二灰土改良風(fēng)積土可行性試驗研究

薛曉輝,扈世民

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系, 陜西渭南 714099； 2.北京交通大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,北京 100044)

1 概述

風(fēng)積土為地表巖層在長期風(fēng)化、侵蝕與搬運(yùn)作用下形成的堆積物，廣泛分布于我國北方地區(qū)。目前，我國鐵路建設(shè)迎來了跨越式發(fā)展的新時期，大量的高速鐵路穿越風(fēng)積土分布區(qū)域，如何確保風(fēng)積土路基穩(wěn)定性成為設(shè)計與施工面臨的重要課題[1-4]。

風(fēng)積土具有顯著的結(jié)構(gòu)性，這是由風(fēng)積土沉積過程中形成的結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定的，張煒教授通過三軸試驗得出風(fēng)積土應(yīng)力應(yīng)變曲線存在明顯的峰值即結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，土體抗剪強(qiáng)度迅速衰減，殘余強(qiáng)度很小，易引發(fā)路基不均勻沉降、路面開裂與翻漿冒泥等病害，因此，風(fēng)積土的改良成為急需解決的課題。

由于二灰土具有抗剪強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好、有效利用工業(yè)廢料和工程成本較低等優(yōu)點(diǎn)，二灰土成為東北地區(qū)主要路基填料，適用于廣泛分布的風(fēng)積土地層。二灰土通過在風(fēng)積土中按一定配比摻入粉煤灰與石灰土的輕型填料，采用室內(nèi)實(shí)驗研究二灰土改良風(fēng)積土的作用，主要通過路基土的各項力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比分析，通過實(shí)驗對比研究二灰改良風(fēng)積土的可行性[5]。

2 二灰改良風(fēng)積土強(qiáng)度形成機(jī)理

二灰改良風(fēng)積土強(qiáng)度的形成為一系列物理化學(xué)反應(yīng)的過程，主要表現(xiàn)為粉煤灰與石灰的活性化學(xué)物質(zhì)水化反應(yīng)的結(jié)果，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

由水化反應(yīng)方程式，二灰改良風(fēng)積土土強(qiáng)度的形成可概括為3個階段。

(1)粉煤灰主要組成物質(zhì)為氧化鋁(Al2O3)、三氧化二鐵(Fe2O3)和二氧化硅(SiO2)等化合物。以上3種化合物與氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鈣(CaO·SiO2·nH2O)、水化鋁酸鈣(CaO·Al2O3·nH2O)和水化鐵酸鈣( CaO·Fe2O3·nH2O)等。

(2)在氧氣作用下，二灰土水化反應(yīng)產(chǎn)生的化合物逐漸硬化進(jìn)一步形成固體顆粒。在沖擊碾壓作用下，二灰土固體顆粒膠結(jié)并積聚成為較大的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，至此二灰土改良土的強(qiáng)度大于其任一種組成成分。

(3)二灰土改良土的水化反應(yīng)過程一直持續(xù)到反應(yīng)基本平衡，整個水化反應(yīng)的時間較長，在此過程中二灰土改良土的強(qiáng)度表現(xiàn)為單調(diào)遞增。

3 二灰改良風(fēng)積土擊實(shí)特性分析

3.1 試驗土樣的制備

試驗材料選取路基試驗段典型風(fēng)積土，Ⅲ級石灰土((Cao+Mgo)總含量為58%)，Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰各組成成分含量如表1所示。

表1 粉煤灰主要化學(xué)成分 %

在已有實(shí)驗研究的基礎(chǔ)上，確定二灰土改良方案中石灰與粉煤灰的比例范圍為1∶2～1∶4；室內(nèi)試驗選取石灰：粉煤灰：風(fēng)積土的配比1∶2∶7、1∶3∶6和1∶4∶5等3種方案進(jìn)行實(shí)驗分析。

3.2 改良土最佳含水率的影響

最優(yōu)含水率與最大干密度為反映改良土壓實(shí)特性的重要指標(biāo)，采用擊實(shí)實(shí)驗確定其相應(yīng)最優(yōu)含水率。選取3種配比改良土進(jìn)行室內(nèi)試驗，擊實(shí)曲線如圖1～圖3所示[6-7]。

圖1 配比1∶2∶7擊實(shí)曲線

圖2 配比1∶3∶6擊實(shí)曲線

圖3 配比1∶4∶5擊實(shí)曲線

由不同配比的擊實(shí)曲線可得出：

(1)粉煤灰密度遠(yuǎn)小于土體密度，粉煤灰含量越大，改良土的最大干密度越小，所以二灰改良土的最大干密度與粉煤灰含量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性；

(2)粉煤灰百分比變化對最優(yōu)含水率的影響在±1.5%范圍內(nèi)；

(3)風(fēng)積土的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)出一定的水敏性，當(dāng)粉煤灰含量增大時，風(fēng)積土的水敏性得到顯著改善，表現(xiàn)為改良土的最優(yōu)含水率范圍較大。

3.3 擊實(shí)功對改良土最大干密度的影響

最優(yōu)含水率與最大干密度為反映改良土壓實(shí)特性的重要指標(biāo)，路基的壓實(shí)功通過不同的擊實(shí)功來實(shí)現(xiàn)，通過室內(nèi)擊實(shí)試驗研究不同擊實(shí)功對改良土最大干密度的影響，見圖4。

圖4 不同擊實(shí)功改良土最大干密度對比

由不同配比擊實(shí)曲線可得出：

(1)改良土飽和曲線近似表現(xiàn)為線彈性，即改良土的飽和度近似為一個定值，擊實(shí)功對其無影響；

(2)在27擊、54擊、81擊等擊實(shí)功作用下，改良土最大干密度連線與飽和曲線近似平行；

(3)隨著擊實(shí)次數(shù)的增大，改良土最大干密度隨之增大，飽和度與含水率呈正相關(guān)性；

(4)由于風(fēng)積土具有明顯的結(jié)構(gòu)性，僅通過增大擊實(shí)功來提高抗剪強(qiáng)度較為困難，但通過一定配比進(jìn)行二灰土改良有效改善了風(fēng)積土的粒徑級配，當(dāng)增大擊實(shí)功時，二灰改良土的干密度顯著提高，改良效果較為明顯。

4 改良土抗剪強(qiáng)度特性試驗分析

為進(jìn)一步研究各項因素對改良土路基抗剪強(qiáng)度的影響，分別選取不同配比、含水率、圍壓與應(yīng)力路徑等因素，采用室內(nèi)排水固結(jié)三軸剪切試驗(CD)分析二灰改良土的抗剪強(qiáng)度特性[8-10]。

4.1 配比對改良土抗剪強(qiáng)度的影響

圖5為最佳含水率18.4%、壓實(shí)度96%、圍壓200 kPa條件下二灰改良土的抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果。

圖5 不同配比對二灰改良土抗剪強(qiáng)度影響

由圖5可以得出：

(1)結(jié)構(gòu)性使得風(fēng)積土達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后抗剪強(qiáng)度急劇衰減，相應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性，通過二灰土改良后土體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化，抗剪強(qiáng)度顯著增強(qiáng)；

(2)填料殘余強(qiáng)度為影響路基使用壽命重要指標(biāo)，通過二灰土改良風(fēng)積土有效提高其殘余強(qiáng)度，有利于保證高速鐵路具有較長的使用壽命。

4.2 密實(shí)度對改良土抗剪強(qiáng)度的影響

圖6為最佳含水率18.4%、灰土配比1∶3∶6、圍壓200 kPa條件下二灰改良土的抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果，Coulomb抗剪強(qiáng)度理論認(rèn)為黏聚力與內(nèi)摩擦角為影響土體抗剪強(qiáng)度的2個主要方面，其中黏聚力主要由土顆粒間相互引力構(gòu)成，故土顆粒的密實(shí)程度成為重要影響因素。

圖6 不同密實(shí)度對二灰改良土抗剪強(qiáng)度影響

由圖6可以看出，隨著改良土密實(shí)度的增大，土顆粒間距逐漸縮小，顆粒間產(chǎn)生錯動位移所需摩擦力就越大，當(dāng)改良土密實(shí)度從94%增至96%，黏聚力增加了16.6 kPa，內(nèi)摩擦角增加了1.2°，可見二灰改良土的密實(shí)度對黏聚力的影響較大，改良土的抗剪強(qiáng)度隨之增大。二灰改良土室內(nèi)試驗的剪切過程可分為2部分。

(1)剪縮階段：試驗土樣產(chǎn)生剪縮變形，表現(xiàn)為密度增大，但抗剪強(qiáng)度增幅較小。

(2)剪脹階段：隨著軸向進(jìn)一步加載，試驗土樣產(chǎn)生剪脹變形，表現(xiàn)為密度減小，但抗剪強(qiáng)度增幅較大。

現(xiàn)場實(shí)驗表明：路基填土密實(shí)度K與孔隙率e密切相關(guān)，但二者相互關(guān)系難以量化。張亮梅等通過大量現(xiàn)場對比試驗得出最佳含水率條件下二者經(jīng)驗公式

式中，eao為最佳含水率條件下路基土孔隙率；et為路基土實(shí)測孔隙率；ρmax為路基土最大干密度，g/cm3。

現(xiàn)場實(shí)驗表明路基填土達(dá)到最佳含水率，含水率小幅度波動對路基壓實(shí)影響較大；選取密實(shí)度和孔隙率兩者作為聯(lián)合指標(biāo)，密實(shí)度96%，孔隙率11.4%作為二灰土改良土路基的的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 圍壓對改良土抗剪強(qiáng)度的影響

圖7為最佳含水率18.4%、灰土配比1∶3∶6、不同圍壓條件下二灰改良土的抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果。

圖7 不同圍壓對二灰改良土抗剪強(qiáng)度影響

由圖7可以看出：

(1)經(jīng)過一定配比改良后的風(fēng)積土剪切破壞應(yīng)力(σ1-σ3)f具有明顯峰值，圍壓為影響剪切破壞應(yīng)力(σ1-σ3)f的重要因素，二者具有正相關(guān)性；

(2)二灰改良后風(fēng)積土的殘余應(yīng)力得到顯著提高，達(dá)到剪切破壞應(yīng)力(σ1-σ3)f的80%以上。

4.4 二灰土強(qiáng)度特性分析

圖8為最佳含水率18.4%、灰土配比1∶3∶6、圍壓200 kPa條件下Mohr剪切破壞包線，可見改良后的風(fēng)積土仍滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，通過加入一定配比的粉煤灰與石灰土，提高相應(yīng)的黏聚力與內(nèi)摩擦角，從而改善風(fēng)積土抗剪強(qiáng)度特性。

圖8 二灰改良土Mohr剪切破壞包線

由室內(nèi)排水固結(jié)三軸剪切試驗(CD)分析可得，灰土比、密實(shí)度、含水率與圍壓為影響二灰改良土抗剪強(qiáng)度的特性重要因素，其中灰土比的影響最為顯著[11-12]，主要表現(xiàn)如下。

(1)黏聚力

粉煤灰中的SiO2，Al2O3等活性物與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng)，雙電層厚度與黏土顆粒間的距離減小并相互靠攏，土顆粒間的聯(lián)接強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。當(dāng)粉煤灰含量增大，相應(yīng)的Ca(OH)2含量減小，粉煤灰中的SiO2，Al2O3等活性物水化反應(yīng)不充分，宏觀上表現(xiàn)為粉煤灰的含量與二灰改良土的抗剪強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)性。

(2)內(nèi)摩擦角

粉煤灰中的SiO2，Al2O3等活性物與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng)對二灰改良風(fēng)積土內(nèi)摩擦角影響較小。主要因為粉煤灰是煤炭充分燃燒后氣體懸浮顆粒，顆粒之間內(nèi)摩擦角φ近可忽略，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角φ改良效果不明顯。

5 結(jié)論

采用室內(nèi)實(shí)驗研究二灰土改良風(fēng)積土的作用，主要通過路基土的各項力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比分析，通過實(shí)驗對比研究二灰改良風(fēng)積土的可行性。

(1)采用二灰土改良風(fēng)積土作為路基填料，填土的抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度顯著改善，尤其是殘余強(qiáng)度，有效保證公路路基的使用壽命。

(2)由于風(fēng)積土具有明顯的結(jié)構(gòu)性，僅通過增大擊實(shí)功來提高抗剪強(qiáng)度較為困難，但通過一定配比進(jìn)行二灰土改良有效改善了風(fēng)積土的粒徑級配，當(dāng)增大擊實(shí)功時，二灰改良土的干密度顯著提高，改良效果較為明顯。

(3)二灰改良土的密實(shí)度對黏聚力的影響較大，改良土的抗剪強(qiáng)度隨之增大。二灰改良土室內(nèi)試驗的剪切過程可分為剪縮與剪脹兩部分，隨著軸向進(jìn)一步加載，試驗土樣密度減小，但抗剪強(qiáng)度增幅較大。

(4)以密實(shí)度和孔隙率兩者作為聯(lián)合控制指標(biāo)，密實(shí)度96%，孔隙率11.4%作為二灰土改良土路基的的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

(5)灰土比、密實(shí)度、含水率與圍壓為影響二灰改良土抗剪強(qiáng)度特性重要因素，其中灰土比影響最為顯著，有效提高了改良土黏聚力。

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