Experimental study on deformation behaviors of overconsolidated clay under cyclic confining pressure
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摘要: 通常采用单一轴向循环荷载模拟交通荷载,然而,真实的交通荷载引起的应力场包含循环变化的轴向偏应力和围压。除此之外,部分下卧软黏土是超固结土,并非正常固结土,且针对交通荷载作用下超固结软黏土变形特性的研究较少。因此,通过对超固结软黏土开展一系列变围压不排水循环三轴试验,对超固结软黏土在变围压循环荷载作用下的累积轴向应变变化规律进行了研究,分析了超固结比和循环围压对累积轴向应变的影响。研究结果表明：变围压循环荷载作用下,不同循环围压幅值和超固结比条件对应的累积轴向应变与振动次数关系曲线相似。超固结比和循环围压对累积轴向应变的影响显著,循环围压和超固结比对土体累积轴向应变的发展均存在较为明显的抑制作用,具体为与恒围压循环荷载作用下土体累积轴向应变相比,当应力路径斜率η为1.00,1.50时,其对应的累积轴向应变分别减少了7.7%,15.8%；当超固结比OCR从1增至8时,超固结土和正常固结土对应累积轴向应变比从0.122减少至0.040。上述研究成果可加深对超固结土在交通荷载作用下变形规律的认识,从而为交通荷载作用下超固结土长期变形预测方法的建立奠定试验基础。Abstract: Traffic loading is usually simulated by single cyclic deviator stress. However, the vertical normal stress and horizontal stress acting on the soil elements are all varied cyclically under traffic loading. Nevertheless, part of the subgrade soil is overconsolidated, rather than normally-consolidated. There are few researches on the development of the accumulated axial strain of the overconsolidated soft clay under traffic loading. Recognizing this, a series of cyclic triaxial tests with cyclic confining pressures are conducted on overconsolidated clay under undrained conditions, and the effects of the cyclic confining pressures and overconsolidated ratios on the development of accumulated axial strain are investigated. It is observed that the relationship between the accumulated axial strain and the number of cycles are similar under different test conditions, in which the accumulated axial strain increases rapidly at the beginning of tests and increases with a decreasing rate to achieve a stable value. Besides that, the overconsolidated ratios and cyclic confining pressures have a significant effect on the development of the accumulated axial strain: both the cyclic confining pressure and the overconsolidation ratio inhibit the development of the accumulated axial strain. By comparing with the accumulated axial strain obtained under cyclic triaxial tests with the constant confining pressure, the accumulated axial strain decreases by 7.7% and 15.8% when the slopes of stress path are 1.0 and 1.5, respectively. Additionally, the accumulated axial strain ratio of the overconsolidated soft clay and normal consolidated clay decreases from 0.122 to 0.040 as the overconsolidated ratios increases from 1 to 8. The above research results may deepen the understanding of the deformation evolution of the overconsolidated soil under traffic loading, and provide experimental basis for the establishment of prediction formula for the deformation of the overconsolidated soil under traffic loading.
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0. 引言
在水利工程建设与湖泊、河道的清淤疏浚过程中会产生大量的高含水率疏浚淤泥。在工程上因其力学性质差难以直接利用,通常进行抛泥处理,造成大量的资源浪费和严重的环境污染。水泥固化法处理高含水率淤泥,在填海工程中被大量使用[1]。在水泥固化土的研究中,有学者就水泥固化土强度影响参数方面展开了研究,也有学者为提高水泥土材料的力学特性,研究了掺入其它材料的影响[2-4]。
另一方面,中国每年产生的废弃砖块约占建筑垃圾总量的30%～50%。关于废砖细骨料再生研究中,Letelier等[5]利用再生骨料和废砖粉作为水泥替代品,研究了结构混凝土的力学性能。Kumar等[6]利用废砖细骨料、混凝土细骨料和pozzol烷材料制备砌块,测试了砌块养护28 d后湿压强度、吸水率和吸湿率等特性。中国目前仍存在建筑垃圾排放量大,回收利用率低等问题[7]。
在疏浚土等不良土的处理方法中,还可掺混不同粒径的砂土,通过改变粒径级配达到改善不良土力学特性的目的[8]。基于此,本文在传统水泥固化土方法基础上提出用水泥-废砖细骨料双掺固化处理高含水率黏土的方法,通过测定不同龄期和不同配合比试样的无侧限抗压强度,分析了双掺固化土的应力-应变关系、抗压强度-破坏应变关系及废砖细骨料的掺入对强度的影响。
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料
（1）通过预试验确定本试验所用细骨料的粒径范围为2～5 mm,密度1.306 g/cm3,吸水率为10.57%。
（2）所取原状土的物理力学性质指标见表1,通过加入水使其达到本文所设计的含水率72.4%。
表 1 黏土的物理力学性质指标Table 1. Physical and mechanical properties of clay含水率/% 孔隙比 液限/% 塑限/% 液性指数 塑性指数 32.06 0.397 55.11 15.11 0.42 40.00 （3）采用工程上常用的普通硅酸盐水泥,即P.O 42.5R水泥。
1.2 试验方法
考虑废砖细骨料掺量分别为0%,8%,10%和12%,水泥掺量分别为6%,8%和10%（均为黏土干质量的百分比）等多种情况,设置7 d和28 d两种养护龄期。每组配合比条件下分别制作3个压缩试样,测定其无侧限抗压强度。试样的制备步骤如下：
（1）混合底泥进行搅拌。加入计算所需的相应固化剂和细骨料,使用搅拌器匀速搅拌5 min制备一定含水率的黏土-水泥-废砖细骨料混合物,搅拌均匀后制成混合泥浆。
（2）开展试样制作。为方便后期脱模,在装入混合料前,在模具（直径为3.91 cm,高度为8 cm）内壁均匀涂上一层凡士林。将制备好的混合泥浆,分3次延模具壁一侧缓缓滑入,一次倒入1/3模具容积,每次倒入后作一段时间振捣,使小气泡从表面破出,避免内部气泡间隙对试样强度的影响。灌制满后,用刮刀进行刮平,铺垫保鲜膜后封盖。
（3）开展试样养护。将试样密封后置于充满水的水箱中,并放置在标准养护室（20±3℃,湿度>95%）内,养护至设计龄期。
2. 试验结果与分析
2.1 废砖细骨料掺量对强度的影响
图1为废砖细骨料掺量与无侧限抗压强度在水泥掺量在10%条件下的关系曲线图。由图1可知：当废砖细骨料掺量从10%增加到12%,试样强度均有了较大幅度的提升；但养护龄期为28 d增长率比7 d时略小。分析认为：当养护龄期达到28 d时,近似认为废砖细骨料中的水分达到饱和,此时细骨料的湿润度与周围水泥土湿润度相当,根据再生废砖骨料的吸水返水特性[9]分析可知,此时细骨料的返水能力比吸水能力强,双掺固化土中的水分会有所增加,故出现龄期为28 d的水泥-废砖细骨料双掺固化土的强度增长速率较7 d变缓的现象；在相同废砖细骨料掺量情况下,双掺固化土抗压强度随试样养护龄期的增加而增大,且28 d无侧限抗压强度相较7 d无侧限抗压强度平均提升了1.63倍。
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图 1 废砖细骨料掺量对强度的影响Figure 1. Influences of amount of waste brick fine aggregate on strength2.2 水泥掺量对强度的影响
图2为废砖细骨料掺量在10%条件下,水泥掺量与无侧限抗压强度的关系曲线图。由图2可知：当养护龄期为7 d时,试样强度随水泥掺量的增加成线性增长；养护龄期为28 d,当水泥掺量大于8%时,强度增长速率有减小的趋势。分析认为：这一现象与废砖骨料的吸水返水特性有关；在相同水泥掺量情况下,双掺固化土抗压强度随试样养护龄期的增加而增大,且28 d无侧限抗压强度相较7 d无侧限抗压强度平均提升了约1.44倍。
2.3 双掺固化土与水泥固化土的对比
通过对两种固化土的强度特性进行对比分析（图3）发现,龄期为7 d的水泥固化土,随水泥掺量的增加成非直线增长,这与郑少辉等[3]分析不同水灰比固化土的强度所得研究结果相近,即当水泥剂量小于16%时无侧限抗压强度随水泥剂量的增加呈非线性增长。在两种养护龄期下,均出现双掺固化土强度的总体增长速率比水泥固化土强度增长速率高的现象。分析可知,再生废砖细骨料具有孔隙率高、吸水性强等特征,能够吸收土体中部分多余水分,且废砖细骨料含量越多吸水性越强,从而有效降低土体含水率,进而随之强化水泥在低含水率下的固化效率,加快了双掺固化土强度的形成。对7 d龄期条件,当水泥剂量大于等于8%时,废砖细骨料的掺入,明显提高了固化土的强度,说明要使废砖细骨料在改善固化土强度方面发挥作用,对水泥掺量存在一个最低剂量要求。
废砖细骨料为颗粒状,在固化土体中可视为游离状态,在制作无侧限抗压试样时,由于分层振捣处理导致废砖颗粒分布不均,形成的受力骨架也有所差异,故测出的强度不一,导致随着龄期和废砖细骨料含量的增长,强度的变异系数明显变大。
综上所述,在水泥剂量满足最低要求（本文测的最低剂量为8%）的情况下,废砖细骨料掺入和龄期增长都有利于固化土强度的提升；废砖细骨料的掺入,在增大固化土强度的同时也会增大固化土的变异性。
2.4 双掺固化土的破坏形态
图4为双掺固化土无侧限抗压强度试验的破坏形态。试样受压破坏后出现多条裂缝,主裂缝不突出不明显,破坏后试样破碎成块状,为塑性剪切破坏。故水泥-废砖细骨料双掺固化土的破坏形态主要表现为塑性剪切破坏。
2.5 压缩变形特性
图5为用水泥-废砖细骨料双掺法处理高含水率黏土的固化土应力-应变曲线图。由图可见其破坏应变分布在2.5%～3%,与水泥固化土的破坏应变一般介于0.5%～2%的认识[8, 11-14]有一定的偏差。分析其原因有两点：①由于废砖骨料在试样中成悬浮分布状态,当其掺量较小时,颗粒之间并没有形成骨架；②当骨料的湿润度与周围水泥土湿润度相当时,骨料表现出返水能力比吸水能力强的特性,使土体的水分略微增加所致。
图6为双掺固化土破坏应变与抗压强度的关系曲线。由图6可知,破坏应变随着抗压强度增大呈先略微减小后明显增大的趋势,这与其他学者得出的破坏应变随抗压强度增大而减小的试验结果[8, 10-14]有一定的偏差。分析其原因,主要是废砖的掺入使固化土的韧性在一定程度上得到提升。
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图 6 固化土破坏应变与抗压强度的关系Figure 6. Relationship between failure strain and compressive strength of DMSC samples3. 结论
（1）废砖细骨料对高含水率水泥固化土的强度有显著的提升效果,且早期强度增长速率比后期快。
（2）要发挥废砖细骨料的作用,水泥掺量需满足最低剂量8%的要求；掺入废砖细骨料在提高固化土强度的同时,也增加了固化土的变异性。控制变异性可提高其在工程建设上应用的安全可靠性。
（3）双掺法处理高含水率黏土固化土的破坏形态主要表现为塑性剪切破坏,其破坏应变在2.5%～3%,韧性比一般固化土的韧性好。
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图 2 不同循环围压下累积轴向应变随振次变化曲线
Figure 2. Variation of accumulated axial strain with number of cycles under different cyclic confining pressures
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图 3 不同超固结土累积轴向应变随振次变化曲线
Figure 3. Relationship between accumulated axial strain and number of cycles under different overconsolidated ratios
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图 4 恒围压和变围压条件下累积轴向应变关系曲线
Figure 4. Relationship between accumulated axial strain under VCP tests and that under CCP tests
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