室内粉质黏土结构性的人工制备及其实验研究★

朱建明，刘 麟，任瑞乐，王柳茜，邵 坤

(华北科技学院安全工程学院,北京 101601)

土的结构性是指土在长期沉积过程中表现出的特性,其存在对土产生附加的强度,对土体力学特性的研究有着重要的意义[1]。在开挖土体时,不可避免要对原状土产生扰动作用,其结构性遭到了破坏。而在实验室的土工试验中,普遍采用人工制备的重塑土作为试验对象,并未充分考虑原状土的结构性影响,因此开展室内人工制备结构性土的试验研究具有十分重要的意义[2-5]。在人工制备结构性土的方法研究中,国内外学者对室内的结构性土的制备方法进行了研究,并提出了一些有效方法[6-8]。其中采用加入少量水泥和食盐构造多组结构性强弱不同的方法来制备人工结构性土效果较好[9]。本文开展的人工制备方法也主要采用加入少量水泥和食盐构造多组结构性强弱不同的方法来模拟土的结构性,室内实验的土样来自苏州市城市轨道交通S1线路在穿越阳澄湖底部遇到的粉质黏土。通过对最佳水泥含量的结构性土进行力学实验分析,为后期的施工参数确定提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

苏州市城市轨道交通S1线路由于属于首次穿越该地区,需要对该穿越区域的粉质黏土开展室内力学实验就显得十分必要。本文研究主要是针对从工业园区夷亭路站开始,经园区到昆山,止于昆山花桥站,全长41.27 km,该线路均为地下线,共设站28座,S1线在夷亭路站与苏州轨道交通3号线衔接换乘,在花桥站与上海轨道交通11号线衔接换乘。

1.2 工程地质

渔家灯火站—阳澄湖南站区间盾构掘进主要涉及第④1层、④2层、⑤1层、⑦1层,上述区间地层特征表见表1。

表1 渔家灯火站—阳澄湖南站区间地层特征表

本次勘察所采集的原状土样除进行了常规力学试验,还进行了无侧限抗压强度、三轴CU剪切试验,根据各工程地质层划分结果,各土层的三轴指标见表1。

2 室内实验土样制备

2.1 盾构穿越范围内的土层分析

S1线阳澄湖地区盾构穿越范围内的主要土层有:②y淤泥质粉质黏土、③3粉土夹粉砂层、④2粉砂夹粉土、⑤1粉质黏土,综合围岩分级皆为Ⅵ级。各土层对盾构施工影响分析见表2。

表2 盾构施工影响土层分析

2.2 现场土样提取与室内试件制备

用取土袋去施工现场盾构机的出渣口取下5 kg左右的粉质黏土,在密封干燥环境处保存,取土当天先做土样的界限含水率试验,将塑限、液限算出。剩下的土制成计算好配比的土样为三轴试验做准备。实验室所采用的制样模具尺寸按照《土工实验规程》中规定高为8 cm,直径为3.91 cm,经计算试样的体积为96 cm3,所取苏州粉质黏土的密度为1.82 g/cm3,孔隙比为1.054,需制备出包含三种水泥配比共9组试样。

1)土样前期处理。将从现场取得的土样放入烘干箱中,在105 ℃的温度下烘干水分,待24 h后取出,得到的是坚硬块状的土体。用橡胶锤把土块砸碎,过0.5 mm筛后得到较为细小的土颗粒。

2)室内人工结构性土的制备。根据现有土样条件进行室内结构性土样制备,主要包括以下几个步骤:

a.添加水泥和食盐恢复原状土的结构性。试验所使用的胶结添加剂为普通硅酸盐水泥,添加的水泥含量(质量分数)依次为水泥与土颗粒总质量比值的0%,1%,2%,5%,还原孔隙则通过在土中添加食用盐,并在后期利用水流来溶解并将其带出土体,由食用盐碾碎并过0.5 mm的筛子,放入盆中备用。在试样中,盐粒占总质量的10%。整体制备过程中,保证土颗粒与水泥质量的总和不变,具体人工制备土样的配比如下:

0%水泥质量分数试样制样配比:

m(土)=135.072 g;m(水泥)=0 g;m(盐)=13.5 g。

1%水泥质量分数试样制样配比:

m(土)=133.735 g;m(水泥)=1.34 g;m(盐)=13.5 g。

2%水泥质量分数试样制样配比:

m(土)=132.423 g;m(水泥)=2.64 g;m(盐)=13.5 g。

5%水泥质量分数试样制样配比:

m(土)=128.640 g;m(水泥)=6.43 g;m(盐)=13.5 g。

b.采用干粉制样法替代传统的湿式制样方法。“干粉制样法”即将筛好的土样直接倒入饱和器中进行击实操作,这种方法的优点就是能保证土样中盐粒的完整度,以免影响后期对孔隙的还原程度[10]。并保证干燥的粉末在击实后不会从饱和器中脱落。具体要求在击实过程中,按照固定的配比将土、水泥、食盐放入烧杯中均匀搅拌,以保证水泥与盐粒的均匀分布。在击实前先将饱和器底座上放置一片湿滤纸,把所得混合物分多次倒入土壤饱和器中,少量多次击实,尽量降低由于击实所带来的各向异性的干扰,以保证试样最后的完整性。然后将制作好的干式试样放入到真空饱和器中进行饱和,控制抽气时间,并在抽气结束后将真空饱和器内徐徐注入水,在充分饱和后,将试样放入流水中,利用流水的作用将饱和器中的盐分带出试样,从而保证制作的室内土样符合原状土的结构性。图1表示采用干粉制样法与传统湿式的对比效果。

3 室内结构性土最佳配比的确定

3.1 粉质黏土液塑限测定结果

对现场取得的土样,按照液塑限测定实验的实验要求,得出苏州阳澄湖地区的粉质黏土液塑限测定结果见表3。

表3 苏州阳澄湖土样液塑限测定

苏州阳澄湖粉质黏土Ip=15,IL=1。根据粉质黏土定塑性指数范围在10～17之间,可验证苏州地区所实验的土体对象是粉质黏土。

3.2 粉质黏土的三轴固结实验

根据现场土体的受力情况,室内三轴实验选择固结不排水剪切(CU)实验。通过设定的固结试验的参数后,点击开始试验,待固结稳定后关闭排水阀门,再施加竖向压力,使试样在不排水的条件下剪切破坏,剪切阶段测量的参数有主应力差、轴向变形、孔隙水压力。记录上述数据,并绘制主应力差与轴向应变的关系曲线、有效应力比与轴向应变的关系曲线。

3.3 结构性土最佳水泥配比的确定

根据前面提到的实验原则,为了很好地在室内模拟土的结构性,本文采用加入少量水泥和食盐构造多组结构性强弱不同的方法来模拟制备人工结构性土的方法模拟土的结构性,由于只考虑结构性土的强度指标,因此这里设定食盐含量保持不变。对于土的强度而言,随着水泥含量的增加,在相同固结围压下试样的破坏现象也越来越明显,表明试样随着水泥含量的增加而变脆,因此设置水泥含量(质量分数)为5%,否则模拟土的结构性就失去意义,并考虑主应力差和轴向变形的关系能较好地体现土的力学特征。图2为不同水泥配比下室内实验土样的c,φ值的关系。

通过依次增加水泥含量,实验后求出重塑结构性土的物理指标与原位试验对比,误差不超过10%的一组被认为最接近原状土的水泥配比。试验结果表明当苏州土中水泥含量(质量分数)为1%时,所制人工结构性土强度与原状土的强度相接近。因此可以确定其室内人工制备的结构性土的最佳配比应确定为1%,对比结果见表4。

表4 重塑结构性土与原位试验参数数据对比

4 室内结构性土的力学特性分析

根据之前所得出的最佳配比,针对1%水泥含量的结构性土进行分析,通过实验数据对比分析,所得实验结果如下所示。

4.1 不同围压下室内结构性土的力学关系

不同围压下(1%水泥配比)σ1-σ3与ε的关系图见图3。

从图3中可看出,当水泥配比不变时,随着围压的增强,在固结过程中土会被压密。而且围压越高,土的固结程度就会越高,相应的土的先期固结压力就会越大。在之后的不排水剪切过程中,随着试样的不断剪切,土体也在不断地变形。而且相应的固结围压越大,其剪切屈服应力会越高,土的变形也越不明显。在同一种结构性土中,随着围压的增高,固结程度也在增加,土的抗剪强度也会相应的增加。

4.2 有效应力比与轴向变形的关系

有效应力比与轴向变形的关系如图4所示。

根据图4可得:在相同的水泥含量情况下,随着轴向应变的不断增加,试样的有效主应力比也在不断增加,达到某一个定值后,有效主应力比基本保持不变。

在相同的周围压力作用下,随着水泥含量的增高,试样的有效主应力比值也会逐渐增高,在到达一个临界值后会保持一个相对稳定的状态。此临界值一般稳定在3～5 之间,而且随着水泥含量的升高,这个临界值也会逐渐地增大。

5 结论

1)在本次实验中可以得出此种在试样中掺入一定含量的水泥及盐粒的方法在一定程度上可以用来模拟实际中土的结构性,而且基于“干粉制样法”所制人工制备结构性土方法基本可行,在一定的围压下也可满足相应的强度,验证了人工制备结构性土样的可行性。

2)得出了苏州地区粉质黏土室内重塑结构性土的最佳配比应为1%,为室内开展结构性土的实验确定了配比参数。

3)得出了室内结构性土的主要力学参数及其力学特征。