DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.022
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)
摘要：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。
关键词：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
中图分类号：TU41 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2019)03-0679-08
Experimental research on static mechanical properties of cement-improved argillite-slate coarse-grained soil under drying-wetting cycles
LIU Yu1, 2, ZHU Ziqiang1, CHEN Junhua3
(1. School of Geosiences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China；
2. Research Institute of Hunan Provincial Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau, Changsha 410015, China;
3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: In order to research drying-wetting cycle effects on static mechanical properties of cement-improved argillite- slate coarse-grained soil, large tri-axial compression tests were conducted on the cement-improved soil samples with over 28 d of the standard curing ages when the samples were subjected to drying-wetting cycles. Changes of the axial maximum stress difference, internal friction angle, cohesion and elastic modulus of the samples with the drying-wetting cycle indexes were obtained by the tests. On that basis, the relationship between the changes and confining pressure as well as that between the changes and standard curing age were analyzed. The results show that with the increase of the drying-wetting cycle index, mechanical parameters such as the axial maximum stress difference, the internal friction angle, the cohesion and the elastic modulus of the soil all decay until they become stable. The decay of the internal friction angle in drying-wetting cycles is smaller than that of the other mechanical parameters. With the increase of the confining pressure, the decay of both the axial maximum stress difference and elastic modulus decrease in drying-wetting cycles. The decay of the axial maximum stress difference and cohesion in drying-wetting cycles decrease with the increase of the standard curing age, while the decay of both elastic modulus and internal friction angle are almost unaffected by standard curing age.
Key words: soil mechanics; drying-wetting cycle; coarse-grained soil improved by cement; standard curing age; large tri-axial compressive test; confining pressure
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
Fig. 1 Gradation curve of argillite-slate coarse-grained soil
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T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N为14次。为考虑围压对干湿循环效应的影响，设计4个围压(S)：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：
(1)
(2)
式中：
为最大主应力；
为最小主应力，在三轴试验中，
；Y为轴向最大应力差或者剪切破坏时的轴向应力差；
为内摩擦角；c为黏聚力；
为土的抗剪强度；
为剪切破坏面上的正应力。
由试验得到的轴向最大应力差和围压作莫尔圆，得到破坏面上抗剪强度和正应力之间的关系曲线，根据该曲线得到内摩擦角和黏聚力。典型的-曲线见图2。从图2可见：开展干湿循环作用前，改良土试样的龄期T=40 d；随着干湿循环次数增大，改良土抗剪强度曲线整体不断下降。从式(2)可看出：轴向最大主应力差Y与抗剪强度成正比。由试验结果作图得到，而Y直接由试验得到，因此，为方便研究，本文通过分析轴向最大主应力差Y与干湿循环次数N之间的关系揭示干湿循环对土抗剪强度的影响。
图2 抗剪强度曲线(T=40 d)
Fig. 2 Curves of shear strength and normal stress on shearing fracture surface (T=40 d)
当龄期T达到28 d时，轴向最大应力差Y与干湿循环次数N之间的关系见图3，围压S=100 kPa 时Y和N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。
图3 轴向最大应力差与干湿循环次数之间的关系(T=28 d)
Fig. 3 Relationship between axial maximum stress difference and drying-wetting cycle index (T=28 d)
图4 轴向最大应力差与干湿循环数之间的关系(S=100 kPa)
Fig. 4 Relationship between axial maximum stress difference and drying-wetting cycle index (S=100 kPa)
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:
(3)
(4)
(5)
(6)
式中：
，
，
和
分别为轴向最大应力差、内摩擦角、黏聚力和弹性模量的衰减率或衰减百分比，分别表示干湿循环作用下轴向最大应力差、内摩擦角、黏聚力和弹性模量等力学参数相对干湿循环初始数值的降低幅度；
，
，
和
分别干湿循环初始时刻的轴向最大应力差、内摩擦角、黏聚力和弹性模量；
，
，
和
分别为干湿循环作用下趋于稳定的轴向最大应力差、内摩擦角、黏聚力和弹性模量。根据干湿循环作用曲线的变化趋，选取趋于稳定的几个数值，对它们取均值，用该均值作为稳定值。
当养护龄期T达到28 d时，轴向最大应力差衰减率与围压S之间的关系见图5。从图5看出：随着围压增大，轴向最大应力差衰减率由19.8%降低到10.2%，降低较显著，表明围压对干湿循环条件下轴向最大应力差的衰减有较大影响。增加围压有助于增强改良土抵抗干湿循环衰减作用。
图5 轴向最大应力差衰减率和围压之间的关系(T=28 d)
Fig. 5 Relationship between attenuation ratio of axial maximum stress difference and confining pressure (T=28 d)
2.1.3 养护龄期对轴向最大应力差衰减的影响
当围压S=100 kPa时，轴向最大应力差衰减率与养护龄期T之间的关系见图6。从图6可看出：随着养护龄期增加，轴向最大应力差衰减率由19.8%逐渐降低到9.2%，并趋于稳定。这表明养护龄期对轴向最大应力差衰减有较大影响。这是因为养护龄期达到28 d后，水泥加固作用的大部分得到发挥，而养护龄期90 d后水泥加固作用基本完成，此时，干湿循环作用下轴向最大应力差衰减最小。在实际工程中，为降低干湿循环导致的强度衰减效应，应尽量保证改良土的养护龄期达到90 d 以上。
图6 轴向最大应力差衰减率和标准养护龄期之间的关系(S=100 kPa)
Fig. 6 Relationship between attenuation ratio of axial maximum stress difference and standard curing age(S=100 kPa)
2.2 干湿循环作用对内摩擦角和黏聚力的影响
2.2.1 内摩擦角衰减规律
内摩擦角与干湿循环次数N之间的关系见图7。从图7可看出：随着干湿循环次数增加，内摩擦角变化基本呈降低趋势，但降低幅度很小。例如，当标准养护龄期为40 d时，干湿循环初始时的内摩擦角为41.9°，干湿循环14次后内摩擦角为41.1°，降低了0.8°，这种衰减变化几乎可以忽略，这表明干湿循环作用对水泥改良泥质板岩粗粒土的内摩擦角影响不大。
图7 内摩擦角和与干湿循环数之间的关系
Fig. 7 Relationship between internal friction angle and drying-wetting cycle index
2.2.2 养护龄期对内摩擦角衰减的影响
内摩擦角衰减率与标准养护龄期T之间的关系见图8。从图8可见：随着T增加，从3.4%降低到0.8%，并逐渐趋于稳定。这表明随着标准养护龄期增加，内摩擦角的衰减变化较小。
2.2.3 黏聚力衰减规律
黏聚力c和干湿循环次数N之间的关系见图9。从图9可看出：随着N增加，c总体上逐渐降低，并最终趋于稳定。例如，当养护龄期为 40 d时，随着干湿循环次数增加，改良土的黏聚力由干湿循环初始时的229.4 kPa 逐渐衰减到195.4 kPa，衰减率为14.8%，可见干湿循环对泥质板岩改良粗粒土的黏聚力产生一定的衰减作用；随着干湿循环次数增加到一定程度，黏聚力不再衰减。
图8 内摩擦角衰减率与标准养护龄期之间的关系
Fig. 8 Relationship between attenuation ratio of internal friction angle and standard-curing age
图9 黏聚力与干湿循环数之间的关系
Fig. 9 Relationship between cohesion and drying-wetting cycle index
2.2.4 养护龄期对黏聚力衰减的影响
黏聚力衰减率与标准养护龄期T之间的关系见图10。从图10可看出：随着T增加，由21.8%逐渐降低到10.1%，且降低幅度逐渐趋于稳定。这表明标准养护龄期对黏聚力的衰减有影响，标准养护龄期越大，黏聚力的衰减越小。由前面分析可知，在干湿循环过程中，改良土的内摩擦角变化不大，因此，提高标准养护龄期可以减小干湿循环作用下改良土黏聚力的衰减，从而减小改良土抗剪强度的衰减。
2.3 干湿循环作用对弹性模量的影响
2.3.1 弹性模量衰减规律
弹性模量由轴向应力差与轴向应变曲线的直线上升段的斜率确定。图11所示为围压S=100 kPa时弹性模量E和干湿循环次数N之间的关系曲线。从图11可看出：随着N增加，E总体上逐渐衰减，但当E衰减到一定程度后逐渐趋于稳定。例如，当龄期为90 d时，干湿循环初始时的弹性模量为974.8 MPa，干湿循环14次后衰减到853.0 MPa，衰减率为12.5%。这表明在干湿循环作用下，弹性模量衰减规律与轴向最大应力差、黏聚力等参数的衰减规律相同，干湿循环对泥质板岩改良粗粒土的弹性模量产生一定程度的衰减作用。
图10 黏聚力衰减率与标准养护龄期之间的关系
Fig. 10 Relationship between attenuation ratio of cohesion and standard curing age
图11 弹性模量与干湿循环数之间的关系(S=100 kPa)
Fig. 11 Relationship between elastic modulus and drying-wetting cycle index (S=100kPa)
2.3.2 围压对弹性模量衰减的影响
图12所示为养护龄期T=28 d时改良土的弹性模量衰减率与围压S之间的关系曲线。从图12可看出：随着S增加，由14.7%下降到6.6%，降低幅度较显著。这表明提高围压有助减小干湿循环对改良土弹性模量产生的衰减作用。
图12 弹性模量衰减率与围压之间的关系(T=28 d)
Fig. 12 Relationship between attenuation ratio of elastic modulus and confining pressure (T=28 d)
2.3.3 养护龄期对弹性模量衰减的影响
图13所示为围压S=100 kPa时弹性模量衰减率与标准养护龄期T之间的关系曲线。从图13可看出：随着T增加，由14.7%减少到12.5%，减少2.2%。这表明养护龄期对干湿循环条件下弹性模量衰减的影响不大。与图5中轴向最大应力差的衰减变化规律一样，当超过90 d龄期后，弹性模量衰减率逐渐趋于稳定。
图13 弹性模量衰减率与标准养护龄期之间的关系(S=100 kPa)
Fig. 13 Relationship between attenuation ratio of elastic modulus and standard curing age (S=100 kPa)
3 结论
1) 水泥改良效果良好。水泥改良后，泥质板岩粗粒土对干湿循环衰减作用的抵抗效果良好。随着干湿循环次数增加，虽然改良土的轴向最大应力差、内摩擦角、黏聚力和弹性模量等力学参数均有所衰减，但衰减率范围为2%~22%，不超过25%，且衰减到一定程度后各参数均逐渐趋于稳定。
2) 对于轴向最大应力差、黏聚力和内摩擦角这几个强度参数，干湿循环衰减作用主要影响轴向最大应力差和黏聚力。随着干湿循环次数增加，轴向最大应力差、黏聚力和内摩擦角均有所衰减，其中，内摩擦角的衰减变化很小，几乎可以忽略。由于轴向最大应力差与抗剪强度成正比，且抗剪强度由内摩擦角和黏聚力共同决定，因此，干湿循环对水泥改良土抗剪强度产生了一定的衰减作用，且该衰减作用主要影响黏聚力。
3) 围压对干湿循环作用下改良土的强度和刚度的衰减均有影响。随着围压增加，黏聚力和弹性模量的衰减率下降，故提高围压有助于增强改良土抵抗干湿循环对土的刚度和强度产生的衰减作用。
4) 养护龄期对干湿循环作用下改良土的强度和刚度的衰减影响不同。提高养护龄期可以在一定程度上减小改良土抗剪强度的衰减，但对弹性模量衰减的影响较小。
5) 标准养护龄期对干湿循环作用下改良土的黏聚力衰减有影响，对内摩擦角衰减的影响不大。对于由水泥改良泥质板岩粗粒土填筑的基础工程，在干湿循环作用前，应尽量保证改良土的养护龄期达到90 d 以上，以降低干湿循环对强度和刚度产生的衰减作用。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2018-08-10；修回日期：2018-10-12
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(53108210) (Project(53108210) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：陈俊桦，博士，从事岩土工程、路基工程和爆破工程等研究；E-mail: jhchan@126.com
