粉砂改良土抗剪強度特性試驗研究

葉朝良,李 青,岳祖潤

(石家莊鐵道大學土木工程學院,河北石家莊 050043)

粉砂改良土抗剪強度特性試驗研究

葉朝良,李 青,岳祖潤

(石家莊鐵道大學土木工程學院,河北石家莊 050043)

通過無側限抗壓強度試驗、直接剪切試驗、三軸壓縮試驗,對純砂和水泥改良粉砂的強度特性進行試驗研究,結果表明:該粉細砂存在一定的黏聚力,其最優(yōu)水泥的摻入比為3.5%;水泥摻入對粉砂來說主要體現(xiàn)在c值的增長上,對φ值的影響不明顯;水泥改良粉砂的強度隨著齡期的延長而增加。

路基填料;粉砂;水泥改良土;強度;試驗

漢宜鐵路正線路基全長125.0 km,占全線長度42.8%,但鐵路沿線路基A、B組填料缺乏,而C組填料(指當?shù)氐姆凵?分布廣泛,但由于粉砂土特殊的顆粒組成和形狀導致其路用性能極差,高速公路和高速鐵路的路基施工中基本不采用粉砂土作為填筑材料。高速鐵路對路基的工后沉降有嚴格的要求,無砟軌道路基工后沉降應符合扣件調(diào)整能力和線路豎向線圓順的要求,工后沉降不宜超過15 mm;當沉降比較均勻且豎曲線型圓順時,允許的工后沉降為30 mm。高速鐵路路堤的填料宜選用A、B組填料和C組碎石、礫石類填料;當選用C組細粒土填料時,應根據(jù)填料性質(zhì)進行改良后填筑[1]。

近年來,對粉砂改良土的研究相對較少。孫四平[2]等人針對秦沈客運專線東段優(yōu)質(zhì)填料嚴重缺乏,對沿線大量的粉砂土通過摻和角礫土進行了物理穩(wěn)定改良,現(xiàn)場試驗表明,物理改良后的填料,力學指標滿足填筑要求,壓實方便。章國輝[3]結合秦沈客運專線A14～A20標段沿線廣泛分布粉砂土,無法滿足路堤壓實標準的要求,對粉砂土物理改良配比進行了試驗,進而提出了一套改良土施工工藝。李希明等[4]基于Soilfix固化劑改良粉砂土的最優(yōu)配合比,進行了改良粉砂土的CBR試驗、回彈模量試驗和干濕循環(huán)試驗,結果表明Soilfix固化劑能明顯提高粉砂土的路用性能。陳湘亮[5-6]等根據(jù)相關文獻及試驗測試結果,對武廣高速鐵路中弱-強風化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土進行綜合評價并對弱-強風化泥質(zhì)粉砂巖用作高速鐵路路堤填料的適宜性進行了試驗研究,王思海[7]研究了粉砂土的工程性質(zhì)、壓實機理和路基邊坡水毀機理,結果表明水毀破壞一般發(fā)生在邊坡表面。胡向東[8]對上海灰黃色粉砂開展水泥改良土凍脹融沉性質(zhì)的試驗研究揭示了水泥改良土擬制凍脹融沉的機理、檢驗水泥改良地層治理凍脹融沉的有效性。趙勇[9]對泥質(zhì)粉砂巖全風化物化學改良土路基的動力特性進行了測試研究。尹正貴等[10]通過對多種改良粉砂土進行擊實試驗,得到改良土所對應的最佳含水量與最大干密度,并對試驗結果進行分析,說明雙摻石灰、水泥在增強粉砂土壓實度方面的效果更好。

為因地制宜利用當?shù)胤凵疤盍?擬采用水泥為改良劑對粉砂進行改良。結合工程實際要求,通過重型擊實試驗、無側向抗壓強度試驗確定出最優(yōu)水泥摻入比。在此基礎上,進行了不同齡期的直接剪切試驗、固結試驗、無側限抗壓強度試驗、三軸壓縮試驗等,研究其強度特性。

1 粉砂基本物性指標

試驗所用粉砂土取于湖北省仙桃市境內(nèi)。試驗得到粉砂土的顆粒密度為2.71g/cm3。采用篩分法和移液管法相結合,得到粉砂的顆粒級配見表1,級配曲線見圖1。

表1 粉砂的顆粒分析試驗結果%

圖1 粉砂1～6號樣級配曲線

顆粒分析試驗結果表明,其粒徑單一,顆粒分布均勻,大于0.075 mm的顆粒含量在76.9%～81.9%左右,根據(jù)文獻[11]判定為粉砂;根據(jù)《鐵路路基設計規(guī)范》(TB10001—2005)的要求,粉砂屬于C組填料,不滿足高速鐵路路基設計的要求。級配曲線的曲率系數(shù)Cc和不均勻系數(shù)Cu值,均不能同時滿足Cu＞5,Cc= 1～3的要求,故該粉砂級配不良,粒徑在0.075～0.25 mm的顆粒含量在75%左右,說明粉砂在粒徑0.075～0.25 mm大量集中。

粗顆粒土的性質(zhì)主要取決于土的顆粒級配,與其物理力學性質(zhì)有著一定的關系。由于粉砂粒徑較小,磨圓度好,且級配不良,在工程荷載作用下一般不會發(fā)生顆粒被壓壞或擠壞,容易產(chǎn)生滑移,難以壓實,容易受到水的沖刷作用,產(chǎn)生表層溜滑。

2 水泥改良粉砂最優(yōu)配合比的確定

2.1 重型擊實試驗

通過純砂和水泥摻入比分別為3%、5%、8%、10%土樣的重型擊實試驗得到不同摻入比下的最大干密度和最佳含水率,擊實試驗結果見表2。

_________表2 純砂及水泥改良粉砂擊實試驗成果

從表2和圖2、圖3中可以看出:粉砂的最大干密度隨著水泥摻入比的增加幾乎成線性增大,但增加幅度不大;最佳含水率隨著摻入比的增加呈下降的趨勢。

圖2 水泥摻入比與最優(yōu)含水率的關系

圖3 水泥摻入比與最大干密度的關系

按照規(guī)范[12]規(guī)定進行。通過重型擊實試驗,確定出不同水泥摻入比條件下的最大干密度和最佳含水率;然后按照不同的壓實系數(shù)進行制樣并養(yǎng)護,按照規(guī)范要求養(yǎng)生期取7 d,養(yǎng)生期最后一天放入水中浸泡24 h,之后進行無側限抗壓強度試驗,進而確定出滿足規(guī)范要求的水泥摻入比,并進行驗證試驗。

2.2 無側限抗壓強度試驗

按照規(guī)范要求的壓實系數(shù)(K=92%、K=95%)進行制樣,無側限抗壓強度測定儀器采用三軸壓縮儀,試樣的變形速率為0.9 mm/min。養(yǎng)護到期后進行試驗。7 d無側限抗壓強度試驗結果見表3和圖4。

___________表3 7 d無側限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)

圖4 水泥摻入比、壓實度與無側限抗壓強度的關系

通過表3和圖4可看出,水泥改良粉砂的無側限抗壓強度隨著水泥摻入比的增加而不斷提高。水泥摻入比為3%時,K=95%比K=92%的平均強度提高了大約43.3%;水泥摻入比為5%時,K=95%比K=92%的平均強度提高了大約38.0%,水泥摻入比為8%時, K=95%比K=92%的平均強度提高了大約5.0%。隨著摻入比的增加,壓實系數(shù)對水泥改良土影響越來越弱。當水泥摻入比為8%時,強度隨壓實系數(shù)的提高不是特別顯著。

遵照高速鐵路路基設計規(guī)范,根據(jù)上述試驗結果,結合現(xiàn)場施工工藝,從安全角度出發(fā),確定室內(nèi)試驗的最優(yōu)水泥摻入比為3.5%。

3 水泥改良粉砂抗剪強度特征

通過對純砂和水泥摻入比為3.5%時土樣進行直接剪切和三軸壓縮試驗,分析粉砂改良前后強度的變化,以及壓實度、齡期對其抗剪強度的影響。

3.1 直接剪切強度

直接剪切試驗結果見表4,抗剪強度參數(shù)c、φ隨齡期的變化見圖5和圖6。

從表4中數(shù)據(jù)可以看出純砂的c值和φ值,隨著壓實系數(shù)的增長而略有增長。一般認為,純砂的c值應該為0,而本地區(qū)粉砂的c值大于0,并與粉土比較相近,產(chǎn)生這一結果的原因是在粉砂中含有一定量的細粒土;另一方面是由于粉砂是在最佳含水率的條件下進行測定的,水的存在使粉砂具有負孔隙水壓,從宏觀上就表現(xiàn)為一定的“假黏聚力”。

3.5 %水泥的加入對粉砂的抗剪強度的影響是比較明顯的,特別是對c值的影響,當壓實系數(shù)K=92%時,從純砂的21.3 kPa到3 h30 min的38.3 kPa提高了近1倍,再到28 d的93.1 kPa,提高了約3.5倍。但摻入水泥后對φ值的影響比較小,隨著齡期的增長,K= 92%時變化范圍為33.5°～41.8°、K=95%時變化范圍為35.8°～42.5°。由此可以得出,3.5%的水泥加入對粉砂的影響將主要體現(xiàn)在c值的影響上,而且在齡期為14 d之前增長較快也比較明顯。隨著齡期的增長c值也在提高,增幅有逐漸減小的趨勢。

壓實系數(shù)對水泥改良粉砂抗剪強度的影響,在齡期為7 d時,壓實系數(shù)K=95%的水泥改良粉砂的c值是K=92%的1.37倍;14 d為1.37倍;28 d時為1.24倍。壓實系數(shù)對其的影響也是體現(xiàn)在c值上,對φ值的影響不明顯。

_______________表4 直接剪切試驗成果________________

圖5 直剪試驗改良粉砂c值與齡期的關系

圖6 直剪試驗改良粉砂φ值與齡期的關系

3.2 三軸剪切強度

對純砂和水泥摻入比為3.5%的改良粉砂進行固結不排水(CU)試驗,據(jù)水泥改良粉砂在工程中實際工作的應力狀態(tài)選擇圍壓分別為50、100 kPa和200 kPa,得到水泥改良粉砂的抗剪強度指標c值和φ值(表5),抗剪強度參數(shù)c、φ值與齡期的關系見圖7和圖8。

_______________表5 三軸剪切試驗成果________________

圖7 三軸試驗改良粉砂c值與齡期的關系

圖8 三軸試驗改良粉砂φ值與齡期的關系

從表5、圖7和圖8可以看出,三軸剪切試驗結果與直剪試驗結果相似,3.5%水泥的加入對粉砂的抗剪強度的影響仍然主要體現(xiàn)在c值上,而且隨著齡期的增長而逐漸增長,3 d之內(nèi)c值的提高是比較快的,以后增幅變小,但是對φ值影響不明顯。壓實系數(shù)對改良粉砂的c值影響比較大,對φ值的影響比較小。

水泥改良粉砂的抗剪強度參數(shù)的變化是基于水泥的固化作用而產(chǎn)生的。水泥的加入強化了顆粒間的聯(lián)結強度,提高了顆粒之間的膠結作用,致使水泥改良粉砂的強度提高,這對于粉砂的壓實效果和粉砂路基的邊坡穩(wěn)定有著重要價值。

4 結論

通過無側限抗壓強度試驗、直接剪切試驗、三軸壓縮試驗,對純砂和水泥改良粉砂所表現(xiàn)出的強度特性進行了試驗研究分析,主要結論如下。

(1)通過試驗數(shù)據(jù)分析,結合工程實際和規(guī)范要求,選定了水泥的摻入比為3.5%。同時,證明隨著養(yǎng)護齡期的延長,水泥改良粉砂的無側限抗壓強度隨著齡期的延長而增加。

(2)純砂的直剪試驗和三軸壓縮試驗(Cu)結果表明漢宜高速鐵路粉砂含有一定的細粒土,從而使粉砂具有一定的黏聚力,這對于路基強度和穩(wěn)定性來說是有利的。

(3)3.5%水泥摻入比對粉砂來說主要體現(xiàn)在c值的增長上,水泥的加入改善了粉砂的內(nèi)部結構,大大提高了黏聚力c值,從而提高改良粉砂的抗剪強度,但對φ值的影響不是特別明顯。水泥的加入強化了顆粒間的聯(lián)結強度,提高了顆粒之間的膠結作用,致使水泥改良粉砂的強度提高,這對于粉砂的壓實效果和粉砂路基的邊坡穩(wěn)定有著重要價值,改良效果是明顯的。

[1] 鐵道第一勘察設計院.TB10001—2005鐵路路基設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2] 孫四平,等.秦沈客運專線粉砂土機械穩(wěn)定改良試驗[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2001,24(6):1101-1104.

[3] 章國輝.粉砂土物理改良配比試驗及分析[J].鐵道標準設計, 2001(10):42-43.

[4] 李希明,葉為民,馮守中.Soilfix改良粉砂土路用性能試驗研究[J].低溫建筑技術,2012(12):99-102.

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[6] 陳湘亮等.泥質(zhì)粉砂巖改良土路基填料適宜性試驗分析[J].中南大學學報:自然科學版,2013,44(10):4287-4293.

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[8] 胡向東.上?；尹S色粉砂水泥改良土凍脹融沉性質(zhì)實驗[J].煤炭學報,2009,34(3):334-339.

[9] 趙勇.泥質(zhì)粉砂巖化學改良土動力特性測試與分析[J].鐵道工程學報,2012(3):22-25.

[10]尹正貴,等.黃泛區(qū)粉砂土路基處理方法的研究[J].河南科學, 2013,31(5):616-620.

[11]鐵道第一勘察設計院.TB10077—2001鐵路工程巖土分類標準[S].北京:中國鐵道出版社,2001.

[12]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.TB10102—2010鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

Experimental Study on Shear Strength Performance of Cement-improved Silty Sand

YE Chao-liang,LI Qing,YUE Zu-run
(College of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

The strength performance of pure sand and cement-improved silty sand is studied with unconfined compressive strength test,direct shear test and triaxial compression test.The test results show that the silty sand has certain cohesion,the best content of cement is 3.5%;silty sand mixed with cement increases mainly the cohesion and influences less obviously the internal friction angle and the strength of cement-improved silty sand increases with curing age prolonged.

Subgrade fillings;Silty sand;Cement-improved soil;Strength;Test

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.009

1004-2954(2014)12-0036-04

2014-04-19;

20140507

國家科技支撐計劃(2012BAG05B00)

葉朝良(1969—),男,教授,工學博士,E-mail:yechl001@ 163.com。