1. 引言
土中颗粒的组成、土颗粒的排列与组合、颗粒间的连接作用导致了土形成不同的结构,土的结构性是指这种结构而造成的力学特性,结构性的强弱表示土的结构性对于其力学性质(强度、变形性质和渗透性)影响的强烈程度。天然土体的力学特性与在试验室制备的重塑土的力学特性有较大区别,天然土体的结构性对其力学及工程特性有非常大的影响,天然土体相对于重塑土而言称为结构性土。土体结构性对土体力学性质及工程性质的影响是21世纪土力学研究的核心问题 [1] 。
上世纪八十年代以来,许多学者对结构性土的力学特性进行试验分析和研究。张成厚等对两种未扰动的结构性粘土,进行了固结实验和室内三轴不排水试验 [2] 。由于在对原状土取样的过程中,对原状土的扰动使其结构的改变是不可避免的,故后来一些学者尝试在试验室内人工制备结构性土,对土的结构性开展试验研究。Malandraki采用高温灼烧法在实验室内制备结构性土(Malandraki, 2001) [3] 。蒋明镜等通过在原料软土中掺入冰粒和微量水泥,人工设定化学胶结作用和大孔隙组构来模拟天然粘土的结构(蒋明镜等,1997年) [4] 。谢定义等在土中掺入冰粒和微量水泥,在实验室内人工制备类似于原状土结构的土样,通过对人工制备的结构性土样的压缩试验,分析研究土的结构性并验证提出了反映土结构性的定量化参数(谢定义等,1999年) [5] 。
反映天然砂土结构性的一个方面砂土颗粒的排列,可用砂土的相对密度Dr或孔隙比e来描述;但反映天然砂土结构性的另一个方面砂土颗粒间的胶结性,及颗粒间的胶结性对天然砂土力学性质的影响目前正在研究。王丽等在实验室内用方解石粉和硅酸盐水泥作为胶结材料,采用混合法在实验室内制成含5%方解石粉、不同硅酸盐水泥含量的钙质砂试样,对这些试样进行了不同围压下的三轴固结排水剪切试验,通过试验结果研究分析了钙质砂粒间的胶结性对钙质砂力学性质的影响 [6] 。蒋明镜等通过离散元数值模拟对结构性砂土粒间胶结效应进行了研究分析 [7] 。刘恩龙等通过在原状土料中加入少量水泥和盐粒以形成颗粒间的胶结作用和大孔隙组构模拟天然黏土的结构性,通过室内压缩试验和不同胶结强度土样在排水和不排水条件下的三轴剪切试验,分析了人工制备结构性土样的力学特性 [8] 。
本文采用对砂土进行胶结的混合法,在砂土中掺入硅酸盐水泥制成不同水泥含量的人工胶结砂土试样,通过对试样的三轴固结排水剪切试验,研究砂土颗粒间的胶结对砂土应力-应变特性,强度特性及体积变形特性的影响,揭示砂土的结构性对砂土力学性质的影响,为建立原状砂土的本构模型和实际岩土工程设计提供参考。
2. 试样的制备及试验方案
本文试验采用的砂土是从福建标准砂中用土工筛筛出的粒径在0.5 mm~1 mm的粗砂。福建标准砂的颗粒级配曲线如图1。用粒径在这个范围内的粗砂,目的是在砂中掺入硅酸盐水泥后能让砂土颗粒间的水泥的胶结比较均匀。砂土物理性质指标的测定和试验试样的制备严格按照GJB128-88标准进行。粒径在0.5 mm~1 mm的福建标准砂的基本物理性质指标见表1。
试验设计了A、B、C三组试样,每组有相同的三个试样,一共9个试样。A组为不含水泥的试样、B组为含3%硅酸盐水泥的试样、C组为含6%硅酸盐水泥的试样。制备含水泥的砂土试样时将一定百分比质量的硅酸盐水泥均匀的与砂土混合,分三层装入三瓣模中每一层都均匀捣实,然后放入水中养护7天使试样胶结,然后将样品脱模放入三轴试验机中。三组试样的物理参数见表2。
试验在浙江大学建筑工程学院土工实验室的GDSLAB上进行,每组试样分别在50 kPa、100 kPa、200 kPa围压下进行固结排水剪切试验。
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x9_hanspub.png)
Figure 1. The grain size distribution of Fujian standard sand
图1. 福建标准砂颗粒级配曲线
表1. 基本物理性质指标
3. 砂土粒间胶结对应力应变特性及强度的影响
3.1. 应力应变特性及强度分析
A组试样(A1, A2, A3),B组试样(B1, B2, B3),C组试样(C1, C2, C3)分别在围压50 kPa、100 kPa、200 kPa下固结排水剪切试验的
关系曲线如图2,图3,图4所示。从图中可看出随着围压的增大,试样的峰值强度增大,应力应变曲线为应变软化型曲线且围压越大软化越明显,三组试样的这些性质是相同的。从相对密实度Dr的值可看出三组试样都属于密砂,三个图中的应力应变曲线和参考文献中报告的密砂的应力应变曲线特性相同,说明该试验的结果有较高的准确性。
不含水泥试样、含3%水泥试样和含6%水泥试样,在围压50 kPa、100 kPa、200 kPa下固结排水剪切试验的
关系曲线如图5、图6、图7所示。从图5、图6、图7可以看出,水泥胶结物质的添加使砂土试样的峰值强度增加,同一围压下水泥含量越高试样的峰值强度越大,但同一围压下不同水泥含量试样的残余强度接近相等。同一围压下水泥含量越高的试样,初始的压缩模量越大,应变软化越明显。随着水泥含量的增加,试样应力峰值对应的应变减小试样的脆性增加。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Basic physical index of sample
表2. 试样的物理性质指标
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x12_hanspub.png)
Figure 2. Deviator stress-axial strain curves of the sample contained 0% cement
图2. 不含水泥量试样主应力差-轴向应变曲线
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x13_hanspub.png)
Figure 3. Deviator stress-axial strain curves of the sample contained 3% cement
图3. 3%水泥含量试样主应力差-轴向应变曲线
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x14_hanspub.png)
Figure 4. Deviator stress-axial strain curves of the sample contained 6% cement
图4. 6%水泥含量试样主应力差-轴向应变曲线
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x15_hanspub.png)
Figure 5. Deviator stress-axial strain curves under the confined pressure of 50 kPa
图5. 围压50 kPa下主应力差-轴向应变曲线
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x16_hanspub.png)
Figure 6. Deviator stress-axial strain curves under the confined pressure of 100 kPa
图6. 围压100 kPa下主应力差-轴向应变曲线
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x17_hanspub.png)
Figure 7. Deviator stress-axial strain curves under the confined pressure of 200 kPa
图7. 围压200 kPa下主应力差-轴向应变曲线
3.2. 体积变形特性分析
A组试样(A1, A2, A3),在围压50 kPa、100 kPa、200 kPa下固结排水剪切试验的体积应变-轴向应变(
)关系曲线如图8所示。A组试样相对密实度Dr = 0.79属于密砂,随着轴向应变的增加试样的体积应变由剪缩转变为剪胀,试样在不同围压下的体积应变相差不大。
试样A1、B1、C1在围压50 kPa下的体积应变-轴向应变(
)关系曲线如图9所示,试样A2、B2、C2在围压100 kPa下的体积应变-轴向应变(
)关系曲线如图10所示,试样A3、B3、C3在围压200 kPa下的体积应变-轴向应变(
)关系曲线如图11所示。
从图9、图10和图11中可看出,在同一围压下水泥含量6%的试样的剪胀体应变大于水泥含量3%的试样的剪胀体应变,水泥含量3%的试样的剪胀体应变大于不含水泥试样的体应变。这说明粗砂砂粒间的胶结越强,在低围压下排水剪切时越容易发生剪切膨胀;粗砂砂粒间的胶结越强,低围压下排水剪切时的剪切体应变越大。
4. 结论
1) 水泥胶结物质的添加使砂土试样的峰值强度增加。同一围压下水泥含量越高、粗砂砂粒间的胶结越强,试样的峰值强度越大;但同一围压下不同水泥含量试样的残余强度接近相等。
2) 同一围压下试样水泥含量越高、砂粒间的胶结越强的试样,初始的压缩模量越大,应变软化越明显。随着水泥含量的增加,试样应力峰值对应的应变减小试样的脆性增加。
3) 试样水泥含量越高粗砂砂粒间的胶结越强,在低围压下排水剪切时越容易发生剪切膨胀,含水泥试样的剪胀体应变大于不含水泥试样的体应变。试样水泥含量越高粗砂砂粒间的胶结越强,低围压下排水剪切时的剪切体应变越大。
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x22_hanspub.png)
Figure 8. Volume strain-axial strain curves under different confined pressure
图8. 不同围压下体积应变—轴向应变曲线
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x23_hanspub.png)
Figure 9. Volume strain-axial strain curves under the confined pressure of 50 kPa
图9. 围压50 kPa下体积应变—轴向应变曲线
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x24_hanspub.png)
Figure 10. Volume strain-axial strain curves under the confined pressure of 100 kPa
图10. 围压100 kPa下体积应变—轴向应变曲线
![](//html.hanspub.org/file/1-2650099x25_hanspub.png)
Figure 11. Volume strain-axial strain curves under the confined pressure of 200 kPa
图11. 围压200 kPa下体积应变—轴向应变曲线
上述结论可供实际岩土工程设计时参考,水泥胶结砂土在高围压下的应力-应变特性及强度特性有待进一步试验分析研究。
资助信息
浙江省自然科学基金项目(LY
13A
020005)。