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        水泥摻量對改良膨脹土抗剪強度的影響①

        2018-08-03 05:24:02,,
        關(guān)鍵詞:粘聚力球磨機摩擦角

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        (1. 安徽建筑大學土木工程學院,安徽 合肥 230601;2.安徽廣播電視大學 開放教育學院, 安徽 合肥 230601)

        0 引 言

        膨脹土具有明顯的吸水膨脹、失水收縮的性質(zhì),導致其在工程中可能會出現(xiàn)不均勻沉降持續(xù)時間長[1~4],沉降幅度大等危害,會直接導致路基更容易發(fā)生坍塌、滑坡和變形等危害,給公路建設(shè)和人身安全造成極大破壞,給社會帶來極大損失。

        試驗通過控制變量的方式,在其他條件一致的情況下,研究膨脹土在不同水泥摻量時抗剪強度的變化趨勢,進而通過試驗數(shù)據(jù)分析膨脹土達到最佳抗剪強度時水泥的摻量。膨脹土的抗剪強度的影響因素一直是國內(nèi)外學者熱衷于研究的課題,在試驗之前,已經(jīng)有大量的學者對該課題進行了不同類型、不同角度的研究,給試驗提供了充足的理論依據(jù)和研究支撐。A.W.Bishop[5]在研究膨脹土的抗剪強度時提出,在影響膨脹土抗剪強度各因素中,水泥摻量對膨脹土抗剪強度的影響最大,且梁勇[6]以湖北省宜昌市某一級公路改建工程為研究對象,對不同石灰摻量的膨脹土進行剪切試驗,得出水泥摻量的增加能提高膨脹土抗剪強度,并能提高膨脹土的內(nèi)摩擦角、粘聚力的結(jié)論。韓晶[7]等在研究膨脹土的試驗中分析到,水泥對膨脹土抗剪強度的影響程度并不是一直不變的,隨著水泥摻量的增大,膨脹土的抗剪強度、內(nèi)摩擦角以及粘聚力的增長趨勢各有各自的特點。

        1 試驗材料與設(shè)備

        1.1 實驗材料

        膨脹土取自合肥市區(qū),呈現(xiàn)黃褐色半堅硬狀態(tài),主要成為親水性礦物質(zhì),含有少量鈣質(zhì)結(jié)核,采樣膨脹土的基本性質(zhì)如表1。水泥為礦渣硅酸鹽水泥,標號為GB175-2007。為使試驗達到研究目的,設(shè)置5組不同摻灰比,含水率同為16.5%的試樣。分別為:作為對比的不摻灰的1號膨脹土試樣;摻灰比為1%的2號試樣;摻灰比為2%的3號試樣;摻灰比為3%的4號試樣;摻灰比為4%的5號試樣。

        表1 膨脹土的基本性質(zhì)

        1.2 實驗設(shè)備

        試驗第一階段需要把原狀膨脹土放在磨礦功指數(shù)球磨機里進行攪拌打碎,磨礦功指數(shù)球磨機如圖1所示。將試樣進行直剪試驗需要用到的是全自動殘余強度試驗儀,全自動殘余強度試驗儀如圖2所示。

        圖1 磨礦功指數(shù)球磨機

        圖2 全自動殘余強度試驗儀

        3 實驗過程

        試驗參照《公路土工試驗城規(guī)》(JTG E40-2007)和《公路工程無機結(jié)合穩(wěn)定材料試驗城規(guī)》(JTG E51-2009)進行,試驗相關(guān)數(shù)據(jù)處理參照《土工試驗方法標準》(GBT501231999)。

        實驗首先將取自合肥市區(qū)的原狀膨脹土自然晾曬達到一定的干度,利用磨礦功指數(shù)球磨機攪拌1h,取出碎土用0.3mm的篩子進行篩分,將篩分后的膨脹土細粒放烘干箱里烘干12h。取出土樣冷卻后,按照實驗要求配制需要的五組不同水泥摻量的膨脹土試樣。配制方法為:設(shè)計含水率為16.5%,按照相關(guān)規(guī)定,預(yù)留3%的水,量取13.5%質(zhì)量的水放入膨脹土中進行攪拌,攪拌均勻后分別放入的0%—4%質(zhì)量的水泥,再次攪拌均勻后,將預(yù)留的3%質(zhì)量的水倒入混合料中,再次攪拌均勻后利用千斤頂進行壓樣,環(huán)刀體積為60cm3。實驗需要將每種石灰摻量的膨脹土分別在豎向應(yīng)力為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的壓力下進行剪切試驗,以研究膨脹土在不同豎向正應(yīng)力下的抗剪強度,以及需要一個用以測飽和含水率的試樣,即每一石灰摻量的膨脹土需要5個試樣,重復(fù)上述步驟,分別完成余下4個試樣。試驗完成后用保鮮膜密封,放入標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護7d,養(yǎng)生期間養(yǎng)護箱內(nèi)溫度保持22℃,相對濕度95%。養(yǎng)護完成后取出其中一個試樣飽和12h測出其飽和含水率及相關(guān)數(shù)據(jù),其他4個試樣數(shù)據(jù)近似等于該試樣。其余4個試樣飽和8h后放入剪切試驗儀中分別在豎向應(yīng)力為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa條件下進行直剪,6h后記錄數(shù)據(jù)并整理結(jié)果,對結(jié)果進行分析。

        4 實驗結(jié)果

        對20組試樣進行相應(yīng)的直剪試驗后,將各組試樣的抗剪強度進行整理,根據(jù)公式τf=σ·tanφ+c計算相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。

        4.1 水泥摻量對內(nèi)摩擦角的影響

        根據(jù)實驗結(jié)果以及對數(shù)據(jù)的處理分析,繪制如圖3的水泥摻量-內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線。表中橫坐標為水泥摻量,縱坐標為內(nèi)摩擦角。

        圖3 水泥摻量與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線圖

        圖4 粘聚力與水泥摻量關(guān)系曲線圖

        實驗結(jié)果表明:膨脹土試樣在不摻水泥時,內(nèi)摩擦角為22°,在摻入1%質(zhì)量的水泥后,內(nèi)摩擦角增加到了25°,說明水泥摻量能夠明顯提高膨脹土的內(nèi)摩擦角。隨著水泥摻量的增加,膨脹土的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢,當水泥摻量由1%增加到2%時,內(nèi)摩擦角的增長幅度最大,之后展現(xiàn)為平穩(wěn)增加,并逐漸趨于穩(wěn)定。

        4.2 水泥摻量對粘聚力的影響

        根據(jù)實驗結(jié)果以及對數(shù)據(jù)的處理分析,繪制如圖4的水泥摻量-粘聚力的關(guān)系曲線。表中橫坐標為水泥摻量,縱坐標為粘聚力。

        實驗結(jié)果表明:摻水泥能夠增大膨脹土的粘聚力,且隨著水泥摻量的增加,膨脹土的粘聚力也隨之逐漸增加。具體表現(xiàn)為,當摻入1%質(zhì)量的水泥時,膨脹土的內(nèi)摩擦角為64kPa,作為對比項的不摻水泥膨脹土的粘聚力僅為60kPa,說明水泥摻量能夠增加膨脹土的粘聚力;隨著水泥摻量的增加,膨脹土的粘聚力呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長趨勢。

        4.3 水泥摻量對抗剪強度的影響

        根據(jù)實驗結(jié)果以及對數(shù)據(jù)的處理分析,繪制如圖5的水泥摻量-抗剪強度的關(guān)系曲線。表中橫坐標為水泥摻量,縱坐標為抗剪強度。

        實驗結(jié)果表明:相同正壓力下,水泥摻量越大,膨脹土的抗剪強度越大,水泥摻量由3%增加到4%時,膨脹土的抗剪強度增長幅度最大;在相同水泥摻量下,隨著正應(yīng)力的增大,膨脹土的抗剪強度也越大,正應(yīng)力由300kPa增加到400kPa時,膨脹土的抗剪強度大幅度增加。

        5 結(jié) 論

        (1)膨脹土的抗剪強度和水泥摻量具有極大的關(guān)系。具體表現(xiàn)為:隨著水泥摻量的增加,膨脹土的抗剪強度能夠得到極大地增強,在一定范圍內(nèi),水泥摻量和膨脹土的抗剪強度成正比。

        (2)水泥摻量對膨脹土的內(nèi)摩擦角也具有明顯的影響。當水泥摻量逐漸增加時,膨脹土的內(nèi)摩擦角在第一階段快速增加,之后逐漸變緩,直至趨于穩(wěn)定不再變化。

        (3)水泥摻量的增加會增大膨脹土的粘聚力和內(nèi)摩擦角,但增加趨勢兩者相反,隨著水泥摻量的增加,粘聚力的增大趨勢為先慢后快,當水泥摻量從3%增加到4%時,粘聚力增長幅度最大。

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