葉朝良,李 青,岳祖潤(rùn)

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,河北石家莊 050043)

粉砂改良土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

葉朝良,李 青,岳祖潤(rùn)

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,河北石家莊 050043)

通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn),對(duì)純砂和水泥改良粉砂的強(qiáng)度特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:該粉細(xì)砂存在一定的黏聚力,其最優(yōu)水泥的摻入比為3.5%;水泥摻入對(duì)粉砂來(lái)說(shuō)主要體現(xiàn)在c值的增長(zhǎng)上,對(duì)φ值的影響不明顯;水泥改良粉砂的強(qiáng)度隨著齡期的延長(zhǎng)而增加。

路基填料;粉砂;水泥改良土;強(qiáng)度;試驗(yàn)

漢宜鐵路正線路基全長(zhǎng)125.0 km,占全線長(zhǎng)度42.8%,但鐵路沿線路基A、B組填料缺乏,而C組填料(指當(dāng)?shù)氐姆凵?分布廣泛,但由于粉砂土特殊的顆粒組成和形狀導(dǎo)致其路用性能極差,高速公路和高速鐵路的路基施工中基本不采用粉砂土作為填筑材料。高速鐵路對(duì)路基的工后沉降有嚴(yán)格的要求,無(wú)砟軌道路基工后沉降應(yīng)符合扣件調(diào)整能力和線路豎向線圓順的要求,工后沉降不宜超過(guò)15 mm;當(dāng)沉降比較均勻且豎曲線型圓順時(shí),允許的工后沉降為30 mm。高速鐵路路堤的填料宜選用A、B組填料和C組碎石、礫石類填料;當(dāng)選用C組細(xì)粒土填料時(shí),應(yīng)根據(jù)填料性質(zhì)進(jìn)行改良后填筑[1]。

近年來(lái),對(duì)粉砂改良土的研究相對(duì)較少。孫四平[2]等人針對(duì)秦沈客運(yùn)專線東段優(yōu)質(zhì)填料嚴(yán)重缺乏,對(duì)沿線大量的粉砂土通過(guò)摻和角礫土進(jìn)行了物理穩(wěn)定改良,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,物理改良后的填料,力學(xué)指標(biāo)滿足填筑要求,壓實(shí)方便。章國(guó)輝[3]結(jié)合秦沈客運(yùn)專線A14～A20標(biāo)段沿線廣泛分布粉砂土,無(wú)法滿足路堤壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)粉砂土物理改良配比進(jìn)行了試驗(yàn),進(jìn)而提出了一套改良土施工工藝。李希明等[4]基于Soilfix固化劑改良粉砂土的最優(yōu)配合比,進(jìn)行了改良粉砂土的CBR試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn),結(jié)果表明Soilfix固化劑能明顯提高粉砂土的路用性能。陳湘亮[5-6]等根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,對(duì)武廣高速鐵路中弱-強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并對(duì)弱-強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖用作高速鐵路路堤填料的適宜性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,王思海[7]研究了粉砂土的工程性質(zhì)、壓實(shí)機(jī)理和路基邊坡水毀機(jī)理,結(jié)果表明水毀破壞一般發(fā)生在邊坡表面。胡向東[8]對(duì)上海灰黃色粉砂開(kāi)展水泥改良土凍脹融沉性質(zhì)的試驗(yàn)研究揭示了水泥改良土擬制凍脹融沉的機(jī)理、檢驗(yàn)水泥改良地層治理凍脹融沉的有效性。趙勇[9]對(duì)泥質(zhì)粉砂巖全風(fēng)化物化學(xué)改良土路基的動(dòng)力特性進(jìn)行了測(cè)試研究。尹正貴等[10]通過(guò)對(duì)多種改良粉砂土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),得到改良土所對(duì)應(yīng)的最佳含水量與最大干密度,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,說(shuō)明雙摻石灰、水泥在增強(qiáng)粉砂土壓實(shí)度方面的效果更好。

為因地制宜利用當(dāng)?shù)胤凵疤盍?擬采用水泥為改良劑對(duì)粉砂進(jìn)行改良。結(jié)合工程實(shí)際要求,通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定出最優(yōu)水泥摻入比。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了不同齡期的直接剪切試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等,研究其強(qiáng)度特性。

1 粉砂基本物性指標(biāo)

試驗(yàn)所用粉砂土取于湖北省仙桃市境內(nèi)。試驗(yàn)得到粉砂土的顆粒密度為2.71g/cm3。采用篩分法和移液管法相結(jié)合,得到粉砂的顆粒級(jí)配見(jiàn)表1,級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

表1 粉砂的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果%

圖1 粉砂1～6號(hào)樣級(jí)配曲線

顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表明,其粒徑單一,顆粒分布均勻,大于0.075 mm的顆粒含量在76.9%～81.9%左右,根據(jù)文獻(xiàn)[11]判定為粉砂;根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)的要求,粉砂屬于C組填料,不滿足高速鐵路路基設(shè)計(jì)的要求。級(jí)配曲線的曲率系數(shù)Cc和不均勻系數(shù)Cu值,均不能同時(shí)滿足Cu＞5,Cc= 1～3的要求,故該粉砂級(jí)配不良,粒徑在0.075～0.25 mm的顆粒含量在75%左右,說(shuō)明粉砂在粒徑0.075～0.25 mm大量集中。

粗顆粒土的性質(zhì)主要取決于土的顆粒級(jí)配,與其物理力學(xué)性質(zhì)有著一定的關(guān)系。由于粉砂粒徑較小,磨圓度好,且級(jí)配不良,在工程荷載作用下一般不會(huì)發(fā)生顆粒被壓壞或擠壞,容易產(chǎn)生滑移,難以壓實(shí),容易受到水的沖刷作用,產(chǎn)生表層溜滑。

2 水泥改良粉砂最優(yōu)配合比的確定

2.1 重型擊實(shí)試驗(yàn)

通過(guò)純砂和水泥摻入比分別為3%、5%、8%、10%土樣的重型擊實(shí)試驗(yàn)得到不同摻入比下的最大干密度和最佳含水率,擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

_________表2 純砂及水泥改良粉砂擊實(shí)試驗(yàn)成果

從表2和圖2、圖3中可以看出:粉砂的最大干密度隨著水泥摻入比的增加幾乎成線性增大,但增加幅度不大;最佳含水率隨著摻入比的增加呈下降的趨勢(shì)。

圖2 水泥摻入比與最優(yōu)含水率的關(guān)系

圖3 水泥摻入比與最大干密度的關(guān)系

按照規(guī)范[12]規(guī)定進(jìn)行。通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn),確定出不同水泥摻入比條件下的最大干密度和最佳含水率;然后按照不同的壓實(shí)系數(shù)進(jìn)行制樣并養(yǎng)護(hù),按照規(guī)范要求養(yǎng)生期取7 d,養(yǎng)生期最后一天放入水中浸泡24 h,之后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),進(jìn)而確定出滿足規(guī)范要求的水泥摻入比,并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

按照規(guī)范要求的壓實(shí)系數(shù)(K=92%、K=95%)進(jìn)行制樣,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定儀器采用三軸壓縮儀,試樣的變形速率為0.9 mm/min。養(yǎng)護(hù)到期后進(jìn)行試驗(yàn)。7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖4。

___________表3 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 水泥摻入比、壓實(shí)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

通過(guò)表3和圖4可看出,水泥改良粉砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而不斷提高。水泥摻入比為3%時(shí),K=95%比K=92%的平均強(qiáng)度提高了大約43.3%;水泥摻入比為5%時(shí),K=95%比K=92%的平均強(qiáng)度提高了大約38.0%,水泥摻入比為8%時(shí), K=95%比K=92%的平均強(qiáng)度提高了大約5.0%。隨著摻入比的增加,壓實(shí)系數(shù)對(duì)水泥改良土影響越來(lái)越弱。當(dāng)水泥摻入比為8%時(shí),強(qiáng)度隨壓實(shí)系數(shù)的提高不是特別顯著。

遵照高速鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范,根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工藝,從安全角度出發(fā),確定室內(nèi)試驗(yàn)的最優(yōu)水泥摻入比為3.5%。

3 水泥改良粉砂抗剪強(qiáng)度特征

通過(guò)對(duì)純砂和水泥摻入比為3.5%時(shí)土樣進(jìn)行直接剪切和三軸壓縮試驗(yàn),分析粉砂改良前后強(qiáng)度的變化,以及壓實(shí)度、齡期對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響。

3.1 直接剪切強(qiáng)度

直接剪切試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ隨齡期的變化見(jiàn)圖5和圖6。

從表4中數(shù)據(jù)可以看出純砂的c值和φ值,隨著壓實(shí)系數(shù)的增長(zhǎng)而略有增長(zhǎng)。一般認(rèn)為,純砂的c值應(yīng)該為0,而本地區(qū)粉砂的c值大于0,并與粉土比較相近,產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是在粉砂中含有一定量的細(xì)粒土;另一方面是由于粉砂是在最佳含水率的條件下進(jìn)行測(cè)定的,水的存在使粉砂具有負(fù)孔隙水壓,從宏觀上就表現(xiàn)為一定的“假黏聚力”。

3.5 %水泥的加入對(duì)粉砂的抗剪強(qiáng)度的影響是比較明顯的,特別是對(duì)c值的影響,當(dāng)壓實(shí)系數(shù)K=92%時(shí),從純砂的21.3 kPa到3 h30 min的38.3 kPa提高了近1倍,再到28 d的93.1 kPa,提高了約3.5倍。但摻入水泥后對(duì)φ值的影響比較小,隨著齡期的增長(zhǎng),K= 92%時(shí)變化范圍為33.5°～41.8°、K=95%時(shí)變化范圍為35.8°～42.5°。由此可以得出,3.5%的水泥加入對(duì)粉砂的影響將主要體現(xiàn)在c值的影響上,而且在齡期為14 d之前增長(zhǎng)較快也比較明顯。隨著齡期的增長(zhǎng)c值也在提高,增幅有逐漸減小的趨勢(shì)。

壓實(shí)系數(shù)對(duì)水泥改良粉砂抗剪強(qiáng)度的影響,在齡期為7 d時(shí),壓實(shí)系數(shù)K=95%的水泥改良粉砂的c值是K=92%的1.37倍;14 d為1.37倍;28 d時(shí)為1.24倍。壓實(shí)系數(shù)對(duì)其的影響也是體現(xiàn)在c值上,對(duì)φ值的影響不明顯。

_______________表4 直接剪切試驗(yàn)成果________________

圖5 直剪試驗(yàn)改良粉砂c值與齡期的關(guān)系

圖6 直剪試驗(yàn)改良粉砂φ值與齡期的關(guān)系

3.2 三軸剪切強(qiáng)度

對(duì)純砂和水泥摻入比為3.5%的改良粉砂進(jìn)行固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn),據(jù)水泥改良粉砂在工程中實(shí)際工作的應(yīng)力狀態(tài)選擇圍壓分別為50、100 kPa和200 kPa,得到水泥改良粉砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值和φ值(表5),抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值與齡期的關(guān)系見(jiàn)圖7和圖8。

_______________表5 三軸剪切試驗(yàn)成果________________

圖7 三軸試驗(yàn)改良粉砂c值與齡期的關(guān)系

圖8 三軸試驗(yàn)改良粉砂φ值與齡期的關(guān)系

從表5、圖7和圖8可以看出,三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果與直剪試驗(yàn)結(jié)果相似,3.5%水泥的加入對(duì)粉砂的抗剪強(qiáng)度的影響仍然主要體現(xiàn)在c值上,而且隨著齡期的增長(zhǎng)而逐漸增長(zhǎng),3 d之內(nèi)c值的提高是比較快的,以后增幅變小,但是對(duì)φ值影響不明顯。壓實(shí)系數(shù)對(duì)改良粉砂的c值影響比較大,對(duì)φ值的影響比較小。

水泥改良粉砂的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化是基于水泥的固化作用而產(chǎn)生的。水泥的加入強(qiáng)化了顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度,提高了顆粒之間的膠結(jié)作用,致使水泥改良粉砂的強(qiáng)度提高,這對(duì)于粉砂的壓實(shí)效果和粉砂路基的邊坡穩(wěn)定有著重要價(jià)值。

4 結(jié)論

通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn),對(duì)純砂和水泥改良粉砂所表現(xiàn)出的強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究分析,主要結(jié)論如下。

(1)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,結(jié)合工程實(shí)際和規(guī)范要求,選定了水泥的摻入比為3.5%。同時(shí),證明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),水泥改良粉砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長(zhǎng)而增加。

(2)純砂的直剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)(Cu)結(jié)果表明漢宜高速鐵路粉砂含有一定的細(xì)粒土,從而使粉砂具有一定的黏聚力,這對(duì)于路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是有利的。

(3)3.5%水泥摻入比對(duì)粉砂來(lái)說(shuō)主要體現(xiàn)在c值的增長(zhǎng)上,水泥的加入改善了粉砂的內(nèi)部結(jié)構(gòu),大大提高了黏聚力c值,從而提高改良粉砂的抗剪強(qiáng)度,但對(duì)φ值的影響不是特別明顯。水泥的加入強(qiáng)化了顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度,提高了顆粒之間的膠結(jié)作用,致使水泥改良粉砂的強(qiáng)度提高,這對(duì)于粉砂的壓實(shí)效果和粉砂路基的邊坡穩(wěn)定有著重要價(jià)值,改良效果是明顯的。

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Experimental Study on Shear Strength Performance of Cement-improved Silty Sand

YE Chao-liang,LI Qing,YUE Zu-run
(College of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

The strength performance of pure sand and cement-improved silty sand is studied with unconfined compressive strength test,direct shear test and triaxial compression test.The test results show that the silty sand has certain cohesion,the best content of cement is 3.5%;silty sand mixed with cement increases mainly the cohesion and influences less obviously the internal friction angle and the strength of cement-improved silty sand increases with curing age prolonged.

Subgrade fillings;Silty sand;Cement-improved soil;Strength;Test

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.009

1004-2954(2014)12-0036-04

2014-04-19;

20140507

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAG05B00)

葉朝良(1969—),男,教授,工學(xué)博士,E-mail:yechl001@ 163.com。