微波技術(shù)在路基軟土力學(xué)性質(zhì)修復(fù)中的試驗研究

作者簡介：張潛華（1976—），工程師，主要從事公路建設(shè)、公路規(guī)劃等方面研究工作。

摘要：為探索采用微波技術(shù)修復(fù)軟土路基，文章針對不同微波加熱時間下軟黏土的物理力學(xué)特性開展研究，結(jié)論如下：（1）微波加熱時間越長，土樣界限含水率越低，且微波加熱前期的效果強于后期；（2）微波加熱可以顯著降低黏土的膨脹性，且微波加熱時間越長，土樣的膨脹率越低；（3）微波加熱可以提高黏土的抗剪強度，隨著微波加熱時間的增加，土樣的直剪強度與內(nèi)摩擦角逐漸增大，粘聚力逐漸減小。

關(guān)鍵詞：微波；軟土路基；修復(fù)；抗剪強度

中圖分類號：U416.1 A 23 075 3

0 引言

軟土具有低強度、低滲透性、高壓縮性等特點，廣泛分布于我國各地［1-2］。隨著鐵路、高速公路等的飛速建設(shè)，不可避免地面臨著軟土路基處理地問題。實踐中發(fā)現(xiàn)，在交通荷載的循環(huán)作用下，軟土路基的變形持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致上覆道路出現(xiàn)病害，嚴(yán)重影響了交通安全與穩(wěn)定。因此，有必要采取措施增強軟土路基的變形穩(wěn)定性［3-5］。

目前，處置軟土路基常見的主要有置換、加密、膠結(jié)、加筋等方法，但這些方法通常存在著造價高、周期長等不足，且地基加固效果并不穩(wěn)定，有必要開展研究探索新的軟土地基加固方式［6-7］。近年來，學(xué)者們開始嘗試通過溫度來改良軟土力學(xué)性質(zhì)，并取得了豐富的研究成果。陳皓等［8］探討了膨潤土在高溫高壓下的強度特性，研究指出溫度對膨潤土強度的影響與干密度有關(guān)，干密度較低時強度隨溫度的升高而增強，干密度較高時則隨溫度的升高而降低。劉云壯等［9］對不同燒結(jié)溫度、不同燒結(jié)時間下的淤泥質(zhì)土開展水解試驗，研究發(fā)現(xiàn)高溫可以使淤泥質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)加密、強度增高，且在水解作用下強度有一定弱化但最終趨于穩(wěn)定。陳正發(fā)等［10］研究了高溫處置后軟黏土的土-水特征及其微觀機理，研究成果表明高溫會降低軟黏土的持水能力，從微觀結(jié)構(gòu)來看土樣的孔隙數(shù)量減少而且孔徑增大。尹鐵鋒等［11］研究了軟黏土在溫度作用下的固結(jié)特性，發(fā)現(xiàn)溫度可以提高軟黏土的固結(jié)度并加速其固結(jié)速度，且溫度效應(yīng)在排水固結(jié)前期作用最為顯著。

微波在穿透土體介質(zhì)時會引起土體分子內(nèi)部能級變化，產(chǎn)生熱效應(yīng)，進而使土體礦物的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［12-13］。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，采用微波加熱以增強土體物理力學(xué)性能成為學(xué)者們的研究熱點，同時也為黏土地基加固提供了一種新思路。為探索采用微波修復(fù)軟土路基，本文對微波加熱處理后的軟黏土開展了一系列試驗，以研究微波加熱對軟黏土物理力學(xué)特性的影響。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

本次研究所用黏土取自河南省某高速公路項目現(xiàn)場，取樣深度為1.50±0.50 m，原土呈現(xiàn)為黃褐色。通過室內(nèi)試驗測得其最大干密度為1.56 g/cm3，主要礦物組成包括蒙脫石、伊利石等，其物理力學(xué)特性詳見表1。

1.2 土樣制備

將土樣取回置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，粉碎后篩分出2 mm粒徑以下的顆粒，烘干備用。將烘干的土樣放入石英坩堝中，置于CM-06S型多模諧振腔工業(yè)微波爐中，微波頻率為2.45 GHz、功率為4 kW。試驗三次分別獲得微波作用5 min、10 min、15 min后的黏土，土樣顏色隨著微波作用時間的延長而加深，從黃褐色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇u紅色；且微波作用15 min后的土樣有燒結(jié)現(xiàn)象，并呈現(xiàn)出砂土的性狀。

1.3 試驗方案

1.3.1 界限含水率試驗

土的界限含水率是劃分土類的重要依據(jù)，也是評價土的性質(zhì)的重要指標(biāo)，因此對不同微波加熱時間下的黏土開展界限含水率測試。試驗儀器選用PG-Ⅲ型液塑限聯(lián)合測定儀。定量稱取干土，加清水配制不同含水率的土樣，開展液塑限測試。微波加熱15 min后的黏土因呈現(xiàn)砂土性狀而未能開展液塑限測試。

1.3.2 膨脹性試驗

因軟土路基通常上覆有一定荷載，因此本次試驗采用有荷膨脹率評價土樣膨脹性，設(shè)置了0 kPa、25 kPa、50 kPa三種豎向荷載。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》，采用壓樣法制作試樣，包括膨脹性試驗所需的圓柱形環(huán)刀試樣與三軸抗剪強度試驗所需的39.1 mm×80 mm圓柱試樣，含水率按照最優(yōu)含水率控制，壓實度為0.96。試樣制備完成后，使用膨脹儀測試土樣的膨脹率。

1.3.3 直剪強度試驗

直剪試驗是目前常用的測定土體抗剪強度的方法之一。根據(jù)試驗規(guī)程，設(shè)計了100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa共4組垂直壓力，將不同微波加熱時間的干土制備成環(huán)刀試樣，分別開展快剪試驗，含水率按最佳含水量控制。

微波技術(shù)在路基軟土力學(xué)性質(zhì)修復(fù)中的試驗研究/張潛華

2 試驗成果分析

2.1 界限含水率

不同微波加熱時間下黏土的界限含水率見圖1。由圖1可以得知，原土的液限、塑限、塑性指數(shù)分別為31.1%、58.9%、27.8%；微波加熱5 min、10 min后的軟黏土的塑限分別為25.7%、22.9%，較原土分別降低了17%、26%；液限分別為49.3%、43.9%，較原土分別降低了16%、25%；塑性指數(shù)分別為23.6%、21.0%，較原土分別降低了15%、24%。說明微波加熱會降低黏土的界限含水率，且加熱時間越長，液限、塑限、塑性指數(shù)越小。從界限含水率隨著微波加熱時間的變化趨勢來看，微波加熱0～5 min時界限含水率的降幅大于微波加熱5～10 min時的降幅，說明微波加熱前期的效果強于后期。

2.2 有荷膨脹率

試樣在25 kPa荷載下的膨脹時程曲線見圖2。由圖2可以看出，不同微波作用時間土樣的膨脹過程相似，都會經(jīng)歷0～2 h的高速膨脹、2～5 h的減速膨脹、5～11 h的低速膨脹，并在11 h后達到膨脹穩(wěn)定階段，且微波作用時間越短、這一膨脹過程越明顯。分析原因為，浸水初期（0～2 h）黏性土初始含水量較低，內(nèi)部孔隙較多導(dǎo)致吸水膨脹較為顯著；2 h后土樣大部分被水浸透，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本完成重組，從而變得更加密實穩(wěn)定，使膨脹速率下降；5 h后土樣被水徹底浸透，內(nèi)部孔隙被水完全填滿，礦物的膨脹作用趨于停止。

不同微波作用時間土樣的膨脹率見圖3。由圖3可以看出，微波作用可以顯著降低黏土的膨脹性，且微波作用的時間越長，土樣的膨脹率越低。在25 kPa荷載下，原土樣的膨脹率為4.58%，土樣微波加熱5 min、10 min、15 min的膨脹率分別降低為3.12%、2.50%、0.88%，較原土樣分別下降了32%、45%、81%。分析原因為，黏土在微波作用下溫度升高，其組成礦物如蒙脫石微觀結(jié)構(gòu)、微觀孔隙發(fā)生變化，導(dǎo)致膨脹率下降。同時可以看出，相同條件下，上覆荷載越大，土樣的膨脹率越小。

2.2 直剪強度特性

直剪強度試驗成果見圖4。由圖4可以看出，微波加熱時間越長，軟黏土的直剪強度越大。在400 kPa垂直荷載下，微波加熱5 min、10 min、15 min的軟黏土的剪切強度分別為225 kPa、269 kPa、281 kPa，較未經(jīng)微波加熱的原土樣剪切強度分別增長了8%、29%、34%。分析原因為，黏土在微波作用下，微觀結(jié)構(gòu)、微觀孔隙發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更加密實，從而抗剪強度升高。

根據(jù)不同垂直壓力下的直剪強度分析獲得土樣的抗剪強度參數(shù)，見圖5。從粘聚力來看，微波加熱時間越長，土樣的粘聚力越?。何唇?jīng)微波作用的原土樣的粘聚力為174.6 kPa，微波加熱5 min、10 min、15 min后，軟黏土的粘聚力分別為160.2 kPa、113.91 kPa、91.47 kPa，較未經(jīng)微波加熱的原土樣粘聚力分別降低了8%、35%、48%。分析原因為，微波加熱使得土樣中的黏土礦物結(jié)構(gòu)被破壞，分解成為其它礦物，使得顆粒間的粘結(jié)減弱，從而降低了粘聚力。從內(nèi)摩擦角來看，微波作用的時間越長、土樣內(nèi)摩擦角越大：未經(jīng)微波作用的原土樣的內(nèi)摩擦角為15.32°，微波作用5 min、10 min、15 min后，土樣的內(nèi)摩擦角分別為15.38°、16.12°、16.91°，增幅分別為0.3%、5.2%、10.4%。分析原因為，微波作用使黏土因為燒結(jié)而向砂土發(fā)生轉(zhuǎn)變，組成顆粒由細(xì)顆粒向粗顆粒轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角增大。

3 結(jié)語

為研究微波作用時間對黏土物理力學(xué)特性的影響，本文對微波加熱處理后的軟黏土開展了界限含水率試驗、膨脹性試驗、直剪強度試驗，分析試驗結(jié)果后得出結(jié)論如下：

（1）微波作用的時間越長，土樣界限含水率越低，且微波加熱前期的效果強于后期，微波作用15 min后的土樣表現(xiàn)出砂土特性。

（2）微波作用可以顯著降低黏土的膨脹性，且微波作用的時間越長，土樣的膨脹率越低。在25 kPa荷載下，微波加熱15 min的土樣在25 kPa荷載下的膨脹率較原土樣下降了81%。

（3）微波作用可以提高黏土的抗剪強度，隨著微波作用時間的增加，土樣的直剪強度與內(nèi)摩擦角逐漸增大，粘聚力逐漸減小。

（4）本次研究的不足之處在于，未進一步探討微波作用改變軟黏土的物理力學(xué)特性的機理，今后可進一步展開研究。

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收稿日期：2022-10-12