不同擊實(shí)功對(duì)新疆非耕地固化戈壁土力學(xué)性能的影響

吳樂天，宋兵偉，慈 軍，王 亮，馬皓誠,史慧鋒，

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司，烏魯木齊 830091；3.農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，烏魯木齊 830091；4新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】西北地區(qū)針對(duì)沙地、鹽堿地、砂石地等非耕地上發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)開展了墻體性能、栽培技術(shù)、蓄熱儲(chǔ)能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化各項(xiàng)技術(shù)的研究[1-9]。非耕地固化戈壁土日光溫室的墻體采用就地取材的戈壁土，利用固化劑、水泥、戈壁土的拌合及碾壓手段，有效解決了墻體強(qiáng)度及耐久性問題，為新疆非耕地戈壁土墻體固化夯實(shí)和填筑施工提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，為新疆非耕地日光溫室戈壁土墻體建造提供新技術(shù)和方法?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前國內(nèi)外對(duì)戈壁土的各種性能進(jìn)行了大量的研究，例如ZhihongNie[10]對(duì)戈壁土的濕陷性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)浸水后戈壁土的變形分為三個(gè)階段：壓縮變形階段、濕陷變形階段和復(fù)合變形階段；楊斌[11]、夏瓊等[12]對(duì)新疆戈壁土的顆粒級(jí)配行了研究，發(fā)現(xiàn)新疆非耕地戈壁土地區(qū)的戈壁土填料中1～2 mm粒徑含量偏少，是造成填料級(jí)配不良的主要原因；馬學(xué)寧[13]、楊有海等[14]對(duì)新疆非耕地戈壁土地區(qū)戈壁土作為路基填料的現(xiàn)場填筑施工工法展開了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用戈壁土做填料時(shí)，填料的顆粒直徑應(yīng)小于等于60 mm，并采用取土場挖坑灌水滲透方法進(jìn)行填料拌水施工；Ishizuka[15]、Liang Yin等[16]對(duì)原狀戈壁土的變形性能研究發(fā)現(xiàn)，戈壁土具有變形穩(wěn)定快、壓縮性低的特點(diǎn)；侯彥凱[17]對(duì)戈壁土地基的濕陷特性研究發(fā)現(xiàn)，戈壁土在浸水后分為壓縮變形、濕陷變形和復(fù)合變形三個(gè)變形階段；史新等[18]擊實(shí)試驗(yàn)得出以粉質(zhì)黏土和黏土為細(xì)粒料的寬級(jí)配礫質(zhì)土的滲透系數(shù)均隨擊實(shí)功的增加呈指數(shù)函數(shù)形式下降；李耀國[19]對(duì)黃土路基壓實(shí)度影響因素研究得出，隨著壓實(shí)功的提高,土體的最大干密度增大,最佳含水量減?。粎歉Ｈ猍20]研究紅粘土的擊實(shí)特性發(fā)現(xiàn)擊實(shí)功越大,最大干密度越大、最佳含水率越小?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】選取新疆烏恰縣日光溫室的戈壁土樣和離子型固化劑，對(duì)固化戈壁土土樣在不同擊實(shí)功、不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量進(jìn)行研究，通過對(duì)比固化戈壁土在不同擊實(shí)功下的最優(yōu)含水率、最大干密度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化，研究不同擊實(shí)功對(duì)固化戈壁土的最優(yōu)含水率、最大干密度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量的影響，并優(yōu)選出滿足施工和后期運(yùn)行的固化戈壁土的擊實(shí)功?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究戈壁土墻體的力學(xué)性能隨壓實(shí)程度及齡期的變化規(guī)律，為新疆日光溫室固化戈壁土墻體碾壓施工提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

固化劑：離子型固化劑(棕黑色液體，可溶于水，密度1.15 g/cm3)。

戈壁土：新疆烏恰縣日光溫室園區(qū)土樣，取樣深度為地表以下0～1 m(土體比重2.59，最小干密度1.97 g/cm3，最大干密度2.28 g/cm3，含水率0.38%)。

水泥：選用新疆天山P·O42.5普通硅酸鹽水泥，(密度3.09 g/cm3，比表面積361 m2/kg，初凝時(shí)間270 min，終凝時(shí)間330 min)。

水：生活用水。

1.2 方 法

1.2.1 顆分試驗(yàn)

對(duì)戈壁土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，繪制土樣顆粒級(jí)配曲線，分析土樣類別和級(jí)配情況。顆粒分析試驗(yàn)按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21](GBT50123-1999)中的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于粒徑介于0.075～80 mm的顆粒土樣采用篩分法，對(duì)于粒徑小于0.075 mm的土樣采用密度計(jì)法。

1.2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用STDJ-3型數(shù)顯多功能電動(dòng)擊實(shí)儀，按《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》[22](JTG E51-2009)中的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)。不同擊實(shí)功通過改變擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)次數(shù)來實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)擊實(shí)功取125%、100%、75%、50%、25%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功，土料分3層擊實(shí)制成圓柱體試件(試件高12 cm，直徑15.2 cm)。表1

表1 擊實(shí)功試驗(yàn)參數(shù)

Table 1 Compaction experimental parameters

型號(hào)Apparatus實(shí)驗(yàn)編號(hào)Experimentalnumber標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)百分比StandardFixingpercentage(%)擊實(shí)功Compactionwork(KJ/m3)裝土層數(shù)(層)Numberofsoillayers每層擊實(shí)數(shù)(次)NumberperblowSTDJ-3型數(shù)顯多功能電動(dòng)擊實(shí)儀STDJ-3MultifunctionalelectromechanicalactuatorA1125%33603123A2100%2677398A375%2022374A450%1339349A525%683325

1.2.3 試件養(yǎng)護(hù)

制備好的固化戈壁土試件，每個(gè)試件用塑料袋密封后放在恒溫恒濕的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度在95%以上)，分別養(yǎng)護(hù)7、28、60和90 d，養(yǎng)護(hù)至齡期前1 d將固化戈壁土試件放置到(20±2)℃的清水中浸泡養(yǎng)護(hù)24 h。

1.2.4無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量試驗(yàn)依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》[22](JTG/E51-2009)中的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行(試件為圓柱形試件，試件尺寸：直徑150 mm，高150 mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒分析

顆粒分析試驗(yàn)是測定土樣中不同粒徑顆粒質(zhì)量占總干土質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用百分?jǐn)?shù)表示。戈壁土土樣顆粒級(jí)配組成繪制出新疆烏恰縣戈壁土原狀土樣顆粒級(jí)配曲線。新疆烏恰縣戈壁土剔除60 mm以上顆粒土樣顆粒級(jí)配曲線。圖1，圖2

圖1 原狀土樣顆粒級(jí)配曲線

Fig.1 Undisturbed soil particle gradation curve

圖2 剔除60 mm以上顆粒土樣顆粒級(jí)配曲線

Fig.2 Grain grading curves for particles with particle sizes above 60 mm

計(jì)算得到新疆烏恰縣戈壁土料的不均勻系數(shù)為93.3，曲率系數(shù)為1.1，相關(guān)規(guī)范[23]可知該土樣為級(jí)配良好的圓礫土。由馬學(xué)寧[13]、楊有海[14]等的研究可知當(dāng)填筑料為戈壁料圓礫土?xí)r，填筑料的粒徑應(yīng)在小于等于60 mm，所以試驗(yàn)用土是將大于60 mm的戈壁料去除后的土樣。

剔除60 mm以上粒徑的戈壁土樣的不均勻系數(shù)為76.2，曲率系數(shù)為0.55，查相關(guān)規(guī)范可知該土樣剔除60 mm后為級(jí)配不良的圓礫土。戈壁土中粒徑在1～2 mm顆粒占總土樣的比例偏少，只有2.03%，粒徑2～60 mm含量為67.89%。圖2

2.2 不同擊實(shí)

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》[22](JTG E51-2009)中的要求，將固化戈壁土土樣分三層擊實(shí)，確定不同擊實(shí)功下最優(yōu)含水率和最大干密度。圖3、圖4

圖3 不同擊實(shí)次數(shù)下固化戈壁土的擊實(shí)曲線

Fig.3 Curing curves of solidified Gobi soil under different compaction times

圖4 不同擊實(shí)次數(shù)下固化戈壁土對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率和最大干密度

Fig.4 The optimal moisture content and maximum dry density corresponding to the Gobi soil under different compaction times

隨著在擊實(shí)次數(shù)的增加，當(dāng)達(dá)到125%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)數(shù)時(shí)比100%、75%、50%、25%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)數(shù)下的最優(yōu)含水率小，最大干密度大；最大干密度隨著擊實(shí)次數(shù)的降低呈減小的趨勢，最優(yōu)含水率隨著擊實(shí)數(shù)的降低呈增長的趨勢。這是由于戈壁土體在擊實(shí)功的作用下，戈壁土顆?？朔w粒間的摩阻力，產(chǎn)生了位移，土顆粒重新在擊實(shí)過程中排列，同時(shí)隨著擊實(shí)功的作用戈壁土顆粒發(fā)生了不同程度的破碎，擊實(shí)功越大破碎率越高，反之破碎率越低，隨著固化戈壁土體的大顆粒破碎，使得土體中細(xì)小顆粒增多，顆粒級(jí)配發(fā)生變化，在擊實(shí)功的作用下戈壁土的顆粒級(jí)配的改變和顆粒自生的位移使得土體之間的空隙填充的更加密實(shí)，所以,隨著擊實(shí)功的增大最大干密度增加。當(dāng)擊實(shí)功降低時(shí)，固化戈壁土中有部分空隙未被填充密實(shí)，由一部分自由水填充，致使隨著擊實(shí)功的降低，最優(yōu)含水率在增大。圖3，圖4

2.3 不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究不同擊實(shí)功對(duì)墻體不同齡期強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)固化戈壁土在不同擊實(shí)功下的試件進(jìn)行了7、28、60、90 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析固化戈壁土在不同擊實(shí)功、不同齡期等條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。圖5

表2 不同養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

Table 2 Unconfined compressive strength at different curing ages

實(shí)驗(yàn)編號(hào)Experimentalnumber每層擊實(shí)次數(shù)(次)Numberofhits(times)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)百分比StandardFixingpercentage(%)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Unconfinedcompressivestrength(Mpa)養(yǎng)護(hù)齡期7d養(yǎng)護(hù)齡期28d養(yǎng)護(hù)齡期60d養(yǎng)護(hù)齡期90dA11231257.308.2810.0110.26A2981006.457.819.9610.16A374756.037.668.799.80A449506.007.548.459.61A525255.347.288.209.20

(a)同一齡期的抗壓強(qiáng)度隨擊實(shí)次數(shù)的變化(b)不同擊實(shí)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

圖5 不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

Fig.5 Unconfined compressive strength at different ages

研究表明，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7 d時(shí)，固化戈壁土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨擊實(shí)數(shù)的增加呈增長趨勢，擊實(shí)123次比擊實(shí)98次和25次的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了1.13和1.37倍；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)明顯可以看出,隨擊實(shí)次數(shù)的增加強(qiáng)度增幅與7 d的增幅速度相比有所減緩；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到60～90 d時(shí)擊實(shí)98次和擊實(shí)123次的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長微弱；

研究表明，擊實(shí)25、49、74、98和128次的試件養(yǎng)護(hù)90 d比7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增長1.72、1.60、1.63、1.58和1.41倍，同一擊實(shí)數(shù)的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而增長，但強(qiáng)度增長的速度是趨于減小的趨勢；擊實(shí)次數(shù)越多，固化戈壁土試件早期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅越高，但隨著試件養(yǎng)護(hù)齡期的增加，擊實(shí)次數(shù)的增加超過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)次數(shù)時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化逐漸趨于穩(wěn)定，所以一味地增加擊實(shí)次數(shù)對(duì)后期的固化戈壁土強(qiáng)度的增長貢獻(xiàn)很??；根據(jù)當(dāng)?shù)厝展鉁厥覍?duì)墻體承載能力的要求可知，固化戈壁土墻體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到5MPa即可滿足需求，離子型固化劑固化戈壁土在擊實(shí)25次時(shí)7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)5.34MPa，滿足當(dāng)?shù)厝展鉁厥覊w承載能力要求，所以采用25%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功來進(jìn)行日光溫室墻體的施工是可以滿足設(shè)計(jì)要求的。表2，圖1

2.4 不同擊石數(shù)下固化戈壁土抗壓回彈模量試驗(yàn)

固化戈壁土抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果，在同一養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)抗壓回彈模量隨著擊實(shí)數(shù)的增加而增大，增加擊實(shí)功可以提高固化戈壁土的承載能力；養(yǎng)護(hù)齡期在7、90 d時(shí)所對(duì)應(yīng)的125%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)數(shù)試件的抗壓回彈模量比25%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)數(shù)試件的抗壓回彈模量分別增加了1.63和1.34倍，表明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，增大擊實(shí)功后所對(duì)應(yīng)的抗壓回彈模量的增長幅度逐漸減??；同一擊實(shí)數(shù)的固化戈壁土試件隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，試件的抗壓回彈模量呈增長趨勢，25%和125%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)數(shù)的試件，養(yǎng)護(hù)90 d比養(yǎng)護(hù)7 d的抗壓回彈模量增長了1.93和1.58倍，表明隨著擊實(shí)功的增加，延長養(yǎng)護(hù)齡期后所對(duì)應(yīng)的抗壓回彈模量的增長幅度也在逐漸減小。圖6

圖6 不同擊實(shí)數(shù)下固化戈壁土抗壓回彈模量變化

Fig.6 Variation diagram of the elastic modulus of solidified gobi soil under different hit Numbers

3 討 論

試驗(yàn)的結(jié)果中固化戈壁土在養(yǎng)護(hù)齡期7、28 d時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著擊實(shí)數(shù)增加而增大，當(dāng)擊實(shí)數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)數(shù)及以上時(shí)擊實(shí)次數(shù)的增加對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期在60、90 d固化戈壁土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度無明顯提升，可知在標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)次數(shù)時(shí)可以得到較好的固化效果，如想提高前期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可增加擊實(shí)功。這一結(jié)果無異于前人的試驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)殡S著擊實(shí)次數(shù)的增加，擊實(shí)功在增大，擊實(shí)功越大土樣中小于5 mm的顆粒越多[24-26]，在外力機(jī)械的作用下使得戈壁土顆粒產(chǎn)生位移，顆粒之間重新排列和填充，減少了固化戈壁土中的空隙，使得固化戈壁土填充的更加密實(shí)。此外摻入水泥后，早期發(fā)生水化反應(yīng)在試件的孔隙處形成了不溶于水的C-S-H凝膠和C-A-H晶體，將戈壁土顆粒膠凝在一起形成一個(gè)整體，提高了固化戈壁土的早期強(qiáng)度；離子型固化劑與含有一定水分的戈壁土混合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的網(wǎng)狀晶體，在戈壁土中可以起到強(qiáng)度骨架的作用。戈壁土顆粒與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了一些不溶于水且強(qiáng)度較高的物質(zhì)，填充于土體骨架之中，使固化土形成不可逆的堅(jiān)實(shí)板體，并具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。此外，固化土樣經(jīng)過壓力機(jī)壓實(shí)等作用，固化土顆粒相互靠近，減少了固化土中的空隙，使固化土體更加密實(shí)，進(jìn)一步提高了固化戈壁土的抗壓能力。

4 結(jié) 論

4.1 隨著擊實(shí)功的增加，固化戈壁土的最大干密度隨之增大，最優(yōu)含水率隨之減小，125%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功比25%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功的最大干密度提升1.03倍，最優(yōu)含水率減小1.28倍。

4.2 養(yǎng)護(hù)90 d齡期的固化戈壁土在25%～125%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升了1.41～1.72倍。

4.3 在同一養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，固化戈壁土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著擊實(shí)功的增大而增大。當(dāng)擊實(shí)功相同時(shí)，固化戈壁土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈上升趨勢。

4.4 固化戈壁土試件在同一養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)抗壓回彈模量隨著擊實(shí)功的增大而增大，抗壓回彈模量最大可提升1.63倍。

4.5 提高固化戈壁土早期的力學(xué)性能可以增加擊實(shí)功來時(shí)實(shí)現(xiàn)，但擊實(shí)功超過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功后，固化戈壁土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)60～90 d相比標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功的試件強(qiáng)度沒有明顯增長，且25%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功的固化戈壁土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度即滿足施工需求，施工時(shí)采用25%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功來進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。