高沙土地區(qū)砂土抗壓強(qiáng)度改良室內(nèi)試驗(yàn)研究

范冠宇，張建忙，周琪龍，倪江河

(江蘇省地質(zhì)環(huán)境勘查院，江蘇 南京 211102)

土作為公路建設(shè)中一種最為普遍的材料，在路基中扮演著重要角色，其工程性能直接影響著公路施工及使用質(zhì)量的好壞。

土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在一定程度上決定了土體的強(qiáng)度。顆粒骨架組成及顆粒間的膠結(jié)情況決定了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。粉土是一種特殊的土，其性質(zhì)介于黏性土和砂土之間，具有土粒徑集中、松散、黏性小等特點(diǎn)。由于其容易出現(xiàn)變形、坍塌、沖蝕、液化等破壞現(xiàn)象，因此工程建設(shè)上一般不能直接使用。受土地資源緊缺、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀和工期等多種自然和人為因素的影響，粉土經(jīng)常被用來進(jìn)行相關(guān)工程建設(shè)。受自身性質(zhì)的影響，在各種地質(zhì)營力作用下，粉土易造成交通設(shè)施不均勻沉降與塌陷帶來巨大的國民經(jīng)濟(jì)損失及人民日常生活失序。因此必須對(duì)粉土進(jìn)行相關(guān)的改良，使其能夠滿足工程建設(shè)的相關(guān)要求，從而避免造成工程危害。

針對(duì)粉土的改良試驗(yàn)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。針對(duì)泰州地區(qū)的粉土，張瑜等用石灰和水泥進(jìn)行性質(zhì)改良，其改良試驗(yàn)結(jié)果表明水泥的效果比水泥加石灰好，改良后粉土的CBR值隨著水泥摻合比的增加而增大。為了獲得水泥的最優(yōu)摻合比，陳燕等進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，并給出了具體數(shù)值。依托隴海線鐵路工程項(xiàng)目，張西海等利用石灰和粉煤灰對(duì)鄭州至徐州段的粉土進(jìn)行了改良，其結(jié)果表明改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻合比的增加而提高。通過摻加石灰、水泥來改良粉土，王?？〉仍诜治黾庸虣C(jī)理的同時(shí)，得到了較為經(jīng)濟(jì)的摻合比。采用砂礫改良粉土，尚新鴻等取得了較好的效果。

南通地區(qū)分布有大范圍的高沙土，根據(jù)相關(guān)巖土工程勘察資料可知，該高沙土屬于粉土。其形成過程受入海河流沖積以及海相沉積作用的影響，組成與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土體性質(zhì)波動(dòng)很大，粘聚力差，難以壓實(shí)，水穩(wěn)定性差，易受震動(dòng)產(chǎn)生液化。

根據(jù)相關(guān)調(diào)查，由于高沙土的自身性質(zhì)，作為路基填料使用時(shí)易造成路基沉降不均勻，同時(shí)在開挖過程中受擾動(dòng)后水穩(wěn)性降低，整體表現(xiàn)出強(qiáng)度低的特點(diǎn)。因此，該土不能直接當(dāng)作路基填料使用，需要進(jìn)行相關(guān)處理，以保證施工質(zhì)量。

為了避免因使用原土填筑出現(xiàn)質(zhì)量問題，本文以粉煤灰和土壤固化劑為原材料開展室內(nèi)試驗(yàn)，研究其對(duì)高沙土地區(qū)粉土抗壓強(qiáng)度的改良情況，并分析其固化機(jī)理，以期為高沙土地區(qū)砂土的改良與應(yīng)用提供新的思路。

1 試驗(yàn)材料

為了對(duì)道路工程建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)，本次試驗(yàn)所選用的材料均取自位于如皋市下原鎮(zhèn)野樹社區(qū)9組的高沙土平原區(qū)。

根據(jù)鉆探揭露，綜合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果及原位測(cè)試資料，第四系全新統(tǒng)沖積成因(Q4al)的粉土、粉砂等是勘探深度范圍內(nèi)地基土層的主要組成成分。根據(jù)道路設(shè)計(jì)施工基礎(chǔ)深度資料，道路基礎(chǔ)主要位于粉土層中，同時(shí)路基回填土也來自該土層，因此該層粉土是此次研究的重點(diǎn)。本次試驗(yàn)所取材料也來自該層土壤。

對(duì)研究區(qū)附近5個(gè)孔進(jìn)行取樣分析，取其平均值，其中：砂土的風(fēng)干含水率(質(zhì)量比)為2%，顆粒粒徑為0.000 1～0.002的含量為1.38%，顆粒粒徑為0.002～0.005的含量為2.18%，顆粒粒徑為 0.005～0.01 mm 的含量為4.12%，顆粒粒徑為0.01～0.05 mm的含量為53.6%，顆粒粒徑為0.05～0.075 mm的含量為17.24%，顆粒粒徑為0.075～0.25 mm的含量為21.44%，顆粒粒徑為0.25～0.5 mm的含量為0.04%。粒徑分布見圖1。其液限是 29.2，塑限是21.9，塑性指數(shù)為 7.3，不均勻系數(shù)Cu為4.6，曲率系數(shù)Cc為1.73。

試驗(yàn)材料：

本次改良試驗(yàn)研究采用兩種添加劑進(jìn)行配合使用，分別是固化劑和粉煤灰。其中固化劑主要成分是一種改性親水性樹脂，與水反應(yīng)生成彈性凝膠體，有高度安全性，具有耐久性強(qiáng)、可自然降解、生態(tài)環(huán)保等特征。固化劑密度為1.18 g/cm3，20℃黏度為450～600 mPa·s，固化劑含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同)為80%，凝固時(shí)間為30～180 s，水量超過20倍。

本次試驗(yàn)采用的是320目的粉煤灰，即粒徑為43μm，為灰黑色粉狀，密度為2.4 g/cm3，

試樣制備：

對(duì)上述過篩后烘干樣進(jìn)行準(zhǔn)確稱量，每組3 000 g，共稱取36組，其余土樣留作備用。烘干土樣含水率為0%，干密度為1.19 g/cm3。

試驗(yàn)中選取的固化劑含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)分別為0%、5%、10%、15%、20%、40%。選取的粉煤灰含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%。

實(shí)驗(yàn)過程中，先稱取粉煤灰倒入巖土試樣中攪拌均勻，然后再將按照一定含水率配制的不同濃度固化劑溶液倒入圖樣中重分?jǐn)嚢瑁缓筮M(jìn)行靜置保存。

圖1 變電站場(chǎng)地內(nèi)外土體顆粒分析圖

2 試驗(yàn)方案

為了解改良砂土的抗壓強(qiáng)度變化，開展了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì) 2 種添加劑不同比例摻量的砂土試件進(jìn)行試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果來研究其抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，從而確定添加劑對(duì)砂土的改良情況、添加劑的最佳摻量以及是否可直接作為填料用于工程實(shí)際。

2.1 試件制備

試件的制備和養(yǎng)護(hù)按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度的試件規(guī)格均為直徑×高=39.1 mm×80 mm。將混合攪拌均勻后的土樣通過壓力機(jī)壓入模具，放置于(20±0.5)℃ 、濕度 95%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)相同的時(shí)間，養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為24 h。

2.2 試驗(yàn)方法

用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀(如圖2所示)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，速率控制為2.4 mm/min。試件破壞后記錄其最大壓力N(KPa)。

圖2 應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀 圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本次試驗(yàn)中，為減少試驗(yàn)誤差，同一組試驗(yàn)里面設(shè)置3組平行樣，每個(gè)巖土試樣均按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行操作，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值進(jìn)行分析，最終測(cè)得不同土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 不同土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果分析

對(duì)上述無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并繪制相應(yīng)圖件。由圖4可知，在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，不同粉煤灰含量的改良砂土均具有抗壓強(qiáng)度隨固化劑濃度先增加后減小的趨勢(shì)，且均在固化劑濃度為20%時(shí)達(dá)到最大值，可認(rèn)為固化劑最佳摻量為20%。當(dāng)粉煤灰含量為0%時(shí)，改良砂土在固化劑濃度為20%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了49.37%；當(dāng)粉煤灰含量為2%時(shí)，改良砂土在固化劑濃度為20%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了45.59%；當(dāng)粉煤灰含量為4%時(shí)，改良砂土在固化劑濃度為20%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了91.49%；當(dāng)粉煤灰含量為6%時(shí)，改良砂土在固化劑濃度為20%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了101.72%；當(dāng)粉煤灰含量為8%時(shí)，改良砂土在固化劑濃度為20%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了95.31%；當(dāng)粉煤灰含量為10%時(shí)，改良砂土在固化劑濃度為20%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了84.41%?？梢钥吹焦袒瘎┟黠@改善了高沙土的抗壓性能，試驗(yàn)狀態(tài)下其最佳摻量比為20%。

圖4 強(qiáng)度隨固化劑濃度變化圖 圖5 強(qiáng)度隨粉煤灰含量變化圖

由圖5可知，在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，不同固化劑濃度的改良砂土均具有抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰含量增大而增加的趨勢(shì)。當(dāng)固化劑濃度為0%時(shí)，改良砂土在粉煤灰含量為10%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了49.37%；當(dāng)固化劑濃度為5%時(shí)，改良砂土在粉煤灰含量為10%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了49.64%；當(dāng)固化劑濃度為10%時(shí)，改良砂土在粉煤灰含量為10%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了67.79%；當(dāng)固化劑濃度為15%時(shí)，改良砂土在粉煤灰含量為10%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了76.67%；當(dāng)固化劑濃度為20%時(shí)，改良砂土在粉煤灰含量為10%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了74.17%；當(dāng)固化劑濃度為40%時(shí)，改良砂土在粉煤灰含量為10%時(shí)相對(duì)于初始未添加狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高了60.92%。結(jié)合試驗(yàn)砂土抗壓強(qiáng)度隨固化劑濃度變化情況，在固化劑濃度為20%時(shí)，改良砂土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰含量先增大后基本不變，改良砂土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。考慮經(jīng)濟(jì)成本，在固化劑影響下粉煤灰最佳摻量比為8%。

固化劑的作用主要是利用其中的高價(jià)離子改變土壤顆粒表面電性，提高土壤顆粒間的吸附力，增大密實(shí)度，從而增強(qiáng)土體抗壓強(qiáng)度。

土壤在粉碎、拌合和壓實(shí)等物理外力的作用下，顆粒彼此靠近，從而減少顆粒骨架間的空隙，使固化體系進(jìn)一步密實(shí)，從而具有較強(qiáng)的抗壓性能。

粉煤灰作用機(jī)理主要是灰-土反應(yīng)，包括短期反應(yīng)和長期反應(yīng)。這些反應(yīng)的結(jié)果使土體顆粒的結(jié)合水膜厚度減薄，粘土膠粒絮凝，生成晶體氫氧化鈣和含水硅鋁酸鈣等膠結(jié)物，這些膠結(jié)物逐漸由膠凝狀態(tài)向晶體化狀態(tài)轉(zhuǎn)化，土的剛度不斷增大，強(qiáng)度性能不斷提高。

4 結(jié)語

本文針對(duì)高沙土地區(qū)粉土結(jié)構(gòu)疏松，抗壓強(qiáng)度低等特點(diǎn)，從改性機(jī)理出發(fā)，采用土壤固化劑和粉煤灰對(duì)高沙土地區(qū)砂土進(jìn)行改良，通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)改良砂土的強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，取得如下結(jié)果：

(1)土壤固化劑可以很好地改善砂土的強(qiáng)度特性。隨著固化劑濃度的增加，改良砂土的強(qiáng)度特性呈現(xiàn)先增大后減小的特征?？箟盒阅茉谕寥拦袒瘎┖窟_(dá)到20%時(shí)就可以得到大幅度提高，最佳摻量比為20%。

(2)改良粉土的強(qiáng)度特性隨粉煤灰含量的增大而增加，其增幅相對(duì)較小，在固化劑影響下，最佳摻量比為8%。

(3)固化劑和粉煤灰在物理化學(xué)作用下，增強(qiáng)了土體的抗壓性能，改良效果明顯，可用于實(shí)際工程施工。

對(duì)于高沙土地區(qū)砂土而言，進(jìn)行路基土體回填時(shí)，在土體中加入土壤固化劑和粉煤灰有助于改善土壤的抗壓強(qiáng)度，能夠?qū)⑼馏w固化，能夠有效降低地面塌陷和沉降的發(fā)生。