凍融循環(huán)作用下石灰改良粉砂土力學(xué)性能研究

王麗霞，張馨月，張?jiān)讫?，?靜，孫 爽，韓 兵

吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

隨著我國黃河流域及松花江流域沿線公路建設(shè)工程的不斷擴(kuò)大,沿線大量分布的粉砂土成為路基填土的首選材料.在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),粉砂土具有黏結(jié)力小、保水性差的特點(diǎn),將其直接作為路基填土,會(huì)產(chǎn)生路基基床陷穴、翻漿冒泥等現(xiàn)象.此外,這些地區(qū)屬于我國季節(jié)性凍土地區(qū),因季節(jié)交替和晝夜溫差作用,使路基土不斷經(jīng)受凍結(jié)融化作用,造成路基凍脹翻漿、路面開裂等病害.因此,針對(duì)粉砂土進(jìn)行改良研究,有效利用現(xiàn)場(chǎng)材料,更好地服務(wù)于此類地區(qū)公路工程建設(shè)具有重要意義.

石灰作為一種低價(jià)高效的改良劑,被廣泛用于路基土改良加固中.石灰改良作用機(jī)理是通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)包括陽離子交換作用、水化作用、碳化作用和吸水作用[1],起到固化土體的作用.王天亮等[2]人以東北黏性土為試驗(yàn)對(duì)象,研究了凍融次數(shù)、凍融溫度和圍壓對(duì)石灰改良黏性土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和靜強(qiáng)度參數(shù)的影響.陳寶等[3]人以上海地區(qū)的軟土為研究對(duì)象,分析石灰摻量對(duì)最佳含水率、最大干密度、液塑限及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響,通過固結(jié)不排水三軸試驗(yàn),得出了隨摻灰量增大可使有效內(nèi)摩擦角增大且存在著一個(gè)”最佳摻灰量”使石灰改良土有效黏聚力最大的結(jié)論.韓春鵬等[4]人證明了石灰改良法可有效抑制粘土的凍脹率,路基土在最佳含水率的條件下,摻灰量越大,土的凍脹率就越小,緩解凍脹現(xiàn)象效果最佳.可見石灰對(duì)粘土、軟土的改良均取得了良好的效果.目前,用石灰對(duì)季凍區(qū)粉砂土改良卻少有研究.

本文擬通過擊實(shí)試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn),重點(diǎn)研究在最佳含水率條件下,不同摻灰量、凍融次數(shù)對(duì)改良粉砂土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律.為充分利用天然填筑原料,解決沿線土料短缺問題,節(jié)約道路建設(shè)成本提供方法.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

粉砂土取自中國東北部季凍地區(qū)吉林省松原市,其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1,屬于低液限粉質(zhì)砂土.石灰選用磨細(xì)生石灰粉,消解后有效氧化鈣加氧化鎂含量超過85 %,根據(jù)規(guī)范[5]規(guī)定屬于Ⅰ級(jí)石灰,石灰摻量為0 %,4 %,6 %,8 %,10 %.

表1 粉砂土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of silty sand

1.2 試件制備

擊實(shí)試驗(yàn)儀器選用DZY-II型電動(dòng)擊實(shí)儀以及YDT-20型電動(dòng)液壓脫模儀,見圖1～圖2.所有試驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照規(guī)范[6-7]操作.分別測(cè)出石灰摻量為4 %,6 %,8 %,10 %的試樣的最大干密度和最佳含水率.

圖1 DZY-II型電動(dòng)擊實(shí)儀Fig.1 DZY-II electric compactor

圖2 YDT-20型電動(dòng)液壓脫模儀Fig.2 YDT-20 electric hydraulic ejection device

以擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算配料的用水量,加入稱量好的粉砂土和石灰攪拌均勻,在塑料袋中密閉浸潤12 h,制成直徑39.1 mm、高度82.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件.7 d是無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料施工質(zhì)量控制的一個(gè)重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn),在YH-90B型標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d(20±2 ℃,96±1 % RH)[8],見圖3.為防止試件在養(yǎng)護(hù)過程中水分散失,將試件用保鮮膜包好并貼上標(biāo)簽區(qū)分.養(yǎng)護(hù)7 d結(jié)束后開始凍融循環(huán),將試樣放入托盤內(nèi)用保鮮膜全部密封放入冷凍箱內(nèi).在-20 ℃的冷凍箱中冷凍24 h后,在室溫下融化24 h,即完成一個(gè)凍融循環(huán),試驗(yàn)規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)為0,1,2,3,4,5,6,8,10,12次.由于負(fù)溫抑制了石灰的水化反應(yīng),養(yǎng)護(hù)期齡對(duì)土抗凍融性的影響不明顯,故凍融循環(huán)的時(shí)間不計(jì)入養(yǎng)護(hù)時(shí)間[2].達(dá)到既定的凍融次數(shù)后,取出3個(gè)試件進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn),剩余試件繼續(xù)凍融.

圖3 YH-90B型標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱Fig.3 YH-90B standard maintenance box

圖4 TSZ-1B型全自動(dòng)三軸儀Fig.4 TSZ-1B automatic tri-axial instrument

1.3 試驗(yàn)方法

三軸剪切試驗(yàn)儀器為TSZ-1B型全自動(dòng)三軸儀,操作簡單,處理數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,見圖4.三軸試驗(yàn)根據(jù)石灰摻量分為5組,每組內(nèi)分為10個(gè)凍融周期,每個(gè)凍融周期包括3組圍壓,具體工況見表2.剪切應(yīng)變速率為每分鐘應(yīng)變1.0 %,剪切開始后,應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線出現(xiàn)峰值系統(tǒng)自動(dòng)暫停剪切,若未出現(xiàn)峰值,剪切繼續(xù)進(jìn)行到軸向應(yīng)變的15 %后暫停剪切,系統(tǒng)自動(dòng)繪制不固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度包線,可直接讀取黏聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值.

表2 石灰改良粉砂土三軸試驗(yàn)具體方案Table 2 Concrete scheme of tri-axial test for silty soil improved by lime

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 最佳含水率及最大干密度

不同摻灰量的粉砂土的擊實(shí)結(jié)果見表3.

表3 不同摻灰量的粉砂土的最佳含水率及最大干密度Table 3 Optimum moisture content and maximum dry density of silty sand with different ash contents

圖5(a),(b)分別是粉砂土最佳含水率、最大干密度隨摻灰量的變化關(guān)系曲線.由圖5(a)可知,摻入石灰后,粉砂土的最佳含水率明顯增大,摻灰量為4 %時(shí),漲幅為15.94 %;摻灰量為6 %時(shí),漲幅為9 %;摻灰量為8 %時(shí),漲幅為22.26 %;摻灰量為10 %時(shí),漲幅15.82 %.由圖5(b)可知,隨石灰摻量增加,最大干密度未出現(xiàn)明顯變化,加入石灰后粉砂土的最大干密度減小,降幅在6.5 %左右,可見石灰摻量對(duì)粉砂土的最大干密度影響較小.這是由于石灰與粉砂土中的SiO2, Al2O3反應(yīng)生成較強(qiáng)膠結(jié)作用的化合物,吸引土體中的細(xì)小土顆粒凝聚成團(tuán),填充了粉砂土的孔隙改變了原有土的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致土的壓實(shí)性能發(fā)生改變,當(dāng)石灰添加到一定量時(shí),對(duì)粉砂土孔隙的影響不再發(fā)生改變.

(a) 最佳含水率隨摻灰量的曲線 (a) Curve of optimum moisture content with lime content

(b) 最大干密度隨摻灰量的曲線 (b) Curve of maximum dry density with lime content

2.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

黏聚力及內(nèi)摩擦角是土抗剪強(qiáng)度計(jì)算的重要參數(shù),圖6(a)～圖6(b)分別為未凍融時(shí)粉砂土黏聚力、內(nèi)摩擦角隨石灰摻量的變化曲線.由6(a)～圖6(b)可見,石灰粉砂土黏聚力和內(nèi)摩擦角隨石灰摻量的增加總體上呈增大趨勢(shì),當(dāng)石灰摻量為8 %時(shí)黏聚力達(dá)到最大值,當(dāng)石灰摻量超過8 %時(shí),黏聚力開始下降.其原因是石灰反應(yīng)生成較強(qiáng)膠結(jié)作用的化合物提高了石灰粉砂土的黏聚力,石灰與土的反應(yīng)不是短暫的,而是長期的持續(xù)過程,生石灰消耗了土中的自由水,生成Ca(OH)2，Mg(OH)2,繼續(xù)與CO2反應(yīng)生成CaCO3,增大了石灰粉砂土的內(nèi)摩擦角,提高了石灰改良土的后期強(qiáng)度[9],當(dāng)石灰摻量到達(dá)一定含量時(shí),過多的Ca(OH)2會(huì)包裹在土顆粒表面,阻礙了土顆粒的相互作用,減緩了黏聚力的增長.

(a) 黏聚力隨摻灰量的曲線 (a) Curve of cohesion with lime content

(b) 內(nèi)摩擦角隨摻灰量的曲線 (b) Curve of internal friction angle with lime content

圖7(a)～圖7(b)分別為不同摻灰量下,粉砂土黏聚力、內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的變化曲線.

由圖7(a)可以看出,當(dāng)凍融循環(huán)開始后,未改良粉砂土的黏聚力下降,在第8次凍融循環(huán)達(dá)到最低,下降了56 %.這是因?yàn)榉凵巴恋谋Ｋ圆?孔隙中水遇冷結(jié)冰膨脹擠壓土顆粒,融化時(shí)孔隙無法恢復(fù)原樣,孔隙體積增大改變了土顆粒的連接,造成粉砂土的黏聚力下降.

由圖7(b)可以看出,粉砂土的內(nèi)摩擦角的大小隨凍融循環(huán)的的增加上下波動(dòng),12次凍融循環(huán)結(jié)束后,內(nèi)摩擦角的大小與未凍融時(shí)改變不大.

由圖7(a) ～圖7(b)可見,當(dāng)凍融循環(huán)開始后,不同摻灰量的改良粉砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均顯著高于未改良粉砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角,隨凍融次數(shù)增加總體先降低再增長且趨于穩(wěn)定變化趨勢(shì).其原因是:一方面,由于凍脹導(dǎo)致黏聚力下降,若土的表層形成凍結(jié)鋒面,使土內(nèi)部的水向上遷移,會(huì)出現(xiàn)黏聚力上升的情況,但是水分遷移的正影響很快被抵消,另一方面,石灰反應(yīng)不斷消耗土中的水,雖然負(fù)溫會(huì)抑制石灰反應(yīng),但石灰的水化反應(yīng)是持續(xù)、緩慢進(jìn)行的,使得土的黏聚力逐漸增大直到穩(wěn)定.

(a) 不同摻灰量下黏聚力隨凍融次數(shù)的曲線 (a) Curves of cohesion with freeze- thaw frequency under different lime contents

(b) 不同摻灰量下內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的曲線 (b) Curves of internal friction anglewith freeze- thaw frequency under different lime contents

3 結(jié)論及建議

通過三軸剪切試驗(yàn)研究石灰摻量和凍融次數(shù)對(duì)石灰改良粉砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響,得出以下結(jié)論及建議:

(1) 摻入石灰后,粉砂土的最佳含水率增大,最大干密度減小,石灰摻量對(duì)最大干密度的影響不明顯,對(duì)最佳含水率的影響更加顯著.

(2) 粉砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨石灰摻量的增加而增大,在石灰摻量為8 %時(shí)達(dá)到最大值,當(dāng)石灰摻量超過8 %,粉砂土黏聚力的增長趨勢(shì)開始下降.

(3) 在凍融循環(huán)作用下,未改良粉砂土的黏聚力減小,在第8次凍融后達(dá)到最低點(diǎn),改良粉砂土的黏聚力先減小,隨著凍融次數(shù)的增加逐漸增大;凍融作用對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大,內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的增加上下波動(dòng),在第12次凍融循環(huán)后基本穩(wěn)定.

(4) 石灰改良法可以改善粉砂土的抗凍融耐久性,石灰摻量為6 %,8 %時(shí),改良效果相近,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,建議在季凍地區(qū)采用石灰改良粉砂土可將石灰摻量擬定為6 %～8 %.