干湿循环条件下水泥改良泥质板岩粗粒土的静力特性试验研究

刘雨，朱自强，陈俊桦



干湿循环条件下水泥改良泥质板岩粗粒土的静力特性试验研究

刘雨1, 2，朱自强1，陈俊桦3

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；2. 湖南省有色地质勘查研究院，湖南 长沙，410015；3. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)

为研究水泥改良泥质板岩粗粒土静力性质的干湿循环效应，首先，使标准养护龄期达到28 d以上的试样经受干湿循环作用，然后，该试样开展大型三轴压缩试验。通过试验得到改良土样的轴向最大应力差、内摩擦角、黏聚力和弹性模量等力学参数随干湿循环次数变化的规律，并分析围压和养护龄期对这些变化规律的影响。研究结果表明：随着干湿循环作用次数增加，轴向最大应力差、内摩擦角、黏聚力和弹性模量等力学参数均有所衰减，但衰减到一定程度后逐渐趋于稳定，其中，内摩擦角的衰减幅度最小；轴向最大应力差和弹性模量的衰减幅度均随围压的增大而减小；随着养护龄期增大，轴向最大应力差和黏聚力的衰减幅度均减小，但养护龄期对弹性模量和内摩擦角的衰减幅度影响不大。

土力学；干湿循环；水泥改良粗粒土；标准养护龄期；大型三轴压缩试验；围压

对于高速公路、高速铁路和机场跑道等对路基承载性能要求高的工程项目，膨胀土、湿陷性黄土等水稳性差的土料不能直接用于填筑路基，为满足工程要求，需要对这些水稳性差的土料进行化学改良。常见的化学改良方法有水泥改良和石灰改良。例如，根据文献[1−2]，武广(武汉—广州)高铁线路的岳阳段大部分处于泥质板岩区内，而泥质板岩土水稳性差，不能直接用于填筑高铁路基，为此，需要对泥质板岩土进行水泥改良。根据闫国栋等[2−7]的研究成果，对于工程中应用的化学改良土，由于土内的水泥或者石灰的质量分数一般不超过10%，故土中虽然形成了石灰或者水泥凝胶网，但凝胶网并不能完全隔绝网内包裹的土颗粒团与外界接触，导致包裹的颗粒团可能会受到水的作用，故水泥或者石灰发挥的作用有限。对于水稳定性差的土，改良后也可能会受干湿循环的影响。为评价化学改良土的改良效果，需要研究干湿循环对改良土力学性质的影响。目前，针对化学改良土静力性质的干湿循环效应，通常采用无侧限抗压强度试验进行研究，而且主要针对粉土或者黏土等细粒土[1−10]，如：安爱军[1]针对水泥改良泥质板岩土、王建华等[3]针水泥改良粉土和粉质黏土、郑旭等[6]针对活性MgO固化粉土，各自进行了干湿循环条件下的无侧限抗压强度试验。无侧限抗压强度试验条件简单，但获得的参数只有无侧限抗压强度。根据无侧限抗压强度试验结果评价化学改良土力学性质的干湿循环效应显得较片面。三轴压缩试验是研究土工程力学特性的常用方法之一，由该试验可以获得弹性模量、内摩擦角和黏聚力等工程常用参数，因此，与无侧限抗压强度试验相比，根据三轴压缩试验结果评价干湿循环效应更全面也更合理，但三轴压缩试验条件比无侧限抗压强度试验条件复杂得多。三轴压缩试验包括小型三轴压缩试验和大型三轴压缩试验，前者主要用于研究细粒土，而后者主要研究粗粒土。在试验装置、制样和试验过程等方面，大型三轴压缩试验又比小型三轴压缩试验复杂很多，因此，目前针对化学改良土静力学性质的干湿循环效应，大多数研究者采用无侧限抗压强度试验开展研究，较少研究者采用小型三轴压缩试验进行研究[11]，而关于干湿循环对化学改良粗粒土静力性质影响的研究成果很少。目前，粗粒土在工程中应用越来越广，如我国高铁路基通常采用粗粒土作为填料。化学改良粗粒土能否应用于实际工程有待研究，需要评价干湿循环对化学改良粗粒土力学性质的影响。为此，本文作者针对水泥改良泥质板岩粗粒土设计了干湿循环条件下的大型静三轴压缩试验，利用试验研究改良土的弹性模量、内摩擦角和黏聚力等参数随干湿循环次数的变化规律，并分析围压和养护龄期对干湿循环效应的影响。

1 干湿循环条件下水泥改良泥质板岩粗粒土的大型静三轴压缩试验

1.1 土样

泥质板岩土样取自湖南省岳阳市区。土样颜色为褐黄色，其主要矿物成分为石英、白云母和绿泥石等。试验所用土的颗粒粒径小于40 mm，不均匀系数为28.7，曲率系数为7.4，细颗粒质量分数为5.7%。土的级配曲线见图1。按照GB/T 50145—2007“土的工程分类标准”，土样命名为级配不良的含细粒土砾。

图1 泥质板岩粗粒土级配曲线

1.2 试验设计

1.2.1 试验仪器

试验设备为中南大学的TAJ−2000大型静动三轴仪。对于静态试验，该仪器可施加的最大轴向力为 2 MN，可施加的最大围压为10 MPa，加载控制方式包括力控制和位移控制。

1.2.2 改良土样的制作

据试验仪器规格，试样为圆柱体，其直径为 300 mm，高度为600 mm。现有研究表明[12−16]：当改良土中水泥质量分数超过4%时，其力学性质一般可满足路基填筑要求。在土样中掺入质量分数为5% 的水泥(P.O32.5)，试样含水率为15%，干密度为 2.19 g/cm3。

1.2.3 试样干湿循环处理

试样的1个完整干湿循环过程应包括吸水和失水2部分[11]。由于温度、湿度和时间等均对试样的吸水和失水有重要影响，而试样的吸水量或者失水量又对其变形有重要影响，因此，试样的干湿循环过程比较复杂，目前，国内外并没有统一的干湿循环试验标 准。人们采用不同的方法对试样进行干湿循环处 理[1−3, 17−21]，如：安爱国[1]先将细粒土试样在水中浸泡2 d，然后在室内自然风干2 d，认为这是1次干湿循环；王建华等[3]首先利用自然风干使试样失水率达到30%，然后采用抽真空法使试样饱和，这2部分构成1个干湿循环；杨和平等[17]首先将土样放在强光下照射96 h，使土失水、干燥，然后将试样静置，静置 24 h后再将试样浸泡水中24 h，使土样吸水饱和，这一过程代表1次干湿循环；陈乐求等[11]认为，与细粒土不同，泥质板岩粗粒土的孔隙较大，土进行完全吸水与完全失水的过程都较短，因此，将试样泡水1 d后，再自然风干1 d，此为1次干湿循环。本文采用陈乐求等[11]提出的方法对试样进行干湿循环处理。

1.2.4 试验方法

对改良土试样进行标准养护，养护龄期设计为28，40，60，90 和180 d，共5个龄期。各个试样的干湿循环次数为14次。为考虑围压对干湿循环效应的影响，设计4个围压()：100，150，300 和500 kPa。加载时，先对试样进行等向固结，然后采用位移控制模式在试样轴向施加荷载，加荷速率为1 mm/mim。

2 试验结果及分析

2.1 干湿循环作用对轴向最大应力差的影响

2.1.1 轴向最大应力差

对于三轴压缩试验，当轴向应力差与轴向应变关系曲线到达峰值点时，表示试样刚好达到剪切破坏状态。若无峰值点，则当轴向应变达到15%时表示试样刚好达到剪切破坏状态。土剪切破坏时的轴向应力差为轴向最大应力差。根据莫尔−库仑准则，轴向最大应力差、内摩擦角和黏聚力之间满足：

干湿循环数N/次：1—0；2—3；3—10。

当龄期达到28 d时，轴向最大应力差与干湿循环次数之间的关系见图3，围压=100 kPa 时和之间的关系曲线见图4。

从图3可见：当围压为300 kPa时，干湿循环初始的轴向最大应力差为1.957 0 MPa，干湿循环14次后轴向最大应力差为1.663 5 MPa，轴向最大应力差降低15.0%。可见：随着干湿循环次数增加，轴向最大应力差不断衰减直至趋于稳定。

围压S/kPa：1—100；2—150；3—300。

标准养护龄期T/d：1—40；2—60；3—90。

从图4可看出：当养护龄期相同时，随着干湿循环次数增加，轴向最大应力差刚开始很快衰减；循环6~7次后，轴向最大应力差衰减变缓并趋于稳定。

2.1.2 围压对轴向最大应力差衰减的影响

为方便分析，以干湿循环初始时刻最大应力差、内摩擦角、黏聚力和弹性模量的数值为参考，本文统一利用衰减率这个量纲一指标对轴向最大应力差、内摩擦角、黏聚力和弹性模量的衰减进行评价，各力学参数的衰减率计算为: