凍融作用下粉煤灰/石灰改良粉砂土靜力特性研究

王麗霞，韓 兵，張?jiān)讫?，?靜，孫 爽，張馨月

吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

粉砂土在自然情況下具有含水率較低、細(xì)顆粒毛細(xì)作用發(fā)達(dá)等特性,粉砂土路基凍結(jié)時(shí)易發(fā)生水分遷移和積聚的現(xiàn)象[1].我國季凍區(qū)分布廣泛,路基土隨著季節(jié)性或長期性溫度變化等因素進(jìn)行了凍結(jié)、融化的過程,這種凍融循環(huán)嚴(yán)重影響路基的承載力和耐久性[2-6].由于季凍區(qū)和粉砂土分布的廣泛,在道路工程建設(shè)時(shí)難以避免遇到季凍區(qū)粉砂土路基,完全換填會(huì)使工程成本大幅增加，故在凍融循環(huán)作用下研究改良粉砂土路基很有必要.

目前,有關(guān)凍融循環(huán)作用下石灰改良路基土的效果得到了廣泛的認(rèn)可,但研究的土質(zhì)一般為膨脹土、黏土、軟土、鹽漬土和黃土等路基土[7-14]且采用石灰和粉煤灰/石灰(以下簡稱二灰)改良粉砂土路基的研究卻不多.已有研究表明,改良土的抗凍融耐久性良好,但并不是摻量越多越好,而是需要確定最佳摻量.

本文通過對(duì)石灰改良粉砂土的靜力特性研究,找到石灰改良粉砂土中的石灰最佳摻量,再以此摻量為基礎(chǔ),加入粉煤灰進(jìn)行二灰改良,找到粉煤灰/石灰改良粉砂土中的二灰最佳摻量比,為季節(jié)性凍土區(qū)粉砂土路基底層填料的改良設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

土樣取自松原,為東北的粉砂土質(zhì),試驗(yàn)選用石灰摻合料對(duì)粉砂土進(jìn)行改良.根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[15],獲得土樣基本物理參數(shù)如表1所示.

表1 土樣基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of soil samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別選取0 %，4 %，6 %，8 %和10 %的石灰摻量,在不同凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓下進(jìn)行靜三軸試驗(yàn)[16-17].選擇凍結(jié)溫度為-20、凍結(jié)時(shí)間為12 h,融化溫度為20 ℃、融化時(shí)間為12 h,此過程為1個(gè)周期的循環(huán) (24 h).凍融循環(huán)次數(shù)為0次 ～ 12次.凍融循環(huán)完成后,取出試樣,進(jìn)行靜三軸不固結(jié)不排水(Unconsolidated undrained,英文縮寫為UU)剪切試驗(yàn).

通過對(duì)比分析各石灰摻量下粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度,確定并獲得石灰改良路基粉砂土中的石灰最佳摻量,并在此石灰最佳摻量基礎(chǔ)上外摻粉煤灰進(jìn)行二灰改良,選取的粉煤灰:石灰摻量比分別為1∶1,2∶1,3∶1和4∶1,進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓下的靜三軸試驗(yàn).

1.3 試驗(yàn)過程

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

石灰改良粉砂土的主要步驟:首先,將一定量石灰加入土樣并初步攪拌,加入達(dá)到最佳含水率所需的蒸餾水量,并拌勻,密封,浸潤一夜.利用擊實(shí)器分三層擊實(shí)使石灰土達(dá)到96 %的壓實(shí)度,所得試樣尺寸為高度H=80.0 mm、直徑D=39.1 mm,用保鮮膜包裹密封后,為了達(dá)到自然養(yǎng)護(hù)180 d的最終效果,放在60 ℃高溫養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d. 第8天開始進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn).本試驗(yàn)儀器選用南京智龍科技開發(fā)有限公司出廠的TSZ全自動(dòng)三軸儀(見圖1),圍壓為20 kPa，50 kPa和80 kPa,加載速率為0.8 mm/min,控制應(yīng)變?yōu)?9 %(峰值停止).

二灰改良粉砂土所用養(yǎng)護(hù)條件和試驗(yàn)方法同上.

2 石灰改良粉砂土試驗(yàn)

通過擊實(shí)試驗(yàn),得到石灰改良粉砂土在各摻量下的最佳含水率和最大干密度,結(jié)果如表2所示.

表2 石灰改良粉砂土的最佳含水率和最大干密度Table 2 Optimum moisture content and maximum dry density of silty soil improved by lime

2.1 凍融對(duì)石灰改良粉砂土粘聚力的影響

各摻量下石灰改良粉砂土粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖2所示.各摻量下石灰改良粉砂土前后粘聚力相對(duì)變化量[即:(石灰改良粉砂土的粘聚力-素土的粘聚力)/素土的粘聚力]與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖3所示.

圖2 不同摻量石灰改良粉砂土粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relation between the cohesion and the numberof freezing-thawing cycles of the silty soil improved by different contents of lime

圖3 不同摻量石灰改良粉砂土粘聚力相對(duì)變化量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relation between the relative variable quantity in cohesion and the number of freezing-thawing cycles of the silty soil improved by different contents of lime

由圖2可知,在相同條件下,凍融循環(huán)次數(shù)增加時(shí),土體粘聚力的大小呈波動(dòng)狀態(tài).粘聚力初期的減小可能是由于土體剛開始進(jìn)行凍融,環(huán)境的突然變化導(dǎo)致土體中水分變化較大,顆粒間進(jìn)行了重組,粘結(jié)能力降低.摻入的石灰與土體中的水反應(yīng)生成有膠結(jié)作用的物質(zhì),使土顆粒結(jié)合更加緊密,粘聚力增加.因此,土體中發(fā)生的化學(xué)變化和凍融循環(huán)導(dǎo)致的顆粒重組是引起粘聚力不斷波動(dòng)的原因.在本文所涉及到的石灰各摻量中,當(dāng)石灰摻量為6%時(shí),石灰改良粉砂土粘聚力受凍融循環(huán)作用的影響最小,表明6 %石灰摻量的石灰改良粉砂土抗凍性較好.

由圖3可知,粘聚力波動(dòng)幅度隨石灰摻量的增大而減小,當(dāng)摻量為6 %時(shí),不同凍融循環(huán)次數(shù)下粘聚力的最大值是素土(即未改良土)的4.67倍;在摻量相同時(shí),一般在第4次凍融循環(huán)后粘聚力的增幅最小,第8次凍融循環(huán)后粘聚力的增幅最大.與石灰摻量為8 %，10 %的改良粉砂土相比,石灰摻量為4 %，6 %的改良粉砂土粘聚力的增幅相對(duì)較大,且與石灰摻量為4 %的改良粉砂土比較,石灰摻量為6 %的改良粉砂土粘聚力更穩(wěn)定.綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性,以粘聚力為目標(biāo)指標(biāo)時(shí),石灰摻量為6 %較合理.

2.2 凍融對(duì)石灰改良粉砂土內(nèi)摩擦角的影響

各摻量的石灰改良粉砂土內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖4所示.各摻量的石灰改良粉砂土前后內(nèi)摩擦角相對(duì)變化量[即:(石灰改良粉砂土的內(nèi)摩擦角-素土的內(nèi)摩擦角)/素土的內(nèi)摩擦角]與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖5所示.

由圖4～圖5可知,石灰改良后的粉砂土的內(nèi)摩擦角明顯大于素土的內(nèi)摩擦角.當(dāng)石灰摻量相同時(shí),內(nèi)摩擦角的變化與凍融循環(huán)次數(shù)無明顯關(guān)系,基本在10°～25°之間波動(dòng),且在第5次凍融循環(huán)時(shí)增幅較為明顯.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí),隨石灰摻量的增加,內(nèi)摩擦角基本上呈先增后減趨勢且一般當(dāng)石灰摻量為8 %時(shí)內(nèi)摩擦角最大.因此,當(dāng)以內(nèi)摩擦角為指標(biāo)時(shí),石灰摻量為8 %較合理.

圖4 不同摻量石灰改良粉砂土內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relation between the internal friction angle andthe number of freezing-thawing cycles of the siltysoil improved by different contents of lime

圖5 不同摻量石灰改良粉砂土內(nèi)摩擦角相對(duì)變化量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relation between the relative variable quantity ininternal friction angle and the number of freezing-thawingcycles of the silty soil improved by different contents of lime

2.3 凍融對(duì)石灰改良粉砂土抗剪強(qiáng)度的影響

土體通常都是因剪切而被破壞.土體產(chǎn)生剪切破壞是因?yàn)橥令w粒的抗壓能力較強(qiáng)且土體產(chǎn)生相對(duì)滑移的情況更為常見.將靜三軸試驗(yàn)測得的參數(shù)代入下式：

τ=0.5(σmax-σmin)sin2(45°+0.5φ)

(1)

式中,τ為破壞面的剪應(yīng)力,kPa;σmax為最大主應(yīng)力,kPa;σmin為最小主應(yīng)力,kPa;φ為內(nèi)摩擦角,°.

由式(1)算出破壞面的剪應(yīng)力,又因破壞面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強(qiáng)度,因此可得抗剪強(qiáng)度,進(jìn)而給出最佳含水率時(shí)不同石灰摻量的改良粉砂土在不同圍壓作用下抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系,如圖6所示.

圖6 不同圍壓下不同摻量石灰改良粉砂土抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relation between the shear strength and the number of freezing-thawing cycles ofthe silty soil modified by different contents of lime under different confining pressure values

由圖6可知,相同的石灰摻量和凍融循環(huán)次數(shù)條件下,抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大.當(dāng)石灰摻量相同時(shí),抗剪強(qiáng)度的變化與凍融循環(huán)次數(shù)無明顯關(guān)系,但抗剪強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)波動(dòng).在本文所涉及到的石灰各摻量中,當(dāng)石灰摻量為6%時(shí),石灰改良粉砂土抗剪強(qiáng)度受凍融循環(huán)作用的影響最小,表明6 %石灰摻量的石灰改良粉砂土抗凍性較好.

當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí),隨石灰摻量的增大抗剪強(qiáng)度先增后減,且當(dāng)石灰摻量為6 %時(shí)抗剪強(qiáng)度最大.因此,當(dāng)以抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)時(shí),摻量為6 %較合理.

綜合考慮粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度、凍融和經(jīng)濟(jì)等因素,可得出石灰改良路基粉砂土的石灰最佳摻量為6 %.

3 粉煤灰/石灰(二灰)改良粉砂土試驗(yàn)

通過擊實(shí)試驗(yàn)得到粉煤灰/石灰(二灰)改良粉砂土各摻入比下的最佳含水率和最大干密度,結(jié)果如表3所示.

表3 二灰改良粉砂土的最佳含水率和最大干密度Table 3 Optimum moisture content and maximum dry density of the silty soil improved by fly ash/lime

3.1 凍融對(duì)二灰改良粉砂土粘聚力的影響

不同二灰摻量比下改良粉砂土粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖7所示.不同二灰摻量比下改良粉砂土與最佳石灰摻量的改良粉砂土之間粘聚力相對(duì)變化量[即:(二灰改良粉砂土的粘聚力-最佳石灰摻量(6 %)改良粉砂土的粘聚力)/最佳石灰摻量(6 %)改良粉砂土的粘聚力]與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖8所示.

圖7 粉煤灰與石灰的不同摻量比改良粉砂土粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relation between the cohesion and the numberof freezing-thawing cycles of the silty soil modifiedby different content ratios of fly ash to lime

圖8 粉煤灰與石灰的不同摻量比改良粉砂土粘聚力相對(duì)變化量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relation between the relative variable quantity incohesion and the number of freezing-thawing cycles of thesilty soil modified by different content ratios of fly ash to lime

由圖7可知,二灰改良粉砂土的粘聚力明顯高于石灰改良粉砂土的粘聚力.這是因?yàn)榉勖夯抑泻谢钚匝趸X和氧化硅,在石灰的激活作用下,生成膠結(jié)物和晶體等物質(zhì),增強(qiáng)了土體的粘聚力.在二灰摻量比一定的條件下,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,粘聚力的變化沒有固定規(guī)律,但在第1次凍融循環(huán)后,粘聚力大體呈增大趨勢,隨后呈波動(dòng)狀態(tài),并在第8次凍融循環(huán)后粘聚力基本達(dá)到最小值,在本文所涉及到的二灰各摻量比中,在粉煤灰∶石灰為1∶1時(shí),二灰改良粉砂土粘聚力受凍融循環(huán)作用的影響最小,表明1∶1的二灰改良粉砂土抗凍性較好,但其粘聚力偏低.在凍融循環(huán)次數(shù)一定的條件下,粘聚力隨二灰摻量比的增加而增大.

由圖8可知,當(dāng)粉煤灰∶石灰=1∶1時(shí),與單摻石灰相比,粘聚力增大幅度并不明顯,相對(duì)增幅最大為1.48.當(dāng)粉煤灰∶石灰=2∶1 ～ 4∶1時(shí),與單摻石灰相比,粘聚力增幅增大,且當(dāng)粉煤灰∶石灰=4∶1時(shí),相對(duì)增幅最大可達(dá)3.84 .對(duì)粘聚力單一指標(biāo)而言,二灰改良粉砂土中的粉煤灰∶石灰最佳摻量比為4∶1.

3.2 凍融對(duì)二灰改良粉砂土內(nèi)摩擦角的影響

不同二灰摻量比下改良粉砂土內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖9所示.不同二灰摻量比下改良粉砂土與石灰最佳摻量的改良粉砂土之間內(nèi)摩擦角相對(duì)變化量[即:(二灰改良粉砂土的內(nèi)摩擦角-最佳石灰摻量(6 %)改良粉砂土的內(nèi)摩擦角)/最佳石灰摻量(6 %)的石灰改良粉砂土的內(nèi)摩擦角]與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖10所示.

圖9 粉煤灰與石灰的不同摻量比改良粉砂土內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relation between the internal friction angle and thenumber of freezing-thawing cycles of the silty soil modifiedby different content ratios of fly ash to lime

圖10 粉煤灰與石灰的不同摻量比改良粉砂土內(nèi)摩擦角相對(duì)變化量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.10 Relation between the relative variable quantity in internalfriction angle and the number of freezing-thawing cycles of thesilty soil modified by different content ratios of fly ash to lime

由圖9 ～ 圖10可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,二灰改良粉砂土的內(nèi)摩擦角沒有明顯的變化規(guī)律,只是在5°～ 45°之間波動(dòng),隨著二灰摻量比的增加,內(nèi)摩擦角的變化范圍先增后減,且當(dāng)粉煤灰∶石灰=2∶1時(shí),內(nèi)摩擦角的變化范圍最大為31.7°;內(nèi)摩擦角受粉煤灰摻入的影響并不大,與石灰改良土相比,后摻入粉煤灰改良土的內(nèi)摩擦角平均相對(duì)變化量為0.26.

3.3 凍融對(duì)二灰改良粉砂土抗剪強(qiáng)度的影響

圖11 不同圍壓下粉煤灰與石灰的不同摻量比改良粉砂土抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.11 Relation between the shear strength and the number of freezing-thawing cyclesof the silty soil modified by different content ratios of fly ash to lime under different confining pressure values

由圖11可知,當(dāng)二灰摻量比和凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí),抗剪強(qiáng)度隨圍壓增大而增大;未凍融時(shí)抗剪強(qiáng)度較大,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,抗剪強(qiáng)度呈波動(dòng)變化且在第8次凍融循環(huán)時(shí)達(dá)到最小值;在本文所涉及到的二灰各摻量比中,在粉煤灰∶石灰為1∶1時(shí)二灰改良粉砂土抗剪強(qiáng)度受凍融循環(huán)作用的影響最小,表明1∶1的二灰改良粉砂土抗凍性較好,但其抗剪強(qiáng)度偏低;在粉煤灰∶石灰為3∶1時(shí)二灰改良粉砂土抗剪強(qiáng)度受凍融循環(huán)作用的影響較小,表明3∶1的二灰改良粉砂土抗凍性較好和抗剪強(qiáng)度較大.圍壓一定時(shí)二灰改良粉砂土抗剪強(qiáng)度隨粉煤灰摻入量的增加而增大.由于石灰能激活粉煤灰活性,隨著粉煤灰摻量的增加,加大了土體中粉煤灰與石灰發(fā)生反應(yīng)的可能性,因此,抗剪強(qiáng)度隨改良粉砂土中粉煤灰摻量的增加而增大.

綜上,得出當(dāng)二灰改良路基粉砂土的摻量比粉砂土∶粉煤灰∶石灰為9∶3∶1 ～ 9∶4∶1時(shí)較好,且當(dāng)不考慮抗凍性時(shí)其摻量比粉砂土∶粉煤灰∶石灰為9∶4∶1更合理.

4 結(jié)論

本文通過靜三軸試驗(yàn),分析了不同石灰摻量、二灰摻量改良路基粉砂土粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度的變化情況,得出如下結(jié)論:

(1) 采用石灰改良路基粉砂土?xí)r,應(yīng)通過綜合對(duì)比分析粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度等參數(shù)的變化情況,得出結(jié)論,確定石灰的最佳摻量.工程上,建議在路基粉砂土中摻入6 %的石灰進(jìn)行改良較為合理.

(2) 在石灰摻量6 %改良粉砂土中再加入不同摻量的粉煤灰,形成粉煤灰/石灰(二灰)改良路基粉砂土,經(jīng)試驗(yàn)得出結(jié)論,確定粉煤灰與石灰的最佳摻量比.工程上,建議在石灰最佳摻量6 %改良粉砂土中摻入粉煤灰,進(jìn)行二灰改良,采用二灰配比(粉煤灰∶石灰)為4∶1時(shí)即當(dāng)粉砂土∶粉煤灰∶石灰為9∶4∶1時(shí)效果較佳.