(jié)果一致。

2.2.3 抗剪強(qiáng)度變化分析

1) 摻量變化的影響。圖8所示為不同加氣混凝土粉摻量下試樣不排水抗剪強(qiáng)度與豎向壓力的關(guān)系。

圖8 不同混合料試樣的抗剪強(qiáng)度Fig.8 Shear strength of different mixture samples

由圖8 可知，當(dāng)豎向壓力較低(如小于50 kPa)時(shí)，試樣不排水抗剪強(qiáng)度與加氣混凝土粉摻量間并無(wú)明顯規(guī)律；但當(dāng)豎向壓力高于一定程度(如大于100 kPa)后，其隨著加氣混凝土粉摻量的增加而增加。這是因?yàn)樵谳^低豎向壓力時(shí)，試樣不排水抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力cU控制，而試樣黏聚力cU與加氣混凝土粉料摻量間的關(guān)系較為復(fù)雜(見圖9)。一方面，隨著加氣混凝土粉摻量增加，試樣顆粒間的嵌擠和咬合作用增強(qiáng)，其中某些嵌擠和咬合作用可導(dǎo)致黏結(jié)力增加；另一方面，隨著加氣混凝土粉摻量增加，試樣細(xì)粒含量減少，細(xì)粒之間的黏結(jié)力又同時(shí)減小[12,28]。因此，當(dāng)其摻量足夠大時(shí)，可能出現(xiàn)摻加了強(qiáng)度較高的加氣混凝土粉料，試樣不排水抗剪強(qiáng)度反而降低的現(xiàn)象。

隨著外界豎向壓力增加，試樣不排水抗剪強(qiáng)度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蓛?nèi)摩擦角φ控制，而內(nèi)摩擦主要是由顆粒間滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦組成[28]。隨著加氣混凝土粉的摻入，試樣的粗粒含量逐漸增加，顆粒間的嵌擠和咬合作用逐漸增強(qiáng)；試樣含水率逐漸減小(見表2)，水對(duì)顆粒間的潤(rùn)滑作用減弱，顆粒間的滑動(dòng)摩擦變大，因此，試樣內(nèi)摩擦角始終隨著加氣混凝土粉摻量增加而增加(見圖9)。

圖9 粉料摻量與試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系Fig.9 Relationship between autoclaved aerated concrete powder content and shear strength parameters

2) 含水率變化的影響。以壓實(shí)度80%下快剪試驗(yàn)為例，繪制混合料試樣不排水抗剪強(qiáng)度與豎向壓力的關(guān)系，如圖10所示。

圖10 不同含水率下混合料試樣的抗剪強(qiáng)度Fig.10 Shear strength of samples with different water contents

由圖10 可知：隨著含水率增加，混合料不排水抗剪強(qiáng)度逐漸減小，并表現(xiàn)出強(qiáng)度非線性特征。這主要是因?yàn)楫?dāng)含水率較高時(shí)，受孔隙水壓力影響，外界豎向壓力不能完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力；同時(shí)，水對(duì)顆粒的潤(rùn)滑作用使得高含水率試樣更不易發(fā)生剪脹(見圖5)、顆粒破碎(見圖7)現(xiàn)象，而剪脹和顆粒破碎均需要剪應(yīng)力做功提供能量[28]，因此，隨著含水率增加，混合料不排水抗剪強(qiáng)度逐漸降低。

為更直觀體現(xiàn)含水率因素對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度特性的影響，利用圖10 中擬合得到的強(qiáng)度參數(shù)，繪制含水率與試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系曲線，如圖11所示。

圖11 含水率與試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系Fig.11 Relationship between water content and shear strength parameters

由圖11 可知：當(dāng)試樣含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，內(nèi)摩擦角變化較??；當(dāng)含水率高于最優(yōu)含水率時(shí)，內(nèi)摩擦角顯著降低。FERREIRA 等[29]在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。本文認(rèn)為這可能與壓實(shí)土體的微觀結(jié)構(gòu)在最優(yōu)含水率前后存在差異有關(guān)[28]：當(dāng)含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，壓實(shí)土體的顆粒排列以絮凝結(jié)構(gòu)為主體，土粒間以角-面、邊-面和邊-邊等方式任意排列，粒間摩阻力較大，試樣內(nèi)摩擦角較高；當(dāng)含水率高于最優(yōu)含水率時(shí)，壓實(shí)土體的顆粒排列方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑稚⒔Y(jié)構(gòu)為主體，土粒間以面-面接觸為主，粒間摩阻力較小，試樣內(nèi)摩擦角顯著降低。

3) 壓實(shí)度變化的影響。隨著壓實(shí)度增加，試樣干密度將逐漸變大，顆粒間的接觸更加充分，導(dǎo)致土體破壞所需的剪應(yīng)力變大。因此，工程中常采用增加壓實(shí)度的方法提升土體抗剪強(qiáng)度。圖12所示為不同壓實(shí)度下混合料試樣(含水率及粉料摻量相同)不排水抗剪強(qiáng)度與豎向壓力的關(guān)系。

根據(jù)圖12 可知，隨著壓實(shí)度增加，混合料不排水抗剪強(qiáng)度逐漸增加；材料內(nèi)摩擦角和黏聚力均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但在壓實(shí)度超過(guò)90%后，材料內(nèi)摩擦角的增加速率明顯減緩(見圖13)?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，建議在試樣壓實(shí)度超過(guò)90%后，不應(yīng)再以增加壓實(shí)度的方法提高其抗剪強(qiáng)度。

圖12 不同壓實(shí)度下混合料試樣的抗剪強(qiáng)度Fig.12 Shear strength of samples with different compaction degrees

圖13 壓實(shí)度與試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系Fig.13 Relationship between compaction degree and shear strength parameters

2.3 抗剪強(qiáng)度影響因子回歸分析

土體抗剪強(qiáng)度往往由多個(gè)因素共同影響決定，試驗(yàn)表明：降低試樣含水率(Z-5和Z-7～Z-9工況間對(duì)比)、增加試樣中加氣混凝土粉料摻量(Z-6和Z-7工況對(duì)比)和提升試樣壓實(shí)度(Z-3和Z-13～Z-15工況間對(duì)比)均有利于提高其抗剪強(qiáng)度。為分析上述各因素對(duì)泥餅試樣抗剪強(qiáng)度的影響程度，本文以含水率X1、加氣混凝土粉料摻量X2、壓實(shí)度X3為自變量，以不排水抗剪強(qiáng)度Y為因變量，在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理的基礎(chǔ)上，基于Matlab 進(jìn)行多元線性回歸分析[12]：

其中，β0、β1、β2、β3為回歸系數(shù)，取值見表3。

表3 多元線性回歸模型參數(shù)Table 3 Parameters of multiple linear regression model

根據(jù)表3中各自變量回歸系數(shù)可知，在豎向壓力較低時(shí)(≤150 kPa)，各因素對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度影響從大到小的順序依次為壓實(shí)度、含水率、加氣混凝土粉料摻量；但隨著豎向壓力增加，各因素對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度影響從大到小變?yōu)楹?、壓?shí)度、加氣混凝土粉料摻量，即在較高外界荷載作用下，降低試樣含水率是提升其不排水抗剪強(qiáng)度的最有效方法。

3 討論

為保證渣土堆體的穩(wěn)定安全，我國(guó)相關(guān)規(guī)范明確禁止含水率超過(guò)40%的余泥渣土未經(jīng)處理直接進(jìn)入消納場(chǎng)[30]，而目前實(shí)際工程中脫水泥餅含水率多介于35%～50%之間[1]，即在當(dāng)前壓濾工藝下，相當(dāng)大部分的脫水泥餅無(wú)法滿足進(jìn)場(chǎng)要求。

此外，在渣土堆填過(guò)程中，工程上通常需要進(jìn)行壓實(shí)處理以提升其穩(wěn)定安全性，但在較高或較低含水率下壓實(shí)均不利于堆填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全。這是由于當(dāng)含水率較高時(shí)，渣土堆填體通常無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度，且試樣抗剪強(qiáng)度較低；若在含水率較低的情況下壓實(shí)，則堆填體(高細(xì)粒含量)在經(jīng)歷水分浸入后易發(fā)生明顯的體積膨脹，且初始含水率越低，膨脹率越大[31]。為解決上述問(wèn)題，本文提出將加氣混凝土粉作為摻合料提高高含水率脫水泥餅抗剪強(qiáng)度(同時(shí)降低其含水率)的方案。結(jié)合本文試驗(yàn)，繪制混合料含水率和加氣混凝土粉摻量的關(guān)系曲線，如圖14所示。

圖14 不同加氣混凝土粉摻量下的試樣含水率Fig.14 Water content of sample with different autoclaved aerated concrete powder contents

由圖14 可知，隨著加氣混凝土粉摻量增加，混合料含水率逐漸降低。在滿足泥餅進(jìn)場(chǎng)要求的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步保證填土壓實(shí)效果，結(jié)合美國(guó)相關(guān)規(guī)范建議，確定適宜含水率范圍為(wopt-2%)～(wopt+4%)[32]，對(duì)應(yīng)加氣混凝土粉摻量為27%～36%?？紤]到隨著加氣混凝土粉摻量的增加，盡管混合料試樣強(qiáng)度有所提升，但同條件下必然將導(dǎo)致泥餅消納量減少。因此，本文建議加氣混凝土粉摻量為30%。

4 結(jié)論

1) 高含水率脫水泥餅中細(xì)粒含量較高(＞75%)，其不排水抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線近似為水平直線。加氣混凝土粉料的摻入不僅可增加試樣的粗粒料含量，而且可降低試樣含水率，能夠顯著提升其在較高應(yīng)力下的不排水抗剪強(qiáng)度。

2) 混合料顆粒級(jí)配曲線在剪切后有所上移，說(shuō)明剪切過(guò)程中發(fā)生了顆粒破碎現(xiàn)象。顆粒相對(duì)破碎率與含水率和豎向壓力間滿足二元函數(shù)關(guān)系，且含水率越小、豎向壓力越大，顆粒破碎程度越高。

3) 水對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度具有軟化作用，并且在最優(yōu)含水率右側(cè)時(shí)，含水率變化對(duì)試樣內(nèi)摩擦角的影響更大，該現(xiàn)象與壓實(shí)土體的微觀結(jié)構(gòu)在最優(yōu)含水率前后存在差異有關(guān)：在最優(yōu)含水率左側(cè)，壓實(shí)土體的顆粒排列以絮凝結(jié)構(gòu)為主；而在最優(yōu)含水率右側(cè)，壓實(shí)土體的顆粒排列方式以分散結(jié)構(gòu)為主。

4) 試樣不排水抗剪強(qiáng)度隨著壓實(shí)度增加而增加，但在壓實(shí)度超過(guò)90%后，增加趨勢(shì)明顯減緩。對(duì)于深圳市含水率約42%的脫水泥餅，建議將加氣混凝土粉摻量設(shè)定為30%，此時(shí)，試樣內(nèi)摩擦角約為28°(壓實(shí)度為80%)，且試樣含水率處于最優(yōu)含水率附近。