粉煤灰-石灰改良黃土與壓實黃土強度特性對比分析

張 玉， 何 暉， 曾志英， 劉 瑾， 丁 瀟， 楊 倩

(1. 西安工業大學建筑工程學院， 西安 710032; 2.西安理工大學, 陜西省黃土力學與工程重點實驗室， 西安 710048)

黃土是典型的結構性土，具有大孔隙、豎向裂隙發育、可溶鹽含量高、濕陷性等特點[1]。黃土工程災害的質是在外部荷載及環境改變時，黃土顆粒間的大孔隙塌落，顆粒間可溶鹽溶解，使黃土產生濕陷變形或剪切破壞。在蘭州新區、延安新區的修建、高填方路基及高填方機場等實際黃土工程中，存在大量的填方工程問題及濕陷性土層上的工程建設問題，針對黃土特殊的結構，對其進行相應的處理，以破壞大孔隙和消除豎向裂隙可提高黃土的強度與穩定性，預防事故的發生。壓實和改良是兩種行之有效的手段，經壓實或改良后的黃土，其固、液、氣三相組成，黃土顆粒的排列與組合，顆粒之間的膠結狀態等均發生了變化，使得壓實與改良黃土在強度、變形特性等方面的研究具有特殊性與復雜性[2-4]。目前，對于壓實黃土的研究成果較多[5-9]，主要集中在強度特性、變形特性、滲透特性、動力特性和壓實度對其力學特性的影響及考慮干濕循環和凍融作用影響方面。改良黃土是通過在黃土中摻入石灰、粉煤灰、水泥、固化劑和凝膠材料等，通過黃土顆粒及粒間膠結物在空氣與水作用下，與摻合料發生一系列反應來改變黃土的大孔隙、豎向裂隙及顆粒之間的聯結方式，提高其強度和穩定性，從而滿足工程建設的需求。對改良黃土的研究主要集中在單摻入料改良[10-14]和多摻入料聯合改良[15-17]，開展了摻量、齡期、含水率和壓實度等對改良黃土的強度、變形、壓縮、濕陷、抗凍融及動力特性等方面的研究，揭示了改良機理并取得了一定的成果。以上研究結果對于黃土工程應用提供了一定的理論與試驗依據，但改良黃土與壓實黃土在力學特性上的差異研究還有待深入，因此，在前人研究的基礎上，全面、系統地開展壓實黃土和粉煤灰-石灰改良黃土的物理及力學特性研究，揭示改良黃土與壓實黃土的應力-應變演化規律及強度特性的差異，對于西北地區黃土工程建設具有積極意義。

1 試驗土樣及方案

試驗取土地點為西安南郊月登閣村附近。取樣時為原狀土，依據原狀土樣取法，取土深度為地表下5～6 m處，屬于晚更期形成的Q3馬蘭黃土，土樣呈黃褐色，局部有細小蟲孔，偶然膠結物結塊，少見碎小石塊及蝸牛殼。采樣時通過現場探坑，避免對土樣的擾動，保持原有沉積結構切削采取，土樣塊用黑色塑料薄膜包裹，注明取土深度、時間和地點等，并用膠帶紙裹緊，避免水分的逸出，提高土塊樣整體性。襯墊減振材料后，裝箱運回實驗室。

1.1 試驗土樣物理性質指標

原狀黃土的基本物理性質指標為：比重2.71，干密度1.37 g/cm3，天然含水率21.2%，液限31.26%，塑限21.07%，孔隙比1.02。粉煤灰物理性質指標為：比重2.71，有效直徑0.05 mm，不均勻系數10.3，曲率系數1.52，顆粒組成小于0.005 mm(占12%)、0.005～0.075 mm(占65%)、0.075～2 mm(占23%)。石灰采用生石灰。

研究所用試樣均為重塑壓制試樣，重塑樣制樣完成后，通過滴定和風干法得到設計含水率，并在保濕缸中養護2 d后再進行試驗。為了便于進行素黃土和改良黃土進行對比，依據素黃土擊實試驗結果，控制兩種土樣最大干密度均為1.68 g/cm3；已有混合料配比的研究結果表明，石灰、粉煤灰和黃土摻量為1∶2∶7的配比方案最優，故研究采用此配比。

1.2 試驗儀器及試驗方案

試驗采用TSZ-3型應變控制式三軸剪切儀，對所有土樣進行固結排水試驗。

研究共完成了3個含水率(w)為16%、20%和24%條件下壓實黃土與粉煤灰-石灰改良黃土在3個壓實度(K)分別為85%、90%和95%，4個固結圍壓50、100、200、300 kPa下的三軸剪切試驗。當軸向應變量達到15%時，結束試驗。由于影響因素過多，且各含水率條件下的規律一致，只取含水率為20%、3個壓實度、4個固結圍壓，共計24個試樣的結果進行對比分析。

2 應力-應變關系

2.1 壓實黃土應力-應變關系

2.1.1 固結圍壓對壓實黃土應力-應變關系的影響

依據壓實黃土常規三軸加載試驗測試結果，同一壓實度(K)黃土在不同固結圍壓條件下主應力差(σ1-σ3)與豎向應變(ε1)之間的關系如圖1所示。

圖1 同一壓實度下不同固結圍壓時壓實黃土應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of compacted losses at different confining pressures under the same compactness

從圖1可以看出，同一壓實度、不同圍壓條件下的應力-應變曲線均為應變硬化型，隨著豎向應變的增大，主應力差呈非線性增長，可用雙曲線描述。同一壓實度條件下，固結圍壓越大，應力-應變曲線越高，土的強度越大，規律性強。由于壓實黃土的原生結構已遭到破壞，重塑后強度大小取決于次生結構強度的增長情況。固結圍壓小時(σ3c=50、100 kPa)，已形成的次生結構強度基本可以承受固結壓力作用，而不產生變形，土不能被進一步擠密，固結圍壓對強度的影響就較小，宏觀上表現為應力-應變曲線高低相差較小；而較大的固結圍壓可以促使土顆粒再次被壓密，次生結構強度繼續增長，表現同一豎向應變條件下承受的豎向應力越大。固結圍壓對壓實黃土的強度影響顯著。

2.1.2 壓實度對壓實黃土應力-應變關系的影響

壓實黃土在同一固結圍壓、不同壓實度條件下主應力差(σ1-σ3)與豎向應變(ε1)之間的關系曲線如圖2所示。

圖2 同一固結圍壓不同壓實度時壓實黃土應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of compacted losses at different compactness under the same confining pressures

分析圖2可知，壓實度對壓實黃土的強度也有較大影響。壓實度越高，達到同一豎向應變時所需的應力就越大，應力-應變曲線越陡，壓實黃土的強度越高。固結圍壓較小時，壓實度的變化對土強度的影響較大，隨著固結圍壓的增大，壓實度對土強度的影響在不斷減弱。對壓實黃土而言，壓實度對其強度的影響與固結圍壓的大小密切相關。低固結圍壓條件下，壓實度的增大可促使土顆粒的重新排列組合，有效提高壓實土次生結構強度，宏觀上表現為應力-應變曲線差異顯著；高固結圍壓條件下，壓實黃土的次生結構已基本形成，壓實度的增大已不能對次生結構強度的增大產生較大影響，因此表現為應力-應變曲線高低差異較小。

從圖1和圖2可以看出，壓實黃土的應力-應變曲線均為硬化型，可用雙曲線描述，屬于塑性漸進破壞。壓實黃土的強度隨著固結圍壓和壓實度的增大而顯著增大，兩者之間的耦合關系共同決定壓實黃土強度的大小。

2.2 粉煤灰-石灰改良黃土應力-應變關系

2.2.1 固結圍壓對改良黃土應力-應變關系的影響

同一壓實度改良黃土在不同固結圍壓條件下主應力差(σ1-σ3)與豎向應變(ε1)之間的關系如圖3所示。

圖3 同一壓實度不同固結圍壓時改良黃土應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of improved losses at different confining pressures under the same compactness

分析圖3可知，改良黃土的應力-應變曲線在低壓實度、高固結圍壓條件下為呈理想塑性，呈雙曲線型外，其余各條件下的應力-應變曲線均為應變軟化型，其應力-應變演化關系與壓實黃土不同。固結圍壓對改良土的強度影響較大，固結圍壓越大，應力-應變曲線越陡，達到同一豎向應變時可抵抗的外部荷載就越大，土的強度越大。試驗過程中，圍壓越大，能提供的側向約束越大，土的強度增長就越快。壓實度較低時(K=85%)，固結圍壓對應力-應變曲線高低影響較大，隨著壓實度的增大，固結圍壓對應力-應變曲線的影響不斷減弱，當壓實度K=95%時，低固結圍壓條件下，同一豎向應變所對應的主應力差變化較小。固結圍壓對改良黃土應力-應變曲線關系的影響與壓實度密切相關。

2.2.2 壓實度對改良黃土應力-應變關系的影響

同一固結圍壓改良黃土在不同壓實度條件下主應力差(σ1-σ3)與豎向應變(ε1)之間的關系如圖4所示。

圖4 同一固結圍壓不同壓實度時改良黃土應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of improved losses at different compactness under the same confining pressures

分析圖4可知，壓實度對改良黃土的強度有較大影響，壓實度越大，應力-應變曲線越高，壓實度對土強度的提高作用越明顯。壓實度的增大使得土顆粒間的孔隙減小，土體越密實，改良黃土顆粒間的聯結作用得到增強，顆粒之間的擠密也使得摩擦效應有所增強，從整體上提高了土的抗剪強度。壓實度對土強度的影響和固結圍壓密切相關。固結圍壓均較大時(σ3c=300 kPa)，壓實度對土殘余強度的影響較小，但對峰值強度的影響較大；固結圍壓均較小時，壓實度對土強度差異的影響性較大。較大的圍壓固結時，使土次生結構強度的增長遠大于即有結構的損傷，使土在剪切開始時更加密實，從而已經很大程度上提高了土的強度，因此，當壓實度發生改變時，壓實度的影響要小于固結圍壓對土強度的提高程度，故而宏觀上表現為對土殘余強度的影響較小；小圍壓條件下改良黃土的即有結構強度足以抵抗較小初始圍壓的影響，小圍壓對強度的增強作用不明顯，此時，壓實度的增大對土的壓密性影響越大，從而提高土的抗剪強度。

由圖3、圖4可知，固結圍壓和壓實度均對改良黃土的抗剪強度有較大影響。單因素條件下，固結圍壓越大土的抗剪強度越大、壓實度越高土的強度亦較大，反之亦然。但兩個因素對土強度的影響不是獨立的，兩因素的耦合共同決定著土的抗剪強度的大小，固結圍壓較小、壓實度較小時，應力應變曲線多呈理想塑性，可用雙曲線描述，呈漸進塑性破壞；固結圍壓和壓實度較大時，應力-應變曲線多呈應變軟化型，均具有峰值強度，屬脆性破壞。改良黃土的應力應變曲線大多呈應變軟化型，以脆性破壞為主。

2.3 改良黃土與壓實黃土應力-應變關系對比

2.3.1 同一壓實度、不同圍壓條件下應力-應變關系對比

分別整理改良黃土和壓實黃土同一壓實度、不同固結圍壓的應力-應變關系，如圖5所示。

圖5 同一壓實度不同固結圍壓時兩種土應力-應變曲線對比Fig.5 Stress-strain curves of two kinds of losses at different confining pressures under the same compactness

從圖5可以看出，壓實黃土與改良黃土的應力-應變演化關系完全不同，決定了兩者的破壞形式也不相同。改良黃土的應力-應變曲線基本為應變軟化型，在3%～5%達到峰值強度，屬于脆性破壞；壓實黃土全部為應變硬化型，可用雙曲線描述，屬于塑性漸進破壞。各個壓實度、同一固結圍壓條件下，改良黃土的曲線均高于壓實黃土，達到同一豎向應變時，改良黃土能承受的外部荷載更大，強度更高。

2.3.2 同一圍壓、不同壓實度條件下應力-應變關系曲線對比

分別整理改良黃土和壓實黃土同一固結圍壓條件下不同壓實度的應力-應變曲線關系，如圖6所示。

圖6 同一固結圍壓不同壓實度時兩種土應力-應變曲線對比Fig.6 Stress-strain curves of two kinds of losses at different compactness under the same confining pressures

從圖6可以看出，各種條件下，改良黃土的應力-應變曲線均高于壓實黃土，改良黃土的強度更大。進一步分析圖5、圖6可知，改良黃土應力-應變曲線的初始切線斜率均遠大于壓實黃土，初始切線斜率越大，土的剪切模量越大，表明改良黃土的強度發揮較快，在豎向應變3%～5%達到峰值強度，而壓實黃土的強度隨著剪切變形的發展不斷發揮，直至達到試驗終止條件。由于壓實黃土消除了原狀黃土所具有的大孔隙和豎向裂隙，在壓實過程中，土顆粒分布更為均勻，隨著外荷載的增加，土顆粒不斷被擠密，土的強度逐步增大；改良黃土中粉煤灰、石灰的加入，在水分及空氣作用下產生的一系列物理、化學反應，所生產的結晶物大大增強了黃土顆粒見的黏結作用，且成為黃土強度的主要貢獻部分，具有較強的初始結構強度，因此，在外荷載作用下，剪切初期強度增長很快，表現為初始切線斜率很大，隨著外荷載的增加，顆粒之間的黏結作用不斷被破壞，顆粒開始發生錯動和翻轉，變形不斷發展，剪切帶從內部開始出現，直到達到峰值強度，隨后，剪切帶不斷發展、貫通，土體發生破壞。

壓實黃土與改良黃土的應力應變演化規律差異較大，壓實黃土屬于應變硬化型，以漸進塑性破壞為主；改良黃土以應變軟化型為主，主要呈現脆性破壞。這也說明，對于改良黃土而言，其破壞應變應取峰值強度所對應的應變，防止工程上發生突然的脆性破壞；對于改良黃土，其破壞應變應按照土工試驗規程選取，其破壞方式屬于漸進的塑性破壞。這兩種應力-應變演化方式及破壞形態的差異在實際工程中應引起注意。

3 強度特性

3.1 壓實黃土強度破壞特性

3.1.1 壓實黃土強度破壞的應力條件

含水率為20%的壓實黃土在不同壓實度破壞時的剪應力-正應力(q-p)關系曲線如圖7所示。

圖7 壓實度對壓實黃土q-p破壞線影響(w=20%)Fig.7 The influence of compactness on p-q failure line of compactel losses (w=20%)

從圖7中可以看出，壓實黃土破壞時的廣義剪應力隨著平均正應力的增大而增大，強度破壞線可近似描述為線性關系；壓實度對改良黃土破壞時的剪應力影響顯著，壓實度越高，土體越密實，同樣的平均正應力狀態下，破壞時剪應力就越大。

3.1.2 壓實黃土強度參數變化規律

依據常規三軸條件下強度包線，整理同一壓實度條件下的強度參數，可得到黏聚力(c)和內摩擦角(φ)隨壓實度的變化規律如圖8所示。

圖8 壓實黃土強度參數隨壓實度變化Fig.8 The change law between strength parameters and compactness of compacted loess

從圖8可以看出，壓實度對黏聚力影響較大，隨著壓實度增大，黏聚力線性增大；壓實度對壓實黃土的內摩擦角影響不大。因此，壓實度主要通過影響黏聚力大小來影響土的強度。

3.2 改良黃土強度破壞特性

3.2.1 改良黃土強度破壞的應力條件

含水率為20%的改良黃土在不同壓實度破壞時的q-p關系曲線如圖9所示。

圖9 壓實度對改良黃土q-p破壞線影響Fig.9 The influence of compactness on p-q failure line of improved losses

從圖9中可以看出，改良黃土破壞時的q-p關系曲線規律與壓實黃土相似。廣義剪應力隨著平均正應力的增大而線性增大；隨著壓實度增大，破壞時剪應力增大。壓實度為85%和90%時，q-p破壞線的差異較小。

3.2.2 改良黃土強度參數變化規律

不同壓實度條件下改良黃土的強度指標黏聚力(c)和內摩擦角(φ)隨壓實度的變化曲線如圖10所示。

圖10 改良黃土強度參數隨壓實度變化Fig.10 The change law between strength parameters and compactness of improved loess

從圖10可以看出，壓實度對土的強度影響顯著，壓實度越大，黏聚力越大，呈線性增大關系，規律性強；壓實度的增大，對改良黃土的內摩擦角影響較小，隨著壓實度增大，內摩擦角的增大幅度在3°～5°之間。壓實度的增大對改良黃土強度的提升主要是增大了黏聚力。

3.3 改良黃土與壓實黃土強度破壞特性對比

3.3.1 強度破壞的應力條件對比

含水率為20%的壓實黃土與改良黃土在不同壓實度條件下破壞時刻的p-q曲線，如圖11所示。

圖11 壓實黃土與改良黃土p-q曲線對比Fig.11 Comparison of p-q curves between compacted loess and improved loess

從圖11可以看出，兩種黃土的強度破壞線均可用直線描述，破壞剪應力隨著平均正應力線性增大。壓實度越大，p-q破壞線越高，同一壓實度條件下，改良黃土的p-q破壞線更高，改良黃土強度更大。

3.3.2 強度參數對比

不同壓實度條件下的改良黃土與壓實黃土的強度參數，將其進行對比分析，結果如圖12、圖13所示。

從圖12、圖13可以看出，改良黃土的黏聚力值均遠大于壓實黃土；改良黃土的內摩擦角略微大于壓實黃土，改良黃土的強度增長較大。粉煤灰、石灰顆粒更小，經粉煤灰、石灰改良后黃土經壓實形成致密的混合結構，其初始的結構強度較未經改良的壓實黃土要大。因此，宏觀上表現為改良黃土的黏聚力遠大于同等條件下的壓實黃土。黃土在重塑壓實之前，已經將大顆粒篩除，在壓實作用下，顆粒之間的棱角已被壓碎或擠密，因此，改良黃土和壓實黃土的內摩擦角相差不大。

黃土工程災害的本質原因在于天然黃土所具有的大孔隙、垂直節理發育和特殊的微結構，壓實后的黃土消除了顆粒間的大孔隙和原生的垂直節理，改變了其原生結構形態，最終形成了性質穩定的次生結構，從而提高了黃土的強度。以石灰和粉煤灰為摻合料的改良黃土，在具有壓實黃土優勢的基礎之上，使其成為一種水硬性混合材料， 在水分和空氣作用下，粉煤灰和石灰中的大量活性氫氧化鈣、二氧化硅 、氧化鋁、氧化鐵及氧化鈣等物質與土中水分和空氣通過離子交換作用、結晶作用、碳酸化反應、火山灰與硅酸化反應等發生一系列物理和化學反應，生成一系列不溶于水的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化碳鋁酸鈣及水化鐵酸鈣等膠結穩定結晶生成物，這種結晶生成物使黃土顆粒膠結在一起，并不斷硬化，形成較大的團粒結構，大大增強了改良黃土顆粒間的黏結特性，這是改良黃土的強度高于壓實黃土的內在原因，也說明了改良黃土主要通過提高黏結強度來增強土的強度，對摩擦強度的提升不明顯，在試驗結果中也得到了驗證。

圖12 壓實黃土與改良黃土黏聚力差異Fig.12 Comparison of cohesion between improved loess and compacted loess

圖13 壓實黃土與改良黃土內摩擦角差異Fig.13 Comparison of internal friction angle between improved loess and compacted loess

4 破壞形式

黃土的破壞形態對于進一步揭示改良黃土的強度和變形特性，認識和分析填方壓實類黃土工程的破壞方式有著重要的作用。

4.1 壓實黃土破壞形式

壓實黃土試樣的破壞方式可歸納為剪縮側脹破壞，破壞方式如圖14所示。

圖14 豎向加載時壓實黃土破壞照片Fig.14 Photos after failure under vertical loading of compacted loess

從圖14可以看出，壓實黃土在豎向荷載作用下，側向土樣被擠出，呈現出明顯的側脹破壞。豎向加載過程中，側向變形不斷發展，土的強度逐步發揮，直到側向變形快速增長而導致剪切側脹破壞，屬于漸進破壞過程，這也與試驗中所揭示的應力-應變曲線關系相吻合。在此類工程中要注意側向變形過大而導致的側向擠出破壞。

4.2 改良黃土破壞形式

通過對改良黃土壓實試樣破壞方式的分析可以發現，在常規三軸加載條件下的破壞形態可歸納為脆性滑移破壞，破壞方式如圖15所示。

圖15 豎向加載時改良黃土破壞照片Fig.15 Photos after failure under vertical loading of improved loess

從圖15中可以看出，常規三軸豎向加載條件下，改良黃土破壞時軸向壓縮明顯，在大、小主應力作用面出現破壞軌跡，呈“/”型剪切帶破壞與摩爾庫倫強度準則的破壞面基本相符。由于粉煤灰-石灰改良后的壓實黃土，消除了黃土顆粒間的大孔隙和原有結構的豎向裂隙，粉煤灰、石灰與黃土顆粒間的黏性膠結物顆粒，在水分及空氣作用下發生了一系列的物理和化學反應，在黃土顆粒間形成了新的結晶水合物，使得黃土顆粒間的黏結強度得到了大大的提升，同時使得黃土結構更加的致密，改良土強度更高，在外荷載下抵抗變形的能力也更高。隨著豎向荷載的增大，改良黃土內部出現應力集中，開始出現剪切屈服，結構開始出現裂隙；隨著剪切過程的發展，改良土結構內的裂隙不斷擴展，壓剪屈服后塑性變形發展迅速，最終裂隙貫通，導致土體破壞。在加載試驗中，應力-應力關系曲線表現為應變硬化型亦表明，改良黃土屈服后，達到峰值強度，豎向變形發展迅速，宏觀上表現為剪切帶的貫通，土體破壞，對改良黃土而言，屈服即意味著破壞。這種現象在工程上應引起注意。

5 結論

(1)改良黃土的應力-應變曲線基本為應變軟化型，在3%～5%達到峰值強度，屬于脆性破壞；壓實黃土全部為應變硬化型，可用雙曲線描述，屬于塑性漸進破壞，兩者應力-應變演化規律完全不同，破壞形式也不相同。

(2)固結圍壓和壓實度均會對壓實和改良黃土的強度產生較大影響，均為正相關，兩者之間的耦合關系共同決定黃土的強度。

(3)改良黃土的應力-應變曲線均高于壓實黃土，改良黃土的強度更大。對于改良黃土而言，其破壞應變應取峰值強度所對應的應變，防止工程上發生突然的脆性破壞；對于改良黃土，其破壞應變應按照土工試驗規程選取，其破壞方式屬于漸進的塑性破壞。

(4)改良黃土的黏聚力值均遠大于壓實黃土，改良黃土的內摩擦角略微大于壓實黃土；改良黃土在剪切前期強度增長較大，壓實黃土的強度隨著剪切變形的發展逐步發揮。

(5)壓實黃土試樣的破壞方式可歸納為剪縮側脹破壞，改良黃土的破壞形態可歸納為脆性滑移破壞。