膨脹性混合土路用性能試驗(yàn)研究

李佑珍， 康 杰， 邵昀泓

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 杭州 311112； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 杭州 310023)

在公路或鐵路路橋過(guò)渡段，地基及路基易發(fā)生顯著工后沉降，而結(jié)構(gòu)物(如橋臺(tái))因基礎(chǔ)及其自身剛度大而無(wú)明顯沉降，由此形成了路橋過(guò)渡段不均勻沉降[1-2]。若不均勻沉降超出容許范圍，將誘發(fā)“橋頭跳車(chē)”及其他次生病害，嚴(yán)重威脅行車(chē)安全和公路正常運(yùn)營(yíng)。

長(zhǎng)久以來(lái)，工程技術(shù)人員開(kāi)展了廣泛而深入的研究，研發(fā)出了多種多樣的“橋臺(tái)跳車(chē)”處治技術(shù)，如表面加鋪[3-4]、土工加筋[5-7]、頂管漸變置換法[8]、橋頭搭板[9-10]、輕質(zhì)回填[11-12]、壓力注漿[13]等，并用于不同工況下路橋過(guò)渡段不均勻沉降防治或病害修復(fù)，取得了一定效果，但均未能較好地解決“橋頭跳車(chē)”問(wèn)題。為此，基于在役期間填料膨脹補(bǔ)償?shù)鼗奥坊ず蟪两档脑?，荊學(xué)松和周世松[14-15]提出在路橋過(guò)渡段回填膨脹填料，以減小不均勻沉降并防治“橋頭跳車(chē)”。

本文采用這一思路，研究膨脹性混合土是否能用于路橋過(guò)渡段病害修復(fù)。通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR、直剪、滲透和膨脹試驗(yàn)，研究最佳配合比條件下的膨脹填料摻入工程廢棄土組成的膨脹性混合土試樣的路用性能，分析給出膨脹填料摻量、齡期和含水量對(duì)膨脹性混合土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律及一定配合比下CBR、抗剪強(qiáng)度(直剪)、滲透系數(shù)和膨脹率的變化規(guī)律，為路橋過(guò)渡段臺(tái)背回填膨脹性混合土提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)材料

1) 膨脹填料

選取P·O 42.5的硅酸鹽水泥、生石灰和火電廠脫硫石膏作為原材料，粉碎研磨成細(xì)小顆粒。硅酸鹽水泥、脫硫石膏的化學(xué)成分組成如表1、表2所示。在法向應(yīng)力100 kPa～1 000 kPa條件下，對(duì)不同配合比的膨脹填料進(jìn)行膨脹試驗(yàn)，測(cè)得不同配合比膨脹填料膨脹率，如表3所示。

由表3可知，在水泥∶生石灰∶脫硫石膏配合比為1∶2∶5時(shí)，膨脹填料法向壓力σn由100 kPa增至1 000 kPa，其膨脹率由1.27減小至1.09，在此配合比條件下，膨脹填料的膨脹性能較優(yōu)，且膨脹性能受壓力的增加影響較小，故選此配合比為最佳配合比。

2) 工程棄土

選用某地鐵隧道開(kāi)挖工程中的棄置土(以粉砂土為主)作為原材料，其級(jí)配曲線如圖1所示，棄置土級(jí)配良好，相關(guān)物理指標(biāo)如表4所示。

表1 硅酸鹽水泥P·O 42.5化學(xué)組成 %

表2 脫硫石膏化學(xué)組成 %

表3 膨脹填料的膨脹率

圖1 工程廢棄土(粉砂土)級(jí)配曲線

表4 工程廢棄土(粉砂土)物理指標(biāo)

以一定的體積百分比將膨脹填料摻入到工程廢棄土(粉砂土)中，組成不同配比的膨脹性混合土。通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得膨脹性混合土的最佳含水率為8%，最大干密度為1.75 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方案

采用單因素控制法開(kāi)展膨脹性混合土的基本路用性能試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表5所示。

1) 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：考慮膨脹填料摻量、齡期和含水率3個(gè)影響因素，研究混合土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。

2) CBR試驗(yàn)：測(cè)定膨脹填料摻量對(duì)含水率8%、齡期7 d的膨脹性混合土CBR值的影響，用來(lái)評(píng)估混合土回填路基的承載力。

3) 直剪試驗(yàn)：測(cè)定膨脹填料摻量20%、含水率8%、齡期7 d的混合土在不同法向壓力(100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa)下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ)，為路橋過(guò)渡段回填設(shè)計(jì)提供參考。

4) 滲透試驗(yàn)：測(cè)定膨脹填料摻量對(duì)齡期7 d的飽和混合土滲透性的影響，以便評(píng)定路橋過(guò)渡段回填路基的滲透性能。

5) 膨脹試驗(yàn)：測(cè)定不同法向壓力(100 kPa、200 kPa和400 kPa)下，膨脹填料摻量20%和含水率8%的混合土膨脹率隨不同時(shí)間(齡期)的變化規(guī)律，用來(lái)評(píng)估其體積穩(wěn)定性。

表5 膨脹性混合土路用性能試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)方法

采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[16](簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)程)方法對(duì)膨脹性混合土進(jìn)行下列試驗(yàn)。

1.3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

1) 試驗(yàn)儀器：應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀。

2) 試樣制備：按照規(guī)程中有關(guān)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的要求，將膨脹性混合土制備為40 mm×100 mm的土樣，養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、45 d和60 d以備測(cè)試。

3) 試驗(yàn)過(guò)程：在養(yǎng)護(hù)好的試樣兩端涂上凡士林，將制備好的試件放在應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀下加壓板上，以軸向應(yīng)變1%/min～3%/min的速率轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，當(dāng)軸向應(yīng)變<3%時(shí)，每隔0.5%記錄百分表讀數(shù)1次；當(dāng)軸向應(yīng)變>3%后，每隔1%記錄百分表讀數(shù)1次。當(dāng)百分表達(dá)到峰值或讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，再繼續(xù)試驗(yàn)3%～5%軸向應(yīng)變值即可停止試驗(yàn)。如讀數(shù)無(wú)穩(wěn)定值，則軸向應(yīng)變達(dá)20%時(shí)即可停止試驗(yàn)。

1.3.2 CBR試驗(yàn)

1) 試驗(yàn)儀器：路強(qiáng)儀。

2) 試樣制備：按照規(guī)程中有關(guān)CBR試驗(yàn)的要求，篩除風(fēng)干土樣(必要時(shí)可在50 ℃烘箱內(nèi)烘干)中粒徑大于40 mm的部分土體，用木碾搗碎風(fēng)干土樣，使土樣可通過(guò)5 mm的圓孔篩，測(cè)定試樣的最大干密度和最佳含水率。

將試樣分3層裝入試筒并擊實(shí)，每層擊實(shí)數(shù)分別為30次、50次、98次。擊實(shí)成型后，將試樣與多孔板放入水槽，向水槽內(nèi)放水至試件頂面以上25 mm，浸泡4晝夜。

3) 試驗(yàn)過(guò)程：取出浸泡后的試件，放到路面強(qiáng)度儀升降臺(tái)上，將百分表調(diào)零，使貫入桿以1 mm/min～1.25 mm/min的速率壓入試件，記錄百分表讀數(shù)。

1.3.3 直剪試驗(yàn)

1) 試驗(yàn)儀器：應(yīng)變控制式直剪儀。

2) 試樣制備：按照規(guī)程中有關(guān)直剪試驗(yàn)的要求，用切土刀將試件削成略大于環(huán)刀直徑的土柱，然后將環(huán)刀垂直向下壓，邊壓邊削，至土樣伸出環(huán)刀上部為止，削平環(huán)刀兩端，擦凈環(huán)刀外壁。

3) 試驗(yàn)過(guò)程：將試樣緩緩?fù)迫爰羟泻袃?nèi)，移去環(huán)刀；在儀器內(nèi)使試樣浸水飽和，之后轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)裝置，使上盒的前端鋼珠剛好與測(cè)力計(jì)接觸，測(cè)力計(jì)讀數(shù)調(diào)零；施加法向壓力，拔去固定銷(xiāo)，以0.8 mm/min～1.2 mm/min的速率對(duì)試樣進(jìn)行剪切；每0.2 mm～0.4 mm水平位移，記錄測(cè)力計(jì)和位移計(jì)讀數(shù)1次，直至試樣剪壞結(jié)束試驗(yàn)。

1.3.4 滲透試驗(yàn)

1) 試驗(yàn)儀器：滲透儀。

2) 試樣制備：按照規(guī)程中有關(guān)滲透試驗(yàn)的要求，取代表性土樣3 kg～4 kg，測(cè)定含水率。將土樣分層裝入儀器，每層厚2 cm～3 cm，用木錘輕輕擊實(shí)到一定厚度。每層試樣裝好后，慢慢開(kāi)啟止水夾，水由筒底向上滲入，使試樣逐漸飽和。用吸水球進(jìn)行調(diào)整使測(cè)壓管與溢水孔齊平。

3) 試驗(yàn)過(guò)程：調(diào)整調(diào)節(jié)管，形成水位差，測(cè)壓管水位穩(wěn)定后，測(cè)記水位，計(jì)算水位差；使水滲透試樣，并經(jīng)調(diào)節(jié)管流出，用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)定流量；繼續(xù)調(diào)整調(diào)節(jié)管，進(jìn)行多次測(cè)試。

1.3.5 膨脹試驗(yàn)

1) 試驗(yàn)儀器：固結(jié)儀。

2) 試樣制備：按照規(guī)程中有關(guān)膨脹試驗(yàn)的要求，在環(huán)刀內(nèi)壁均勻涂抹薄層凡士林，切取代表性原狀土試樣或所需狀態(tài)的擊實(shí)試樣，修平兩面，制成高度為20 mm的試樣。

3) 試驗(yàn)過(guò)程：校準(zhǔn)儀器，加好透水石和蓋板，放入試樣，變形穩(wěn)定時(shí)即變形不超過(guò)0.01 mm/h時(shí)可認(rèn)為變形穩(wěn)定，可進(jìn)行注水，加砝碼；每2 h讀一次百分表數(shù)據(jù)，差值小于0.01 mm 時(shí)即可停止。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 膨脹填料摻量的影響

在最佳含水率8%、養(yǎng)護(hù)齡期7 d條件下，對(duì)不同膨脹填料摻量的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)含脫硫石膏與不含脫硫石膏的膨脹填料試樣進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 養(yǎng)護(hù)齡期7 d膨脹性混合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與膨脹填料摻量關(guān)系

鑒于不同齡期下膨脹填料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似，現(xiàn)以7 d齡期測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行分析。由圖2可知：

1) 對(duì)于不含脫硫石膏試樣，混合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膨脹填料摻量增加而增加，當(dāng)摻量為20%時(shí)達(dá)到峰值，當(dāng)摻量為25%時(shí)略有下降，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為0.63 MPa，原因是膨脹填料中生石灰水化產(chǎn)物Ca(OH)2增至一定含量后，Ca(OH)2的膠結(jié)作用有所衰減。

2) 對(duì)于含脫硫石膏試樣，混合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膨脹填料摻量的增加顯著增加，原因是水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生的骨架作用和脫硫石膏與Ca(OH)2反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生的凝結(jié)硬化作用，均使混合土的強(qiáng)度增加。摻量20%的試樣7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.96 MPa，摻量25%時(shí)可達(dá)1.07 MPa。

依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[17]，石灰類(lèi)穩(wěn)定土底基層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.8 MPa即可滿足要求。因此，膨脹填料(硅酸鹽水泥∶生石灰∶脫硫石膏=1∶2∶5)摻量20%的膨脹性混合土可滿足路橋過(guò)渡段路基填料的技術(shù)要求。

2.1.2 齡期的影響

在最佳含水率8%條件下，對(duì)不同膨脹填料摻量、不同齡期的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 膨脹性混合土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系

由圖3可知：1) 膨脹填料摻量越高，混合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大；2) 齡期越長(zhǎng)，混合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大；3) 摻量小于10%時(shí)，齡期越長(zhǎng)，土的強(qiáng)度變化(增加)越??；摻量大于15%以后，齡期越長(zhǎng)，混合土的強(qiáng)度變化(增加)相對(duì)越大；4) 當(dāng)齡期大于等于45 d時(shí)，混合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。

依據(jù)上述變化規(guī)律，在摻量20%條件下且45 d齡期后，混合土的強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢，原因是膨脹填料中的水泥、活性CaO已大部分發(fā)生反應(yīng)，混合土的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，而膨脹填料中后續(xù)分解出的CaO或CaSO4的水化反應(yīng)又可使混合土后期強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)。

2.1.3 含水率的影響

在養(yǎng)護(hù)齡期7 d條件下，對(duì)不同含水率、不同膨脹填料摻量的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同填料摻量下的膨脹性混合土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率關(guān)系

由圖4可知：1) 對(duì)于不同膨脹填料摻量的混合土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而增大；2) 對(duì)比含水率為8%與5%的混合土，前者強(qiáng)度較后者增長(zhǎng)10%及以上；而對(duì)比含水率為12%與8%的混合土，其強(qiáng)度增長(zhǎng)不太明顯。

含水率過(guò)高(大于20%)，試樣難以成型，不能承受外部荷載作用。含水率過(guò)低(低于5%)，試樣強(qiáng)度較低，亦不能滿足路基設(shè)計(jì)要求。上述試驗(yàn)再次表明：8%含水率為最佳含水率。在該條件下，膨脹填料可發(fā)生充分水化反應(yīng)，從而獲得足夠穩(wěn)定的強(qiáng)度。

2.2 CBR試驗(yàn)

對(duì)最佳含水率為8%、齡期為7 d及不同膨脹填料摻量的混合土進(jìn)行CBR試驗(yàn)，結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知：隨膨脹填料摻量增加，混合土的干密度減小，而CBR值則增加，但20%摻量與25%摻量CBR值差異不大，20%摻量的CBR值已達(dá)約40%。

《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610—2019)[18]中，路基填料最小CBR值要求如表6所示。

圖5 膨脹性混合土的干密度與膨脹填料摻量關(guān)系

圖6 膨脹性混合土的CBR與膨脹填料摻量關(guān)系

由表6可知，對(duì)于不同膨脹填料摻量的膨脹性混合土，其CBR值均可滿足規(guī)范要求的高等級(jí)公路不同層位路基CBR設(shè)計(jì)要求。

表6 路基填料最小CBR值要求[18]

2.3 直剪試驗(yàn)

對(duì)最佳含水率為8%、養(yǎng)護(hù)齡期為7 d及膨脹填料摻量為20%的混合土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7可知：1) 在某一法向壓力σn下，剪切位移隨剪應(yīng)力增加而增加；2) 除σn=200 kPa外，曲線皆有軟化；3) 峰值剪應(yīng)力(直剪強(qiáng)度τf)隨法向壓力增加而增加，對(duì)應(yīng)的剪切位移隨法向應(yīng)力增加呈先增后減變化。

圖7 膨脹性混合土剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系

圖8 膨脹性混合土抗剪強(qiáng)度包線

由圖8可知：1) 混合土的直剪強(qiáng)度隨法向壓力增加而增加，在100 kPa～400 kPa范圍內(nèi)，抗剪強(qiáng)度由73.6 kPa增至268.4 kPa；2) 強(qiáng)度包線為一不通過(guò)原點(diǎn)的直線，內(nèi)摩擦角φ=32.8°，粘聚力c=5.4 kPa；3) 混合土內(nèi)聚力近于0，原因是混合土中粉砂所占百分含量較大，而膨脹填料水化產(chǎn)生產(chǎn)物具有一定的膠結(jié)作用，從而使混合土表現(xiàn)出較小內(nèi)聚力。

2.4 滲透試驗(yàn)

對(duì)7 d齡期不同膨脹填料摻量的飽和膨脹性混合土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 膨脹性混合土滲透系數(shù)與水力梯度關(guān)系

由圖9可知：1) 不摻膨脹填料的混合土滲透系數(shù)約為 5×10-4cm/s；2) 隨著水力梯度的增加，混合土的滲透系數(shù)先明顯減小而后略有增加；3) 隨著膨脹填料摻量的增加，混合土的滲透系數(shù)顯著減小，在最佳摻量20%時(shí)滲透系數(shù)接近1×10-4cm/s。由此表明：膨脹填料的摻入對(duì)臺(tái)背回填路基的滲透性影響較大，但仍有較好的滲透性能，不會(huì)影響雨季臺(tái)背路基的滲透排水效果。

2.5 膨脹試驗(yàn)

在法向壓力100 kPa、200 kPa和400 kPa條件下，對(duì)最佳含水率8%和膨脹填料摻量20%的膨脹性混合土進(jìn)行膨脹試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同法向壓力下膨脹性混合土膨脹率與時(shí)間的關(guān)系

由圖10可知：在最初3 d內(nèi)，混合土膨脹率的增速很快，法向壓力分別為100 kPa、200 kPa和400 kPa時(shí)，膨脹率分別為28%、22%和14%；自第5 d開(kāi)始，膨脹率的增速變小，而自第10 d開(kāi)始膨脹率的增速趨于0，即時(shí)間超過(guò)10 d后，混合土的膨脹率趨于常數(shù)，其體積保持穩(wěn)定，不再發(fā)生體積膨脹或收縮。

上述膨脹試驗(yàn)表明：在路橋過(guò)渡段回填施工期(通常大于10 d)內(nèi)，膨脹性混合土就可達(dá)到膨脹穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)橋臺(tái)或其他結(jié)構(gòu)造成損害。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了采用膨脹填料補(bǔ)償?shù)鼗?路基工后沉降以防治“橋頭跳車(chē)”，本文對(duì)膨脹性混合土的路用性能開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

1) 隨著膨脹填料摻量的增加，膨脹性混合土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膨脹填料摻量、齡期和含水率的增加而增大。摻量20%、齡期28 d和最佳含水率8%條件下，膨脹性混合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.80 MPa及以上。

2) CBR試驗(yàn)表明：最佳含水率為8%、齡期為7 d及不同膨脹填料摻量的膨脹性混合土的CBR均達(dá)到20%以上，可滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中不同層位路基的承載力要求。

3) 直剪試驗(yàn)表明：最佳含水率為8%、齡期為7 d及膨脹填料摻量為20%的膨脹性混合土的強(qiáng)度特性類(lèi)似于弱膠結(jié)粉砂土，直剪強(qiáng)度隨法向壓力增加而線性增加，內(nèi)摩擦角φ=32.8°，內(nèi)聚力c=5.4 kPa。

4) 滲透試驗(yàn)表明：7 d齡期不同膨脹填料摻量的飽和膨脹性混合土的滲透系數(shù)隨水力梯度和膨脹填料摻量的增加而顯著減小，在最佳摻量20%時(shí)滲透系數(shù)接近1×10-4cm/s，仍可保持較好的滲透性能。

5) 膨脹試驗(yàn)表明：含水率8%和膨脹填料摻量20%的膨脹性混合土在3 d內(nèi)快速膨脹，自第5 d膨脹變緩，第10 d時(shí)趨于膨脹穩(wěn)定，之后體積保持不變，不會(huì)損壞工程結(jié)構(gòu)。