張 元,張國忠,賀俊鵬
(1.中誠祥建設工程有限公司,山東 青島 266000;2.佳木斯大學 建筑工程學院,黑龍江 佳木斯 154007;3.青島海德工程集團股份有限公司,山東 青島 266000)
固化土是把固化劑與土攪拌均勻,在水作用下發(fā)生化學反應,產生的膠凝物填充孔隙,土體密實度增強,因此,顯著提升土體的力學性能?,F(xiàn)階段,固化土的研究在強度及其抗變形能力兩方面研究比較多,尚未形成系統(tǒng)的研究體系,需進一步深入詳細研究;由于固化土化學反應及生成物的復雜性,對于本構關系方面研究相對較少,尚未形成確定的數(shù)學關系。本文對路基固化土進行靜三軸試驗研究,探討固化劑摻入對路基填料的應力-應變關系的影響,及其固化劑對其性能的提升效果,同時,分析了固化劑摻量對固化土強度特性的影響規(guī)律,及其提高效率,可作為巖土工程病害控制技術研究試驗依據(jù)。
土樣采集鐵路路基的填料,將其從工程現(xiàn)場取回后進行風干,然后碾壓,通過2 mm篩把填料中多余的雜質去除。通過擊實試驗分析,填料的ρdmax為1.973 g/cm3、Wopt為10.12%。經(jīng)顆粒分析試驗得知,路基填料的曲率系數(shù)為1.23、不均勻系數(shù)為4.88,經(jīng)過分析該填料為級配不良土質,不能直接用于路基建設中,需進行加固改造后方可使用。加固材料選取Aught-Set高性能的土壤固化劑,具有較高的早期強度,耐久性好,使用年限長,材料價格便宜,環(huán)保無毒的特點。
在土中加入一定量的水,首先把兩者拌和均勻,裝入密封塑料袋中,靜置24 h后備用,制備試樣前再摻入固化劑,攪拌均勻。其中,含水率選取為最優(yōu)含水率多加3%,其中3%是在水作用下土壤固化劑與土顆粒發(fā)生化學反應而消耗的水量。對于同一工況的試樣應一批出樣,可減小試樣間誤差,進行對比分析時可保證數(shù)據(jù)的可靠性。試樣采用壓樣機靜壓制樣,高度為125 mm,直徑為61.8 mm。將制備好的固化土試樣放入恒溫恒濕的養(yǎng)護箱,養(yǎng)護到試驗齡期從養(yǎng)護箱中取出,將其放在三軸試驗機上進行操作。
試驗所用儀器為TSZ-3.0型三軸儀,配有數(shù)控采集系統(tǒng)。試驗為不固結不排水形式,加載速率為1.25 mm/min。試驗方案如下:固化劑摻量選取0%、3%、4%、5%、6%;養(yǎng)護齡期選取14 d;圍壓為100 KPa、200 KPa、300 KPa、400 KPa。試樣破壞標準確定為應變達到10%。本文為了研究固化劑摻入對路基填料的力學特性的影響,對路基填料和固化土兩種土分別進行試驗,以便更好的對比分析固化劑對路基填料加固作用。
為了將不良土性的填料應用于工程中,需添加一定量的固化劑材料來改善其力學性能,因此,本文對路基填料和固化路基填料(固化土)進行三軸試驗,對比分析固化劑對路基填料的應力-應變關系的影響,如圖1所示。
由圖1分析得,應變低于3%的情況下,路基填料和固化土應力隨應變的增加表現(xiàn)為基本線性關系,此階段兩者均為彈性變形階段;應變超過3%的情況下,路基填料和固化土的應力-應變關系曲線不斷彎曲,逐漸發(fā)展到屈服階段,曲線呈非線性變化趨勢,此階段兩者均為彈塑性變形階段。特此說明,僅在圍壓為100 KPa的條件下,路基填料和固化土應力-應變關系曲線從初始開始段曲線就不斷彎曲,開始屈服。
隨應變不斷增加,路基填料和固化土的應力均不斷提升,在應變處于4.3%(路基填料)、3.8%(固化土)時應力達到峰值點,接下來,應變繼續(xù)增加,應力加速下降,兩者的應力-應變關系曲線均表現(xiàn)為加工軟化型特征。但兩者也有一些差異,固化土的應力峰值點比路基填料發(fā)生得早,軟化程度也比路基填料更強。
在應變相同時,圍壓的增加使得路基填料和固化土應力均提升,同時,兩者的彈性模量增加,早期和峰值強度提高。原因在于圍壓越高,對土所產生的側向約束力越大,土體密實度越大,因此,土體的力學性能越好。
把圖1(a)與(b)兩種不同土進行對比分析發(fā)現(xiàn),當應變相同時,固化土的應力高于路基填料,這說明固化劑摻入有效改善了路基填料的強度及力學性能,使得固化土的力學性能優(yōu)于路基填料,固化劑起到很好的加固效果,是一種有效提升土體性能的加固材料。
圖1 固化劑對路基填料應力-應變關系曲線的影響
由表1和圖2研究固化劑對路基填料破壞強度的影響發(fā)現(xiàn),不管固化劑摻量多少,固化劑摻入后路基填料破壞強度明顯增加,固化劑對路基填料破壞強度具有很好的改善作用。固化土的破壞強度大于路基填料,說明固化劑對于抵抗路基填料的變形破壞起到增強作用,固化劑是一種優(yōu)良的抗破壞變形材料。
圖2 固化劑對土體破壞強度的影響
表1 固化劑對土體破壞強度的影響(單位:KPa)
路基填料和固化土的破壞強度均隨固化劑摻量增加不斷提升,近似呈線性變化趨勢。同時,發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增加,兩者破壞強度增強,但在固化劑摻量高時其提升的效果更加增強。因此,可采取增加固化劑摻量的方法提升土體工程力學性能,為兼顧經(jīng)濟性考慮,固化劑摻量不易取值過高,避免浪費和成本升高,經(jīng)大量研究成果表明固化劑摻量取5%~6%比較適宜。
為了更加明顯對比固化劑對路基填料的加固效果,提出強度提高系數(shù)的概念,即固化土破壞強度與路基填料破壞強度之比。
從表2和圖3分析可知,固化土的強度提高系數(shù)均大于1,這說明固化劑對路基填料強度起到很好的提升作用,但由于固化劑摻量的不同,提升率不同。隨著固化劑摻量的增加,固化劑對路基填料強度提升率越大,加固效果提升率更好。
圖3 固化土強度提高系數(shù)曲線
隨著圍壓的增加,固化劑對路基填料強度提升系數(shù)呈不斷下降的趨勢,但下降程度越來越緩慢,最后不斷趨于平穩(wěn)。這說明在小圍壓情況下,固化劑對路基填料強度提升率更高,固化劑材料所發(fā)揮加固效果提升率越大,材料的利用率越高,越經(jīng)濟合理。
在本試驗方案范圍內,通過三軸壓縮試驗研究固化劑對路基填料力學性能的影響,取得一些成果如下。
(1)路基填料和固化土應力隨應變的變化過程可分為兩段,直線段的彈性變形階段、曲線段的彈塑性變形階段,兩者均存在應力峰值點現(xiàn)象,均表現(xiàn)為加工軟化型特征。但有所不同的是,固化土的應力-應變關系曲線峰值點比路基填料發(fā)生得早,軟化程度比路基填料更強。
(2)隨著圍壓的增加,路基填料和固化土的彈性模量、早期強度和峰值強度增加,土體的力學性能越好。固化劑摻入有效改善了路基填料的強度及力學性能,使得固化土的力學性能優(yōu)于路基填料,固化劑起到很好的加固效果,是一種有效提升土體性能的加固材料。
(3)固化土的破壞強度高于路基填料,固化劑具有很好的抵抗破壞的能力。路基填料和固化土均隨固化劑摻量增多破壞強度提升,兩者隨圍壓的增加破壞強度增強。說明提升固化劑摻量和/或增加圍壓,可明顯增加土體抵抗破壞的加固效果。
(4)固化劑對于路基填料強度性能有效改良,效果提升率明顯,固化劑對路基填料強度提升率隨著固化劑摻量的增多提升,加固效果提升率同時也更多。固化土的強度提高系數(shù)隨著圍壓的增加不斷降低,逐漸變緩,最后不斷趨于平穩(wěn)。說明在低圍壓下,加固路基填料強度提升率更高,材料的利用率更高,更為合理。