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        膨潤(rùn)土改性次生黃土的力學(xué)性能

        2018-09-10 21:54:46張鵬楊瑞雪崔自治郄明穎康龍
        人民黃河 2018年9期
        關(guān)鍵詞:正交試驗(yàn)膨潤(rùn)土力學(xué)性能

        張鵬 楊瑞雪 崔自治 郄明穎 康龍

        摘要:針對(duì)寧夏次生黃土含砂率大、透水性強(qiáng)的特點(diǎn),以次生黃土為研究對(duì)象,以飽和度、壓實(shí)度、膨潤(rùn)土摻量、含砂率為因素,應(yīng)用ZJ型電動(dòng)直剪儀和GZQ-1型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案L,e ( 45 ),設(shè)置35%、55%、75%和95%等4個(gè)飽和度水平,0.86,0.90,0.94和0.98等4個(gè)壓實(shí)度水平,0,1.5%,3.0%和4.5%等4個(gè)膨潤(rùn)土摻量水平,15%、20%、25%和30%等4個(gè)砂土含量水平,研究了膨潤(rùn)土改性次生黃土的強(qiáng)度和壓縮性,分析了各因素的作用規(guī)律及顯著性,給出了最優(yōu)組合。結(jié)果表明:壓實(shí)度對(duì)次生黃土力學(xué)性能的改善有利,且影響顯著;膨潤(rùn)土摻量對(duì)黏聚力的影響顯著,對(duì)摩擦角和壓縮性的影響不顯著;粗砂含量為25%時(shí)對(duì)壓縮性最為不利。增大壓實(shí)度是改善次生黃土力學(xué)性能的有效措施,摻加膨潤(rùn)土不會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的不利影響。

        關(guān)鍵詞:膨潤(rùn)土;含砂率;力學(xué)性能;正交試驗(yàn);次生黃土

        中圖分類號(hào):TV16;TU502 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.033

        寧夏回族自治區(qū)由騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙漠相圍,南面與黃土高原相連,黃土分布廣[1-3]。次生黃土具有含砂率大、自重濕陷性強(qiáng)、滲透性強(qiáng)等特點(diǎn)[4-5],其上水利及建筑工程常因防滲失效而引起地基濕陷、沖蝕和潛蝕,最終導(dǎo)致建筑物沉降、開(kāi)裂,造成不可挽回的損失[3],因此加強(qiáng)黃土地基防滲是非常必要的。摻加膨潤(rùn)土可顯著提高黃土的抗?jié)B性能[6-7],但次生黃土作為建筑地基除了滿足防滲要求外,還應(yīng)滿足強(qiáng)度和變形要求。崔自治等[8-13]研究了膨潤(rùn)土改性黏土、黃土和砂土的滲透性,發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土能明顯降低土壤的滲透性,對(duì)砂土抗?jié)B性能的改善尤為明顯。陳開(kāi)圣等[14-15]研究了壓實(shí)度和飽和度對(duì)黃土壓縮性的影響,得出壓實(shí)度越大壓縮變形系數(shù)越小,高含水量下,壓實(shí)度對(duì)壓縮變形影響顯著。楊博等[16]應(yīng)用柔性壁滲透儀研究膨潤(rùn)土改性黃土的滲透性,認(rèn)為膨潤(rùn)土減小土體中大中孔隙的數(shù)量是減小滲透性的內(nèi)在機(jī)理。趙天宇等[17]通過(guò)控制滲透時(shí)間、圍壓和滲透壓力等條件得出試驗(yàn)初期試樣的滲透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)上有較大波動(dòng),隨著持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定,增大圍壓和滲透壓力都可以引起改性黃土滲透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)上降低。竇遠(yuǎn)明等[18]采用R法和方差法分析得出膨潤(rùn)土摻量對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角有著著影響,對(duì)壓縮模量影響極不顯著。但綜合考慮黃土含砂率和膨潤(rùn)土摻量對(duì)黃土力學(xué)性能的影響研究罕見(jiàn)報(bào)道。因此,本文研究含砂率和膨潤(rùn)土摻量對(duì)壓實(shí)黃土力學(xué)性能的作用規(guī)律,為寧夏次生黃土地區(qū)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        黃土取自寧夏同心,密度ρ=1.56g/cm3含水率w=12.2%,土粒相對(duì)密度ds=2.72,塑限wp=15.0%,液限w1=27.2%,塑性指數(shù)Ip=12.2,最大干密度ρdmax=1.72g/cm3,最優(yōu)含水率wopt=16.0%,粒徑主要為0.075~0.005mm的粉粒(占81.3%,見(jiàn)圖1)。砂土為粗砂,取自銀川市,含水率ω=1.2%,粒徑分布見(jiàn)圖2,主要為0.25~5mm的砂粒,占83.0%,大于0.5mm的顆粒含量為60.5%。

        膨潤(rùn)土來(lái)自市場(chǎng)銷售,主要化學(xué)成分為SiO2 ,Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O,以及少量的CaO、2O5和其他(見(jiàn)表1),主要礦物為蒙脫石,外比表面積59.1m2/g。

        1.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

        以壓實(shí)度λc、飽和度Sr、含砂率s及膨潤(rùn)土摻量b為因素,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案L16(45),因素與水平列于表2,其中e為誤差列。

        將黃土、砂土風(fēng)干,碾散,拌勻,測(cè)含水率。通過(guò)摻加砂土調(diào)節(jié)含砂率,按試驗(yàn)方案稱取黃土、膨潤(rùn)土、砂土和純凈水,先將黃土、砂土和膨潤(rùn)土混合拌勻,再加純凈水拌勻。用壓樣器每組制備直徑61.8mm、高20mm的試樣8個(gè)用于強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定,直徑79.8mm、高20mm的試樣2個(gè)用于壓縮性指標(biāo)測(cè)定。

        依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999),強(qiáng)度指標(biāo)用ZJ型電動(dòng)直剪儀采用快剪試驗(yàn)方法測(cè)定,設(shè)正應(yīng)力分別為50、100、150、200 kPa,剪切速率為0.8mm/min。壓縮系數(shù)用czQ-1型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀采用側(cè)限壓縮方法測(cè)定,設(shè)固結(jié)壓力分別為50、100、200、400kPa。

        2 結(jié)果與分析

        試驗(yàn)方案與結(jié)果列于表3,其中:c為黏聚力,φ為內(nèi)摩擦角,α為壓縮系數(shù)。由表3可知,黏聚力的變化幅度很大,達(dá)53.7kPa,內(nèi)摩擦角的變化幅度較小,僅4.3°左右。

        2.1 直觀分析

        按正交試驗(yàn)分析理論得出的各因素作用效應(yīng)的趨勢(shì)見(jiàn)圖3,極差見(jiàn)圖4。

        由圖3可見(jiàn),黏聚力隨壓實(shí)度和膨潤(rùn)土摻量的提高非線性增大,隨飽和度和含砂率的增大近似線性減小。黏聚力的微觀本質(zhì)是氫鍵[17],壓實(shí)度增大,土粒間的接觸面增加,距離減小,氫鍵增強(qiáng);飽和度增大,水分增多,水與土粒作用使氫鍵產(chǎn)生組合弱化效應(yīng)[13]。膨潤(rùn)土具有膠結(jié)和離子交換效應(yīng),摻量增加,膠結(jié)力增強(qiáng),黏聚力增大;砂粒不具黏結(jié)性,故含砂率增大,黏聚力降低。

        內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的增大呈非線性增大,隨含砂率的增大近似線性增大,隨飽和度的增大和膨潤(rùn)土摻量的增加近似線性減小。壓實(shí)度增大,顆粒間的相互嵌入增多,咬合力增大,其次土粒表面結(jié)合水膜變薄,潤(rùn)滑作用減小,內(nèi)摩擦角增大。飽和度增大,一是土粒的結(jié)合水膜增厚,潤(rùn)滑效應(yīng)增強(qiáng),二是界面張力減小,有效應(yīng)力降低,內(nèi)摩擦角減小。膨潤(rùn)土與水形成抗剪性能很低的“塑性潤(rùn)滑劑”,故膨潤(rùn)土摻量增加,內(nèi)摩擦角降低。砂粒粗,表面粗糙,摩擦阻力大,嵌固效應(yīng)好,故含砂率增大,內(nèi)摩擦角增大。

        壓縮系數(shù)隨壓實(shí)度的增大非線性減小,隨飽和度的增大和膨潤(rùn)土摻量的增加非線性增大,隨含砂率的增大呈先增大后減小的拋物線趨勢(shì),砂土摻量約25%時(shí)達(dá)到最大。飽和度增大,土的強(qiáng)度降低,土粒易于錯(cuò)動(dòng),壓縮性增大。膨潤(rùn)土顆粒細(xì),且吸收的水在壓力作用下會(huì)被擠出,故其摻量增加,土的壓縮性增大。含砂率較小時(shí),因黏聚力隨含砂率的增大減小較快,綜合強(qiáng)度降低,且起不到骨架作用,壓縮性增大;含砂率達(dá)到某一值后,黏聚力隨含砂率的增大減小較慢,綜合強(qiáng)度提高,且骨架作用漸顯,壓縮性減小,因此壓縮系數(shù)與含砂率呈拋物線關(guān)系。

        由圖4可見(jiàn),各因素對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮系數(shù)影響的主次順序有所不同。影響?zhàn)ぞ哿蛢?nèi)摩擦角的主次順序?yàn)閴簩?shí)度、飽和度、膨潤(rùn)土摻量、含砂率。影響壓縮系數(shù)的主次順序?yàn)閴簩?shí)度、飽和度、含砂率、膨潤(rùn)土摻量。

        2.2 方差分析

        方差分析結(jié)果列于表4。由表4可見(jiàn),各因素對(duì)黏聚力的影響最大,對(duì)內(nèi)摩擦角的影響最小。各因素對(duì)力學(xué)指標(biāo)影響的顯著性,以壓實(shí)度最高,其次是飽和度,含砂率最??;對(duì)壓縮系數(shù)影響的顯著性順序稍有變化,以膨潤(rùn)土摻量影響的顯著性最小。增大壓實(shí)度是提高次生黃土強(qiáng)度、降低壓縮性的有效措施。摻加膨潤(rùn)土對(duì)次生黃土的黏聚力提高有利,對(duì)提高內(nèi)摩擦角和減小壓縮性不利,但影響不顯著??梢?jiàn)摻加膨潤(rùn)土以提高次生黃土的抗?jié)B性,不會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的不利影響。

        2.3 最優(yōu)組合

        最優(yōu)組合應(yīng)綜合考慮工程要求、效應(yīng)趨勢(shì)、方差分析結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性等。壓實(shí)系數(shù)增大對(duì)次生黃土的強(qiáng)度提高和壓縮性減小有利,且影響顯著,故越大越好,但過(guò)大不經(jīng)濟(jì),依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004),壓實(shí)黃土墊層小于或等于3m的部分,壓實(shí)系數(shù)不應(yīng)小于0.95,大于3m的部分不應(yīng)小于0.97,可見(jiàn)壓實(shí)系數(shù)以0.95或0.97最佳。飽和度增大對(duì)次生黃土的強(qiáng)度提高和壓縮性減小不利,且影響較大,應(yīng)越小越好。但為保證施工要求的壓實(shí)度,土料應(yīng)有一定的含水率,即最優(yōu)含水率,施工時(shí)飽和度應(yīng)選擇最優(yōu)含水率對(duì)應(yīng)的飽和度。試驗(yàn)用次生黃土的最優(yōu)含水率為16.0%,與壓實(shí)系數(shù)0.95/0.97對(duì)應(yīng)的飽和度為65.5%/69.0%。使用過(guò)程中應(yīng)采取防滲和排水措施,防止飽和度過(guò)度增大。摻加膨潤(rùn)土的主要目的是提高次生黃土的抗?jié)B性,且不會(huì)對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的不利影響,膨潤(rùn)土摻量應(yīng)在滿足抗?jié)B性要求的條件下,盡量少摻,以降低成本。含砂率對(duì)黃土力學(xué)性能的影響不大,可不予處理,以節(jié)省成本。

        3 結(jié)論

        (1)壓實(shí)度對(duì)黃土力學(xué)性能的改善有利,且影響最顯著,增大壓實(shí)度是改善次生黃土力學(xué)性能的有效措施。

        (2)摻加膨潤(rùn)土以提高次生黃土的抗?jié)B性,不會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的不利影響。

        (3)次生黃土的粗砂含量為25%時(shí)對(duì)壓縮性最為不利,但影響的顯著性一般,為節(jié)省成本,可不予處理。

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