基于沖擊夯下的回填土填料改性研究

閆敏 方軍 王永軍 沙仁陶格斯 喬在雄

摘 要：對(duì)基于沖擊夯下的回填土夯實(shí)的填料進(jìn)行改性處理，研究了水泥、石灰和粉煤灰配比對(duì)路基填料最佳含水率、最大干密度、粘聚力、內(nèi)摩擦角和無側(cè)限壓縮強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，4種改性土的最佳含水率都高于素土，且最佳含水率從高至低順序?yàn)椋篠4>S1>S3>S2。改性土的最佳含水率都相較素土有所增加，而最大干密度有所減小，最大干密度從大至小順序?yàn)镾3>S4>S2>S1。改性土的28d粘聚力明顯高于7d粘聚力，且改性土粘聚力從大至小順序?yàn)镾4>S3>S2>S1，且都明顯高于素土;S3改性土的內(nèi)摩擦角最大。隨著齡期從7d增加至28d，素體和改性土的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度都有不同程度提高;改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度都明顯高于素土，且改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度從高至低順序?yàn)镾4>S3>S2>S1。

關(guān)鍵詞：回填土;沖擊夯;素土;改性土;性能

中圖分類號(hào)：TU411.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）08-0127-04

Research on Modification of Backfill Soil Filling Based on Impact Ramming

Yan Min1， Fang Jun2， Wang Yongjun3， Sharen Tauges4， Qiao Zaixiong5

（1.Ordos Institute of Technology， Ordos 017010， China; 2. Ordos City Government Investment Project Agent Construction Center， Ordos 017010， China; 3. Inner Mongolia Yitai Real Estate Group Co.， Ltd.， Ordos 017010， China; 4. Ordos City Construction Engineering Quality Supervision Station， Ordos 017010， China; 5. Xingtai Construction Group Co.， Ltd.， Ordos 017010， China）

Abstract：Modified fillers based on rammed backfills under impact ramming were performed， and the effect of the ratio of cement， lime and fly ash on the optimum moisture content， maximum dry density， cohesion， internal friction angle and unconfined compressive strength of subgrade filling is studied. The results show that the best moisture content of the four modified soils is higher than that of the plain soil， and the best moisture content from high to low is S4 > S1 > S3 > S2. The best moisture content of the modified soil is higher than that of the plain soil， but the maximum dry density is decreased. The order of the maximum dry density is S3 > S4 > S2 > S1. The 28d cohesion of the modified soil is significantly higher than that of the 7d， and the cohesion of the modified soil is S4 > S3 > S2 > S1， which is obviously higher than that of the plain soil; the internal friction angle of S3 modified soil is the largest. With the increase of age from 7d to 28d， the unconfined compressive strength of both plain and modified soil increased in varying degrees; the 7d and 28d unconfined compressive strength of modified soil was significantly higher than that of plain soil， and the order of 7d and 28d unconfined compressive strength of modified soil from high to low was S4 > S3 > S2 > S1.

Key words：backfilled soil; impact ramming; plain soil; modified soil; performance

沖擊夯是利用沖擊和沖擊振動(dòng)作用分層夯實(shí)回填土的壓實(shí)機(jī)械，在公路路基施工工程的回填土夯實(shí)中有較為廣泛的應(yīng)用，可以對(duì)粘性土、砂及礫石等散狀物料進(jìn)行振動(dòng)沖擊夯壓實(shí)[1]。隨著我國公路路基基建規(guī)模的不斷擴(kuò)大，路基填料作為公路施工環(huán)節(jié)中的重要支撐部分，對(duì)整體公路穩(wěn)定性和耐久性起著至關(guān)重要的作用[2-3]。由于我國粉砂土覆蓋面積較廣，粉砂土通常作為路基填料使用，而由于這種填料存在強(qiáng)烈的毛細(xì)作用，在實(shí)際應(yīng)用過程中容易損壞而難以滿足應(yīng)用需求[4-5]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合公路路基填料的應(yīng)用需求，對(duì)粉砂土填料進(jìn)行改性處理已成為必然趨勢[6]，文章以水泥、石灰和粉煤灰為改性材料，考察其配比對(duì)粉砂土填料各項(xiàng)物性指標(biāo)的影響，以期為粉砂土填料改性及高質(zhì)量路基填料開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

取某地區(qū)地表層粉砂土（素土）為原料，依據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)土體進(jìn)行篩分，結(jié)果表明粒徑0.075～2mm和<0.075mm的占比分別為69%和30%，含水率為7.9%。為了對(duì)路基填料粉砂土進(jìn)行改性，以水泥（表觀相對(duì)密度3.05、粒度<0.5mm為100%）、石灰（含水率0.53%、0.71mm方孔篩余0.43%）和粉煤灰（細(xì)度14%、燒失量7.0%、堆積密度0.75g/cm3、含水率0.11%）作為主要原料。

結(jié)合基于沖擊夯下的回填土夯實(shí)的路基填料的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了表1所示的正交試驗(yàn)表。其中，水泥含量分別為2%和4%，石灰含量分別為5%和7%，粉煤灰含量分別為2%和4%。

根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》和JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，測試素土和改性土的最佳含水率和最大干密度;根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測試7d和28d剪切強(qiáng)度;根據(jù)JTG E51-2009進(jìn)行改性土和素土的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，取5組試樣的平均值作為測試結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為素土和改性土的最佳含水率測試結(jié)果。對(duì)比分析可知，對(duì)于未添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，其最佳含水率為12%;對(duì)于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，當(dāng)水泥含量2%、石灰含量5%和粉煤灰含量2%時(shí)，改性圖S1的最佳含水率為12.62%;對(duì)于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，當(dāng)水泥含量2%、石灰含量7%和粉煤灰含量4%時(shí)，改性圖S2的最佳含水率為12.43%;對(duì)于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，當(dāng)水泥含量4%、石灰含量5%和粉煤灰含量4%時(shí)，改性圖S3的最佳含水率為12.5%;對(duì)于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，當(dāng)水泥含量4%、石灰含量7%和粉煤灰含量2%時(shí)，改性土S4的最佳含水率為13.1%。4種改性土的最佳含水率都高于素土，且最佳含水率從高至低順序?yàn)椋篠4>S1>S3>S2。

圖2為素土和改性土的最大干密度測試結(jié)果。對(duì)比分析可知，對(duì)于未添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，其最大干密度為1.81g/cm3;對(duì)于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，當(dāng)水泥含量2%、石灰含量5%和粉煤灰含量2%時(shí)，改性圖S1的最大干密度為1.74g/cm3;對(duì)于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，當(dāng)水泥含量2%、石灰含量7%和粉煤灰含量4%時(shí)，改性圖S2的最大干密度為1.76g/cm3;對(duì)于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，當(dāng)水泥含量4%、石灰含量5%和粉煤灰含量4%時(shí)，改性圖S3的最大干密度為1.79g/cm3;對(duì)于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，當(dāng)水泥含量4%、石灰含量7%和粉煤灰含量2%時(shí)，改性圖S4的最大干密度為1.78g/cm3。結(jié)合圖1的素土和改性土的最佳含水率測試結(jié)果可知，當(dāng)對(duì)素土進(jìn)行改性后，改性土的最佳含水率都相較素土有所增加，而最大干密度有所減小，這主要是因?yàn)樗唷⑹液头勖夯腋男赃^程中會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)而消耗部分水，造成改性土的最佳含水率有所最大;此外，水化反應(yīng)過程中形成的膠漿物會(huì)吸附部分素土顆粒而形成蜂窩結(jié)構(gòu)，造成改性土的最大干密度減小。

圖3為改性土的7d剪切強(qiáng)度曲線。對(duì)于S1試樣，隨著垂直壓力從100kPa增加至400kPa，S1改性土的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢;改性土S2、S3和S4的垂直壓力-剪切強(qiáng)度曲線中同樣可見剪切強(qiáng)度隨著垂直壓力增加而逐漸增大的趨勢。

圖4為改性土的28d剪切強(qiáng)度曲線。與改性土7d剪切強(qiáng)度曲線相似的是，隨著垂直壓力從100kPa增加至400kPa，S1改性土的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢;改性土S2、S3和S4的垂直壓力-剪切強(qiáng)度曲線中同樣可見剪切強(qiáng)度隨著垂直壓力增加而逐漸增大的趨勢。

表2為素體與改性土的7d和28d剪切強(qiáng)度指標(biāo)?？梢姡赝恋?d和28d內(nèi)摩擦角都為32.01°、粘聚力都為8.71kPa;對(duì)于S1改性土，7d內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為40.76°和74.49kPa，28d內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為40.26°和269.96kPa;對(duì)于S2改性土，7d內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為44.96°和125kPa，28d內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為44.81°和308.53kPa;對(duì)于S3改性土，7d內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為46.86°和142.19kPa，28d內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為47.5°和337.51kPa;對(duì)于S4改性土，7d內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為41.63°和152.79kPa，28d內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為39.86°和442.43kPa。改性土的28d粘聚力明顯高于7d粘聚力，且改性土粘聚力從大至小順序?yàn)镾4>S3>S2>S1，且都明顯高于素土;S3改性土的內(nèi)摩擦角最大，這主要與S3改性土的最大干密度較大，在粒徑級(jí)配和礦物成分等差異較小時(shí)，密度是影響內(nèi)摩擦角的最大因素。

對(duì)于未經(jīng)過改性的素土，7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度分別為190kPa和230kPa;S1改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度分別為595kPa和1570kPa;S2改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度分別為695kPa和1725kPa;S3改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度分別為720kPa和2150kPa;S4改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度分別為740kPa和2210kPa。隨著齡期從7d增加至28d，素體和改性土的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度都有不同程度提高;改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度都明顯高于素土，且改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度從高至低順序?yàn)镾4>S3>S2>S1。

3 結(jié)論

（1）4種改性土的最佳含水率都高于素土，且最佳含水率從高至低順序?yàn)椋篠4>S1>S3>S2。

（2）對(duì)素土進(jìn)行改性后，改性土的最佳含水率都相較素土有所增加，而最大干密度有所減小，最大干密度從大至小順序?yàn)镾3>S4>S2>S1。

（3）改性土的28d粘聚力明顯高于7d粘聚力，且改性土粘聚力從大至小順序?yàn)镾4>S3>S2>S1，且都明顯高于素土;S3改性土的內(nèi)摩擦角最大。

（4）隨著齡期從7d增加至28d，素體和改性土的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度都有不同程度提高;改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度都明顯高于素土，且改性土的7d和28d無側(cè)限壓縮強(qiáng)度從高至低順序?yàn)镾4>S3>S2>S1。

參考文獻(xiàn)

[1] 岳愛敏，李煥坤，黃明利.粉砂土在高速公路路基填料中的應(yīng)用研究[J].市政技術(shù)，2018，36（06）：35-37.

[2]王道領(lǐng).泡沫輕質(zhì)土在道路擴(kuò)建工程中的應(yīng)用研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2019（06）：92-96.

[3]張剛，李宏波.水泥硅灰粉砂土剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（04）：339-342.

[4]Arizzi A，Viles H，Cultrone G.Experimental testing of the durability of lime-based mortars used for rendering historic buildings[J].Construction & Building Materials，2012，28（1）：807-818.

[5]Baltazar L G，Henriques F M A，Cidade M T.Contribution to the design of hydraulic lime-based grouts for masonry consolidation[J].Statyba，2015，21（6）：698-709.

[6]Pachta V，Papadopoulos F，Stefanidou M.Development and testing of grouts based on perlite by-products and lime[J].Construction and Building Materials，2019，207：338-344.