張渭軍, 王永勝, 馬 滔

(1. 甘肅第三建設(shè)集團(tuán)公司, 甘肅 蘭州 730000 2. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050)

0 引言

紅層是指紅色為主的陸相碎屑巖,廣泛分布于湖南、四川、云南和甘肅等地,其中北方地區(qū)紅層約占紅層總面積的40%[1],是基坑、道橋等項(xiàng)目建設(shè)中時(shí)常接觸的巖土體。由于紅層親水性強(qiáng)、膠結(jié)較差,特別是遇水崩解,使其成為一種工程性質(zhì)較差的路基回填料,因此若要用作回填料必須對(duì)其進(jìn)行改良。首先,部分學(xué)者通過(guò)添加外加劑進(jìn)行改良,例如采用水泥、石灰等材料[2-7],也有采用離子型固化劑等化學(xué)制劑[8-9];其他學(xué)者通過(guò)改進(jìn)施工工藝使回填料的工程性質(zhì)滿足要求[10-12]。

以上學(xué)者通過(guò)添加外加劑或改良工藝,并結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段對(duì)紅層軟巖或泥巖進(jìn)行改良,并對(duì)其擊實(shí)效果、強(qiáng)度和崩解性等進(jìn)行研究,少有學(xué)者針對(duì)改良土的壓縮模量進(jìn)行研究。此外,添加單一外加劑后的改良土壓實(shí)效果不佳,最大干密度僅1.89 g/cm3[6],由于壓實(shí)效果直接影響后期填土的壓縮性和滲透性,因此為提高土的壓實(shí)效果,楊宏等[13]將黃土加入提高了最大干密度至2.11 g/cm3,但是上述學(xué)者并未考慮其浸水前后物理力學(xué)性質(zhì)的變化。

本文以西北某地鐵深基坑工程為依托,采用水泥和黃土作為添加劑,通過(guò)正交試驗(yàn)研究上述添加劑在不同摻量下對(duì)紅層軟巖壓縮模量的影響,并通過(guò)浸水試驗(yàn)研究其水穩(wěn)定性,評(píng)價(jià)該改良土在工程中推廣的可行性。

1 試驗(yàn)材料及正交試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試樣取自某地鐵深基坑(圖1),其物理力學(xué)性質(zhì)列于表1。由表可知,該紅層試樣的孔隙比較大,壓縮模量較小,根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[14],該基坑巖體屬于較軟巖。水泥采用復(fù)合硅酸鹽水泥,黃土為蘭州本地黃土。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)取樣圖Fig.1 Field sampling

表1 紅層試樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 正交試驗(yàn)方案及方法

正交試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)的影響因素及其不同取值采用格式化的表格進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過(guò)正交表格中數(shù)量較少的實(shí)驗(yàn)組數(shù)得到較為可靠的結(jié)論。本次試驗(yàn)選取黃土、水泥兩種因素,每種因素5個(gè)水平(取值),將壓縮模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)因素水平列于表2,共25組,每組試驗(yàn)共兩個(gè)改良樣,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

將巖樣人工搗碎拌勻后,采用重型擊實(shí)方法照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[15]制備試樣,并按照此規(guī)程進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn),養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7天。

2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果列于表3。分別采用極差分析和方差分析對(duì)表3進(jìn)行分析,并評(píng)價(jià)水泥和黃土對(duì)紅層軟巖改良試樣(以下簡(jiǎn)稱改良試樣)壓縮模量的影響大小及影響規(guī)律。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果表

2.1 極差分析

表4 黏聚力極差分析表

(1) 水泥與壓縮模量的關(guān)系

水泥和壓縮模量的關(guān)系如圖2所示(圖2曲線僅代表試驗(yàn)因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)的趨勢(shì)關(guān)系,圖3也是如此)。

圖2 水泥與壓縮模量關(guān)系Fig.2 Relation between cement and compression modulus

圖3 黃土與壓縮模量關(guān)系Fig.3 Relation between loess and compression modulus

由圖2可知,紅層軟巖改良土的壓縮模量與水泥摻量呈較好的正比關(guān)系。同時(shí)水泥水化反應(yīng)增強(qiáng)了改良土顆粒間的黏結(jié);同時(shí),水化生成的CaCO3加強(qiáng)固化了改良土,增加了其抗壓能力。

(2) 黃土與壓縮模量的關(guān)系

圖3為黃土和壓縮模量的關(guān)系。由圖可知,壓縮模量隨黃土摻量的增大而有一定幅度的增長(zhǎng),其斜率明顯小于圖2關(guān)系趨勢(shì)線的斜率,不同于水泥產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng),對(duì)于破碎后的紅層軟巖,顆粒粒徑組合單一,級(jí)配不良,但加入黃土后,粗細(xì)顆粒混合,改善了其級(jí)配,從而在相同的壓實(shí)功下,壓實(shí)效果更好,密實(shí)度提高,從而減小了土的壓縮性。

2.2 方差分析

由2.1節(jié)可知各添加劑對(duì)紅層軟巖改良土壓縮模量的影響大小,為明確試驗(yàn)結(jié)果變化的影響因素,同時(shí)量化外加劑對(duì)壓縮模量的影響,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析(表5)。

表5 壓縮模量方差分析結(jié)果

由表5方差分析結(jié)論可知:

(1) 對(duì)改良土壓縮模量影響的主次順序?yàn)樗唷S土,與2.1節(jié)直差分析結(jié)果相同,水泥和黃土均對(duì)壓縮模量的影響顯著,且水泥影響性大于黃土。

(2) 對(duì)于紅層軟巖改良土最佳配合比,考慮到造價(jià)因素及回填土的壓實(shí)效果,選取黃土20%,水泥7%。

3 最佳配比下改良土試驗(yàn)

根據(jù)第2節(jié)正交試驗(yàn)結(jié)果得出紅層軟巖改良土最佳配合比,為進(jìn)一步研究該改良土的水穩(wěn)定性,對(duì)改良土進(jìn)行浸水前后的壓縮模量試驗(yàn),同時(shí)考慮齡期影響,試驗(yàn)方法同1.2節(jié),部分浸水前后改良試樣如圖4所示。

圖4 試樣浸水圖Fig.4 Water immersion diagram of sample

由圖4可以看出,浸水1天后的改良試樣未出現(xiàn)崩解,且盆中水十分清澈,未出現(xiàn)多余雜質(zhì),說(shuō)明改良后的試樣耐崩解性得到顯著提高,水泥增強(qiáng)了其水穩(wěn)定性,且黃土并未對(duì)改良土造成明顯影響,改良土整體性較好。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下改良土浸水前后固結(jié)壓縮曲線如圖5所示。

圖5 不同齡期下浸水前后改良土的固結(jié)壓縮曲線Fig.5 Consolidation compression curve of improved soil before and after immersion at different ages

由圖可以看出,養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí),試樣曲線遇水前后變化較大;當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14天時(shí),試樣隨著垂直壓力的加大其曲線出現(xiàn)較大的變化,但總體變化減小;養(yǎng)護(hù)時(shí)間為21天時(shí),改良試樣曲線的斜率放緩且無(wú)顯著改變;當(dāng)齡期為28天時(shí),在100～200 kPa時(shí)曲線有較小差異,隨著固結(jié)壓力增大,差異變小,說(shuō)明水對(duì)該改良紅層試樣影響變小。不同齡期下浸水前后改良試樣壓縮模量如圖6所示。

圖6 不同齡期下浸水前后改良土的壓縮模量Fig.6 Compression modulus of improved soil before and after immersion at different ages

養(yǎng)護(hù)齡期為7天時(shí),遇水前改良試樣的壓縮模量為407.55 MPa,浸水后的試樣為378.21 MPa,下降7.2%,由圖可以看出浸水后有一定下降幅度,但也存在試驗(yàn)誤差的影響;

養(yǎng)護(hù)齡期為14天時(shí),遇水前改良試樣的壓縮模量為536.34 MPa,同比增長(zhǎng)31.6%,且增長(zhǎng)幅度較大,浸水后的試樣為520.78 MPa,下降5.1%;

養(yǎng)護(hù)齡期為21天時(shí),浸水前改良試樣的壓縮模量為648.65 MPa,同比增長(zhǎng)18.2%,浸水后的試樣為620.76 MPa,下降4.3%,由圖可以看出浸水前后試樣的壓縮模量變化較小;

養(yǎng)護(hù)齡期為28天時(shí),浸水前改良試樣的壓縮模量為694.70 MPa,同比增長(zhǎng)7.1%,浸水后的試樣為672.47 MPa,下降3.2%,下降幅度更小;

綜上,養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改良土壓縮模量有較大影響。養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí),其壓縮模量增強(qiáng)顯著,但其增長(zhǎng)幅度隨時(shí)間增長(zhǎng)有所減弱。另一方面,隨著時(shí)間增長(zhǎng),遇水后改良試樣壓縮模量下降減少,說(shuō)明水對(duì)其影響有限。由此可見(jiàn),改良后紅層軟巖的壓縮模量和水穩(wěn)定性都得到大幅度增長(zhǎng),黃土的加入在提高了最大干密度和壓實(shí)效果的同時(shí)并未影響到改良試樣的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文通過(guò)正交試驗(yàn)研究了添加了水泥和黃土的紅層軟巖改良土壓縮模量的變化,并對(duì)最佳配比下改良土進(jìn)行浸水前后試驗(yàn),初步結(jié)論如下:

(1) 根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果及其極差分析,黃土和水泥對(duì)壓縮模量影響顯著,壓縮模量大小和水泥、黃土等的含量成正比關(guān)系,水泥對(duì)其提高的程度大于黃土;由此建議在改良土比例為20%黃土和7%水泥。

(2) 對(duì)最佳配合比下改良土試驗(yàn)表明,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7～14天時(shí),壓縮模量提高較多;當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為21～28天時(shí),壓縮模量提高7.1%,提高最小,但其壓縮模量在浸水后僅有3.2%變化。

(3) 改良土的壓縮模量在得到大幅增長(zhǎng)的同時(shí)其水穩(wěn)定性較好,試驗(yàn)證明黃土的加入在提高了最大干密度和壓實(shí)效果的同時(shí)并未對(duì)改良試樣造成負(fù)面影響,因此該改良土作為回填料具有一定的可行性。