不同擊實(shí)功對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)外對戈壁土的各種性能進(jìn)行了大量的研究，例如ZhihongNie[10]對戈壁土的濕陷性進(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]對新疆戈壁土的顆粒級配行了研究，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，是造成填料級配不良的主要原因；馬學(xué)寧[13]、楊有海等[14]對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，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??；吳福泉[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。【本研究切入點(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，初凝時間270 min，終凝時間330 min)。

水：生活用水。

1.2 方 法

1.2.1 顆分試驗(yàn)

對戈壁土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，繪制土樣顆粒級配曲線，分析土樣類別和級配情況。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)，對于粒徑介于0.075～80 mm的顆粒土樣采用篩分法，對于粒徑小于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Apparatus實(shí)驗(yàn)編號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。戈壁土土樣顆粒級配組成繪制出新疆烏恰縣戈壁土原狀土樣顆粒級配曲線。新疆烏恰縣戈壁土剔除60 mm以上顆粒土樣顆粒級配曲線。圖1，圖2

圖1 原狀土樣顆粒級配曲線

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，顆粒級配發(fā)生變化，在擊實(shí)功的作用下戈壁土的顆粒級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，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)功對墻體不同齡期強(qiáng)度的影響規(guī)律，對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，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，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w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時所對應(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)及以上時擊實(shí)次數(shù)的增加對養(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，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，施工時采用25%標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功來進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。