千枚巖土摻入紅黏土微觀結(jié)構(gòu)與壓縮特性試驗(yàn)研究

趙秀紹，付智濤，耿大新，李 凱，譚周勇

(華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

江西省中北部低丘區(qū)千枚巖硬度低，風(fēng)化程度高，手捏即成粉狀，在壓路機(jī)碾壓后呈土狀，因此稱(chēng)為千枚巖土。紅黏土[1]作為一種典型的特殊土，與千枚巖土在中國(guó)分布廣泛，且在江西省低山、丘陵區(qū)分布非常普遍，呈厚層狀分布，部分地區(qū)千枚巖土與紅黏土呈互層狀分布[2]。兩種土互層時(shí)現(xiàn)場(chǎng)分離難度大、費(fèi)用高，而且在開(kāi)挖時(shí)與運(yùn)輸進(jìn)入填筑區(qū)域的過(guò)程中已經(jīng)混雜。以煤運(yùn)通道蒙華鐵路岳吉段為例，正線(xiàn)全長(zhǎng)433 km，軟質(zhì)巖分布段長(zhǎng)296.5 km，占正線(xiàn)全長(zhǎng)的68.4%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤運(yùn)通道岳吉段路基填方總量2 685×104m3，沿線(xiàn)靠山側(cè)地形陡峭，河谷階地狹窄，棄方、征地、借方都極為困難；挖方總量3 284×104m3，均為高液限紅黏土或千枚巖土。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2016)[3]要求，高液限紅黏土屬于D組填料，工程中因不滿(mǎn)足要求一般按棄方處理；而千枚巖土也存在高液限問(wèn)題，在常規(guī)的壓實(shí)作業(yè)下難以達(dá)到要求的壓實(shí)系數(shù)，因無(wú)法滿(mǎn)足路基強(qiáng)度要求也作棄方處理。由此情況，將產(chǎn)生大量的棄方、借方，這將對(duì)沿線(xiàn)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響，并加劇水土流失，棄土的土方量比較大，不符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，棄土場(chǎng)的后續(xù)處理也會(huì)對(duì)周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境造成影響，不符合生態(tài)環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略。再以新建昌北貨場(chǎng)填方為例，填方總量超過(guò)200×104m3，采用好的填料運(yùn)距遠(yuǎn)，費(fèi)用高，因此周?chē)颓饏^(qū)大量分布的千枚巖土和紅黏土是最有可能應(yīng)用的填料。但千枚巖土黏聚力低，壓實(shí)后易擾動(dòng)；紅黏土強(qiáng)度高，但溫?zé)嶙兓置舾?，壓?shí)后容易出現(xiàn)裂縫。而且這些工程性質(zhì)不良的特殊巖土體分布廣泛，如何充分利用這兩種特殊土是工程領(lǐng)域必須克服的技術(shù)難題。

千枚巖土由于土體中粉粒較為均勻，黏粒含量少、表面積小、化學(xué)活性低，本身沒(méi)有膠凝能力，黏聚力較低[4]，難以壓實(shí)，即使碾壓過(guò)后呈現(xiàn)出平整表面，但極易擾動(dòng)[5-6]。趙麗婭等[7]選用西南地區(qū)的千枚巖廢料進(jìn)行路用性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其遇水容易變形，分散性高，且壓實(shí)后遇水極易崩解，不適于直接用作路基填料；但曹周陽(yáng)等[8]通過(guò)大型三軸試驗(yàn)證明風(fēng)干飽和強(qiáng)風(fēng)化軟巖(千枚巖等)能夠滿(mǎn)足工程強(qiáng)度及質(zhì)量要求；毛雪松等[9]研究千枚巖的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)一定的處理，強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填筑的路基穩(wěn)定性得到提升，但目前主要通過(guò)摻入水泥進(jìn)行改良[10-11]。

紅黏土具有與一般黏土不相同的工程性質(zhì)，壓縮性較低、收縮性高、膨脹性低、地基承載力高[12]，易受環(huán)境影響，濕熱變化十分敏感，用作填料時(shí)常出現(xiàn)縱向開(kāi)裂、沉陷等病害，不宜直接用作路基填料[13]。紅黏土本身不是一種很好的填料，主要是因?yàn)槠錆駸岈F(xiàn)象明顯、容易產(chǎn)生裂縫[14-16]，但Tang等[17]通過(guò)在黏土中摻入聚丙烯纖維進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以有效增強(qiáng)黏性土的干燥開(kāi)裂特性；王賀等[18]研究發(fā)現(xiàn)同時(shí)在紅黏土中摻入氧化鈣與氧化鋁，能夠提高紅黏土的脆性指數(shù)，提高了紅黏土的強(qiáng)度和延展性，但目前仍缺乏改良紅黏土的手段。

而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在千枚巖土摻入一定量的紅黏土后，可以顯著提高可壓實(shí)性，降低土的壓縮性。因此通過(guò)開(kāi)展千枚巖土摻入不同比例紅黏土壓縮特性試驗(yàn)并研究混合土的微觀結(jié)構(gòu)，探討紅黏土改良千枚巖土的微觀機(jī)理，對(duì)兩種特殊土的充分利用有重要意義。

1 試驗(yàn)材料

1.1 土樣來(lái)源及物理性質(zhì)

選取江西省南昌市昌北貨場(chǎng)取土場(chǎng)紅黏土和千枚巖土作為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)得到其基本物理性質(zhì)如表1所示。千枚巖土不均勻系數(shù)Cu為61.0，曲率系數(shù)Cc為3.8，且紅黏土Cu為26.3，Cc為0.983，兩種土均為級(jí)配不良的粉質(zhì)。

表1 土樣物理性質(zhì)

1.2 混合土材料配置

配制混合土：將千枚巖土與紅黏土放入烘箱烘干24 h(溫度105 ℃)，取出冷卻至室溫后過(guò)0.5 mm土工篩，以千枚巖土干土為基土，摻入不同比例的紅黏土，拌合均勻成為混合土。試驗(yàn)配制了6種不同摻合比λ的混合土(λ=0、20%、40%、60%、80%、100%)，其中λ=0代表純千枚巖土，λ= 100%代表純紅黏土，λ= 40%代表千枚巖土與紅黏土干質(zhì)量比為3∶2。

1.3 混合土擊實(shí)試驗(yàn)

配置6組不同摻合比混合土，采用Z1型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，各摻合比混合土的最優(yōu)含水率和最大干密度如圖1所示。由圖1可知，混合土最優(yōu)含水率與摻合比的關(guān)系不明顯，而且整體相差不大，但是最大干密度隨著摻合比的增大而增大，整體趨勢(shì)可用五次多項(xiàng)式表達(dá)，相關(guān)系數(shù)為0.958 1。

圖1 混合土最優(yōu)含水率和最大干密度

1.4 混合土界限含水率

試驗(yàn)共進(jìn)行了6組不同摻合比λ混合土的界限含水率試驗(yàn)，各摻合比土的液限wL、塑限wp和塑性指數(shù)Ip試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，千枚巖土液限wL大于40%，且10≤Ip< 17；紅黏土液限大于40%，Ip> 17，兩種土均為高液限粉質(zhì)黏土[19]，而根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2016)[3]，高液限土屬于D組填料，不宜直接作為路基填料。

由試驗(yàn)結(jié)果(圖2)可知，隨著紅黏土摻量的增加，土的液限呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，液限wL和摻合比λ的相關(guān)關(guān)系可以用式(1)來(lái)表示，相關(guān)系數(shù)為0.931 2。

圖2 不同摻合比下wp、wL、Ip的變化規(guī)律

wL=-3.3×10-5λ3+0.007 46λ2-

0.365 92λ+43.433 75

(1)

據(jù)式(1)的計(jì)算模型可知，當(dāng)紅黏土摻合比為13%～52%時(shí)，混合土的wL<40%，為低液限土，混合土根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2016)[3]劃分為C組填料，可以用于普通II級(jí)鐵路基床底層以下的填筑，也可用于I組鐵路基床底層的填筑。由于將兩種特殊土混合后，無(wú)法測(cè)定土樣是否完全均勻，因此根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的結(jié)果，當(dāng)摻合比為13%～52%時(shí)，混合土的液限降低，填料等級(jí)得到了提高，同時(shí)允許施工過(guò)程中因拌和未完全而產(chǎn)生輕微的偏差，降低了施工的難度。

2 礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 微觀分析采用的儀器

試驗(yàn)儀器采用FEI Nova Nano SEM450 型發(fā)射掃描電子顯微鏡和英國(guó)的INCA 250 X-Max型能譜儀。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)放大倍數(shù)和照片數(shù)增加到一定程度時(shí)對(duì)試驗(yàn)精度的提高意義不大[20]，因此觀察土樣時(shí)電鏡的放大倍數(shù)分別為500、1 000、5 000、10 000、20 000倍，并分別對(duì)6種不同摻合比試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)圖像采集和分析。

2.2 電鏡掃描與能譜結(jié)果分析

電鏡掃描結(jié)果如圖3所示，選取放大倍數(shù)5 000倍的掃描圖片。

圖3 混合土的微觀結(jié)構(gòu)(×5 000)

從電鏡掃描結(jié)果可知，壓實(shí)后千枚巖顆粒大小范圍約為0.02～0.04 mm，多數(shù)成片狀且大小比較均勻，呈現(xiàn)出面與面接觸堆疊的情況，片與片之間容易形成架空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔隙率較高且不宜壓實(shí)。而紅黏土顆粒呈團(tuán)粒狀，其顆粒大小絕大部分小于0.02 mm，有1/2為小于0.01 mm的顆粒。當(dāng)兩種土混合后，能形成較好的級(jí)配。根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)表明，混合土紅黏土摻合比為0、20%、40%、60%、80%、100%時(shí)，混合土的最大干密度g/cm3分別為1.64、1.7、1.69、1.71、1.71、1.76。說(shuō)明在千枚巖土中摻入20%紅黏土后，可以有效提高土的干密度，但繼續(xù)增大摻合比后提高效果不明顯。

2.2 能譜分析結(jié)果

試驗(yàn)對(duì)千枚巖土表面和紅黏土表面采集代表性點(diǎn)進(jìn)行分析，得到千枚巖土與紅黏土結(jié)構(gòu)面的元素質(zhì)量和原子半定量分析如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)面元素質(zhì)量和原子半定量分析

從表2可知，紅黏土的主要化學(xué)元素為O、Al、Si、K、Fe，且Si元素其原子百分比和質(zhì)量分?jǐn)?shù)都超過(guò)了20%。千枚巖土的主要化學(xué)元素為O、Al、Si、K、Fe、Mg，相比于紅黏土增加了少量的Mg元素。千枚巖同樣含有大量的Si元素，其質(zhì)量百分比為18.72%，較之紅黏土的硅元素含量接近。根據(jù)元素分析結(jié)果可知，兩種特殊土O、Al和Si元素占比最多，表明這兩種土均以硅酸鹽或硅鋁酸鹽為主。

千枚巖土與紅黏土整體元素含量相差不大，鐵元素的元素含量比紅黏土低。由于紅黏土中鐵元素含量高，有游離態(tài)的Fe2O3，可以起到鐵質(zhì)膠結(jié)的作用[21]，往往具有較高的強(qiáng)度，在荷載作用下壓縮變形小，所以紅黏土壓縮模量大。在千枚巖土中摻入紅黏土，可以增加游離態(tài)氧化鐵的含量，在壓實(shí)的過(guò)程可以形成有效的鐵質(zhì)膠結(jié)，增加強(qiáng)度，降低土的壓縮性，后續(xù)開(kāi)展的固結(jié)試驗(yàn)充分說(shuō)明了加入紅黏土可顯著增加土的壓縮模量。

3 固結(jié)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

取烘干后的千枚巖土和紅黏土過(guò)0.5 mm篩后，稱(chēng)取預(yù)先計(jì)算好的土樣質(zhì)量制備不同摻合比的混合土樣，然后加入計(jì)算好的水量，配制三種不同含水率ω(ω=16%、18%、22%)的混合土樣，通過(guò)擊樣法制備三種不同壓實(shí)度K(K= 89%、91%、93%)環(huán)刀樣(直徑61.8 mm，高20 mm)，準(zhǔn)備試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器為NT YJZ-1型單杠桿固結(jié)儀，加壓等級(jí)分別為50、100、200、300、400 kPa，采用2 h快速固結(jié)試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.2.1α1-2隨λ的變化規(guī)律

α1-2為100～200 kPa土的壓縮系數(shù)，是判別壓縮性的重要指標(biāo)，將試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)利用Origin軟件繪制成圖4。

《鐵路工程巖土分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10077—2001)[22]規(guī)定α1-2<0.1 MPa-1的黏性土為低壓縮土，0.1 MPa-1≤α1-2<0.5 MPa-1的土為中壓縮土。根據(jù)圖5的試驗(yàn)結(jié)果，只有當(dāng)λ= 100%、w= 16%且K= 93%時(shí)試樣的α1-2= 0.09 MPa-1<0.1 MPa-1。故可知僅紅黏土在較高壓實(shí)度(K=93%)且含水率不大于18%時(shí)，混合土為低壓縮土，其余土樣均為中壓縮土。

由圖4可知，含水率和摻合比一定時(shí)，壓縮系數(shù)隨著摻合比的增大而減小?；貧w分析表明，壓縮系數(shù)隨著摻合比的變化規(guī)律可用二次函數(shù)表示。以K=91%為例，變化規(guī)律可用式(2)表示，相關(guān)系數(shù)為0.966 9。

圖4 w=18%時(shí)α1-2與λ關(guān)系

α=-6.25×10-6λ2-2.607×10-4λ+0.209 29

(2)

根據(jù)式(2)的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型可得混合土的壓縮系數(shù)隨摻合比的增加而降低。

3.2.2Es隨λ的變化規(guī)律

土的壓縮模量Es是表征土的壓縮性能高低的重要指標(biāo)之一，壓縮模量越大則土越難以壓縮。壓縮模量隨摻合比的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 w=18%時(shí)Es與λ關(guān)系

由圖5可知，當(dāng)摻合比低于20%時(shí)，混合土壓縮模量增加不明顯；當(dāng)摻合比大于20%時(shí)，壓縮模量增加顯著?；貧w分析表明，壓縮模量隨摻合比的增加總體呈二次函數(shù)增大。以K= 91%為例，其變化規(guī)律可以用式(3)表示，相關(guān)系數(shù)為0.986 3。

Es=-7.40×10-4λ2-0.018 8λ+8.537 86

(3)

圖5、式(3)表明，當(dāng)紅黏土摻合比大于20%時(shí)，可以有效地增加土的壓縮模量，且摻合比越高混合土的壓縮模量越大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以用前面的微觀分析來(lái)解釋。試驗(yàn)加入的紅黏土可以有效增加混合土游離態(tài)氧化鐵的含量，增加壓實(shí)過(guò)程中的鐵質(zhì)膠結(jié)，從而提高土的抗變形能力，其次加入紅黏土后可以改變千枚巖土的級(jí)配，使形成更為緊密的結(jié)構(gòu)，所以土的壓縮性降低。

結(jié)合擊實(shí)試驗(yàn)，當(dāng)摻合比從0增加至20%時(shí)，最大干密度從1.64 g/cm3增加至1.7 g/cm3，但壓縮模量變化很小。當(dāng)摻合比從20%增加至80%時(shí)，最大干密度基本不變，壓縮模量有較為顯著的增加，所以游離態(tài)的氧化鐵是提高壓縮模量的關(guān)鍵因素。

3.2.3Es隨K的變化規(guī)律

當(dāng)含水率一定時(shí)，混合土的壓縮模量隨著壓實(shí)度的增大而增大。以擊實(shí)時(shí)土的含水率為最優(yōu)含水率為例(w= 18%)，壓縮模量隨壓實(shí)度的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 w=18%時(shí)Es與K關(guān)系

由圖6可知，壓縮模量隨壓實(shí)系數(shù)的變化規(guī)律可以分成兩種類(lèi)型。

(1)當(dāng)紅黏土摻合比較低時(shí)(λ=0、20%、40%)，壓縮模量在壓實(shí)系數(shù)從89%增加至91%時(shí)增加速快，而從91%增加至93%基本沒(méi)有增長(zhǎng)?？赡茉?yàn)橛坞x態(tài)的氧化鐵較少，僅增加壓實(shí)系數(shù)不能帶來(lái)明顯的抗變形能力。

(2)當(dāng)紅黏土摻合比較高時(shí)(λ= 60%、80%、100%)，壓縮模量隨壓實(shí)系數(shù)的增加近似線(xiàn)性增加，其回歸方程如式(4)所示，相關(guān)系數(shù)分別為0.998 1、0.997 8、0.985 2。

(4)

3.2.4Es隨w的變化規(guī)律

壓實(shí)時(shí)的初始含水率對(duì)Es也有一定的影響，Es隨w的變化規(guī)律如圖7所示。

由圖7可知，壓縮模量隨壓實(shí)時(shí)含水率的變化沒(méi)有明顯規(guī)律。純紅黏土(λ= 100%)和純千枚巖土(λ=0)壓縮模量均隨含水率的增加而顯著減小。當(dāng)λ為20%、40%、60%時(shí)，當(dāng)含水量從18%增加至20%時(shí)，壓縮模量基本沒(méi)有變化。

圖7 K=91%，Es與ω關(guān)系圖

3.2.5 最優(yōu)摻合方案的選擇

由以上分析可得，壓縮模量隨紅黏土摻合比的增加而增大，隨壓實(shí)度的增大而增大，理論上摻合比越大，改良效果越好。液塑限試驗(yàn)表明，當(dāng)摻合比為13%～52%時(shí)，混合土的液限小于40%，填料為低液限C組填料，可以直接用于路基填筑。當(dāng)摻合比較高時(shí)(λ≥ 60%)，液限隨著摻合比增加，混合土成為高液限土而成為D組填料，表現(xiàn)為高收縮性而出現(xiàn)失水開(kāi)裂現(xiàn)象，所以摻合比宜控制在52%以下。

為方便施工，摻合比一般取整數(shù)，綜合以上兩點(diǎn)要求，摻合比宜選為50%(千枚巖和紅黏土質(zhì)量比為1∶1)。為了工后的沉降量盡量小，宜選用壓實(shí)系數(shù)為93%，壓實(shí)時(shí)含水率控制在16%，此時(shí)的壓縮模量最大，路基的最終沉降量將為最小。

通過(guò)兩種特殊土混合(原為D組填料，不宜直接作為路基填料)，不但可以改變填料分組級(jí)別，同時(shí)可以提高同等條件下千枚巖土的抗變能力?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，當(dāng)摻合比為50%時(shí)，路基面可以滿(mǎn)足運(yùn)輸填料汽車(chē)的強(qiáng)度要求，在晴熱天氣也不會(huì)出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂現(xiàn)象。值得說(shuō)明的是，提出的加紅黏土改良方法強(qiáng)度在碾壓完成后即可直接達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，與傳統(tǒng)的加入石灰和水泥需要養(yǎng)護(hù)一定的齡期有重要區(qū)別。

4 結(jié)論

通過(guò)混合土的微觀結(jié)構(gòu)與固結(jié)試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論。

(1)千枚巖土呈片狀且顆粒大小較均勻，因此難以壓實(shí)，摻入紅黏土后可以改變級(jí)配，形成較為緊密的結(jié)構(gòu)，增加混合土的抗變形能力和可壓實(shí)性。

(2)紅黏土中的鐵元素較多，部分呈游離態(tài)的Fe2O3，壓實(shí)時(shí)可形成結(jié)合力較強(qiáng)的鐵質(zhì)膠結(jié)，提高混合土的強(qiáng)度，在荷載作用下壓縮變形小，同等條件下紅黏土壓縮模量較千枚巖大。

(3)混合土樣的壓縮系數(shù)隨摻合比的增加呈二次函數(shù)減小，但僅當(dāng)壓實(shí)度較高且含水率不高于18%時(shí)混合土為低壓縮土，其他組合情況為中壓縮性土。

(4)混合土樣的壓縮模量隨著紅黏土摻合比的增大呈二次函數(shù)增大，隨壓實(shí)度的增大而增加，隨含水率的變化規(guī)律無(wú)明顯規(guī)律。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在同等條件下在千枚巖土加入紅黏土可以有效提高原土的抗變形能力。

(5)根據(jù)液限隨摻合比的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，當(dāng)摻合比為13%～52%時(shí)，混合土變?yōu)镃組填料。為了滿(mǎn)足施工方便、填料分組及工后沉降小的要求，建議碾壓方案為λ= 50%，w= 16%，K= 93%。