二灰土的壓縮特性研究

徐奮強,方慶軍,陳艷麗,申 征

(1.南京工程學院建筑工程學院,江蘇 南京 211167;2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;3.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098)

二灰土是在土中摻入石灰、粉煤灰和水,經拌和、壓實和養護后得到的強度符合規定的一種無機材料[1]。20世紀60年代以來,我國科技工作者對二灰土穩定材料進行了大量的路用研究[2-5]。但多針對二灰土的配比、強度、施工、凍害進行研究,如郭婷婷對二灰土抗剪強度的研究[6],丁庭研究二灰土配比與強度的關系特點,張宏研究了二灰土的抗壓、抗剪強度和壓縮性隨養護齡期的變化特點。隨著工程技術人員對其性能要求的不斷提高[7],有必要對最優含水率與壓縮性的特點開展研究,研究結論可作為相關設計和施工的參考資料。

1 試 驗

1.1 試驗材料

(1)土樣 土樣采用粉質黏土,物理參數指標見表1,顆粒分析見表2。

表1 試驗土樣的基本物理性質指標

(2)石灰 其主要成分為氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO),有效鈣鎂含量為63.8%,屬于Ⅱ級生石灰粉,完全滿足《公路路面基層施工技術規范》(JTJ034-2000)規定的技術指標。

(3)粉煤灰,其主要成分SiO2為48%、Al2O3為18%、Fe2O3為15%、CaO 為5%,燒失量為6%。

表2 土的顆粒分析結果

1.2 試驗設備

南京寧曦土壤儀器廠生產的SKDJ-Ⅰ型數控電動擊實儀,擊實分3層,擊數以達到要求的壓實度為準,壓縮設備采用WG-1B三聯固結儀。

1.3 試驗試樣的制備

試驗所采用的配比,石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6。將土樣風干碾碎,過5mm篩。測風干含水率,擬定5個不同的含水率試樣,分別為12%、14%、16%、18%、20%,二灰土試樣配制的含水率為16%、18%、20%、22%、24%。

1.4 試驗方法

素土的擊實試驗方法按照《公路土工試驗規程》(JTGE40-2007)執行。二灰土的擊實按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTGE51-2009)中的甲法進行擊實。

壓縮試驗采用快速固結法,即1 h試驗法,穩定標準為每小時的變形不大于0.005mm。荷載采用100 kPa、200 kPa、300 kPa,數據采用壓力間隔 P1=100 kPa至P2=200 kPa時對應的壓縮系數a1-2和壓縮模量E1-2來評價土的壓縮性。壓實度采用規定壓實度93%、95%和97%,含水率采用17.5%、19.5%和21.5%。每一單項試驗做3組平行試驗,取其均值作為采信數據,如果三組數據相差較大,數值相差超15%即重新試驗,試驗結果見表3。

表3 二灰土壓縮試驗結果

2 試驗結果

擊實曲線如圖1和圖2所示。素土的最優含水率為14.0%、最大干密度為1.93 g/cm3;二灰土配合比10∶30∶60,最優含水率為19.5%,最大干密度為1.44 g/cm3。

圖1 素土擊實曲線

圖2 二灰土擊實曲線

2.1 壓縮試驗結果分析

此次壓縮試驗的主要目的是得到最優含水率19.5%及±2%附近土體的壓縮系數和壓縮模量,并分析含水率和壓實度對此兩項指標的影響,試驗成果見圖3和圖4。

圖3 不同含水率二灰土的壓實度與壓縮系數關系曲線

由圖3知,當含水率為 17.5%、19.5%時,壓縮系數隨著壓實度的增大而減小。含水率為21.5%時,在壓實度約為95.5%時發生突變,當壓實度小于95.5%值時,壓縮系數隨著壓實度的增大而減小;而當壓實度大于95.5%時,壓縮系數隨著壓實度的增大反而增大。可見含水率對壓縮系數的影響還是很大,由于其壓縮系數的變化較大,對工程后期質量造成很大的隱患。故有必要在既定設計壓實度條件下,對最優含水率附近二灰土壓縮系數的變化情況進行試驗研究,以采取改變含水率或原材料等措施消除工程隱患。

圖4 不同含水率二灰土的壓實度與壓縮模量關系曲線

從圖4中可以看出,當含水率為17.5%、19.5%時,壓縮模量隨著壓實度的增大而增大。當含水率為21.5%時,壓縮模量的變化不是呈現簡單的增大或減小,而是存在一個峰值,即壓縮模量在壓實度為95%時大于在壓實度97%的數值,即壓縮模量在土體壓實度增大過程中存在最大值,并存在某一臨界壓實度,超過此臨界壓實度,將使土體的強度降低。

導致壓縮系數和壓縮模量在較高含水率的情況下出現這種現象的原因主要有以下幾個方面:

(1)土樣在最優含水率附近壓實時,初始壓實功使二灰土中的空氣體積迅速縮小,繼續壓實,空氣卻不能及時排出來,壓實功主要使土中的空氣暫時受到壓縮,二灰土中產生較大的孔隙壓力和內應力,二灰土中同時也就產生很多裂縫,二灰土強度明顯下降,并導致土體抵抗外界荷載的能力降低。

(2)在不斷的壓實過程中,二灰土顆粒靠近,使顆粒周圍的水膜受到不斷擠壓,導致顆粒接觸處的水膜減薄而其他位置的水膜增厚,使得部分結合水變成自由水,二灰土表面甚至出現裂縫,并伴有水流出,以至于不斷產生剪切破壞,局部二灰土土體的粘結力降低,二灰土體的整體強度降低,導致二灰土的壓縮性增大。

(3)由于素土樣的細粒含量高,小于0.074mm的顆粒含量高達86%,并且素土樣液限較高,達到32%,具有脹縮性,在含水率大于最優含水率時,二灰土表現出的漲縮性充分顯現,導致土體壓縮性較大,壓縮模量降低。

(4)試樣含水率大于最優含水率時,土粒間作用力減弱,土團間的結構性減弱,易產生定向排列,在含水率達到和超過最優含水率以后,土中顆粒排列更加定向化,顆粒間的聯結亦很弱[8],尤其對膨脹性粉質黏土,土團間的定向排列趨勢更加明顯,使試樣總體密度變小,壓縮變形大,模量變小。

3 結 論

(1)二灰土的壓縮系數與壓實度的變化關系隨含水率的不同具有波動性,不是簡單相對的增大和減小,而是存在一個臨界壓實度,當二灰土處在這個臨界壓實度時,壓縮系數呈現最小值,否則壓實度系數都較大。

(2)二灰土的壓縮模量在土體最優含水率附近隨壓實度增大過程中存在最大值,即存在某一臨界壓實度,超過此臨界壓實度,將使土體的強度降低。

(3)最優含水率附近,壓實度與壓縮性異常變化的原因及數量關系還有待深層次的試驗研究,國外文獻多從顆粒排列、基質吸力等角度進行分析。

[1]沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,1998:882-930.

[2]Sudhakar M Rao,Revanasiddapa K.Role of soil structure and matric suction in collapse of a compacted clay soil[J].J.Geotechnical Testing,2003,26(1):1-9.

[3]商慶森,劉樹堂.影響石灰與二灰穩定細粒土強度因素的控制[J].公路交通科技,2000,17(6):26-29.

[4]張宏,張伯平.養護齡期對二灰土工程特性的影響試驗研究[J].人民長江,2004,35(12):26-37.

[5]張養安,魯有柱,宋佳林.灰土擠密樁復合地基承載力檢測與評定[J].水利與建筑工程學報,2005,3(3):40-42.

[6]郭婷婷,張伯平,張宏.二灰土擊實性與抗剪強度試驗研究[J].長江科學院院報,2004,21(6):38-40.

[7]尹亞雄,梁波,王生新.粉煤灰鐵路路基的靜動力特性研究[J].巖石力學與工程學報,2003,22(Z2):2824-2828.

[8]Mulder E.A mixture of fly ashes road base construction material[J].Waste Management,Management,1996,16(1-3):15-20.