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(qū)建設(shè)和交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210032；2.南京江北新區(qū)中心區(qū)發(fā)展有限公司，江蘇 南京 211899；3.南京工業(yè)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

引言

陶粒是以黏土、頁巖、粉煤灰等為原料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)或加入膠凝劑經(jīng)免燒工藝形成的一種內(nèi)部疏松多孔的輕質(zhì)散粒狀材料。除用于不受力的填充墻或受力的結(jié)構(gòu)構(gòu)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(yè)陶粒進(jìn)行了一系列壓實試驗和三軸剪切試驗，結(jié)果表明陶粒土（由陶粒構(gòu)成的粗粒土）的內(nèi)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(dá)48°。陶粒土密度低，內(nèi)摩擦角高，透水性好，是一種優(yōu)質(zhì)土工回填料。陶粒土可減小甚至消除附加應(yīng)力、減少墻背土壓力，在軟土路堤、擋墻結(jié)構(gòu)、邊坡工程等工程實踐中都有極大應(yīng)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(fēng)干狀態(tài)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(jié)果可為陶粒土工程應(yīng)用設(shè)計提供參考。

1 陶粒土物理性質(zhì)

陶粒在回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)800-1050℃高溫?zé)Y(jié)過程中，部分成分轉(zhuǎn)換為氣體迫使顆粒膨脹，形成蜂窩狀的氣孔結(jié)構(gòu)，外表面熔化燒結(jié)形成較堅硬的外殼，最終形成一種疏松多孔的輕質(zhì)顆粒。本次試驗選用的陶粒以粘土為原料燒制而成，形態(tài)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(shù)Cu=1.27，曲率系數(shù)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(zhì)材料比重2.55 計算，陶粒內(nèi)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(jié)構(gòu)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(fēng)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(dá)到穩(wěn)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(fēng)干狀態(tài)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(yīng)力范圍為10-300kPa。施加法向應(yīng)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(jìn)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(yīng)力-剪切位移曲線。當(dāng)法向應(yīng)力不超過100kPa 時，陶粒土表現(xiàn)為軟化型響應(yīng)，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(dāng)法向應(yīng)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(dǎo)致強度降低的試驗現(xiàn)象與Caldeira 和Neves[7]對陶粒土進(jìn)行的三軸試驗結(jié)果一致。

圖4 風(fēng)干和浸水3 天后陶粒土試樣直剪試驗結(jié)果

圖5 陶粒土剪切強度包線

3 結(jié)論

針對超輕陶粒土開展了吸水對剪切強度及剪切導(dǎo)致的顆粒級配變化影響的研究。結(jié)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(guān)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(nèi)摩擦角隨法向壓力增大而降低。當(dāng)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(dāng)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(biāo)作為設(shè)計值。