淤泥水泥土变角剪切力学特性试验研究*

刘文献, 吕业锋, 杨 栋, 唐昌意, 马祖遥

(1 珠海市规划设计研究院，珠海 519000；2 珠海市建设工程质量监测站，珠海 519000)

0 引言

滨海相淤泥具有含水量高、孔隙比大、压缩性强和黏粒含量高等特点[1],其工程性质差。水泥土搅拌桩是加固海相沉积淤泥软土地基的一种有效方法,该方法设备简单、操作方便、施工速度快、成本低,已成功应用于我国东南沿海和内陆软土地区[2]。淤泥水泥土的工程性质会因其类型多样性、结构复杂性、搅拌均匀性以及外部受力环境的变化而存在明显的差异。淤泥水泥土的失稳破坏会给工程建设带来安全隐患,开展淤泥水泥土力学性能的研究尤为重要。唐昌意等[3]以洪湾典型淤泥为研究对象,分别进行了无侧限抗压试验、剪切试验、压缩试验和渗透试验,获得了淤泥水泥土各项指标之间的换算关系。张新建[4]等以洪湾市政基础设施项目为依托,进行了淤泥水泥土室内试验,获得淤泥水泥土无侧限抗压强度随养护龄期的增长规律,同时开展不同水泥掺入量的试桩及检测工作,芯样的RQD至基本在75%以上。唐昌意等[5]以珠海斗门区典型淤泥质土为研究对象,进行不同固化剂、掺入量、钻头和施工工艺的试桩工作,研究表明搅拌均匀性和固化材料是搅拌桩成桩的两个重要因素。

水泥土剪切力学特性是研究水泥土桩、墙等结构物承载和变形机理的关键。在边坡工程中,水泥土搅拌桩在其桩身质量较为薄弱的地方容易发生剪切破坏[6],造成边坡失稳,因此水泥土抗剪强度指标对软土边坡的加固至关重要。陈四利等[7]对硫酸钠溶液腐蚀后的水泥土进行了不固结排水直剪试验,结果表明,水泥土的抗剪强度随着硫酸钠溶液浓度的增加而逐步降低。贺佐跃等[8]通过三轴不固结不排水剪切试验和直剪快剪试验,对不同水泥掺入量下水泥土的抗剪强度参数进行了试验研究,结果表明,在三轴不固结不排水剪切试验中,当掺入比和龄期均相同时,峰值强度随围压线性增加,当掺入比和围压均相同时,峰值强度随龄期逐渐增加。吴章平等[9]对搅拌桩抽芯芯样进行抗压和抗剪试验,试验结果为抗剪强度为抗压强度的40%。吕业锋等[10]针对海相淤泥水泥土开展了变形特性研究,研究结果表明,弹性模量可取为无侧限抗压强度的120～150倍;弹性模量是压缩模量的9.5倍。

目前淤泥水泥土变角剪切试验研究较少。不同类型的淤泥水泥土受力状态极其复杂,其剪切破坏是在压剪条件下作用在剪切面上的剪切力达到极限平衡状态所导致的,破坏会因剪切角度的变化、黏聚力的大小以及所受正应力的大小而呈不同的特征,不同养护龄期的水泥土试块剪切破坏过程中裂纹的扩展程度也具有不同的特点。

鉴于此,本文以珠海洪湾典型淤泥为研究对象,开展了淤泥水泥土变角剪切力学试验,研究水泥掺入量、养护龄期和剪切角度等参数对淤泥水泥土力学特性的影响;并分析由淤泥水泥土室内变角剪切试验获得的剪切强度随水泥掺入量、养护龄期和剪切角度变化的变化规律,研究成果可为滨海地区水泥搅拌桩的设计以及工程事故鉴定评估提供参考。

1 试验方案及条件

1.1 淤泥采集和试块制备

本研究所用的土样取自珠海市洪湾典型海相淤泥,其物理力学特性指标见表1。由土样室内试验结果(表1)可知,该淤泥具有含水量高、孔隙比大、饱和、粘粒含量高、抗剪强度低、流塑状态等特点。

表1 淤泥物理力学特性指标

对淤泥水泥土试块进行变角剪切试验,淤泥水泥土试块共计180个,试块的标准尺寸为100mm×100mm×100mm,误差小于1%。试块各端面确保平行,试块表面凸起小于0.05mm。养护龄期分别为7、14、28、60、90d,按养护龄期的不同可各分为5组,平均每组含有36个试块;每组试块中的水泥掺入量有3种,分别为15%、20%和25%;同一水泥掺入量的淤泥水泥土试块共12个。试验过程中相同水泥掺入量的淤泥水泥土试块按剪切角度的不同各分为4个小组,每组3个试块,剪切角度分别为40°、50°、60°和70°。

1.2 试验设备及参数设置

试验加载装置为微机控制液压油伺服单轴万能压力机试验系统(图1),轴向最大载荷为1 000kN,精度为0.001kN。采用位移控制加载模式,加载速率为2.0mm/min。

图1 单轴万能压力机试验系统

1.3 变角剪切强度计算方法

变角剪切法是利用单轴万能压力机对试块施加垂直荷载,通过变角剪切工装[11-12]实现不同角度的剪切。如图2所示,通过特制的夹具使得试块沿着某一剪切面发生剪切破坏;然后通过静力学和统计学的方法求得作用在剪切面上的法向应力和剪切应力,从而绘制法向压应力和剪切应力的关系曲线,求得试块的黏聚力和内摩擦角等力学参数,进而了解试块的力学特性。

图2 试块受力情况示意图

可根据式(1)和式(2)计算试块所受的正应力和剪切力:

N-Pcosα-Pfsinα=0

(1)

Q+Pfcosα-Psinα=0

(2)

式中:P为压力机上施加的总垂直力,kN;N为作用在试块剪切面上的法向总压力,kN;Q为作用在试块剪切面上的切向总剪力,kN;f为压力机垫板下的滚珠摩擦系数,本试验f值取0;α为剪切面与水平面所成的角度。

将式(1)和式(2)分别除以剪切面积A可得:

σ=(P/A)(cosα+fsinα)

(3)

τ=(P/A)(sinα-fcosα)

(4)

式中:σ为剪切面上的法向应力,kPa;τ为剪切面上的切应力,kPa。

试块剪切试验前后对比见图3。当试块破坏时,对应每一个最大轴向力的值可以得出一组σ和τ值,进而绘制两者关系的曲线图,结合莫尔-库伦强度理论式(5)求得黏聚力c和内摩擦角φ。

图3 试块剪切试验前后对比图

τ=c+σtanφ

(5)

2 试验结果及分析

2.1 单因素条件下剪切强度变化规律

2.1.1 不同剪切角度条件下剪切强度随养护龄期的变化规律

为了分析剪切强度随养护龄期的变化规律,作不同剪切角度条件下剪切强度与养护龄期的拟合曲线,如图4所示。由图4可知,淤泥水泥土的剪切强度随着养护龄期的增长而增大,两者大致呈对数关系。

图4 不同剪切角度条件下剪切强度与养护龄期的关系曲线

不同剪切角度及水泥掺量条件下剪切强度τ与养护龄期d的换算公式如下:

τ40°,15%= 84.18lnd+231.7(R2= 0.986)

(6)

τ40°,20%= 120.9lnd+ 361.0(R2= 0.985)

(7)

τ40°,25%= 171.4lnd+ 438.3(R2= 0.956)

(8)

τ50°,15%= 59.01lnd+ 214.9(R2= 0.880)

(9)

τ50°,20%= 101.1lnd+ 353.6(R2= 0.839)

(10)

τ50°,25%= 138.1lnd+ 371.8(R2= 0.959)

(11)

τ60°,15%= 45.38lnd+ 213.1(R2= 0.815)

(12)

τ60°,20%= 62.71lnd+ 321.0(R2= 0.700)

(13)

τ60°,25%= 90.35lnd+ 394.5(R2= 0.855)

(14)

τ70°,15%= 35.50lnd+ 158.1(R2= 0.782)

(15)

τ70°,20%= 78.30lnd+ 147.3(R2= 0.644)

(16)

τ70°,25%= 100.1lnd+ 270.1(R2= 0.975)

(17)

式中R2为拟合优度。

分析不同剪切角度下的拟合优度可知,剪切角度40°时,拟合优度较高(R2均值为0.976);随着剪切角度的加大,拟合优度逐渐减低,剪切角度70°时,拟合优度较低(R2为0.800);从图4可知,出现拟合优度降低的原因主要是随着剪切角度的加大,28d和60d的剪切强度降低所致。从式(6)～(17)可以看出,当水泥掺入量为25%时,剪切角度40°、50°、60°、70°对应的拟合优度分别为0.956、0.959、0.855和0.975,说明水泥掺入量较大时剪切角度对拟合优度的影响较小,进而说明当水泥掺入量较大时,淤泥水泥土强度较高,剪切角度因素影响较小。

2.1.2 不同剪切角度条件下剪切强度随水泥掺入量的变化规律

为了分析剪切强度随水泥掺入量的变化规律,作不同剪切角度条件下剪切强度与水泥掺入量的拟合曲线,如图5所示。由图5可知,淤泥水泥土的剪切强度随着水泥掺入量的增加而增大,两者大致呈线性关系。

图5 不同剪切角度条件下剪切强度与水泥掺入量的关系

不同剪切角度及养护龄期条件下剪切强度与水泥掺入量的换算公式如式(18)～(29)所示。可见,剪切角度40°～70°时,拟合优度R2为0.953～0.999,表明剪切强度与水泥掺入量两者拟合程度较好,剪切强度τ与水泥掺入量αw呈正的线性相关性。

τ40°,7d= 37.43αw-153.5 (R2= 0.999)

(18)

τ40°,28d= 55.98αw-337.1 (R2= 0.999)

(19)

τ40°,90d= 56.72αw-222.8 (R2= 0.999)

(20)

τ50°,7d= 28.34αw-62.98 (R2= 0.973)

(21)

τ50°,28d= 46.37αw-290.9 (R2= 0.969)

(22)

τ50°,90d= 51.64αw-238.8 (R2= 0.961)

(23)

τ60°,7d= 29.79αw-135.3 (R2= 0.994)

(24)

τ60°,28d= 30.82αw-108.5 (R2= 0.993)

(25)

τ60°,90d= 40.51αw-157.5 (R2= 0.998)

(26)

τ70°,7d= 24.38αw-135.4 (R2= 0.982)

(27)

τ70°,28d= 33.17αw-257.4 (R2= 0.953)

(28)

τ70°,90d= 39.32αw-231.5 (R2= 0.985)

(29)

2.2 双因素条件下剪切强度变化规律

2.2.1 剪切强度与水泥掺入量、养护龄期的关系

为了直观分析水泥掺入量与养护龄期对剪切强度的影响规律,作不同剪切角度条件下的剪切强度与水泥掺入量、养护龄期的三维关系图,如图6所示。由图6可知,淤泥水泥土剪切强度与水泥掺入量和养护龄期呈正相关性,即淤泥水泥土剪切强度随着水泥掺入量和养护龄期的增大而增大。

2.2.2 剪切强度与剪切角度、养护龄期的关系

为了直观分析剪切角度与养护龄期对剪切强度的影响规律,作不同水泥掺入量条件下的剪切强度与剪切角度、养护龄期的三维关系图,如图7所示。由图7可知,淤泥水泥土剪切强度与剪切角度呈负相关性,与养护龄期呈正相关性,即淤泥水泥土剪切强度随剪切角度的增大而减小,随养护龄期的增大而增大。

图7 不同水泥掺入量条件下剪切强度与剪切角度、养护龄期的三维关系

2.2.3 剪切强度与剪切角度、水泥掺入量的关系

为了直观分析剪切角度与水泥掺入量对剪切强度的影响规律,作不同养护龄期条件下的剪切强度与剪切角度、水泥掺入量的三维关系图,如图8所示。由图8可知,淤泥水泥土剪切强度与剪切角度呈负相关性,与水泥掺入量呈正相关性,即淤泥水泥土剪切强度随剪切角度的增大而减小,随水泥掺入量的增大而增大。

图8 不同养护龄期条件下剪切强度与剪切角度、水泥掺入量的三维关系

综上分析可知,剪切角度较小、水泥掺入量较高、养护龄期较长时,淤泥水泥土的剪切强度较高,反之则剪切强度较低。

2.3 黏聚力与内摩擦角

通过统计试验数据获得剪切面上的正应力和切应力,根据式(5),并采用作图法拟合得到淤泥水泥土的黏聚力c和内摩擦角φ列于表2。由表2可知,内摩擦角与养护龄期、水泥掺入量无相关性,内摩擦角分布在20.3°～26.6°之间,均值23.3°。

表2 黏聚力c和内摩擦角φ统计

淤泥水泥土黏聚力与养护龄期的拟合曲线如图9所示。由图9可知,淤泥水泥土的黏聚力随着养护龄期的增大而增大,不同水泥掺入量的三条曲线大致平行。

图9 黏聚力与养护龄期的关系曲线

采用回归分析方法得到不同水泥掺量条件下黏聚力与养护龄期的换算公式,如式(30)～(32)所示。由式(30)～(32可知,黏聚力与养护龄期呈指数相关性,拟合优度R2为0.908～0.986,表明拟合程度较好。

c15%= 214.8e0.003d(R2= 0.908)

(30)

c20%= 304.3e0.005d(R2= 0.954)

(31)

c25%= 433.5e0.004d(R2= 0.986)

(32)

淤泥水泥土黏聚力与水泥掺入量的拟合曲线如图10所示。由图10可知,淤泥水泥土的黏聚力随着水泥掺入量的增大而增大。

图10 黏聚力与水泥掺入量的关系曲线

采用回归分析方法得到不同养护龄期条件下黏聚力与水泥掺入量的换算公式,如式(33)～(37)所示。由式(33)～(37)可知,黏聚力与养护龄期呈线性相关性,拟合优度R2为0.986～0.999,表明拟合程度较好。

c7d=2 204αw-113.5 (R2= 0.997)

(33)

c14d=2 326αw-124.7 (R2= 0.986)

(34)

c28d=2 629αw-157.5 (R2= 0.999)

(35)

c60d=3 017αw-203.5 (R2= 0.999)

(36)

c90d=3 402αw-186.1 (R2= 0.987)

(37)

2.4 剪切强度、黏聚力与抗压强度换算关系

剪切强度与抗压强度的换算关系如表3所示,由表3可知,水泥掺入量为15%～25%时,剪切强度与抗压强度的换算系数(剪切强度与抗压强度的比值)范围0.35～0.40,均值0.37。

表3 剪切强度与抗压强度换算关系

黏聚力与抗压强度的换算关系如表4所示。由表4可知,水泥掺入量为15%～25%时,黏聚力与抗压强度的换算系数(黏聚力与抗压强度)为0.22～0.27,均值0.24。

表4 黏聚力与抗压强度换算关系

3 结论

(1)淤泥水泥土剪切强度与养护龄期基本呈对数关系,剪切角度较小时拟合程度较好;随着剪切角度的增大,拟合程度逐步变差;在水泥掺入量为25%时,剪切角度对拟合程度影响较小;淤泥水泥土的剪切强度与水泥掺入量呈正线性相关性,拟合优度R2为0.953～0.999,拟合程度较好。

(2) 采用双因素分析淤泥水泥土剪切强度的变化规律可知,当剪切角度小、水泥掺入量高、养护龄期长时,剪切强度较高,反之则较低。

(3) 淤泥水泥土的黏聚力与养护龄期呈指数相关性,拟合优度R2为0.908～0.986,拟合程度较好。黏聚力与养护龄期呈线性相关性,拟合优度R2为0.986～0.999,拟合程度也较好。淤泥水泥土的内摩擦角与养护龄期、水泥掺入量无相关性,内摩擦角分布在20.3°～26.6°之间,均值23.3°。

(4) 水泥掺入量为15%～20%时,剪切强度与抗压强度的换算系数范围0.35～0.40,均值0.37;黏聚力与抗压强度的换算系数范围0.22～0.27,均值0.24。