李季宏

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

凍融作用對(duì)石灰土臨界動(dòng)應(yīng)力影響的試驗(yàn)研究

李季宏

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

通過凍融循環(huán)前、后土的動(dòng)三軸試驗(yàn),對(duì)比分析了黏土與摻入 6%石灰后土的累積塑性變形在加載次數(shù)、外加動(dòng)載值和凍融循環(huán)次數(shù)影響下的變化規(guī)律,得出了季節(jié)性凍土區(qū)修建高速鐵路時(shí),路基采用黏性土填料的石灰改良方案,即黏土中摻入 6%的石灰后可滿足寒區(qū)高速鐵路路基動(dòng)強(qiáng)度的要求。

凍融循環(huán);石灰土;臨界動(dòng)應(yīng)力;路基填料

1 概述

在寒區(qū)道路工程中,路基填土常因冬季凍結(jié)、夏季融化而產(chǎn)生凍脹和融沉,且在車輛荷載反復(fù)作用下,路基會(huì)出現(xiàn)翻漿冒泥和沉陷等病害現(xiàn)象,嚴(yán)重影響行車安全[1]。一般因路基填筑時(shí)凍脹不敏感填料的缺乏,往往不得不就近選取土性較差的細(xì)顆粒土用做路基填料,為了減少凍害對(duì)道路工程的影響而滿足工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,寒區(qū)道路工程設(shè)計(jì)中必須采取一定的工程措施。道路工程中采用石灰對(duì)土性較差的土質(zhì)進(jìn)行改良是常用的一種方法,其既簡(jiǎn)便又經(jīng)濟(jì)。石灰土的主要工作機(jī)理是通過石灰與土發(fā)生一系列的物理化學(xué)作用[2]：離子交換作用、結(jié)晶作用、火山灰作用、碳酸化作用,使土的性質(zhì)發(fā)生根本的改變,從而降低土的塑性和提高土的力學(xué)性能,使土的承載力、固結(jié)特性和壓實(shí)性得到顯著改善。

由于季節(jié)的交替,寒區(qū)道路工程中不斷往復(fù)的凍融作用會(huì)對(duì)路基填土的工程性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。已見諸文獻(xiàn)中,針對(duì)凍融循環(huán)作用下土物理力學(xué)性質(zhì)方面的研究已進(jìn)行了大量工作,但大部分研究主要集中在凍融循環(huán)作用下孔隙體積、孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)、水傳導(dǎo)性及滲透性等方面的變化[3～6],而就改良土力學(xué)特性研究的相關(guān)文獻(xiàn)不多。Sauer等[7]人通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同灰劑量的冰漬石灰穩(wěn)定土經(jīng)歷凍融循環(huán)后的動(dòng)變形特性;Dempsey等[8]認(rèn)為抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)石灰土凍融耐久性的有效指標(biāo);Yarbasi等[9]對(duì)石灰、粉煤灰和水泥 3種改良土凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度、加利福尼亞承載比、超聲波和共振試驗(yàn)等參數(shù)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)改良土具有良好的抗凍融耐久性。馬巍[10]和徐實(shí)[11]通過凍融循環(huán)后石灰粉土剪切強(qiáng)度特性試驗(yàn),表明反復(fù)凍融強(qiáng)烈影響著石灰粉土的強(qiáng)度和變形性能。

既有研究成果表明,生石灰可以有效的穩(wěn)定路基、路面和提高土體承載力,而目前有關(guān)寒區(qū)高速鐵路石灰改良土路基的研究報(bào)道較少。因此,本文通過凍融循環(huán)后黏土和石灰改良土的室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn),對(duì)比分析了土的臨界動(dòng)應(yīng)力變化特點(diǎn),為季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路路基工程的設(shè)計(jì)、施工及凍害防治提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

(1)土樣的物理性質(zhì)：土樣取自哈大客運(yùn)專線某土料堆填場(chǎng),根據(jù)土的級(jí)配、液塑限及擊實(shí)試驗(yàn),將其定為黏性土質(zhì)。其中粒徑在 0.25～0.075mm的土顆粒含量占 17.5%,0.075～0.005m為 41.5%,其余為0.005mm以下,其主要的物理指標(biāo)見表1。

表1 素土的物理指標(biāo)

(2)試樣制備：試驗(yàn)選用石灰摻和料進(jìn)行改良。石灰為鈣質(zhì)生石灰粉,其消解后有效 CaO和MgO總含量為 65.2%,屬三級(jí)灰。

試驗(yàn)中石灰的摻和率按質(zhì)量百分比 6%控制。在試驗(yàn)時(shí)先將所需石灰加入土中初拌,再加入蒸餾水拌勻、密封,浸潤 1晝夜后便可制樣。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,6%石灰土的最大干密度和最優(yōu)含水量分別為1.73g/cm3、18.8%。試驗(yàn)中,黏土及石灰改良土的含水量均按最優(yōu)含水量配制,干密度按最大干密度的95%壓實(shí);試樣高度 H為 80mm,直徑 D為 39.1mm。在進(jìn)行試驗(yàn)前還應(yīng)對(duì)制好的石灰土樣進(jìn)行 7 d的常溫保濕養(yǎng)護(hù)。

2.2 試驗(yàn)方法

凍融作用即首先在低溫箱內(nèi) -15℃條件下對(duì)土樣冷卻 12 h,然后在 5℃條件下養(yǎng)護(hù) 12 h,此過程為一個(gè)凍融循環(huán)周期,并且為防止凍融過程中土樣水分損失,應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行密封處理。在試樣達(dá)到一定凍融循環(huán)周期次數(shù)后取出進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。本試驗(yàn)中凍融循環(huán)周期次數(shù)分別為 0、1、3、6、10次,0表示試樣未經(jīng)受凍融作用。

三軸試驗(yàn)采用 MTS810動(dòng)三軸儀,試驗(yàn)過程采用應(yīng)力控制的單循環(huán)加載方式,圍壓采用 20 kPa,動(dòng)荷載加載頻率 f為 4Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 凍融對(duì)黏土臨界動(dòng)應(yīng)力的影響

圖1中分別為未改良的黏土在不同凍融循環(huán)次數(shù)和動(dòng)應(yīng)力下的累積塑性應(yīng)變 εp與振動(dòng)次數(shù) N的半對(duì)數(shù) lgN的關(guān)系曲線。

由圖1可看出,未改良的黏土經(jīng)不同次數(shù)的凍融作用后,不同大小的動(dòng)載作用下土的累積塑性變形曲線形式都基本相類似,且變形隨加載次數(shù)的增加而逐漸增大,表明該黏性土以塑性破壞形式為主。

圖1 素土的 εp-lgN曲線

由圖1中的(a)可以看出,當(dāng)外加動(dòng)應(yīng)力小于 190 kPa時(shí),未受凍融作用的黏土累積塑性變形的增長(zhǎng)梯度隨加載次數(shù)的增加而逐漸減小。當(dāng)外加動(dòng)應(yīng)力為 160 kPa且加載次數(shù)達(dá)到10000次左右時(shí),累積塑性變形增長(zhǎng)的梯度接近于 0,變形基本不再增加。因此,在未受凍融作用影響時(shí),該黏性土的臨界動(dòng)應(yīng)力約為 160kPa。

從圖1中的(b)、(c)、(d)和(e)可以看出,在經(jīng)過 1、3、6和 10次凍融循環(huán)后,黏土的臨界動(dòng)應(yīng)力分別約為 100、80、60 kPa和 50 kPa,這表明其臨界動(dòng)應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。

3.2 凍融對(duì)石灰土臨界動(dòng)應(yīng)力的影響

圖2為石灰摻入率為 6%的石灰土在三軸試驗(yàn)過程中的累積塑性應(yīng)變 εp與振動(dòng)次數(shù) N的半對(duì)數(shù) lgN的關(guān)系曲線。由圖2可以看出,黏性土經(jīng)改良以后的力學(xué)性質(zhì)得到明顯改善,在較大動(dòng)應(yīng)力作用下改良土的塑性變形較小。當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到10000次時(shí),300kPa的動(dòng)應(yīng)力作用下未經(jīng)凍融的石灰土其塑性變形約為 3.0%;凍融 1次后,210 kPa的動(dòng)應(yīng)力作用下土的塑性變形約為 3.3%;凍融 3次后,160 kPa的動(dòng)應(yīng)力作用下土的塑性變形約為 2.0%;凍融 6次后,160 kPa的動(dòng)應(yīng)力作用下土的塑性變形約為 3.1%;凍融 10次后,180 kPa的動(dòng)應(yīng)力作用下土的塑性變形約為 4.6%。改良土經(jīng)凍融 3次和 6次后,160 kPa的動(dòng)應(yīng)力作用 1萬次左右時(shí),土的塑性變形增長(zhǎng)梯度較小,基本都處于臨界動(dòng)應(yīng)力范圍,由此可推斷凍融 10次后改良土的臨界動(dòng)應(yīng)力值也基本變化不大。

圖2 6%的石灰改良土的 εp-lgN曲線

以上結(jié)果說明,該黏土中摻入 6%的石灰后由于石灰粉末、土顆粒和水之間發(fā)生了一系列的化學(xué)反應(yīng),增加了顆粒之間的相互黏結(jié)力,從而提高了土的抗凍耐久性;在反復(fù)凍融作用下顆粒之間的黏結(jié)力很快趨于平衡,從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 黏土改良前、后的臨界動(dòng)應(yīng)力對(duì)比分析

根據(jù)以上結(jié)果,圖3反應(yīng)了黏土和 6%的石灰改良土臨界動(dòng)應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì);其中0%代表黏土,6%代表摻入石灰的改良土。

圖3表明,該黏土在采用摻入率為 6%的石灰改良后,在相同次數(shù)的凍融作用后土的臨界動(dòng)應(yīng)力得到明顯提高;并且在改良前、后土的臨界動(dòng)應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈降低趨勢(shì),但經(jīng) 6次凍融循環(huán)后素土和改良土的臨界動(dòng)應(yīng)力值降低幅度較小,基本都趨于穩(wěn)定。

圖3 改良前、后土的臨界動(dòng)應(yīng)力隨凍融次數(shù)的變化

在 10次凍融循環(huán)作用后,素土的臨界動(dòng)應(yīng)力值為50 kPa,改良土的臨界動(dòng)應(yīng)力值約為 160kPa。

4 結(jié)論

該類黏土中摻入 6%的石灰后,土的臨界動(dòng)應(yīng)力得到明顯提高;隨凍融作用次數(shù)的增加,改良前、后土的臨界動(dòng)應(yīng)力都呈降低趨勢(shì),但經(jīng) 6次循環(huán)后臨界動(dòng)應(yīng)力值基本都趨于穩(wěn)定;該黏土中摻入 6%的石灰后可滿足寒區(qū)高速鐵路路基的動(dòng)強(qiáng)度要求。

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U 213.1+4

A

1004-2954(2010)07-0013-03

2010-05-10

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2006C011-B-2)

李季宏(1973—),男,高級(jí)工程師。