粉煤灰-石灰改良黄土与压实黄土强度特性对比分析

张 玉， 何 晖， 曾志英， 刘 瑾， 丁 潇， 杨 倩

(1. 西安工业大学建筑工程学院， 西安 710032; 2.西安理工大学, 陕西省黄土力学与工程重点实验室， 西安 710048)

黄土是典型的结构性土，具有大孔隙、竖向裂隙发育、可溶盐含量高、湿陷性等特点[1]。黄土工程灾害的质是在外部荷载及环境改变时，黄土颗粒间的大孔隙塌落，颗粒间可溶盐溶解，使黄土产生湿陷变形或剪切破坏。在兰州新区、延安新区的修建、高填方路基及高填方机场等实际黄土工程中，存在大量的填方工程问题及湿陷性土层上的工程建设问题，针对黄土特殊的结构，对其进行相应的处理，以破坏大孔隙和消除竖向裂隙可提高黄土的强度与稳定性，预防事故的发生。压实和改良是两种行之有效的手段，经压实或改良后的黄土，其固、液、气三相组成，黄土颗粒的排列与组合，颗粒之间的胶结状态等均发生了变化，使得压实与改良黄土在强度、变形特性等方面的研究具有特殊性与复杂性[2-4]。目前，对于压实黄土的研究成果较多[5-9]，主要集中在强度特性、变形特性、渗透特性、动力特性和压实度对其力学特性的影响及考虑干湿循环和冻融作用影响方面。改良黄土是通过在黄土中掺入石灰、粉煤灰、水泥、固化剂和凝胶材料等，通过黄土颗粒及粒间胶结物在空气与水作用下，与掺合料发生一系列反应来改变黄土的大孔隙、竖向裂隙及颗粒之间的联结方式，提高其强度和稳定性，从而满足工程建设的需求。对改良黄土的研究主要集中在单掺入料改良[10-14]和多掺入料联合改良[15-17]，开展了掺量、龄期、含水率和压实度等对改良黄土的强度、变形、压缩、湿陷、抗冻融及动力特性等方面的研究，揭示了改良机理并取得了一定的成果。以上研究结果对于黄土工程应用提供了一定的理论与试验依据，但改良黄土与压实黄土在力学特性上的差异研究还有待深入，因此，在前人研究的基础上，全面、系统地开展压实黄土和粉煤灰-石灰改良黄土的物理及力学特性研究，揭示改良黄土与压实黄土的应力-应变演化规律及强度特性的差异，对于西北地区黄土工程建设具有积极意义。

1 试验土样及方案

试验取土地点为西安南郊月登阁村附近。取样时为原状土，依据原状土样取法，取土深度为地表下5～6 m处，属于晚更期形成的Q3马兰黄土，土样呈黄褐色，局部有细小虫孔，偶然胶结物结块，少见碎小石块及蜗牛壳。采样时通过现场探坑，避免对土样的扰动，保持原有沉积结构切削采取，土样块用黑色塑料薄膜包裹，注明取土深度、时间和地点等，并用胶带纸裹紧，避免水分的逸出，提高土块样整体性。衬垫减振材料后，装箱运回实验室。

1.1 试验土样物理性质指标

原状黄土的基本物理性质指标为：比重2.71，干密度1.37 g/cm3，天然含水率21.2%，液限31.26%，塑限21.07%，孔隙比1.02。粉煤灰物理性质指标为：比重2.71，有效直径0.05 mm，不均匀系数10.3，曲率系数1.52，颗粒组成小于0.005 mm(占12%)、0.005～0.075 mm(占65%)、0.075～2 mm(占23%)。石灰采用生石灰。

研究所用试样均为重塑压制试样，重塑样制样完成后，通过滴定和风干法得到设计含水率，并在保湿缸中养护2 d后再进行试验。为了便于进行素黄土和改良黄土进行对比，依据素黄土击实试验结果，控制两种土样最大干密度均为1.68 g/cm3；已有混合料配比的研究结果表明，石灰、粉煤灰和黄土掺量为1∶2∶7的配比方案最优，故研究采用此配比。

1.2 试验仪器及试验方案

试验采用TSZ-3型应变控制式三轴剪切仪，对所有土样进行固结排水试验。

研究共完成了3个含水率(w)为16%、20%和24%条件下压实黄土与粉煤灰-石灰改良黄土在3个压实度(K)分别为85%、90%和95%，4个固结围压50、100、200、300 kPa下的三轴剪切试验。当轴向应变量达到15%时，结束试验。由于影响因素过多，且各含水率条件下的规律一致，只取含水率为20%、3个压实度、4个固结围压，共计24个试样的结果进行对比分析。

2 应力-应变关系

2.1 压实黄土应力-应变关系

2.1.1 固结围压对压实黄土应力-应变关系的影响

依据压实黄土常规三轴加载试验测试结果，同一压实度(K)黄土在不同固结围压条件下主应力差(σ1-σ3)与竖向应变(ε1)之间的关系如图1所示。

图1 同一压实度下不同固结围压时压实黄土应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of compacted losses at different confining pressures under the same compactness

从图1可以看出，同一压实度、不同围压条件下的应力-应变曲线均为应变硬化型，随着竖向应变的增大，主应力差呈非线性增长，可用双曲线描述。同一压实度条件下，固结围压越大，应力-应变曲线越高，土的强度越大，规律性强。由于压实黄土的原生结构已遭到破坏，重塑后强度大小取决于次生结构强度的增长情况。固结围压小时(σ3c=50、100 kPa)，已形成的次生结构强度基本可以承受固结压力作用，而不产生变形，土不能被进一步挤密，固结围压对强度的影响就较小，宏观上表现为应力-应变曲线高低相差较小；而较大的固结围压可以促使土颗粒再次被压密，次生结构强度继续增长，表现同一竖向应变条件下承受的竖向应力越大。固结围压对压实黄土的强度影响显著。

2.1.2 压实度对压实黄土应力-应变关系的影响

压实黄土在同一固结围压、不同压实度条件下主应力差(σ1-σ3)与竖向应变(ε1)之间的关系曲线如图2所示。

图2 同一固结围压不同压实度时压实黄土应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of compacted losses at different compactness under the same confining pressures

分析图2可知，压实度对压实黄土的强度也有较大影响。压实度越高，达到同一竖向应变时所需的应力就越大，应力-应变曲线越陡，压实黄土的强度越高。固结围压较小时，压实度的变化对土强度的影响较大，随着固结围压的增大，压实度对土强度的影响在不断减弱。对压实黄土而言，压实度对其强度的影响与固结围压的大小密切相关。低固结围压条件下，压实度的增大可促使土颗粒的重新排列组合，有效提高压实土次生结构强度，宏观上表现为应力-应变曲线差异显著；高固结围压条件下，压实黄土的次生结构已基本形成，压实度的增大已不能对次生结构强度的增大产生较大影响，因此表现为应力-应变曲线高低差异较小。

从图1和图2可以看出，压实黄土的应力-应变曲线均为硬化型，可用双曲线描述，属于塑性渐进破坏。压实黄土的强度随着固结围压和压实度的增大而显著增大，两者之间的耦合关系共同决定压实黄土强度的大小。

2.2 粉煤灰-石灰改良黄土应力-应变关系

2.2.1 固结围压对改良黄土应力-应变关系的影响

同一压实度改良黄土在不同固结围压条件下主应力差(σ1-σ3)与竖向应变(ε1)之间的关系如图3所示。

图3 同一压实度不同固结围压时改良黄土应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of improved losses at different confining pressures under the same compactness

分析图3可知，改良黄土的应力-应变曲线在低压实度、高固结围压条件下为呈理想塑性，呈双曲线型外，其余各条件下的应力-应变曲线均为应变软化型，其应力-应变演化关系与压实黄土不同。固结围压对改良土的强度影响较大，固结围压越大，应力-应变曲线越陡，达到同一竖向应变时可抵抗的外部荷载就越大，土的强度越大。试验过程中，围压越大，能提供的侧向约束越大，土的强度增长就越快。压实度较低时(K=85%)，固结围压对应力-应变曲线高低影响较大，随着压实度的增大，固结围压对应力-应变曲线的影响不断减弱，当压实度K=95%时，低固结围压条件下，同一竖向应变所对应的主应力差变化较小。固结围压对改良黄土应力-应变曲线关系的影响与压实度密切相关。

2.2.2 压实度对改良黄土应力-应变关系的影响

同一固结围压改良黄土在不同压实度条件下主应力差(σ1-σ3)与竖向应变(ε1)之间的关系如图4所示。

图4 同一固结围压不同压实度时改良黄土应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of improved losses at different compactness under the same confining pressures

分析图4可知，压实度对改良黄土的强度有较大影响，压实度越大，应力-应变曲线越高，压实度对土强度的提高作用越明显。压实度的增大使得土颗粒间的孔隙减小，土体越密实，改良黄土颗粒间的联结作用得到增强，颗粒之间的挤密也使得摩擦效应有所增强，从整体上提高了土的抗剪强度。压实度对土强度的影响和固结围压密切相关。固结围压均较大时(σ3c=300 kPa)，压实度对土残余强度的影响较小，但对峰值强度的影响较大；固结围压均较小时，压实度对土强度差异的影响性较大。较大的围压固结时，使土次生结构强度的增长远大于即有结构的损伤，使土在剪切开始时更加密实，从而已经很大程度上提高了土的强度，因此，当压实度发生改变时，压实度的影响要小于固结围压对土强度的提高程度，故而宏观上表现为对土残余强度的影响较小；小围压条件下改良黄土的即有结构强度足以抵抗较小初始围压的影响，小围压对强度的增强作用不明显，此时，压实度的增大对土的压密性影响越大，从而提高土的抗剪强度。

由图3、图4可知，固结围压和压实度均对改良黄土的抗剪强度有较大影响。单因素条件下，固结围压越大土的抗剪强度越大、压实度越高土的强度亦较大，反之亦然。但两个因素对土强度的影响不是独立的，两因素的耦合共同决定着土的抗剪强度的大小，固结围压较小、压实度较小时，应力应变曲线多呈理想塑性，可用双曲线描述，呈渐进塑性破坏；固结围压和压实度较大时，应力-应变曲线多呈应变软化型，均具有峰值强度，属脆性破坏。改良黄土的应力应变曲线大多呈应变软化型，以脆性破坏为主。

2.3 改良黄土与压实黄土应力-应变关系对比

2.3.1 同一压实度、不同围压条件下应力-应变关系对比

分别整理改良黄土和压实黄土同一压实度、不同固结围压的应力-应变关系，如图5所示。

图5 同一压实度不同固结围压时两种土应力-应变曲线对比Fig.5 Stress-strain curves of two kinds of losses at different confining pressures under the same compactness

从图5可以看出，压实黄土与改良黄土的应力-应变演化关系完全不同，决定了两者的破坏形式也不相同。改良黄土的应力-应变曲线基本为应变软化型，在3%～5%达到峰值强度，属于脆性破坏；压实黄土全部为应变硬化型，可用双曲线描述，属于塑性渐进破坏。各个压实度、同一固结围压条件下，改良黄土的曲线均高于压实黄土，达到同一竖向应变时，改良黄土能承受的外部荷载更大，强度更高。

2.3.2 同一围压、不同压实度条件下应力-应变关系曲线对比

分别整理改良黄土和压实黄土同一固结围压条件下不同压实度的应力-应变曲线关系，如图6所示。

图6 同一固结围压不同压实度时两种土应力-应变曲线对比Fig.6 Stress-strain curves of two kinds of losses at different compactness under the same confining pressures

从图6可以看出，各种条件下，改良黄土的应力-应变曲线均高于压实黄土，改良黄土的强度更大。进一步分析图5、图6可知，改良黄土应力-应变曲线的初始切线斜率均远大于压实黄土，初始切线斜率越大，土的剪切模量越大，表明改良黄土的强度发挥较快，在竖向应变3%～5%达到峰值强度，而压实黄土的强度随着剪切变形的发展不断发挥，直至达到试验终止条件。由于压实黄土消除了原状黄土所具有的大孔隙和竖向裂隙，在压实过程中，土颗粒分布更为均匀，随着外荷载的增加，土颗粒不断被挤密，土的强度逐步增大；改良黄土中粉煤灰、石灰的加入，在水分及空气作用下产生的一系列物理、化学反应，所生产的结晶物大大增强了黄土颗粒见的黏结作用，且成为黄土强度的主要贡献部分，具有较强的初始结构强度，因此，在外荷载作用下，剪切初期强度增长很快，表现为初始切线斜率很大，随着外荷载的增加，颗粒之间的黏结作用不断被破坏，颗粒开始发生错动和翻转，变形不断发展，剪切带从内部开始出现，直到达到峰值强度，随后，剪切带不断发展、贯通，土体发生破坏。

压实黄土与改良黄土的应力应变演化规律差异较大，压实黄土属于应变硬化型，以渐进塑性破坏为主；改良黄土以应变软化型为主，主要呈现脆性破坏。这也说明，对于改良黄土而言，其破坏应变应取峰值强度所对应的应变，防止工程上发生突然的脆性破坏；对于改良黄土，其破坏应变应按照土工试验规程选取，其破坏方式属于渐进的塑性破坏。这两种应力-应变演化方式及破坏形态的差异在实际工程中应引起注意。

3 强度特性

3.1 压实黄土强度破坏特性

3.1.1 压实黄土强度破坏的应力条件

含水率为20%的压实黄土在不同压实度破坏时的剪应力-正应力(q-p)关系曲线如图7所示。

图7 压实度对压实黄土q-p破坏线影响(w=20%)Fig.7 The influence of compactness on p-q failure line of compactel losses (w=20%)

从图7中可以看出，压实黄土破坏时的广义剪应力随着平均正应力的增大而增大，强度破坏线可近似描述为线性关系；压实度对改良黄土破坏时的剪应力影响显著，压实度越高，土体越密实，同样的平均正应力状态下，破坏时剪应力就越大。

3.1.2 压实黄土强度参数变化规律

依据常规三轴条件下强度包线，整理同一压实度条件下的强度参数，可得到黏聚力(c)和内摩擦角(φ)随压实度的变化规律如图8所示。

图8 压实黄土强度参数随压实度变化Fig.8 The change law between strength parameters and compactness of compacted loess

从图8可以看出，压实度对黏聚力影响较大，随着压实度增大，黏聚力线性增大；压实度对压实黄土的内摩擦角影响不大。因此，压实度主要通过影响黏聚力大小来影响土的强度。

3.2 改良黄土强度破坏特性

3.2.1 改良黄土强度破坏的应力条件

含水率为20%的改良黄土在不同压实度破坏时的q-p关系曲线如图9所示。

图9 压实度对改良黄土q-p破坏线影响Fig.9 The influence of compactness on p-q failure line of improved losses

从图9中可以看出，改良黄土破坏时的q-p关系曲线规律与压实黄土相似。广义剪应力随着平均正应力的增大而线性增大；随着压实度增大，破坏时剪应力增大。压实度为85%和90%时，q-p破坏线的差异较小。

3.2.2 改良黄土强度参数变化规律

不同压实度条件下改良黄土的强度指标黏聚力(c)和内摩擦角(φ)随压实度的变化曲线如图10所示。

图10 改良黄土强度参数随压实度变化Fig.10 The change law between strength parameters and compactness of improved loess

从图10可以看出，压实度对土的强度影响显著，压实度越大，黏聚力越大，呈线性增大关系，规律性强；压实度的增大，对改良黄土的内摩擦角影响较小，随着压实度增大，内摩擦角的增大幅度在3°～5°之间。压实度的增大对改良黄土强度的提升主要是增大了黏聚力。

3.3 改良黄土与压实黄土强度破坏特性对比

3.3.1 强度破坏的应力条件对比

含水率为20%的压实黄土与改良黄土在不同压实度条件下破坏时刻的p-q曲线，如图11所示。

图11 压实黄土与改良黄土p-q曲线对比Fig.11 Comparison of p-q curves between compacted loess and improved loess

从图11可以看出，两种黄土的强度破坏线均可用直线描述，破坏剪应力随着平均正应力线性增大。压实度越大，p-q破坏线越高，同一压实度条件下，改良黄土的p-q破坏线更高，改良黄土强度更大。

3.3.2 强度参数对比

不同压实度条件下的改良黄土与压实黄土的强度参数，将其进行对比分析，结果如图12、图13所示。

从图12、图13可以看出，改良黄土的黏聚力值均远大于压实黄土；改良黄土的内摩擦角略微大于压实黄土，改良黄土的强度增长较大。粉煤灰、石灰颗粒更小，经粉煤灰、石灰改良后黄土经压实形成致密的混合结构，其初始的结构强度较未经改良的压实黄土要大。因此，宏观上表现为改良黄土的黏聚力远大于同等条件下的压实黄土。黄土在重塑压实之前，已经将大颗粒筛除，在压实作用下，颗粒之间的棱角已被压碎或挤密，因此，改良黄土和压实黄土的内摩擦角相差不大。

黄土工程灾害的本质原因在于天然黄土所具有的大孔隙、垂直节理发育和特殊的微结构，压实后的黄土消除了颗粒间的大孔隙和原生的垂直节理，改变了其原生结构形态，最终形成了性质稳定的次生结构，从而提高了黄土的强度。以石灰和粉煤灰为掺合料的改良黄土，在具有压实黄土优势的基础之上，使其成为一种水硬性混合材料， 在水分和空气作用下，粉煤灰和石灰中的大量活性氢氧化钙、二氧化硅 、氧化铝、氧化铁及氧化钙等物质与土中水分和空气通过离子交换作用、结晶作用、碳酸化反应、火山灰与硅酸化反应等发生一系列物理和化学反应，生成一系列不溶于水的水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化碳铝酸钙及水化铁酸钙等胶结稳定结晶生成物，这种结晶生成物使黄土颗粒胶结在一起，并不断硬化，形成较大的团粒结构，大大增强了改良黄土颗粒间的黏结特性，这是改良黄土的强度高于压实黄土的内在原因，也说明了改良黄土主要通过提高黏结强度来增强土的强度，对摩擦强度的提升不明显，在试验结果中也得到了验证。

图12 压实黄土与改良黄土黏聚力差异Fig.12 Comparison of cohesion between improved loess and compacted loess

图13 压实黄土与改良黄土内摩擦角差异Fig.13 Comparison of internal friction angle between improved loess and compacted loess

4 破坏形式

黄土的破坏形态对于进一步揭示改良黄土的强度和变形特性，认识和分析填方压实类黄土工程的破坏方式有着重要的作用。

4.1 压实黄土破坏形式

压实黄土试样的破坏方式可归纳为剪缩侧胀破坏，破坏方式如图14所示。

图14 竖向加载时压实黄土破坏照片Fig.14 Photos after failure under vertical loading of compacted loess

从图14可以看出，压实黄土在竖向荷载作用下，侧向土样被挤出，呈现出明显的侧胀破坏。竖向加载过程中，侧向变形不断发展，土的强度逐步发挥，直到侧向变形快速增长而导致剪切侧胀破坏，属于渐进破坏过程，这也与试验中所揭示的应力-应变曲线关系相吻合。在此类工程中要注意侧向变形过大而导致的侧向挤出破坏。

4.2 改良黄土破坏形式

通过对改良黄土压实试样破坏方式的分析可以发现，在常规三轴加载条件下的破坏形态可归纳为脆性滑移破坏，破坏方式如图15所示。

图15 竖向加载时改良黄土破坏照片Fig.15 Photos after failure under vertical loading of improved loess

从图15中可以看出，常规三轴竖向加载条件下，改良黄土破坏时轴向压缩明显，在大、小主应力作用面出现破坏轨迹，呈“/”型剪切带破坏与摩尔库伦强度准则的破坏面基本相符。由于粉煤灰-石灰改良后的压实黄土，消除了黄土颗粒间的大孔隙和原有结构的竖向裂隙，粉煤灰、石灰与黄土颗粒间的黏性胶结物颗粒，在水分及空气作用下发生了一系列的物理和化学反应，在黄土颗粒间形成了新的结晶水合物，使得黄土颗粒间的黏结强度得到了大大的提升，同时使得黄土结构更加的致密，改良土强度更高，在外荷载下抵抗变形的能力也更高。随着竖向荷载的增大，改良黄土内部出现应力集中，开始出现剪切屈服，结构开始出现裂隙；随着剪切过程的发展，改良土结构内的裂隙不断扩展，压剪屈服后塑性变形发展迅速，最终裂隙贯通，导致土体破坏。在加载试验中，应力-应力关系曲线表现为应变硬化型亦表明，改良黄土屈服后，达到峰值强度，竖向变形发展迅速，宏观上表现为剪切带的贯通，土体破坏，对改良黄土而言，屈服即意味着破坏。这种现象在工程上应引起注意。

5 结论

(1)改良黄土的应力-应变曲线基本为应变软化型，在3%～5%达到峰值强度，属于脆性破坏；压实黄土全部为应变硬化型，可用双曲线描述，属于塑性渐进破坏，两者应力-应变演化规律完全不同，破坏形式也不相同。

(2)固结围压和压实度均会对压实和改良黄土的强度产生较大影响，均为正相关，两者之间的耦合关系共同决定黄土的强度。

(3)改良黄土的应力-应变曲线均高于压实黄土，改良黄土的强度更大。对于改良黄土而言，其破坏应变应取峰值强度所对应的应变，防止工程上发生突然的脆性破坏；对于改良黄土，其破坏应变应按照土工试验规程选取，其破坏方式属于渐进的塑性破坏。

(4)改良黄土的黏聚力值均远大于压实黄土，改良黄土的内摩擦角略微大于压实黄土；改良黄土在剪切前期强度增长较大，压实黄土的强度随着剪切变形的发展逐步发挥。

(5)压实黄土试样的破坏方式可归纳为剪缩侧胀破坏，改良黄土的破坏形态可归纳为脆性滑移破坏。