二灰土的壓縮特性研究

徐奮強(qiáng),方慶軍,陳艷麗,申 征

(1.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇 南京 211167;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)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(jīng)拌和、壓實(shí)和養(yǎng)護(hù)后得到的強(qiáng)度符合規(guī)定的一種無機(jī)材料[1]。20世紀(jì)60年代以來,我國科技工作者對二灰土穩(wěn)定材料進(jìn)行了大量的路用研究[2-5]。但多針對二灰土的配比、強(qiáng)度、施工、凍害進(jìn)行研究,如郭婷婷對二灰土抗剪強(qiáng)度的研究[6],丁庭研究二灰土配比與強(qiáng)度的關(guān)系特點(diǎn),張宏研究了二灰土的抗壓、抗剪強(qiáng)度和壓縮性隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化特點(diǎn)。隨著工程技術(shù)人員對其性能要求的不斷提高[7],有必要對最優(yōu)含水率與壓縮性的特點(diǎn)開展研究,研究結(jié)論可作為相關(guān)設(shè)計(jì)和施工的參考資料。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)土樣 土樣采用粉質(zhì)黏土,物理參數(shù)指標(biāo)見表1,顆粒分析見表2。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

(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(jí)生石灰粉,完全滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-2000)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

(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(jié)果

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

南京寧曦土壤儀器廠生產(chǎn)的SKDJ-Ⅰ型數(shù)控電動(dòng)擊實(shí)儀,擊實(shí)分3層,擊數(shù)以達(dá)到要求的壓實(shí)度為準(zhǔn),壓縮設(shè)備采用WG-1B三聯(lián)固結(jié)儀。

1.3 試驗(yàn)試樣的制備

試驗(yàn)所采用的配比,石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6。將土樣風(fēng)干碾碎,過5mm篩。測風(fēng)干含水率,擬定5個(gè)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(yàn)方法

素土的擊實(shí)試驗(yàn)方法按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)執(zhí)行。二灰土的擊實(shí)按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE51-2009)中的甲法進(jìn)行擊實(shí)。

壓縮試驗(yàn)采用快速固結(jié)法,即1 h試驗(yàn)法,穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)的變形不大于0.005mm。荷載采用100 kPa、200 kPa、300 kPa,數(shù)據(jù)采用壓力間隔 P1=100 kPa至P2=200 kPa時(shí)對應(yīng)的壓縮系數(shù)a1-2和壓縮模量E1-2來評價(jià)土的壓縮性。壓實(shí)度采用規(guī)定壓實(shí)度93%、95%和97%,含水率采用17.5%、19.5%和21.5%。每一單項(xiàng)試驗(yàn)做3組平行試驗(yàn),取其均值作為采信數(shù)據(jù),如果三組數(shù)據(jù)相差較大,數(shù)值相差超15%即重新試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 二灰土壓縮試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果

擊實(shí)曲線如圖1和圖2所示。素土的最優(yōu)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(yōu)含水率為19.5%,最大干密度為1.44 g/cm3。

圖1 素土擊實(shí)曲線

圖2 二灰土擊實(shí)曲線

2.1 壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

此次壓縮試驗(yàn)的主要目的是得到最優(yōu)含水率19.5%及±2%附近土體的壓縮系數(shù)和壓縮模量,并分析含水率和壓實(shí)度對此兩項(xiàng)指標(biāo)的影響,試驗(yàn)成果見圖3和圖4。

圖3 不同含水率二灰土的壓實(shí)度與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線

由圖3知,當(dāng)含水率為 17.5%、19.5%時(shí),壓縮系數(shù)隨著壓實(shí)度的增大而減小。含水率為21.5%時(shí),在壓實(shí)度約為95.5%時(shí)發(fā)生突變,當(dāng)壓實(shí)度小于95.5%值時(shí),壓縮系數(shù)隨著壓實(shí)度的增大而減小;而當(dāng)壓實(shí)度大于95.5%時(shí),壓縮系數(shù)隨著壓實(shí)度的增大反而增大。可見含水率對壓縮系數(shù)的影響還是很大,由于其壓縮系數(shù)的變化較大,對工程后期質(zhì)量造成很大的隱患。故有必要在既定設(shè)計(jì)壓實(shí)度條件下,對最優(yōu)含水率附近二灰土壓縮系數(shù)的變化情況進(jìn)行試驗(yàn)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(shí)度與壓縮模量關(guān)系曲線

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

導(dǎo)致壓縮系數(shù)和壓縮模量在較高含水率的情況下出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾個(gè)方面:

(1)土樣在最優(yōu)含水率附近壓實(shí)時(shí),初始?jí)簩?shí)功使二灰土中的空氣體積迅速縮小,繼續(xù)壓實(shí),空氣卻不能及時(shí)排出來,壓實(shí)功主要使土中的空氣暫時(shí)受到壓縮,二灰土中產(chǎn)生較大的孔隙壓力和內(nèi)應(yīng)力,二灰土中同時(shí)也就產(chǎn)生很多裂縫,二灰土強(qiáng)度明顯下降,并導(dǎo)致土體抵抗外界荷載的能力降低。

(2)在不斷的壓實(shí)過程中,二灰土顆?？拷?使顆粒周圍的水膜受到不斷擠壓,導(dǎo)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(jié)合水變成自由水,二灰土表面甚至出現(xiàn)裂縫,并伴有水流出,以至于不斷產(chǎn)生剪切破壞,局部二灰土土體的粘結(jié)力降低,二灰土體的整體強(qiáng)度降低,導(dǎo)致二灰土的壓縮性增大。

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

(4)試樣含水率大于最優(yōu)含水率時(shí),土粒間作用力減弱,土團(tuán)間的結(jié)構(gòu)性減弱,易產(chǎn)生定向排列,在含水率達(dá)到和超過最優(yōu)含水率以后,土中顆粒排列更加定向化,顆粒間的聯(lián)結(jié)亦很弱[8],尤其對膨脹性粉質(zhì)黏土,土團(tuán)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(jié) 論

(1)二灰土的壓縮系數(shù)與壓實(shí)度的變化關(guān)系隨含水率的不同具有波動(dòng)性,不是簡單相對的增大和減小,而是存在一個(gè)臨界壓實(shí)度,當(dāng)二灰土處在這個(gè)臨界壓實(shí)度時(shí),壓縮系數(shù)呈現(xiàn)最小值,否則壓實(shí)度系數(shù)都較大。

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

(3)最優(yōu)含水率附近,壓實(shí)度與壓縮性異常變化的原因及數(shù)量關(guān)系還有待深層次的試驗(yàn)研究,國外文獻(xiàn)多從顆粒排列、基質(zhì)吸力等角度進(jìn)行分析。

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