楊 越 董 捷* 趙 聰

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000)

0 引 言

烏審旗風沙土面積已達1355.6萬畝(其中中度以上沙化面積已達54.6%)，占總土地面積77.6%，粉細砂是該地區(qū)的主要表層物質，如圖1所示.西部大開發(fā)是我國的經(jīng)濟發(fā)展的重要策略，為帶動西部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，路網(wǎng)成為必不可少的存在.隨著我國鐵路、公路建設領域的跨越式發(fā)展，我國交通運輸行業(yè)對路基安全性要求的不斷提高.為提高烏審旗地區(qū)路基承載能力和穩(wěn)定性，論文將采用在粉細砂中摻入一定比例的水泥的方法對該地區(qū)粉細砂路堤基床表層進行土質改良.

圖1 烏審旗地區(qū)代表性粉細砂現(xiàn)場圖

祝艷波等[1]對紅層泥巖改良土通過開展擊實、承載比，無側限抗壓強度試驗，認為改良土消除泥巖路基土的膨脹特性，大幅度提高其承載力及抗壓強度指標，水泥改良路基土效果最佳，摻和比為5%位最優(yōu).林羅斌等[2]通過三軸實驗分析了木質素纖維-粉煤灰改良土在工程中應用的可能性，得出既滿足強度需要，又滿足成本控制的木質素纖維配比.楊廣慶[3]進行了水泥改良土的動三軸試驗，研究了水泥土的臨界動應力、彈性變形和回彈模量的變化規(guī)律及影響因素.

然而，有關烏審旗地區(qū)粉細砂改良土的力學性能研究不是很多.粉細砂質量較小，在水中單個下沉時碰到已沉積的土粒就可能因粒間引力而停留在接觸點上不再下沉，形成孔隙很大的蜂窩結構，顆粒之間膠結力小[4].目前，關于對粉細砂的改良，可以采用石灰、水泥、粉煤灰等方法[5-6].考慮到現(xiàn)場施工等原因，本文采用水泥對烏審旗粉細砂改良土進行三軸試驗，以選取合理的改良方法，為該領域路基粉細砂改良設計提供借鑒.

1 試樣制備及試驗設計

1.1 試樣制備及物理性質

選取頗具代表性的烏審旗粉砂土料作為試驗土樣，分別對粉細砂原狀土和水泥摻比3%、5%、7%、9%的改良土進行基本物性試驗，得出最優(yōu)含水率以及最大干密度.室內擊實試驗是在土的最大壓實度下確定土的最優(yōu)含水率和最大干密度的重要方法.擊實試驗設定參數(shù)[8]詳見表1.本試驗采用電動擊實儀(HAD/DZY-II)，測試通過重型擊實法進行.

表1 擊實試驗參數(shù)

通過大量測試，取原狀土和配置不同含水率的改良土，依據(jù)試驗擬控制的目標含水率，每組相鄰含水率的差值為2%～4%相對合理.擊實樣靜置24 h后，分別進行試驗.將試驗土樣分5層填入，每層交界處進行刨毛處理[9-11].測出擊實筒和土樣的質量以及擊實筒的質量，脫模將擊實后的土塊打碎，取出中間部位土樣裝入小器皿中測量含水率如圖2所示.擊實樣的干密度[12]表示為

(1)

式中：ρd為擊實筒中心處土樣的干密度(g/cm3)，ρ0為擊實筒中心處土樣的濕密度(g/cm3)，ωi為擊實筒中心處試樣的含水率.

圖2 擊實儀裝入土樣

經(jīng)測試，原狀土與水泥摻和比為3%、5%、7%、9%改良土的干密度和含水率的關系曲線見圖3.含原狀土的最優(yōu)含水率為9.95%，最大干密度為1.75 g/cm3，水泥摻和比為3%、5%、7%、9%水泥改良土的最優(yōu)含水率分別為10%、10.4%、10.7%、11%，最大干密度分別為1.76 g/cm3、1.78 g/cm3、1.81 g/cm3、1.85 g/cm3.原狀土的最大干密度和最優(yōu)含水率均比改良土小，且粘聚力抗剪強度小.

制樣時采用分層擊實法，根據(jù)擊樣器型號可得，試樣的直徑為39.1 mm，高度為80 mm.依據(jù)已測定不同水泥比的土樣最優(yōu)含水率，取足夠土樣，按最優(yōu)含水率進行配置.所需加水量[13]應按照式(2)計算.

(2)

式中w0為風干土樣的含水率，w1為最優(yōu)含水率.根據(jù)試樣所需的壓實度，計算制樣所需土的質量[14]，見式(3).式中m為制樣所需土的質量(g)，K為式樣的壓實度，ω1為最優(yōu)含水率.分別制成含不同水泥攙比的水泥改良土.

m=K·V(1+ω1)ρdmax

(3)

圖3干密度隨含水率變化曲線圖4原狀土力學特性曲線

1.2 試驗設計

粉細砂因其粘聚力c很小，不易制成三軸實驗試塊，故采用TKA-DDS-20A中型土直剪儀對原狀土進行直剪試驗.試驗中軸向應變的加載速率設定為2 mm/min，剪應力出現(xiàn)峰值，停止試驗，數(shù)據(jù)通過傳感器進行采集，如圖4所示.

采用TSZ型應變控制式三軸儀對粉細砂水泥改良土進行不固結不排水(UU)三軸試驗.軸向應變的加載速率設定為0.8 mm/min，主應力差出現(xiàn)峰值時停止試驗；主應力差未出現(xiàn)峰值，軸向應變達到15%后停止試驗.進行試驗后，得到剪切過程中試樣的軸向位移h1和量力環(huán)的變形量R，根據(jù)公式(4)，計算軸向應變ε和主應力差[15].式中C為量力環(huán)系數(shù)(N/0.01 mm)，R為量力環(huán)變形量(0.01 mm).

(4)

2 試驗結果分析

2.1 圍壓及水泥摻比對應力—應變的影響

四種水泥摻比的烏審旗粉細砂水泥改良土在在不用圍壓條件下應力—應變曲線如圖5所示.

測試結果表明，隨著軸向應變的增大，水泥摻比3%、5%、7%改良土的應力—應變曲線變化趨勢基本一致，主應力差值均持續(xù)增長，且曲線前期呈線性增長，而后期增長相對緩慢，主應力差出現(xiàn)峰值后趨于平穩(wěn)或下滑.當水泥摻比5%時，圍壓分別為100 kPa、50 kPa、20 kPa時，主應力差的峰值較3%水泥摻比時分別增長了180%、204%、250%.而水泥摻比7%改良土較5%分別增長了69%、41.6%、27.2%.水泥摻和比為9%時主應力差隨著軸向應變的增加而逐漸增大，出現(xiàn)峰值之后急劇下降，表明當水泥摻和比達到一定數(shù)值后，繼續(xù)增加水泥摻量粉細砂整體塑性下降，其強度表現(xiàn)出一定的脆性特征.

(a)含3%水泥改良土的應力—應變曲線 (b)含5%水泥改良土的應力—應變曲線

(c)含7%水泥改良土的應力—應變曲線 (d)含9%水泥改良土的應力—應變曲線

圖5不同水泥比改良土在不同圍壓下的應力—應變曲線

2.2 剛度軟化規(guī)律

三軸試驗中常用割線模量E的大小來描述土的剛度，E定義為應力—應變曲線上某點與某點連線所得直線的斜率.以往對于水泥改良土力學特性的研究大多圍繞其抗剪強度開展試驗分析，而對于剛度方面的研究相對較少.鑒于此，論文通過試驗分析了粉細砂水泥改良土的剛度—應變關系曲線，如圖6所示.

(a)水泥摻和比為3% (b)水泥摻和比為5%

(c)水泥摻和比為7% (d)水泥摻和比為9%

圖6水泥土剛度—應變關系曲線

分析發(fā)現(xiàn)，隨著軸向應變的增加，改良土割線彈性模量均逐漸減小，發(fā)生不同程度的剛度軟化現(xiàn)象.總體趨勢表明，在加載初期，割線彈性模量E衰減較快，隨著軸向應變的增加，曲線繼續(xù)衰減并趨于平緩.從圖6(a)～8(d)對比發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻和比的增加，水泥有效地提高了粉細砂改良土小應變條件下的整體剛度，尤其是在圍壓相對較低的條件下.

圖7 剪應力隨剪切位移變化曲線

2.3 抗剪強度分析

原狀土在法向應力為50 kPa、100 kPa、150 kPa條件下進行直剪試驗得到剪應力-剪切位移曲線，如圖7所示.通過繪制抗剪強度和法向應力關系曲線，得到原狀土的粘聚力c=3.9 kPa，內摩擦角φ=33.88°.

通過莫爾應力圓計算出內摩擦角φ和粘聚力c，詳見表2與圖8.試樣的內摩擦角和粘聚力均隨著水泥摻和比的增大而增大.其中，水泥摻和比為5%改良土較水泥摻和比為3%內摩擦角增長百分比最大，為27%；水泥摻和比為5%改良土較水泥摻和比3%增長百分比最大，為80.3%.

圖8 內摩擦角、粘聚力隨水泥摻和比變化圖

水泥內摩擦角φ/°粘聚力/kPa原狀土33.883.93%34.0756.145%43.3101.267%53.91185.919%56.56195.01

3 結 論

(1)隨著軸向應變的增加，粉細砂水泥改良土割線彈性模量均逐漸減小，表現(xiàn)為不同程度的剛度軟化現(xiàn)象；隨著水泥摻和比的增加，水泥有效地提高了粉細砂改良土小應變條件下的整體剛度，尤其是在圍壓相對較低的條件下.

(2)水泥改良土較原狀土水泥摻和比為3%的水泥改良土粘聚力是粉細砂原狀土的14倍，水泥摻和比為5%的水泥改良土粘聚力是原狀土的25倍，相比對內摩擦角的影響水泥改良對粉細砂粘聚力的提高有更明顯的作用.

(3)5%水泥的改良土不僅可以增大抗剪強度，且較7%具有更大的增幅百分比；而9%水泥摻量的粉細砂峰值抗剪強度呈明顯的剛脆性特征；綜合不同摻量粉細砂室內試驗結果，建議烏審旗地區(qū)細粉砂路基改良土水泥配比可近似取5%.

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