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        二灰土改良風(fēng)積土可行性試驗(yàn)研究

        2013-01-16 10:02:34薛曉輝扈世民
        關(guān)鍵詞:風(fēng)積灰土抗剪

        薛曉輝,扈世民

        (1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系, 陜西渭南 714099; 2.北京交通大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,北京 100044)

        1 概述

        風(fēng)積土為地表巖層在長(zhǎng)期風(fēng)化、侵蝕與搬運(yùn)作用下形成的堆積物,廣泛分布于我國(guó)北方地區(qū)。目前,我國(guó)鐵路建設(shè)迎來(lái)了跨越式發(fā)展的新時(shí)期,大量的高速鐵路穿越風(fēng)積土分布區(qū)域,如何確保風(fēng)積土路基穩(wěn)定性成為設(shè)計(jì)與施工面臨的重要課題[1-4]。

        風(fēng)積土具有顯著的結(jié)構(gòu)性,這是由風(fēng)積土沉積過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定的,張煒教授通過(guò)三軸試驗(yàn)得出風(fēng)積土應(yīng)力應(yīng)變曲線存在明顯的峰值即結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,土體抗剪強(qiáng)度迅速衰減,殘余強(qiáng)度很小,易引發(fā)路基不均勻沉降、路面開(kāi)裂與翻漿冒泥等病害,因此,風(fēng)積土的改良成為急需解決的課題。

        由于二灰土具有抗剪強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好、有效利用工業(yè)廢料和工程成本較低等優(yōu)點(diǎn),二灰土成為東北地區(qū)主要路基填料,適用于廣泛分布的風(fēng)積土地層。二灰土通過(guò)在風(fēng)積土中按一定配比摻入粉煤灰與石灰土的輕型填料,采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究二灰土改良風(fēng)積土的作用,主要通過(guò)路基土的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究二灰改良風(fēng)積土的可行性[5]。

        2 二灰改良風(fēng)積土強(qiáng)度形成機(jī)理

        二灰改良風(fēng)積土強(qiáng)度的形成為一系列物理化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程,主要表現(xiàn)為粉煤灰與石灰的活性化學(xué)物質(zhì)水化反應(yīng)的結(jié)果,化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

        由水化反應(yīng)方程式,二灰改良風(fēng)積土土強(qiáng)度的形成可概括為3個(gè)階段。

        (1)粉煤灰主要組成物質(zhì)為氧化鋁(Al2O3)、三氧化二鐵(Fe2O3)和二氧化硅(SiO2)等化合物。以上3種化合物與氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鈣(CaO·SiO2·nH2O)、水化鋁酸鈣(CaO·Al2O3·nH2O)和水化鐵酸鈣( CaO·Fe2O3·nH2O)等。

        (2)在氧氣作用下,二灰土水化反應(yīng)產(chǎn)生的化合物逐漸硬化進(jìn)一步形成固體顆粒。在沖擊碾壓作用下,二灰土固體顆粒膠結(jié)并積聚成為較大的團(tuán)狀結(jié)構(gòu),至此二灰土改良土的強(qiáng)度大于其任一種組成成分。

        (3)二灰土改良土的水化反應(yīng)過(guò)程一直持續(xù)到反應(yīng)基本平衡,整個(gè)水化反應(yīng)的時(shí)間較長(zhǎng),在此過(guò)程中二灰土改良土的強(qiáng)度表現(xiàn)為單調(diào)遞增。

        3 二灰改良風(fēng)積土擊實(shí)特性分析

        3.1 試驗(yàn)土樣的制備

        試驗(yàn)材料選取路基試驗(yàn)段典型風(fēng)積土,Ⅲ級(jí)石灰土((Cao+Mgo)總含量為58%),Ⅱ級(jí)粉煤灰,粉煤灰各組成成分含量如表1所示。

        表1 粉煤灰主要化學(xué)成分 %

        在已有實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,確定二灰土改良方案中石灰與粉煤灰的比例范圍為1∶2~1∶4;室內(nèi)試驗(yàn)選取石灰:粉煤灰:風(fēng)積土的配比1∶2∶7、1∶3∶6和1∶4∶5等3種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

        3.2 改良土最佳含水率的影響

        最優(yōu)含水率與最大干密度為反映改良土壓實(shí)特性的重要指標(biāo),采用擊實(shí)實(shí)驗(yàn)確定其相應(yīng)最優(yōu)含水率。選取3種配比改良土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),擊實(shí)曲線如圖1~圖3所示[6-7]。

        圖1 配比1∶2∶7擊實(shí)曲線

        圖2 配比1∶3∶6擊實(shí)曲線

        圖3 配比1∶4∶5擊實(shí)曲線

        由不同配比的擊實(shí)曲線可得出:

        (1)粉煤灰密度遠(yuǎn)小于土體密度,粉煤灰含量越大,改良土的最大干密度越小,所以二灰改良土的最大干密度與粉煤灰含量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性;

        (2)粉煤灰百分比變化對(duì)最優(yōu)含水率的影響在±1.5%范圍內(nèi);

        (3)風(fēng)積土的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)出一定的水敏性,當(dāng)粉煤灰含量增大時(shí),風(fēng)積土的水敏性得到顯著改善,表現(xiàn)為改良土的最優(yōu)含水率范圍較大。

        3.3 擊實(shí)功對(duì)改良土最大干密度的影響

        最優(yōu)含水率與最大干密度為反映改良土壓實(shí)特性的重要指標(biāo),路基的壓實(shí)功通過(guò)不同的擊實(shí)功來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)研究不同擊實(shí)功對(duì)改良土最大干密度的影響,見(jiàn)圖4。

        圖4 不同擊實(shí)功改良土最大干密度對(duì)比

        由不同配比擊實(shí)曲線可得出:

        (1)改良土飽和曲線近似表現(xiàn)為線彈性,即改良土的飽和度近似為一個(gè)定值,擊實(shí)功對(duì)其無(wú)影響;

        (2)在27擊、54擊、81擊等擊實(shí)功作用下,改良土最大干密度連線與飽和曲線近似平行;

        (3)隨著擊實(shí)次數(shù)的增大,改良土最大干密度隨之增大,飽和度與含水率呈正相關(guān)性;

        (4)由于風(fēng)積土具有明顯的結(jié)構(gòu)性,僅通過(guò)增大擊實(shí)功來(lái)提高抗剪強(qiáng)度較為困難,但通過(guò)一定配比進(jìn)行二灰土改良有效改善了風(fēng)積土的粒徑級(jí)配,當(dāng)增大擊實(shí)功時(shí),二灰改良土的干密度顯著提高,改良效果較為明顯。

        4 改良土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)分析

        為進(jìn)一步研究各項(xiàng)因素對(duì)改良土路基抗剪強(qiáng)度的影響,分別選取不同配比、含水率、圍壓與應(yīng)力路徑等因素,采用室內(nèi)排水固結(jié)三軸剪切試驗(yàn)(CD)分析二灰改良土的抗剪強(qiáng)度特性[8-10]。

        4.1 配比對(duì)改良土抗剪強(qiáng)度的影響

        圖5為最佳含水率18.4%、壓實(shí)度96%、圍壓200 kPa條件下二灰改良土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

        圖5 不同配比對(duì)二灰改良土抗剪強(qiáng)度影響

        由圖5可以得出:

        (1)結(jié)構(gòu)性使得風(fēng)積土達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后抗剪強(qiáng)度急劇衰減,相應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性,通過(guò)二灰土改良后土體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化,抗剪強(qiáng)度顯著增強(qiáng);

        (2)填料殘余強(qiáng)度為影響路基使用壽命重要指標(biāo),通過(guò)二灰土改良風(fēng)積土有效提高其殘余強(qiáng)度,有利于保證高速鐵路具有較長(zhǎng)的使用壽命。

        4.2 密實(shí)度對(duì)改良土抗剪強(qiáng)度的影響

        圖6為最佳含水率18.4%、灰土配比1∶3∶6、圍壓200 kPa條件下二灰改良土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,Coulomb抗剪強(qiáng)度理論認(rèn)為黏聚力與內(nèi)摩擦角為影響土體抗剪強(qiáng)度的2個(gè)主要方面,其中黏聚力主要由土顆粒間相互引力構(gòu)成,故土顆粒的密實(shí)程度成為重要影響因素。

        圖6 不同密實(shí)度對(duì)二灰改良土抗剪強(qiáng)度影響

        由圖6可以看出,隨著改良土密實(shí)度的增大,土顆粒間距逐漸縮小,顆粒間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)位移所需摩擦力就越大,當(dāng)改良土密實(shí)度從94%增至96%,黏聚力增加了16.6 kPa,內(nèi)摩擦角增加了1.2°,可見(jiàn)二灰改良土的密實(shí)度對(duì)黏聚力的影響較大,改良土的抗剪強(qiáng)度隨之增大。二灰改良土室內(nèi)試驗(yàn)的剪切過(guò)程可分為2部分。

        (1)剪縮階段:試驗(yàn)土樣產(chǎn)生剪縮變形,表現(xiàn)為密度增大,但抗剪強(qiáng)度增幅較小。

        (2)剪脹階段:隨著軸向進(jìn)一步加載,試驗(yàn)土樣產(chǎn)生剪脹變形,表現(xiàn)為密度減小,但抗剪強(qiáng)度增幅較大。

        現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明:路基填土密實(shí)度K與孔隙率e密切相關(guān),但二者相互關(guān)系難以量化。張亮梅等通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)得出最佳含水率條件下二者經(jīng)驗(yàn)公式

        式中,eao為最佳含水率條件下路基土孔隙率;et為路基土實(shí)測(cè)孔隙率;ρmax為路基土最大干密度,g/cm3。

        現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明路基填土達(dá)到最佳含水率,含水率小幅度波動(dòng)對(duì)路基壓實(shí)影響較大;選取密實(shí)度和孔隙率兩者作為聯(lián)合指標(biāo),密實(shí)度96%,孔隙率11.4%作為二灰土改良土路基的的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

        4.3 圍壓對(duì)改良土抗剪強(qiáng)度的影響

        圖7為最佳含水率18.4%、灰土配比1∶3∶6、不同圍壓條件下二灰改良土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

        圖7 不同圍壓對(duì)二灰改良土抗剪強(qiáng)度影響

        由圖7可以看出:

        (1)經(jīng)過(guò)一定配比改良后的風(fēng)積土剪切破壞應(yīng)力(σ1-σ3)f具有明顯峰值,圍壓為影響剪切破壞應(yīng)力(σ1-σ3)f的重要因素,二者具有正相關(guān)性;

        (2)二灰改良后風(fēng)積土的殘余應(yīng)力得到顯著提高,達(dá)到剪切破壞應(yīng)力(σ1-σ3)f的80%以上。

        4.4 二灰土強(qiáng)度特性分析

        圖8為最佳含水率18.4%、灰土配比1∶3∶6、圍壓200 kPa條件下Mohr剪切破壞包線,可見(jiàn)改良后的風(fēng)積土仍滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,通過(guò)加入一定配比的粉煤灰與石灰土,提高相應(yīng)的黏聚力與內(nèi)摩擦角,從而改善風(fēng)積土抗剪強(qiáng)度特性。

        圖8 二灰改良土Mohr剪切破壞包線

        由室內(nèi)排水固結(jié)三軸剪切試驗(yàn)(CD)分析可得,灰土比、密實(shí)度、含水率與圍壓為影響二灰改良土抗剪強(qiáng)度的特性重要因素,其中灰土比的影響最為顯著[11-12],主要表現(xiàn)如下。

        (1)黏聚力

        粉煤灰中的SiO2,Al2O3等活性物與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng),雙電層厚度與黏土顆粒間的距離減小并相互靠攏,土顆粒間的聯(lián)接強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。當(dāng)粉煤灰含量增大,相應(yīng)的Ca(OH)2含量減小,粉煤灰中的SiO2,Al2O3等活性物水化反應(yīng)不充分,宏觀上表現(xiàn)為粉煤灰的含量與二灰改良土的抗剪強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)性。

        (2)內(nèi)摩擦角

        粉煤灰中的SiO2,Al2O3等活性物與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng)對(duì)二灰改良風(fēng)積土內(nèi)摩擦角影響較小。主要因?yàn)榉勖夯沂敲禾砍浞秩紵髿怏w懸浮顆粒,顆粒之間內(nèi)摩擦角φ近可忽略,表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角φ改良效果不明顯。

        5 結(jié)論

        采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究二灰土改良風(fēng)積土的作用,主要通過(guò)路基土的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究二灰改良風(fēng)積土的可行性。

        (1)采用二灰土改良風(fēng)積土作為路基填料,填土的抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度顯著改善,尤其是殘余強(qiáng)度,有效保證公路路基的使用壽命。

        (2)由于風(fēng)積土具有明顯的結(jié)構(gòu)性,僅通過(guò)增大擊實(shí)功來(lái)提高抗剪強(qiáng)度較為困難,但通過(guò)一定配比進(jìn)行二灰土改良有效改善了風(fēng)積土的粒徑級(jí)配,當(dāng)增大擊實(shí)功時(shí),二灰改良土的干密度顯著提高,改良效果較為明顯。

        (3)二灰改良土的密實(shí)度對(duì)黏聚力的影響較大,改良土的抗剪強(qiáng)度隨之增大。二灰改良土室內(nèi)試驗(yàn)的剪切過(guò)程可分為剪縮與剪脹兩部分,隨著軸向進(jìn)一步加載,試驗(yàn)土樣密度減小,但抗剪強(qiáng)度增幅較大。

        (4)以密實(shí)度和孔隙率兩者作為聯(lián)合控制指標(biāo),密實(shí)度96%,孔隙率11.4%作為二灰土改良土路基的的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

        (5)灰土比、密實(shí)度、含水率與圍壓為影響二灰改良土抗剪強(qiáng)度特性重要因素,其中灰土比影響最為顯著,有效提高了改良土黏聚力。

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