浸泡吸水條件下陶粒土的抗剪強度

殷 偉 ，徐玉桂 ，韓愛民 ，王志華 ，申志福

（1.南京市江北新區建設和交通工程質量安全監督站，江蘇 南京 210032；2.南京江北新區中心區發展有限公司，江蘇 南京 211899；3.南京工業大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京 210009）

引言

陶粒是以黏土、頁巖、粉煤灰等為原料，經高溫燒結或加入膠凝劑經免燒工藝形成的一種內部疏松多孔的輕質散粒狀材料。除用于不受力的填充墻或受力的結構構件[1-2]外，自1960 年來，陶粒在美國就已被廣泛用作土工回填材料[3]。林鐘強和丁建彤[4]對我國五種商業陶粒進行了一系列壓實試驗和三軸剪切試驗，結果表明陶粒土（由陶粒構成的粗粒土）的內摩擦角大于35°，表觀粘聚力約為10kPa。Bakeer 等[5]的界面剪切試驗表明陶粒土與土工格柵的界面摩擦角高達48°。陶粒土密度低，內摩擦角高，透水性好，是一種優質土工回填料。陶粒土可減小甚至消除附加應力、減少墻背土壓力，在軟土路堤、擋墻結構、邊坡工程等工程實踐中都有極大應用潛力[3]。如Puppala 等[6]實測表明，陶粒回填可減小2/3 的沉降。本文針對由一種超輕陶粒形成的陶粒土，開展了風干狀態和浸泡水3 天后的直剪試驗，研究了陶粒吸水率對陶粒土剪切強度的弱化作用，試驗結果可為陶粒土工程應用設計提供參考。

1 陶粒土物理性質

陶粒在回轉窯中經800-1050℃高溫燒結過程中，部分成分轉換為氣體迫使顆粒膨脹，形成蜂窩狀的氣孔結構，外表面熔化燒結形成較堅硬的外殼，最終形成一種疏松多孔的輕質顆粒。本次試驗選用的陶粒以粘土為原料燒制而成，形態多為圓球型或橢球型，如圖1 所示。

試驗所用陶粒土顆粒粒徑范圍為2-5mm，級配如圖2 所示。圖中實線級配曲線是由500g 陶粒土試樣測得，不均勻系數Cu=1.27，曲率系數Cc=0.89，自然堆積密度為0.43g/cm3，屬于超輕陶粒（堆積密度在0.3-0.5g/cm3的陶粒）。陶粒顆粒表觀密度0.71g/cm3，按照無孔陶質材料比重2.55 計算，陶粒內部孔隙率為0.71。

圖1 粒徑2-5mm 的試驗用陶粒

圖2 陶粒土級配曲線

2 浸泡吸水對陶粒土抗剪強度的影響

由于陶粒的多孔結構特征，實際工程中的陶粒土處于地下水位以下時將吸水，自然風干條件下陶粒吸水率為0.2%，在水中浸泡2 小時后吸水率迅速增加至9.4%，浸泡3 天后吸水率迅速增加至21%，隨后緩慢增加，在21 天時達到穩定值31%，如圖3 所示。

圖3 陶粒吸水率與重度隨時間的變化

對處于自然風干狀態的陶粒土和浸水3 天的陶粒土開展了一系列直剪試驗，剪切速率1.94%/min，法向應力范圍為10-300kPa。施加法向應力前試樣初始孔隙比0.8。對于浸水陶粒土，首先用濾紙吸收陶粒表面水分后再裝樣。每次直剪試驗前對試樣進行級配測試，如圖2 中虛線所示。圖4 給出了直剪試驗的剪應力-剪切位移曲線。當法向應力不超過100kPa 時，陶粒土表現為軟化型響應，浸泡吸水使得陶粒土抗剪強度和初始剛度都有明顯降低；而當法向應力為200、300kPa 時，浸泡吸水對剪切強度與剛度的影響已不明顯。圖5 為直剪試驗所得陶粒土的非線性強度包線。這種強度包線的非線性特征及浸水導致強度降低的試驗現象與Caldeira 和Neves[7]對陶粒土進行的三軸試驗結果一致。

圖4 風干和浸水3 天后陶粒土試樣直剪試驗結果

圖5 陶粒土剪切強度包線

3 結論

針對超輕陶粒土開展了吸水對剪切強度及剪切導致的顆粒級配變化影響的研究。結果表明：法向壓力和浸泡吸水是控制陶粒土抗剪強度的兩個關鍵因素。由于剪切過程中顆粒破碎，本試驗所用陶粒土的割線內摩擦角隨法向壓力增大而降低。當法向壓力不超過100kPa 時，浸泡吸水將引起陶粒土抗剪強度降低。當法向壓力更高時，浸泡吸水引起的強度降低不明顯，工程中宜以顆粒吸水飽和的陶粒土強度指標作為設計值。