路基壓縮強度的剪切波速評價

(鄭州市公路工程公司，鄭州 450000)

路基作為路面結構的基礎，要有足夠的強度、剛度和穩定性，其品質往往與道路的使用相關[1]。選擇優質、良好的填料填筑路基是非常重要的，這樣既能保證路基穩定、減少路基病害，又可以降低施工難度。但我國地域遼闊，較優的路基填料無法滿足基礎建設的需求量[2]。趙安平等[3]研究了凍融循環次數對水泥改良粉質黏土強度的影響。顏勝才[4]研究了水泥改良土物理力學特性的變化規律，指出檢測時間對路基施工品質的影響。鄭江等[5]研究了改良方式對改良土強度的影響規律，指出水泥改良土路基填筑后養護的重要性。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、粉質黏土為研究對象，通過室內三軸剪切和波速檢測試驗研究了壓縮強度及剪切波速的變化規律，以及兩者的相關性，為路基品質檢測提供了技術依據。

1 試驗材料

1.1 試驗土樣

將粉土和粉質黏土用水泥進行改良，土樣物理性質如表1所示，土樣不同粒徑組成顆粒的質量分數如表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%,抗折強度(3 d)為5.3 MPa,抗折強度(28 d)為8.2 MPa,抗壓強度(3 d)為26.1 MPa，抗壓強度(28 d)為55.3 MPa。

表1 試驗土樣物理性質

表2 試驗土樣不同粒徑組成顆粒的質量分數 %

2 試驗方法與方案

2.1 試驗方法

將自然風干試驗土樣碾碎，過2 mm圓孔篩，并測定其風干含水率；根據配置不同水泥劑量改良土確定加水量，至少浸潤12 h；浸潤后試驗土樣中摻入水泥進行拌和。根據重型擊實試驗確定室內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。試件脫模后放入標準養生室進行養生，齡期最后一天泡水養生。試件飽和方法采用真空飽和法[7-8]，選用飽和器對養護后試驗土樣進行飽和。

結合現場路基實際受力狀態，參照JTG E40-2007《公路土工試驗規程》中的固結不排水三軸剪切試驗方法確定不同齡期水泥改良土的壓縮強度，固結壓力取20 kPa，剪切應變速率約為0.08 %/min。根據透射法原理[9]，選用DB4型多波參數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3個平行試件。

2.2 試驗方案

(1)水泥劑量的影響

研究水泥劑量與水泥改良土的壓縮強度、剪切波速的關系，水泥劑量擬選用3%,4%,5%,6%，養護齡期擬選用28 d，按照擊實試驗確定最佳含水率成型試件。

(2)含水率的影響

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

(3)養生齡期的影響

分析不同水泥劑量改良粉土在不同含水率狀態下壓縮強度和剪切波速與齡期的變化關系，水泥劑量擬選用3%,4%,5%,6%，養護齡期擬選用7,14,28,60 d，按照擊實試驗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度及剪切波速的影響，擬水泥劑量為4%，養護齡期為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 結果分析

3.1 擊實試驗

由室內擊實試驗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試驗結果

由表3可知，隨著水泥劑量的增加，粉土與粉質黏土的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黏土的ρdmax均提高了0.2%，說明水泥劑量對改良粉土和粉質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三軸剪切試驗和波速檢測結果如表4,5所示。

(1)水泥劑量的影響

不同水泥劑量改良土28 d壓縮強度、剪切波速及壓縮波速變化規律如圖1所示。

由圖1可知，相同試驗條件下，水泥改良土壓縮強度隨水泥劑量的增加呈直線增長趨勢，水泥劑量每增加1%，改良粉土和粉質黏土飽和壓縮強度分別平均提高161%，185%，且其非飽和壓縮強度分別平均提高315%，376%。這說明水泥劑量對改良土壓縮強度的影響很大，這是因為水泥摻量越大，水泥水化產物越多，與土粒之間的膠結作用就越強，結構就更加密實，壓縮強度也就相應提高。

水泥劑量與改良土剪切波速的關系如圖2所示，由圖2可知，相同試驗條件下，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度的變化規律。

表4 不同養護齡期水泥改良土的壓縮強度 MPa

表5 不同養護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度的關系

圖2 水泥劑量與改良土剪切波速的關系

(2)含水率的影響

根據表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度和剪切波速的比值；σb，Vsb分別為試件飽和狀態下的壓縮強度和剪切波速；σop，Vs分別為試件最佳含水率下的壓縮強度和剪切波速。

表6 不同養護齡期水泥改良土飽和前與飽和后的壓縮強度比值

表7 不同養護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，飽和狀態下試件壓縮強度和剪切波速均降低，水泥改良土壓縮強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度及波速比值的平均值分別為0.721，0.871，改良粉質黏土壓縮強度及波速比值的平均值分別為0.729，0.866。這說明，含水率發生變化后，壓縮強度和剪切波速變化規律基本一致，可以通過檢測路基剪切波速對其強度進行評價，預測壓縮強度的變化規律。

(3)養生齡期的影響

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

圖3 養護齡期與水泥改良粉土壓縮強度的關系

圖4 養護齡期與水泥改良粉土剪切波速的關系

(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%，按照上述試驗方法進行試驗。黏粒含量與水泥改良粉土壓縮強度及剪切波速的關系如圖5所示。

圖5 黏粒含量與水泥改良粉土壓縮強度/剪切波速的關系

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度及剪切波速；隨著黏粒含量的增加，壓縮強度及剪切波速均呈拋物線趨勢變化，先增大后減小；當黏粒含量范圍為18%22%時，改良土壓縮強度較大。這是因為，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，水泥水化進程減慢，壓縮強度降低。

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度的變化，對路基性能進行預測，根據強度影響因素指導路基現場施工。水泥改良粉土剪切波速與壓縮強度的函數關系如表8所示，表中y表示壓縮強度，x表示剪切波速。

表8 水泥改良粉土剪切波速與壓縮強度的函數關系

4 結論

(1)相同試驗條件下，水泥改良土壓縮強度和剪切波速變化規律基本一致，壓縮強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，飽和狀態下壓縮強度和剪切波速均降低；不同水泥劑量改良粉土強度及波速隨齡期的增長表現為冪函數增長趨勢。

(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度具有良好的相關性，可用剪切波速評價其壓縮強度的變化，對路基性能進行預測。