白溝河粉砂的水泥改良效果評(píng)價(jià)

劉 軍，許軍龍，卓慧英，牛天嬌

(河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北省石家莊市興苑街53號(hào) 050021)

改良土是近年來應(yīng)用廣泛的一種路基、田壩、邊坡用料之一，砂土加固一直是工程地質(zhì)和勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域一項(xiàng)重要研究課題，水泥在砂土的改良中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

王樹娟等研究了水泥復(fù)合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線的特征[1]；雷杰等研究了水泥改良粉細(xì)砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水率和質(zhì)量變化規(guī)律[2]；鮑俊安等研究了水泥對(duì)水泥土的滲透、直剪強(qiáng)度的影響[3]；崔自治等對(duì)砂土摻量和水泥黃土性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了分析[4]；李友林對(duì)水泥穩(wěn)定碎石土做了評(píng)價(jià)[5]。

目前，對(duì)砂土的研究多側(cè)重于某一物理力學(xué)參數(shù)，而對(duì)河道邊坡防護(hù)用粉砂的物理力學(xué)性質(zhì)研究很少。

文中研究的粉砂位于白溝河流域河堤兩岸的地層中，粉砂含量較高，粉砂結(jié)構(gòu)松散，具有強(qiáng)度低、易侵蝕、易沖刷、易液化等不良地質(zhì)特征。粉砂邊坡坡面容易發(fā)生滑坡、沖溝和水土流失等地質(zhì)災(zāi)害。在白溝河的治理中，如果能探索一種成本低廉、操作簡(jiǎn)便、生態(tài)環(huán)保的粉砂土體加固方法，既能就地取材利用現(xiàn)場(chǎng)粉砂從而節(jié)約大量料場(chǎng)土，又具有加快施工進(jìn)度、改善生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)的方法主要依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]、《土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]和《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[8]，但不拘泥于規(guī)范。

1.1 粉砂的顆粒級(jí)配

對(duì)白溝河的粉砂進(jìn)行顆粒分析后，其平均顆粒級(jí)配見表1。

表1 粉砂的顆粒粒徑分布

1.2 粉砂試驗(yàn)樣品的制備

經(jīng)測(cè)量粉砂的天然含水率為3%-5%，然后按照水泥含量的質(zhì)量占比即3.0%，4.5%，6.0%與天然砂混合均勻。水泥為普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為42.5。把粉砂和水泥混合均勻后，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)的要求添加不同質(zhì)量的水再次混合均勻，立即進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，求得最大干密度σdmax和最優(yōu)含水率ωopt。

每種水泥含量的粉砂混合料分別進(jìn)行了4組平行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備，因?yàn)橐话愎こ态F(xiàn)場(chǎng)難以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，干密度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況，以最優(yōu)含水率ωopt和最大干密度σdmax的91%，93%，95%配比進(jìn)行樣品的制作。

本次試驗(yàn)樣品采用手工制作，即將配置好一定含水率的砂、水泥混合料，放入一定體積的容器內(nèi)，邊放邊擊實(shí)，保證樣品擊實(shí)的均勻性，制備不同尺寸的物理力學(xué)試驗(yàn)樣品。壓縮試驗(yàn)樣品尺寸：直徑61.8mm，高20mm；三軸試驗(yàn)樣品尺寸直徑39.1mm，高80mm；滲透試驗(yàn)樣品尺寸直徑61.8mm，高40mm。

樣品制作完成后，進(jìn)行7d和28d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，養(yǎng)護(hù)環(huán)境為20℃和濕度50%。

為了更好的模擬河堤面臨的最惡劣環(huán)境，養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)樣品進(jìn)行飽和，使其處于最不利狀態(tài)之下，然后進(jìn)行相關(guān)物理和三軸、滲透系數(shù)、壓縮等試驗(yàn)。試驗(yàn)和分析方式與王維民用三因素分析汾河中粗砂方式[9]類似。三軸、滲透、壓縮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣品照片，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 三軸標(biāo)準(zhǔn)樣品Fig.1 Triaxial standard sample

圖2 滲透標(biāo)準(zhǔn)樣品Fig.2 Penetration standard sample

圖3 壓縮標(biāo)準(zhǔn)樣品Fig.3 Compressed standard sample

2 物理數(shù)據(jù)分析

對(duì)粉砂未加水泥狀態(tài)下和添加不同質(zhì)量水泥狀態(tài)下，分別進(jìn)行了多次的輕型擊實(shí)試驗(yàn)，其擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度和最優(yōu)含水率平均值，如表2所示。

表2中，隨著水泥含量的增大，最大干密度和最優(yōu)含水率隨之增大，密度增長幅度相對(duì)較小，最優(yōu)含水率增長幅度稍大。

3 滲透系數(shù)分析

本次滲透試驗(yàn)為垂直滲透。先進(jìn)行不同壓實(shí)度下的未添加水泥時(shí)標(biāo)準(zhǔn)樣品的滲透試驗(yàn)；后進(jìn)行不同的壓實(shí)度、不同水泥含量、不同養(yǎng)護(hù)齡期樣品的滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 滲透系數(shù)數(shù)據(jù)表

3.1 同等壓實(shí)度和齡期下滲透系數(shù)變化規(guī)律

隨著水泥含量的增長，其滲透系數(shù)有下降趨勢(shì)，水泥含量從0%到3%時(shí)，滲透系數(shù)減小明顯；水泥含量在3%-6%之間，滲透系數(shù)有下降趨勢(shì)，但下降幅度較小，數(shù)值較為接近。不同水泥含量的平均齡期和平均壓實(shí)度下的滲透系數(shù)見表4。

表4 不同水泥含量滲透系數(shù)表Tab.4 Permeability coefficient table of different cement content

3.2 同等壓實(shí)度和水泥含量下滲透系數(shù)變化規(guī)律

隨著齡期增長，其滲透系數(shù)呈逐步減小的趨勢(shì)。從0-7d，水泥的膠結(jié)作用對(duì)滲透系數(shù)起明顯減弱作用，滲透系數(shù)大幅減??；在7-28d，水泥的膠結(jié)對(duì)滲透的影響變小，滲透系數(shù)減小幅度很小。剔除異常值后，7d和28d的滲透系數(shù)較為接近。不同齡期的平均壓實(shí)度和平均水泥含量下的滲透系數(shù)見表5。

表5 不同齡期滲透系數(shù)表

3.3 同等齡期和水泥含量下滲透系數(shù)變化規(guī)律

隨著壓實(shí)度的增大，其滲透系數(shù)變化趨勢(shì)有減小趨勢(shì)，但趨勢(shì)較緩。這是由于隨著壓實(shí)度的增大，孔隙率變小，因此滲透系數(shù)變?。坏捎趬簩?shí)度變化較小，引起的孔隙率變化也較小，因此對(duì)滲透系數(shù)的影響也較小。不同壓實(shí)度的平均齡期和平均水泥含量的滲透系數(shù)見表6。

表6 不同壓實(shí)度滲透系數(shù)表

3.4 小結(jié)

對(duì)滲透系數(shù)而言，壓實(shí)度、齡期、水泥含量對(duì)其具有規(guī)律性的影響，以減弱作用為主。壓實(shí)度影響較小，齡期和水泥影響接近。

4 壓縮模量分析

樣品的制備和養(yǎng)護(hù)同上述滲透試驗(yàn)，壓縮模量(100～200kPa)試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 壓縮模量數(shù)據(jù)表

4.1 同等壓實(shí)度和齡期下壓縮模量變化規(guī)律

隨著水泥含量從0%增長到3%，壓縮模量增長非常迅速，水泥含量在3%-6%之間，增長速度有所減緩。不同水泥含量的平均壓實(shí)度和平均齡期下的壓縮模量見表8。

表8 不同水泥含量壓縮模量表

4.2 同等壓實(shí)度和水泥含量下壓縮模量變化規(guī)律

隨著齡期增長，在開始階段其壓縮模量變化趨勢(shì)較為明顯，但在7-28d其增長的速度大幅減緩。不同齡期的平均壓實(shí)度和平均水泥含量下的壓縮模量見表9。

表9 不同齡期壓縮模量表

4.3 同等齡期和水泥含量下壓縮模量變化規(guī)律

隨著壓實(shí)度的增大，其壓縮模量有增大趨勢(shì)，但增長的速度較為平緩。不同壓實(shí)度的平均齡期和平均水泥含量的壓縮模量見表10。

表10 不同壓實(shí)度滲透系數(shù)表

4.4 小結(jié)

對(duì)壓縮模量而言，壓實(shí)度、齡期、水泥含量對(duì)其具有規(guī)律性的影響，隨著三者的增加，壓縮模量逐步增大，初始增大幅度較大，然后幅度逐步減小。其中水泥含量和齡期影響較大，壓實(shí)度影響較小。

5 三軸(UU)試驗(yàn)參數(shù)分析

樣品的制備和養(yǎng)護(hù)同上述滲透試驗(yàn)。

將養(yǎng)護(hù)好的試樣放在TSZ-6A型應(yīng)變控制式三軸儀上進(jìn)行，應(yīng)變速率0.8mm/min，方法為多樣剪，每組3-4個(gè)樣品，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 UU試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5.1 一定壓實(shí)度下三軸UU試驗(yàn)參數(shù)變化規(guī)律

以壓實(shí)度0.93樣品為例，養(yǎng)護(hù)時(shí)間7d和28d不同水泥含量的UU試驗(yàn)結(jié)果曲線見圖4和圖5。結(jié)合表11可以看出，加水泥后，Cu增長迅速，增加4-6倍，φu總體增加1°-5°。隨著水泥含量繼續(xù)增加，Cu增長約10-15kPa，φu增長趨勢(shì)很小，在1°-2°左右。

圖4 壓實(shí)度0.93下7d不同水泥含量UU參數(shù)Fig.4 UU parameters of different cement content in 7 days under compactness 0.93

圖5 壓實(shí)度0.93下28d不同水泥含量UU參數(shù)Fig.5 UU parameters of different cement content in 28 days under compactness 0.93

壓實(shí)度0.93不變，以3%，4.5%，6.0%水泥含量為標(biāo)準(zhǔn)，做不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間7d、28d齡期的UU試驗(yàn)結(jié)果曲線見圖6、圖7、圖8?？梢钥闯觯S著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，Cu均增大，幅度為3-6kPa；隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，φu有減小趨勢(shì)，但減小幅度很小，在1°-2°之間。

同理，對(duì)0.91和0.95壓實(shí)度下的UU試驗(yàn)結(jié)果分析，亦有上述一般規(guī)律性，其變化幅度略有變化。

圖6 壓實(shí)度0.93下3%水泥不同齡期UU參數(shù)Fig.6 UU parameters of 3% cement at different ages under compactness of 0.93

圖7 壓實(shí)度0.93下4.5%水泥不同齡期UU參數(shù)Fig.7 UU parameters of 4.5% cement at different ages under compactness of 0.93

圖8 壓實(shí)度0.93下6.0%水泥不同齡期UU參數(shù)Fig.8 UU parameters of 6.0% cement at different ages under compactness of 0.93

5.2 一定齡期下三軸UU試驗(yàn)參數(shù)變化規(guī)律

在7d和28d齡期下，以一定壓實(shí)度0.93為標(biāo)準(zhǔn)，做UU試驗(yàn)結(jié)果隨水泥含量變化曲線，同上圖4，圖5，變化趨勢(shì)亦同上。

在7d和28d齡期下，以3%水泥含量為標(biāo)準(zhǔn)，UU試驗(yàn)結(jié)果隨壓實(shí)度變化見圖9、圖10。

圖9 7d齡期3%水泥下不同壓實(shí)度UU參數(shù)Fig.9 UU parameters of different compactness under 3% cement at 7 days age

圖10 28d齡期3%水泥下不同壓實(shí)度UU參數(shù)Fig.10 UU parameters of different compactness under 3% cement at 28 day age

從圖9、圖10可以看出，隨著壓實(shí)度的增加，Cu和φu均呈增大趨勢(shì)。Cu開始增加較緩慢，隨后增加迅速，增加約5-25kPa；φu的增加一直比較平緩，數(shù)值在1°-3°之間。

同理，7d和28d齡期下的其他壓實(shí)度和其他水泥含量下試驗(yàn)結(jié)果，亦有上述規(guī)律性，其變化幅度也較為接近。

5.3 一定水泥含量下三軸UU試驗(yàn)參數(shù)變化規(guī)律

在3%水泥含量下，以7d和28d齡期為標(biāo)準(zhǔn)，UU試驗(yàn)成果隨壓實(shí)度變化如上圖9、圖10，趨勢(shì)如上所述，不再贅述。

在3%水泥含量下，以壓實(shí)度0.93為標(biāo)準(zhǔn)，UU試驗(yàn)成果隨齡期變化如上圖6，趨勢(shì)如上所述，亦不再贅述。

同理，對(duì)其他不同水泥含量下的其他壓實(shí)度和齡期的試驗(yàn)成果，亦有上述規(guī)律性。

5.4 小結(jié)

粘聚力Cu：在原始狀態(tài)，其值很??；在三種因素影響下，其變化幅度一般在25-66kPa之間，其增長幅度較大，且數(shù)值與三種因素的數(shù)值呈正比關(guān)系。

內(nèi)摩擦角φu：在原始狀態(tài)下一般為26°-31°左右。在三種因素影響下，其變化幅度一般在0°-5°之間，其變化幅度較小，且φu值與水泥含量、壓實(shí)度呈正比，與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈反比。

對(duì)比不同壓實(shí)度下的未經(jīng)養(yǎng)護(hù)和未加水泥的樣品，Cu值和φu值均呈增大趨勢(shì)，其中Cu值增加量較大，φu值增加量較小。

6 結(jié)論

在文中所研究壓實(shí)度、水泥含量和齡期范圍內(nèi)，對(duì)白溝河粉砂的改良效果如下：

(1)最大干密度和最優(yōu)含水率：隨著水泥含量增長，σdmax由1.61g/cm3增加到1.65g/cm3；ωopt由16.0%增加到17.5%。兩者均有一定程度的提高。

(2)滲透系數(shù)：隨著水泥含量增長，K20由1.47E-04cm/s減小到4.65E-05cm/s，減小幅度較為明顯；隨著齡期增長，K20由1.47E-04cm/s減小到5.70E-05cm/s；隨著壓實(shí)度增長，K20由6.07E-05cm/s減小到4.81E-05cm/s，減小幅度較小。

(3)壓縮模量：隨著水泥含量增長，Es由12.3MPa增加到29.6MPa，增加2倍以上，增長迅速；隨著齡期增長，Es由12.3MPa增加到27.7MPa，同樣增加2倍以上；隨著壓實(shí)度增長，Es由23.1MPa增加到26.6MPa，增加幅度較小。

(4)三軸UU試驗(yàn)：水泥含量從0%增長到3%時(shí)，Cu增長迅速，增加4-6倍，φu總體增加1°-5°。隨著水泥含量從3%增長到6%，Cu增長明顯，增長約10-15kPa，φu增長很小，在1°-2°左右；隨著齡期增長，Cu增加約3-10kPa，φu減小1°-2°；隨著壓實(shí)度增長，Cu初始增加緩慢，隨后增加迅速，總體增加約5-25kPa；φu增加平緩，在1°-3°之間。

通過對(duì)粉砂的水泥改良研究，為白溝河岸堤兩岸的粉砂有效利用提供良好的理論基礎(chǔ)。根據(jù)需要也可以對(duì)壓實(shí)度、水泥含量、齡期進(jìn)行其他不同范圍內(nèi)的研究，以滿足工程要求。同時(shí)這種研究方式和研究成果也為其他砂類土的水泥改良利用提供了參考。