水泥改性膨脹土力學性能及最優(yōu)摻量研究

杜建偉，王連超

（河南省河川工程監(jiān)理有限公司，河南 鄭州450000）

1 水泥改良膨脹土機理

當水泥摻入到膨脹土中后，會引起水泥的水解和水化反應，產(chǎn)生水泥水化物。一部分水泥水化物與黏土顆粒發(fā)生相互作用，水泥水化物中的氫氧化鈣又與二氧化碳發(fā)生碳化作用。經(jīng)過這些反應與相互作用后，改變膨脹土的原有性質(zhì)。

2 水泥改性膨脹土力學性能研究

2.1 計算原理

通過計算軟件FLAC3D對魯山南1段膨脹土進行抗壓強度力學性能試驗的數(shù)值模擬研究，研究水泥改性對抑制膨脹土強度軟化模量減小的效果。

2.2 計算模型及參數(shù)

本次實驗的模型幾何尺寸高為4 m，直徑為2 m（見圖1）。計算過程中，采用在頂面和底面進行位移加載，大小為0.25 m，即相當于對于試樣整體施加6.25%的軸向應變。

圖1 圓柱體試樣模型

本段膨脹土巖性主要為粉質(zhì)粘土，褐黃色、灰黃色，呈可塑～硬塑狀，局部微裂隙發(fā)育，裂隙中見少量灰白色泥質(zhì)充填，膨脹土中粘土礦物除局部以綠泥石、伊利石為主外，多數(shù)由伊利石和蒙脫石組成，參考室內(nèi)試驗結(jié)果，本次計算中膨脹土的物理力學指標見表1。

表1 膨脹土的物理力學參數(shù)

將表1參數(shù)輸入FLAC3D軟件中，可得出剪切應變、位移等結(jié)果。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 原狀土分析結(jié)果

從圖2可以看出，原狀土試樣外表面形成了明顯塑性區(qū)，試樣兩側(cè)中部位置塑性變形最大，表明試樣發(fā)生了破壞。原狀土試樣的側(cè)向位移、變形見圖3和圖4，由圖可知，試樣在荷載作用下產(chǎn)生了明顯的鼓脹變形。

圖2 原狀土塑性剪切應變

圖3 原狀土側(cè)向位移

圖4 原狀土變形圖

2.3.2 水泥改性膨脹土分析結(jié)果

從圖5可以看出，隨著水泥摻量的增加改性土試樣的塑性區(qū)域逐漸縮小，2%水泥摻量改性土試樣的整體強度有所提高，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了較為明顯的斜向剪切帶，表明試樣的破壞模式為整體性破壞；4%水泥摻量改性土和6%水泥摻量時試樣的受力條件明顯改善，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了一定的剪切應力集中，由圖6、圖7可以看出，兩種的側(cè)向位移和變形形態(tài)差別不大。

圖5 試樣的等效塑性應變

圖6 試樣的X方向位移場

圖7 試樣的變形圖

圖8 ～圖11為試樣軸向應力-軸向位移曲線。從圖可以看出，隨水泥的摻量的增加，改性土的變形模量明顯增加，相同荷載水平作用下試樣的變形量明顯減小，表明摻入水泥后能夠抑制膨脹土的強度軟化。當水泥摻量超過4%時，對試樣強度的提高不明顯，從經(jīng)濟角度考慮，建議膨脹土水泥摻量控制在4%左右。

圖8 軸向應力-軸向位移曲線（原狀土）

圖9 軸向應力-軸向位移曲線（2%水泥改性土）

圖10 軸向應力-軸向位移曲線（4%水泥改性土）

圖11 軸向應力-軸向位移曲線（6%水泥改性土）

3 水泥改性土的力學性能及最優(yōu)摻量室內(nèi)試驗

隨著對膨脹土認識的不斷加深，自由膨脹率指標反映的是膨脹土物質(zhì)成分的膨脹性能，與含水量、密度等狀態(tài)無關(guān)，故可作為判別水泥改性效果的主要指標。因此，本節(jié)主要基于膨脹土特性試驗研究和實際工程情況研究不同膨脹率的膨脹土改良后達到的物理力學性能指標，確定改性土的水泥摻量。

3.1 改性土料天然狀態(tài)下物性試驗

3.1.1 土料化學成分測試與分析

根據(jù)土料場的特性粉質(zhì)粘土：pH值呈中性，有機質(zhì)含量0.19%～0.81%，易溶鹽含量0.156 g/kg～0.32 g/kg，燒失量7.62%～9.82%。礦物成分主要是粘土礦物和石英，粘土礦物以蒙脫石為主，少量伊利石、高嶺石。

粉質(zhì)壤土：pH值呈中性，有機質(zhì)含量0.70%，易溶鹽含量0.192 g/kg，燒失量5.14%。礦物成分主要是粘土礦物和石英，粘土礦物以蒙脫石為主，少量伊利石、高嶺石。

3.1.2 土料天然狀態(tài)下的物性指標

料場土料天然狀態(tài)下的物性指標及土料擊實及擊實后物理力學試驗成果見表2、表3。

表2 料場土料天然狀態(tài)下的物性指標

表3 土料擊實及擊實后物理力學試驗成果

根據(jù)表2所列料場土料天然狀態(tài)下的物性指標可以看出，土料除局部具弱膨脹性外，總體不具膨脹性。

3.1.3 土料質(zhì)量評價

按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL 251-2000）均質(zhì)土壩質(zhì)量技術(shù)要求，對土料場質(zhì)量進行綜合評價，粉質(zhì)粘土的粘粒含量、塑性指數(shù)和天然含水率偏高，其它指標滿足質(zhì)量技術(shù)要求，自由膨脹率20%～57%，平均值37%，大于40%的組數(shù)占總組數(shù)的24%，土料總體不具膨脹性，僅局部具弱膨脹性。粉質(zhì)壤土的天然含水率偏高，其它指標滿足質(zhì)量技術(shù)要求，自由膨脹率11%～40%，平均值24%，土料不具膨脹性。

3.2 不同摻量水泥改性土力學性能試驗

3.2.1 試驗設計

①試驗點分布

按《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定》（試行）（NSBD-ZGJ-1-37）的規(guī)定，天然土料的自由膨脹率確定應在開采區(qū)按控制范圍不大于100 m×100 m，取樣點不少于9個進行檢測。當土層厚度大于2 m時，在距開采頂、底0.3 m處及其間等距離多點（高差不大于1 m）采樣等體積混合進行自由膨脹率檢測。

②試驗方案

根據(jù)《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定》（試行）（NSBD-ZGJ-1-37）中要求，當原土自由膨脹率在40%～45%之間時，推薦水泥摻量4%，最小水泥摻量3%。故本次現(xiàn)場試驗方案水泥摻量按照表4進行控制，擬定水泥摻量為3%和4%，再進行28 d自由膨脹率、標準擊實最大干密度和28 d飽和無側(cè)限抗壓強度試驗。

表4 不同水泥摻量膨脹土試驗方案及控制指標

3.2.2 試驗結(jié)果

本次試驗結(jié)果，摻入4%水泥時，28 d自由膨脹率均在25%以下；摻入3%水泥時，28 d自由膨脹率在26%～34%，高于規(guī)范中的控制值25.2%。

此外，摻入4%水泥時，標準擊實最大干密度為1.72 kg/m3～1.74 kg/m3，28 d 飽和無側(cè)限抗壓強度為 319 kPa～478 kPa，均能滿足規(guī)范要求。摻3%水泥的改性土，28 d自由膨脹率和無側(cè)限抗壓強度部分不能滿足規(guī)范要求。

因此根據(jù)NSBD-ZGJ-1-37的規(guī)定，當采用白廟土料場該區(qū)域土料進行改性施工時，水泥摻量應控制在4%。

3.3 水泥改性土的力學性能及最優(yōu)摻量現(xiàn)場試驗

3.3.1 試驗方案

選擇總干渠3#營地內(nèi)作為本次碾壓試驗的試驗場地（30 m×20 m）。鋪筑厚度分0.30 m、0.35 m、0.40 m填筑三層，每一層采用20 t振動碾碾壓，行走速度采用1檔，速度為2 m/h～3 m/h，試驗碾壓遍數(shù)為4遍、6遍、8遍（來回為2遍，鋪土后先靜碾碾壓2遍，弱振2遍，其中碾壓遍數(shù)2遍的為弱振，下同）。

3.3.2 試驗內(nèi)容

碾壓后的干容重等，每層碾壓4遍、6遍、8遍各取4個樣，共90個樣。測定碾壓6遍和8遍后的干容重，并通過以下公式進行復核：

式中：γR表示現(xiàn)場碾壓完后取樣的干密度;β為設計根據(jù)工程需要確定的改性土壓實度（＞98%）；γs標準擊實試驗最大干密度；γ6最優(yōu)含水量下20 t凸塊振動碾振動碾壓6遍對應的干密度。

3.3.3 試驗方法

每個試驗小塊按試驗要求鋪土、平整、碾壓，當碾壓進行完后進行取樣，做密度試驗，碾壓每增加2遍，各試驗塊取樣一次，每個試驗塊每次取樣4個，采用環(huán)刀法取樣，測定干密度和含水率，干密度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系見圖12；并測定壓實后土層厚度，觀察壓實土層底部有無虛土層、上下層面結(jié)合是否良好、有無光面及剪力破壞等，并做出詳盡的記錄。

3.4 現(xiàn)場試驗成果

3.4.1 總體趨勢

鋪料30 cm，壓實度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，從碾壓4遍到碾壓6遍，增長較明顯，從碾壓6遍到碾壓8遍，無明顯增長。由此可見，鋪料30 cm，碾壓6遍后，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)已無明顯壓實效果，所以在鋪料厚度30 cm的條件下，碾壓遍數(shù)宜控制在6遍。鋪料35 cm，壓實度隨碾壓遍數(shù)的增加而變大（圖13），碾壓6遍后可滿足壓實度要求，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)可提高壓實效果，所以在鋪料35 cm的條件下，碾壓遍數(shù)宜控制在8遍。鋪料40 cm，碾壓8遍后，壓實度可滿足壓實度要求，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)可提高壓實效果。

圖12 干密度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線圖

圖13 壓實度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線圖

（1）鋪料30 cm

成果分析：鋪料30 cm，碾壓4遍，可滿足設計要求，但接近下限，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，碾壓6遍、8遍后，壓實度均能滿足設計要求，且已無明顯增長，因此鋪料30 cm時，宜碾壓6遍。

（2）鋪料35 cm

成果分析：鋪料35 cm，碾壓4遍，不能滿足設計要求，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，碾壓后6遍后，壓實度滿足設計要求，但接近下限，繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，因此鋪料35 cm時，宜碾壓8遍。

（3）鋪料40 cm

成果分析：鋪料40 cm，碾壓4遍、6遍后，壓實度均不滿足設計要求，因此繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)，碾壓8遍后，可滿足設計要求，但接近下限。因此鋪料40 cm繼續(xù)增加碾壓遍數(shù)。

3.4.2 最優(yōu)參數(shù)的確定

通過現(xiàn)場試驗的對比，得出摻4%水泥的改性土，鋪料厚度35 cm，碾壓8遍，相對最優(yōu)，相關(guān)施工參數(shù)見表5。

表5 摻4%水泥改性土擬定施工參數(shù)

4 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著水泥摻量的增加改性土試樣的塑性區(qū)域逐漸縮小，4%水泥摻量改性土和6%水泥摻量時試樣的受力條件明顯改善，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了一定的剪切應力集中；建議膨脹土水泥摻量控制在4%左右。

（2）室內(nèi)試驗的研究結(jié)果表明，摻入4%水泥時28 d自由膨脹率均在25%以下；標準擊實最大干密度為1.72 kg/m3～1.74 kg/m3，28 d 飽和無側(cè)限抗壓強度為 319 kPa～478 kPa，均能滿足規(guī)范要求。根據(jù)NSBD-ZGJ-1-37的規(guī)定，當采用白廟土料場該區(qū)域土料進行改性施工時，水泥摻量應控制在4%。

（3）通過現(xiàn)場試驗研究，得出摻4%水泥的改性土，鋪料厚度35 cm，碾壓8遍，相對最優(yōu)，并提出了相應的施工參數(shù)及注意事項。