合黎山天然風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

秦 虎，賈劍青，張亞兵，張紅娟，李 鴻

(1.河西學(xué)院 土木工程學(xué)院， 甘肅 張掖 734000； 2.蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

鹽漬土是一種廣泛分布于我國(guó)黃河三角洲、黃淮海平原、東北松嫩平原、準(zhǔn)噶爾盆地、吐魯番盆地、塔里木盆地、甘肅河西走廊、寧夏銀川平原、內(nèi)蒙古河套灌區(qū)、青海柴達(dá)木盆地、西寧等盆地的環(huán)境敏感性的特殊土體，不同地區(qū)、不同成因、不同年代形成的鹽漬土具有不同的工程特性[1-4]，《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[5](JTG F10—2006)規(guī)定鹽漬土不能直接用于填筑路基，只有對(duì)其進(jìn)行必要的改良并達(dá)到工程技術(shù)要求后，方可作為路基填筑材料。目前對(duì)于鹽漬土改良方面的研究較多[6-15]，以粉煤灰、水泥、石灰、礦渣、硅灰、水玻璃等材料改良鹽漬土獲得了較好的工程特性，但以風(fēng)化砂作為鹽漬土改良材料的研究相對(duì)較少。

S237線平山湖(蒙甘界)至祁連(青海)公路平山湖至甘州區(qū)段擬改建公路是連接張掖市和內(nèi)蒙古的重要南北交通省際通道，是河西走廊經(jīng)過(guò)平山湖通往內(nèi)蒙古的必經(jīng)之路，特殊的地理位置和干旱、半干旱的氣候條件使得該區(qū)域分布有廣泛的硫酸鹽漬土。本文以該區(qū)域的硫酸鹽漬土為研究對(duì)象，擬采用工程沿線合黎山天然風(fēng)化砂作為改良材料，探討風(fēng)化砂摻入量對(duì)硫酸鹽漬土強(qiáng)度特性的改良效果，為河西走廊工程建設(shè)中硫酸鹽漬土的固化改良材料的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用鹽漬土和天然風(fēng)化砂均取自S237線平山湖(蒙甘界)至祁連(青海)公路平山湖至甘州區(qū)段合黎山沿線，肉眼可見(jiàn)鹽漬土表面有白色或者灰白色的鹽結(jié)皮，并有少量顆粒狀鈣質(zhì)結(jié)核，土體堅(jiān)硬，手碾不易碎，天然含水率為5.12%，塑限為14.11%，液限為23.26%，塑性指數(shù)為9.15，曲率系數(shù)為0.18，不均勻系數(shù)為4.24，級(jí)配不良，對(duì)天然鹽漬土進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)測(cè)定，測(cè)定結(jié)果為易溶鹽中陽(yáng)離子以Na+、K+為主，陰離子以SO42-、Cl-為主，Cl-/SO42-<0.3，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[16](GB 500021—2001)的含鹽量分類規(guī)定，確定研究區(qū)域內(nèi)的鹽漬土類型主要為硫酸鹽漬土。

試驗(yàn)所用天然風(fēng)化砂為合黎山紅褐色砂礫巖石風(fēng)化過(guò)程的中間產(chǎn)物，褐黃色，砂粒堅(jiān)硬且棱角分明，顆粒成分以石英、長(zhǎng)石為主，含云母，以中粗砂為主，顆粒分析試驗(yàn)表明，0.075 mm～0.250 mm的細(xì)顆粒含量為7.11%，0.50 mm～0.25 mm中顆粒含量為48.61%，0.5 mm～2.0 mm粗顆粒含量為44.28%，級(jí)配不良，試驗(yàn)材料如圖1所示。

圖1試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)方案與試樣制備

合黎山周圍環(huán)境的不同使得所取天然鹽漬土的易溶鹽含量有所不同，現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試結(jié)果表明，合黎山天然鹽漬土的易溶鹽含量在0.23%～3.16%之間，為了更好的定量分析合黎山天然風(fēng)化砂摻入量對(duì)硫酸鹽漬土的改良效果，首先將取樣的天然鹽漬土進(jìn)行全脫鹽處理使之成為素土，然后再將風(fēng)干碾碎過(guò)2 mm篩后的素土按Na2SO4質(zhì)量百分比0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%制備5組硫酸鹽漬土，每組硫酸鹽漬土再摻入過(guò)2 mm篩后按照質(zhì)量百分比0%、10%、20%、30%、40%、50%的合黎山天然風(fēng)化砂制備改良硫酸鹽漬土，最后根據(jù)改良硫酸鹽漬土的室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)所得的最優(yōu)含水率和最大干密度按照壓實(shí)度97%采用靜壓法制備試樣，參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)》[17](JTG E51—2009)并考慮到土樣制備的便利性和利用已有的土工試驗(yàn)制樣工具，確定本次試驗(yàn)的土樣為圓柱體試樣，其中制備的徑高為Φ39.1 mm×80 mm的圓柱體土樣用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，Φ61.8 mm×30 mm的圓柱體土樣用于間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，最后將制備好的土樣用至少兩層保鮮膜包裹密封在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室中靜置以備試驗(yàn)使用。

1.3 強(qiáng)度測(cè)試

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度是衡量其強(qiáng)度特性的重要指標(biāo)之一。本文試驗(yàn)參考《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[17](JTG E51—2009)進(jìn)行。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)所用儀器為裝有高精度應(yīng)力應(yīng)變傳感器的無(wú)側(cè)限壓縮儀，該儀器由加載部分、量測(cè)部分和數(shù)據(jù)采集三部分組成，設(shè)置加載速率均為0.8 mm/min，當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值時(shí)繼續(xù)進(jìn)行3%～5%的應(yīng)變停止采集數(shù)據(jù)。土體的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)主要分為直接試驗(yàn)和間接試驗(yàn)[10]，但拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)并無(wú)明顯的標(biāo)準(zhǔn)可依，本文間接拉伸試驗(yàn)采用徑向壓裂試驗(yàn)(巴西劈裂法)，根據(jù)線彈性理論計(jì)算拉伸強(qiáng)度，把制備好的61.8 mm×30 mm圓柱體試樣放在試驗(yàn)儀器的承壓板，在試樣與承壓板間放入劈裂條，使得試樣在直徑方向受到線荷載，試樣受力后沿著受力方向的直徑開(kāi)裂破壞，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)由拉壓傳感器采集并記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土強(qiáng)度分析

合黎山天然風(fēng)化砂作為一種無(wú)機(jī)結(jié)合料改良硫酸鹽漬土，強(qiáng)度是衡量其改良效果的重要指標(biāo)之一。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)做3組平行試驗(yàn)，取最相近的兩組平均值作為最終結(jié)果。在Na2SO4含量一定的鹽漬土中按照0%、10%、20%、30%、40%、50%的質(zhì)量百分比摻入合黎山天然風(fēng)化砂得到改良硫酸鹽漬土并測(cè)試改良后土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度，分析合黎山天然風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土的強(qiáng)度特性，圖2、圖3為Na2SO4含量一定的條件下，改良硫酸鹽漬土風(fēng)化砂摻入量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線、風(fēng)化砂摻入量與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系曲線。

圖2 風(fēng)化砂摻入量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖3風(fēng)化砂摻入量與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系曲線

從圖2和圖3可以看出，在Na2SO4含量一定的條件下，試驗(yàn)所得的合黎山天然風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致，隨著合黎山天然風(fēng)化砂摻入量的增加，改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度均出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，即適量摻入合黎山天然風(fēng)化砂能夠較好地改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度，最大強(qiáng)度數(shù)值出現(xiàn)在風(fēng)化砂摻入量20%附近，說(shuō)明風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土的最優(yōu)摻入比為20%。分析這一規(guī)律主要是因?yàn)橥馏w的強(qiáng)度由黏聚強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度兩部分組成[18]，改良硫酸鹽漬土的強(qiáng)度受土體本身黏聚力引起的黏聚強(qiáng)度和土顆粒與風(fēng)化砂顆粒以及風(fēng)化砂顆粒間的摩擦強(qiáng)度共同影響，細(xì)顆粒含量影響土體的凝聚強(qiáng)度，粗顆粒的多少影響土體的摩擦強(qiáng)度，合黎山鹽漬土為低液限黏性土，在硫酸鹽漬土中摻入天然風(fēng)化砂后改變了土體的顆粒組成，當(dāng)摻入風(fēng)化砂質(zhì)量百分比小于20%時(shí)，少量的風(fēng)化砂對(duì)硫酸鹽漬土顆粒間的黏聚強(qiáng)度影響較小，改良硫酸鹽漬土依然具有較好的結(jié)構(gòu)整體性，風(fēng)化砂不規(guī)則的棱角嵌合在土顆粒間增大了改良硫酸鹽漬土的摩擦強(qiáng)度，使得硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度隨著風(fēng)化砂摻入量的增大而增大，當(dāng)風(fēng)化砂摻入量大于30%之后，鹽漬土顆粒明顯減少，使得改良硫酸鹽漬土的黏聚強(qiáng)度迅速減小，而風(fēng)化砂本身沒(méi)有黏性，不能使土顆粒與風(fēng)化砂顆粒很好的團(tuán)聚在一起，使得改良硫酸鹽漬土整體結(jié)構(gòu)松散，故出現(xiàn)隨著風(fēng)化砂摻入量的增大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度減小的現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，本文選用多線式關(guān)系描述在Na2SO4含量一定條件下，硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度與合黎山天然風(fēng)化砂摻入量間的關(guān)系，得到改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與風(fēng)化砂摻入量間滿足三次函數(shù)關(guān)系，如式(1)所示，間接拉伸強(qiáng)度與風(fēng)化砂摻入量間滿足二次函數(shù)關(guān)系，如式(2)所示。

Q1=A1x3+B1x2+C1x+D1

(1)

式中：Q1為天然風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；x為天然風(fēng)化砂摻入量，%；A1、B1、C1、D1為擬合參數(shù)。

Q2=A2x2+B2x+C2

(2)

式中：Q2為天然風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土的間接拉伸強(qiáng)度，kPa；x為天然風(fēng)化砂摻入量，%；A2、B2、C2為擬合參數(shù)。

通過(guò)回歸分析，得到式(1)、式(2)中的擬合參數(shù)及R2值，見(jiàn)表1、表2。

表1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度系數(shù)擬合結(jié)果

表2 間接拉伸強(qiáng)度系數(shù)擬合結(jié)果

從表1 、表2中擬合數(shù)值可以看出，在5種Na2SO4含量下擬合公式中R2值均大于0.90，表明用多線式關(guān)系擬合改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度與合黎山天然風(fēng)化砂摻入量間的關(guān)系是合理的。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系

以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，間接拉伸強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制Na2SO4含量一定情況下，改良硫酸鹽漬土的間接拉伸強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)化砂摻入量的變化關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4間接拉伸強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

從圖4可以看出，相比于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，天然風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土的間接拉伸強(qiáng)度非常小，只有幾kPa到幾十kPa，約為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的1/6左右，在硫酸鹽漬土含鹽量一定條件下，隨著風(fēng)化砂摻入量的增加，改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律一致，當(dāng)改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大時(shí)，間接拉伸強(qiáng)度也較大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較小時(shí)，間接拉伸強(qiáng)度也較小，分析原因是影響改良硫酸鹽漬土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度的因素一致，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出，改良硫酸鹽漬土的間接拉伸強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間呈現(xiàn)良好的線性函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性均較好，具體擬合結(jié)果如表3所示。

表3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 適量摻入合黎山天然風(fēng)化砂能夠較好地改良硫酸鹽漬土的強(qiáng)度特性，隨著合黎山天然風(fēng)化砂摻入量的增加，改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度均出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。

(2) 合黎山天然風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與風(fēng)化砂摻入量間滿足三次函數(shù)關(guān)系，間接拉伸強(qiáng)度與風(fēng)化砂摻入量間滿足二次函數(shù)關(guān)系，在試驗(yàn)條件下合黎山天然風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土的最優(yōu)摻量比為20%。

(3) 合黎山天然風(fēng)化砂改良硫酸鹽漬土的間接拉伸強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間滿足線性函數(shù)關(guān)系。

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