石灰改良膨脹土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

陳愛(ài)軍, 張家生

(1.湖南工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,湘潭411104;2.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,長(zhǎng)沙410083)

膨脹土是一種吸水膨脹失水收縮的高塑性粘土,它具有超固結(jié)性、多裂隙性和強(qiáng)度衰減性,對(duì)工程建筑物的危害極大,特別是對(duì)輕型結(jié)構(gòu)物如鐵路、公路、堤壩、單層房屋,容易導(dǎo)致路基邊坡滑塌、地基沉陷、路面開(kāi)裂、擋墻傾倒和墻體開(kāi)裂[1]～[3].廣西南(寧)友(誼關(guān))公路沿線分布著大量膨脹土,尤以寧明地區(qū)的膨脹土最為典型,如果沿線路塹膨脹土挖方全部廢除,遠(yuǎn)距離借土將顯著增加工程造價(jià),同時(shí)大量的膨脹土棄方也將帶來(lái)難以恢復(fù)的生態(tài)影響,利用石灰改良膨脹土作為路堤填料被認(rèn)為是一種行之有效的處治措施[4]～[6].強(qiáng)度是表征膨脹土體抵抗剪切破壞的能力,也是計(jì)算路塹、渠坡、路堤等斜坡穩(wěn)定性和支擋建筑物土壓力的重要參數(shù),而大量的膨脹土路堤破壞主要是由于膨脹土遇水強(qiáng)度迅速衰減所致[7][8],本文通過(guò)試驗(yàn)研究石灰改良膨脹土的強(qiáng)度特性,包括改良土的CBR值、抗剪強(qiáng)度和無(wú)側(cè)抗壓強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo),探討影響其強(qiáng)度的各項(xiàng)因素及其變化規(guī)律,為室外石灰改良膨脹土的施工現(xiàn)場(chǎng)提供施工工藝參數(shù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料說(shuō)明

(1)膨脹土

試驗(yàn)所用膨脹土取自南友公路K134+400處取土坑的灰白色膨脹土,并夾有黃褐色斑狀團(tuán)粒,天然狀態(tài)時(shí)可塑,各項(xiàng)基本土性參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 膨脹土基本物性指標(biāo)

(2)石灰

試驗(yàn)用石灰為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民燒制的生石灰,然后在室內(nèi)粉碎過(guò)1 mm篩后密封待用,生石灰的有效氧化鈣和氧化鎂含量檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 石灰試驗(yàn)分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方法參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ051-93)[9]和《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[10](JTJ057-94),石灰摻量按 3%、5%、7%和9%設(shè)計(jì),各項(xiàng)試驗(yàn)的具體要求分述如下:

1.2.1 CBR試驗(yàn)

為了模擬工地實(shí)際情況,風(fēng)干土料打碎后過(guò)20 mm篩,配料時(shí)將摻不同石灰劑量的混合料配制成預(yù)計(jì)的含水量,拌和均勻,密封悶料24 h.采用電動(dòng)擊實(shí)儀和電動(dòng)脫模,這樣擊實(shí)功較為均勻一致.按照重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn),擊實(shí)筒體積為2177 cm3,分3層擊實(shí),擊實(shí)后密封養(yǎng)生 7天浸水 4天測(cè)其膨脹量和CBR貫入量.為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,每組試驗(yàn)做3個(gè)平行試件,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),根據(jù)3個(gè)平行試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的承載比變異系數(shù)CV大小取值.試驗(yàn)方案考慮了不同密實(shí)度、不同石灰摻量和不同含水量對(duì)CBR試驗(yàn)結(jié)果的影響.

1.2.2 直剪試驗(yàn)

因直剪試驗(yàn)所用環(huán)刀試樣較小,制樣時(shí)將風(fēng)干灰白色膨脹土過(guò)5 mm篩,然后摻入預(yù)定劑量的生石灰粉并拌勻,考慮到生石灰粉吸水熟化將使混合料的含水量降低2%～3%,計(jì)算摻水量時(shí)按比最佳含水量高6%～8%配制灰土混合料,將灰土混合料密封24 h讓石灰與土充分反應(yīng).靜壓制樣時(shí),把擊實(shí)試驗(yàn)的人工脫模儀改裝成簡(jiǎn)易反力框架,用液壓千斤頂在擊實(shí)試驗(yàn)的大試筒內(nèi)靜壓成型.等靜壓試件密封養(yǎng)護(hù)7天后,用內(nèi)徑61.8 mm高20 mm的環(huán)刀取樣,并立即放入真空抽氣飽和容器中進(jìn)行抽氣飽和,飽和時(shí)間不少于12 h,飽和度達(dá)到95%以上.飽和完畢后取出試件放在應(yīng)變式手搖直剪儀上進(jìn)行不同荷載下固結(jié),剪切速度為0.8 mm/min.

1.2.3 三軸剪切試驗(yàn)

配料及制樣同直剪試驗(yàn),靜壓制樣尺寸為φ50 mm×100 mm.該試驗(yàn)采用的儀器為英國(guó)GDS公司的非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng).與直剪試驗(yàn)的固結(jié)快剪相對(duì)應(yīng),三軸剪切試驗(yàn)采用固結(jié)不排水剪切.試驗(yàn)剪切過(guò)程分三級(jí),第一、二級(jí)以5%的應(yīng)變視為破壞,最后一級(jí)使之完全破壞形成剪切面.每級(jí)剪切速率為0.5 mm/min.

1.2.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試件采用直徑和高度為5 cm的圓柱體.備料同直剪試驗(yàn).制件時(shí)采用千斤頂靜壓成型,然后放到脫模器上將試件頂出并將試件用塑料袋密封放入恒溫恒濕箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù).待試樣浸水24 h后取出擦去表面可見(jiàn)水,采用路強(qiáng)儀進(jìn)行試壓.一般情況下每種改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值取3塊試件的平均值,當(dāng)某個(gè)試樣的測(cè)量值與平均值偏差較大且超過(guò)±12%時(shí) ,則該試樣的測(cè)量值無(wú)效,按余下試樣的平均值取值,如1組余下試樣不足2個(gè),則該組試驗(yàn)須重做.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 CBR試驗(yàn)結(jié)果

CBR又稱加州承載比,是 California Bearing Ratio的縮寫(xiě),由美國(guó)加利福尼亞州公路局首先提出來(lái).在國(guó)外多采用CBR作為路面材料和路基土的設(shè)計(jì)參數(shù).我國(guó)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范也采用了CBR指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)路基填料的強(qiáng)度性能.目前在高速公路的修建中該指標(biāo)也被廣泛使用.圖1～圖3分別列出了不同石灰摻量、不同擊實(shí)功和不同含水量對(duì)CBR值的影響.

2.1.1 石灰摻量對(duì)CBR的影響

從圖1可以發(fā)現(xiàn),隨著摻灰量的增加,CBR隨之增加,摻灰3%就可以達(dá)到規(guī)范對(duì)路基填料強(qiáng)度的要求.因此,膨脹土經(jīng)石灰改性后能大幅度地提高其強(qiáng)度,摻灰5%對(duì)各指標(biāo)的影響是最大的,特別是CBR值由素土的1.4%增加到47.9%,超過(guò)5%后CBR的增長(zhǎng)較小,過(guò)多的石灰并不利于改良土強(qiáng)度的增長(zhǎng).

2.1.2 擊實(shí)功對(duì)CBR的影響

為了研究擊實(shí)功對(duì)CBR值的影響,按摻灰劑量5%和最佳含水量配料,以擊實(shí)次數(shù) 30、50、70和98進(jìn)行擊實(shí).從圖2中可以發(fā)現(xiàn),CBR值并不隨著擊實(shí)次數(shù)的增加而無(wú)限制增大,當(dāng)擊實(shí)次數(shù)為70時(shí),CBR值最大.隨著擊實(shí)功的逐漸增加,土顆粒的間距減少,擊實(shí)土的密實(shí)度增大導(dǎo)致浸水后的滲透性降低,因此強(qiáng)度增大.但當(dāng)擊實(shí)功增加到一定程度后,由于浸水膨脹的只是表層土,表層土的密實(shí)度增加反而會(huì)導(dǎo)致膨脹勢(shì)的增大,CBR值也有所降低.對(duì)于填筑石灰改良膨脹土路基并不是壓實(shí)度越大越好,施工時(shí)可以考慮降低壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以改善路用性質(zhì).

2.1.3 含水量對(duì)CBR的影響

考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工土料含水量實(shí)際情況,配制混合料的含水量分別為9%、11.2%,13.5%、14.5%、17.9%、19.1%和22.4%,石灰劑量為 5%.

從圖3可以看出,當(dāng)含水量較低時(shí),CBR值隨著混合料含水量的增加而增大,含水量增大到19.1%時(shí)CBR值達(dá)到最大,含水量再增大時(shí)CBR值就開(kāi)始降低了,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)調(diào)查表明,原狀膨脹土的天然含水量在30%～35%之間,由于膨脹土的粘性較大導(dǎo)致很難把大塊濕土打碎,所以摻灰處理膨脹土的晾曬工作量較大,而且已有試驗(yàn)結(jié)果表明,摻生石灰5%可以降低原狀膨脹土含水量2%～3%左右,如果控制填料施工含水量大于最佳含水量3%～5%,現(xiàn)場(chǎng)的晾曬工作量就會(huì)大大減少,路基的強(qiáng)度也得到了保證.

2.2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ)是評(píng)價(jià)路堤穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo),由于飽和土力學(xué)在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用和成功,此次抗剪試強(qiáng)度試驗(yàn)都采用飽和土力學(xué)指標(biāo).不同摻灰率對(duì)粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ的影響見(jiàn)圖4和圖5.

直剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨摻灰率的變化波動(dòng)較大,在膨脹土中摻灰后粘性降低,粘結(jié)力在摻灰率為3%時(shí)降到最小,當(dāng)摻灰率繼續(xù)增大時(shí),粘結(jié)力反而增加,導(dǎo)致7%石灰土的粘結(jié)力最大,9%石灰土又有所減少.內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律與粘結(jié)力不一樣,隨著摻灰率的增加,內(nèi)摩擦角總的趨勢(shì)是增大的,雖然7%石灰土要比5%石灰土小.膨脹土的內(nèi)摩擦角較小,摻灰后增幅達(dá)到了300%～500%,這是由于改良土中的粗顆粒成分增多,導(dǎo)致內(nèi)摩擦角增大.

三軸剪切試驗(yàn)土樣的受力狀態(tài)與路堤邊坡土的實(shí)際受力狀態(tài)比較接近,所以它的試驗(yàn)指標(biāo)更易于在路堤邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算中被采用.在膨脹土中摻入石灰后,隨著摻灰率的增加,總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)都相應(yīng)增大,當(dāng)摻灰率灰9%時(shí),內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力都增加了約100%,說(shuō)明石灰改良土的強(qiáng)度有了較大程度的提高.

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)路基土及路面基層材料強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo),本試驗(yàn)除探討不同摻灰率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,還考慮了養(yǎng)生齡期的影響.改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

2.3.1 摻灰率對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

除了養(yǎng)護(hù)7d和14d的3%改良土以及養(yǎng)護(hù)7d的5%改良土崩解外,其它改良土試件均得到了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,其摻灰率與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系見(jiàn)圖6.

表3 不同摻灰率改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa

由圖6可見(jiàn),養(yǎng)生28d的全部改良土試件均沒(méi)有出現(xiàn)崩解,曲線完整,其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在摻灰5%時(shí)出現(xiàn)峰值,摻灰率超過(guò)5%時(shí),強(qiáng)度隨摻灰率增大反而稍有減小,養(yǎng)護(hù)14d的改良土試件摻灰率超過(guò)5%后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也有所降低,這說(shuō)明過(guò)多的摻灰并不能明顯提高改良土的強(qiáng)度,這是由于石灰土混合料中存在兩種相反的作用:一種作用是使土顆粒連接起來(lái),主要包括石灰與土發(fā)生的離子交換作用、結(jié)晶作用、火山灰反應(yīng)和碳酸化反應(yīng),促使混合料強(qiáng)度增加穩(wěn)定性提高;另一種作用是由于石灰土還存在一部分未參加反應(yīng)的消石灰,它會(huì)削弱土顆粒之間的連接;當(dāng)摻灰率較小時(shí),混合料中殘留的消石灰很少,增加的摻灰量主要加強(qiáng)土顆粒之間的連接,這種連接作用超過(guò)消石灰的消弱作用,所以石灰改良土的強(qiáng)度隨摻灰率的增加而增大;當(dāng)摻灰量較大時(shí),混合料中殘留的消石灰越來(lái)越多,它產(chǎn)生的削弱作用超過(guò)石灰加強(qiáng)土顆粒之間連接作用,因此改良土的強(qiáng)度隨摻灰量的增加而減小.

2.3.2 齡期對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同摻灰率改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件分別養(yǎng)生7d、14d、和28d,其強(qiáng)度與齡期的關(guān)系如圖7所示.

由圖7可知,摻灰3%的改良土只有養(yǎng)生28d的試件進(jìn)行了試壓,摻灰5%的改良土有養(yǎng)生14d和28d的試件進(jìn)行了試壓,摻灰7%和9%的改良土試驗(yàn)曲線完整,而且在這段時(shí)間內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是隨時(shí)間延續(xù)線性增大的,采用直線進(jìn)行擬合,相關(guān)性系數(shù)R均大于0.999,線性相關(guān)性非常好,當(dāng)然,如果試驗(yàn)周期繼續(xù)延長(zhǎng),這種線性關(guān)系可能不會(huì)延續(xù)下去,試件的強(qiáng)度會(huì)慢慢趨向一穩(wěn)定值.而且,摻灰7%改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的增長(zhǎng)速率比9%改良土大,這進(jìn)一步說(shuō)明改良土中過(guò)多的石灰并沒(méi)有全部參與反應(yīng),對(duì)改善膨脹土強(qiáng)度和穩(wěn)定性并沒(méi)有明顯的作用.綜合前面所述,為得到有效的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,石灰改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)由7d改為28d.

3 結(jié) 論

(1)石灰改良膨脹土CBR值隨摻灰量、擊實(shí)功和含水量增加而增大,但當(dāng)摻灰率超過(guò)5%、擊實(shí)功超過(guò)70次之后 CBR值增加不明顯,且含水量為19.1%的CBR值最大.這說(shuō)明適當(dāng)增加摻灰量和壓實(shí)度有利于提高石灰改良膨脹土路堤的強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)于CBR最大值存在一最佳含水量;

(2)改良土直剪試驗(yàn)的C和φ隨摻灰率增加的變化規(guī)律不明顯,可能是由于直剪試樣尺寸太小導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果誤差較大;當(dāng)增大摻灰劑量時(shí),三軸剪切的C和φ都隨之增大,三軸試驗(yàn)的試件剪切破壞更接近于路堤破壞的真實(shí)受力狀態(tài).

(3)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明,除摻灰9%養(yǎng)生7d的試件沒(méi)有浸水崩解,其它養(yǎng)生7d的改良土試件都浸水崩解,養(yǎng)生28d的不同摻灰率的改良土無(wú)側(cè)抗壓強(qiáng)度在摻灰5%時(shí)達(dá)到最大值;養(yǎng)生齡期對(duì)石灰改良土的強(qiáng)度形成影響較大,在養(yǎng)護(hù)初期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻灰率增加而線性增大,石灰改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)的試件養(yǎng)護(hù)28d較為合適.

(4)上述三種強(qiáng)度指標(biāo)都是浸水飽和后進(jìn)行測(cè)試的,CBR和抗剪強(qiáng)度是試樣在有側(cè)限條件下加載破壞,CBR試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上也是剪切破壞,只有無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是在無(wú)側(cè)限條件下的抗壓破壞,實(shí)驗(yàn)加載條件和破壞模式不一樣會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性的差異,而且CBR試驗(yàn)的試件尺寸最大更能模擬路基真實(shí)受力狀態(tài).

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