風(fēng)積沙改性土試樣壓實(shí)度控制方法

周子豪，蘇占東，吳成龍，夏京

(防災(zāi)科技學(xué)院 巖土工程研究中心，河北 廊坊 065201)

1 前言

沙漠地區(qū)修筑線路工程一般依據(jù)就地取材原則，取風(fēng)積沙為原料進(jìn)行路堤填筑。大量學(xué)者對(duì)風(fēng)積沙的物理化學(xué)特性、風(fēng)積沙基本力學(xué)特性、風(fēng)積沙壓實(shí)特性等進(jìn)行了研究，取得一系列研究成果。隨著中國(guó)高等級(jí)線路工程的不斷發(fā)展，單一的風(fēng)積沙材料難以滿足工程對(duì)于變形和強(qiáng)度的要求，需要對(duì)其進(jìn)行改性處理。董偉等、李根峰等、謝春磊等對(duì)風(fēng)積沙混凝土進(jìn)行了一系列研究，包括力學(xué)性能、凍融損傷特性以及收縮變形特征等；伏兵先、王朝輝等、魏杰等、張雁等通過(guò)添加不同工程材料，例如黏土、水泥、粉煤灰、石膏和木鈣等改良風(fēng)積沙的力學(xué)性能，以增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性為工程服務(wù)。國(guó)外較早關(guān)注到風(fēng)積沙改良后可為工程建設(shè)服務(wù)的特點(diǎn)，Wahhab A A和Aiban S A等對(duì)沙特阿拉伯東部沙丘風(fēng)積沙摻入瀝青、水泥或石灰進(jìn)行加固改良并顯著提高沙土的抗剪強(qiáng)度和水穩(wěn)定性；Ghrieb A等分析了穩(wěn)定劑和沙的配比對(duì)混合料物理化學(xué)特性的影響；Susana L Q等對(duì)比分析風(fēng)積沙是否摻入水泥以及水泥摻量對(duì)改性土壓實(shí)特性和承載能力的影響。對(duì)改性土壓實(shí)度控制方法的研究則少見(jiàn)報(bào)道。對(duì)于風(fēng)積沙改性土強(qiáng)度方面的室內(nèi)試驗(yàn)研究不能脫離對(duì)制樣方法的關(guān)注。郭瑩等對(duì)比分析了干裝法、濕裝夯實(shí)法以及水下沉積法對(duì)飽和中砂靜力三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)結(jié)果的影響。

然而，對(duì)于風(fēng)積沙改性土強(qiáng)度試驗(yàn)中試塊壓實(shí)度控制方法的研究鮮有報(bào)道，不同壓實(shí)度的改性土其工程特性會(huì)有顯著差異。目前實(shí)際工程中風(fēng)積沙路基采用的壓實(shí)方法為振動(dòng)壓實(shí)法和水墜濕法壓實(shí)。但風(fēng)積沙振動(dòng)壓實(shí)因碾壓頻率、速度和遍數(shù)等控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生“疏松-密實(shí)-疏松”的惡性循環(huán)，而水墜濕法壓實(shí)受澆水量、蒸發(fā)、滲透以及干旱沙漠地區(qū)水資源匱乏等因素的影響較大，風(fēng)積沙壓實(shí)方法成為困擾施工和影響施工質(zhì)量的一個(gè)技術(shù)難題。在室內(nèi)試驗(yàn)中，金昌寧等、陳忠達(dá)等的研究表明：風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度受壓實(shí)度的影響。因此全面把握風(fēng)積沙的路用性能特別是路基強(qiáng)度特征，需要能夠高效穩(wěn)定地制備出不同壓實(shí)度的風(fēng)積沙試樣。該文結(jié)合某高鐵客運(yùn)專線路堤風(fēng)積沙改性土配比(配比設(shè)計(jì)為95%風(fēng)積沙+5%水泥)設(shè)計(jì)方案，在室內(nèi)采用分層應(yīng)力控制壓實(shí)法和分層位移控制壓實(shí)法對(duì)風(fēng)積沙改性土壓實(shí)度控制方法進(jìn)行研究，從壓實(shí)外觀效果和力學(xué)特性兩方面評(píng)價(jià)風(fēng)積沙改性土的壓實(shí)控制效果，為全面把握風(fēng)積沙改性土的力學(xué)特性和凍融剪切變形特性等路用性能的研究提供試驗(yàn)基礎(chǔ)，為實(shí)際工程中風(fēng)積沙改性土的高效工程應(yīng)用提供試驗(yàn)參考。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)所采用的風(fēng)積沙取自內(nèi)蒙古科爾沁沙地某高鐵客運(yùn)專線路堤施工項(xiàng)目段，風(fēng)積沙主要礦物為石英，并含有一定量的斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石，含有少量的伊利石或蒙脫石。測(cè)得的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1，不均勻系數(shù)Cu<5，曲率系數(shù)Cc<1，顆粒較均勻，屬不良級(jí)配。

表1 風(fēng)積沙物理指標(biāo)

試驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備有豎向壓實(shí)反力系統(tǒng)，最大試驗(yàn)力為500 kN、油壓千斤頂?shù)幕钊睆綖?00 mm、FX101-3型電熱鼓風(fēng)干燥箱溫度范圍為10～250 ℃，靈敏度為±1 ℃，ZYSS2000電液伺服壓力機(jī)，軸向加載速率：0.01～20 kN/s，軸向測(cè)量分辨率：20 N，軸向測(cè)量精度：≤±1%(示值)，位移測(cè)量范圍：1～100 mm，位移測(cè)量分辨率：0.001 mm，位移測(cè)量精度：≤±5%。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及步驟

設(shè)計(jì)了應(yīng)力控制壓實(shí)、位移控制壓實(shí)的3層壓實(shí)和5層壓實(shí)試驗(yàn)，按設(shè)計(jì)的應(yīng)力范圍和位移量進(jìn)行風(fēng)積沙改性土室內(nèi)試塊制作。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和具體壓實(shí)控制指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)積沙改性土壓實(shí)設(shè)計(jì)方案

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，試樣制備流程如圖1所示。

圖1 試樣制備流程圖

(1)按照試驗(yàn)流程，依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)固定配比的風(fēng)積沙改性土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定其最優(yōu)含水率wg和最大干密度ρd。

(2)分別取風(fēng)積沙和改性材料若干過(guò)0.5 mm篩，并放入干燥箱，在105 ℃下烘干12 h，待其冷卻至室溫時(shí)，根據(jù)式(1)～(3)按預(yù)定壓實(shí)度λ和給定配合比η計(jì)算烘干試料用量，稱取重量為mss和msc(i)的烘干試料，按最優(yōu)含水率加入蒸餾水，拌勻后的試料放在密閉容器或塑料袋(封口)內(nèi)浸潤(rùn)備用。

ms=ρd×V

(1)

msc(i)=η(i)×λ×ms

(2)

(3)

式中：ms為烘干后改性土的質(zhì)量(g)；ρd為風(fēng)積沙改性土的最大干密度(g/cm3)；V為所制試樣的體積(cm3)，此次試驗(yàn)所制試樣為邊長(zhǎng)15 cm的立方體試塊，V=1 125 cm3；msc(i)為第i種配比材料烘干狀態(tài)下的質(zhì)量(g)；η(i)為第i種配比材料的設(shè)計(jì)配合比；λ為預(yù)定試樣的壓實(shí)度(%)；mss為烘干狀態(tài)下風(fēng)積沙的質(zhì)量(g)，以小數(shù)計(jì)。

(3)按表2的設(shè)計(jì)方案將拌和完成的試樣平均分為3份或5份。

(4)將鋼制模具內(nèi)壁擦拭干凈并涂抹一薄層潤(rùn)滑油，將每份試料均勻平整地填入到鋼制模具中，上層放置厚度約3 mm，邊長(zhǎng)比試筒內(nèi)徑小約0.2 mm的方形剛性傳力墊塊，分別采用應(yīng)力控制壓實(shí)法和位移控制壓實(shí)法進(jìn)行壓實(shí)，兩種壓實(shí)方法均將整個(gè)試模(連同墊塊)放置于豎向壓實(shí)反力系統(tǒng)上，以1 mm/min的加載速率加壓至設(shè)計(jì)壓力值或位移值并維持2 min。

(5)下層壓實(shí)完成后、上層試料填入前，取出傳力墊塊對(duì)壓實(shí)土表面進(jìn)行拉毛處理，以防出現(xiàn)明顯分層。

(6)填至最后一層時(shí)考慮頂層松鋪厚度另加2 cm高的護(hù)筒進(jìn)行填料壓實(shí)，解除壓力后，切除模具頂沿高出部分土樣，過(guò)2～4 h后對(duì)試樣進(jìn)行脫模處理，記錄試塊表面完整度以及是否存在明顯的分層情況。

(7)對(duì)于每種配比試樣，脫模后用環(huán)刀平行取試樣的中間部分風(fēng)積沙改性土3組，測(cè)定試樣的密度和含水率，利用式(4)和(5)分別計(jì)算壓實(shí)后試樣的干密度和壓實(shí)度；

(4)

(5)

式中：k為壓實(shí)度；ρ′d壓實(shí)后的干密度(g/cm3)，計(jì)算至0.01 g/cm3；ρ為壓實(shí)試樣密度；w為含水率(%)；ρd為最大干密度(g/cm3)。

(8)將脫模的試塊用塑料保鮮膜遮蓋，移至恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱繼續(xù)養(yǎng)護(hù)7 d。

(9)如需做立方體試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取養(yǎng)護(hù)后的試塊，在試塊表面中心位置刷約0.5 mm厚的膩?zhàn)臃蹪{，涂509緩凝膠水，待膠水黏結(jié)后，用砂紙輕輕打磨光滑，再用502速凝膠水黏貼應(yīng)變片。

(10)將粘貼有應(yīng)變片的風(fēng)積沙改性土標(biāo)準(zhǔn)試塊置于伺服控制壓力機(jī)上進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用位移控制加載法，加載速率設(shè)置為1 mm/min，試驗(yàn)過(guò)程中記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試塊壓實(shí)效果

圖2為5層位移控制壓實(shí)和5層應(yīng)力控制壓實(shí)試塊的表面形態(tài)。由圖2可知：位移壓實(shí)法制備出的試樣完整度較差，試塊分層較明顯。這可能是由于應(yīng)力控制法在制樣過(guò)程中需要將荷載勻速壓至表2的設(shè)計(jì)值，此過(guò)程的應(yīng)力狀態(tài)實(shí)際屬于應(yīng)力加載過(guò)程，即應(yīng)力不斷增加，應(yīng)變隨時(shí)間增加而逐漸增加的性質(zhì)，此過(guò)程中風(fēng)積沙改性土顆粒處于不斷調(diào)整趨于平衡位置的過(guò)程，試樣被擠壓密實(shí)，在有側(cè)向限制的剛性模具中沙粒空隙逐漸被填充、壓密，風(fēng)積沙改性土顆粒緊密排列。而位移控制壓實(shí)法制樣時(shí)填料松鋪壓實(shí)所需的位移量較大，而緊密填裝壓實(shí)所需位移量較小，在填裝壓實(shí)度處于未知狀態(tài)時(shí)，所需位移量很難確定，直接影響試樣的制樣效果。此外，從操作的便捷性角度考慮，位移控制壓實(shí)法壓實(shí)過(guò)程中存在儀器操作困難、初始值取值不一，試驗(yàn)內(nèi)部間隙大等原因造成填筑各層壓實(shí)度高低不一。

圖2 兩種壓實(shí)方法所制試樣照片

雖然使用振動(dòng)、沖擊或振動(dòng)+沖擊的壓實(shí)方法可以達(dá)到同樣或更好的壓密效果，但試驗(yàn)室條件下制備既定壓實(shí)度的風(fēng)積沙改性土受振動(dòng)因素和沙土特性影響較大，很難控制其壓實(shí)度的范圍，而試驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)力壓實(shí)控制法比沖擊、振動(dòng)壓實(shí)法具有操作簡(jiǎn)便和更容易掌控的優(yōu)勢(shì)。在風(fēng)積沙沖擊、振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)中，楊人鳳等的研究表明，沙漠地區(qū)風(fēng)積沙路基施工采用振動(dòng)壓實(shí)機(jī)械進(jìn)行碾壓時(shí)，必須綜合各種參數(shù)(粒徑、級(jí)配、含水率、填料方式)選擇合理的壓實(shí)機(jī)械、振動(dòng)頻率、振幅、振時(shí)和振速，相互配合才能取得良好的壓實(shí)效果，否則可能出現(xiàn)“疏松-密實(shí)-疏松”的惡性循環(huán)，很難快速達(dá)到預(yù)定的壓實(shí)度。由此可知，沖擊振動(dòng)壓實(shí)法考慮的因素繁雜，并不是試驗(yàn)室內(nèi)高效制備預(yù)定壓實(shí)度改性土的最優(yōu)辦法。

3.2 試塊強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其破壞形式

風(fēng)積沙改性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3。

由圖3可知：風(fēng)積沙改性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈現(xiàn)4個(gè)階段：第Ⅰ階段，試驗(yàn)開(kāi)始加載時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈“上凹形”，試樣處于內(nèi)部空隙不斷壓密階段。對(duì)于5層壓實(shí)試樣，L5-1和W5-2的孔隙壓密階段較顯著，其余試樣并不明顯，而對(duì)于3層壓實(shí)的試樣，4組試樣的孔隙壓密階段都不明顯，說(shuō)明3層壓實(shí)試樣的空隙較少且分布均勻；隨著荷載的增加，曲線呈現(xiàn)線性關(guān)系。進(jìn)入第Ⅱ階段，試樣在外荷載的作用下處于彈性變形階段，3層壓實(shí)試樣的彈性變形階段曲線斜率差異較小，而5層壓實(shí)試樣的彈性變形階段曲線斜率變化較大，試樣的壓實(shí)度并沒(méi)有太大差異，由此可見(jiàn)5層壓實(shí)試樣在內(nèi)部形成的“面-面”結(jié)構(gòu)對(duì)試樣的彈性階段有較大影響。第Ⅲ階段，該階段黏結(jié)薄弱面不斷產(chǎn)生、發(fā)展，不可恢復(fù)的變形明顯增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離線性，且彎向應(yīng)變軸，曲線出現(xiàn)極值點(diǎn)。無(wú)論是3層壓實(shí)還是5層壓實(shí)，曲線的變化趨勢(shì)一致，但是與3層壓實(shí)相比，5層壓實(shí)的極值點(diǎn)有明顯差異。進(jìn)入第Ⅳ階段后，從薄弱面發(fā)展開(kāi)始，試樣出現(xiàn)明顯的宏觀拉張裂縫，裂縫數(shù)量和寬度都急劇增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)負(fù)坡降，風(fēng)積沙顆粒與水泥之間的部分黏結(jié)力喪失，試件破壞，如圖4所示。然而，3層壓實(shí)試樣的負(fù)坡降段斜率總體變化不大，而5層壓實(shí)試樣的負(fù)坡降曲線段斜率差異較大，尤其是L5-1和W5-2之間斜率相差最大。綜合可知：3層壓實(shí)試樣的粒間連接更加緊密，總體結(jié)構(gòu)更加均勻，力學(xué)特性離散較小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體呈現(xiàn)近似“彈-塑性型”；而對(duì)于5層壓實(shí)的試樣，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線既有“彈-塑性型”(L5-2和W5-1)又有“塑-彈-塑性型”(L5-1和W5-2)，說(shuō)明無(wú)論應(yīng)力控制壓實(shí)法還是位移控制壓實(shí)法，5層壓實(shí)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯差異，對(duì)力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比分析有重要影響。

圖3 各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 試樣破壞模式圖

綜合以上分析可知，對(duì)于立方體風(fēng)積沙改性土試樣，采用3層應(yīng)力控制壓實(shí)法制樣較優(yōu)。

3.3 壓實(shí)度與應(yīng)力值的關(guān)系

在室內(nèi)采用3層應(yīng)力控制壓實(shí)法制作了不同應(yīng)力水平控制下的95%風(fēng)積沙+5%水泥系列試樣，并利用試樣制備步驟(7)中式(4)、(5)計(jì)算所制試樣的壓實(shí)度，繪制應(yīng)力值和壓實(shí)度關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 壓實(shí)度與應(yīng)力值的相互關(guān)系

由圖5可知：隨著控制應(yīng)力的不斷增加，所制試樣的壓實(shí)度整體增加，壓實(shí)度與控制應(yīng)力的擬合關(guān)系式為：y=89.804+0.029 9x，相關(guān)系數(shù)R2=0.934 2，說(shuō)明壓實(shí)度與控制應(yīng)力有著良好的正相關(guān)關(guān)系。由此可得風(fēng)積沙改性土制樣的壓實(shí)度(λ)與控制應(yīng)力(σ)服從近似的關(guān)系式：λ=0.03σ+90。當(dāng)需要配制某一壓實(shí)度下的風(fēng)積沙改性土試樣時(shí)，可通過(guò)此經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出相應(yīng)的控制應(yīng)力，對(duì)室內(nèi)風(fēng)積沙改性土試樣進(jìn)行制備。

4 結(jié)論

針對(duì)風(fēng)積沙改性土對(duì)大尺寸方形試樣的要求，該文通過(guò)分層位移控制壓實(shí)法和應(yīng)力控制壓實(shí)法對(duì)風(fēng)積沙改性土試樣進(jìn)行制備，從試樣的外觀效果和力學(xué)特性方面進(jìn)行對(duì)比，確定出較優(yōu)制樣方法，結(jié)論如下：

(1)從制備試樣的外觀效果分析，位移壓實(shí)法制備出的試樣完整度較差、分層較明顯；應(yīng)力控制壓實(shí)法所制試樣較均勻，無(wú)明顯分層。

(2)由試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征可知，3層壓實(shí)試樣的空隙較少且分布均勻，應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨同性較好；5層壓實(shí)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯差異，對(duì)后期力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比分析影響很大。

(3)對(duì)于3層應(yīng)力控制壓實(shí)法而言，隨著控制應(yīng)力的不斷增加，所制試樣的壓實(shí)度整體增加。對(duì)于95%風(fēng)積沙+5%水泥的配比，壓實(shí)度與控制應(yīng)力存在近似關(guān)系公式：壓實(shí)度=90+0.03×控制應(yīng)力。