干濕循環(huán)對粉煤灰改良路堤膨脹土影響試驗(yàn)研究

張明敏

(懷化市公路路政管理支隊(duì)， 湖南 懷化 418000)

0 引言

膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的特性，導(dǎo)致膨脹土分布區(qū)域路堤設(shè)計(jì)與施工難度逐漸增大，對路堤工程穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，同時，膨脹土極易受到水環(huán)境變化的影響，因此研究路堤膨脹土的改性以及干濕循環(huán)作用下膨脹土的強(qiáng)度變化特征具有重要意義[1-4]。目前，針對膨脹土物理力學(xué)特性的研究，楊和平等[4]利用改進(jìn)的土體直剪試驗(yàn)方法，研究了不同干濕循環(huán)條件下膨脹土的抗剪強(qiáng)度變化及其對邊坡穩(wěn)定性影響；李新明等[5]以路堤膨脹土處理為研究對象，研究干濕循環(huán)對殘余強(qiáng)度的影響，提出了膨脹土路基處理的石灰改性包邊處理法；吳珺華等[6]研究干濕循環(huán)對膨脹土強(qiáng)度影響，得到了基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，冷挺等[7]總結(jié)了現(xiàn)有膨脹土路基處理技術(shù)，從工程特性方面提出了膨脹土研究方法；呂海波等[8]以膨脹土抗拉強(qiáng)度為研究對象，得到含水率與干濕循環(huán)作用下膨脹土抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律。針對膨脹土的改良研究，孫樹林等[9]研究了堿渣摻加對膨脹土改良特性影響，結(jié)果表明堿渣對提高膨脹土粘聚力效果明顯，對內(nèi)摩擦角效果不明顯；邊加敏等[10]研究改良膨脹土路堤施工，提出了以膨脹性為主控參數(shù)、強(qiáng)度為驗(yàn)證參數(shù)的施工原則；查甫生等[11-12]從變形與強(qiáng)度特性等方面，研究了摻加電石渣與石灰-粉煤灰改良膨脹土的影響規(guī)律。

本文以粉煤灰改良膨脹土為研究對象，分別研究不同粉煤灰摻量與干濕循環(huán)作用下改良膨脹土強(qiáng)度特性，分析了改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律，得到了最優(yōu)粉煤灰摻量，為膨脹土改良以及路堤工程設(shè)計(jì)與施工提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要包括膨脹土、粉煤灰等，膨脹土取樣深度大約為2m，通過室內(nèi)試驗(yàn)測得膨脹土基本物理指標(biāo)，如表1所示。

表1 膨脹土基本物理指標(biāo)密度/(g·cm-3)最優(yōu)含水率/%液限/%塑限/%自由膨脹率/%1.8813.83226.852.6

試驗(yàn)中粉煤灰取自發(fā)電生產(chǎn)的Ⅲ級干排灰，粉煤灰顏色呈灰褐色，性態(tài)為粉末狀，根據(jù)組分測定試驗(yàn)得到其主要組分為Fe2O3、SiO2、CaO等，其密度為2.16g/cm3、細(xì)度為13.20%、燒失量為7.20%。

根據(jù)粉煤灰摻量的不同將試樣分為0(未摻加粉煤灰)、5%、10%、15%、20%、30%試驗(yàn)組，其中粉煤灰摻量定義為粉煤灰質(zhì)量占膨脹土質(zhì)量的百分比，將不同粉煤灰摻量膨脹土制作成壓實(shí)土樣備用。

1.2 試驗(yàn)方法

對不同粉煤灰摻量條件下改良膨脹土試件進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)設(shè)計(jì)為0、5、10、20、30次，改良膨脹土1次干濕循環(huán)過程可定義為：采用直接浸水法，待試樣達(dá)到飽水狀態(tài)時，放入烘箱內(nèi)烘干24h，烘箱溫度控制在40～45℃，此時，改良膨脹土1次干濕循環(huán)完成。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[13]開展室內(nèi)試驗(yàn)，改良膨脹土試件的養(yǎng)護(hù)時間為24d，分別測定粉煤灰改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)，分析粉煤灰摻量及干濕循環(huán)次數(shù)對粉煤灰改良膨脹土強(qiáng)度的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同干濕循環(huán)作用下粉煤灰改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖1所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加先增大后減小，干濕循環(huán)對粉煤灰強(qiáng)度產(chǎn)生弱化作用。

圖1 膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

根據(jù)圖1可知，粉煤灰摻量為15%時，粉煤灰改良膨脹土無側(cè)限抗拉強(qiáng)度最大，由不摻加粉煤灰時的0.51MPa增加到0.63MPa，增幅約為23.52%。當(dāng)粉煤灰摻量大于15%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減低。從膨脹土細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化角度分析，粉煤灰中的陽離子產(chǎn)生的離子交換，使得膨脹土中分散的顆粒凝聚形成團(tuán)聚體，降低了膨脹土的塑性指數(shù)，能夠有效的抑制膨脹土的脹縮效應(yīng)，增強(qiáng)膨脹土的強(qiáng)度。當(dāng)粉煤灰摻量大于15%時，顆粒凝聚形成的團(tuán)聚體體積及數(shù)目增大，造成顆粒的比表面積減小，導(dǎo)致團(tuán)聚體之間的粘聚程度降低，從而造成過量摻加粉煤灰的膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低，同時，由于干濕循環(huán)作用造成土體結(jié)構(gòu)損傷，一定程度上加劇粉煤灰強(qiáng)度的降低。

隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低。粉煤灰摻量為15%時，抗壓強(qiáng)度由0.63MPa降低至0.47MPa，干濕循環(huán)作用對膨脹土強(qiáng)度弱化效應(yīng)顯著。由于水的侵蝕作用，導(dǎo)致團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)溶解，顆粒之間的粘結(jié)力減弱，部分土體顆粒隨水溶液溶解遷移，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再密實(shí)，出現(xiàn)孔隙、空洞等缺陷，從而造成改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

不同干濕循環(huán)作用下粉煤灰改良膨脹土黏聚力與內(nèi)摩擦角變化規(guī)律如圖2所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，黏聚力與內(nèi)摩擦角隨著粉煤灰摻量的增加先增大后減小，干濕循環(huán)對粉煤灰強(qiáng)度產(chǎn)生弱化作用。

圖2 膨脹土黏聚力與內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

根據(jù)圖2可知，摻加粉煤灰提高了膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。無干濕循環(huán)作用影響下，當(dāng)粉煤灰摻量為15%時，粘聚力與內(nèi)摩擦角提高幅度最大，黏聚力由35.66kPa提高至43.56kPa，增加幅度為22.15%，內(nèi)摩擦角由28.80°增加至30.20°，增加幅度為5.33%。摻加粉煤灰對黏聚力的影響明顯大于內(nèi)摩擦角。

粉煤灰摻量為15%時，干濕循環(huán)作用下膨脹土黏聚力由43.56kPa降低至32.18kPa，內(nèi)摩擦角由30.20°減小至27.30°，干濕循環(huán)作用能夠引起膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變異，導(dǎo)致土體顆粒之間的粘結(jié)力逐漸減弱，從而影響膨脹土黏聚力的大小。

通過對不同粉煤灰摻量條件下膨脹土試件進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，得到膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明: ① 粉煤灰摻加能夠在一定程度上改良膨脹土，且存在一個最佳粉煤灰摻量，最佳粉煤灰摻量會因?yàn)榕蛎浲列再|(zhì)的不同而有所變化，因此，需要通過室內(nèi)試驗(yàn)綜合確定工程中膨脹土改良的最佳粉煤灰摻量。② 干濕循環(huán)作用對粉煤灰改良膨脹土具有弱化作用，膨脹土強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低，不同強(qiáng)度參數(shù)對干濕循環(huán)作用的敏感性不同，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及黏聚力弱化效應(yīng)顯著，而內(nèi)摩擦角雖然出現(xiàn)降低，但是降低幅度較小。

3 結(jié)論

針對粉煤灰改良膨脹土強(qiáng)度特性，分別開展不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下力學(xué)試驗(yàn)，得到抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，主要研究結(jié)論包括：

1) 摻加粉煤灰能夠在一定程度上提高膨脹土強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明最佳粉煤灰摻量約為15%。摻加粉煤灰使得膨脹土形成團(tuán)聚體，提高膨脹土強(qiáng)度，試驗(yàn)中改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅約為24.11%、黏聚力與內(nèi)摩擦角增幅分別為22.15%與5.33%。

2) 干濕循環(huán)作用對粉煤灰改良膨脹土具有弱化效應(yīng)，膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及黏聚力弱化效應(yīng)顯著，內(nèi)摩擦角對干濕循環(huán)作用敏感性較低。干濕循環(huán)作用在一定程度上影響粉煤灰改良膨脹土強(qiáng)度，從而對改良膨脹土路基穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。