固化轻质土在干湿循环及大变形条件下力学特性研究

杨爱武，姜 帅，封安坤，陈立杰，赵梦生

(1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；3.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

固化轻质土[1]是一种在土体中加入固化材料、发泡材料制备出的新型土工材料，由于其具有轻质且强度高等特点，故将其应用到路基填料工程当中能有效地解决道路不均匀沉降引起的路基失稳破坏、桥头跳车以及差异沉降等问题[2-4]。在实际工程中，路基不仅要承受本身的自重、上部覆盖的荷载以及外部加载下的变形，还要在季节更替、地震及滑坡等自然因素作用下满足力学特性的要求，因此，探究在各种环境因素影响下固化轻质土的结构性、稳定性以及耐久性是否满足工程需求是我们考虑的重点问题。

近几年，国内外学者对土体在干湿循环及大变形条件下力学特性的研究取得了一定的成果。如刘文化等[5]对干湿循环后的土体进行了试验研究，发现干湿循环对土体的影响与其本身的初始干密度有密切的关系；Guan等[6]进一步证明了在干湿循环作用后,土体的力学性质发生不可逆转的变化；梁谏杰等[7]、张祖莲等[8]研究了在干湿循环作用影响下库岸红土的抗剪强度与其微结构变化之间的内在联系，并进一步揭示了干湿循环作用与加砂红土物理力学特性变化之间的关系；张芳枝等[9]对非饱和土在干湿循环作用下的变形和强度的影响效应进行了研究；慕焕东等[10]研究得出强度随干湿循环次数的增加逐渐减小，但强度衰减的幅度也随之逐渐减小；程佳明等[11]发现固化后的黄土的抗剪强度随着干湿循环次数的增加而逐渐降低；王顺等[12]研究了不同环剪方式对残余应力的影响；TIWARI[13]、吴迪等[14]研究了在较大剪切位移下土体抗剪强度的变化规律。

然而，对于固化轻质土的研究主要集中在常规状态下的力学特性[15-19]，对干湿循环条件下力学特性的变化规律涉及相对较少，另外国内外学者对于固化轻质土在滑坡作用等大变形条件下力学特性变化规律的研究报道也较为少见，无法提供相应的理论依据。基于此，本文拟制备不同密度的固化轻质土，研究干湿循环条件下土体无侧限抗压强度变化规律及其作用机理，同时对大变形条件下土体残余强度进行了研究，以期能更好地了解固化轻质土的特性，从而为相关工程实践提供理论依据。

1 试验方案

1.1 试样制备及其基本性质

本次试验采用天津滨海新区吹填软土为原料土，固化材料为自行研制的固体粉末状固化剂(已申请专利，专利号：IB167149)，固化轻质土在标准养护条件下养护28 d后进行试验。具体的试验制备过程为：首先将土体置于烘箱内24 h，使其彻底干燥。为了提高试样的均匀性，将烘干的土粉碎过1 mm筛，然后按照试验先期设定的配比将原料土、生石灰、发泡材料、固化材料混合，搅拌均匀，待固体颗粒材料混合均匀后加入称量好的水再次搅拌均匀，随后将泥浆状的土样倒入模具中(模具在装入土样前在内壁涂凡士林，以利于后期土样达到养护期龄后脱模方便)，为了保证试样的均匀密实性，在倒入模具过程中应尽量避免黏附在模具内壁上，最后将模具顶部用打孔的有机玻璃板密封(板内侧为透气不透水薄膜，防止土样水分从孔洞流失，造成试验误差)。待土样制备完成后置入养护箱，等达到预定养护期龄后脱模进行相关试验。

试验中，定义自然发泡的固化轻质土样的密度为1.0ρ，本次试验通过压缩体积的方法控制发泡量，以制备出1.1ρ和1.2ρ的试样，其基本物性指标如表1所示。

表1 固化轻质土基本物理力学指标

1.2 干湿循环试验

1.2.1预试验

进行正式试验前，需通过预试验确定合理的干湿循环次数。预试验是对标准养护28 d、密度为1.0ρ的固化轻质土进行0～15次干湿循环试验，并在每次干湿循环后均对试样进行无侧限抗压强度试验，结果如图1所示，通过分析干湿循环次数对试样无侧限抗压强度的影响规律给定干湿循环次数的大致范围。干湿循环试验过程为：先对养护箱内取出的试样进行称重测量，然后将其放入温控养护箱(50±2 ℃)使其含水率达到25%，测量其重量后密封静置12 h，即完成脱湿过程；再将其放入真空饱和罐中进行吸湿控制，使其含水率达到95%以上，取出测其重量并密封静置12 h，即完成吸湿过程。一个干湿循环周期过程如图2所示，在试验过程中均采用土壤水分湿度测试仪测试试样在试验过程中的湿度变化。

图1 不同干湿循环次数作用下无侧限抗压强度变化曲线

图2 干湿循环过程示意图

由图1可知，随着干湿循环次数的增加，固化轻质土的无侧限抗压强度逐渐减小，当循环次数达到7次左右后，强度衰减趋势变缓，趋于稳定。根据图1结果选择循环次数为1，3，5，7，10，15次进行正式循环试验。

1.2.2试验方案

具体试验方案与预试验的步骤相同，只是在正式试验中，试样取1.0ρ，1.1ρ，1.2ρ三种不同密度的固化轻质土，其养护龄期分别取7 d，14 d，28 d，60 d，干湿循环的次数参照预试验结果选定为1，3，5，7，10，15次，具体试验方案如表2所示。

表2 固化轻质土干湿循环试验方案

1.3 环剪试验

试样为外径150 mm、内径100 mm、高30 mm的环形试样，密度为1.0ρ，1.1ρ和1.2ρ。标准养护28 d后，用SRS-150环剪仪对固化轻质土分别进行单级剪切、预剪切及多级剪切三种不同形式的环剪试验，研究其峰值强度、残余强度及变形发展规律。

(1)单级剪切试验是直接在法向应力下进行剪切，法向应力选取50，100，200，400 kPa，剪切速率为0.02 mm/min，剪切应力-位移曲线基本稳定后停止试验。

(2)预剪试验是先进行快剪，剪切速率为0.1 mm/min，若内部形成剪切面，则转为慢剪，剪切速率为0.02 mm/min，待残余强度趋于稳定后停止试验。

(3)多级剪切试验是指土样在剪切过程中，先对试样进行法向有效应力为50 kPa的单级剪切试验，待剪切应力-位移曲线基本稳定后，在此土样上继续进行100，200，400 kPa应力等级条件下的单级剪切试验。

本次试验每种情况取3组平行样进行试验，3组试样的平均值作为试验的最终结果。具体的试验方案如表3所示。

表3 固化轻质土环剪试验方案

2 试验结果与分析

2.1 干湿循环作用下固化轻质土无侧限抗压强度及其机理

干湿循环作用下固化轻质土无侧限抗压强度变化规律如图3所示。由图3可知，总体上来说，固化轻质土在干湿循环作用下强度有所下降，但不同养护龄期及密度下强度下降的速度以及强度保持稳定的时间不同，随着干湿循环次数的增加，固化轻质土的强度呈现出先减小后趋于平稳的现象。这是由于在干湿循环的作用下，土体内部易破坏的结构会迅速破坏，导致土体的强度急速下降。当循环次数达到一定时，土体内易坏结构已完全失效，此时强度完全由土体内部的稳定结构提供，而干湿循环作用对其影响较小，使得土体强度趋于稳定值。

图3 不同养护龄期固化轻质土的无侧限抗压强度与干湿循环次数的关系

在同一密度条件下，随着养护龄期的增加，固化轻质土强度的衰减程度逐渐减小且趋于稳定的时间变短。这是由于当养护龄期较短(7 d)时，土体结构还不稳定，本身含有的固化剂成分效果还未完全发挥，发泡作用形成的新的颗粒群及新结构还不稳定，易受到外界因素的影响而破坏。而土样的养护龄期较长(28 d)时，土体内部结构随着养护龄期的增加而越发稳定，抵抗干湿循环影响的能力就越强，土体在干湿循环作用下无侧限抗压强度降低的幅值减小，并且强度会更快地趋于稳定值。

对于不同的密度条件，当固化轻质土的养护龄期相同时，土体的密度越大，土体的衰减程度就越小。这是因为试样的密度越大，土体内部的固体颗粒越多，颗粒间相互作用力越大，结构性越强，抵抗干湿循环作用的能力就越强，衰减的幅度就越小。

由上述分析可得，土体强度与土结构性存在密切的联系，齐吉琳等[20]曾指出土的结构性是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间孔隙的大小、形状、排列组合及联结等综合特征，土的结构性除了包括颗粒之间的联结特征，还应包括土的骨架和孔隙的几何特征(即土颗粒和孔隙的数量、大小、形状和分布等)。为了更好地研究固化轻质土无侧限抗压强度与微观结构之间的关系，本文开展了不同密度的固化轻质土孔隙率随养护龄期及干湿循环次数变化的研究，具体成果如图4所示。

由图4可以看出，随着干湿循环次数的增加，土体孔隙率呈现出先迅速增大后趋于平缓的趋势。这是因为在干湿循环过程中，土体脱水后会产生微裂缝，而在随后的吸水过程中由于结合水溶剂膜的锲入使得原结构发生破坏，土体内部的孔隙变大，甚至出现内部孔隙贯通现象，这种现象在干湿循环进行的初级阶段(第1，3次)最为明显。而在干湿循环5次以后，土体内孔隙基本贯通，结构性变化不大，因此孔隙增大速率趋于变缓。

不同养护龄期的固化轻质土孔隙变化也略有不同。养护龄期为7 d的土样，由于养护龄期较短，颗粒之间较松散，内部结构还不稳定，孔隙变化较大，变化率为15%～20%。随着养护龄期增长，固化效果增强，颗粒间的结构性随之增长，抵抗干湿循环影响的能力逐渐增强，随之孔隙增大的速率减小，变化率为10%左右。对于同种养护龄期的土样，密度越大，孔隙率变化越小。这是因为密度大的土样在养护完成时，孔隙率就相对较小，颗粒间接触紧密，结构性较强，具有较好的抵抗干湿循环破坏作用的能力。

图4 不同养护龄期固化轻质土孔隙率与干湿循环次数关系

综上所述，干湿循环作用导致土体内部孔隙率增大也是导致土体强度降低的原因，并且土样的养护龄期越短、密度越小，其结构越不稳定，强度受干湿循环影响越明显。

2.2 不同剪切方式下残余抗剪强度特性

大变形环剪试验中，在单级剪切、预剪切和多级剪切方式下不同密度固化轻质土的应力-应变曲线如图5所示。

由图5可知，在剪切试验初期，剪切应力迅速增加并很快达到峰值，但随剪切位移的继续增加，剪切应力出现明显的衰减趋势，而后趋于平缓。在单级剪切试验中，此时的强度即为残余抗剪强度。但在预剪切试验中，土体的残余抗剪强度还与剪切速率有关。在预剪初期阶段，剪切速率相对较快，剪切面形成明显的剪胀现象，导致土样颗粒上的有效应力增大，因此使得土体的残余抗剪强度大于单剪试验下的残余抗剪强度。对于多级剪切试验而言，尽管在改变法向应力阶段，土体的抗剪强度会降低(这是由于在完成上一级(50 kPa)试验后，剪切位移不发生变化，土体内部颗粒之间的摩擦会减少，使其抗剪强度降低)，但当试验进入下一阶段(100 kPa)，土颗粒之间的摩擦作用会随剪切位移的增大而有较大的提高，剪应力会迅速增大到残余强度。另外，土体在低有效应力作用下发生沉降，使其密度增大，这也增大了土体的抗剪强度。因此，多级剪的残余抗剪强度略大于单剪和预剪的残余抗剪强度。

图5 不同密度固化轻质土不同剪切试验下的τ-s曲线

不同密度固化轻质土的残余强度随着密度的增大而增大。这是因为密度越大，相同体积内固化轻质土颗粒群组越多，颗粒之间的摩擦力与黏聚力也就越大，并且随着密度增大，土体达到残余强度值所需要的剪切位移减小，残余剪切强度值与剪切应力峰值之间的差距也会随之减小。

对于同种密度固化轻质土，法向有效应力的逐级增大使得土体的轴向应力变大，增大了土体的密实度，因此，土体达到残余强度值的剪切位移就会越小，且残余强度值越接近初期峰值剪应力。

根据剪切试验的应力-应变曲线可知，固化轻质土残余抗剪强度的大小与剪切方式有密切的关系。本文根据抗剪强度公式(1)，对数据进行处理，求得不同剪切方式下固化轻质土的黏聚力c和内摩擦角φ(表4)。

τf=c+σtgφ

(1)

式中：τf——土的抗剪强度；

σ——破坏面上的法向应力；

c，φ——土的黏聚力和内摩擦角。

表4 不同密度固化轻质土在不同剪切方式下残余强度c，φ

由表4可知，同种密度的土样在单剪、预剪及多剪三种不同方式的剪切试验中，黏聚力依次减小，而内摩擦角依次增大，这是由于土样受到扰动次数增加，使剪切变形增大，土体内部结构破坏更为严重，颗粒间出现错位、移动，导致黏聚力下降。同时，颗粒间的移动使得颗粒群变小、分散，相同体积内的颗粒数目增多，内摩擦角变大。相同作用条件下，单级剪切作用土样的黏聚力值最大，预剪试验次之，单级剪切最小，而内摩擦角的变化则呈相反趋势。密度越大的固化轻质土，黏聚力减小以及内摩擦角增大的趋势都变缓，这是因为，土体本身内部颗粒群组的数量随着密度的增大而增多，颗粒之间的固化效果和黏聚力也随着密度的增大而更加稳定。

3 结论

(1)在干湿循环试验中，固化轻质土的强度随干湿循环次数的增加先降低后趋于稳定。养护龄期越长，强度越高，土体强度衰减的趋势越缓；同龄期的情况下，密度大的土样稳定性能较好，抵抗干湿循环的能力较强。

(2)干湿循环作用对孔隙率的影响与强度相反，养护龄期越短，土体抵抗破坏能力越差，孔隙率增大越明显，土体趋于稳定所需要的时间越长；而在相同养护龄期的情况下，固化轻质土的密度越大，孔隙率的变化越小，土体的稳定性越强。

(3)在环剪试验中，固化轻质土的残余抗剪强度与密度及有效法向应力成正比，与位移成反比；通过对不同剪切方式下应力-应变曲线的分析，当优先选择单级剪切试验测试固化轻质土的残余强度。