高沙土地區砂土抗壓強度改良室內試驗研究

范冠宇，張建忙，周琪龍，倪江河

(江蘇省地質環境勘查院，江蘇 南京 211102)

土作為公路建設中一種最為普遍的材料，在路基中扮演著重要角色，其工程性能直接影響著公路施工及使用質量的好壞。

土體的內部結構在一定程度上決定了土體的強度。顆粒骨架組成及顆粒間的膠結情況決定了其內部結構。粉土是一種特殊的土，其性質介于黏性土和砂土之間，具有土粒徑集中、松散、黏性小等特點。由于其容易出現變形、坍塌、沖蝕、液化等破壞現象，因此工程建設上一般不能直接使用。受土地資源緊缺、經濟現狀和工期等多種自然和人為因素的影響，粉土經常被用來進行相關工程建設。受自身性質的影響，在各種地質營力作用下，粉土易造成交通設施不均勻沉降與塌陷帶來巨大的國民經濟損失及人民日常生活失序。因此必須對粉土進行相關的改良，使其能夠滿足工程建設的相關要求，從而避免造成工程危害。

針對粉土的改良試驗，國內外學者進行了大量的研究。針對泰州地區的粉土，張瑜等用石灰和水泥進行性質改良，其改良試驗結果表明水泥的效果比水泥加石灰好，改良后粉土的CBR值隨著水泥摻合比的增加而增大。為了獲得水泥的最優摻合比，陳燕等進行了相關試驗，并給出了具體數值。依托隴海線鐵路工程項目，張西海等利用石灰和粉煤灰對鄭州至徐州段的粉土進行了改良，其結果表明改良粉土的無側限抗壓強度隨著粉煤灰摻合比的增加而提高。通過摻加石灰、水泥來改良粉土，王海俊等在分析加固機理的同時，得到了較為經濟的摻合比。采用砂礫改良粉土，尚新鴻等取得了較好的效果。

南通地區分布有大范圍的高沙土，根據相關巖土工程勘察資料可知，該高沙土屬于粉土。其形成過程受入海河流沖積以及海相沉積作用的影響，組成與結構復雜，土體性質波動很大，粘聚力差，難以壓實，水穩定性差，易受震動產生液化。

根據相關調查，由于高沙土的自身性質，作為路基填料使用時易造成路基沉降不均勻，同時在開挖過程中受擾動后水穩性降低，整體表現出強度低的特點。因此，該土不能直接當作路基填料使用，需要進行相關處理，以保證施工質量。

為了避免因使用原土填筑出現質量問題，本文以粉煤灰和土壤固化劑為原材料開展室內試驗，研究其對高沙土地區粉土抗壓強度的改良情況，并分析其固化機理，以期為高沙土地區砂土的改良與應用提供新的思路。

1 試驗材料

為了對道路工程建設提供技術依據，本次試驗所選用的材料均取自位于如皋市下原鎮野樹社區9組的高沙土平原區。

根據鉆探揭露，綜合室內土工試驗成果及原位測試資料，第四系全新統沖積成因(Q4al)的粉土、粉砂等是勘探深度范圍內地基土層的主要組成成分。根據道路設計施工基礎深度資料，道路基礎主要位于粉土層中，同時路基回填土也來自該土層，因此該層粉土是此次研究的重點。本次試驗所取材料也來自該層土壤。

對研究區附近5個孔進行取樣分析，取其平均值，其中：砂土的風干含水率(質量比)為2%，顆粒粒徑為0.000 1～0.002的含量為1.38%，顆粒粒徑為0.002～0.005的含量為2.18%，顆粒粒徑為 0.005～0.01 mm 的含量為4.12%，顆粒粒徑為0.01～0.05 mm的含量為53.6%，顆粒粒徑為0.05～0.075 mm的含量為17.24%，顆粒粒徑為0.075～0.25 mm的含量為21.44%，顆粒粒徑為0.25～0.5 mm的含量為0.04%。粒徑分布見圖1。其液限是 29.2，塑限是21.9，塑性指數為 7.3，不均勻系數Cu為4.6，曲率系數Cc為1.73。

試驗材料：

本次改良試驗研究采用兩種添加劑進行配合使用，分別是固化劑和粉煤灰。其中固化劑主要成分是一種改性親水性樹脂，與水反應生成彈性凝膠體，有高度安全性，具有耐久性強、可自然降解、生態環保等特征。固化劑密度為1.18 g/cm3，20℃黏度為450～600 mPa·s，固化劑含量(質量分數，同)為80%，凝固時間為30～180 s，水量超過20倍。

本次試驗采用的是320目的粉煤灰，即粒徑為43μm，為灰黑色粉狀，密度為2.4 g/cm3，

試樣制備：

對上述過篩后烘干樣進行準確稱量，每組3 000 g，共稱取36組，其余土樣留作備用。烘干土樣含水率為0%，干密度為1.19 g/cm3。

試驗中選取的固化劑含量(質量分數，下同)分別為0%、5%、10%、15%、20%、40%。選取的粉煤灰含量(體積分數，下同)分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%。

實驗過程中，先稱取粉煤灰倒入巖土試樣中攪拌均勻，然后再將按照一定含水率配制的不同濃度固化劑溶液倒入圖樣中重分攪拌，然后進行靜置保存。

圖1 變電站場地內外土體顆粒分析圖

2 試驗方案

為了解改良砂土的抗壓強度變化，開展了無側限抗壓強度試驗，對 2 種添加劑不同比例摻量的砂土試件進行試驗，通過分析試驗結果來研究其抗壓強度的變化規律，從而確定添加劑對砂土的改良情況、添加劑的最佳摻量以及是否可直接作為填料用于工程實際。

2.1 試件制備

試件的制備和養護按《土工試驗方法標準》規定的方法進行，抗壓強度的試件規格均為直徑×高=39.1 mm×80 mm。將混合攪拌均勻后的土樣通過壓力機壓入模具，放置于(20±0.5)℃ 、濕度 95%的養護箱中養護相同的時間，養護時間均為24 h。

2.2 試驗方法

用應變控制式無側限壓力儀(如圖2所示)進行無側限抗壓強度試驗，速率控制為2.4 mm/min。試件破壞后記錄其最大壓力N(KPa)。

圖2 應變控制式無側限壓力儀 圖3 無側限抗壓強度試驗

本次試驗中，為減少試驗誤差，同一組試驗里面設置3組平行樣，每個巖土試樣均按照試驗標準要求進行操作，對試驗結果取平均值進行分析，最終測得不同土樣的無側限抗壓強度統計見表1。

表1 不同土樣無側限抗壓強度統計

3 結果分析

對上述無側限抗壓強度進行統計分析，并繪制相應圖件。由圖4可知，在相同養護時間下，不同粉煤灰含量的改良砂土均具有抗壓強度隨固化劑濃度先增加后減小的趨勢，且均在固化劑濃度為20%時達到最大值，可認為固化劑最佳摻量為20%。當粉煤灰含量為0%時，改良砂土在固化劑濃度為20%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了49.37%；當粉煤灰含量為2%時，改良砂土在固化劑濃度為20%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了45.59%；當粉煤灰含量為4%時，改良砂土在固化劑濃度為20%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了91.49%；當粉煤灰含量為6%時，改良砂土在固化劑濃度為20%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了101.72%；當粉煤灰含量為8%時，改良砂土在固化劑濃度為20%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了95.31%；當粉煤灰含量為10%時，改良砂土在固化劑濃度為20%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了84.41%。可以看到固化劑明顯改善了高沙土的抗壓性能，試驗狀態下其最佳摻量比為20%。

圖4 強度隨固化劑濃度變化圖 圖5 強度隨粉煤灰含量變化圖

由圖5可知，在相同養護時間下，不同固化劑濃度的改良砂土均具有抗壓強度隨粉煤灰含量增大而增加的趨勢。當固化劑濃度為0%時，改良砂土在粉煤灰含量為10%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了49.37%；當固化劑濃度為5%時，改良砂土在粉煤灰含量為10%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了49.64%；當固化劑濃度為10%時，改良砂土在粉煤灰含量為10%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了67.79%；當固化劑濃度為15%時，改良砂土在粉煤灰含量為10%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了76.67%；當固化劑濃度為20%時，改良砂土在粉煤灰含量為10%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了74.17%；當固化劑濃度為40%時，改良砂土在粉煤灰含量為10%時相對于初始未添加狀態，抗壓強度提高了60.92%。結合試驗砂土抗壓強度隨固化劑濃度變化情況，在固化劑濃度為20%時，改良砂土抗壓強度隨粉煤灰含量先增大后基本不變，改良砂土的抗壓強度達到最大。考慮經濟成本，在固化劑影響下粉煤灰最佳摻量比為8%。

固化劑的作用主要是利用其中的高價離子改變土壤顆粒表面電性，提高土壤顆粒間的吸附力，增大密實度，從而增強土體抗壓強度。

土壤在粉碎、拌合和壓實等物理外力的作用下，顆粒彼此靠近，從而減少顆粒骨架間的空隙，使固化體系進一步密實，從而具有較強的抗壓性能。

粉煤灰作用機理主要是灰-土反應，包括短期反應和長期反應。這些反應的結果使土體顆粒的結合水膜厚度減薄，粘土膠粒絮凝，生成晶體氫氧化鈣和含水硅鋁酸鈣等膠結物，這些膠結物逐漸由膠凝狀態向晶體化狀態轉化，土的剛度不斷增大，強度性能不斷提高。

4 結語

本文針對高沙土地區粉土結構疏松，抗壓強度低等特點，從改性機理出發，采用土壤固化劑和粉煤灰對高沙土地區砂土進行改良，通過室內無側限抗壓強度試驗對改良砂土的強度特性進行研究，取得如下結果：

(1)土壤固化劑可以很好地改善砂土的強度特性。隨著固化劑濃度的增加，改良砂土的強度特性呈現先增大后減小的特征。抗壓性能在土壤固化劑含量達到20%時就可以得到大幅度提高，最佳摻量比為20%。

(2)改良粉土的強度特性隨粉煤灰含量的增大而增加，其增幅相對較小，在固化劑影響下，最佳摻量比為8%。

(3)固化劑和粉煤灰在物理化學作用下，增強了土體的抗壓性能，改良效果明顯，可用于實際工程施工。

對于高沙土地區砂土而言，進行路基土體回填時，在土體中加入土壤固化劑和粉煤灰有助于改善土壤的抗壓強度，能夠將土體固化，能夠有效降低地面塌陷和沉降的發生。