水泥改良膨脹土次固結(jié)特征的試驗(yàn)研究

程天成,張承帥,占雪芳

(1.中交投資有限公司，北京 100029；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410007)

0 引言

目前，常采用水泥、石灰等無機(jī)材料對(duì)膨脹土進(jìn)行化學(xué)改良[1]。近年來，也有學(xué)者探討采用砂石類材料對(duì)膨脹土進(jìn)行物理改良的方法[2]。工程實(shí)踐中，主要針對(duì)改良膨脹土的施工控制參數(shù)、施工工藝等方面開展研究，而改良膨脹土的次固結(jié)特性方面的研究成果較少。

次固結(jié)的形成機(jī)理尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，因而有多種定義。有學(xué)者認(rèn)為，次固結(jié)是在超靜孔隙水壓排出，主固結(jié)完成之后土體所發(fā)生的二次固結(jié)[3]。也有學(xué)者認(rèn)為，土體在固結(jié)過程中因土骨架的蠕變而產(chǎn)生的固結(jié)為次固結(jié)[4]。

目前，常采用SINGH等[5]提出的次固結(jié)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)土體的長期壓縮特性進(jìn)行描述[6]。有學(xué)者認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)的大小隨豎向壓力增大而減小[7]，或者隨固結(jié)壓力增大而增大、達(dá)到峰值后而減小[8]；也有學(xué)者認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)是一個(gè)常量[9]。我國有關(guān)行業(yè)規(guī)范規(guī)定次固結(jié)系數(shù)為常數(shù)，與荷載無關(guān)[10]?，F(xiàn)有研究表明，次固結(jié)系數(shù)并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨時(shí)間而發(fā)生改變[11]，并且與固結(jié)壓力、應(yīng)力歷史、含水率、孔隙比、結(jié)構(gòu)性等密切相關(guān)[12-16]。

本文以水泥改良膨脹土的次固結(jié)特性為研究對(duì)象，通過一維長期固結(jié)試驗(yàn)分析次固結(jié)系數(shù)與初始含水率、初始干密度、固結(jié)壓力之間的關(guān)系；并且通過干濕循環(huán)條件下的一維長期固結(jié)試驗(yàn)，分析水泥改良膨脹土的次固結(jié)系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。

1 一維長期固結(jié)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

膨脹土土試樣取自湖南某高速公路特殊土，取土深度約1.5～2.0 m，新鮮土樣呈黃褐色夾灰白色，手摸感到有很細(xì)的砂粒，可見蠟狀光澤，表層土干燥時(shí)呈硬塊狀，濕水后成粘泥巴狀，其物理力學(xué)指標(biāo)為：含水率19%、液限59%、塑限32%、塑性指數(shù)27%、自由膨脹率51.3%、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率5.5%、脹縮總率5.8%。篩分結(jié)果為：<0.002 mm顆粒含量14.2%、0.002～0.005 mm顆粒含量37.5%、0.005～0.075 mm顆粒含量40.3%、>0.075 mm顆粒含量8.0%。該土樣為中膨脹土。

試驗(yàn)用水泥為湖南省內(nèi)某水泥廠生產(chǎn)的P.C 32.5水泥，其基本性能為：安定性1.4 mm，初凝和終凝分別為：213 min和331 min，3 d抗壓強(qiáng)度為13.9 MPa。

1.2 試驗(yàn)方案

a.試驗(yàn)想法。

通過設(shè)定不同的初始含水率、初始干密度的土樣，研究土樣在不同的固結(jié)壓力下的次固結(jié)系數(shù)隨含水率、干密度、固結(jié)壓力的變化規(guī)律；通過設(shè)計(jì)干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)土樣次固結(jié)系數(shù)的影響。

b.水泥摻加量。

前期研究中，通過脹縮總率(50 kPa有荷膨脹率)、CBR試驗(yàn)，7%的水泥改良膨脹土的脹縮總率、CBR值分別為0.72%、7.88%，符合《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10-2006)[17]規(guī)定的要求。因此，本試驗(yàn)中的水泥摻加量為膨脹土干質(zhì)量的7%。

c.土樣制作。

先將膨脹土土樣風(fēng)干至易碾散為止，根據(jù)試驗(yàn)所需土樣數(shù)量，將碾散的膨脹土土樣過10 mm的標(biāo)準(zhǔn)土壤篩，并測定膨脹土的風(fēng)干含水率。重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，得到水泥改良膨脹土的最佳含水率和最大干密度分別為18%、1.68 g/cm3。

試樣采用靜壓法制備，試件土樣為圓柱形，其高度與直徑比值為2.5，直徑為40 mm，高度為100 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d。

d.試驗(yàn)土樣的初始狀態(tài)。

試驗(yàn)土樣的初始含水率設(shè)為：14%、16%、18%、20%、22%。土樣的初始干密度設(shè)為：1.18、1.28、1.38、1.48、1.58 g/cm3。

e.干濕循環(huán)方法。

試驗(yàn)土樣的干濕循環(huán)方法，參考文獻(xiàn)[18]的方法。干濕循環(huán)試驗(yàn)土樣的含水率、干密度分別設(shè)定為：18%、1.50 g/cm3。干濕循環(huán)次數(shù)設(shè)定為：3、6、9、12、15次。

f.試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和加載方式。

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[19]。采用GDJ-800三聯(lián)低壓固結(jié)儀進(jìn)行一維長期固結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)人工采集。

一維固結(jié)試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式，荷載等級(jí)為25 kPa至800 kPa，其中固結(jié)壓力為25、50、100 kPa時(shí)各保載24 h；固結(jié)壓力為200、300、400、600、800 kPa時(shí)的單級(jí)荷載各持續(xù)7 d[20]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

次固結(jié)系數(shù)Ca的計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[20]。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.1 初始含水率對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

圖1給出了不同初始含水率、而初始干密度為1.58 g/cm3的試驗(yàn)土樣，在固結(jié)壓力為800 kPa下的e-lgt曲線，圖中時(shí)間t的單位為min。次固結(jié)系數(shù)Ca的試驗(yàn)結(jié)果見表1。對(duì)于不同初始干密度的試驗(yàn)土樣，其初始含水率w的變化對(duì)次固結(jié)系數(shù)Ca的影響規(guī)律，如圖2所示。

圖1 干密度為1.58 g/cm3的土樣的e-lgt曲線

(a)土樣干密度1.18 g/cm3

表1 試驗(yàn)土次固結(jié)系數(shù)測試結(jié)果Table1 Experimentresultsaboutsecondaryconsolidationcoefficientoftestsamples固結(jié)壓力/kPa土樣初始含水率/%不同土樣初始干密度(g/cm3)的固結(jié)系數(shù)/×10-31.181.281.381.481.58141.8152281.7917811.7717101.7349111.718854162.0387151.9902311.9330361.8649781.805717200182.4680852.4883302.3792212.2854002.231852203.3389013.1579793.1478093.0916202.914648224.1830444.0692073.9757553.9335243.798026141.8910551.8844441.7915971.8057611.736459162.1112632.0804482.0053681.9571541.906343300182.5005342.4578932.4153592.3645602.334805203.4625843.4050003.2836643.2125123.083765224.3035254.2570534.0757434.0205283.911841141.9491581.9243591.8811221.8398871.795785162.1877722.1349592.0873402.0453912.010031400182.5444312.5024282.4410032.4062922.394498203.5378913.5168033.4171723.3819423.272249224.4745244.3085564.1883144.1726904.112736141.9902631.8832101.8869321.8683001.864091162.2124412.1703622.1157102.0814982.072603600182.6060082.5478292.4567462.4306052.408759203.5850123.5303933.4867343.4027493.367022224.4605344.4022474.2530074.2677224.240142142.0042431.9919941.8963461.8700101.866212162.2276652.1753612.1162412.1030942.091712800182.6488332.6129982.4793602.4532732.443383203.5900983.5783693.4671283.4557463.420624224.5824434.4391864.3294724.2534074.233779

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)土樣的e-lgt曲線上出現(xiàn)直線段，即開始出現(xiàn)次固結(jié)的時(shí)間約在200～500 min的時(shí)間段上。土樣初始含水率w對(duì)次固結(jié)系數(shù)Ca的影響有以下特性：

①試驗(yàn)土樣的次固結(jié)系數(shù)Ca隨土樣含水率w的增大而增大；②當(dāng)試驗(yàn)土樣的初始含水率w超過18%時(shí)，次固結(jié)系數(shù)Ca隨土樣含水率w線性增大；③次固結(jié)系數(shù)Ca隨土樣含水率w而增大的這種趨勢不隨固結(jié)壓力、土樣初始干密度而變化；④對(duì)于各級(jí)固結(jié)壓力、不同土樣的干密度，試驗(yàn)土樣的次固結(jié)系數(shù)Ca與含水率w的關(guān)系曲線形式近乎一致，也不隨固結(jié)壓力、土樣干密度而變化。

2.2 初始干密度對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

圖3給出了不同初始干密度、而含水率為18%的試驗(yàn)土樣，在固結(jié)壓力為800 kPa下的e-lgt曲線。次固結(jié)系數(shù)Ca的試驗(yàn)結(jié)果見表1。對(duì)于不同初始含水率的試驗(yàn)土樣，其初始干密度ρd的變化對(duì)次固結(jié)系數(shù)Ca的影響規(guī)律，如圖4所示。

圖3 含水率為18%的土樣的e-lgt曲線

(a)土樣含水率14%

①在相同的固結(jié)壓力下，不同初始干密度的試驗(yàn)土樣的e-lgt曲線形狀大致相同。說明在某一級(jí)固結(jié)壓力下，試驗(yàn)土樣的初始干密度對(duì)次固結(jié)系數(shù)影響較??；②在不同的固結(jié)壓力下，試驗(yàn)土樣的次固結(jié)系數(shù)隨初始干密度的增大而減小。當(dāng)固結(jié)壓力小于400 kPa時(shí)，次固結(jié)系數(shù)與初始干密度呈現(xiàn)線性關(guān)系。當(dāng)固結(jié)壓力大于400 kPa時(shí)，則呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。

總的來說，試驗(yàn)土樣的初始干密度對(duì)次固結(jié)系數(shù)影響較小。

2.3 固結(jié)壓力對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

圖5給出了初始含水率為18%、初始干密度為1.58 g/cm-3的試驗(yàn)土樣的e-lgt曲線。次固結(jié)系數(shù)Ca的試驗(yàn)結(jié)果見表1。固結(jié)壓力對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響規(guī)律，如圖6所示。

圖5 不同固結(jié)壓力下的e-lgt曲線

(a)土樣含水率14%

①隨著固結(jié)壓力增大，不同初始干密度的試驗(yàn)土樣的e-lgt曲線后段直線部分的斜率明顯增大，這說明了土體的次固結(jié)系數(shù)在增大。即固結(jié)壓力影響著試驗(yàn)土樣的次固結(jié)系數(shù)；②當(dāng)固結(jié)壓力不大于400 kPa時(shí)，試驗(yàn)土樣的次固結(jié)系數(shù)增長較快；但隨著固結(jié)壓力的進(jìn)一步增大，次固結(jié)系數(shù)變化較小，并且試驗(yàn)土樣的初始干密度越小，該常數(shù)的值則越大；③固結(jié)壓力、次固結(jié)系數(shù)表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，并且試驗(yàn)土樣的初始干密度越大，這種非線性關(guān)系越明顯。

(1)

式(1)表示了水泥改良膨脹土的次固結(jié)階段的壓縮沉降量與時(shí)間、固結(jié)壓力之間的關(guān)系，因而實(shí)際上是水泥改良膨脹土的次固結(jié)流變本構(gòu)方程。

2.4 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

圖7給出了干濕循環(huán)4次后的e-lgt曲線。試驗(yàn)土樣的次固結(jié)系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，如圖8所示。

圖7 干濕循環(huán)下土樣的e-lgt曲線

圖8 次固結(jié)系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

干濕循環(huán)條件下，試驗(yàn)土樣的次固結(jié)系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而顯著增大，并且趨向于某一定值，表現(xiàn)出對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，即：

Ca=a+blg(c+n)

(2)

式中：Ca為次固結(jié)系數(shù)；n為干濕循環(huán)次數(shù)；a、b、c為擬合參數(shù)。

3 結(jié)論

基于一維長期固結(jié)試驗(yàn)，研究了水泥改良膨脹土的次固結(jié)特性，主要結(jié)論如下：

a.次固結(jié)系數(shù)隨試驗(yàn)土樣初始含水率增大而增大。當(dāng)初始含水率大于18%時(shí)，水泥改良膨脹土的次固結(jié)系數(shù)與初始含水率呈線性關(guān)系。

b.水泥改良膨脹土的次固結(jié)系數(shù)受初始干密度影響較小。

c.次固結(jié)系數(shù)變化與固結(jié)壓力成正比。當(dāng)固結(jié)壓力不大于400 kPa時(shí)，這種增大的趨勢較快，而當(dāng)固結(jié)壓力超過400 kPa時(shí)，這種增大的趨勢則變緩。次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力表現(xiàn)出顯著的非線性關(guān)系，并且隨初始干密度增大，這種非線性關(guān)系更為顯著。

d.次固結(jié)系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)而增大，兩者表現(xiàn)出對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。