貴州地區(qū)石灰改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究＊

高曉波，阮波，田曉濤，呂有緣，李思嘉，湯彬彬

（1.長(zhǎng)沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410075；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410075）

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特殊黏性土，其主要不良工程特性表現(xiàn)為強(qiáng)親水性和反復(fù)脹縮性。由于膨脹土在世界范圍內(nèi)的廣泛分布和它的不良工程特性，更加上對(duì)它的認(rèn)識(shí)不足和處治措施不當(dāng)而給工程建筑物帶來(lái)了不可估量的損失，如何正確而合理地處治膨脹土成了全球性的技術(shù)難題。石灰改良作為一種化學(xué)改良方法，經(jīng)火山灰反應(yīng)、碳酸化和陽(yáng)離子交換等作用，可明顯改善膨脹土的工作性能且經(jīng)濟(jì)有效，因而在世界范圍內(nèi)應(yīng)用普遍，相應(yīng)研究也較為深入。Petry等［1］總結(jié)了歐美近60a膨脹土改良方法的主要進(jìn)展；Yilmaz等［2］利用室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了石膏對(duì)膨脹土的改良效果。周葆春等［3－5］描述了石灰改良膨脹土的變形與強(qiáng)度特征。陳愛(ài)軍等［6－9］對(duì)廣西、安徽和湖南等地區(qū)的膨脹土進(jìn)行石灰改良，分析了齡期和摻灰率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響及多因素耦合的膨脹土對(duì)邊坡的影響?；輹?huì)清等［10］研究了膨脹土的膨脹機(jī)理及其改良方法。本文以貴州地區(qū)膨脹土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究摻灰率、壓實(shí)系數(shù)及齡期對(duì)石灰改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，為膨脹土地區(qū)的公路及鐵路工程修建提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土取自貴州，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。其素土重型擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水率為12.1%，最大干密度為1.83g／cm3。

表1 膨脹土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physics－mechanics parameters of the expansive soil

1.2 試驗(yàn)方案

為研究摻灰率、壓實(shí)系數(shù)及齡期對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)選取3%，5%，7%，9%和11%5種摻灰率，每種摻灰率的改良土根據(jù)0.90，0.92和0.95 3種壓實(shí)系數(shù)分別制樣，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7，14和28d，共45組試驗(yàn)，每組6個(gè)平行試樣。

1.3 試樣制備及試驗(yàn)

試樣按照規(guī)范制備［11］，膨脹土風(fēng)干土與水拌和均勻后放入密封容器內(nèi)浸潤(rùn)備用，浸潤(rùn)時(shí)間為24h，加入的水量較最優(yōu)含水量小3%。在浸潤(rùn)后的膨脹土中加入石灰，在拌和過(guò)程中將預(yù)留的3%水加入試料中，使混合料的含水率達(dá)到最優(yōu)含水率。試樣均采用壓樣法制備，制作成直徑和高度均為5cm的圓柱體。

試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速率按照規(guī)范要求［11］進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。每組改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度取6個(gè)平行試樣的平均值，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV不超過(guò)10%，超過(guò)10%時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摻灰率對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

壓實(shí)系數(shù)為0.90條件下改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（qu）與摻灰率（a）的關(guān)系如圖1所示。從圖中可以看出，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻灰率增大而增大，摻灰率達(dá)到9%后，強(qiáng)度隨著摻灰率增大而減小；摻灰率相同時(shí)，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大。摻灰率較大時(shí)，石灰改良土混合料中會(huì)存在一部分未參加反應(yīng)的消石灰，殘留的消石灰產(chǎn)生的削弱作用超過(guò)土顆粒之間聯(lián)結(jié)作用時(shí)，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)降低［10］。因此當(dāng)摻灰量超過(guò)9%時(shí)，改良土的強(qiáng)度反而減小。

圖1 qu－a關(guān)系曲線Fig.1 Variation of UCS with lime content

2.2 壓實(shí)系數(shù)對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

齡期為7d條件下改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（qu）見(jiàn)表2。

從表中可以看出，在一定摻灰率條件下，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。壓實(shí)系數(shù)相同，摻灰率不同條件下，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻灰率的增大而增大，摻灰率大于9%后，強(qiáng)度反而減小。壓實(shí)系數(shù)從0.90增加到0.95時(shí)，不同摻灰率改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大1.75～2.53倍。

表2 7d改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 2 USC of improved soil conserved for 7days MPa

2.3 齡期對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

壓實(shí)系數(shù)為0.90時(shí)，改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（qu）與養(yǎng)護(hù)齡期（t）的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是隨齡期的增長(zhǎng)而增大，曲線起始段強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，14d齡期后強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩，說(shuō)明灰土之間的化學(xué)反應(yīng)主要在14 d齡期之內(nèi)進(jìn)行。

圖2 qu－t關(guān)系曲線Fig.2 Effect of curing period on USC of the stabilized soils at compaction factor of 0.90

2.4 改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度分析

改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻灰率、壓實(shí)系數(shù)及養(yǎng)護(hù)齡期等因素有關(guān)。下面就這幾個(gè)因素對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表3 改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 3 USC of stabilized soil

以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為參考數(shù)列，摻灰率、壓實(shí)系數(shù)、養(yǎng)護(hù)齡期為比較數(shù)列。對(duì)表3中的各序列進(jìn)行初值化處理后，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)序列，經(jīng)計(jì)算得：

γ1＝0.810（摻灰率與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)程度）

γ2＝0.945（壓實(shí)系數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)程度）

γ3＝0.929（養(yǎng)護(hù)齡期與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)程度）

相應(yīng)的關(guān)聯(lián)度序列為：γ2＞γ3＞γ1。計(jì)算結(jié)果表明：壓實(shí)系數(shù)對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大，其次是養(yǎng)護(hù)齡期，摻灰率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最小。

2.5 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

養(yǎng)護(hù)齡期28d、壓實(shí)系數(shù)為0.90改良土試樣的應(yīng)力與應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖中可以看出，改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈應(yīng)變軟化模型，試樣的破壞模式為典型的脆性破壞，如圖4所示。

從圖3中可以看出，曲線的起始段近似為直線，可以計(jì)算出改良土的變形模量見(jiàn)表4。

圖3 σ－ε關(guān)系曲線Fig.3 Axial stress－strain relationships

表4 改良土的變形模量Table 4 Deformation modulus of improved soil

圖4 試樣脆性破壞Fig.4 Fragile fracture of sample

由表4可知，改良土的變形模量隨著摻灰率的增大而增大，當(dāng)摻灰率達(dá)到9%時(shí)，變形模量開始減小。

3 結(jié) 論

（1）隨著摻灰率的增大改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，摻灰率9%時(shí)為最佳。

（2）改良土的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而增大，因此，在路基施工過(guò)程中，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)系數(shù)進(jìn)行碾壓。

（3）壓實(shí)系數(shù)對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大，其次是養(yǎng)護(hù)齡期，摻灰率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最小。

（4）改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈應(yīng)變軟化模型，試樣的破壞模式為脆性破壞。

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