黄土制备人工结构性土方法的可行性研究

汪儒鸿，周海清，彭国园

（1陆军勤务学院军事设施系，重庆 401331；2西北核技术研究所，陕西西安710024）

0 引言

天然结构性土具有胶结、大孔隙的特点[1]，其岩土本构关系研究在国内外尚处发展阶段。由于天然结构性土的室内实验存在材料不均匀性、现场取样对试样的扰动以及试验重复性低等问题，目前针对原状结构性土展开的室内研究较少，催生了许多以人工结构性土代替天然结构性土进行研究的方法。从制样原料上来说，普遍的做法包括往粉质黏土中添加水泥粉末[2]，或同时加入冰片[3]、盐粒[4]等来制得具有粒间胶结效应的人工结构性土。有的也尝试以砂土为主要原料来制取人工胶结土[5-6]；从制样方法上来说，目前既有击样法制样[7]，也有压样法制样[8]，还有的采取泥浆灌注法制得人工结构性土试样[9]。通过以上方法制得的人工结构性土，均能较好反映部分天然结构性土的主要力学性质，特别是在表现高结构性强度所导致的土体应变软化特性[10]上较好。然而，以粉质黏土为主要原料的人工结构性土制样工艺较为繁琐，且粉质黏土种类较多，不同粉质黏土制得的人工结构性土区别较大，其研究不具有对比意义。更重要的是：以粉质黏土或砂土作为主要原料的人工结构性土在制样过程中需耗费较多的水泥，要水泥水化时间较长才能保证试样出现明显的应变软化特性，这也说明这两种土体并不容易形成结构性强度。因此，这里探讨以天然结构性黄土为主要原料来制备人工结构性土的可行性，并结合大量三轴压缩试验，从各个角度对其制得试样的主要力学特性进行了分析。

1 人工结构性土的制样

1.1制样原料

制备人工结构性土的原料为天然黄土粉末及普通硅酸盐水泥粉末。由于原状黄土本身就具有天然结构性强度，经充分破碎后采用其粉末加水泥制成的人工结构性土在颗粒粒径、颗粒级配以及土粒胶结形式上都更近似于天然结构性土。

实验用黄土取自延安新区工地现场，为原状Q3黄土，土体的物理性质见表1。

表1 原状Q3土样的基本物理指标

1.2制样过程

将黄土及水泥充分破碎后过0.1 mm孔径的标准筛，这样有助于颗粒之间更好地形成胶结。然后，将两类粉末同时烘干，按一定水泥质量配比混合，即成人工结构性土制备的完整原料粉末。将混合好的完整原料粉末加水配置成初始含水率ω=12%的土样，经放置一晚后，测其实际含水率，按土工试验方法标准GB/T 50123—1999的要求制成干密度均为1.5g/cm2的三轴试样。最后，将所有三轴试样抽气饱和并浸水养护48h。

2 人工结构性土的力学特性分析

2.1三轴压缩试验条件

按水泥质量配比的不同，将人工结构性土试样分为四组，每组包含若干个试样。每组试样的初始水泥质量配比按从小到大依次为无、1%、2%、5%，以下简称为无、1%、2%、5%水泥试样。将每组试样分别在100kPa、150kPa、200kPa的围压中进行多次不固结不排水三轴压缩试验，得到应力-应变曲线。

2.2偏应力-轴向应变曲线

不同水泥质量配比的人工结构性土在不同围压条件下的偏应力-轴向应变曲线如图1所示。

图1 偏应力-轴向应变曲线

2.3人工结构性土的力学特性分析

2.3.1 应力-应变曲线

如图1所示，在所选取的最高水泥质量配比及水化时间范围内，水泥质量配比对黄土制备人工结构性土试样的应力-应变曲线影响巨大。相同围压条件下：水泥质量配比越高的试样应变软化特性越强，同时峰值强度与残余强度的比值越大。与同类型研究[11-13]相比，5%的水泥质量配比以及48h的水泥水化时间在原材料耗费、时间耗费等方面均属较低程度。说明黄土制备人工结构性土的结构性强度对水泥质量配比具有较高的敏感性，比较适合模拟不同结构性强度的天然结构性土。

2.3.2 材料破坏特点

不同水泥质量配比试样在三轴压缩试验过程中同样表现出明显不同的破坏特征。图2所示为三轴试样实验前的初始状态，此时试样呈完整圆柱状，表面光滑无裂痕。

实验结束之后，以5%水泥质量配比为主的试样多呈现纵向或斜向劈裂型破坏，整体裂隙及变形较少，具有明显脆性破坏的特征，如图3a所示；以2%水泥质量配比为主的试样在破坏时表面裂隙更多，整体呈现出更复杂的破坏状态，如图3b所示；以1%和无水泥质量配比为主的试样多呈现鼓胀破坏，土体表面无明显裂隙，土体变形较大，如图3c所示。

综合来看，水泥质量配比越高的试样表现出越明显的脆性破坏特征，试样破坏时以剪切面的贯通为主，整体形变较小；水泥质量配比越低的试样，在破坏时以均匀剪切为主，整体形变更大。

图2 三轴试样初始状态

3 结构性系数的应用

为定量分析不同水泥质量配比的人工结构性土的应变软化规律不同，这里提出结构性系数的概念。结构性系数属于无量纲常数，其数值等于不同围压条件下人工结构性土偏应力-轴向应变曲线上材料峰值强度与残余强度之比。其峰值强度取试样的最大偏应力，残余强度取试样轴向应变达到15%左右时的偏应力。

图3 三轴试样破坏状态

选取水泥质量配比分别为5%、2%以及无的三种人工结构性土来进行对比，以下简称为5%、2%、无水泥试样。各人工结构性土在不同围压下的结构性系数如表2—表4所示。

表2 结构性系数-5%试样

表3 结构性系数-2%试样

表4 结构性系数-无水泥试样

从数值上来看，相同水泥质量配比的人工结构性土在不同围压下的结构性系数相近；而不同水泥质量配比的人工结构性土则呈现出在相同围压条件下，水泥质量配比越高的试样其结构性系数越大。结合文献[14-15]作进一步分析：结构性系数的大小实际上反映了人工结构性土的结构性强度占整体材料强度的比例，即类似于结构性土二元介质模型中对胶结元强度与摩擦元强度的界定。对水泥质量配比越高的试样而言，结构性强度占整体材料强度的比例较大，与残余强度的比值较大，相应的结构性系数也较大。

4 结论

结合室内三轴压缩实验，探讨以黄土作为主要原料制备人工结构性土的可行性；以人工结构性土的力学特性为基础，提出了结构性系数的概念。所得结论如下：

1）原状Q3黄土粉末适合作为人工结构性土制样的主要原料，其制得人工结构性土的材料强度对水泥质量配比有较高敏感性；

2）以黄土为主要原料的人工结构性土在最高5%水泥含量及48h的水化时间以内，随水泥质量配比的不同而表现出规律性力学特性变化。其中，水泥配比越高的试样具有的应变软化现象越明显，且试样破坏时越接近脆性破坏；

3）结构性系数的大小反映了人工结构性土的初始结构性强度占整体材料强度的比例，属于自身材料属性，受外界围压的影响较小。