周子豪，蘇占東，吳成龍，夏京

(防災科技學院 巖土工程研究中心，河北 廊坊 065201)

1 前言

沙漠地區(qū)修筑線路工程一般依據(jù)就地取材原則，取風積沙為原料進行路堤填筑。大量學者對風積沙的物理化學特性、風積沙基本力學特性、風積沙壓實特性等進行了研究，取得一系列研究成果。隨著中國高等級線路工程的不斷發(fā)展，單一的風積沙材料難以滿足工程對于變形和強度的要求，需要對其進行改性處理。董偉等、李根峰等、謝春磊等對風積沙混凝土進行了一系列研究，包括力學性能、凍融損傷特性以及收縮變形特征等；伏兵先、王朝輝等、魏杰等、張雁等通過添加不同工程材料，例如黏土、水泥、粉煤灰、石膏和木鈣等改良風積沙的力學性能，以增加其強度和穩(wěn)定性為工程服務。國外較早關注到風積沙改良后可為工程建設服務的特點，Wahhab A A和Aiban S A等對沙特阿拉伯東部沙丘風積沙摻入瀝青、水泥或石灰進行加固改良并顯著提高沙土的抗剪強度和水穩(wěn)定性；Ghrieb A等分析了穩(wěn)定劑和沙的配比對混合料物理化學特性的影響；Susana L Q等對比分析風積沙是否摻入水泥以及水泥摻量對改性土壓實特性和承載能力的影響。對改性土壓實度控制方法的研究則少見報道。對于風積沙改性土強度方面的室內試驗研究不能脫離對制樣方法的關注。郭瑩等對比分析了干裝法、濕裝夯實法以及水下沉積法對飽和中砂靜力三軸固結排水剪切試驗結果的影響。

然而，對于風積沙改性土強度試驗中試塊壓實度控制方法的研究鮮有報道，不同壓實度的改性土其工程特性會有顯著差異。目前實際工程中風積沙路基采用的壓實方法為振動壓實法和水墜濕法壓實。但風積沙振動壓實因碾壓頻率、速度和遍數(shù)等控制不當會產生“疏松-密實-疏松”的惡性循環(huán)，而水墜濕法壓實受澆水量、蒸發(fā)、滲透以及干旱沙漠地區(qū)水資源匱乏等因素的影響較大，風積沙壓實方法成為困擾施工和影響施工質量的一個技術難題。在室內試驗中，金昌寧等、陳忠達等的研究表明：風積沙的抗剪強度受壓實度的影響。因此全面把握風積沙的路用性能特別是路基強度特征，需要能夠高效穩(wěn)定地制備出不同壓實度的風積沙試樣。該文結合某高鐵客運專線路堤風積沙改性土配比(配比設計為95%風積沙+5%水泥)設計方案，在室內采用分層應力控制壓實法和分層位移控制壓實法對風積沙改性土壓實度控制方法進行研究，從壓實外觀效果和力學特性兩方面評價風積沙改性土的壓實控制效果，為全面把握風積沙改性土的力學特性和凍融剪切變形特性等路用性能的研究提供試驗基礎，為實際工程中風積沙改性土的高效工程應用提供試驗參考。

2 試驗過程

2.1 試驗材料及儀器

試驗所采用的風積沙取自內蒙古科爾沁沙地某高鐵客運專線路堤施工項目段，風積沙主要礦物為石英，并含有一定量的斜長石和鉀長石，含有少量的伊利石或蒙脫石。測得的基本物理指標見表1，不均勻系數(shù)Cu<5，曲率系數(shù)Cc<1，顆粒較均勻，屬不良級配。

表1 風積沙物理指標

試驗所用主要儀器設備有豎向壓實反力系統(tǒng)，最大試驗力為500 kN、油壓千斤頂?shù)幕钊睆綖?00 mm、FX101-3型電熱鼓風干燥箱溫度范圍為10～250 ℃，靈敏度為±1 ℃，ZYSS2000電液伺服壓力機，軸向加載速率：0.01～20 kN/s，軸向測量分辨率：20 N，軸向測量精度：≤±1%(示值)，位移測量范圍：1～100 mm，位移測量分辨率：0.001 mm，位移測量精度：≤±5%。

2.2 試驗設計及步驟

設計了應力控制壓實、位移控制壓實的3層壓實和5層壓實試驗，按設計的應力范圍和位移量進行風積沙改性土室內試塊制作。試驗設計方案和具體壓實控制指標見表2。

表2 風積沙改性土壓實設計方案

按照試驗設計方案，試樣制備流程如圖1所示。

圖1 試樣制備流程圖

(1)按照試驗流程，依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》，對固定配比的風積沙改性土進行擊實試驗，測定其最優(yōu)含水率wg和最大干密度ρd。

(2)分別取風積沙和改性材料若干過0.5 mm篩，并放入干燥箱，在105 ℃下烘干12 h，待其冷卻至室溫時，根據(jù)式(1)～(3)按預定壓實度λ和給定配合比η計算烘干試料用量，稱取重量為mss和msc(i)的烘干試料，按最優(yōu)含水率加入蒸餾水，拌勻后的試料放在密閉容器或塑料袋(封口)內浸潤備用。

ms=ρd×V

(1)

msc(i)=η(i)×λ×ms

(2)

(3)

式中：ms為烘干后改性土的質量(g)；ρd為風積沙改性土的最大干密度(g/cm3)；V為所制試樣的體積(cm3)，此次試驗所制試樣為邊長15 cm的立方體試塊，V=1 125 cm3；msc(i)為第i種配比材料烘干狀態(tài)下的質量(g)；η(i)為第i種配比材料的設計配合比；λ為預定試樣的壓實度(%)；mss為烘干狀態(tài)下風積沙的質量(g)，以小數(shù)計。

(3)按表2的設計方案將拌和完成的試樣平均分為3份或5份。

(4)將鋼制模具內壁擦拭干凈并涂抹一薄層潤滑油，將每份試料均勻平整地填入到鋼制模具中，上層放置厚度約3 mm，邊長比試筒內徑小約0.2 mm的方形剛性傳力墊塊，分別采用應力控制壓實法和位移控制壓實法進行壓實，兩種壓實方法均將整個試模(連同墊塊)放置于豎向壓實反力系統(tǒng)上，以1 mm/min的加載速率加壓至設計壓力值或位移值并維持2 min。

(5)下層壓實完成后、上層試料填入前，取出傳力墊塊對壓實土表面進行拉毛處理，以防出現(xiàn)明顯分層。

(6)填至最后一層時考慮頂層松鋪厚度另加2 cm高的護筒進行填料壓實，解除壓力后，切除模具頂沿高出部分土樣，過2～4 h后對試樣進行脫模處理，記錄試塊表面完整度以及是否存在明顯的分層情況。

(7)對于每種配比試樣，脫模后用環(huán)刀平行取試樣的中間部分風積沙改性土3組，測定試樣的密度和含水率，利用式(4)和(5)分別計算壓實后試樣的干密度和壓實度；

(4)

(5)

式中：k為壓實度；ρ′d壓實后的干密度(g/cm3)，計算至0.01 g/cm3；ρ為壓實試樣密度；w為含水率(%)；ρd為最大干密度(g/cm3)。

(8)將脫模的試塊用塑料保鮮膜遮蓋，移至恒溫恒濕養(yǎng)護箱繼續(xù)養(yǎng)護7 d。

(9)如需做立方體試樣的無側限抗壓強度試驗，取養(yǎng)護后的試塊，在試塊表面中心位置刷約0.5 mm厚的膩子粉漿，涂509緩凝膠水，待膠水黏結后，用砂紙輕輕打磨光滑，再用502速凝膠水黏貼應變片。

(10)將粘貼有應變片的風積沙改性土標準試塊置于伺服控制壓力機上進行無側限抗壓強度試驗，采用位移控制加載法，加載速率設置為1 mm/min，試驗過程中記錄應力-應變曲線。

3 試驗結果與討論

3.1 試塊壓實效果

圖2為5層位移控制壓實和5層應力控制壓實試塊的表面形態(tài)。由圖2可知：位移壓實法制備出的試樣完整度較差，試塊分層較明顯。這可能是由于應力控制法在制樣過程中需要將荷載勻速壓至表2的設計值，此過程的應力狀態(tài)實際屬于應力加載過程，即應力不斷增加，應變隨時間增加而逐漸增加的性質，此過程中風積沙改性土顆粒處于不斷調整趨于平衡位置的過程，試樣被擠壓密實，在有側向限制的剛性模具中沙?？障吨饾u被填充、壓密，風積沙改性土顆粒緊密排列。而位移控制壓實法制樣時填料松鋪壓實所需的位移量較大，而緊密填裝壓實所需位移量較小，在填裝壓實度處于未知狀態(tài)時，所需位移量很難確定，直接影響試樣的制樣效果。此外，從操作的便捷性角度考慮，位移控制壓實法壓實過程中存在儀器操作困難、初始值取值不一，試驗內部間隙大等原因造成填筑各層壓實度高低不一。

圖2 兩種壓實方法所制試樣照片

雖然使用振動、沖擊或振動+沖擊的壓實方法可以達到同樣或更好的壓密效果，但試驗室條件下制備既定壓實度的風積沙改性土受振動因素和沙土特性影響較大，很難控制其壓實度的范圍，而試驗室內應力壓實控制法比沖擊、振動壓實法具有操作簡便和更容易掌控的優(yōu)勢。在風積沙沖擊、振動壓實試驗中，楊人鳳等的研究表明，沙漠地區(qū)風積沙路基施工采用振動壓實機械進行碾壓時，必須綜合各種參數(shù)(粒徑、級配、含水率、填料方式)選擇合理的壓實機械、振動頻率、振幅、振時和振速，相互配合才能取得良好的壓實效果，否則可能出現(xiàn)“疏松-密實-疏松”的惡性循環(huán)，很難快速達到預定的壓實度。由此可知，沖擊振動壓實法考慮的因素繁雜，并不是試驗室內高效制備預定壓實度改性土的最優(yōu)辦法。

3.2 試塊強度試驗的應力-應變曲線及其破壞形式

風積沙改性土的應力-應變曲線見圖3。

由圖3可知：風積沙改性土的應力-應變曲線基本呈現(xiàn)4個階段：第Ⅰ階段，試驗開始加載時，應力-應變曲線基本呈“上凹形”，試樣處于內部空隙不斷壓密階段。對于5層壓實試樣，L5-1和W5-2的孔隙壓密階段較顯著，其余試樣并不明顯，而對于3層壓實的試樣，4組試樣的孔隙壓密階段都不明顯，說明3層壓實試樣的空隙較少且分布均勻；隨著荷載的增加，曲線呈現(xiàn)線性關系。進入第Ⅱ階段，試樣在外荷載的作用下處于彈性變形階段，3層壓實試樣的彈性變形階段曲線斜率差異較小，而5層壓實試樣的彈性變形階段曲線斜率變化較大，試樣的壓實度并沒有太大差異，由此可見5層壓實試樣在內部形成的“面-面”結構對試樣的彈性階段有較大影響。第Ⅲ階段，該階段黏結薄弱面不斷產生、發(fā)展，不可恢復的變形明顯增加，應力-應變曲線偏離線性，且彎向應變軸，曲線出現(xiàn)極值點。無論是3層壓實還是5層壓實，曲線的變化趨勢一致，但是與3層壓實相比，5層壓實的極值點有明顯差異。進入第Ⅳ階段后，從薄弱面發(fā)展開始，試樣出現(xiàn)明顯的宏觀拉張裂縫，裂縫數(shù)量和寬度都急劇增加，應力-應變曲線出現(xiàn)負坡降，風積沙顆粒與水泥之間的部分黏結力喪失，試件破壞，如圖4所示。然而，3層壓實試樣的負坡降段斜率總體變化不大，而5層壓實試樣的負坡降曲線段斜率差異較大，尤其是L5-1和W5-2之間斜率相差最大。綜合可知：3層壓實試樣的粒間連接更加緊密，總體結構更加均勻，力學特性離散較小，應力-應變曲線整體呈現(xiàn)近似“彈-塑性型”；而對于5層壓實的試樣，試樣的應力-應變曲線既有“彈-塑性型”(L5-2和W5-1)又有“塑-彈-塑性型”(L5-1和W5-2)，說明無論應力控制壓實法還是位移控制壓實法，5層壓實試樣的應力-應變曲線具有明顯差異，對力學性質的對比分析有重要影響。

圖3 各試樣的應力-應變曲線

圖4 試樣破壞模式圖

綜合以上分析可知，對于立方體風積沙改性土試樣，采用3層應力控制壓實法制樣較優(yōu)。

3.3 壓實度與應力值的關系

在室內采用3層應力控制壓實法制作了不同應力水平控制下的95%風積沙+5%水泥系列試樣，并利用試樣制備步驟(7)中式(4)、(5)計算所制試樣的壓實度，繪制應力值和壓實度關系曲線，如圖5所示。

圖5 壓實度與應力值的相互關系

由圖5可知：隨著控制應力的不斷增加，所制試樣的壓實度整體增加，壓實度與控制應力的擬合關系式為：y=89.804+0.029 9x，相關系數(shù)R2=0.934 2，說明壓實度與控制應力有著良好的正相關關系。由此可得風積沙改性土制樣的壓實度(λ)與控制應力(σ)服從近似的關系式：λ=0.03σ+90。當需要配制某一壓實度下的風積沙改性土試樣時，可通過此經驗公式計算出相應的控制應力，對室內風積沙改性土試樣進行制備。

4 結論

針對風積沙改性土對大尺寸方形試樣的要求，該文通過分層位移控制壓實法和應力控制壓實法對風積沙改性土試樣進行制備，從試樣的外觀效果和力學特性方面進行對比，確定出較優(yōu)制樣方法，結論如下：

(1)從制備試樣的外觀效果分析，位移壓實法制備出的試樣完整度較差、分層較明顯；應力控制壓實法所制試樣較均勻，無明顯分層。

(2)由試塊無側限抗壓強度應力-應變曲線特征可知，3層壓實試樣的空隙較少且分布均勻，應力-應變曲線趨同性較好；5層壓實試樣的應力-應變曲線具有明顯差異，對后期力學性質的對比分析影響很大。

(3)對于3層應力控制壓實法而言，隨著控制應力的不斷增加，所制試樣的壓實度整體增加。對于95%風積沙+5%水泥的配比，壓實度與控制應力存在近似關系公式：壓實度=90+0.03×控制應力。