路基壓縮強(qiáng)度的剪切波速評價

(鄭州市公路工程公司，鄭州 450000)

路基作為路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，要有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，其品質(zhì)往往與道路的使用相關(guān)[1]。選擇優(yōu)質(zhì)、良好的填料填筑路基是非常重要的，這樣既能保證路基穩(wěn)定、減少路基病害，又可以降低施工難度。但我國地域遼闊，較優(yōu)的路基填料無法滿足基礎(chǔ)建設(shè)的需求量[2]。趙安平等[3]研究了凍融循環(huán)次數(shù)對水泥改良粉質(zhì)黏土強(qiáng)度的影響。顏勝才[4]研究了水泥改良土物理力學(xué)特性的變化規(guī)律，指出檢測時間對路基施工品質(zhì)的影響。鄭江等[5]研究了改良方式對改良土強(qiáng)度的影響規(guī)律，指出水泥改良土路基填筑后養(yǎng)護(hù)的重要性。羅照新等[6]提出了改良黃土的方法，探究了改良材料對路基性能的影響。筆者以水泥改良粉土、粉質(zhì)黏土為研究對象，通過室內(nèi)三軸剪切和波速檢測試驗(yàn)研究了壓縮強(qiáng)度及剪切波速的變化規(guī)律，以及兩者的相關(guān)性，為路基品質(zhì)檢測提供了技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)土樣

將粉土和粉質(zhì)黏土用水泥進(jìn)行改良，土樣物理性質(zhì)如表1所示，土樣不同粒徑組成顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

1.2 水泥

選用普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，水泥細(xì)度為1.2%,初凝時間為265 min,終凝時間為320 min,燒失量為1.0%,抗折強(qiáng)度(3 d)為5.3 MPa,抗折強(qiáng)度(28 d)為8.2 MPa,抗壓強(qiáng)度(3 d)為26.1 MPa，抗壓強(qiáng)度(28 d)為55.3 MPa。

表1 試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)

表2 試驗(yàn)土樣不同粒徑組成顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2 試驗(yàn)方法與方案

2.1 試驗(yàn)方法

將自然風(fēng)干試驗(yàn)土樣碾碎，過2 mm圓孔篩，并測定其風(fēng)干含水率；根據(jù)配置不同水泥劑量改良土確定加水量，至少浸潤12 h；浸潤后試驗(yàn)土樣中摻入水泥進(jìn)行拌和。根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)確定室內(nèi)不同水泥劑量的水泥土的最佳含水率，采用靜壓法成型試件，壓實(shí)度控制在98%。試件尺寸(外徑X高度)為φ50 mm×50 mm，混合料分3層裝入，并插搗密實(shí)。試件脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室進(jìn)行養(yǎng)生，齡期最后一天泡水養(yǎng)生。試件飽和方法采用真空飽和法[7-8]，選用飽和器對養(yǎng)護(hù)后試驗(yàn)土樣進(jìn)行飽和。

結(jié)合現(xiàn)場路基實(shí)際受力狀態(tài)，參照J(rèn)TG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)方法確定不同齡期水泥改良土的壓縮強(qiáng)度，固結(jié)壓力取20 kPa，剪切應(yīng)變速率約為0.08 %/min。根據(jù)透射法原理[9]，選用DB4型多波參數(shù)分析儀測試不同齡期水泥改良土剪切波速與壓縮波速，每組試驗(yàn)3個平行試件。

2.2 試驗(yàn)方案

(1)水泥劑量的影響

研究水泥劑量與水泥改良土的壓縮強(qiáng)度、剪切波速的關(guān)系，水泥劑量擬選用3%,4%,5%,6%，養(yǎng)護(hù)齡期擬選用28 d，按照擊實(shí)試驗(yàn)確定最佳含水率成型試件。

(2)含水率的影響

模擬現(xiàn)場雨季情況，研究水泥改良土飽和狀態(tài)下強(qiáng)度及波速變化的關(guān)系，采用試件飽和后與最佳含水率試件的強(qiáng)度及波速比值，評價剪切波速預(yù)測壓縮強(qiáng)度的可行性。

(3)養(yǎng)生齡期的影響

分析不同水泥劑量改良粉土在不同含水率狀態(tài)下壓縮強(qiáng)度和剪切波速與齡期的變化關(guān)系，水泥劑量擬選用3%,4%,5%,6%，養(yǎng)護(hù)齡期擬選用7,14,28,60 d，按照擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率成型試件。

(4)顆粒級配的影響

研究土樣顆粒級配對水泥改良土壓縮強(qiáng)度及剪切波速的影響，擬水泥劑量為4%，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，改變粉土中黏粒比例(粒徑小于0.005 mm)，黏粒含量分別為10%，15%，20%，25%。

3 結(jié)果分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

由室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)確定的不同水泥劑量改良土最大干密度ρdmax和最佳含水量wop如表3所示。

表3 不同水泥劑量改良土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，隨著水泥劑量的增加，粉土與粉質(zhì)黏土的ρdmax和wop均逐漸增大，水泥劑量每增加1%，水泥改良粉土和粉質(zhì)黏土的ρdmax均提高了0.2%，說明水泥劑量對改良粉土和粉質(zhì)黏土最大干密度的影響不明顯。

3.2 影響因素

不同水泥劑量改良土室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)和波速檢測結(jié)果如表4,5所示。

(1)水泥劑量的影響

不同水泥劑量改良土28 d壓縮強(qiáng)度、剪切波速及壓縮波速變化規(guī)律如圖1所示。

由圖1可知，相同試驗(yàn)條件下，水泥改良土壓縮強(qiáng)度隨水泥劑量的增加呈直線增長趨勢，水泥劑量每增加1%，改良粉土和粉質(zhì)黏土飽和壓縮強(qiáng)度分別平均提高161%，185%，且其非飽和壓縮強(qiáng)度分別平均提高315%，376%。這說明水泥劑量對改良土壓縮強(qiáng)度的影響很大，這是因?yàn)樗鄵搅吭酱?，水泥水化產(chǎn)物越多，與土粒之間的膠結(jié)作用就越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)就更加密實(shí)，壓縮強(qiáng)度也就相應(yīng)提高。

水泥劑量與改良土剪切波速的關(guān)系如圖2所示，由圖2可知，相同試驗(yàn)條件下，水泥改良土剪切波速與水泥劑量之間的變化呈線性增長關(guān)系。說明水泥劑量的變化使剪切波速變化明顯，在一定程度上可以表征壓縮強(qiáng)度的變化規(guī)律。

表4 不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥改良土的壓縮強(qiáng)度 MPa

表5 不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥改良土的剪切波速 m·s-1

圖1 水泥劑量與改良土壓縮強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 水泥劑量與改良土剪切波速的關(guān)系

(2)含水率的影響

根據(jù)表4,5和式(1)，不同水泥劑量改良土飽和前與飽和后的壓縮強(qiáng)度比值及波速比值見表6,7。

ε=σb/σop

(1)

εs=Vsb/Vs

(2)

式中：ε，εs分別為改良土飽和前與飽和后的壓縮強(qiáng)度和剪切波速的比值；σb，Vsb分別為試件飽和狀態(tài)下的壓縮強(qiáng)度和剪切波速；σop，Vs分別為試件最佳含水率下的壓縮強(qiáng)度和剪切波速。

表6 不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥改良土飽和前與飽和后的壓縮強(qiáng)度比值

表7 不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥改良土飽和前與飽和后的剪切波速比值

由表6,7可知，與最佳含水率改良土試件相比，飽和狀態(tài)下試件壓縮強(qiáng)度和剪切波速均降低，水泥改良土壓縮強(qiáng)度和波速分別降低了18%～39%和6%～19%；另外，在同一齡期和水泥劑量下，水泥改良粉土壓縮強(qiáng)度及波速比值的平均值分別為0.721，0.871，改良粉質(zhì)黏土壓縮強(qiáng)度及波速比值的平均值分別為0.729，0.866。這說明，含水率發(fā)生變化后，壓縮強(qiáng)度和剪切波速變化規(guī)律基本一致，可以通過檢測路基剪切波速對其強(qiáng)度進(jìn)行評價，預(yù)測壓縮強(qiáng)度的變化規(guī)律。

(3)養(yǎng)生齡期的影響

養(yǎng)護(hù)齡期與水泥改良粉土壓縮強(qiáng)度的關(guān)系及剪切波速的關(guān)系分別如圖3，4所示。由圖3，4可知，不同水泥劑量改良粉土的壓縮強(qiáng)度及剪切波速隨養(yǎng)護(hù)齡期增長的變化關(guān)系一致，呈冪函數(shù)增長趨勢；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期增至28 d時，水泥改良粉土壓縮強(qiáng)度和剪切波速分別平均增長28.5%，17.3%；當(dāng)護(hù)齡期增至60 d時，水泥改良粉土壓縮強(qiáng)度和剪切波速分別平均增長41.1%，28.9%。另外，養(yǎng)護(hù)齡期小于28 d時，壓縮強(qiáng)度及剪切波速增速明顯。

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期與水泥改良粉土壓縮強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 養(yǎng)護(hù)齡期與水泥改良粉土剪切波速的關(guān)系

(4)顆粒級配的影響

對過2 mm圓孔篩的粉土中摻入黏粒，控制土樣黏粒含量分別為10%，15%，20%，25%，按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。黏粒含量與水泥改良粉土壓縮強(qiáng)度及剪切波速的關(guān)系如圖5所示。

圖5 黏粒含量與水泥改良粉土壓縮強(qiáng)度/剪切波速的關(guān)系

由圖5可知，一定條件下適量的黏粒含量可提高改良土壓縮強(qiáng)度及剪切波速；隨著黏粒含量的增加，壓縮強(qiáng)度及剪切波速均呈拋物線趨勢變化，先增大后減?。划?dāng)黏粒含量范圍為18%22%時，改良土壓縮強(qiáng)度較大。這是因?yàn)?，土中黏粒含量越大，混合料拌和越不充分，土粒與水泥接觸越不充分；另外水泥水化過程中，黏粒表面吸附了大量的鈣離子，水泥水化進(jìn)程減慢，壓縮強(qiáng)度降低。

綜上可知，單一因素變化時，同一水泥改良土剪切波速與壓縮強(qiáng)度變化趨勢基本一致，說明可以采用剪切波速來評價其壓縮強(qiáng)度的變化，對路基性能進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)強(qiáng)度影響因素指導(dǎo)路基現(xiàn)場施工。水泥改良粉土剪切波速與壓縮強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系如表8所示，表中y表示壓縮強(qiáng)度，x表示剪切波速。

表8 水泥改良粉土剪切波速與壓縮強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

(1)相同試驗(yàn)條件下，水泥改良土壓縮強(qiáng)度和剪切波速變化規(guī)律基本一致，壓縮強(qiáng)度及剪切波速隨水泥劑量的增加呈直線增長趨勢；與最佳含水率改良土試件相比，飽和狀態(tài)下壓縮強(qiáng)度和剪切波速均降低；不同水泥劑量改良粉土強(qiáng)度及波速隨齡期的增長表現(xiàn)為冪函數(shù)增長趨勢。

(2)不同齡期和水泥劑量下，水泥改良粉土剪切波速與壓縮強(qiáng)度具有良好的相關(guān)性，可用剪切波速評價其壓縮強(qiáng)度的變化，對路基性能進(jìn)行預(yù)測。