張伯揚(yáng) 夏 彬 劉小軍 劉晶磊*

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)試驗(yàn)室,河北 張家口 075000;3.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 張家口 075000)

0 引 言

現(xiàn)今我國為建成西部陸海新通道,西北地區(qū)的公路交通建設(shè)方興未艾.然而我國西北部分地區(qū)存在一種特殊的黃土,具有遇到水浸濕后會因上蓋覆土自重而發(fā)生發(fā)生顯著沉降變形不良工程特性,即自重濕陷性.為解決濕陷性黃土在作為路基填料的時(shí)帶來的危害,國內(nèi)外許多專家學(xué)者進(jìn)行了許多相關(guān)研究.王建良等[1]通過直剪試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)分析了摻入水泥量對自重濕陷性良黃土的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明改良黃土隨水泥摻量的增加抗剪強(qiáng)度和承載比都會增大;尚思伯等[2]通過擊實(shí)試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)研究了水泥和石灰改良黃土的物理特性,試驗(yàn)結(jié)果表明隨水泥或石灰摻量增大,改良黃土的彈性模量、最佳含水量和最大干密度都呈增大趨勢;劉霜等[3]在側(cè)向無約束的條件下對比分析水泥及TX型固化劑對改良黃土抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明改良土試樣抗壓強(qiáng)度隨水泥含量及養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大.張鴻迪等[4]通過三軸壓縮試驗(yàn)研究了復(fù)合材料改良濕陷性黃土抗剪強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明不同摻量的改良黃土抗剪強(qiáng)度破壞符合摩爾—庫倫破壞原則,且其內(nèi)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨摻量增大而增大;王飛等[5]通過壓縮實(shí)驗(yàn)研究了壓實(shí)度與干濕循環(huán)對黃土濕陷特性的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明未經(jīng)干濕循環(huán)的黃土濕陷性系數(shù)隨壓實(shí)度的增大而減小,而經(jīng)過干濕循環(huán)后黃土濕陷性系數(shù)隨壓實(shí)度的增大而變大,且增加干濕循環(huán)次數(shù)后黃土濕陷性系數(shù)會進(jìn)一步增大.劉晶磊等[6]對土凝巖改良的鹽漬土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著土凝巖摻量的增加,改良鹽漬土的抗壓強(qiáng)度和最優(yōu)含水率對應(yīng)的干密度不斷減小.袁志輝等[7]通過單軸抗拉實(shí)驗(yàn)和在不固結(jié)不排水條件下進(jìn)行的三軸實(shí)驗(yàn),并分析了干濕循環(huán)次數(shù)對濕陷黃土強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明隨干濕循環(huán)次數(shù)增加濕陷性黃土抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都呈減小趨勢.

上述研究成果主要是從濕陷性黃土改良后力學(xué)特性方面進(jìn)行研究,但是對改良土的水穩(wěn)定性及耐干濕性研究尚有不足.為探究水泥改良濕陷性黃土做路基材料而受雨雪天氣影響后的耐久性,本文通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)對壓實(shí)度、水泥摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)長等變量因素進(jìn)行分析,以水穩(wěn)系數(shù)評價(jià)衡量改良黃土水穩(wěn)定性;并通過干濕循環(huán)試驗(yàn)研究摻入水泥量的大小對改良黃土在無側(cè)限約束條件下的抗壓強(qiáng)度影響,從而為水泥改良濕陷性黃土的耐久性工程應(yīng)用提供相應(yīng)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自青海地區(qū)公路路基,為自重濕陷性黃土.試驗(yàn)水泥為P.C.32.5水泥,具體的參數(shù)性能如表1所示.

表1 試驗(yàn)水泥性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

為探究影響水泥改良濕陷性黃土耐久性的因素,依據(jù)相關(guān)公路規(guī)范[8,9]以壓實(shí)度、水泥摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)長為變量設(shè)定1、2、3號試驗(yàn)方案進(jìn)行水穩(wěn)定性研究;并進(jìn)一步以水泥摻量、干濕循環(huán)次數(shù)為變量設(shè)定4號試驗(yàn)方案進(jìn)行耐干濕性研究.試驗(yàn)方案如表2所示.

表2 水泥改良自重濕陷性黃土耐久性試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)方法

由試驗(yàn)方案中設(shè)計(jì)的不同水泥摻量和不同壓實(shí)度進(jìn)行配土,通過靜壓法將配置好的改良土壓成直徑和高度都是50mm圓柱狀.試件在壓制步驟完成后要進(jìn)行為時(shí)7d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),溫度控制在18℃～22℃之間,濕度等于或大于95%.依據(jù)試驗(yàn)方案中的目的,將試驗(yàn)分兩部分完成.

第一部分,將1、2、3號方案的試件分為浸水組和不浸水組,不浸水組則依據(jù)試驗(yàn)方案,持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至要求時(shí)間;而需要浸水的試件則要放入高于試件頂部20mm的水中、且溫度恒為18℃～22℃水中,持續(xù)養(yǎng)護(hù)至要求時(shí)間.其次應(yīng)將改良土試樣切削成無側(cè)限抗壓試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸,同時(shí)為了防止試件含水率發(fā)生改變,應(yīng)將其表面均勻地被涂上一層凡士林.接著不宜過快地轉(zhuǎn)動儀器手輪以使被安放好試件的儀器底座緩慢上升,當(dāng)試樣碰到上方的加壓板剛時(shí)而完成轉(zhuǎn)動步驟.為避免因試件太硬而超出測力計(jì)量程或因試件太軟而測力計(jì)量程過大導(dǎo)致分辨率過低,應(yīng)選擇量程適宜的測力計(jì)并校零.然后轉(zhuǎn)動手柄,使升降設(shè)備上升進(jìn)行試驗(yàn).轉(zhuǎn)動速度應(yīng)通過軸向應(yīng)變速度控制,為1～3%/min;并且讀數(shù)頻率也應(yīng)根據(jù)軸向應(yīng)變控制,比如當(dāng)軸向應(yīng)變小于3%時(shí),讀數(shù)頻率為每0.5%應(yīng)變而讀數(shù)一次,當(dāng)軸向應(yīng)變大于3%時(shí),讀數(shù)頻率為每隔1%應(yīng)變而讀數(shù)一次.在10min以內(nèi)停止轉(zhuǎn)動手輪.最后繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線已得到相應(yīng)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,并以水穩(wěn)系數(shù)(即浸水組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與不浸水組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比)評價(jià)衡量改良土水穩(wěn)性變化.

第二部分,在溫度為60℃的條件下,將4號方案的試件進(jìn)行12小時(shí)的烘干,之后以浸水組同樣的養(yǎng)護(hù)方式將試件浸濕12h,即完成一次干濕循環(huán).重復(fù)干濕循環(huán)直到預(yù)設(shè)的循環(huán)次數(shù)后,將試件放置室內(nèi)晾干30分鐘后,重復(fù)無側(cè)限抗壓試驗(yàn)步驟得到相應(yīng)干濕循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)分析

根據(jù)1號試驗(yàn)方案探究壓實(shí)度與改良土的水穩(wěn)定性的相互關(guān)系,結(jié)果如圖1所示.

圖1 水穩(wěn)系數(shù)隨壓實(shí)度變化規(guī)律圖

由圖1知,當(dāng)壓實(shí)度增大后水穩(wěn)系數(shù)亦隨之增大,當(dāng)壓實(shí)度在95%～97%時(shí),水穩(wěn)系數(shù)增長速度較快;當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到97%后,水穩(wěn)系數(shù)增長趨勢趨于平緩.這說明土體壓實(shí)效果越好,土體中孔隙越小,土體滲透性越低,當(dāng)土體遇水浸濕后其抗壓強(qiáng)度損失越小,故水穩(wěn)定性越好.

根據(jù)2號試驗(yàn)方案探究水泥摻量對改良土水穩(wěn)定性的影響進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果詳見圖2.

圖2 水穩(wěn)系數(shù)隨水泥摻量變化規(guī)律圖

從圖2可知,當(dāng)水泥摻量變量增大時(shí),水穩(wěn)系數(shù)曲線呈上升趨勢.當(dāng)水泥摻量在6%～8%時(shí),水穩(wěn)系數(shù)增長幅度較小;當(dāng)水泥摻量在8%～10%時(shí),水穩(wěn)系數(shù)增長速率變大.這說明土體水泥摻量增大后,改良土體內(nèi)將發(fā)生更多的水化反應(yīng),從而生成更緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)定板體凝結(jié)改良土體,遇水后崩解軟化影響越小,其水穩(wěn)定性越好.

根據(jù)3號試驗(yàn)方案探究養(yǎng)護(hù)時(shí)長對改良土水穩(wěn)定性的影響進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果詳見圖3.

圖3 水穩(wěn)系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)長期變化規(guī)律圖

從圖3可知,當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)長在14～21d時(shí),土體水穩(wěn)性隨養(yǎng)護(hù)時(shí)長增大而減小;當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)長達(dá)到21d時(shí),水穩(wěn)定系數(shù)降至最小值為0.54.在養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到21d之后水穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)折,土體水穩(wěn)性隨養(yǎng)護(hù)時(shí)長增大而增大.當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間在21～28d之間,水穩(wěn)定系數(shù)增長速度較快;而在28～35d之間,水穩(wěn)定系數(shù)增長趨勢趨于平緩.這表明水泥顆粒在改良土中發(fā)生水硬化發(fā)應(yīng),并在21d之后逐漸凝固形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使改良土形成穩(wěn)定的凝結(jié)板體,故水穩(wěn)定系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增大而增大.

在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為21～28d的條件下,水泥改良濕陷性黃土水穩(wěn)定系數(shù)隨壓實(shí)度、水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大而增大.但隨著壓實(shí)度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,水穩(wěn)系數(shù)增長幅度變小.綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與工期,水泥改良濕陷性黃土的壓實(shí)度宜控制在97%～98%之間,水泥摻量宜控制在8%～10%之間,養(yǎng)護(hù)時(shí)間宜在28～35d之間.

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)分析

由4號試驗(yàn)方案探究干濕循環(huán)數(shù)對不同摻入水泥量的改良土在7d后無側(cè)向約束條件下的抗壓強(qiáng)度影響,試驗(yàn)結(jié)果詳見表3和圖4.

表3 不同摻入水泥量試件在干濕循環(huán)條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 干濕循環(huán)次數(shù)與7d后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度規(guī)律圖

從圖4可知,伴隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大,改良黃土的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度將不斷衰減.這是因?yàn)楦牧己蟮臐裣菪渣S土遇到雨水就會發(fā)生濕陷變形,土體內(nèi)固體顆粒間相對位置也會發(fā)生改變,致使內(nèi)部相對穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)受到破壞.當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)增加,土體結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重,從而其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減就越多.其中當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到15次后,水泥摻量為3.5%、6%、8%的改良土抗壓強(qiáng)度衰減幅度依次為12.3%、17.2%、17.7%,表明當(dāng)摻入水泥量越大則改良土抗壓強(qiáng)度衰減越快,而隨著水泥摻量的增大改良土的耐干濕性增強(qiáng).

3 結(jié) 論

本文通過水穩(wěn)定性試驗(yàn)與干濕循環(huán)試驗(yàn)探究摻入水泥量、壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)齡期、干濕循環(huán)次數(shù)等因素對水泥改良自重濕陷性黃土的耐久度影響,基于試驗(yàn)得到以下結(jié)論:

(1)水泥改良自重濕陷性黃土水穩(wěn)定性隨壓實(shí)度、摻入水泥量增大而增大;隨養(yǎng)護(hù)時(shí)長增大呈先增大后減小的趨勢,并在35d之后水穩(wěn)系數(shù)曲線緩慢上升趨向平穩(wěn).

(2)水穩(wěn)系數(shù)增長幅度隨著壓實(shí)度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而變小.綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與工期,水泥改良濕陷性黃土的壓實(shí)度宜控制在97%～98%之間,水泥摻量宜控制在8%～10%之間,養(yǎng)護(hù)時(shí)間宜在28～35d之間.

(3)改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低;在干濕循環(huán)次數(shù)相同的條件下,其耐干濕性隨摻入水泥量增大而增大,且摻入水泥量大的改良土在側(cè)向無約束條件下的抗壓強(qiáng)度衰減速度較快.