干濕循環(huán)下水泥改良高液限黏土力學(xué)特性試驗(yàn)

張海鳳

（魯南高速鐵路有限公司，濟(jì)南 250014）

公路和鐵路路基建設(shè)過(guò)程中常遇到高液限黏土。高液限黏土具有天然含水率大、滲透性及水穩(wěn)性較差、壓實(shí)困難等特點(diǎn)，屬于工程中的典型不良土。為滿足工程應(yīng)用，需要對(duì)高液限黏土進(jìn)行改良處理。

水穩(wěn)性差的土?？刹捎没瘜W(xué)方法進(jìn)行改良。工程中常見(jiàn)的化學(xué)改良方法包括水泥改良、石灰改良和粉煤灰改良等。通常利用常規(guī)試驗(yàn)條件下的CBR 試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)對(duì)化學(xué)改良高液限黏土的強(qiáng)度特性開(kāi)展研究，并根據(jù)強(qiáng)度指標(biāo)大小評(píng)價(jià)改良效果，以確定改良土的最優(yōu)配合比［1-4］。然而，常規(guī)試驗(yàn)條件沒(méi)有考慮干濕循環(huán)作用的影響，與工程實(shí)際相差較大。在我國(guó)南方地區(qū)，由于地區(qū)雨水充足，地下水位上升和下降是十分常見(jiàn)的事情，干濕循環(huán)的影響是路基出現(xiàn)病害的主要原因［5］。因此，對(duì)于很多路基工程項(xiàng)目，即便路基填料在常規(guī)試驗(yàn)條件下的強(qiáng)度滿足工程項(xiàng)目或規(guī)范要求，路基仍會(huì)因干縮濕脹而出現(xiàn)開(kāi)裂、不均勻沉降和滑塌等病害。為此，許多學(xué)者對(duì)改良土的干濕循環(huán)特性進(jìn)行了研究，針對(duì)木質(zhì)素改良土，夏林楓等［6］設(shè)計(jì)了干濕循環(huán)條件下的三軸壓縮試驗(yàn)，在分析干濕循環(huán)作用對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角影響的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)改良效果；崔宏環(huán)等［7］利用干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)對(duì)CBR 值的影響，評(píng)價(jià)了水泥改良粉質(zhì)黏土的改良效果。目前，現(xiàn)有研究通常是采用單一的試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)改良效果和確定最優(yōu)的改良技術(shù)參數(shù)［8-11］，工程應(yīng)用效果通常較差。

本文對(duì)不同水泥摻量的試樣開(kāi)展干濕循環(huán)條件下的三軸壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析黏聚力、內(nèi)摩擦角和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等強(qiáng)度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，綜合試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)改良效果，確定最優(yōu)水泥摻量等技術(shù)參數(shù)，工程應(yīng)用效果通常較差。

1 試驗(yàn)方案

1.1 制樣和試樣干濕循環(huán)處理

土樣取自廣西百色市，塑性指數(shù)為22.1，液限是56.8%，為高液限黏土?？紤]到工程應(yīng)用中改良土內(nèi)摻入水泥的質(zhì)量百分比（以下簡(jiǎn)稱水泥摻量）通常大于3%［12-15］，在高液限黏土中分別摻入質(zhì)量百分比為4%、5%、6%、8%和10%的水泥，根據(jù)相應(yīng)的最優(yōu)含水率和最大干密度制作試樣。素土（水泥摻量為0）和水泥改良土的塑性指數(shù)、液限、最大干密度和最優(yōu)含水率等物理參數(shù)如表1所示。

表1 素土和水泥改良土的物理參數(shù)表

針對(duì)土樣的干濕循環(huán)處理，目前尚未有統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。本文參照文獻(xiàn)［10］提出的方法對(duì)試樣進(jìn)行干濕循環(huán)處理：首先，對(duì)試樣實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d 后，在室溫條件下讓試樣自然風(fēng)干，直至試樣的含水率減少30%。然后，利用真空飽和法讓試樣吸水飽和，此操作過(guò)程為對(duì)試樣進(jìn)行1 次干濕循環(huán)處理。重復(fù)該操作過(guò)程可以對(duì)試樣開(kāi)展多次干濕循環(huán)處理。對(duì)于本文試驗(yàn)，干濕循環(huán)次數(shù)記為M，M取值為0、2、4、8 和14，即本文試驗(yàn)需要對(duì)經(jīng)歷0、2、4、8和14 次干濕循環(huán)處理的試樣開(kāi)展試驗(yàn)。

1.2 三軸壓縮試驗(yàn)

利用TSZ-6A 型應(yīng)變控制式三軸儀對(duì)經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)處理的試樣開(kāi)展固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)。試樣為圓柱體，高度為80 mm，直徑為39.1 mm。圍壓分別為S=100、150、300 kPa。先在試樣側(cè)向和軸向施加圍壓，讓試樣等向固結(jié)，然后在軸向施加偏壓荷載。用應(yīng)變控制模式進(jìn)行軸向加載，軸向加載速率為0.06%／min。

試樣的水泥摻量方案有5 種，水泥摻量分別為4%，5%，6%、8%和10%。對(duì)應(yīng)任意1 種水泥摻量方案，每個(gè)圍壓加載下均需要5 個(gè)水泥摻量相同的試樣，這5 個(gè)試樣分別經(jīng)歷0、2、4、8 和14 次干濕循環(huán)處理。由于加載時(shí)的圍壓為3 個(gè)，因此，三軸壓縮試驗(yàn)一共需要75 個(gè)試樣。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則得到土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。對(duì)于經(jīng)過(guò)M 次干濕循環(huán)處理的試樣，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別記為CM和。由試驗(yàn)結(jié)果可以得到水泥摻量不同試樣的CM～M 關(guān)系和～M 關(guān)系。

1.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

利用電液伺服的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)儀對(duì)經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)處理的試樣開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試樣為圓柱體，直徑為50 mm，高為50 mm。加載模式為力加載。在試樣軸向施加力，加載速率為0.8 mm／min。和三軸壓縮試樣一樣，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣的水泥摻量方案同樣有5種（水泥摻量分別為4%，5%，6%、8%和10%）。對(duì)應(yīng)任意1 種水泥摻量方案，均需要制作5 個(gè)水泥摻量相同的試樣，并對(duì)這5 個(gè)試樣分別進(jìn)行0、2、4、8 和14 次干濕循環(huán)處理，因此，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所需試樣數(shù)為25 個(gè)。

2.試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 三軸試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）干濕循環(huán)對(duì)黏聚力的影響

對(duì)于水泥摻量不同的改良土，黏聚力和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系（CM～M）如表2所示。

表2 黏聚力和干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系表

從表2可看出，當(dāng)水泥摻量一定時(shí)，黏聚力CM隨干濕循環(huán)次數(shù)M 的增加而衰減。例如，當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，隨著M 從0 增加到14，CM從221.2 kPa 衰減到164.8 kPa。例如，當(dāng)水泥摻量為8%時(shí)，隨著M 從0 增加到14，CM從285.6 kPa 衰減到260.8 kPa。

為反映黏聚力的衰減程度，設(shè)干濕循環(huán)條件下黏聚力的衰減率為：

由圖1可知，水泥改良土的黏聚力的衰減率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而增大，M=14 時(shí)黏聚力的衰減率最大，即最大。當(dāng)水泥摻量為4%、5%、6%、8%和10%時(shí)，α14分別為25.5%、19.2%、14.3%、8.7%和7.5%。隨著水泥摻量的增大，黏聚力的最大衰減率減小，這表明隨著水泥摻量的增加，改良土的黏聚力受干濕循環(huán)的劣化影響減小。當(dāng)水泥摻量大于8%時(shí)，黏聚力的衰減率較小，最大衰減率小于10%。

圖1 黏聚力衰減率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線圖

（2）干濕循環(huán)對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

對(duì)于不同水泥摻量的改良土，其內(nèi)摩擦角和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系（～M）如表3所示。當(dāng)水泥摻量一定時(shí)，內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)M 的增加而衰減。當(dāng)水泥摻量為4%時(shí)，隨著M 從0 增加到14，從34.6 ° 衰減到31.5°；當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，隨著M 從0 增加到14，從37.8 ° 衰減到35.8 ° 。

表3 內(nèi)摩擦角和干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系表

為反映內(nèi)摩擦角的衰減程度，設(shè)干濕循環(huán)條件下內(nèi)摩擦角衰減率為：

由圖2可知，水泥改良土的內(nèi)摩擦角衰減率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而增大，M=14 時(shí)內(nèi)摩擦角的衰減率最大，即β14最大。當(dāng)水泥摻量為4%、5%、6%、8%和10%時(shí)，β14分別為9.0%、7.2%、5.3%、3.4%和2.8%，均小于10%。隨著水泥摻量的增大，內(nèi)摩擦角的最大衰減率逐漸減小，且最大衰減率較小。由此可見(jiàn)，干濕循環(huán)作用雖然對(duì)內(nèi)摩擦角產(chǎn)生一定的劣化影響，但影響較小。

圖2 內(nèi)摩擦角衰減率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線圖

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)于水泥摻量不同的改良土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系（YM～M）如表4所示。

表4 改良試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系表

為反映無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的衰減程度，設(shè)干濕循環(huán)條件下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減率為：

由式（3）可知，0 ≤γM≤1能反映無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而衰減的程度。越接近1，則干濕循環(huán)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的衰減作用越大；反之，干濕循環(huán)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的衰減作用越小。

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線圖

3 結(jié)論

對(duì)不同水泥摻量的改良高液限黏土試樣開(kāi)展干濕循環(huán)條件下的三軸壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究干濕循環(huán)作用對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)的影響，得到的主要結(jié)論如下：

（1）干濕循環(huán)作用下，水泥改良高液限黏土的黏聚力、內(nèi)摩擦角和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸衰減。干濕循環(huán)作用對(duì)黏聚力和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的衰減作用較大，對(duì)內(nèi)摩擦角的衰減作用較小。

（2）隨著水泥摻量的增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)在干濕循環(huán)條件下的衰減效應(yīng)減小。隨著水泥摻量的增加，改良土抵抗干濕循環(huán)衰減影響的性能逐漸提高。

（3）當(dāng)水泥摻量大于等于8%時(shí)，干濕循環(huán)作用下黏聚力、內(nèi)摩擦角和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的衰減率均較小，最大衰減率均小于10%。工程實(shí)際應(yīng)用中可選取8%作為最優(yōu)水泥摻量配置水泥改良高液限黏土。