袁化强，朱登元,2，张宏庆，吴佳杰，徐茜茜，孙仁娟

(1.山东大学齐鲁交通学院，济南 250000;2.临沂大学土木工程与建筑学院，临沂 276000;3.山东高速集团有限公司，济南 250000)

0 引 言

泡沫轻质土是由胶凝材料、水、外加剂、掺合料制备成大流动度浆液，然后加入提前制备的泡沫群混合搅拌均匀，经养护之后形成的一种轻质高强的材料[1-3]。将泡沫轻质土应用在道路工程中，可以降低路基的工后沉降，解决“桥头跳车”典型病害，也能够避免挡土墙的墙背土压力过大或者高边坡失稳等病害的发生[4-5]。此外，泡沫轻质土在实际工程中由于密度和强度可调、硬化后能够自立、流动度大可泵送施工等特性具有较大的应用优势[6-8]。

目前我国采用泡沫轻质土做路基填料时，通常以无侧限抗压强度来表征其力学性能，进行路基设计和施工控制[9-10]。但实际应用中泡沫轻质土路基还需要满足稳定性要求，目前部分学者开展了轻质土的抗剪性能研究[11-13]，但由于其组分复杂，性能影响因素较多且差异性大，而现有研究成果相对较少，不能充分表征其抗剪强度特性。尽管有规范中给出了抗剪强度推荐取值，但与轻质土真实抗剪性能相差较大。此外，泡沫轻质土路基的实际受力状况较为复杂，在有围压存在的条件下的力学行为表现和破坏形态均有待进一步的探究。

泡沫轻质土水化硬化后虽然具有大量的孔隙但并无孔隙水存在，因此本文采用不固结不排水三轴压缩试验(UU)研究三种不同湿密度的泡沫轻质土在多个围压状态下应力-应变关系和破坏变形特征，从而掌握三轴应力条件下泡沫轻质土的力学特性，并通过三轴试验结果分析泡沫轻质土抗剪强度变化规律，认识其压缩变形的机理和最终破坏的原因，研究结果对于路基稳定性计算分析和路面结构设计具有重要参考意义，有利于泡沫轻质土技术的进一步推广使用。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

泡沫轻质土主要由胶凝材料、水、泡沫三部分组成，其中水泥采用济南山水公司生产的P·O 42.5水泥，水泥力学性能如表1所示。泡沫通过机械发泡法制得，使用烟台驰龙建筑节能科技有限公司生产的阴离子复合蛋白型发泡剂，稀释倍率40～50倍，发泡倍率800～1 000倍，标准泡沫密度45～55 kg/m3，试验测得30 min泌水率<18%，符合规范要求。表2为泡沫轻质土配合比，其中水胶比为0.55，三种湿密度泡沫轻质土的孔隙率分别为62.5%、56.7%和50.9%。

表1 水泥力学性能Table 1 Mechanical properties of cement

表2 泡沫轻质土配合比Table 2 Mix proportion of foamed lightweight soil

1.2 实验设计

实验用三轴压缩试件为圆柱体，尺寸为φ50 mm×H100 mm，抗压试件为立方体，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。采用大型不固结不排水三轴试验(UU)研究标准养护条件下28 d龄期时不同围压状态下的三种湿密度泡沫轻质土的应力-应变特性。取泡沫轻质土28 d龄期时无侧限抗压强度20%～40%作为围压的取值范围，最终选取0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa作为三轴试验围压参数。

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51)，使用材料强度试验机进行泡沫轻质土无侧限抗压强度试验，加载速率为1 mm/min。

如图1所示，采用济南海威尔HSW-1000B微机控制电液伺服三轴仪进行三轴压缩试验，首先以0.1 kN/s的加载速率预加载值至0.5 kN，然后以0.02 MPa/s的加载速率加载围压至目标值并保持恒载，最后以0.05 MPa/s速率进行轴向加载,直至试件破坏或轴向位移接近传感器量程极限值则停止试验。试验过程中通过轴向变形传感器和径向变形传感器检测试件的变形情况，试验结束后观测试件的破坏位置及形态。

图1 三轴压缩试验照片Fig.1 Photo of triaxial test

2 结果与讨论

2.1 泡沫轻质土基本性能

表3为实验室制备的泡沫轻质土基本性能。由表3可知，新拌泡沫轻质土实测湿密度与目标湿密度较为一致，二者的密度比接近1，小于规范中±3%的误差规定，表明泡沫轻质土制备过程中未出现严重的消泡和离析。同时，新拌泡沫轻质土流值介于170～190 mm之间，能够满足直接用于现场浇筑施工的要求。

此外，由表3可知，同一龄期的泡沫轻质土试件抗压强度均随着湿密度的增大而增大，如28 d龄期时，WD700抗压强度为2.01 MPa，WD900达到3.70 MPa，抗压强度提高了84%。可见湿密度对于其力学性能具有显著影响，这是由于随着湿密度增加，泡沫轻质土中胶凝材料的用量增大，同时所用泡沫质量降低，试件内部孔隙率减小，泡沫轻质土变得更为密实，因此强度值增大。

表3 泡沫轻质土基本性能Table 3 Basic properties of foamed lightweight soil

2.2 应力-应变特性

泡沫轻质土三轴压缩下应力-应变曲线如图2(a)～(c)所示。由图2可知，泡沫轻质土应力-应变曲线具有明显的非线性特性。如图2(a)所示，可以将泡沫轻质土三轴压缩曲线划分为弹性变形、应变硬化、压密破坏三个阶段。弹性变形阶段内泡沫轻质土的应力与应变呈线性关系并且该阶段内轻质土内部的孔结构完整，卸载后弹性变形可完全恢复。当应变超过弹性阶段的极限应变后，随着变形的继续增加，应力-应变曲线的斜率减小，表明泡沫轻质土变形进入应变硬化阶段,此时试件内部出现塑性变形，材料表现为弹塑性特性。随着应变的进一步增大，轻质土内部塑性区不断扩展，材料逐渐发生劣化。当主应力差(即偏应力Δσ，Δσ=σ1-σ3，其中，σ1为第一主应力，σ3为第三主应力)达到最大值，即应力-应变曲线出现峰值后，试件内部裂缝发展成为宏观裂缝，试件发生脆性破坏，主应力差值快速下降，此后泡沫轻质土变形进入压密破坏阶段，该阶段内随着应变的不断增大，应力在一定的范围内基本不变或者变化幅度较小。此时，试件不断压缩，破坏区域内气孔被完全破坏，试件密度增大，摩擦力补偿粘聚力的损失，从而保持主应力差值基本不变或略有升高。

对比图2(a)～(c)可知，在不同围压状态下，不同湿密度的泡沫轻质土具有相同的上述压缩变形特性。对于WD700和WD800而言，随着围压的增大，偏应力呈现先增大后减小的规律。这是由于在低围压状态下，围压远小于泡沫轻质土的弹性极限强度，不会对试件造成内部损伤并且可以限制试件的径向变形进而限制裂缝的发展，从而随着围压增加，能够提高偏应力值。而在高围压状态下，围压接近泡沫轻质土的弹性极限强度，试件在围压下产生较大的变形，故而随着围压增大，偏应力反而降低。WD900由于弹性极限强度较高，试验中采取围压偏小，故随着围压增大，偏应力未出现拐点。

图2(d)为三种不同湿密度泡沫轻质土各自最佳围压状态下的应力-应变曲线。由图2(d)可知，弹性阶段内泡沫轻质土能达到的极限变形和极限强度与湿密度具有较大的关系。增大泡沫轻质土湿密度，应力-应变曲线中弹性阶段的极限变形和极限强度均增大。此外三种湿密度泡沫轻质土最佳围压状态下偏应力较表3中同龄期无侧限抗压强度分别提高了46%、36%和64%，可见加载适当的围压可提高泡沫轻质土的承载能力。

图2 泡沫轻质土应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of foamed lightweight soil

2.3 抗剪强度特性

采用摩尔-库伦破坏准则，结合摩尔应力圆与库伦抗剪强度定理分析泡沫轻质土的抗剪强度规律。根据应力-应变曲线获得的参数，绘制不同围压下同一湿密度泡沫轻质土摩尔应力圆，并得到应力圆的抗剪强度包络线如图3所示。则抗剪强度包络线与纵坐标截距即为轻质土粘聚力c，与水平轴的夹角为内摩擦角φ。由图3分析得到的泡沫轻质土的粘聚力和内摩擦角汇总于表4。结果表明，湿密度对于泡沫轻质土粘聚力和内摩擦角具有显著影响。泡沫轻质土的粘聚力和内摩擦角均随着湿密度增大而增大，湿密度700 kg/m3泡沫轻质土粘聚力为0.70 MPa,内摩擦角为18°，当湿密度增大至900 kg/m3时，粘聚力提高80%，达到1.26 MPa,内摩擦角增大至22°。这是由于随着湿密度增大，孔隙率降低，孔壁厚度增大，因此孔壁强度得到提高，从而使泡沫轻质土的粘聚力提高。此外，泡沫轻质土在压密破坏阶段沿着破坏面发生相对滑动时，虽然该阶段轻质土内部孔壁已经塌陷破坏，孔结构不会对轻质土的内摩擦角产生影响，但是孔隙率减小，其内部破坏产生的颗粒数量增多，导致颗粒间的嵌入和联锁作用产生的咬合力增大，因此轻质土内摩擦角随着湿密度增大而增大，表明其具有更好的边坡稳定性。值得注意的是，目前仅有《现浇泡沫轻质土路基设计施工技术规程》(TJG F10)规定，稳定性计算时泡沫轻质土内聚力宜取120 kPa,内摩擦角宜取2°，与试验测得的轻质土抗剪强度相比较，规范推荐值偏于安全保守，未能真实体现轻质土的抗剪性能。另外，通过计算不同湿密度轻质土粘聚力与同龄期无侧限抗压强度比值(即c/fc)，发现二者具有较好的线性关系，粘聚力约为抗压强度0.34倍。

图3 泡沫轻质土摩尔圆Fig.3 Molar circle of foamed lightweight soil

表4 泡沫轻质土抗剪强度Table 4 Shear strength of foamed lightweight soil

此外，根据摩尔-库伦破坏准则[14-15]，可知主应力间具有以下关系式：

(1)

(2)

(3)

式中：c为轻质土粘聚力;φ为轻质土内摩擦角;fc为轻质土单轴无侧限抗压强度;k为侧向压力系数。

根据试验测得的有关数据绘制不同湿密度轻质土试件在不同围压下的σ1/fc与σ3/fc关系曲线，如图4所示，按照公式(2)的形式，拟合直线方程则直线斜率即为实测轻质土的侧向压力系数k值。同时，根据表4中得到的轻质土内摩擦角，按照公式(3)计算轻质土的理论侧向压力系数k值，结果汇总于表5。由表5可知，实测轻质土压力系数k值与理论计算值吻合较好，二者误差最大仅为2.6%。需要说明的是轻质土k值小于普通混凝土(普通混凝土k=4.1～5.3[14])，表明泡沫轻质土轴压强度受围压影响的程度小于普通混凝土。

图4 泡沫轻质土的σ1/fc与σ3/fc关系曲线Fig.4 Relationship between σ1/fc and σ3/fc of foamed lightweight soil

表5 泡沫轻质土侧向压力系数Table 5 Lateral pressure coefficient of foamed lightweight soil

2.4 试件破坏形态

图5显示了不同湿密度泡沫轻质土试件三轴压缩试验后的破坏形态，与未进行试验的试件相比，试验后轻质土试件高度明显降低,其直径略有增加，试件发生了较大的塑性变形，内部气孔结构多数塌陷破坏。

图5 泡沫轻质土试件破坏形态Fig.5 Failure patterns of foamed lightweight soil specimens

对比三种湿密度轻质土试件破坏图片，WD900试件的破坏形态与普通混凝土相类似，主要表现为剪切破坏，在试件中部区域处可以明显观察到倾斜的主破裂面，并且试件在该破坏面上发生了较大的相对滑动。此外，在破裂面周围可以观察到横向裂纹和部分纵向裂纹，但试件在发生较大的轴向应变后仍然基本保持完整，未发生明显的表面剥落现象，整体性较好。WD700和WD800试件在荷载作用下，试件逐渐压密并在局部位置出现明显的锥形破裂面，并最终形成“压实锥”，导致压密破坏，“压实锥”内部呈现粉末状，外部有明显的斜裂纹和横向裂纹，局部区域有剥落，部分试件在产生压实锥后会逐渐转变为试件劈裂破坏，这种破坏形态与其他学者研究结果相类似[16]。

3 结 论

(1)实验室制备的泡沫轻质土具有较好的工作性能和力学强度。湿密度与其力学强度具有显著的相关性，各龄期轻质土试件的无侧限抗压强度随湿密度增大均有所提高。

(2)泡沫轻质土三轴压缩变形过程分为弹性变形、应变硬化和压密破坏三个阶段。适当增加围压或降低轻质土孔隙率，均有利于提高轻质土的轴向极限抗压强度和峰值应变。

(3)减小泡沫轻质土孔隙率能够显著提高其抗剪强度。试验获得的抗剪强度值远高于有关路基设计规范的推荐取值。此外，轻质土粘聚力与同龄期无侧限抗压强度具有较好的线性关系，且粘聚力约为抗压强度的0.34倍。

(4)泡沫轻质土试件破坏形态与其内部孔隙率及力学性能有关，低孔隙率高强度试件，其破坏形态主要为剪切破坏，有明显的倾斜破裂面。高孔隙率低强度试件会产生“压实锥”，导致压密破坏，“压实锥”持续增大则可能导致试件劈裂破坏。