凍融循環(huán)作用下生石灰處治過(guò)濕土抗剪強(qiáng)度

于曉陽(yáng) 董偉智 歐陽(yáng)云

(吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

路基是公路的重要組成部分，是道路工程的基礎(chǔ),承載著路基自身的自重和路面結(jié)構(gòu)的重力，同時(shí)還承受由路面?zhèn)鬟f下來(lái)的行車荷載,是公路的主要承重體[1].本文為吉林省某高速公路過(guò)濕土路基,提出摻入石灰量5%的最佳處治施工方案,針對(duì)土體抵抗剪切破壞極限強(qiáng)度的能力,進(jìn)行了凍融循環(huán)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究,并且分析其摻灰后過(guò)濕土路基的變化規(guī)律和可行性.抗剪強(qiáng)度是分析路基邊坡穩(wěn)定、評(píng)價(jià)路基承載能力、計(jì)算結(jié)構(gòu)物壓力和土體受到極限狀態(tài)破壞力的重要參數(shù)[2-4].因此，研究其物理力學(xué)性質(zhì),進(jìn)而得到其在凍融循環(huán)作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，對(duì)石灰處治過(guò)濕土路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性具有非常重要的意義和參考價(jià)值.

1 試驗(yàn)原材料

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)原材料取自吉林省內(nèi)某高速公路路基施工現(xiàn)場(chǎng),土樣的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 土樣的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of soil samples

1.2 試驗(yàn)用生石灰

試驗(yàn)所用吉林省某石灰廠生產(chǎn)的生石灰,其有效氧化鈣和氧化鎂含量見(jiàn)表2.

表2 石灰有效氧化鈣和氧化鎂含量Table 2 The calcium and magnesium content of lime

參照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F20-2015)中“原材料要求”中生石灰技術(shù)要求符合規(guī)范要求規(guī)定[5],試驗(yàn)用的生石灰屬于III級(jí)石灰.

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)對(duì)摻灰量為0%,5%分別進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn),測(cè)得不同摻灰量下石灰土的最大干密度和最佳含水量不同,本文以摻灰量為0%的素土和5%的石灰處治土為主要研究對(duì)象，測(cè)得其最大干密度是和最佳含水量分別是1.841,14.275和1.794,12.694;在最大摻灰量和最大干密度下,模擬施工現(xiàn)場(chǎng).即悶料1夜后再次摻灰然后繼續(xù)悶1夜來(lái)分別配制壓實(shí)度為96%和94%的三軸壓縮試件，試樣直徑39.1mm、高為80mm,一組5個(gè)試件,分5層裝模,各層接觸面刨毛.采用JYE—2000型數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)靜壓成型，成型試件后分別用保鮮膜包好,防止水分流失,排出氣體放入濕度為94%，溫度為20±2℃的養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7d，根據(jù)不同的凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行凍融循環(huán),在-18℃的可控溫冰箱中凍結(jié)12h,室溫下融化12h,以24h為一個(gè)凍融循環(huán).

試驗(yàn)用的是型號(hào)為TSZ全自動(dòng)三軸儀,根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)中內(nèi)直剪試驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6].圍壓分別選為100kPa,200kPa,300kPa,速率為0.8mm/min進(jìn)行室內(nèi)不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn).

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 相同的養(yǎng)生期條件下,不同粒徑的抗剪強(qiáng)度對(duì)比分析研究

通過(guò)上述方案,對(duì)素土進(jìn)行不同壓實(shí)度下的室內(nèi)不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),x軸為凍融次數(shù),y軸為抗剪強(qiáng)度,得到x-y趨勢(shì)圖.見(jiàn)圖1.

(a)Confining pressure 100kPa (b)Confining pressure 200kPa (c)Confining pressure 300kPa圖1 凍融循環(huán)下不同粒徑土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.1 Variation of shear strength of different size soil under freezing and thawing cycles

對(duì)素土進(jìn)行凍融循環(huán)后其抗剪強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),尤其是在經(jīng)歷2～3次凍融循環(huán)下降明顯,其96%壓實(shí)度，100kPa圍壓條件下,2mm土的下降率為27.0%;5mm土為48.8%,說(shuō)明凍融循環(huán)是影響抗剪強(qiáng)度的重要因素,進(jìn)而對(duì)圖1中(a)，(b)，(c)結(jié)果進(jìn)行分析,其原因?yàn)閮鋈谘h(huán)對(duì)土粒之間粘結(jié)力產(chǎn)生了破壞,使其內(nèi)摩擦角變大.凍融次數(shù)越多,破壞更嚴(yán)重,直至8次凍融循環(huán)對(duì)其破壞影響趨于穩(wěn)定.

由圖1還可以看出,不同的圍壓下,粒徑2mm的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粒徑為5mm的抗剪強(qiáng)度.說(shuō)明粒徑小的土體的粘結(jié)力大于粒徑大的土體.

3.2 相同的養(yǎng)生期條件下(不養(yǎng)生),不同粒徑的抗剪強(qiáng)度對(duì)比分析研究

在與上述相同方案條件下,制作粒徑分別為2mm和5mm的三軸試樣,摻灰量為5%,壓實(shí)度分別為96%,94%,不進(jìn)行養(yǎng)生,直接凍融循環(huán).然后進(jìn)行室內(nèi)不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),x軸為凍融次數(shù),y軸為抗剪強(qiáng)度,得到x-y趨勢(shì)圖見(jiàn)圖2.

(a)Confining pressure 100kPa (b)Confining pressure 200kPa (c)Confining pressure 300kPa圖2 摻灰量5%不同粒徑土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.2 Variation of shear strength of soil with different sizes of 5% ash content

由圖2可知，其中不同粒徑的土體在經(jīng)歷10次凍融循環(huán)之后的抗剪強(qiáng)度有所下降,5mm,100kPa,壓實(shí)度96%的土樣抗剪強(qiáng)度較為明顯,其下降率為12.2%;在經(jīng)歷3～4次凍融循環(huán)之后,其抗剪強(qiáng)度有較明顯回升.其中以粒徑為2mm、壓實(shí)度96%,圍壓分別為100kPa,200kPa,300kPa的土樣較為明顯,但其抗剪強(qiáng)度小于0次凍融的抗剪強(qiáng)度.以粒徑2mm,壓實(shí)度為96%,1次和4次凍融的抗剪強(qiáng)度為例,上降率分別是8.68%,18.04%,12.6%,5mm壓實(shí)度為96%的抗剪強(qiáng)度上升率分別是3.93%,11.3%,7.14%.分析其原因,在凍融循環(huán)過(guò)程中土體與石灰發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),使土粒之間的粘聚力增加,其抗剪強(qiáng)度成拋物線狀增長(zhǎng),7d之后趨于穩(wěn)定狀態(tài).在同一摻灰百分比下,抗剪強(qiáng)度由粒徑大小決定,2mm土的抗剪強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5mm土.小粒徑的土和生石灰反應(yīng)更快更充分,所以其抗剪強(qiáng)度較大.

3.3 相同的土樣粒徑,不同的養(yǎng)生方式對(duì)比分析研究

在與上述兩種相同方案條件下,進(jìn)行摻灰量為5%，粒徑為2mm的土,在不同壓實(shí)度下進(jìn)行室內(nèi)不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),x軸為凍融次數(shù),y軸為抗剪強(qiáng)度,得到x-y趨勢(shì)圖,試件進(jìn)行不同養(yǎng)生方式,然后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)見(jiàn)圖3.

(a)Confining pressure 100kPa (b)Confining pressure 200kPa (c)Confining pressure 300kPa圖3 摻灰量5%不同養(yǎng)生方式土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.3 Variation Law of soil shear strength with different amount of lime and 5% different curing methods

由圖3可知,養(yǎng)生7d的石灰處治土的0次凍融循環(huán)抗剪強(qiáng)度要大于未養(yǎng)生直接進(jìn)行凍融循環(huán)的抗剪強(qiáng)度,養(yǎng)生7d的抗剪強(qiáng)度呈下降趨勢(shì);不養(yǎng)生的抗剪強(qiáng)度先下降,到凍融4～5次之后又呈拋物線狀,最后趨于穩(wěn)定.分析原因;養(yǎng)生7d之后土體和生石灰發(fā)生充分反應(yīng),使土粒之間粘結(jié)更加密實(shí),增加了土的塑性和壓實(shí)性,使土粒之間粘結(jié)力增強(qiáng).然而,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),未養(yǎng)生的土體和生石灰也隨著時(shí)間進(jìn)行反應(yīng),與此同時(shí)凍融對(duì)土體粒徑之間粘結(jié)力產(chǎn)生破壞,從而導(dǎo)致其拋物頂點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度低于0次凍融抗剪強(qiáng)度.同時(shí),不養(yǎng)生土樣的抗剪強(qiáng)度也低于同一凍融循環(huán)次數(shù)下,養(yǎng)生7d的抗剪強(qiáng)度.

4 結(jié)論與建議

(1) 本試驗(yàn)是在不同圍壓和不同摻灰量下進(jìn)行的,所以,在相同的條件下,抗剪強(qiáng)度隨著圍壓和摻灰量的增加而增大.

(2) 在相同的養(yǎng)生條件和壓實(shí)度下,粒徑小的抗剪強(qiáng)度大于粒徑大的抗剪強(qiáng)度.要求施工現(xiàn)場(chǎng)盡量搗碎土塊,對(duì)路基進(jìn)行充分的翻曬碾壓,并且現(xiàn)場(chǎng)摻灰時(shí),盡量均勻,使土和生石灰充分反應(yīng).

(3) 本試驗(yàn)是在相同粒徑,不同養(yǎng)生方式下試驗(yàn),從而得到養(yǎng)生7d石灰處治土的抗剪強(qiáng)度優(yōu)于未養(yǎng)生的抗剪強(qiáng)度,現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),在摻入生石灰后盡量悶料7個(gè)晝夜,然后再進(jìn)行下一工序的施工.

[1] 鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 羅烈日,鄭俊杰.不同模式下抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響[J].土木工程與管理學(xué)報(bào),2012,29(4):50-54.

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[4] 趙吉坤,溫嬌嬌.填土含水率對(duì)擋土墻土壓力影響的實(shí)驗(yàn)分析[J].土木建筑與環(huán)境工程,2012,34(S2):155-160.

[5] 公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E51-2009)[S].北京:人民交通出版社,2009.

[6] 公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40-2007)[S].北京:人民交通出版社,2007.