低液限粉土改良試驗(yàn)研究

張凱華

(中咨華美(北京)路橋技術(shù)有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410008)

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低液限粉土改良試驗(yàn)研究

張凱華

(中咨華美(北京)路橋技術(shù)有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410008)

摘要:基于室內(nèi)試驗(yàn),在粉土中摻配不同比例的水泥、砂礫制作試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、CBR試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,水泥改良粉土的最佳摻量為4%,養(yǎng)生時(shí)間為28 d;砂礫改良粉土的最佳摻量為40%,此時(shí)改良效果較好且較為經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞:公路;低液限粉土;水泥;砂礫

路基作為道路結(jié)構(gòu)的主要承載體,其施工質(zhì)量的好壞直接影響整個(gè)道路的使用壽命。粉土作為一種不良路基填料,在中國分布十分廣泛。在粉土分布地區(qū)修筑道路時(shí),如果對(duì)粉土棄之不用而換填其他土質(zhì),不僅會(huì)導(dǎo)致占地面積增大、建設(shè)成本增高,也不符合當(dāng)前資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)的建設(shè)發(fā)展理念。因此,如何充分利用粉土,對(duì)其進(jìn)行一定改良使其滿足施工質(zhì)量要求十分重要。

正是在這一建設(shè)理念的指導(dǎo)下,許多科研人員進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)使用水泥、石灰、粉煤灰等無機(jī)結(jié)合材料對(duì)粉土進(jìn)行改良,效果較顯著。但從現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果來看,不同的改良材料其改良粉土的效果有所不同。商慶森等通過采用正交法對(duì)二灰改良粉土的強(qiáng)度、壓實(shí)度、配比率等進(jìn)行研究,分析了改良粉土的強(qiáng)度形成機(jī)理;朱志鐸等對(duì)水泥、石灰、固化劑的粉土改良效果進(jìn)行了對(duì)比研究,分析了CBR、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的變化規(guī)律;龔智輝提出了不同無機(jī)結(jié)合料對(duì)改良粉土的最佳摻量,并進(jìn)行了比較研究。該文在借鑒這些研究成果的基礎(chǔ)上,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)粉土土樣的改良試驗(yàn),研究粉土的物理力學(xué)變化規(guī)律。

1 粉土分布及特性分析

1.1 粉土定名與分類

根據(jù)GB 50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》、JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》等規(guī)范,粉土為粗粒組含量低于總質(zhì)量的50%,Ip＜0.73(wl-20)或Ip＜4的細(xì)粒土。ASTMD 2487-06美國《工程用土分類規(guī)程》對(duì)粉土的定名與中國規(guī)范的區(qū)別在于:美國規(guī)范使用的是圓孔篩,中國使用的是方孔篩;兩者對(duì)液、塑限儀的參數(shù)取值有所不同;兩者對(duì)過渡區(qū)范圍內(nèi)的粉土界定有所差異。但國內(nèi)外對(duì)粉土定名的基本共識(shí)是要求粉土中大于0.075 mm的顆粒含量小于50%,且塑性指數(shù)在A線以下。

此外,中國學(xué)者根據(jù)粉土形成原因的不同,將粉土細(xì)分為風(fēng)成粉土、水成粉土、殘積粉土三大類。其中:風(fēng)成粉土主要是在風(fēng)力攜帶作用下形成,主要分布在丘陵、坡麓等地;水成粉土主要是在水力搬運(yùn)作用下形成,主要分布在沖洪積扇緣、河流淺灘等地;殘積粉土主要是經(jīng)風(fēng)化而沒有搬運(yùn)的粉土,主要分布在山地、丘陵地區(qū)。

1.2 粉土區(qū)域變化規(guī)律

粉土在中國的分布十分廣泛。相關(guān)研究表明,粉土的分布范圍具有一定的區(qū)域變化規(guī)律:

(1)當(dāng)粉土由西向東變化時(shí),粉土顆粒組成中的粉粒含量逐步增多,砂粒含量逐步減少,而黏粒含量基本保持不變。主要表現(xiàn)在山東三角洲地區(qū)的粉粒含量高達(dá)90%,中部地區(qū)粉土中粉粒含量為50% ～70%,西部地區(qū)粉粒含量在30%以下。

(2)當(dāng)粉土由西向東變化時(shí),粉土中的液限值和塑限值逐漸增大,而塑性指數(shù)較為穩(wěn)定。主要表現(xiàn)在東部地區(qū)粉土的液限均值為21.4%,西部地區(qū)為33.6%;東部地區(qū)粉土的塑限值由15.4%提高到23.6%;全國粉土的塑性指數(shù)基本為9.7左右。

1.3 粉土特性分析

粉土作為路基的一種不良填料,受顆粒組成及液、塑限值的影響,實(shí)際施工中表現(xiàn)為碾壓時(shí)干時(shí)容易壓碎、揚(yáng)塵大,浸水后容易形成流體狀態(tài)、強(qiáng)度急劇下降,壓實(shí)度和強(qiáng)度經(jīng)常難以滿足規(guī)范要求。

(1)結(jié)構(gòu)特征。由于粉土中粉粒含量多,其結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為既有單粒結(jié)構(gòu),又有蜂窩結(jié)構(gòu),導(dǎo)致粉土中的毛細(xì)管較為發(fā)達(dá),對(duì)水非常敏感,保水性差,壓實(shí)時(shí)可能導(dǎo)致顆粒不均勻排列。

(2)低強(qiáng)度性。粉土中的顆粒主要靠電引力和毛細(xì)水吸附力連接在一起,當(dāng)水分蒸發(fā)后,吸附力降低,強(qiáng)度減弱;當(dāng)水分過多時(shí),其內(nèi)聚力大幅降低。因此,粉土的強(qiáng)度十分不穩(wěn)定,表現(xiàn)為低強(qiáng)度性。

(3)假塑性。粉土中的毛細(xì)現(xiàn)象十分發(fā)達(dá),其土顆粒間的毛細(xì)壓力經(jīng)常受到土粒表面張力的影響而表現(xiàn)出弱小的內(nèi)聚力,導(dǎo)致在室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常檢測(cè)出粉土的液、塑限值不符合錐入深度與含水量(h -w)關(guān)系圖。

2 水泥改良試驗(yàn)研究

2.1 基礎(chǔ)物性指標(biāo)

依托河南某在建高速公路,針對(duì)當(dāng)?shù)芈坊钪褂玫姆弁吝M(jìn)行基礎(chǔ)物理指標(biāo)數(shù)據(jù)檢測(cè),結(jié)果如表1、表2所示。

表1 粉土顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

表2 粉土級(jí)配指標(biāo)及液、塑限試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)該土樣的顆粒組成及液限、塑限試驗(yàn)結(jié)果,其粗粒組含量小于25%,液限值小于50%,為低液限粉土。

2.2 試驗(yàn)方案

路基作為道路工程的主要承載結(jié)構(gòu),它抵抗車輪荷載的能力主要體現(xiàn)在路基強(qiáng)度上。JTG D30-2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)填料的回彈模量指標(biāo)提出了具體要求,且該指標(biāo)不論是在柔性設(shè)計(jì)體系還是在剛性設(shè)計(jì)體系中都得到了廣泛應(yīng)用。因此,下面主要以回彈模量強(qiáng)度指標(biāo)為評(píng)價(jià)參數(shù),結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)分析水泥對(duì)粉土的改良效果。

水泥改良粉土試驗(yàn)方案如下:通過改變水泥摻量(2%～5%)研究粉土的回彈模量、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。首先,通過擊實(shí)試驗(yàn)制備不同水泥摻量的粉土試件,進(jìn)行不同時(shí)間的養(yǎng)生后測(cè)定其回彈模量、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值;然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到最佳水泥用量,以達(dá)到降低工程費(fèi)用的目的。

2.3 強(qiáng)度指標(biāo)分析

2.3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

對(duì)粉土分別摻加2%、3%、4%、5%的水泥,通過重型擊實(shí)儀制備試件,每種水泥劑量的試件為6個(gè)。將脫模成型的試件分別養(yǎng)生7、28、60、90 d,測(cè)試不同水泥摻量粉土在不同養(yǎng)生時(shí)間下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,結(jié)果如表3所示。

表3 不同水泥摻量粉土在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

從表3可以看出:1)隨著養(yǎng)生時(shí)間的增長(zhǎng),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增大。2)水泥摻量越大,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。3)隨齡期的延長(zhǎng),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度前期增長(zhǎng)較快,后期增長(zhǎng)較慢,28 d強(qiáng)度為90 d強(qiáng)度的35%,60 d強(qiáng)度為90 d強(qiáng)度的83%。4)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大,但當(dāng)劑量超過4%后,強(qiáng)度增長(zhǎng)速率有所降低。

2.3.2 回彈模量

回彈模量反映的是土基承載力,是道路工程的重要控制指標(biāo)。分別對(duì)粉土摻加2%、3%、4%、5%的水泥,養(yǎng)生7、28、60、90 d,通過萬能壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)成型試件進(jìn)行壓力試驗(yàn),得到其壓力和變形曲線,計(jì)算不同摻量、不同養(yǎng)生時(shí)間下粉土的回彈模量值,結(jié)果如表4所示。

表4 不同水泥摻量粉土在不同齡期下的回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知:1)回彈模量隨水泥摻量的增加而增大,當(dāng)水泥摻量由2%增加到4%時(shí),回彈模量值增幅較大;當(dāng)摻量超過4%時(shí),增幅降低。2)回彈模量隨齡期的增長(zhǎng)可分為3個(gè)階段,7～28 d為第一階段,回彈模量增幅最快;28～60 d為第二階段,回彈模量增幅降低,增長(zhǎng)速率變小;60～90 d為第三階段,回彈模量的增幅較小。

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

從水泥摻量、齡期對(duì)粉土改良試驗(yàn)結(jié)果來看,水泥摻量4%、養(yǎng)生齡期28 d是水泥改良粉土的一個(gè)重要控制點(diǎn)。當(dāng)水泥摻量小于4%、養(yǎng)生齡期小于28 d時(shí),粉土強(qiáng)度仍然有上升空間。當(dāng)超過這一控制參數(shù)時(shí),雖然粉土的強(qiáng)度仍然有所提高,但提高幅度很小,此時(shí)的粉土強(qiáng)度指標(biāo)完全滿足規(guī)范和施工要求。考慮到工程經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度要求,建議水泥改良粉土的摻量為4%、養(yǎng)生時(shí)間為28 d。

3 砂礫改良試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)機(jī)理分析

粉土在路基施工中存在的種種問題,主要是由于其特殊的顆粒結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)所決定的。粉土中粉粒含量較多,缺少足夠的砂粒和黏粒,導(dǎo)致其強(qiáng)度較低、水穩(wěn)定性較差。鑒于此,可以從改善粉土的顆粒級(jí)配角度出發(fā),通過對(duì)粉土摻加一定比例的其他土壤來改善粉土的強(qiáng)度特性。

砂礫中含有較多的大粒徑石料,其顆粒間摩阻力較大、強(qiáng)度較高、級(jí)配較好,可以為粉土提供極好的骨架作用。如果對(duì)粉土摻加適當(dāng)比例的砂礫,可使粉土與砂礫間形成緊密的狀態(tài)。從最大密實(shí)度理論的角度,此時(shí)粉土與砂礫構(gòu)成的級(jí)配空隙率最小、密實(shí)度最大、水穩(wěn)定性最好,對(duì)降低粉土路基的工后沉降、提高粉土路基的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性具有非常重要的作用。因此,可對(duì)粉土摻加適當(dāng)比例的砂礫來改善其顆粒組成結(jié)構(gòu)。

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)砂礫土改良粉土的機(jī)理,按照體積摻配法將砂礫土和粉土按3∶7、4∶6、5∶5 3種比例進(jìn)行混合,將摻配好的土樣按重型擊實(shí)法成型試件,分別測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量和CBR指標(biāo)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表5為3種摻配比例試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

由表5可以看出:砂礫土的摻量越大,粉土的抗壓強(qiáng)度越高。摻配比例為5∶5時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為3∶7、4∶6時(shí)的6.5倍和3倍。這是因?yàn)樯暗[含量的增加,使粉土顆粒間的內(nèi)摩擦角和摩阻力得到增強(qiáng),砂礫構(gòu)成骨架作用,抗壓強(qiáng)度得到提高。

表5 不同砂礫土摻配比例下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

3.3.2 抗壓回彈模量

表6為3種摻配比例試件的抗壓回彈模量。

從表6可以看出:摻配比例為5∶5時(shí)的回彈模量值分別為3∶7、4∶6時(shí)的13.5倍和4.7倍。由此可知,當(dāng)摻配比例超過40%時(shí),試件的受力結(jié)構(gòu)主要由砂礫土承擔(dān),其回彈模量值是素粉土的數(shù)倍。

3.3.3 CBR強(qiáng)度

3種摻配比例試件的CBR強(qiáng)度值如表7所示。

表7 不同砂礫土摻配比例下的CBR強(qiáng)度值

從表7可以看出:摻配比例為5∶5時(shí)的CBR強(qiáng)度值分別為3∶7、4∶6時(shí)的3.5倍和2.2倍。當(dāng)砂礫含量超過40%時(shí),其CBR強(qiáng)度值變化明顯,這種規(guī)律與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量隨摻配比例變化情況相似。說明40%的砂礫土摻配量改良效果較好且較為經(jīng)濟(jì)。在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),為了提高粉土路基填筑質(zhì)量,可在粉土中摻加40%的砂礫土進(jìn)行碾壓。

4 結(jié)論

該文基于室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)粉土進(jìn)行了水泥、砂礫改良試驗(yàn)研究,通過測(cè)試不同摻配比例試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、CBR值,分析改良粉土強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律。結(jié)論如下:水泥改良粉土的最佳摻量為4%,養(yǎng)生時(shí)間為28 d;砂礫改良粉土的最佳摻量為40%,此時(shí)改良效果較好且較為經(jīng)濟(jì)。

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收稿日期:2016-01-12

中圖分類號(hào):U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0126-03