烏審旗粉細(xì)砂水泥改良土三軸試驗(yàn)特性研究

楊 越 董 捷* 趙 聰

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

0 引 言

烏審旗風(fēng)沙土面積已達(dá)1355.6萬(wàn)畝(其中中度以上沙化面積已達(dá)54.6%)，占總土地面積77.6%，粉細(xì)砂是該地區(qū)的主要表層物質(zhì)，如圖1所示.西部大開(kāi)發(fā)是我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要策略，為帶動(dòng)西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，路網(wǎng)成為必不可少的存在.隨著我國(guó)鐵路、公路建設(shè)領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)路基安全性要求的不斷提高.為提高烏審旗地區(qū)路基承載能力和穩(wěn)定性，論文將采用在粉細(xì)砂中摻入一定比例的水泥的方法對(duì)該地區(qū)粉細(xì)砂路堤基床表層進(jìn)行土質(zhì)改良.

圖1 烏審旗地區(qū)代表性粉細(xì)砂現(xiàn)場(chǎng)圖

祝艷波等[1]對(duì)紅層泥巖改良土通過(guò)開(kāi)展擊實(shí)、承載比，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，認(rèn)為改良土消除泥巖路基土的膨脹特性，大幅度提高其承載力及抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，水泥改良路基土效果最佳，摻和比為5%位最優(yōu).林羅斌等[2]通過(guò)三軸實(shí)驗(yàn)分析了木質(zhì)素纖維-粉煤灰改良土在工程中應(yīng)用的可能性，得出既滿足強(qiáng)度需要，又滿足成本控制的木質(zhì)素纖維配比.楊廣慶[3]進(jìn)行了水泥改良土的動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了水泥土的臨界動(dòng)應(yīng)力、彈性變形和回彈模量的變化規(guī)律及影響因素.

然而，有關(guān)烏審旗地區(qū)粉細(xì)砂改良土的力學(xué)性能研究不是很多.粉細(xì)砂質(zhì)量較小，在水中單個(gè)下沉?xí)r碰到已沉積的土粒就可能因粒間引力而停留在接觸點(diǎn)上不再下沉，形成孔隙很大的蜂窩結(jié)構(gòu)，顆粒之間膠結(jié)力小[4].目前，關(guān)于對(duì)粉細(xì)砂的改良，可以采用石灰、水泥、粉煤灰等方法[5-6].考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工等原因，本文采用水泥對(duì)烏審旗粉細(xì)砂改良土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，以選取合理的改良方法，為該領(lǐng)域路基粉細(xì)砂改良設(shè)計(jì)提供借鑒.

1 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備及物理性質(zhì)

選取頗具代表性的烏審旗粉砂土料作為試驗(yàn)土樣，分別對(duì)粉細(xì)砂原狀土和水泥摻比3%、5%、7%、9%的改良土進(jìn)行基本物性試驗(yàn)，得出最優(yōu)含水率以及最大干密度.室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)是在土的最大壓實(shí)度下確定土的最優(yōu)含水率和最大干密度的重要方法.擊實(shí)試驗(yàn)設(shè)定參數(shù)[8]詳見(jiàn)表1.本試驗(yàn)采用電動(dòng)擊實(shí)儀(HAD/DZY-II)，測(cè)試通過(guò)重型擊實(shí)法進(jìn)行.

表1 擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)大量測(cè)試，取原狀土和配置不同含水率的改良土，依據(jù)試驗(yàn)擬控制的目標(biāo)含水率，每組相鄰含水率的差值為2%～4%相對(duì)合理.擊實(shí)樣靜置24 h后，分別進(jìn)行試驗(yàn).將試驗(yàn)土樣分5層填入，每層交界處進(jìn)行刨毛處理[9-11].測(cè)出擊實(shí)筒和土樣的質(zhì)量以及擊實(shí)筒的質(zhì)量，脫模將擊實(shí)后的土塊打碎，取出中間部位土樣裝入小器皿中測(cè)量含水率如圖2所示.擊實(shí)樣的干密度[12]表示為

(1)

式中：ρd為擊實(shí)筒中心處土樣的干密度(g/cm3)，ρ0為擊實(shí)筒中心處土樣的濕密度(g/cm3)，ωi為擊實(shí)筒中心處試樣的含水率.

圖2 擊實(shí)儀裝入土樣

經(jīng)測(cè)試，原狀土與水泥摻和比為3%、5%、7%、9%改良土的干密度和含水率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3.含原狀土的最優(yōu)含水率為9.95%，最大干密度為1.75 g/cm3，水泥摻和比為3%、5%、7%、9%水泥改良土的最優(yōu)含水率分別為10%、10.4%、10.7%、11%，最大干密度分別為1.76 g/cm3、1.78 g/cm3、1.81 g/cm3、1.85 g/cm3.原狀土的最大干密度和最優(yōu)含水率均比改良土小，且粘聚力抗剪強(qiáng)度小.

制樣時(shí)采用分層擊實(shí)法，根據(jù)擊樣器型號(hào)可得，試樣的直徑為39.1 mm，高度為80 mm.依據(jù)已測(cè)定不同水泥比的土樣最優(yōu)含水率，取足夠土樣，按最優(yōu)含水率進(jìn)行配置.所需加水量[13]應(yīng)按照式(2)計(jì)算.

(2)

式中w0為風(fēng)干土樣的含水率，w1為最優(yōu)含水率.根據(jù)試樣所需的壓實(shí)度，計(jì)算制樣所需土的質(zhì)量[14]，見(jiàn)式(3).式中m為制樣所需土的質(zhì)量(g)，K為式樣的壓實(shí)度，ω1為最優(yōu)含水率.分別制成含不同水泥攙比的水泥改良土.

m=K·V(1+ω1)ρdmax

(3)

圖3干密度隨含水率變化曲線圖4原狀土力學(xué)特性曲線

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

粉細(xì)砂因其粘聚力c很小，不易制成三軸實(shí)驗(yàn)試塊，故采用TKA-DDS-20A中型土直剪儀對(duì)原狀土進(jìn)行直剪試驗(yàn).試驗(yàn)中軸向應(yīng)變的加載速率設(shè)定為2 mm/min，剪應(yīng)力出現(xiàn)峰值，停止試驗(yàn)，數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器進(jìn)行采集，如圖4所示.

采用TSZ型應(yīng)變控制式三軸儀對(duì)粉細(xì)砂水泥改良土進(jìn)行不固結(jié)不排水(UU)三軸試驗(yàn).軸向應(yīng)變的加載速率設(shè)定為0.8 mm/min，主應(yīng)力差出現(xiàn)峰值時(shí)停止試驗(yàn)；主應(yīng)力差未出現(xiàn)峰值，軸向應(yīng)變達(dá)到15%后停止試驗(yàn).進(jìn)行試驗(yàn)后，得到剪切過(guò)程中試樣的軸向位移h1和量力環(huán)的變形量R，根據(jù)公式(4)，計(jì)算軸向應(yīng)變?chǔ)藕椭鲬?yīng)力差[15].式中C為量力環(huán)系數(shù)(N/0.01 mm)，R為量力環(huán)變形量(0.01 mm).

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 圍壓及水泥摻比對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變的影響

四種水泥摻比的烏審旗粉細(xì)砂水泥改良土在在不用圍壓條件下應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖5所示.

測(cè)試結(jié)果表明，隨著軸向應(yīng)變的增大，水泥摻比3%、5%、7%改良土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)基本一致，主應(yīng)力差值均持續(xù)增長(zhǎng)，且曲線前期呈線性增長(zhǎng)，而后期增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，主應(yīng)力差出現(xiàn)峰值后趨于平穩(wěn)或下滑.當(dāng)水泥摻比5%時(shí)，圍壓分別為100 kPa、50 kPa、20 kPa時(shí)，主應(yīng)力差的峰值較3%水泥摻比時(shí)分別增長(zhǎng)了180%、204%、250%.而水泥摻比7%改良土較5%分別增長(zhǎng)了69%、41.6%、27.2%.水泥摻和比為9%時(shí)主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增加而逐漸增大，出現(xiàn)峰值之后急劇下降，表明當(dāng)水泥摻和比達(dá)到一定數(shù)值后，繼續(xù)增加水泥摻量粉細(xì)砂整體塑性下降，其強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的脆性特征.

(a)含3%水泥改良土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線 (b)含5%水泥改良土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

(c)含7%水泥改良土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線 (d)含9%水泥改良土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖5不同水泥比改良土在不同圍壓下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.2 剛度軟化規(guī)律

三軸試驗(yàn)中常用割線模量E的大小來(lái)描述土的剛度，E定義為應(yīng)力—應(yīng)變曲線上某點(diǎn)與某點(diǎn)連線所得直線的斜率.以往對(duì)于水泥改良土力學(xué)特性的研究大多圍繞其抗剪強(qiáng)度開(kāi)展試驗(yàn)分析，而對(duì)于剛度方面的研究相對(duì)較少.鑒于此，論文通過(guò)試驗(yàn)分析了粉細(xì)砂水泥改良土的剛度—應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖6所示.

(a)水泥摻和比為3% (b)水泥摻和比為5%

(c)水泥摻和比為7% (d)水泥摻和比為9%

圖6水泥土剛度—應(yīng)變關(guān)系曲線

分析發(fā)現(xiàn)，隨著軸向應(yīng)變的增加，改良土割線彈性模量均逐漸減小，發(fā)生不同程度的剛度軟化現(xiàn)象.總體趨勢(shì)表明，在加載初期，割線彈性模量E衰減較快，隨著軸向應(yīng)變的增加，曲線繼續(xù)衰減并趨于平緩.從圖6(a)～8(d)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻和比的增加，水泥有效地提高了粉細(xì)砂改良土小應(yīng)變條件下的整體剛度，尤其是在圍壓相對(duì)較低的條件下.

圖7 剪應(yīng)力隨剪切位移變化曲線

2.3 抗剪強(qiáng)度分析

原狀土在法向應(yīng)力為50 kPa、100 kPa、150 kPa條件下進(jìn)行直剪試驗(yàn)得到剪應(yīng)力-剪切位移曲線，如圖7所示.通過(guò)繪制抗剪強(qiáng)度和法向應(yīng)力關(guān)系曲線，得到原狀土的粘聚力c=3.9 kPa，內(nèi)摩擦角φ=33.88°.

通過(guò)莫爾應(yīng)力圓計(jì)算出內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c，詳見(jiàn)表2與圖8.試樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力均隨著水泥摻和比的增大而增大.其中，水泥摻和比為5%改良土較水泥摻和比為3%內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)百分比最大，為27%；水泥摻和比為5%改良土較水泥摻和比3%增長(zhǎng)百分比最大，為80.3%.

圖8 內(nèi)摩擦角、粘聚力隨水泥摻和比變化圖

水泥內(nèi)摩擦角φ/°粘聚力/kPa原狀土33.883.93%34.0756.145%43.3101.267%53.91185.919%56.56195.01

3 結(jié) 論

(1)隨著軸向應(yīng)變的增加，粉細(xì)砂水泥改良土割線彈性模量均逐漸減小，表現(xiàn)為不同程度的剛度軟化現(xiàn)象；隨著水泥摻和比的增加，水泥有效地提高了粉細(xì)砂改良土小應(yīng)變條件下的整體剛度，尤其是在圍壓相對(duì)較低的條件下.

(2)水泥改良土較原狀土水泥摻和比為3%的水泥改良土粘聚力是粉細(xì)砂原狀土的14倍，水泥摻和比為5%的水泥改良土粘聚力是原狀土的25倍，相比對(duì)內(nèi)摩擦角的影響水泥改良對(duì)粉細(xì)砂粘聚力的提高有更明顯的作用.

(3)5%水泥的改良土不僅可以增大抗剪強(qiáng)度，且較7%具有更大的增幅百分比；而9%水泥摻量的粉細(xì)砂峰值抗剪強(qiáng)度呈明顯的剛脆性特征；綜合不同摻量粉細(xì)砂室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，建議烏審旗地區(qū)細(xì)粉砂路基改良土水泥配比可近似取5%.

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