土凝巖改良鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

劉晶磊 魏寶川 楊 爍

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

鹽漬土是堿土、鹽土以及各種堿化、鹽化土壤的統(tǒng)稱.土壤鹽堿化在我國比較普遍，鹽漬土總面積在我國占比約10.3%[1].當(dāng)鹽漬土被用作公路路基時(shí)，公路路基容易發(fā)生鹽溶脹、溶陷、變形、翻漿和侵蝕等病害，嚴(yán)重影響公路工程的施工質(zhì)量[2]，因此鹽漬土的改良變得迫在眉睫.

研究鹽漬土的改良和恢復(fù)技術(shù)，以提高鹽漬土地區(qū)公路工程的耐久性，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3].目前，關(guān)于鹽漬土改良的研究有很多，并取得了許多成果.徐健等[4]用水泥改良新疆某地區(qū)的鹽漬土，然后對該改良土進(jìn)行溶陷試驗(yàn)，主要探究了水泥含量和養(yǎng)護(hù)齡期對改良土的可溶性特征的影響.結(jié)果表明：水泥拌合料固化一段時(shí)間后，改良后的樣品經(jīng)壓縮溶陷試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)變形相比改良前明顯減小，溶陷系數(shù)隨水泥摻合比的增加呈指數(shù)衰減特征.梁俊義等[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了濱海高速公路路基用改良鹽漬土的可行性，研究了石灰+水泥+SH土壤固化劑改良鹽漬土的效果.結(jié)果表明，改良后的鹽漬土的抗壓強(qiáng)度及水穩(wěn)定性均優(yōu)于改良前.于新等[6]研究了不同改良劑對鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明：改良劑可以提高鹽漬土的強(qiáng)度.張家興等[7]使用抗鹽脹固化劑和水泥來改善鹽漬土，并研究了固化劑和鹽含量對改良土壤溶脹和力學(xué)性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，固化劑SD可抑制膨脹并保持其強(qiáng)度的性能優(yōu)于純水泥.劉霜等人[8]將水泥及TX固化劑作為改良劑，通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改良土的強(qiáng)度主要受養(yǎng)護(hù)齡期影響.葉軍[9]在室內(nèi)用水泥改良后的黃土搭建路基模型，發(fā)現(xiàn)其密度相比于未改良的土搭建的路基模型要大，其強(qiáng)度也提高.

以上研究對鹽漬土的改良起到了很好的推進(jìn)作用，但是，由于自然降水和溫度變化的影響，道路工程路基將經(jīng)歷干濕循環(huán)和凍融循環(huán).這樣的循環(huán)使土壤的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生較大的變化，嚴(yán)重影響了路基土的強(qiáng)度.因此，此次試驗(yàn)以青海省某二級公路附近的鹽漬土為例，將土凝巖當(dāng)做改良劑，將其按一定比例摻入到鹽漬土中，然后探究鹽漬土在改良后的耐久性能在受到干濕循環(huán)和凍融循環(huán)作用后的變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)材料及土樣配置方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中使用的鹽漬土取自青海省格爾木地區(qū)的一條二級公路附近，屬于粉質(zhì)粘土.經(jīng)測定，鹽漬土壤的平均鹽含量約為2.8%.采用篩分法和密度計(jì)的組合試驗(yàn)，表1給出了被測土壤的顆粒等級.在實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)一定的比例將上述的鹽漬土與土凝巖混合、調(diào)配成土凝巖改良鹽漬土.此次試驗(yàn)采用DHT土凝巖，其主要是由一些工業(yè)廢料制得，不僅可以當(dāng)做一種固化劑來提高土壤的各種性能，而且改良后的土壤可以像石灰水泥等一樣被應(yīng)用于工程建設(shè)中，并且其還具有廉價(jià)、環(huán)保等諸多優(yōu)勢.表2給出了它的性能指標(biāo).

表1 試驗(yàn)土樣顆粒組成

表2 DHT土凝巖性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[10]制定試驗(yàn)步驟：先用溫度保持為105℃的烘箱將試樣進(jìn)行烘干，然后通過擊實(shí)試驗(yàn)測得其最大干密度和最優(yōu)含水率.根據(jù)測得的密度及含水率計(jì)算出制作一個(gè)試驗(yàn)試件所需要的試驗(yàn)土、DHT土凝巖含量以及水的用量.將其進(jìn)行攪拌后再根據(jù)試驗(yàn)需要試件的壓實(shí)度，通過漏斗將一定質(zhì)量的混合料加入到模具(高度與直徑均為50mm)中，然后將裝滿混合料的模具放到液壓脫模機(jī)正中央進(jìn)行壓實(shí)、脫模，脫模完成后用保鮮膜將試件密封并編號放入溫度設(shè)定為20℃±2℃的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后進(jìn)行具體試驗(yàn)，每組做6個(gè)平行試件.試驗(yàn)時(shí)用壓力機(jī)(加載速率為每分鐘1mm)測試試件強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果取平均值.

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 擊實(shí)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案

原土料經(jīng)電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，然后經(jīng)過5mm的圓孔篩，每個(gè)擊實(shí)筒放2500g混合料，混合料包括黃土，固化劑和水，不同摻量和不同含水率對應(yīng)的土體質(zhì)量不同.試驗(yàn)前將黃土和水?dāng)嚭暇鶆蚍旁谒芰洗忻芊鉅F12h，12h后將固化劑按算好的質(zhì)量加入燜好的土料中，攪拌均勻后分五次裝入內(nèi)壁涂抹凡士林的擊實(shí)筒內(nèi)，每次放入質(zhì)量500g左右，每層擊實(shí)27次，然后進(jìn)行下一次填料、擊實(shí)，直至擊實(shí)五次結(jié)束，然后將表面多余的土用刮土刀移除，直至土體表面與擊實(shí)筒上表面平行，然后用脫模機(jī)進(jìn)行脫模，稱重.按下面公式1-1換算出混合料的最大干密度，由此得出最大干密度和最佳含水率.

(1)

式中：ρd—混合料的干密度(g/cm3)；ρ—混合料的濕密度(g/cm3)；ω—混合料的含水率(%).

1.3.2 強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案

(1)制件

如擊實(shí)試驗(yàn)一樣，將土樣用干燥箱烘干其水分，然后用5毫米的圓孔篩將土樣篩分，根據(jù)測的土樣干密度及含水率進(jìn)行調(diào)配燜土.待土樣燜土完畢后將土凝巖、水泥以及石灰三種改良劑加入土樣中，攪拌均勻.計(jì)算出試件所需混合料的質(zhì)量.然后將其分多次灌入試模內(nèi)，根據(jù)規(guī)范要求每次灌入后都要用夯棒均勻攪實(shí).然后將試模放在壓力機(jī)進(jìn)行加壓，加壓時(shí)長兩分鐘.

(2)養(yǎng)護(hù)

用脫模機(jī)將試件脫模，為減小環(huán)境對試件帶來的影響，需在短時(shí)間內(nèi)快速記錄試件的高度、直徑以及質(zhì)量等.結(jié)果精確到0.01mm.隨后試件需被保鮮膜封存放至養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

(3)壓件

在達(dá)到相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)天數(shù)后，取出試件并且重新記錄其養(yǎng)護(hù)后的高度、直徑和質(zhì)量，然后用路強(qiáng)儀進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，根據(jù)式1-2得出其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值.

(2)

表3 強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)明細(xì)表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果與分析

擊實(shí)試驗(yàn)就是為了模擬施工場地中的壓實(shí)原理，在室內(nèi)使用規(guī)范所規(guī)定的方法和操作流程，通過儀器產(chǎn)生的荷載對土樣進(jìn)行夯實(shí)，以確定所測土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率[11].

由圖1得，DHT土凝巖摻量為6%～14%時(shí)，改良土的最優(yōu)含水率在11.7%～12.8%之間.并隨改良劑摻量的增加而增大，且各土凝巖摻量對應(yīng)的最優(yōu)含水率都大于原鹽漬土的最優(yōu)含水率.這是因?yàn)橥聊龓r屬于土壤改良劑，當(dāng)土凝巖與鹽漬土摻和后，經(jīng)過物理化學(xué)反應(yīng)后改變了改良土的工程性質(zhì)，降低了改良前的鹽漬土中的自由水，增加了其中的結(jié)合水，從而增大了最優(yōu)含水率，且固化劑摻量越多最優(yōu)含水率越大.

圖1 最優(yōu)含水率隨土凝巖摻量變化曲線圖 圖2 最大干密度隨土凝巖摻量變化曲線圖

由圖2得，DHT土凝巖摻量為6%～14%時(shí)，改良土的最大干密度在1.89g/cm3～2.03g/cm3之間.并隨改良劑摻量的增加而減小，且各土凝巖摻量對應(yīng)的最大干密度都小于原鹽漬土最大干密度，這是因?yàn)橥寥拦袒瘎p小了鹽漬土的壓實(shí)性，使得改良土顆粒與顆粒之間的吸附性降低，同時(shí)使土壤表面的粘性膠團(tuán)減少，使改良土變得不易壓實(shí)從而降低了改良土的壓實(shí)度.且固化劑摻量越多最大干密度越小.

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

為探究改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含鹽率的關(guān)系，試驗(yàn)采用壓實(shí)度為93%，分別研究土凝巖摻量為8%、10%、12%以及養(yǎng)護(hù)齡期7d、14d、28條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含鹽率的關(guān)系，并繪制擬合曲線如圖3所示.表4給出了相關(guān)的擬合公式.

表4 擬合公式

(a)摻量8%

(b)摻量10%

(c)摻量12%圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對含鹽率關(guān)系曲線

由圖3得，隨著改良土的含鹽率的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值逐漸減小，可以直觀的看出，在含鹽率在0.6%～2.8%之間增加時(shí)，其抗壓強(qiáng)度值的減小速率比在含鹽率在2.8%～5%之間增加時(shí)要快，改良劑摻量增加的同時(shí)改良土的抗壓強(qiáng)度值增大.同時(shí)可以看出試件的抗壓強(qiáng)度會同其養(yǎng)護(hù)齡期同步變化.

3 結(jié)論

本文分析了土凝巖作為改良劑，改良鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，在本試驗(yàn)條件下得出以下結(jié)論：

(1)改良劑含量增加會導(dǎo)致改良土最佳含水率上升，并且不同摻量下的改良土的最佳含水率均大于原始鹽漬土的最佳含水率.改良劑摻量增加會導(dǎo)致改良土最大干密度降低，但是不同摻量的改良土對應(yīng)的最大干密度均小于原始鹽漬土的最大干密度.

(2)改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含鹽量呈負(fù)相關(guān)，即隨著改良土中的鹽含量的增加，其抗壓強(qiáng)度逐漸下降，但減少的速率逐漸降低.相反，其抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)，即養(yǎng)護(hù)齡期增加，其改良土強(qiáng)度降低.