王鵬濤 張建楠

(1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011； 2.中咨泰克交通工程有限公司，北京 100083)

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干濕循環(huán)對(duì)水泥改良細(xì)砂土強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

王鵬濤1張建楠2

(1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011； 2.中咨泰克交通工程有限公司，北京 100083)

以柬埔寨西港高速為工程背景，從摻入比、齡期、干濕循環(huán)次數(shù)等方面，對(duì)水泥改良后的細(xì)砂土進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了不同條件下水泥改良細(xì)砂土的土體抗壓強(qiáng)度及變形規(guī)律，得到了水泥改良細(xì)砂土的基本力學(xué)特性。

水泥，細(xì)砂土，抗壓強(qiáng)度，干濕循環(huán)，路基

0 引言

柬埔寨西港高速公路有幾段共約50 km路基A，B組填料缺乏，到其他取土場(chǎng)取土運(yùn)距較遠(yuǎn)，成本增加，不利于控制工程造價(jià)。涉及路段土類(lèi)以細(xì)砂土為主，而細(xì)砂土作為路基的填料，不僅強(qiáng)度較低，且容易液化。細(xì)砂土作路基填料必須對(duì)其進(jìn)行改良，改善其力學(xué)特性。

1 試驗(yàn)材料的物理特性

1.1 細(xì)砂土材料

在柬埔寨西港高速涉及細(xì)砂土填筑路基路段取試驗(yàn)用土，取土深度約2 m，顆粒相對(duì)密度為Gs=2.59 g/cm3，最大干密度ρd=1.76 g/cm3，最優(yōu)含水率ωopt=13.5%，粘粒含量較少，粘性低，基本無(wú)塑性。采用顆粒分析試驗(yàn)確定擾動(dòng)砂土的級(jí)配曲線如圖1所示。

顆粒組成集中在0.25 mm～0.075 mm，顆粒組成單一，分選性一般，級(jí)配不良，按JTG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程[2]的分類(lèi)，試驗(yàn)用土屬細(xì)砂土。

1.2 水泥材料

試驗(yàn)所用水泥為32.5(R)礦渣硅酸鹽水泥。性能指標(biāo)：安定性合格；初凝時(shí)間4.5 h，終凝時(shí)間6.67 h；7 d抗折強(qiáng)度4.6 MPa，28 d抗折強(qiáng)度4.6 MPa；7 d抗壓強(qiáng)度21.0 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度30.0 MPa。

2 試樣制備及試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試樣制備

計(jì)算試驗(yàn)所需試樣質(zhì)量，將烘干后的細(xì)砂土過(guò)2 mm篩。取部分素土按最優(yōu)含水率ωopt=13.5%加水?dāng)嚢韬竺芊?4 h。其他部分作為水泥改良土試驗(yàn)材料，水泥摻入比按2%，4%，6%，摻入比=(摻入水泥質(zhì)量/烘干后細(xì)砂質(zhì)量)×100%。取其他部分烘干后的細(xì)砂土分成三部分，為使摻入水泥后的試樣含水率相同，分別按最優(yōu)含水率ωopt=13.5%的102.1%，104.2%，106.4%倍加水?dāng)嚢韬笸瑯用芊?4 h，待燜料完成后按不同水泥摻入比量取水泥，摻入上述3種不同含水率的土樣中攪拌均勻。

分別將素土及不同水泥摻入比的土料制成直徑3.91 cm，高8 cm試樣，壓實(shí)度控制在95%。試樣制好后用保鮮膜包裹好，放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

2.2 試驗(yàn)方案

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所用儀器TSZ-6A型應(yīng)變控制式三軸儀，應(yīng)變速率為4 mm/min。

無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的破壞強(qiáng)度選擇：當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線有峰值時(shí)選擇峰值強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度；當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線無(wú)峰值或峰值不明顯時(shí)，取軸向應(yīng)變?yōu)?5%所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度[2]。

干濕循環(huán)的實(shí)現(xiàn)：將素土試樣及養(yǎng)護(hù)期為28 d的3種水泥摻入比的試樣采用抽真空飽和24 h，取出試樣放入自然條件下風(fēng)干，按30%失水率控制。對(duì)于多次干濕循環(huán)的試樣，重復(fù)上述過(guò)程，直到滿足試驗(yàn)要求循環(huán)次數(shù)為止。

素土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：將素土分別按0，1，2，4，6次干濕循環(huán)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。

水泥改良細(xì)砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：改良土的試驗(yàn)分兩部分，首先對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為0 d，3 d，7 d，14 d，28 d；后對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期28 d后的試樣進(jìn)行干濕循環(huán)，過(guò)程同上。將養(yǎng)護(hù)28 d后的水泥改良土試樣，按1，2，4，6次干濕循環(huán)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。

上述相同條件試驗(yàn)個(gè)數(shù)不少于3個(gè)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 素土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

細(xì)砂土試樣在0，1，2，4，6次干濕循環(huán)下進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

細(xì)砂土中含少量的粘粒，具有較低的粘聚力，未經(jīng)干濕循環(huán)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度還不足0.15 MPa。經(jīng)1次干濕循環(huán)后試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低21%，說(shuō)明試樣在1次干濕循環(huán)后試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強(qiáng)度降低，但1次干濕循環(huán)還不足以使試樣完全失去強(qiáng)度。經(jīng)2次干濕循環(huán)后的試樣，試樣的外觀已經(jīng)有明顯變化，試樣有脫皮現(xiàn)象。此時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)降到了未經(jīng)干濕循環(huán)的1/3以下，試樣基本失去強(qiáng)度。經(jīng)3次干濕循環(huán)后的素土試樣已完全無(wú)法進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，可以認(rèn)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0。證明處于季風(fēng)性熱帶氣候區(qū)的柬埔寨西港高速無(wú)法使用未經(jīng)改良的細(xì)砂土作為路基填料。

3.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥改良細(xì)砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

取水泥摻入比為2%，4%，6%的改良土試樣進(jìn)行齡期0 d，3 d，7 d，14 d，28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

經(jīng)過(guò)改良的細(xì)砂土制成試樣立即進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素土稍有提高，但強(qiáng)度很低，說(shuō)明此時(shí)水泥還沒(méi)有進(jìn)行水化反應(yīng)。改良細(xì)砂土的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期28 d內(nèi)的增加緩慢增加，3種不同摻入比的改良土在7 d齡期內(nèi)強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率較快，在7 d之后隨著齡期的延長(zhǎng)，強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率減緩。

在28 d時(shí)3種摻入比的改良土與素土試驗(yàn)強(qiáng)度之比：2%摻入比為5倍；4%摻入比為7.5倍；6%摻入比為9倍。

28 d養(yǎng)護(hù)齡期6%水泥摻入比是2%水泥摻入比改良細(xì)砂土試驗(yàn)強(qiáng)度的2倍。

3.3 干濕循環(huán)對(duì)水泥改良細(xì)砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

水泥摻入比為2%，4%，6%的改良土在養(yǎng)護(hù)齡期28 d后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。取0，1，2，4，6次干濕循環(huán)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果，繪制循環(huán)次數(shù)與強(qiáng)度變化關(guān)系圖。

同時(shí)將素土干濕循環(huán)對(duì)強(qiáng)度的影響曲線作為比較，如圖4所示。

干濕循環(huán)后3種摻入比的改良土強(qiáng)度都有一定程度降低，由于水泥的膠結(jié)作用使土體內(nèi)部發(fā)生變化，砂粒起到了骨架作用，但土粒間含有少量的粘粒在由干到濕的過(guò)程中改良土也具有了吸水膨脹，失水收縮[4]，造成土體內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，并隨循環(huán)次數(shù)增加微裂縫不斷發(fā)展，降低土體強(qiáng)度。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出在第1次干濕循環(huán)后3種配比改良土的強(qiáng)度下降都很明顯。那么第1次干濕循環(huán)過(guò)程土體內(nèi)部破壞明顯，造成強(qiáng)度降低；而2次干濕循環(huán)后3種改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。說(shuō)明2次循環(huán)后改良土體內(nèi)部微裂縫已經(jīng)擴(kuò)展到一定程度，抗壓強(qiáng)度主要由水泥的膠結(jié)作用和細(xì)砂形成骨架承擔(dān)，改良土由干濕循環(huán)的破壞趨勢(shì)減弱，從而使2次干濕循環(huán)后改良土強(qiáng)度衰減隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定。而摻入比為2%水泥改良土經(jīng)過(guò)6次干濕循環(huán)后的強(qiáng)度是素土未經(jīng)干濕循環(huán)的強(qiáng)度的2倍，證明經(jīng)過(guò)水泥改良后的細(xì)砂土不但強(qiáng)度增加，且對(duì)干濕循環(huán)的抵抗能力也明顯增強(qiáng)。

4 結(jié)論與展望

1)柬埔寨西港高速公路不能直接使用細(xì)砂土作為路基填料。若使用必須對(duì)其進(jìn)行改良。

2)相同條件下水泥改良細(xì)砂土的強(qiáng)度隨水泥摻入比的增加增強(qiáng)。隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)水泥改良土的強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)。2%，4%，6%水泥摻入比改良細(xì)砂土28 d試驗(yàn)強(qiáng)度分別是未改良細(xì)砂土試驗(yàn)強(qiáng)度的3.5倍，5倍，7倍，改良后土體強(qiáng)度明顯增加。且在養(yǎng)護(hù)7 d內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較7 d后的增長(zhǎng)速率大。3種不同摻入比的改良土7 d的養(yǎng)護(hù)齡期改良土試樣的強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28 d強(qiáng)度的70%以上，對(duì)節(jié)省施工時(shí)間有著重要意義。

3)水泥改良細(xì)砂土有效抵抗干濕循環(huán)對(duì)強(qiáng)度的影響。在2次干濕循環(huán)后改良土強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4)本文未對(duì)改良土受壓破壞時(shí)變形的變化進(jìn)行探討，高速公路路基作為公路的主要受力結(jié)構(gòu)，對(duì)其變形有很高的要求。而公路運(yùn)營(yíng)期間路基不但承受結(jié)構(gòu)層等靜荷載，還要承受車(chē)輛施加的動(dòng)荷載。那么對(duì)于動(dòng)荷載作用下水泥改良細(xì)砂土的力學(xué)性質(zhì)水泥及改良細(xì)砂土的應(yīng)力應(yīng)變特征還有待進(jìn)一步研究。

[1] 唐玉龍.大何鐵路路基水泥改良粉細(xì)砂填料的試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(6)：24-27.

[2] JTG E40—2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3] 陳偉東,陳 偉,劉運(yùn)蘭.水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素實(shí)驗(yàn)研究[J].施工技術(shù)，2014，43(11)：72-75.

[4] 王建華，高玉琴.干濕循環(huán)過(guò)程導(dǎo)致水泥改良土強(qiáng)度衰減機(jī)理的研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，5(27)：23-25.

Influential study on the impact of dry-wet cycling upon cement improving fine sandy-soil strength

Wang Pengtao1Zhang Jiannan2

(1.China Highway & Bridge Engineering Co., Ltd, Beijing 100011, China;2.Zhongzi Taike Traffic Engineering Co., Ltd, Beijing 100083, China)

Taking Xigang highway in Cambodia as the engineering background, starting from aspects of mixing ratio, concrete age, and dry-wet cycling times, the paper carries out unconfined compressive strength test for the improved fine sandy-soil, analyzes soil compressive strength and deformation law of cement improving fine sandy-soil strength under different conditions, and finally achieves the basic mechanical characteristics of cement improving fine sandy-soil.

cement, sandy-soil, compressive strength, dry-wet cycling, subgrade

1009-6825(2016)12-0097-02

2016-02-19

王鵬濤(1981- )，男，工程師

TU411.6

A