劉文獻, 呂業(yè)鋒, 楊 棟, 唐昌意, 馬祖遙

(1 珠海市規(guī)劃設(shè)計研究院，珠海 519000；2 珠海市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測站，珠海 519000)

0 引言

濱海相淤泥具有含水量高、孔隙比大、壓縮性強和黏粒含量高等特點[1],其工程性質(zhì)差。水泥土攪拌樁是加固海相沉積淤泥軟土地基的一種有效方法,該方法設(shè)備簡單、操作方便、施工速度快、成本低,已成功應(yīng)用于我國東南沿海和內(nèi)陸軟土地區(qū)[2]。淤泥水泥土的工程性質(zhì)會因其類型多樣性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、攪拌均勻性以及外部受力環(huán)境的變化而存在明顯的差異。淤泥水泥土的失穩(wěn)破壞會給工程建設(shè)帶來安全隱患,開展淤泥水泥土力學(xué)性能的研究尤為重要。唐昌意等[3]以洪灣典型淤泥為研究對象,分別進行了無側(cè)限抗壓試驗、剪切試驗、壓縮試驗和滲透試驗,獲得了淤泥水泥土各項指標(biāo)之間的換算關(guān)系。張新建[4]等以洪灣市政基礎(chǔ)設(shè)施項目為依托,進行了淤泥水泥土室內(nèi)試驗,獲得淤泥水泥土無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的增長規(guī)律,同時開展不同水泥摻入量的試樁及檢測工作,芯樣的RQD至基本在75%以上。唐昌意等[5]以珠海斗門區(qū)典型淤泥質(zhì)土為研究對象,進行不同固化劑、摻入量、鉆頭和施工工藝的試樁工作,研究表明攪拌均勻性和固化材料是攪拌樁成樁的兩個重要因素。

水泥土剪切力學(xué)特性是研究水泥土樁、墻等結(jié)構(gòu)物承載和變形機理的關(guān)鍵。在邊坡工程中,水泥土攪拌樁在其樁身質(zhì)量較為薄弱的地方容易發(fā)生剪切破壞[6],造成邊坡失穩(wěn),因此水泥土抗剪強度指標(biāo)對軟土邊坡的加固至關(guān)重要。陳四利等[7]對硫酸鈉溶液腐蝕后的水泥土進行了不固結(jié)排水直剪試驗,結(jié)果表明,水泥土的抗剪強度隨著硫酸鈉溶液濃度的增加而逐步降低。賀佐躍等[8]通過三軸不固結(jié)不排水剪切試驗和直剪快剪試驗,對不同水泥摻入量下水泥土的抗剪強度參數(shù)進行了試驗研究,結(jié)果表明,在三軸不固結(jié)不排水剪切試驗中,當(dāng)摻入比和齡期均相同時,峰值強度隨圍壓線性增加,當(dāng)摻入比和圍壓均相同時,峰值強度隨齡期逐漸增加。吳章平等[9]對攪拌樁抽芯芯樣進行抗壓和抗剪試驗,試驗結(jié)果為抗剪強度為抗壓強度的40%。呂業(yè)鋒等[10]針對海相淤泥水泥土開展了變形特性研究,研究結(jié)果表明,彈性模量可取為無側(cè)限抗壓強度的120～150倍;彈性模量是壓縮模量的9.5倍。

目前淤泥水泥土變角剪切試驗研究較少。不同類型的淤泥水泥土受力狀態(tài)極其復(fù)雜,其剪切破壞是在壓剪條件下作用在剪切面上的剪切力達到極限平衡狀態(tài)所導(dǎo)致的,破壞會因剪切角度的變化、黏聚力的大小以及所受正應(yīng)力的大小而呈不同的特征,不同養(yǎng)護齡期的水泥土試塊剪切破壞過程中裂紋的擴展程度也具有不同的特點。

鑒于此,本文以珠海洪灣典型淤泥為研究對象,開展了淤泥水泥土變角剪切力學(xué)試驗,研究水泥摻入量、養(yǎng)護齡期和剪切角度等參數(shù)對淤泥水泥土力學(xué)特性的影響;并分析由淤泥水泥土室內(nèi)變角剪切試驗獲得的剪切強度隨水泥摻入量、養(yǎng)護齡期和剪切角度變化的變化規(guī)律,研究成果可為濱海地區(qū)水泥攪拌樁的設(shè)計以及工程事故鑒定評估提供參考。

1 試驗方案及條件

1.1 淤泥采集和試塊制備

本研究所用的土樣取自珠海市洪灣典型海相淤泥,其物理力學(xué)特性指標(biāo)見表1。由土樣室內(nèi)試驗結(jié)果(表1)可知,該淤泥具有含水量高、孔隙比大、飽和、粘粒含量高、抗剪強度低、流塑狀態(tài)等特點。

表1 淤泥物理力學(xué)特性指標(biāo)

對淤泥水泥土試塊進行變角剪切試驗,淤泥水泥土試塊共計180個,試塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為100mm×100mm×100mm,誤差小于1%。試塊各端面確保平行,試塊表面凸起小于0.05mm。養(yǎng)護齡期分別為7、14、28、60、90d,按養(yǎng)護齡期的不同可各分為5組,平均每組含有36個試塊;每組試塊中的水泥摻入量有3種,分別為15%、20%和25%;同一水泥摻入量的淤泥水泥土試塊共12個。試驗過程中相同水泥摻入量的淤泥水泥土試塊按剪切角度的不同各分為4個小組,每組3個試塊,剪切角度分別為40°、50°、60°和70°。

1.2 試驗設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

試驗加載裝置為微機控制液壓油伺服單軸萬能壓力機試驗系統(tǒng)(圖1),軸向最大載荷為1 000kN,精度為0.001kN。采用位移控制加載模式,加載速率為2.0mm/min。

圖1 單軸萬能壓力機試驗系統(tǒng)

1.3 變角剪切強度計算方法

變角剪切法是利用單軸萬能壓力機對試塊施加垂直荷載,通過變角剪切工裝[11-12]實現(xiàn)不同角度的剪切。如圖2所示,通過特制的夾具使得試塊沿著某一剪切面發(fā)生剪切破壞;然后通過靜力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的方法求得作用在剪切面上的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力,從而繪制法向壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線,求得試塊的黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù),進而了解試塊的力學(xué)特性。

圖2 試塊受力情況示意圖

可根據(jù)式(1)和式(2)計算試塊所受的正應(yīng)力和剪切力:

N-Pcosα-Pfsinα=0

(1)

Q+Pfcosα-Psinα=0

(2)

式中:P為壓力機上施加的總垂直力,kN;N為作用在試塊剪切面上的法向總壓力,kN;Q為作用在試塊剪切面上的切向總剪力,kN;f為壓力機墊板下的滾珠摩擦系數(shù),本試驗f值取0;α為剪切面與水平面所成的角度。

將式(1)和式(2)分別除以剪切面積A可得:

σ=(P/A)(cosα+fsinα)

(3)

τ=(P/A)(sinα-fcosα)

(4)

式中:σ為剪切面上的法向應(yīng)力,kPa;τ為剪切面上的切應(yīng)力,kPa。

試塊剪切試驗前后對比見圖3。當(dāng)試塊破壞時,對應(yīng)每一個最大軸向力的值可以得出一組σ和τ值,進而繪制兩者關(guān)系的曲線圖,結(jié)合莫爾-庫倫強度理論式(5)求得黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

圖3 試塊剪切試驗前后對比圖

τ=c+σtanφ

(5)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 單因素條件下剪切強度變化規(guī)律

2.1.1 不同剪切角度條件下剪切強度隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律

為了分析剪切強度隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律,作不同剪切角度條件下剪切強度與養(yǎng)護齡期的擬合曲線,如圖4所示。由圖4可知,淤泥水泥土的剪切強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大,兩者大致呈對數(shù)關(guān)系。

圖4 不同剪切角度條件下剪切強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系曲線

不同剪切角度及水泥摻量條件下剪切強度τ與養(yǎng)護齡期d的換算公式如下:

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為擬合優(yōu)度。

分析不同剪切角度下的擬合優(yōu)度可知,剪切角度40°時,擬合優(yōu)度較高(R2均值為0.976);隨著剪切角度的加大,擬合優(yōu)度逐漸減低,剪切角度70°時,擬合優(yōu)度較低(R2為0.800);從圖4可知,出現(xiàn)擬合優(yōu)度降低的原因主要是隨著剪切角度的加大,28d和60d的剪切強度降低所致。從式(6)～(17)可以看出,當(dāng)水泥摻入量為25%時,剪切角度40°、50°、60°、70°對應(yīng)的擬合優(yōu)度分別為0.956、0.959、0.855和0.975,說明水泥摻入量較大時剪切角度對擬合優(yōu)度的影響較小,進而說明當(dāng)水泥摻入量較大時,淤泥水泥土強度較高,剪切角度因素影響較小。

2.1.2 不同剪切角度條件下剪切強度隨水泥摻入量的變化規(guī)律

為了分析剪切強度隨水泥摻入量的變化規(guī)律,作不同剪切角度條件下剪切強度與水泥摻入量的擬合曲線,如圖5所示。由圖5可知,淤泥水泥土的剪切強度隨著水泥摻入量的增加而增大,兩者大致呈線性關(guān)系。

圖5 不同剪切角度條件下剪切強度與水泥摻入量的關(guān)系

不同剪切角度及養(yǎng)護齡期條件下剪切強度與水泥摻入量的換算公式如式(18)～(29)所示?？梢?剪切角度40°～70°時,擬合優(yōu)度R2為0.953～0.999,表明剪切強度與水泥摻入量兩者擬合程度較好,剪切強度τ與水泥摻入量αw呈正的線性相關(guān)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 雙因素條件下剪切強度變化規(guī)律

2.2.1 剪切強度與水泥摻入量、養(yǎng)護齡期的關(guān)系

為了直觀分析水泥摻入量與養(yǎng)護齡期對剪切強度的影響規(guī)律,作不同剪切角度條件下的剪切強度與水泥摻入量、養(yǎng)護齡期的三維關(guān)系圖,如圖6所示。由圖6可知,淤泥水泥土剪切強度與水泥摻入量和養(yǎng)護齡期呈正相關(guān)性,即淤泥水泥土剪切強度隨著水泥摻入量和養(yǎng)護齡期的增大而增大。

2.2.2 剪切強度與剪切角度、養(yǎng)護齡期的關(guān)系

為了直觀分析剪切角度與養(yǎng)護齡期對剪切強度的影響規(guī)律,作不同水泥摻入量條件下的剪切強度與剪切角度、養(yǎng)護齡期的三維關(guān)系圖,如圖7所示。由圖7可知,淤泥水泥土剪切強度與剪切角度呈負(fù)相關(guān)性,與養(yǎng)護齡期呈正相關(guān)性,即淤泥水泥土剪切強度隨剪切角度的增大而減小,隨養(yǎng)護齡期的增大而增大。

圖7 不同水泥摻入量條件下剪切強度與剪切角度、養(yǎng)護齡期的三維關(guān)系

2.2.3 剪切強度與剪切角度、水泥摻入量的關(guān)系

為了直觀分析剪切角度與水泥摻入量對剪切強度的影響規(guī)律,作不同養(yǎng)護齡期條件下的剪切強度與剪切角度、水泥摻入量的三維關(guān)系圖,如圖8所示。由圖8可知,淤泥水泥土剪切強度與剪切角度呈負(fù)相關(guān)性,與水泥摻入量呈正相關(guān)性,即淤泥水泥土剪切強度隨剪切角度的增大而減小,隨水泥摻入量的增大而增大。

圖8 不同養(yǎng)護齡期條件下剪切強度與剪切角度、水泥摻入量的三維關(guān)系

綜上分析可知,剪切角度較小、水泥摻入量較高、養(yǎng)護齡期較長時,淤泥水泥土的剪切強度較高,反之則剪切強度較低。

2.3 黏聚力與內(nèi)摩擦角

通過統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)獲得剪切面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力,根據(jù)式(5),并采用作圖法擬合得到淤泥水泥土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ列于表2。由表2可知,內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護齡期、水泥摻入量無相關(guān)性,內(nèi)摩擦角分布在20.3°～26.6°之間,均值23.3°。

表2 黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ統(tǒng)計

淤泥水泥土黏聚力與養(yǎng)護齡期的擬合曲線如圖9所示。由圖9可知,淤泥水泥土的黏聚力隨著養(yǎng)護齡期的增大而增大,不同水泥摻入量的三條曲線大致平行。

圖9 黏聚力與養(yǎng)護齡期的關(guān)系曲線

采用回歸分析方法得到不同水泥摻量條件下黏聚力與養(yǎng)護齡期的換算公式,如式(30)～(32)所示。由式(30)～(32可知,黏聚力與養(yǎng)護齡期呈指數(shù)相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.908～0.986,表明擬合程度較好。

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

(30)

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

(31)

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

(32)

淤泥水泥土黏聚力與水泥摻入量的擬合曲線如圖10所示。由圖10可知,淤泥水泥土的黏聚力隨著水泥摻入量的增大而增大。

圖10 黏聚力與水泥摻入量的關(guān)系曲線

采用回歸分析方法得到不同養(yǎng)護齡期條件下黏聚力與水泥摻入量的換算公式,如式(33)～(37)所示。由式(33)～(37)可知,黏聚力與養(yǎng)護齡期呈線性相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.986～0.999,表明擬合程度較好。

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 剪切強度、黏聚力與抗壓強度換算關(guān)系

剪切強度與抗壓強度的換算關(guān)系如表3所示,由表3可知,水泥摻入量為15%～25%時,剪切強度與抗壓強度的換算系數(shù)(剪切強度與抗壓強度的比值)范圍0.35～0.40,均值0.37。

表3 剪切強度與抗壓強度換算關(guān)系

黏聚力與抗壓強度的換算關(guān)系如表4所示。由表4可知,水泥摻入量為15%～25%時,黏聚力與抗壓強度的換算系數(shù)(黏聚力與抗壓強度)為0.22～0.27,均值0.24。

表4 黏聚力與抗壓強度換算關(guān)系

3 結(jié)論

(1)淤泥水泥土剪切強度與養(yǎng)護齡期基本呈對數(shù)關(guān)系,剪切角度較小時擬合程度較好;隨著剪切角度的增大,擬合程度逐步變差;在水泥摻入量為25%時,剪切角度對擬合程度影響較小;淤泥水泥土的剪切強度與水泥摻入量呈正線性相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.953～0.999,擬合程度較好。

(2) 采用雙因素分析淤泥水泥土剪切強度的變化規(guī)律可知,當(dāng)剪切角度小、水泥摻入量高、養(yǎng)護齡期長時,剪切強度較高,反之則較低。

(3) 淤泥水泥土的黏聚力與養(yǎng)護齡期呈指數(shù)相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.908～0.986,擬合程度較好。黏聚力與養(yǎng)護齡期呈線性相關(guān)性,擬合優(yōu)度R2為0.986～0.999,擬合程度也較好。淤泥水泥土的內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護齡期、水泥摻入量無相關(guān)性,內(nèi)摩擦角分布在20.3°～26.6°之間,均值23.3°。

(4) 水泥摻入量為15%～20%時,剪切強度與抗壓強度的換算系數(shù)范圍0.35～0.40,均值0.37;黏聚力與抗壓強度的換算系數(shù)范圍0.22～0.27,均值0.24。