作者簡介：

張?jiān)埃?976—），工程師，研究方向：公路工程。

摘要：文章通過室內(nèi)對不同水泥和聚丙烯纖維（PF）摻量條件下的粉質(zhì)黏土展開單軸抗壓力學(xué)試驗(yàn)和微觀電鏡掃描試驗(yàn)，研究復(fù)摻水泥/纖維改性路基粉質(zhì)黏土的工程力學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)：（1）粉質(zhì)黏土的承載能力隨水泥摻量的提高而逐漸提高，不摻水泥的粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度為0.72 MPa，摻3%水泥-粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度較原粉質(zhì)黏土提高76.39%；（2）隨著PF摻量的提高，3%水泥-粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先提高后減小的變化趨勢，當(dāng)水泥摻量為3%、PF摻量為0.5%時其抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到1.61 MPa；（3）微觀電鏡掃描結(jié)果顯示，0.25%纖維+3%水泥的粉質(zhì)黏土內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性較好，土顆粒的分布較為均勻，PF起到了很好的連接作用，因此其抗壓強(qiáng)度較大。研究成果可為軟土路基的加固與改良工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水泥；聚丙烯纖維；凍融循環(huán)；改性粉質(zhì)黏土；微觀電鏡掃；試驗(yàn)研究

中圖分類號：U416.212 A 22 073 2

0 引言

長久以來，由于軟土具有強(qiáng)度低、遇水易變形等特性，其改良工作非常具有挑戰(zhàn)性［1-3］。其中，粉質(zhì)黏土的分布最為廣泛，是軟土路基加固研究中最常見的研究對象［4-6］。因此，如何有效改良粉質(zhì)黏土的工程力學(xué)性質(zhì)是道路工程建設(shè)中的重要研究課題。

目前，針對粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)改良的研究已經(jīng)較為廣泛。郭增等［7］通過基于室內(nèi)水穩(wěn)定性試驗(yàn)和二次回歸正交設(shè)計(jì)，深入分析了土凝巖改良粉質(zhì)黏土水穩(wěn)系數(shù)，并指出影響改良粉質(zhì)黏土水穩(wěn)定性的主要因素為壓實(shí)度、土凝巖摻量和養(yǎng)護(hù)齡期。董張博等［8］基于室內(nèi)試驗(yàn)研究了石灰/粉煤灰對粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)的改良作用，并指出石灰/粉煤灰的摻加可以提高粉質(zhì)黏土的力學(xué)參數(shù)及其在降雨影響下的穩(wěn)定性。胡俊等［9］指出，溫度是影響改良粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)的重要因素，在常溫條件，隨水泥摻量的提高，粉質(zhì)黏土的導(dǎo)溫系數(shù)線性提高；在不同溫度下，隨水泥摻量和齡期的提高，土體的導(dǎo)熱系數(shù)和容積熱容等參數(shù)逐漸減小。

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于粉質(zhì)黏土力學(xué)性改良的研究仍具有一定的局限性［10-12］。本次研究對取自江蘇省某地區(qū)的粉質(zhì)黏土及改性粉質(zhì)黏土展開了單軸抗壓力學(xué)試驗(yàn)和微觀電鏡掃描試驗(yàn)（SEM），深入分析了改良方式對粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究成果可為路基粉質(zhì)黏土的改良工作提供借鑒。

1 工程背景

我國北方地區(qū)某市陸域一期次干路、主干路工程二標(biāo)段中，平漢四路工程樁號范圍為PHSK0+012.335～PHSK2+038.226，全長約2.026 km，不包括垂?jié)h一路路口、經(jīng)二路路口、綠帶西路、經(jīng)一路路口；平漢五路樁號范圍為PWK0+279.358～PWK2+147.811，全長約1.868 km，不包括垂?jié)h一路、經(jīng)二路道路路口；垂?jié)h三路樁號范圍為CSK1+234.773～CSK2+452.357，全長約1.218 km，不包括平漢三路、平漢四路路口。經(jīng)調(diào)查，該地區(qū)公路路基存在大范圍的軟土，主要組成為粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，給道路工程建設(shè)帶來了一定的困難和挑戰(zhàn)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料

本次研究粉質(zhì)黏土的土體試樣取自某地區(qū)，原狀土的取樣深度為1.50 m，土體呈灰褐色。本次試驗(yàn)擬采用聚丙烯纖維和水泥材料對粉質(zhì)黏土進(jìn)行改良，其中，水泥選用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42.5；聚丙烯纖維（山東順通工程材料有限公司）的主要參數(shù)為：直徑10～15.00 μm，纖維平均長度12.00 mm，彈性模量35.00 GPa。

2.2 試樣制備

本次試驗(yàn)的研究對象為取自某地的粉質(zhì)黏土，依照土體的相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范［13］，在室內(nèi)將土體打散后均勻翻拌，使其均勻分布；往土體內(nèi)摻入預(yù)設(shè)含量的纖維/水泥并充分?jǐn)嚢杌旌?；將攪拌均勻后的松散土體倒入直徑×高度=100 mm×200 mm的圓柱體模具中并壓實(shí)，恒溫條件下養(yǎng)護(hù)7 d，取出土體試樣并用保鮮膜包裹，開展力學(xué)試驗(yàn)研究。

2.3 試驗(yàn)方案

為研究聚丙烯纖維和水泥對粉質(zhì)黏土工程性質(zhì)的影響，本次研究共設(shè)置了多組不同纖維摻量下的水泥-纖維改良粉質(zhì)黏土室內(nèi)單軸抗壓力學(xué)試驗(yàn)，不同土樣的具體配合比設(shè)計(jì)如下頁表1所示。同時對原粉質(zhì)黏土和改性后的粉質(zhì)黏土展開微觀電鏡掃描試驗(yàn)，深入分析不同改良方法對粉質(zhì)黏土微觀結(jié)構(gòu)的影響，從微觀角度給予解釋。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

基于現(xiàn)場擊實(shí)試驗(yàn)得到原狀粉質(zhì)黏土試樣的擊實(shí)曲線如圖1所示。由圖1可以看出，原狀粉質(zhì)黏土試樣的最佳含水率在20%左右，此時土的干密度取得最大值，約為1.49 g/cm3。擊實(shí)曲線在最佳含水率附近較平緩，含水率在19%～25%時，干密度變化幅度≤0.05 g/cm3，含水率＞25％后干密度的降幅較大。

3.2 水泥摻量的影響

基于室內(nèi)單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果，得到不同水泥纖維摻量條件下改性粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。由圖2可知，隨著粉質(zhì)黏土中水泥摻量的提高，粉質(zhì)黏土土體試樣的抗壓強(qiáng)度也逐漸提高。不摻水泥或PF的粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度為0.72 MPa，而隨著水泥摻量的逐漸提高，PF改性粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到0.86 MPa、1.18 MPa和1.27 MPa。分析認(rèn)為，混凝土能夠有效增強(qiáng)粉質(zhì)黏土土顆粒之間的膠結(jié)能力，從而增強(qiáng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密性，土的抗壓強(qiáng)度也逐漸提高。進(jìn)一步分析粉質(zhì)黏土抗壓強(qiáng)度和水泥摻量之間的關(guān)系可知，二者之間為復(fù)合線性正相關(guān)函數(shù)關(guān)系，即隨著水泥摻量的提高，粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度呈線性提高趨勢，其線性相關(guān)系數(shù)為0.955 5，擬合效果良好。

圖2 不同水泥摻量改性粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度擬合圖

3.3 PF摻量的影響

表2為摻3%水泥改性粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度隨PF摻量變化試驗(yàn)結(jié)果。由表2可知，當(dāng)粉質(zhì)黏土中水泥摻量固定在3%時，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，復(fù)摻水泥/纖維改性粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的提高而先提高后減小。當(dāng)纖維摻量為0.5%、水泥摻量為3%時，改性粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度取得最大值，最大抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.61 MPa，是原狀粉質(zhì)黏土的2.24倍，較不摻纖維粉質(zhì)黏土提高28.80%。分析認(rèn)為，當(dāng)水泥改性粉質(zhì)黏土中聚丙烯纖維摻量比較合適時，聚丙烯纖維能夠起到很好的連接作用，防止土體破壞；而當(dāng)聚丙烯纖維摻量過大時，會導(dǎo)致水泥與土顆粒的膠結(jié)不充分，粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度也就隨之降低。

3.4 微觀電鏡掃描試驗(yàn)

圖3為破壞后粉質(zhì)黏土土體的微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可以看出，單摻水泥條件下（試樣FS-4），破壞后水泥改性粉質(zhì)黏土顆粒以片狀為主，顆粒形狀無規(guī)律且排列松散，這表明水泥能夠增強(qiáng)土顆粒之間的膠結(jié)能力；在粉質(zhì)黏土單摻聚丙烯纖維條件下（試樣FCS-1），改性粉質(zhì)黏土土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)無明顯變化，試樣破壞后纖維也未產(chǎn)生明顯變形，纖維在土體中起到“橋牽”作用；對于復(fù)摻水泥/纖維改性粉質(zhì)黏土試樣，聚丙烯纖維與水泥土之間緊密連接，且纖維未發(fā)生斷裂，纖維與水泥膠結(jié)土之間起到了很好的相互作用。綜上所述，通過不同粉質(zhì)黏土的微觀電鏡掃描結(jié)果，從微觀結(jié)構(gòu)角度解釋了土體抗壓強(qiáng)度隨水泥或聚丙烯纖維摻量變化規(guī)律的內(nèi)在機(jī)理。

4 結(jié)語

為研究聚丙烯纖維和水泥對粉質(zhì)黏土工程性質(zhì)的影響，本次研究共設(shè)置了多組不同纖維摻量下的水泥-纖維改良粉質(zhì)黏土室內(nèi)單軸抗壓力學(xué)試驗(yàn)和微觀電鏡掃描試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

（1）隨著粉質(zhì)黏土中水泥摻量的提高，粉質(zhì)黏土土體試樣的抗壓強(qiáng)度也呈線性提高。不摻水泥的粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度為0.72 MPa，隨著水泥摻量的逐漸提高，纖維改性粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到0.86 MPa、1.18 MPa和1.27 MPa。

（2）隨著PF摻量的逐漸提高，摻3%水泥-粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先提高后減小的趨勢。當(dāng)PF摻量為0.5%、水泥摻量為3%時，改性粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度最大，此時其抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.61 MPa，是原狀粉質(zhì)黏土的2.24倍，較不摻纖維粉質(zhì)黏土提高28.80%。

（3）單摻水泥條件下，破壞后水泥內(nèi)部顆粒形狀無規(guī)律且排列松散；單摻PF條件下，改性粉質(zhì)黏土土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)無明顯變化，試樣破壞后纖維也未產(chǎn)生明顯變形；復(fù)摻水泥/纖維改性粉質(zhì)黏土，聚丙烯纖維與水泥土之間緊密連接，且纖維未發(fā)生斷裂，纖維與水泥膠結(jié)土之間起到了很好的相互作用。

參考文獻(xiàn)

［1］華正曉.道路工程中軟土路基處理技術(shù)探討［J］.中國設(shè)備工程，2022（3）：241-243.

［2］江衛(wèi)民.公路施工軟土路基施工粉噴樁技術(shù)分析［J］.四川建材，2022，48（2）：172，174.

［3］陳 會.立體加筋法在軟土路基處理中的應(yīng)用研究［J］.交通世界，2022（Z1）：147-148.

［4］唐曉武，應(yīng) 豐，寇乃羽，等.吸附離子對粉質(zhì)黏土及改良土特性的影響［J］.巖土力學(xué)，2010，31（8）：2 519-2 524.

［5］孟憲勇.土質(zhì)改良物理性質(zhì)的室內(nèi)研究［J］.西部探礦工程，2004（6）：48-49.

［6］薛 松.洞庭湖區(qū)軟弱地基水泥土改良技術(shù)應(yīng)用研究［J］.湖南水利水電，2020（5）：45-48.

［7］郭 增，李彥紅.基于回歸正交試驗(yàn)的赤泥基固化劑改良粉質(zhì)黏土水穩(wěn)定性研究［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識，2019，49（5）：315-320.

［8］董張博，王 品.石灰和粉煤灰改良后粉質(zhì)黏土高填方路堤的穩(wěn)定性研究［J］.粉煤灰綜合利用，2019（1）：53-56.

［9］胡 俊，唐益群，張皖湘.水泥改良前后土體熱物理參數(shù)試驗(yàn)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2016，12（5）：1 198-1 204，1 225.

［10］劉 琦，王 沛，董金奎，等.土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中泡沫摻量對渣土改良的試驗(yàn)研究［J］.天津建設(shè)科技，2016，26（2）：41-44.

［11］王紹全，高 斯，何鈺龍，等.基于微觀分析的石灰改良粉質(zhì)黏土擊實(shí)特性［J］.中外公路，2015，35（6）：246-248.

［12］肖 超，王樹英，葉新宇，等.泥質(zhì)粉砂巖地層土壓平衡盾構(gòu)碴土改良技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（5）：165-170.

［13］GB/T 50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

收稿日期：2022-10-12