低液限粉土改良試驗研究

張凱華

(中咨華美(北京)路橋技術有限公司,湖南長沙 410008)

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低液限粉土改良試驗研究

張凱華

(中咨華美(北京)路橋技術有限公司,湖南長沙 410008)

摘要:基于室內試驗,在粉土中摻配不同比例的水泥、砂礫制作試件進行無側限抗壓強度、回彈模量、CBR試驗。試驗結果表明,水泥改良粉土的最佳摻量為4%,養生時間為28 d;砂礫改良粉土的最佳摻量為40%,此時改良效果較好且較為經濟。

關鍵詞:公路;低液限粉土;水泥;砂礫

路基作為道路結構的主要承載體,其施工質量的好壞直接影響整個道路的使用壽命。粉土作為一種不良路基填料,在中國分布十分廣泛。在粉土分布地區修筑道路時,如果對粉土棄之不用而換填其他土質,不僅會導致占地面積增大、建設成本增高,也不符合當前資源節約、環境保護的建設發展理念。因此,如何充分利用粉土,對其進行一定改良使其滿足施工質量要求十分重要。

正是在這一建設理念的指導下,許多科研人員進行了相關試驗研究,發現使用水泥、石灰、粉煤灰等無機結合材料對粉土進行改良,效果較顯著。但從現場施工結果來看,不同的改良材料其改良粉土的效果有所不同。商慶森等通過采用正交法對二灰改良粉土的強度、壓實度、配比率等進行研究,分析了改良粉土的強度形成機理;朱志鐸等對水泥、石灰、固化劑的粉土改良效果進行了對比研究,分析了CBR、無側限抗壓強度等指標的變化規律;龔智輝提出了不同無機結合料對改良粉土的最佳摻量,并進行了比較研究。該文在借鑒這些研究成果的基礎上,通過對現場粉土土樣的改良試驗,研究粉土的物理力學變化規律。

1 粉土分布及特性分析

1.1 粉土定名與分類

根據GB 50021-2001《巖土工程勘察規范》、JTG E40-2007《公路土工試驗規程》等規范,粉土為粗粒組含量低于總質量的50%,Ip＜0.73(wl-20)或Ip＜4的細粒土。ASTMD 2487-06美國《工程用土分類規程》對粉土的定名與中國規范的區別在于:美國規范使用的是圓孔篩,中國使用的是方孔篩;兩者對液、塑限儀的參數取值有所不同;兩者對過渡區范圍內的粉土界定有所差異。但國內外對粉土定名的基本共識是要求粉土中大于0.075 mm的顆粒含量小于50%,且塑性指數在A線以下。

此外,中國學者根據粉土形成原因的不同,將粉土細分為風成粉土、水成粉土、殘積粉土三大類。其中:風成粉土主要是在風力攜帶作用下形成,主要分布在丘陵、坡麓等地;水成粉土主要是在水力搬運作用下形成,主要分布在沖洪積扇緣、河流淺灘等地;殘積粉土主要是經風化而沒有搬運的粉土,主要分布在山地、丘陵地區。

1.2 粉土區域變化規律

粉土在中國的分布十分廣泛。相關研究表明,粉土的分布范圍具有一定的區域變化規律:

(1)當粉土由西向東變化時,粉土顆粒組成中的粉粒含量逐步增多,砂粒含量逐步減少,而黏粒含量基本保持不變。主要表現在山東三角洲地區的粉粒含量高達90%,中部地區粉土中粉粒含量為50% ～70%,西部地區粉粒含量在30%以下。

(2)當粉土由西向東變化時,粉土中的液限值和塑限值逐漸增大,而塑性指數較為穩定。主要表現在東部地區粉土的液限均值為21.4%,西部地區為33.6%;東部地區粉土的塑限值由15.4%提高到23.6%;全國粉土的塑性指數基本為9.7左右。

1.3 粉土特性分析

粉土作為路基的一種不良填料,受顆粒組成及液、塑限值的影響,實際施工中表現為碾壓時干時容易壓碎、揚塵大,浸水后容易形成流體狀態、強度急劇下降,壓實度和強度經常難以滿足規范要求。

(1)結構特征。由于粉土中粉粒含量多,其結構特征表現為既有單粒結構,又有蜂窩結構,導致粉土中的毛細管較為發達,對水非常敏感,保水性差,壓實時可能導致顆粒不均勻排列。

(2)低強度性。粉土中的顆粒主要靠電引力和毛細水吸附力連接在一起,當水分蒸發后,吸附力降低,強度減弱;當水分過多時,其內聚力大幅降低。因此,粉土的強度十分不穩定,表現為低強度性。

(3)假塑性。粉土中的毛細現象十分發達,其土顆粒間的毛細壓力經常受到土粒表面張力的影響而表現出弱小的內聚力,導致在室內試驗時經常檢測出粉土的液、塑限值不符合錐入深度與含水量(h -w)關系圖。

2 水泥改良試驗研究

2.1 基礎物性指標

依托河南某在建高速公路,針對當地路基填筑使用的粉土進行基礎物理指標數據檢測,結果如表1、表2所示。

表1 粉土顆粒分析試驗結果

表2 粉土級配指標及液、塑限試驗結果

根據該土樣的顆粒組成及液限、塑限試驗結果,其粗粒組含量小于25%,液限值小于50%,為低液限粉土。

2.2 試驗方案

路基作為道路工程的主要承載結構,它抵抗車輪荷載的能力主要體現在路基強度上。JTG D30-2004《公路路基設計規范》對填料的回彈模量指標提出了具體要求,且該指標不論是在柔性設計體系還是在剛性設計體系中都得到了廣泛應用。因此,下面主要以回彈模量強度指標為評價參數,結合無側限抗壓強度指標分析水泥對粉土的改良效果。

水泥改良粉土試驗方案如下:通過改變水泥摻量(2%～5%)研究粉土的回彈模量、無側限抗壓強度變化規律。首先,通過擊實試驗制備不同水泥摻量的粉土試件,進行不同時間的養生后測定其回彈模量、無側限抗壓強度值;然后對數據進行分析,得到最佳水泥用量,以達到降低工程費用的目的。

2.3 強度指標分析

2.3.1 無側限抗壓強度

對粉土分別摻加2%、3%、4%、5%的水泥,通過重型擊實儀制備試件,每種水泥劑量的試件為6個。將脫模成型的試件分別養生7、28、60、90 d,測試不同水泥摻量粉土在不同養生時間下的無側限抗壓強度,結果如表3所示。

表3 不同水泥摻量粉土在不同齡期下的無側限抗壓強度值

從表3可以看出:1)隨著養生時間的增長,無側限抗壓強度不斷增大。2)水泥摻量越大,無側限抗壓強度越大。3)隨齡期的延長,無側限抗壓強度前期增長較快,后期增長較慢,28 d強度為90 d強度的35%,60 d強度為90 d強度的83%。4)無側限抗壓強度隨水泥摻量的增加而增大,但當劑量超過4%后,強度增長速率有所降低。

2.3.2 回彈模量

回彈模量反映的是土基承載力,是道路工程的重要控制指標。分別對粉土摻加2%、3%、4%、5%的水泥,養生7、28、60、90 d,通過萬能壓力試驗機對成型試件進行壓力試驗,得到其壓力和變形曲線,計算不同摻量、不同養生時間下粉土的回彈模量值,結果如表4所示。

表4 不同水泥摻量粉土在不同齡期下的回彈模量試驗結果

由表4可知:1)回彈模量隨水泥摻量的增加而增大,當水泥摻量由2%增加到4%時,回彈模量值增幅較大;當摻量超過4%時,增幅降低。2)回彈模量隨齡期的增長可分為3個階段,7～28 d為第一階段,回彈模量增幅最快;28～60 d為第二階段,回彈模量增幅降低,增長速率變小;60～90 d為第三階段,回彈模量的增幅較小。

2.4 試驗結論

從水泥摻量、齡期對粉土改良試驗結果來看,水泥摻量4%、養生齡期28 d是水泥改良粉土的一個重要控制點。當水泥摻量小于4%、養生齡期小于28 d時,粉土強度仍然有上升空間。當超過這一控制參數時,雖然粉土的強度仍然有所提高,但提高幅度很小,此時的粉土強度指標完全滿足規范和施工要求。考慮到工程經濟性和現場強度要求,建議水泥改良粉土的摻量為4%、養生時間為28 d。

3 砂礫改良試驗研究

3.1 試驗機理分析

粉土在路基施工中存在的種種問題,主要是由于其特殊的顆粒結構組成特點所決定的。粉土中粉粒含量較多,缺少足夠的砂粒和黏粒,導致其強度較低、水穩定性較差。鑒于此,可以從改善粉土的顆粒級配角度出發,通過對粉土摻加一定比例的其他土壤來改善粉土的強度特性。

砂礫中含有較多的大粒徑石料,其顆粒間摩阻力較大、強度較高、級配較好,可以為粉土提供極好的骨架作用。如果對粉土摻加適當比例的砂礫,可使粉土與砂礫間形成緊密的狀態。從最大密實度理論的角度,此時粉土與砂礫構成的級配空隙率最小、密實度最大、水穩定性最好,對降低粉土路基的工后沉降、提高粉土路基的強度和水穩定性具有非常重要的作用。因此,可對粉土摻加適當比例的砂礫來改善其顆粒組成結構。

3.2 試驗方案設計

根據砂礫土改良粉土的機理,按照體積摻配法將砂礫土和粉土按3∶7、4∶6、5∶5 3種比例進行混合,將摻配好的土樣按重型擊實法成型試件,分別測定其無側限抗壓強度、回彈模量和CBR指標。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 無側限抗壓強度

表5為3種摻配比例試件的無側限抗壓強度。

由表5可以看出:砂礫土的摻量越大,粉土的抗壓強度越高。摻配比例為5∶5時的抗壓強度分別為3∶7、4∶6時的6.5倍和3倍。這是因為砂礫含量的增加,使粉土顆粒間的內摩擦角和摩阻力得到增強,砂礫構成骨架作用,抗壓強度得到提高。

表5 不同砂礫土摻配比例下的無側限抗壓強度值

3.3.2 抗壓回彈模量

表6為3種摻配比例試件的抗壓回彈模量。

從表6可以看出:摻配比例為5∶5時的回彈模量值分別為3∶7、4∶6時的13.5倍和4.7倍。由此可知,當摻配比例超過40%時,試件的受力結構主要由砂礫土承擔,其回彈模量值是素粉土的數倍。

3.3.3 CBR強度

3種摻配比例試件的CBR強度值如表7所示。

表7 不同砂礫土摻配比例下的CBR強度值

從表7可以看出:摻配比例為5∶5時的CBR強度值分別為3∶7、4∶6時的3.5倍和2.2倍。當砂礫含量超過40%時,其CBR強度值變化明顯,這種規律與無側限抗壓強度、回彈模量隨摻配比例變化情況相似。說明40%的砂礫土摻配量改良效果較好且較為經濟。在現場施工時,為了提高粉土路基填筑質量,可在粉土中摻加40%的砂礫土進行碾壓。

4 結論

該文基于室內試驗,對粉土進行了水泥、砂礫改良試驗研究,通過測試不同摻配比例試件的無側限抗壓強度、回彈模量、CBR值,分析改良粉土強度指標的變化規律。結論如下:水泥改良粉土的最佳摻量為4%,養生時間為28 d;砂礫改良粉土的最佳摻量為40%,此時改良效果較好且較為經濟。

參考文獻:

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收稿日期:2016-01-12

中圖分類號:U416.1

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0126-03